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基于ZigBee的電力負荷監(jiān)控裝置

作者:孟獻儀 董建 郭健鵬 時間:2017-03-07 來源:電子產品世界 收藏

作者/孟獻儀 徐州和緯信電科技有限公司,董建 合肥同智幾點控制技術有限公司,郭健鵬 中國礦業(yè)大學徐海學院

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201703/344893.htm

  引言

  隨著智能家居行業(yè)的快速發(fā)展,電力用戶對電網的電能質量要求越來越高,同時用戶對電網的擾動也在不斷加強。為了確保安全、優(yōu)質用電,須進一步加強對電力負荷的管理,實現(xiàn)遠程監(jiān)控。本裝置采用單片機實現(xiàn)對電力負荷監(jiān)測,能夠監(jiān)測電力負荷的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數等多個參數,實現(xiàn)負荷數據采集、超功率斷電并報警、數據無線實時上傳等功能,能有效對負荷進行監(jiān)測,并通過上位機進行遠程控制。

  1裝置硬件

  裝置可分為現(xiàn)場數據采集部分、控制部分和上位機部分,如圖1所示。

  圖1 硬件組成框圖

  1.1測量電路

  本設計是采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機和CSE7759芯片設計電量采集模塊為核心設計的電力負荷在線監(jiān)測系統(tǒng),應用單片機進行數據處理, CSE7759是一款高性能電量集成芯片,其內部集成振蕩器、AD轉換等電路模塊,能自主將采樣電壓、電流轉換為脈沖,具有模擬量輸入,數字量輸出的顯著特征,具有兩個模數轉換器ADC、內置時鐘、乘法器、濾波器等功能模塊。

  采樣電路采用電阻采樣方式,電壓采樣是將220V市電電壓通過4個470kΩ電阻和一個1kΩ電阻串聯(lián)分壓從而得到采樣小信號電壓,電流信號采用錳銅采樣電阻,其中錳銅電阻采用2mΩ,錳銅電阻選用不宜太大,否則溫飄將會嚴重影響測量結果,其采樣的電壓、電流信號為:

  由于在電器開、關機時,感性負載兩端會產生較大的脈沖,因此設計了浪涌保護電路,浪涌保護電路由壓敏電阻和保險管組成,壓敏電阻的選取:根據交流電壓的兩倍承受電壓值,并考慮留有裕量,故選取10K471,保險管根據允許最大電流為10A的保險管。電路如圖2所示。

  圖2 測量電路

  1.2過載自動斷電電路

  無線電力負荷監(jiān)測系統(tǒng)中用電負荷現(xiàn)場部分通過控制繼電器實現(xiàn)自動斷電功能。根據負載特征,要求繼電器DC125-DC250V之間都能正常工作,且觸電容量高達10A,因此選用SRD-05VDC-SL-C型繼電器。過載自動斷電電路如圖3所示。在電路中,通過三極管的通斷,來使繼電器工作,同時三極管的放大作用能增加驅動能力。由于繼電器成份為線圈,使用D1作為續(xù)流二極管,預防繼電器斷開時所產生的反電動勢擊穿三極管,毀壞設備。

  圖3 過載自動斷電電路

  1.3 無線通信電路

  本設備采用的QAZ系列ZIGBEE無線模塊,是適應市場需要推出的標準ZIGBEE產品,它基于TI公司CC2530F256芯片,內部運行Zigbee2007/PRO協(xié)議棧,具有ZIGBEE協(xié)議的全部特性。其電壓為5V/DC供電,具有較強抗干擾能力,傳輸距離約1公里。 針對復雜的ZIGBEE協(xié)議,本模塊將協(xié)議棧嵌入模塊內部,上電后自動組網,無需了解協(xié)議棧,只需要讀寫串口,即可實現(xiàn)數據的無線傳輸,簡單易用。

  的數據傳輸分為三種模式,即:點播、組播、廣播,本方案只設計了點對點通信方案, 模塊點對點傳輸就能完成,所以本設計只用到ZigBee三種網絡結構的其中的一種即星形網絡。圖4是通信電路系統(tǒng)框圖。

  圖4 ZigBee通信電路系統(tǒng)框圖

  1.3.1單片機與ZigBee電路連接

  QAZ2421版的ZigBee模塊通過RS232接口與外界實現(xiàn)串口通信,RS232邏輯負為+12V,邏輯正為-12V;單片機串口電路采用TTL電平,TTL電平邏輯正為+5V,邏輯負為0V;很顯然兩者之間不能簡單地用導線相連實現(xiàn)通信,如下圖在兩者之間串入MAX232電平轉換芯片,便解決了TTL與RS232電平不匹配的問題。

圖5單片機與ZigBee電路連接

  1.3.2單片機與ZigBee串口通信

  一般情況下,ZigBee自組網可配合上位機進行設置,從而保證成功組網。組網后,協(xié)調器的短地址默認為0x0000,為路由器單向傳輸到協(xié)調器提供了方便。但是組建網絡后,由于路由器的短地址是隨機的,如果單片機上應用ZigBee短地址相互通信,不易實現(xiàn)程序的固定化,從而給點對點傳輸造成了麻煩,因此我們采用數據+自定義地址的方法,有效地解決了上面的問題。

  對于自定義地址通信的問題,由于QAZ系列ZigBee模塊擁有完整的串口指令集,因此可以通過串口設置,實現(xiàn)ZigBee自定義地址的修改。從這一角度上說,只要單片機內燒錄寫有相應自定義地址的串口程序,在電路連接成功后,便可以初始化ZigBee的自定義地址,從而達到了點對點通信的目的。

  1.4 單片機最小系統(tǒng)

  本裝置采用上海東軟載波微電子HR7P193單片機為核心控制元件。HR7P193是一款8位MCU。主要用于家電、工業(yè)控制和汽車電子等領域。它的工作電壓范圍為3.0V ~ 5.5V,IDLE電流:160uA Typ.動態(tài)電流為5mA@8MHz,Typ. 系統(tǒng)時鐘工作頻率最高為16MHz ,內部16MHz RC時鐘,全溫度頻率精度-10%~+5%,最多29個I/O端口,8K x 15bits Code Flash(Data Flash可選),496 x 8bits SRAM,支持ISP,IAP,ICD功能,有一個8位定時器,三個8位時基定時器,一個16位門控定時器三路單邊PWM,10位分辨率,一路UART,一路I2C接口,只支持單主控模式ADC:10位精度,5通道,自帶LCDC液晶顯示驅動:4x13,4x17。最小系統(tǒng)如圖6所示。

  圖6 主控最小系統(tǒng)

  2上位機

  上位機既可以在操作界面中顯示采集到的數據信息,又能控制相應的設備動作。裝置的上位機是選取C++ Builder 完成的。界面如圖7所示。

  圖7 上位機界面

  該上位機還可以進行3D顯示波形,單擊右鍵就會出現(xiàn)“曲線截圖、曲線清除、3D顯示”等功能,還可以通過左鍵把波形進行局部放大。當單擊“開/關”按鈕,上位機會發(fā)出命令10(十六進制),再次按下按鈕上位機發(fā)出命令11(十六進制),下位機收到命令時就能控制繼電器的閉合與關斷,從而控制現(xiàn)場設備和電網的連接情況,實現(xiàn)設備的遠程控制;同時,按鈕控制繼電器每斷開一次,上位機顯示界面中斷電次數就會加1,達到對負荷用電情況監(jiān)測的目的。

  3結論

  通過測試,本裝置可以實時準確地獲取用電負荷的耗電信息,并將用電信息發(fā)送給遠程監(jiān)控終端;設備可通過上位機對設備進行遠程控制,達到安全、優(yōu)質用電的效果。



關鍵詞: ZigBee

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