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          单片机的电暈监测及控制装置设计

          添加时间:2018/08/01 来源:昆明理工大学 作者:陈广
          本文完成了电量监测及控制装置的硬件设计、软件设计。在文中先对整个装置的整体框架进行了介绍,在硬件设计时,设计了多种模拟信号、数字信号输入输出电路,根据实际情况选择了最合适的一种。
          以下为本篇论文正文:

          摘要

            随着智能电网的推出与不断发展,高级测量体系作为智能电网的四大组成部分之一,发挥着举足轻重的作用,而电能的数据采集、处理、分析是高级测量体系的实现基础。本文设计了一个基于单片机的低成本的集电量监测与控制功能于一体的智能化装置,并对低压电网电压、电流、功率等电量的监测与控制技术进行初步研宄。

            本文采用集成电能计量、MCU、RTC于一体的单相电能计量SoC芯片V9821实现电量监测及控制装置的具体功能,该芯片具有低功耗、封装小、计量精度高、提供多种测试数据、功能齐全的优点。本装置可实现包括电压/电流信号的采集、A/D转换、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、用电量等参数的精确计量。与常规的多功能电力仪表不同,通过本装置可对开关量和模拟量进行采集、输出控制,在线监测设备工作状态,具备负载异常;けňδ,通过Modbus协议设置设备参数实现电量采集和工业控制。

            本文采用自顶向下的设计方法,根据功能需求进行总体方案设计,并针对各?楣δ苎芯苛讼嘤际跏迪质侄,包括标准正弦波下的电能计量实现、谐波干扰下的电能计量实现、基于I2C的系统内部通信和基于Modbus协议的工业控制通信具体实现。另外,在电量监测及控制装置的硬件电路设计上,通过多种方案对比选择了最适合本装置的具体电路,并在此基础上进行了软件程序设计,使得电量监测及控制装置实现预期功能目标,对给定负载的电压、电流和功率测量值与额定值综合判断负载是否异常,具有负载异常;けňδ。最后釆用WB51AO01多功能网络电力仪表作为检定装置,对设计实物进行了运行测试,并分析了测试数据,结果表明本装置相对于0.5级检定装置电压有效值、电流有效值、有功功率误差小于0.5%。

            经过以上研宄,本文实现了单芯片单相多功能监测控制装置解决方案,大大降低了装置成本,缩短开发周期,功能可灵活拓展,不仅能当作实验平台,还可以直接应用于消防系统、通风管理、照明管理、智能家居及其它需要监测和控制工业设备的相关领域。

            关键词:电量在线监测、输出控制;V9821; I2C协议;Modbus协议

          Abstract

            With the introduction and continuous development of smart grid, advanced metering infrastructure (AMI) as one of the four major components of the smart grid, play a pivotal role, the collection, processing and analysis of power data are the foundation of realization of the advanced metering infrastructure. This paper designs an intelligent control device which combines power monitoring and control functions, and the device based on single-chip microcomputer has lower cost of building. And this paper studies the monitoring and control technology of voltage, current and power in low voltage grid.

            In this paper, the Single - phase energy metering SoC chip is used to achieve the power monitoring and device controlling. This chip is named V9821 which possesses the characteristics of high-performance, low-power consumption, small package, high measurement accuracy, providing a variety of test data, full-featured and it combines power metering, MCU, RTC. The device can achieve voltage/current signal acquisition, A/D conversion,and the precise measurement of some electrical parameters such as active power, reactive power, apparent power, power factor and power consumption.

            Different from the conventional multi-function electronic meter, the device can achieve the digital /analog acquisition and output control, the working state of online monitoring equipment and the alarm function for abnormal load, set equipment parameters to realize the collection power and industrial control by Modbus.

            Here, using top-down design method, according to the fimctional requirements for the overall program design, besides, the corresponding technology realization method is studied for each module function, including the realization of the energy measurement under the standard sine wave, the realization of the energy measurement under the harmonic interference, the specific realization of Inter-system communication by I2C and industrial control communications by Modbus. In addition, In. the design of hardware circuit of power monitoring and control device, the most suitable circuit for the device is given by comparing a variety of programs,and it proposes the software programming based on the specific circuity so that it realizes the expected goal about power monitoring and device controlling, comparative rating with a given load voltage, current and power measurements, which determines whether ihc load exception. Finally, this paper tested the device, and analyzed the test data by WB51AO01 multi-ftmction network power meter as a verification device. Results show that the device as opposed to 0.5 calibration device,the error of voltage RMS,current RMS,active power is less than 0.5%.

            According to the above studies, tMs paper proposes the solution of the single-chip single-phase multi-function monitoring and control device controlling, reduces the cost of devices greatly, shorten the period of development, and features can be expanded, not only can be used as an experimental platform,but also can be widely used in fire systems? ventilation management, lighting management, smart home and other areas require the monitoring and controlling of industrial equipment.

            Keyword: Electricity on-line monitoring and output control; V9821; I2C; Modbus

            随着经济发展,传统能源逐渐减少,加之环境污染问题加剧,对于进一步解决能源和环境问题,将日益发达的信息科学技术应用于能源领域成为新的趋势。

            加上近年来,发生在全球各个国家的大规模停电,导致事发地区人员安全、经济状况、自然环境受到不可估量的损失,其中以2003年发生在美国东北地区大规模停电为例,直接造成此区域约60亿美元的经济损失,充分暴露了现阶段互联网同步电网的不足之处?2]。由此,电力部门提出智能电网概念,并在世界各国得到认可,并将之作为电力行业的新趋势得到大力发展[3][4]。

            智能电网这一概念首先由美国于2001年提出,并且在2003年制定了关于智能电网方面的详细研宄框架[5]。同年,美国能源部宣布为了提高电力网络的安全、稳定、可靠及电能质量,至2030年将在全国建成更加安全可靠、低成本、自动化程度高、灵活应变的输电配电系统,作为Grid2030计划的重点建设项目。同样欧洲也认为智能电网技术是电能质量的强有力保证,是整个欧洲电网的发展重点,并且于2006年制定了《欧洲智能电网技术框架》[6]。在世界范围大力发展智能电网的氛围下,中国国家电网公司也提出了坚强智能电网的概念,致力于实现一个“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网[5][7]。

            在智能电网的高级测量体系(advanced metering infrastructure, AMI)中,主要的组成部分是智能电表,而智能电表主要用于原始电能数据采集、计量和传输。在高级测量体系中,以智能电表为基础可以使用户更好的管用电量,达到节能减排,减少环境污染,同时智能电表也方便了电网公司对电力信息化管理,能快速检测系统故障,提高了工作效率,保证供电系统的稳定性[1()]。

            结合上面描述的智能电网和智能电表的发展背景,本文基于单相电能计量SoC芯片V9821为主控芯片,在已有的国内外关于电能计量技术基础之上,研宄并设计了一个电量监测及控制装置。不仅能适应智能电网快速发展要求,具有智能电表基本功能,实现对电流、电压行采集转换,进一步完成有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、用电量等参数的精确计量及显示;咕哂谐9娴缌σ潜硭痪弑傅囊恍┕δ,包括:对给定负载的电压、电流和功率测量值与额定值综合判断负载是否异常,具有负载异常;けňδ,可通过Modbus协议设置设备参数实现电量采集和工业控制。本文采用V9821芯片设计的智能电量监测及控制装置,实现了单芯片单相多功能监测控制装置解决方案,大大降低了开发成本,缩短开发周期,且方便灵活,功能强大,不仅能当作实验平台,还可以广泛应用于消防系统、风机管理、隧道照明及其它需要监测和控制工业设备的相关领域。

            通过前面的介绍,可以看出随着智能电网的提出与大力发展,其中的高级测量体系(AMI)更是整个智能电网建设的重点,而AMI的重要组成部分是电能计量装置。目前已有电力仪表主要用于家庭或工厂电能计量,多采用MCU+电能计量芯片方案,实现过程复杂,集成度不高、成本昂贵。且存在某些工业设备需要实时监测其工作状态(确保设备正常),当出现问题须及时提醒工作人员进行维修处理(如消防系统),但是目前国内外在能同时实现设备电能计量、状态在线监测及工业控制方面的电力仪表装置研宄相对缺乏。对此,本文设计了一种电量监测及控制装置,用于实现相关功能。

            与目前已有常规电力仪表不同,本电量监测及控制装置的创新之处有:在设计上,采用V9821 SOC芯片为主控制器,集成电量监测与控制功能于一体,实现单芯片解决方案,与常规设计采用的单片机、ARM、DSP、FPGA等芯片相比具有成本低、设计简单的优点;在功能实现上,通过本装置可以实现常规电力仪表的电能计量功能,另外还具备对开关量和模拟量进行采集、输出控制,通过对给定负载的电压、电流和功率测量值与额定值综合判断负载是否异常,实现在线监测设备工作状态,具备负载异常;けňδ,通过Modbus协议设置设备参数实现电量采集和工业控制,具有功能集中的优点;在应用上,本电量监测及控制装置主要设计用于消防系统、智能风机管理系统、智能照明管理系统、智能家居及其它需要监测和控制工业设备的相关领域,应用范围广泛。

            本文研究了电量监测及控制装置的总体方案、硬件设计以及软件设计,具体做了如下工作:

            1、查阅大量文献,分析了目前己有相关装置的具体实现方法,总结出优点与不足,并根据功能需求分析对整个系统进行了设计,选定出微控制器、电能计量?、设计了相关硬件电路原理图,绘制PCB电路,并进行了调试。

            2、研究了标准正弦波及谐波干扰下的电能计量方法和微控制器V9821内部各个?榈木咛迨褂梅椒、工作原理及注意事项。

            3、介绍并研究了目前己有的各种通信手段,并结合本系统的实际情况,选定I2C、UART、Modbus等通信技术实现整个系统的通信。

            4、通过系统硬件电路设计及软件实现,完成了整个电量监测及控制装置的基本功能,最后对整个系统进行了测试,从中发现问题并解决。

            本课题研宄了电量监测及控制装置,与智能电表相比较,在功能侧重点方面有所不同,使用领域区别较大,另外采用微控制器V9821实现了多功能高度集中,性价比高,整个系统稳定可靠。

            全文的研宄内容主要有:

            第一章,绪论。在绪论部分,简单分析了国内外关于智能电网和智能电表目前发展状况,并以此为背景提出了本课题的研宄内容;其次分析了电能计量国内外研宄现状和动态,提出了本课题的研宄意义和目的;最后对文章的内容安排进行简单的介绍。

            第二章,电量监测及控制装置总体方案设计。首先对整个系统作出了功能需求分析,并A据该需求分析进行了总体框架设计,并简单介绍整个装置需要用到的相关技术,根据实际情况研究了这些技术在整个系统中的具体使用。

            第三章,电量监测及控制装置的硬件电路设计。根据前面的总体框架对主控制电路?、液晶显示电路?、电源电路?、电压及电流采样电路?、模拟量及数字i输入?、模拟量及数字量输出?、数据通信?榈冉辛讼晗赣布缏飞杓。

            第四章,电量监测及控制装置的软件设计。详细介绍了在软件程序方面如何实现各?橛布缏返南喙毓δ,并以IAR开发平台为基础进行了具体程序实现,给出各部分程序流程图。

            第五章,电量监测及控制装置测试及分析。结合第三章的硬件电路设计和第四章的软件程序设计,对整个系统进行了调试,并对调试结果进行分析。

            第六章,总结与展望。对本课题的研宄内容进行了简单的总结,指出电量监测及控制装置存在的问题与不足,并针对这些问题和不足之处作出了下一步研宄计划。

            单片机的电晕监测及控制装置测试:

          系统实物图1
          系统实物图1

          系统实物图2
          系统实物图2

          Modbus RTU软件界面图
          Modbus RTU软件界面图

          测试图1
          测试图1

          测试图2
          测试图2

          目录

            Abstract
            摘要
            第一章 绪论
              1.1 引言
              1.2 国内外研宄现状和动态
                1.2.1 国外研宄现状和动态
                1.2.2 国内研宄现状和动态
              1.3 本谨题研究工作及意义
              1.4 本论文主要研究内容
            第二章 电量监测及控制装置总体方案设计
              2.1 电量监测及控制装置具体功能需求分析
              2.2 电量监测及控制装置总体框架
              2.3 电量监测及控制装置相关技术实现
                2.3.1 电能计量
                2.3.2 谐波存在时的电能计量
                2.3.3 IC通信
                2.3.4 基于Modbus协议的工业控制UART通信
              2.4 本章小结
            第三章 电量监测及控制装置硬件设计
              3.1 V9821核心控制芯片及外围电路设计
                3.1.1 系统硬件总体框架
                3.1.2 V9821主控芯片
                3.1.3 V9821主控芯片外围电路设计
                3.1.4 系统电源电路设计
                3.1.5 系统显示电路设计
              3.2 电流及电压采样电路设计
                3.2.1 电流采样电路设计
                3.2.2 电压采样电路设计
              3.3 模拟量及数字量输入电路设计
                3.3.1 模拟量输入电路设计
                3.3.2 数字量输入电路设计
              3.4 模拟量及数字量输出电路设计
                3.4.1 模拟量输出电路设计
                3.4.2 数字量输出电路设计
              3.5 数据通信电路设计
                3.5.1 基于GPSI接口的近距离I2C通信
                3.5.2 基于Modbus协议的工业控制UART通信
              3.6 本章小结
            第四章 电量监测及控制装置软件设计
              4.1 主程序设计
              4.2 电能计量程序设计
                4.2.1 访问电能计量控制/数据寄存器
                4.2.2 电能计量时钟
                4.2.3 参数计算及显示
              4.3 系统通讯程序设计
                4.3.1 I2C通信程序设计
                4.3.2 Modbus协议用于UART通信程序设计
              4.4 负载异常;けň绦蛏杓
              4.5 本章小结
            第五章 电量监测及控制装置测试与分析
              5.1 硬件测试
              5.2 软件测试
              5.3 测试结果分析
              5.4 本章小结
            第六章 总结与展望
              6.1 课题研宄成果总结
              6.2 课题不足与展望
            致谢
            参考文献
            附录A攻读硕士学位期间的成果

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