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论文写作模式-基于学生公寓的大功率电器识别

2021-07-02 11:04:29
作者:杭州千明

论文写作模式-基于学生公寓的大功率电器识别

  随着生活水平的提高,在校学生为满足生活需要,越来越多种类的电器出现在了宿舍之中。于是,种类繁多的电器,给宿舍安全带来了威胁。宿舍作为人员密集之地,安全问题又是重中之重。

  本设计基于现实需要,设计了一款易于实现的大功率电器识别系统。该系统基于AT98C51型单片机,主要对电路中的电压和电流进行监测。以电流水平作为判断依据,计算当前用电器电路功率水平。当电路中电流超过限定值时,系统判定电路中存在大功率电器,给予断电保护,并报警。设计方案的实现采用基于单片机的仿真技术实现,根据仿真结果显示,该设计达到了设计要求。

  学生公寓是每个学校所必须的配套设施,它为学生的学习生活带来了诸多便利。而各地区、各高校又根据自身地域特点、教学理念等不同,设计了各种结构形式的宿舍。每间宿舍又大致分为住宿区、阳台和卫生间这三部分,这就导致了学生公寓大都具备建筑结构复杂这一共同特性[1]。

  除了建筑结构上的复杂性外,学生公寓的电力系统也具备很大程度上的复杂性。这是因为,为了满足高校学生的学习生活需求,学生宿舍一般都具备强电与弱电两套电力系统。强电系统在支撑着学生生活中注入照明、用电器供电等需求,弱电系统支撑着通信方面的需求。于此,两套电力系统的使用,线路复杂性自然急剧提高。

  再加上学生公寓是人员密集、物品众多的地方。若有用电事故发生,将会对学生的生命财产安全权造成极大的威胁[2]~[3]。

  而在学生公寓内,引发用电安全事故的最大原因就是学生违规使用用电器。所以有必要针对这个问题设计一款具简单、高效的大功率电器识别系统。

  1.绪论

  1.1课题研究背景及意义

  随着社会经济的发展,高校学生对生活所需电器有了越来越多的品种要求。从以前的台灯、风扇,到现在的电脑、吹风机、电暖炉等等,电器品种越来越丰富。而电器品种的丰富,最直接的后果就是给宿舍用电安全管理带来了巨大的压力。这份压力的来源不仅仅是电器种类的增多、违规电器的使用,还有学生错误经济观念所带来的伪劣电器产品使用、私自在公寓私拉电线以及长时间使电器处于待机或充电状态。虽然我们不能排除线路老化等客观原因,但以上这些主观原因才是引起校园电力安全事故的最大原因[4]。

  据统计,2007年至2018年,北京高校共发生火灾160余起,平均每年10余起。其中,84.5%的火灾是由学生在宿舍违规用电造成的[5]。

  据此,学生公寓的用电安全已经成为一个急待解决的问题。

  针对学生公寓用电安全问题,各级政府部门、各高校都针对本地区或本校的特点,出台了具有针对性的管理办法。但诸如突击检查、纪律处罚等措施很难达到理想效果。往往是突击检查搜查出一批违规电器,下一次检查又有一大批。

  所以,技术层面上的解决方式,将会是宿舍用电安全问题得以解决的一大助力。

  本文研究、设计了一款具有功率计算、超限定功率及时断电的大功率电器识别系统。此系统并入宿舍电路后,将自动实时监测电路功率,当实际功率超出设定功率后,系统自动断开电路供电。

  本系统的使用将极大的降低宿舍用电风险,减少因违规用电带来的灾害。

  1.2国内外研究现状

  目前,对于学生公寓用电安全,不同的学者用不同的技术办法对此进行了研究。对比各学者的研究方向,可将解决方法归为两个大类:

  1.2.1基于信号特征分析的负载识别

  小波分析是由傅里叶分析发展而来,是纯数学、应用数学、工程技术三者的完美结合。其在计算机科学、图像分析、信号处理、非线性科学等方面都有着非常巨大的作用。表现出在频率高时有较好的时间分辨率,在频率低时有较好的频率分辨率的特点。

  刘宁宁[6]在小波分析技术的基础上提出了两种负载识别办法。一种是根据学生公寓电器使用情况,将电路功率分为计算机功率与非计算机功率。利用快速傅里叶变换,剥离电路中计算机功率后,将剩余功率与设定功率进行比较。当非计算机功率超过阀值时,判断电路中具有恶性负载,启动保护机制。一种是采集学生公寓可能会使用的所有电器的波形特征作为样本。在接入实际电路信号后,利用小波分析技术,对实际信号进行分析。通过通过神经网络是算法进行样本比对,判断电路中是否会有恶性负载。

  史振江[7]提出的基于小波神经网络的大功率电器识别方案,也是采用了小波分析与神经网络计算相结合的识别方法。

  秦仕群[8]提出的基于小波分析的恶性负载识别方案,同样是以负载的样本波形为比对对象,以小波分析算法为基础。将电路中的实际波形做小波分析,进行波形匹配。与刘宁宁所提方案不同的是,秦仕群加上了功率匹配作为辅助验证,使该方案更加具有可靠性。

  基于小波分析的负载识别方法,具有较高的可靠性。但是在负载对比识别上,有其不可忽略的局限性。随着电器品种的增多,样本的获取,神经网络的训练都将成为系统运行的成本。

  基于相同的过程性原理,王娟、高蒙[9]等人提出了基于BP神经网络的敷在识别方案。利用傅里叶变换对样本负载的波形进行特征提取,运用C语言建设BP神经网络进行负载识别。此方法相较与小波分析,在技术难度上有所降低,但与小波分析具有同样的样本局限性。

  1.2.2基于功率特征的安全控制

  此类方案的安全控制原理基本相同,都是在系统中设置限制条件。当输入信号触发限制条件时,系统执行安全保护机制。

  周维龙、王帅、李世豪[10]~[12]等人利用设定额定功率作为限制条件,当检测到电路总功率超过额定功率时,触发安全机制保护电路。此方法操作简单,成本较低。但误差范围较大,不能较全面的解决安全用电问题。

  史振江、戴卫星、刘春梅、王峰[13]~[16]等人在总功率限定的基础上引入了差额功率的识别。既在某个检测周期内,电路功率出现了较大的增量变化。当变化值大于设定值时,系统判定电路中有大功率电器,执行保护机制。此方法较之额定功率限定有了进一步的判断,能更加细致的识别电路中大功率电器的存在。

  沈志亮[17]等人的设计方案又进一步引入了阻性负载、容性负载的识别。首先进行总功率识别,超过额定功率既触发保护机制,未超过既进行下一步负载类型识别。当检测到阻性负载功率超过其设定值时,自动切断电源,避免用电事故的发生,若判断出阻性负载功率未超过其设定功率时,则保持正常供电。此方案考虑了通常情况下,学生公寓的大功率电器的负载类型。比较有针对性行的提出阻性负载识别,针对绝大多数公寓大功率电器具有较强的识别能力。

  1.2.3具有大功率电器识别功能的多功能系统

  为解决学生公寓复杂电气特征所反映的多方面问题,有许多学者在研究解决学生宿舍电力安全问题系统时,除了考虑的功率电器识别外,还加入了一些其他功能。

  黄界[18]研究的智能限电系统,除了具有本课题主要研究的大功率电器识别功能外,还加入了防火、防雷和通信功能。在大功率用电器识别方面黄界使用了基于功率水平判断的识别原理。该系统的优点除了功能上的扩展外,还有个优点就是可以并入学生公寓电能管理系统,提高电能管理系统的安全管理能力。

  史振江[19]等人研究了一款基于物联网和GPRS的公寓安全智能管理系统。该系统依然采用了基于功率水平的大功率电器识别原理,在此基础上加入了温度传感器、烟雾传感器和红外线传感器。实现了大功率电器识别、火灾检测和外人入侵检测这三方面的功能。并配备了远程通信功能,实现了实时监测数据的远程传输与报警。

  1.3本文主要研究内容

  本文主要内容如下:

  第一章绪论。本章主要描述了本研究的研究问题来源、研究意义。讲述了在进行本研究时,参阅了解的其他学者对本文研究问题的研究成果。简述了其他学者在本研究问题上取得的成就。指明了本研究的实际应用方向和拟解决的现实问题。简述了本文的大致内容结构。

  第二章硬件总体设计方案。本章主要讲述了基于前期研究,设计确定的研究方案。通过软硬件结合的方式,通过仿真,验证本方案的可行性。

  第三章软件总体设计方案。本章主要叙述本方案在内部数据处理方面的原理。

  第四章结果分析。本章主要讲述了在研究过程中遇到的问题,总结有利经验。分析实际研究成果。

  第五章总结。对本研究成果进行评价,评价本研究成果的实际应用价值。展望此类研究可能取得的更高成就。

  2.大功率电器识别系统的硬件设计

  2.1系统的总体硬件设计方案

  本系统的硬件电路主要由电压互感器、电流互感器、A/D转换模块、单片机、保护电路五大模块组成。其中单片机选择AT89C51,A/D转换模块选择PCF8591。系统设计原理如下图2.1所示。

  图2.1系统设计原理图

  图2.2系统仿真电路图

  图2.2是根据原理图2.1设计的仿真电路图。系统仿真电路图可以分为电流信号采集模块、电压信号采集模块、A/D转换模块、显示模块、保护模块。在仿真过程中,由于没有找到电流互感器元件,但为了验证本设计,得到电流信号。于是采用了图2.3电路,用于演示电流信号的获得过程。并采用图2.4所示电路作为电流信号输入电路,输入电流信号为随机设置。

  图2.3电流互感器原理图

  2.4电流信号输入电路图

  整个系统的工作过程为:首先电流互感器与电压互感器采集电流和电压信号,然后两路信号经由PCF8591进行A/D转换,再传入单片机进行处理,并作显示、实行保护机制和报警处理。

  2.2单片机选择

  单片机作为一种集成电路芯片,采用超大规模集成电路技术,将CPU,CPU,随机存储器,RAM,只读存储器,ROM,各种I/O口和中断系统,定时器/计数器等功能集成到一片硅片中,构成一个小巧完善的微机系统。

  作为微处理器,单片机具有低成本、高集成、体积小、可靠性好、控制能力强、易扩展、低功耗等特点。基于这些特点,单片机在工业控制领域具有广泛的应用[20]~[21]。

  但在选用单片机时不仅要考虑本设计的整体需求,还要考虑实际端口数量、数据处理量、需要的处理速度等因素。在本设计中,只有两串原始数据输入,经过A/D转换后输入单片机,再经由单片机处理后输出控制显示电路与保护电路。

  所以,基于本设计的实际需求,以及数据处理的数量及所需要的处理速度,本设计最终选定采用AT89C51型单片机。如图2.5所示为AT89C51单片机实物图,图2.6所示为AT89C51单片机引脚分布图。

  图2.5 AT89C51实物图

  图2.6 AT89C51单片机引脚分布图

  AT89C51型单片机具有4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,2个16位定时/计数器,1个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路等功能模块。同时,AT89C51可支持两种软件可选的节电工作模式。处于空闲状态时停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续运行。掉电时保存RAM中的内容,确保数据不遗失。但此时振荡器停止工作,并禁止其它所有部件工作,直到下一个硬件复位。

  除了以上功能可以为本设计提供强有力的支撑外,其反复擦除1000次的使用寿命与非易失数据存储特点十分适合本设计的需求。

  2.3信号采集模块

  2.3.1电压信号采集模块

  电压互感器工作原理与变压器相同,都是采用原、副绕组的线圈比例进行一定的降压。降压之后,先进行整流,然后经过并联电容分流,再经过串联电阻分压。最后得到可测的电压信号。如下图2.7所示。

  图2.7电压互感器电路图

  如上图,电压互感器的互感线圈,原、幅绕组采用10:1的线圈比。即先将用电器电路电压放小10倍之后,再经过整流、分流和分压的到可测的电压数据。

  2.3.2电流信号采集模块

  电流互感器的制作是基于电磁感应原理。它由闭合铁心和原、幅绕组构成。因为导线的缠绕圈数与电流成反比,所以一次饶组的线圈匝数很少,串联在测量电路中,测量电路的全部电流从一次绕组中流过。二次绕组就需要较多的线圈匝数,一次来降低感应电流,便于使用元件测量。而且二次线圈电路中还存在保护电路,用于保障测量仪器的安全工作。二次绕组电路始终闭合,其测量仪器与绕组的阻抗非常小,所以电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器原理示意图,如下图2.8所示。

  图2.8电流互感器原理图

  但在实际仿真时,为获得假设用电器的电流信号,设计了如图3.3所示的电路。以电路中并联的各个带开关的电阻模拟负载,并加入了R1作为保护装置。特别的,加入小电阻R12模拟电路短路。利用并联分压的原理,在主电路中串联一个10Ω的小电阻R11。测量R11两端电压。通过欧姆定律计算出每个负载下的电流值。

  为使验证具有更高可靠性,实际使用的电流信号并不是图2.3电路得出的电流信号,而是随机取了7个值。并以这7个值为信号源,构建了如图2.4的电路。将这7个随机值作为电流信号输入PCF8591。

  2.4 A/D转换模块

  PCF8591是一个集成的8位CMOS数据获取器,自身形态为单片结构,可单独供电,功耗极低。其单独供电的设计极大提高了仿真电路的简洁性。此外,PCF8591的主要功能引脚分别为4个模拟数据输入、1个模拟信号输出、1个串行I2C总线接口和3个硬件地址引脚。PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2的作用为硬件地址编程,使用时允许在同个I2C总线上访问8个PCF8591器件,无需添加额外的硬件。在PCF8591上的地址输入与输出、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线实现的,数据以串行的方式进行传输。为更好的进行数据转换,PCF8591还包括多路模拟输入、内置跟踪保持、8-bit模数转换和8-bit数模转换在内的多种功能。在数据转化速率上,PCF8591的最大转化速率由I2C总线的最大速率决定。PCF8591芯片电路如下图2.9所示。

  图2.9 PCF8591电路连接图

  如图所示,PCF8591芯片的AIN0端口与电压互感器相连,取得电压信号;AIN1则与电流信号源相连,取得电流信号。输入信号经过PCF84591处理后,由SDA端口输入单片机,并伴随一个SCL时钟信号。

  2.5保护模块

  保护模块连接单片机的P1.0端口。电路图如下图2.10所示。

  图2.10保护模块电路图

  按下开关,保护电路就与单片机进行了连接。当P10输入为低电平时,三极管Q1不导通,继电器RL2不工作,下方继电器保护电路处于无输入状态。用电器电路正常工作。当P10输入为高电平时,三极管Q1导通,继电器RL2工作,为下方继电器保护电路接入电源。触发保护继电器工作,断开用电器电路,从而实现保护功能。

  为保证保护功能的稳定实现,特加入一个MOC3021光电耦合器。利用光电耦合器的即时触发功能提高保护电路的稳定性。

  3.大功率电器识别系统的软件设计

  3.1系统总体软件设计方案

  根据系统设计实际,本设计采用Keil uVision5进行编程。Keil C51是美国Keil Software公司出品的C语言软件开发系统,它兼容51系列单片机,极大的方便了基于51系列单片机的电子系统开发。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境将这些重要部分组合在一起。而在编程语言方面,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上都有明显的优势。鉴于Keil的功能特点,对C语言的适用性,C语言自身的优点以及自身对C语言的运用能力。综合考量,选择Keil作为程序开发系统,C语言为开发语言。

  软件是为了配合硬件实现系统获取电流电压信号,判断用电器电路功率是否超标,并判断是否作出保护动作这几个基本功能。下图3.1所示为本系统软件设计的整体方案。

  图3.1系统软件总体设计图

  如上图所示整个系统先是获取电流、电压信号,而后将这两路模拟信号传入A/D转换器,将模拟信号转化为数字信号,并伴随传输一个A/D转换器内部时钟信号。其后,单片机进行数据处理,根据传输进来的数字信号进行判别,从而决定是否触发保护装置。但无论是否触发保护装置,传输进单片机的电流、电压数据以及电路状态都将显示出来。

  3.2电压、电流数据采集

  考虑到有电压和电流两种信号,在设计时,设定以1s为周期,前0.5s读取电压数据,后0.5s读取电流数据。如下图3.2所示为电压、电流数据读取流程图。

  图3.2电压、电流信号读取流程图

  3.3电路保护模块

  在获得电压、电流数据之后,系统进行数据处理,并进行用电器电路功率判断。当判断用电器电路功率不超过额定功率时,系统输入低电平到保护电路,保护电路不工作。当用电器电路功率超过额定功率,系统输出高电平,触发保护电路工作。如下图3.3所示为电路保护模块工作流程图。

  图3.3电路保护模块工作流程图

  3.4显示模块

  显示模块的作用是将用电器电路的实际电压、电流、功率等数据显示出来。系统初始化时,LCD1602液晶显示屏上无任何信息。设计时,本人将显示屏第一行前9位设定为电压显示位,后7位设定为电流显示位。第二行前9位设定为功率数据显示位,后7位设定为电路状态显示位。其中电路状态分为短路、正常、超功率三种。由于数据是变化数据,所以设定每组数据显示停留时间为20ms。如下图3.4所示为显示模块流程图。

  图3.4显示模块流程图

  4.仿真过程与结果分析

  本设计采用Proteus 8 Professional作为仿真软件,是因为Proteus 8 Professional具有软硬件相结合的仿真功能,基本可以实现一个系统从概念到完善全由仿真验证。在硬件方面它不仅可以仿真系统设计所需的单片机,还可以仿真系统除单片机外的外围电路。在程序方面它不仅支持C语言、汇编语言等多种编程语言,还适应多种编程软件,具有广泛的适应性。Proteus 8 Professional齐全的元件库可以支撑数字电路、模拟电路、混合电路等多种多样的电子系统的设计,是电子系统设计、分析、教学的优秀工具,更是十分适合毕业生的不毕业设计实验。

  本设计的仿真过程为:根据前期研究规划,在Proteus 8 Professional中画出设计好的电路图。在绘制电路图的过程中,因为要仿真不用用电器在电路中的功率情况。所以电流互感器并不是按照其工作原理设计规划的,而是自行设计了两个小电路替代电流互感器。为减小仪器测量误差,电压互感器互感线圈采用的比值为10,即先将用电器电路电压放小10倍之后输入测量电路。程序的设计则是结合电路图所做的引脚标注,在Keil uVision5中进行程序编写。编译过程中时常出现语法错误,修改进程比较缓慢。

  完成所有准备工作后,按照对本系统功能的规划,本人按照以下实验顺序验证了本系统的完成程度。

  如下图4.1和图4.2所示,当系统中无任何电流信号输入或电流信号输入为零时,系统判断用电器电路中没有负载,LCD1602液晶显示器显示如图4.3所示信息。

  图4.1无任何电流信号输入

  图4.2电流信号输入为零

  图4.3无信号输入显示

  当系统中输入的电流、电压信号为合理值时,系统显示除了显示当前电压、电流、功率值外,并无特殊提示符号显示,也不会触发保护电路。如下图4.4所示。

  图4.4合理值输入

  当系统中输入一个超过限制范围的电流信号,经数据处理,系统的出此时用电器电路功率超过额定值时。LCD1602液晶显示屏除了显示当前电压、电流、功率数值外,还会显示警告提示符号,并触发保护电路,进行继电器断电保护和发光二极管闪烁报警。