沈帥言 ，王 玲 ，薛 雷

（1.湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南長沙410006；2.珠海中慧微電子股份有限公司方案研發(fā)部，湖南長沙410013）

目前在防爆燈的使用領(lǐng)域中，照明和管理方面存在很嚴(yán)重的問題。在照明方面，防爆燈功耗高，照明亮度極大，在夜晚無人時防爆燈作為照明使用時，亮度全開對電量消耗極大，造成了一定的資源浪費。在管理方面，目前使用的防爆燈無法進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和檢測當(dāng)前防爆燈的狀態(tài)。在此方面需要消耗大量的人力去檢測，這是對人力資源的一種浪費。所以，防爆燈的智能控制是值得關(guān)注和研究的。本文從防爆燈的智能計量控制實現(xiàn)的基本原理和優(yōu)勢入手，來闡明防爆燈智能計量控制模塊的設(shè)計和應(yīng)用。

1 模塊的基本原理及優(yōu)勢

智能計量控制模塊運用了先進(jìn)的寬帶電力載波通信技術(shù)[1-2]、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計量技術(shù)。它能夠有效的控制防爆燈的亮滅[3-4]，實時監(jiān)控防爆燈當(dāng)前環(huán)境的溫度[5-6]、電壓等數(shù)據(jù)。便于了解防爆燈當(dāng)前運行狀態(tài)是否正常，在提高防爆燈運行效率的同時也節(jié)約了電量的使用，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)搭建[7-8]、能源節(jié)約和創(chuàng)造節(jié)約性社會打下基礎(chǔ)。

在通信控制部分，智能計量控制模塊的控制系統(tǒng)由控制主站、防爆燈管理終端和智能計量控制模塊組成，其控制控制圖如圖1所示。控制主站就是上位機，各種控制命令都是由上位機發(fā)出，通過防爆燈管理終端發(fā)送給各個模塊。防爆燈管理終端中加入了寬帶載波的主模塊，是整個控制網(wǎng)絡(luò)的管理核心；它負(fù)責(zé)將系統(tǒng)內(nèi)的寬帶載波從模塊進(jìn)行組網(wǎng)管理、數(shù)據(jù)采集、指令下發(fā)等。而從模塊則安裝在智能計量控制模塊中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，將從主模塊接收到的數(shù)據(jù)傳給智能計量控制模塊的MCU進(jìn)行處理[9-12]。寬帶載波主模塊和寬帶載波從模塊通過電力載波組網(wǎng)通信，一個主模塊可以管理多個從模塊進(jìn)行組網(wǎng)通信，而對于距離較遠(yuǎn)的情況，從模塊之間可以自動路由中繼，完成接力通信，使得系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信控制。

而在計量部分，本計量控制模塊使用的是飛思卡爾生產(chǎn)的MKM34Z128為主控芯片，計量控制模塊通過MCU的24位高精度模擬前端采集數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的智能計量算法以及自校正算法，可以準(zhǔn)確的測量和計算各類電參量。

圖1 系統(tǒng)整體控制框圖

2 模塊整體設(shè)計方案

防爆燈計量控制模塊由以下7個模塊單元組成：中央處理器單元、采樣單元、載波通信單元、RS-485通信單元、運行狀態(tài)指示單元、PWM調(diào)光單元以及電源模塊。計量控制模塊通過采樣單元的采樣電路將采集到的電壓、電流信號傳入中央處理器的高精度A/D轉(zhuǎn)化模塊，通過中央處理器內(nèi)部的計量算法來計算出各類電參量。而載波通信單元和485通信單元負(fù)責(zé)將計量控制模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)傳給主站系統(tǒng)，同時主站系統(tǒng)通過通信線路來控制模塊以及對模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程程序升級。運行狀態(tài)指示單元由2個LED燈組成，當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，LED1等處于每秒閃爍狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于通信狀態(tài)時，LED2處于閃爍狀態(tài)，我們根據(jù)LED燈的運行情況可以初步判斷計量控制模塊是否運行正常。同時，LED1和LED2也是對自校表模式狀態(tài)指示的重要工具。PWM調(diào)光單元是由中央處理器通過由主站系統(tǒng)收到的命令來進(jìn)行控制。而電源模塊則是中央處理器的供電來源。模塊系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 模塊系統(tǒng)框架

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 采樣電路的設(shè)計

本文設(shè)計的智能計量控制模塊具有一

路電壓采樣電路以及一路電流采樣電路，電壓采樣電路采用的是電阻分壓式采樣其原理圖如圖3所示。

圖3 電壓采樣電路原理圖

在圖3中，R21～R26相當(dāng)于一個可調(diào)電阻R，其阻值選取的依據(jù)是使采樣電壓值在控制芯片可以計算的采樣范圍內(nèi)，同時不會使電流過大時電阻燒毀。然后R和R28串聯(lián)分壓，在經(jīng)過由R27、C212和R29、C213組成的濾波電路將信號送入主控芯片的高精度A/D采樣端口。

智能計量控制模塊的電流采樣電路采用的是錳銅片接入方式采樣[14]。其電流采樣電路如圖4所示。

圖4 電流采樣電路原理圖

在電流采樣電路中R61為錳銅電阻，其阻值極小，只有3 mΩ，經(jīng)過線路的電流幾乎全部流過錳銅片，即分流。而此時錳銅片兩端的電壓便是采樣得到的信號，通過此信號便可得出流入電路的電流值。

3.2 PWM控制電路的設(shè)計

PWM控制電路是為了主站系統(tǒng)能夠?qū)崟r控制防爆燈的亮度，用來節(jié)約電能。PWM控制電路原理圖如圖5所示。

圖5 PWM控制電路原理圖

上圖中PWM引腳是連接到主控芯片引腳，主控芯片通過主站系統(tǒng)發(fā)來的信息來控制PWM引腳的占空比。

3.3 電源電路

文中模塊所用電源方案為變壓器降壓，將220 V，50 Hz的市電轉(zhuǎn)化成直流電壓，電源電路原理圖如圖6所示。

220 V的交流電通過L端（火線）和N端（零線）輸入，通過線性降壓變壓器和單相橋式整流器后得到直流電壓HVCC，在這里HVCC大約為23 V左右。轉(zhuǎn)化得到的HVCC在通過U100降壓芯片進(jìn)行DC—DC轉(zhuǎn)化后得到MCU需要的直流供電電壓DVCC（5 V）。

降壓芯片電壓轉(zhuǎn)換公式為：

其中（芯片F(xiàn)B引腳是分壓反饋端，芯片手冊設(shè)定為0.8 V）

本文模塊電源部分存在保護(hù)電路，在交流電輸入端添加的壓敏電阻RV1和熱敏電阻RT1是對模塊電路起保護(hù)作用而設(shè)計。

RV1的作用是：是當(dāng)有瞬時高壓（雷擊的因素所產(chǎn)生的）施加到電源輸入兩端時，壓敏電阻RV1阻值將會發(fā)生變化，其阻值將會變的很小，此時高電壓將會從RV1流出而不會進(jìn)入模塊內(nèi)部從而對模塊造成損壞。

RT1的作用是：本文中RT1電阻的阻值會隨著電流達(dá)到一定值時而發(fā)生變化，其阻值將會增加。因在電路設(shè)計中，熱敏電阻RT1和變壓器T1是串聯(lián)的，當(dāng)輸入電壓增加時，電路中電流也將會隨著增加，當(dāng)電流達(dá)到一定值時，RT1阻值也會發(fā)生變化從而增加，此時的作用是用來降低電路中增加的電流。這樣便可以對變壓器T1形成一道保護(hù)措施。

圖6 模塊電源電路原理圖

3.4 RS-485通信電路設(shè)計

RS485通信是現(xiàn)在工業(yè)控制、電力通信、智能儀表領(lǐng)域使用最廣泛的通信方式之一，其電路原理圖如圖7所示。

3.5 載波通信電路設(shè)計

載波通信電路原理圖如圖8所示。

在上圖中可以看出，ZB1中的1，2引腳是12V電壓和GND，負(fù)責(zé)給載波模塊供電。3，4引腳一起接到地。第7引腳的ZBTXD是輸出端，第6引腳的ZBRXD是輸入端，第10引腳的ZB-RST是載波的復(fù)位端，第12引腳的EVENOUT是異常事件快速上報端口。而在ZB2中的AGND和ZERO分別是接強電接口，分別接上火線和零線。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

智能計量控制模塊在軟件在上節(jié)硬件設(shè)計為基礎(chǔ)，模塊使用C語言模塊化編程思想開發(fā)[16-17]。主要功能模塊由主控模塊、通信模塊、計量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊組成。程序中應(yīng)用計量控制算法，通信協(xié)議處理、以及遠(yuǎn)程升級處理。其程序主流程如圖9所示。

圖7 RS-485通信電路原理圖

圖8 載波通信電路原理圖

圖9 主程序流程圖

5 測量誤差數(shù)據(jù)

本文將5臺計量控制模塊在標(biāo)準(zhǔn)源上進(jìn)行有功基本誤差測試，標(biāo)準(zhǔn)源給模塊施加220 V電壓以及不同大小的電流進(jìn)行測試，其試驗數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 模塊有功基本誤差實驗數(shù)據(jù)

其中，Ib為2 A電流，Imax為10 A電流。由圖10中數(shù)據(jù)可以得到智能計量控制模塊測量電能誤差在0.1%之內(nèi)。

6 結(jié)束語

文中所設(shè)計的防爆燈智能計量控制模塊達(dá)到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，現(xiàn)能初步應(yīng)用于礦山防爆燈的計量以及控制當(dāng)中。除了礦山防爆燈外，也可使用與路燈控制系統(tǒng)以及各種設(shè)備用電量計量當(dāng)中，具有良好的實用價值。

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