畢業(yè)設計---負載識別器的設計（含外文翻譯）

1、<p><b>　　負載識別器的設計</b></p><p>　　The Design of Load Identifier</p><p>　　2011 屆 電氣工程 系</p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化</p><p>　　學 號

2、 </p><p>　　學生姓名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　完成日期 2011 年 5月 25日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p><b>　　畢業(yè)設計開題

3、報告</b></p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　為避免學生因使用大功率違章電器導致宿舍用電線路過載過熱而引發(fā)火災等嚴重隱患，設計了一種負載識別器。對學生公寓用電主回路上的負載進行智能識別，采用單片機進行處理和控制，準確地判斷電路中接入負載的功率、電壓、電流、諧波等特性，從而識別出大功率阻性負載電器并限制其使用，在節(jié)約用電、減少

4、安全隱患的同時又不影響常規(guī)電器的正常使用。首先對電壓電流采樣，經(jīng)過信號調理后送入單片機對其進行處理，用C語言程序實現(xiàn)惡性負載的識別并斷電，拔除惡性負載后，系統(tǒng)重新供電，并用CAN通信實現(xiàn)了上位機與下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　本設計主要分為硬件、軟件和通信三大部分，本文詳細介紹了負載的種類及特性，負載的識別原理及研究方法，經(jīng)實驗驗證，初步達到了惡性負載識別的目的，從而消除了因使用違章電器帶來的安全隱

5、患，對學生安全用電具有重大意義。</p><p>　　關鍵詞：功率識別　諧波分離　惡性負載　</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　To avoid the students using high-powered violate for electrical leads to dormitory electr

6、icity line overload overheat and create a risk of fire hidden such serious，designed a kind of load identifier．Recognizing the load in the apartment of students on the electricity main circuit，Adopts single-chip microcomp

7、uter process and control，Accurately determine access to the load circuit power，voltage，current，harmonics and other characteristics，To identify high-power electrical resistance load and limit </p><p>　　The de

8、sign consists of hardware，software and communications of three parts，the paper describes the types and characteristics of the load，the load identification theory and research methods，validated by experiment，preliminary a

9、chieved the purpose of malignant load identification．Eliminated the safety hidden danger of students because of the use of illegal appliances，it is of great significance in a safe manner． </p><p>　　Key words

10、：Power recognition　Harmonic separation　Malignant load </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第1章 緒論１</b></p><p>　　1.1　課題研究的目的意義１</p><p>　　1.2 課題發(fā)

11、展現(xiàn)狀１</p><p>　　1.3 本設計主要研究內容及創(chuàng)新點２</p><p>　　1.3.1 主要研究內容２</p><p>　　1.3.2 主要創(chuàng)新點２</p><p>　　第2章 負載分類及特征３</p><p>　　2.1 學生公寓常見的用電負載類型及其特性３</p>&

12、lt;p>　　2.1.1 負載分類及其特性３</p><p>　　2.1.2 各類負載接入電路后的特點３</p><p>　　第3章　硬件設計５</p><p>　　3.1 硬件設計思路５</p><p>　　3.2 基本構成５</p><p>　　3.3 基本工作原理７</p>

13、<p>　　3.4 S3C44B0X單片機簡介７</p><p>　　3.5 A/D轉換模塊的設計８</p><p>　　3.6　通信模塊９</p><p>　　第4章　軟件設計10</p><p>　　4.1 軟件設計概述10</p><p>　　4.2 負載識別理論的作用及其主要類型

14、10</p><p>　　4.2.1　基于小波變換的負載識別的應用10</p><p>　　4.2.2　基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的負載識別的應用11</p><p>　　4.3 諧波檢測方法11</p><p>　　4.3.1　諧波檢測方法11</p><p>　　4.3.2　學生公寓供電電流諧波分析11<

15、/p><p>　　4.4 本系統(tǒng)采用的負載識別方法14</p><p>　　4.4.1　識別的原理14</p><p>　　4.4.2　研究方法14</p><p>　　4.5 程序設計及流程圖14</p><p>　　4.6 C語言程序16</p><p>　　4.7 實驗數(shù)據(jù)

16、18</p><p>　　4.8 本章小結18</p><p>　　第5章　CAN通信設計19</p><p>　　5.1 CAN總線概述19</p><p>　　5.2 CAN總線的主要特征19</p><p>　　5.3 CAN通信數(shù)據(jù)幀格式20</p><p>　　5.3

17、.1 數(shù)據(jù)幀格式20</p><p>　　5.3.2 下傳負載判斷表20</p><p>　　5.3.3　數(shù)據(jù)查詢類20</p><p>　　5.4 CAN接口通信軟件設計20</p><p>　　5.5 CAN總線的抗干擾能力21</p><p>　　5.5.1　CAN總線硬件抗干擾分析及措施21

18、</p><p>　　5.5.2　CAN總線軟件抗干擾分析及措施21</p><p>　　第6章　結論與展望23</p><p>　　6.1 結論23</p><p>　　6.2 展望23</p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p>&l

19、t;b>　　致謝25</b></p><p><b>　　附錄26</b></p><p>　　附錄A　外文資料26</p><p>　　附錄B　電路圖36</p><p>　　附錄C　負載識別數(shù)據(jù)表37</p><p><b>　　第1章　緒　論</b

20、></p><p>　　1.1　課題研究的背景意義</p><p>　　市場上各種質量不合格的電器產品越來越多，由電器故障造成的觸電、電起火等事故屢見不鮮?，F(xiàn)在電能越來越緊張，社會各界都越來越重視安全用電及節(jié)約用電。</p><p>　　近年來，隨著高校規(guī)模的不斷擴大，學生人數(shù)急劇上升，許多高校都實行后勤管理社會化。與此同時，關于高校學生公寓火災事故的報道也日

21、益增多。據(jù)相關數(shù)據(jù)表明，這類火災大部分是由于學生違章使用熱得快、電爐子等大功率阻性負載造成的。為杜絕此類事故的發(fā)生,在確保學生正常用電的前提下，限制大功率阻性負載的使用，保障學生用電的安全性是亟待解決的問題。針對這種情況而研制開發(fā)的智能負載識別器，可自動識別宿舍用電電器。計算機、電視機等電器可不加限制地正常使用，而電爐子、熱得快等違章電器則無法使用，從而消除了因使用違章電器帶來的安全隱患。</p><p>　　1

22、.2 課題發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　隨著電子技術、計算機網(wǎng)絡技術和通訊技術的發(fā)展，人們已經(jīng)研制出供配電智能控制系統(tǒng)。其中有兩方面非常突出[1]：</p><p>　　(1)集群式供電智能管理系統(tǒng)的下位機軟件編程。下位機的軟件程序包括與上位機串口通信、單片機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)保存等工作。集群式供電智能管理系統(tǒng)以上位機（PC）為主機，下位機（單片機）為從機，利用RS485總線通過串口進行通訊

23、。</p><p>　　(2)對用電過程中的負載類型進行識別。一般情況下，電壓波形為正弦波，即標準電壓;由于各種電力電子設備的使用，尤其是非線性負載接入電路后，會產生大量的諧波分量，使電壓電流波形產生畸變，成為非正弦波，即削頂電壓。因此控制系統(tǒng)要實現(xiàn)在以上兩種電壓波形下負載類型的識別。</p><p>　　目的是：（1）限制大功率阻性負載如（電爐子、熱水器等）；（2）放開計算機類負載的使用

24、；（3）可以根據(jù)學校的具體要求設定限制允許使用的計算機功率的值（一般定為300-500W），當檢測到用戶使用非法電器時，將立即斷電，去掉非法負載后恢復供電。</p><p>　　1.3　本設計主要研究內容及創(chuàng)新點</p><p>　　1.3.1　主要研究內容</p><p>　　本設計運用單片機原理與接口技術、電子線路CAD、模擬電子技術和數(shù)字電子技術、程序設計等[

25、2]，對公寓用電主回路上負載的智能識別進行研究，采用單片機進行處理和控制，準確地判斷電路中接入負載的功率、電壓、電流、諧波等特性，從而識別出大功率阻性負載電器并限制其使用，在節(jié)約用電、減少安全隱患的同時又不影響常規(guī)電器的正常使用。</p><p>　　1.3.2　主要創(chuàng)新點</p><p>　　本系統(tǒng)可根據(jù)實際情況，通過軟件靈活設置用戶的最大負載功率，能夠識別出阻性負載中的惡性負載，并限制

26、其使用。</p><p>　　第2章　負載分類及特征</p><p>　　2.1 學生公寓常見的用電負載類型及其特性</p><p>　　2.1.1　負載分類及其特性</p><p>　　通過調查研究，學生公寓常用的用電器可分為三大類：</p><p>　　(1)計算機類負載：這類負載在供電電壓為標準正弦波的情況下，

27、電流畸變成非正弦波，呈脈沖狀，包含了大量的諧波分量，如計算機、充電器等。</p><p>　　(2)阻性負載：電流和電壓同步變化，相位差為“零度”，工作時會產生熱量（焦耳熱），常見的阻性負載有電爐、電熱杯、電熱毯、飲水機、白熾燈等。</p><p>　　(3)感性負載：電壓和電流的波形相同，相位不同，電流的變化滯后電壓變化一個相位差，如日光燈。</p><p>　　

28、惡性負載是指那些類似于純電阻性的用電器，也稱為類阻性負載，如：白熾燈、電爐子、熱得快、電吹風等。這可以從兩個方面來理解：其一，從能量角度來看，惡性負載是指將吸收的電能大部分轉化為熱能釋放，只有很少一部分轉化為其他能量（如：光能、機械能）；其二，從伏安特性（V-I）角度來看，凡是V-I特性類似于電阻V-I特性的用電器，統(tǒng)稱為惡性負載[3]。</p><p>　　惡性負載具有以下特性：（1）電壓和電流的波形相同；（2

29、）電壓和電流的相位相同；（3）功率因數(shù)等于1。</p><p>　　2.1.2　各類負載接入電路后的特點</p><p>　　(1)計算機類負載接入電路后，其電流波形有兩個尖峰，已完全不同于正弦信號，包含了大量諧波，奇次諧波都有不同的分量存在，但幅度較大的主要是1、3、5、7、9次諧波，其它諧波的幅度較小。</p><p>　　(2)阻性負載接入電路后，電路的總功率

30、增加，功率因數(shù)提高，達到0.99以上，電壓電流波形近似于正弦波，電流信號中只含有1次諧波和3次諧波，其它諧波的幅度近似為0，且1次諧波幅度很大，3次諧波幅度很小。</p><p>　　(3)感性負載接入電路后，電壓電流波形近似于正弦波，電流信號中只含有1次諧波和3次諧波，其它諧波的幅度近似為0，且1次諧波幅度很大，3次諧波幅度很小。</p><p>　　熱得快、電爐子等惡性負載，有些因內部

31、構造不同，負載呈螺旋狀特性，既有阻性負載特征又有感性負載特征，接入電路后會出現(xiàn)3次諧波和5次諧波，但其含量比較小，可以忽略不計。</p><p>　　計算機的電源是開關電源，屬于非線性負載（也叫整流性負載）。開關電源的原理是先把220V/50HZ交流電整流為高壓直流，再把高壓直流逆變?yōu)楦邏焊哳l交流，再通過高頻變壓器降為低壓高頻交流，再轉為低壓直流輸出，這種電源的效率要比傳統(tǒng)穩(wěn)壓器高得多。把計算機的開關電源當作22

32、0V電網(wǎng)的一個負載，這種負載在220V市電輸入端看來等效于一個容性負載，雖然它的電壓波形還是正弦波，但是它的電流波形已經(jīng)畸變了，不再是規(guī)則的正弦波，而是接近脈沖波的波形。</p><p><b>　　第3章　硬件設計</b></p><p>　　3.1 硬件設計思路</p><p>　　利用各個負載的功率特性不同，利用電流互感器采集主電路電流

33、的線性變化量，通過單片機處理采樣數(shù)據(jù)并控制繼電器。設置禁用下限值，對學生宿舍內使用的電器進行智能識別，能自動識別所用電器是常規(guī)電器還是禁用的大功率阻性電器，從而限制大功率禁用電器的使用。</p><p><b>　　3.2 基本構成</b></p><p>　　該系統(tǒng)主要由主控制模塊、信息檢測模塊、A/D轉換模塊、輸出控制模塊、保護模塊等組成。其中主控制模塊完成數(shù)據(jù)

34、處理和輸出控制功能；信息檢測模塊完成對負載用電回路電流的采集功能；A/D轉換模塊主要完成對主電路的電流進行采樣；輸出控制模塊實現(xiàn)控制負載用電回路通斷的功能；保護模塊完成短路保護功能；通信模塊可以實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信；備用電源是為防止系統(tǒng)掉電時數(shù)據(jù)丟失而設置的。系統(tǒng)的總流程圖如圖3-1所示。</p><p>　　系統(tǒng)中是用兩個74HC04（反相器）構成的滯回比較器，滯回比較器又叫施密特觸發(fā)器。在這里之所以采

35、用具有滯回特性的比較器，是因為普通的單限比較器抗干擾能力差，如輸入端受到干擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動，則輸出電壓將在高、低電平之間反復跳變，如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，將對執(zhí)行機構產生不利的影響，故我們采用了具有滯回特性的比較器。繼電器輸出形式的輸出通道，一般要加驅動電路，以提高驅動能力，從而控制繼電器動作。繼電器驅動方法是采用大功率三極管和一個小的繼電器。</p><p>　　為了提高供電可靠性，電路設

36、計時加了強制開關。一旦主模塊不能控制繼電器，則強制開關閉合讓S2直接接地，強制繼電器接通為用戶供電。</p><p>　　在本管理系統(tǒng)中控制宿舍是否斷電由繼電器執(zhí)行的，繼電器串聯(lián)在公寓供電電線上，當發(fā)現(xiàn)違章電器或者定額電費用完時，S3C44B0X會發(fā)出關斷信號，信號從通用I/O發(fā)出，經(jīng)過滯回比較器、三極管和小繼電器，送到12 V直流繼電器，關斷對應宿舍的供電。</p><p>　　3.3

37、 基本工作原理 </p><p>　　用電流互感器采集主電路中的電流信號，經(jīng)過信號調理后送入單片機對其進行處理。根據(jù)功率最小禁用電器（一般為300W）接入時，設定單個電器的上限值。由于學生宿舍使用的常規(guī)電器一般單個功率都不大于300W，所以當有常規(guī)小功率電器接入時，電流的瞬間變化量將不會超過設定值，電網(wǎng)能正常供電。而當有單個功率在300W以上的大功率電器接入時，瞬時電流的變化量將超過允許使用單個電器的上限值，單

38、片機主控器將記憶該值，并在規(guī)定的時間內連續(xù)采樣N次，通過進一步的比較和分析判斷：若為某一電器（小于設定值）接入時的沖擊或電網(wǎng)干擾電流，輸出模塊不動作，繼續(xù)供電；若是恒定的大功率電器接入，則單片機輸出控制信號使繼電器動作并停止供電，延時30s后再自動重合閘恢復送電，而設置的總功率上限值，一方面可限制總用電功率，另一方面可實現(xiàn)用電安全保護。該控制器還可以配合其他控制器來設置觸電、過載和短路等保護功能，更加有效地防止了一些用電事故。</

39、p><p>　　3.4 S3C44B0X單片機簡介</p><p>　　S3C44B0X是以ARM7TMDI為內核的高性能CPU，是ARM公司最早為業(yè)界普遍認可并且贏得最廣泛應用的處理核。ARM7TDMI體系結構的特點是它集成了Thumb代碼壓縮器，一個片上ICE斷點調試支持和一個32位的硬件乘法器。工作電壓范圍：內核2.5V，I/O口：3.0V～3.6V。</p><p

40、><b>　　主要功能：</b></p><p>　　(1)存儲器控制器：支持FP/EDO/SDRAM/ROM/SRAM類型的存儲芯片；</p><p>　　(2)Cache存儲控制器與內部SRAM（共8KB）；</p><p>　　(3)DMA控制器：兩通道通用DMA控制器ZDMA，兩通道DMA橋控制器BDMA；</p>

41、<p>　　(4)通用I/O端口控制器（GPIO）：71個引腳可以通過編程的方法定義輸入/輸出功能，8個引腳可以作為外部中斷請求信號的輸入引腳；</p><p>　　(5)UART 控制器：兩個通道支持基于中斷有DMA方式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位可編程5-8位；</p><p>　　(6)多主IIC總線控制器：支持串行、8位、雙向數(shù)據(jù)傳輸，標準速率100Kbps，最高方式可達400Kbp

42、s；</p><p>　　(7)IIS總線控制器：基于DMA方式操作，用作音頻信號接口；</p><p>　　(8)PWM定時與內部定時器：5通道PWM定時器和1個內部定時器，各定時器均為16位；</p><p>　　(9)看門狗定時器：1通道16位看門狗定時器，定時溢出能夠產生中斷請求或系統(tǒng)復位；</p><p>　　(10)中斷控制器：支

43、持多達30個中斷源，支持快速中斷和普通中斷兩種方式。</p><p>　　3.5 A/D轉換模塊的設計</p><p>　　A/D轉換器的功能是將模擬量轉換為與其大小成正比的數(shù)字量信號。隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，各種高精度、低成本、低功耗、可編程的A/D芯片不斷推出，使得儀器儀表和微機測控系統(tǒng)的電路設計更加簡潔，可靠性更高。由于單片機獨特的I/O操作和控制功能，高精度、接口簡單而又價

44、格低廉的串行A/D芯片在單片機應用系統(tǒng)中受到歡迎。本設計采用TLV2548串行A/D轉換器。</p><p>　　TI公司生產TLV2548芯片是一個共性能、低功耗、高速度的12位模數(shù)轉換器。它具有轉換速度快、精度高、多通道等優(yōu)點，并且具有采樣保持功能。它具有內置轉換時鐘(OSC)可以采用外部SCLK作為轉換時鐘源以獲取更高的轉換速度（在20MHz的SCLK時可高達3.6μs）。本系統(tǒng)一共用到了五個通道分別采集的

45、模擬信號分別是電壓信號、電流信號以及電流的3次、5次、7次諧波信號。每個周期采集200次，并且每個周期五路都要采集。由于它的采樣最高處理速度可高達200多Ksps，所以完全能滿足本系統(tǒng)的需要。TLV2548和微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸最快和最有效的方法是用串行外設接口(SPI)。芯片引腳如圖3-2，引腳說明如表3-1。</p><p><b>　　3.6　通信模塊</b></p>

46、<p>　　系統(tǒng)的通信部分可以實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信。上位機可以對下位機進行參數(shù)修改，控制下位機及整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。下位機也可以將系統(tǒng)的數(shù)據(jù)隨時傳送給上位機，以實現(xiàn)上位機對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和系統(tǒng)運行狀態(tài)的畫面顯示，校時、繼電器的斷合、電量等操作。 </p><p>　　CAN控制器芯片有兩種：一種是獨立的，一種是和微控制器集成在一起。我們這個系統(tǒng)的微控制器是S3C44B0X本身沒有集成CAN控制

47、器芯片，選用了獨立的Microchip公司的MCP2510芯片。MCP2510 是一種帶有SPI 接口的CAN 控制器，通過SI 接口與微控制器進行數(shù)據(jù)。S3C44B0X芯片內置同步串行口模塊,他可以和各種需要串行數(shù)據(jù)總線的外部設備進行連接，SIO接口直接接在MCP2510的SPI接口上。傳輸最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達5Mb/s，其工作電壓范圍為3.0～5.5V。</p><p><b>　　第4章　軟件設計

48、</b></p><p>　　4.1 軟件設計概述</p><p>　　軟件設計采用的是模塊化設計方法，根據(jù)設計要求分成相應的模塊，然后分頭進行，提高軟件設計的工作效率。軟件設計時應從以下幾個方面加以考慮[4][5]：</p><p>　　(1)根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個相對獨立的部分，使系統(tǒng)軟件總體結構清晰、簡捷、流程合理。</p&

49、gt;<p>　　(2)各功能程序實行模塊化、子程序化，這樣便于調試、修改和擴展。</p><p>　　(3)建立正確的數(shù)學模型，它是關系到系統(tǒng)性能好壞的重要因素。</p><p>　　(4)為提高軟件設計的總體效率，在編寫應用程序之前，應繪制出程序流程圖。這是程序設計的一個重要組成部分，也是決定成敗的關鍵部分。</p><p>　　(5)注意在程序的

50、有關位置處寫上功能注釋，提高程序的可讀性。</p><p>　　4.2 負載識別理論的作用及其主要類型</p><p>　　大功率電器智能識別的實現(xiàn)，主要靠負載識別理論的發(fā)展。一種負載識別理論的新出現(xiàn)或更新都會促使智能管理系統(tǒng)走上一個新臺階。目前負載識別理論有基于小波變換的負載識別和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的負載識別。</p><p>　　4.2.1　基于小波變換的負載識

51、別的應用</p><p>　　小波分析是一種信號的時間—尺度（時間—頻率）分析方法，它具有多分辨率分析的特點。原則上講，傳統(tǒng)上使用傅立葉分析的地方，都可以用小波分析取代。小波分析優(yōu)于傅立葉變換的地方是，它在時域和頻域同時具有良好的局部化性質。</p><p>　　目前，小波分析已經(jīng)廣泛地應用于信號處理、地震勘探、語音識別與合成、機械故障診斷與監(jiān)控等科技領域。由負載的電壓和電流信號的波形可推

52、測，電壓和電流信號是由幾個不同頻率的正弦信號所組成，因此可以采用小波變換來進行負載識別。</p><p>　　利用小波變換的方法可識別用電負載中是否含有計算機負載，是單純的計算機負載還是計算機與其它電器的混合負載，還可以進一步識別出計算機的臺數(shù)。此種方法的不足之處是不能區(qū)分是正弦電壓還是非正弦電壓，需要通過觀察電壓和電流的波形得到電壓的工作狀態(tài)[6]。</p><p>　　4.2.2　基于

53、人工神經(jīng)網(wǎng)絡的負載識別的應用</p><p>　　BP神經(jīng)網(wǎng)絡通常是指基于誤差反向傳播算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡。典型BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型可分為輸入層、隱層和輸出層，其特點是：各層神經(jīng)元僅與相鄰層神經(jīng)元之間有連接，連接權值可通過學習來調節(jié)，各層內神經(jīng)元之間無任何連接，各層神經(jīng)元之間無反饋連接。</p><p>　　在負載識別中，把負載波形經(jīng)過FFT處理以后的特定頻率的幅值作為系統(tǒng)的輸入。由于應用神

54、經(jīng)網(wǎng)絡的目的就是要能夠識別各種電器負載的類型，因此可以用每種負載的類型編碼作為神經(jīng)網(wǎng)絡的要求輸出。但為了更直觀的顯示結果，輸出量選擇負載的總功率和計算機的功率[7]。</p><p><b>　　諧波檢測方法</b></p><p>　　4.3.1　諧波檢測方法</p><p>　　目前諧波檢測的方法主要有：（1）采用模擬帶通或帶阻濾波器測量諧

55、波；（2）基于小波分析的諧波測量；（3）基于神經(jīng)網(wǎng)絡的諧波測量；（4）基于瞬時無功功率理論的檢測方法；（5）基于傅立葉變換的諧波測量[8]。</p><p>　　傅立葉變換法是目前諧波檢測中應用最廣泛的分析方法，尤其是通過改進的FFT算法具有精度高、功能多、使用方便的特點，能夠實現(xiàn)整數(shù)次諧波的精確分析和檢測。利用FFT變換來檢測電力諧波是一種以數(shù)字信號處理為基礎的測量方法,其基本過程是對待測信號（電壓或電流）進行

56、采樣，經(jīng)A/D轉換，再用計算機進行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。</p><p>　　4.3.2　學生公寓供電電流諧波分析</p><p>　　學生公寓用電的等效電路模型如圖4-1所示[9]：</p><p>　　圖中，假設供電電壓為標準正弦波，即u(t)=Usin(ωt)，不考慮電路的暫態(tài)過程及線路損耗。Z2為非線性負載，流過Z2的電流為i2(t)=f

57、 [u(t)]=f [U sin(ωt)]；Z1為待投入的負載，可以是線性負載（阻性和感性）和非線性負載。通過開關S的動作來表示負載的投入。</p><p>　　當開關S斷開時，流過線路的總電流iL(t)= i2(t)= f [u(t)]=f [U sin(ωt)]，對i2(t)進行傅立葉變換，可以得到高次諧波的系數(shù)</p><p>　　a1n =i2(t) cos(nωt)dt

58、 (4-1)</p><p>　　=f [U sin(ωt)] cos (nωt)dt， n=2，3，4．．．</p><p>　　b1n = i2(t)sin(nωt)dt (4-2)</p>&

59、lt;p>　　=f [U sin(ωt)] sin (nωt)dt， n =2，3，4．．．

60、

61、 </p><p>　　當開關S閉合，假設投入的負載Z1為線性負載(阻性或感性)，則流過Z1的電流為</p><p>　　i1 (t)=k sin(ωt+φ)，φ為滯后相角，此時供電側的總電流為</p><p>　　iL(t)=

62、i1(t)+ i2(t)= k sin(ωt+φ) + f [U sin(ωt)]</p><p>　　對總電流iL(t)進行傅立葉變換，其高次諧波系數(shù)為</p><p>　　a2n =iL(t) cos(nωt)dt (4-3)</p><p>　　= { k sin(ωt

63、+φ)+ f [U sin(ωt)]} cos(nωt)dt </p><p>　　= f [U sin(ωt)] cos(nωt)dt， n=2，3，4．．． </p><p>　　b2n =iL(t)sin(nωt)dt (4-4)<

64、;/p><p>　　={ k sin(ωt+φ)+ f [U sin(ωt)]} sin(nωt)dt</p><p>　　=f [U sin(ωt)] sin(nωt)dt， n=2，3，4．．． </p><p>　　對比式(4-1)~式(4-4)可以看出，a2n = a1n，b2n = b1n，n=2，3，4．．．，即諧波分量不變。故可以得出：投

65、入線性負載后，供電線路上總電流的諧波分量幅值不變。線性負載的投入僅影響了總電流的基波和直流分量。</p><p>　　當S閉合，假設投入的負載是非線性負載，設流過Z1的電流為</p><p>　　i1 (t)=g[u(t)]=g[U sin(ωt)]，此時供電側的總電流為</p><p>　　iL(t)= i1(t)+ i2(t)= g[U sin(ωt)]+ f

66、[U sin(ωt)]</p><p>　　對總電流iL(t)進行傅立葉變換，其高次諧波系數(shù)為</p><p>　　a3n =iL(t)cos(nωt)dt (4-5) </p><p>　　={ g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)]} cos(nωt)d

67、t</p><p>　　=g[U sin(ωt)] cos(nωt)dt +f [U sin(ωt)] cos(nωt)dt， n=2，3，4．．． </p><p>　　b3n =iL(t)sin(nωt)dt (4-6) </p><p>　　={

68、g[U sin(ωt)]+ f [U sin(ωt)]} sin(nωt)dt</p><p>　　=g[U sin(ωt)] sin(nωt)dt + f [U sin(ωt)] sin(nωt)dt， n=2，3，4．．． </p><p>　　對比式(4-1)與式(4-2)，式(4-5)與式(4-6)可以看出，a3n≠a1n ，b3n≠b1n ，n=2，3，4．．．，即諧波分量

69、不等，而是在a1n ，b1n，n=2，3，4．．．的基礎上增加了非線性負載Z1產生的諧波分量。由于學生公寓的非線性負載主要為計算機、熒光燈、電視機等，這三類非線性負載電流脈沖和諧波相位是基本重合的，因此非線性負載Z1的投入只會使供電電流iL(t)諧波增加，而不會抵消原有的諧波分量。</p><p>　　根據(jù)以上分析，可以得出結論：投入線性負載后，供電線路上總電流的諧波分量不變。線性負載的投入僅影響了總電流的基波和

70、直流分量。而投入非線性負載，則會增加總電流的諧波分量。</p><p>　　4.4 本系統(tǒng)采用的負載識別方法</p><p>　　由于電路接入非線性負載（即計算機類負載）后，電流的諧波分量就會增加[10][11]，且3次諧波幅值較大，因此我們可以通過檢測3次諧波是否增加來判斷是否有計算機類負載接入。通過電路中功率值的變化和諧波的變化判斷是否有惡性負載接入，從而實現(xiàn)斷電。</p>

71、;<p>　　4.4.1　識別的原理</p><p>　　阻性負載尤其是惡性負載接入電路時，電路中的功率值發(fā)生臺階性變化，電路中的諧波值變化很小，功率因數(shù)接近于1。計算機類負載接入時，電路中的3次諧波值變化很大。</p><p>　　4.4.2　研究方法</p><p>　　電路的穩(wěn)態(tài)發(fā)生變化時，首先判斷電路的功率和電流值是否超過設定的閾值，超過的話系

72、統(tǒng)跳閘，沒有超過，系統(tǒng)繼續(xù)進行判斷。如果電路中的3次諧波電流增加，證明有計算機類負載接入，系統(tǒng)不做任何動作；如果電路中的功率發(fā)生臺階性變化，功率因數(shù)增加，數(shù)值接近于1，并且諧波分量變化很小，證明有阻性負載接入，系統(tǒng)做進一步判斷，如果功率值在瞬間達到平穩(wěn)值，證明是電磁類加熱負載接入，系統(tǒng)不做任何判斷，如果功率以及電流經(jīng)過若干周期后達到平穩(wěn)值，證明有電阻絲加熱類負載接入，系統(tǒng)跳閘；幾秒后，沒有惡性負載的前提下，系統(tǒng)重新供電。</p&g

73、t;<p>　　4.5 程序設計及流程圖</p><p>　　負載識別功能的實現(xiàn)是通過對電壓電流進行實時采樣，經(jīng)A/D轉換后輸入單片機內部存儲單元中，通過功率和諧波的變化判斷是否有惡性負載接入。如果有惡性負載接入，系統(tǒng)跳閘，拔除惡性負載后，系統(tǒng)恢復供電。程序流程圖如圖4-2所示。</p><p>　　4.6 C語言程序</p><p>　　void

74、 overload()</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　if(relay_state == 1)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　float pfm=0; </p><p>　　float I3; </p>

75、<p><b>　　float I1;</b></p><p><b>　　float k;</b></p><p>　　float power_threshold;</p><p>　　float type_threshold;</p><p>　　float powerNum;&l

76、t;/p><p>　　floattype_ratio;</p><p>　　floatpower;</p><p>　　float k_vole;</p><p>　　float fac;</p><p><b>　　float T;</b></p><p><b&g

77、t;　　k=I3/I1;</b></p><p>　　power_threshold=800; //總功率閾值</p><p>　　type_threshold=200; //200W以上開始判斷阻性負載 </p><p>　　type_ratio=1.4; // P/Imax >1.4為阻性負載 </p><

78、;p>　　if (power>power_threshold) overload_flag = 1; //超載 </p><p>　　if(k>0) computerload_flag=1; //計算機類負載</p><p>　　pfm = fabsf(powerNum[0]-powerNum[1]); //增量絕對值 </p><p

79、>　　if(pfm>60)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if ( k_vole>type_ratio )</p><p><b>　　{</b></p><p>　　if (fac>0.85) resistive_flag = 1; //

80、阻性負載</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else resistive_flag = 1; //阻性負載 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　if((overload_flag == 1)&&(res

81、istive_flag == 0)) //過載</p><p><b>　　{</b></p><p>　　write_abnormal(0x5a); </p><p>　　off_relay();</p><p>　　void delay(void)</p><p><b>

82、　　}</b></p><p>　　else if((overload_flag == 0)&&(resistive_flag == 1)) //阻性負載</p><p>　　if(T>50) maligantload_flag=1; //惡性負載</p><p><b>　　{</b></p&g

83、t;<p>　　write_abnormal(0xaa);</p><p>　　off_relay();</p><p>　　void delay(void)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if((overload_flag == 1)&&(resis

84、tive_flag == 1)) //過載+阻性負載</p><p><b>　　{</b></p><p>　　write_abnormal(0x9a);</p><p>　　off_relay();</p><p>　　void delay(void)</p><p><b>　　

85、}</b></p><p>　　overload_flag = 0;</p><p>　　resistive_flag = 0;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//延時程序&l

86、t;/b></p><p>　　void delay(void) //延時30s</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char a,b,c,n;</p><p>　　for(c=254;c>0;c--)</p><p>　　for(b=23

87、2;b>0;b--)</p><p>　　for(a=253;a>0;a--);</p><p>　　for(n=2441;n>0;n--);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　實驗數(shù)據(jù)</b></p><p><b&

88、gt;　　表4-1　實驗數(shù)據(jù)</b></p><p>　　從以上數(shù)據(jù)可以看出：</p><p>　　(1)阻性負載的功率因數(shù)大于0.9，三次諧波幅值很小。 </p><p>　　(2)計算機類負載功率因數(shù)約為0.6，三次諧波幅值較大，接入電路后電流變化持續(xù)周期較短。</p><p>　　(3)惡性負載功率較大，功率因數(shù)接近1，三次

89、諧波幅值很小，接入電路后電流變化持續(xù)周期較長。</p><p><b>　　4.8 本章小結</b></p><p>　　本章分析了學生公寓常用負載的類型，根據(jù)負載接入電路后的特性研究了惡性負載識別的方法，并用C語言編程實現(xiàn)[12]，初步達到了惡性負載識別的目的。</p><p>　　第5章　CAN通信設計</p><p&

90、gt;　　5.1 CAN總線概述</p><p>　　CAN(Controller Area Network)總線是一種能有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡，是80年代初德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多測控儀器間的信息交換而開發(fā)的一種數(shù)據(jù)通信協(xié)議；這是一種多主總線，其使用范圍遍及高速網(wǎng)絡和低成本多線路網(wǎng)絡，特別適合工業(yè)自動化領域。目前CAN協(xié)議己納入ISO標準。CAN的最高傳輸速率為1Mbps，最

91、大傳輸距離10Km，網(wǎng)絡上的最多節(jié)點數(shù)理論上為2000個，實際可達ll0個[13]。 </p><p>　　CAN以差動方式進行數(shù)據(jù)的傳送，其總線有顯性（邏輯0）和隱性（邏輯1）兩種狀態(tài)。當顯性位和隱性位同時發(fā)送時，總線呈顯性狀態(tài)。在隱性狀態(tài)，兩條物理總線被固定于平均電壓，電平差近似為0，而顯性狀態(tài)時，兩條物理總線電壓差大于某域值。 </p><p>　　5.2 CAN總線的主要特征 &

92、lt;/p><p>　　(1)實現(xiàn)了全分布式多機系統(tǒng)，無主從機之分，網(wǎng)絡上任何節(jié)點均可在任意時刻主動地向其它節(jié)點發(fā)送信息，是一種典型的半雙工通信方式[14]。 </p><p>　　(2)采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術，當兩個以上節(jié)點同時向網(wǎng)絡上發(fā)送消息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響繼續(xù)發(fā)送，有效避免了總線沖突。據(jù)此,可以將各節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的

93、實時性要求。 </p><p>　　(3)CAN可以實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)請求，通過發(fā)送一個遠程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一個節(jié)點發(fā)送相應的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀和對應的遠程幀以相同的表示符D命名。</p><p>　　(4)CAN總線報文傳輸不含目標地址，以全局廣播為基礎，各接收站根據(jù)標識符過濾報文，決定是否接收，其優(yōu)點在于可實現(xiàn)在線上下網(wǎng)和多點接收。 </p><p>　　(

94、5)CAN總線采用監(jiān)視總線，循環(huán)冗余校驗、位填充和報文格式檢查等措施，保證了極低的信息出錯率。 </p><p>　　(6)CAN節(jié)點有能力識別永久性故障和短暫擾動，且故障節(jié)點在錯誤嚴重時會自動切斷與總線的聯(lián)系。</p><p>　　(7)CAN中有損報文由檢出錯誤的任何節(jié)點進行標定，這樣的報文將失效，并自動進行重新發(fā)送。 </p><p>　　(8)CAN總線用戶

95、接口簡單，編程方便，配置靈活，很容易構成用戶系統(tǒng)。</p><p>　　5.3 CAN通信數(shù)據(jù)幀格式</p><p>　　5.3.1　數(shù)據(jù)幀格式</p><p>　　幀頭（F0H F0H）</p><p>　　幀尾（DFH DFH）確認幀：幀頭+命令+幀尾，連接確認命令=00；上位機發(fā)送的校時時間、作息時間都為BCD格式。</p&

96、gt;<p>　　5.3.2　下傳負載判斷表下傳格式：幀頭（F0H F0H）+ 12H + 負載的特征值 + 幀尾（DFH DFH）注意：負載的特征值主要包括負載的功率，負載在標準220V電壓下的基波電</p><p>　　以及3、5、7次諧波電流等。返回格式：幀頭（F0H F0H）+ 12H + 幀尾（DFH DFH）</p><p>　　5.3.3　數(shù)據(jù)查詢類<

97、;/p><p>　　(1)查詢作息時間下傳格式：幀頭（F0H F0H）+ 30H + 校驗和 + 幀尾（DFH DFH）返回格式：幀頭（F0H F0H）+ 30H + 時分/時分 + 校驗和 + 幀尾（DFH DFH）</p><p>　　(2)查詢最大功率（2字節(jié)）下傳格式：幀頭（F0H F0H）+ 31H + 校驗和 + 幀尾（DFH DFH）返回格式：幀頭（F0H F0H）+ 3

98、1H + 功率 + 校驗和 + 幀尾（DFH DFH）</p><p>　　(3)查詢控制模式下傳格式：幀頭（F0H F0H）+ 32H + 校驗和 + 幀尾（DFH DFH）返回格式：幀頭（F0H F0H）+ 32H + 00/01/02 + 校驗和 + 幀尾（DFH DFH）</p><p>　　5.4 CAN接口通信軟件設計</p><p>　　CAN接

99、口通信軟件分為3部分：CAN初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收。CAN初始化主要是設CAN的通信參數(shù)。需要初始化的CAN控制寄存器有：模式寄存器、時分寄存器、接收代碼寄存器、屏蔽寄存器、總線定時寄存器、輸出控制寄存器等。值得注意的是：這些寄存器只能在CAN控制器處于復位狀態(tài)下才可寫訪問。發(fā)送數(shù)據(jù)程序把數(shù)據(jù)存儲區(qū)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)取出，組成信息幀，并將主機的D地址填入幀頭，然后將信息幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)。在接收到主機的發(fā)送請求后，發(fā)送程序

100、啟動發(fā)送命令。</p><p>　　信息從CAN控制器發(fā)送到總線是由CAN控制器自動完成的。信息從CAN總線到CAN控制器的接收緩沖區(qū)也是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取信息，井將其存儲在數(shù)據(jù)存儲區(qū)。軟件系統(tǒng)采用C51高級語言編寫。Keil C51是美國Keil Software公司出品的5l系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，因為C語言很好的結構性和模塊化，更容易閱讀和維護。C51優(yōu)化的C語

101、言交叉編譯器Keil C51交叉編譯器是一個基于ANSIC標準的針對8051系列MCU的C編譯器/生成的可執(zhí)行代碼快速緊湊在運行速率和速度上可以和匯編程序得到的代碼相媲美。采用C語言編寫可以使執(zhí)行效率更高，運行可靠性更強。CAN總線智能節(jié)點的軟件設計主要包括三大部分，CAN節(jié)點初始化、報文發(fā)送和報文接收。</p><p>　　5.5 CAN總線的抗干擾能力</p><p>　　5.5.1

102、　CAN總線硬件抗干擾分析及措施</p><p>　　CAN總線的信號狀態(tài)為2種：隱位與顯位。當總線上出現(xiàn)隱位與顯位發(fā)送的競爭時，總線上的最終結果是顯位。這種二值特性對CAN總線的可靠性與其他特性有很大貢獻。CAN總線信號的二值且“單穩(wěn)態(tài)”的特性為它的數(shù)據(jù)鏈路層創(chuàng)造了條件，即CAN總線上可以容許多主發(fā)送、競爭占線的方式，這極大簡化了消息的調度。為使總線上的節(jié)點均有機會發(fā)送，有些總線采用“主從方式”，這種方法使總線

103、的利用率較低，且從節(jié)點消息發(fā)送的等待時間較長。有些總線采用“令牌方式”，但令牌的丟失和重復需要特別的處理機制。</p><p>　　信號電平的高低有兩層影響：一是閑置時有干擾被誤認為是傳送的啟動信號；二是傳送邏輯信號時因干擾而產生誤碼。CAN只有2種狀態(tài)：當總線電壓差小于0.5V時，接收為隱位（即邏輯“1”）；大于0.9V時，為顯位（即邏輯“0”）。0.5～0.9V為變化的過渡區(qū)。總線隱位電壓差的正常值為0V，因

104、此可能引起誤啟動的最小干擾為0.5V；顯位電壓差的正常值為2.0V，合格的網(wǎng)絡顯位電壓差的最小值為1.2V，引起誤碼的最小干擾為0.3V。CAN總線的共模電壓為-2V~+7V。</p><p>　　5.5.2　CAN總線軟件抗干擾分析及措施</p><p>　　CAN的任務是把采集到的數(shù)據(jù)采用串行通信的方式。一幀一幀的傳送給上位機。數(shù)據(jù)很多包括作息時間、宿舍用電量、房號、控制參數(shù)、異常記錄

105、等等。從上位機往下位機傳送的數(shù)據(jù)格式是，查詢最大功率（2字節(jié)）。下傳格式為：幀頭+31+校驗和+幀尾。返回格式：幀頭+31+功率+校驗和+幀尾。查詢異常記錄。（01-過載；02-停電；03-未注冊電器）。下傳格式：幀頭+35+校驗和+幀尾。返回格式：幀頭+35+記錄1+記錄2 + …+校驗和+幀尾（異常記錄共30個，不足30個時用00填充）。傳負載判斷表,下傳格式：幀頭+12+幀尾；返回格式：幀頭+12+幀尾。<

106、;/p><p>　　編程的包括：通信連接的建立和數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)幀的格式為：幀頭：F0F0，幀尾：8080，確認幀：幀頭+命令+幀尾，連接確認命令=00；由上位機呼叫（連續(xù)5個FF）開始，下位機只要收到3個連續(xù)的FF后就發(fā)送一個確認幀，在一個周期采集結束后即轉入通信模式。上位機發(fā)出呼叫后等候下位機的確認，等候時間為35ms。</p><p>　　軟件抗干擾技術是當系統(tǒng)受到干擾后使系統(tǒng)恢復正常運

107、行或輸入信號受干擾后去偽求真的一種輔助方法。由于軟件設計靈活，節(jié)省硬件資源，所以軟件抗干擾技術越來越引起人們的重視。在測控系續(xù)中，只要認真分析系統(tǒng)所處環(huán)境的干擾來源以及傳播途徑，采用硬件、軟件相結合的抗干擾措施，就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運行。</p><p>　　軟件抗干擾技術所研究的主要內容，其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲的影響，如數(shù)字濾波器技術：其二是由于干擾而使運行程序發(fā)生混亂，導致程序

108、亂飛或陷入死循環(huán)時，采取使程序納入正軌的措施，如軟件冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術。這些方法可以用軟件實現(xiàn)，也可以采用軟件硬件相結合的方法實現(xiàn)。常用的軟件抗干擾措施為：（1）數(shù)字濾波方法；（2）輸入口信號重復檢測方法；（3）輸出端口數(shù)據(jù)刷新方法；（4）軟件攔截技術（指令冗余、軟件陷阱）；（5）看門狗技術等。</p><p><b>　　第6章　結論與展望</b></p><

109、;p><b>　　6.1 結論</b></p><p>　　隨著生活質量、電器科技水平的不斷提高，家庭常用電器越來越多，用電量越來越大，用電安全問題的解決更加迫切。</p><p>　　惡性用電識別器，又稱智能負載識別裝置，它能夠對房間內電器的用電性質進行自動監(jiān)控，識別出負載的是否屬于危險用電設備，如果屬于正常儀表性負載，如電腦、電燈、電扇等，則正常供電；如果

110、接入的是有危險性的大功率阻性電熱負載，如熱得快、電爐、取暖器、電飯褒、吹風機等，將自動切斷電路中斷其使用，拔除惡性負載后自動恢復供電，從而起到降低學生宿舍安全隱患的作用。</p><p>　　負載識別器可以有效的節(jié)約能源，節(jié)省用電開支，降低用電設備不安全隱患的發(fā)生，已在廣大中小學、大中專高等院校的學生宿舍得到廣泛應用。</p><p><b>　　6.2 展望</b>

111、;</p><p>　　本系統(tǒng)針對的是單個負載逐一接入的情況下，對接入電路的負載進行準確識別，能否適用于多個負載同時接入的情況，還有待于進一步檢驗。另外負載識別的精度還需進一步提高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉寧寧．集群式用電智能管理系統(tǒng)：[碩士學位論文]．石家莊鐵道大學，2004</p&

112、gt;<p>　　[2] 王帥．大功率電器智能識別與用電安全控制器：[碩士學位論文]．湖南工程學院，2004</p><p>　　[3] 白海成．學生公寓智能電能管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)：[碩士學位論文]．大連理工大學，2005</p><p>　　[4] 馬彪，黃冬梅，黃英．單片機應用技術[M]．北京：中國輕工業(yè)出版社，2006．24-33</p><p&g