基于ATT7037AU的新型自適應(yīng)智能用電控制終端設(shè)計(jì)

節(jié)約用電和安全用電，不但是電器使用者們一直關(guān)心的話題，而且是終端用電管理部門重點(diǎn)關(guān)注的，對(duì)于如何方便眾多用戶安全使用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全方便的管理，也一直是相關(guān)部門科研工作者們努力的方向。

目前已設(shè)計(jì)出各種各樣的電路來完成這樣的任務(wù)，主要的有功率識(shí)別法和相位識(shí)別法等，但它們都因?yàn)殡娐纷陨淼脑虼嬖谌毕?，前者只能?duì)總用電功率進(jìn)行識(shí)別和控制，后者只能識(shí)別阻性負(fù)載。還有一些提出利用面積比較、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、諧波分離等方法來識(shí)別負(fù)載，這些方法，電路復(fù)雜，信號(hào)處理算法復(fù)雜。還有的對(duì)現(xiàn)有電能表電路進(jìn)行改進(jìn)后利用微控制器進(jìn)行控制，這種方法造成電路體積較大，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，智能化設(shè)計(jì)程度低。

基于此，項(xiàng)目組在進(jìn)行充分調(diào)研和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用戶要求設(shè)計(jì)了一款新型自適應(yīng)智能用電控制終端，基于新型高集成度SOC芯片，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)電路和軟件算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電

器類型的識(shí)別、功率檢測(cè)和用電控制。實(shí)踐應(yīng)用證明其實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高。

1 自適應(yīng)智能用電控制終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

用電控制的中心任務(wù)是對(duì)終端用電器通、斷電控制，依據(jù)是該電器是否是在規(guī)定的時(shí)間和地點(diǎn)被允許使用的。我們?nèi)粘Ｉ钪休^常用的電器比如電腦、電扇、充電器、照明燈等，這些是可以在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)使用的，而不常用的容易引起事故的大功率電器如熱得快、電爐、大功率電吹風(fēng)等，這些往往是不允許被使用的，小功率易出現(xiàn)事故的如電熱毯、小功率電吹風(fēng)等，這些是限時(shí)使用的。因此新型智能用電控制終端必須解決違規(guī)電器的自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)控制問題。

本設(shè)計(jì)采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新研發(fā)推出的最新型低功耗高性能的單相多功能計(jì)量SOC芯片ATT7037AU，通過對(duì)用電設(shè)備的電流和電壓采樣，利用EMU模塊的數(shù)字信號(hào)處理功能實(shí)時(shí)計(jì)算出瞬時(shí)有功功率與有功電能、無功功率與無功電能、視在功率與視在電能、電壓有效值、電流有效值及頻率計(jì)算等計(jì)量功能，根據(jù)這些參數(shù)的變化可以判斷出負(fù)載的變化，利用程序算法可以成功解決以往的限電技術(shù)不能識(shí)別負(fù)載，或者負(fù)載識(shí)別智能性和準(zhǔn)確性不高的問題。

以ATT7037AU為核心的智能用電控制終端主要由SOC最小系統(tǒng)電路、電流及電壓采樣電路、紅外接口電路、顯示電路、溫度傳感電路、電源電壓檢測(cè)電路、繼電器控制電路、485通訊接口電路、電源電路等組成。其中，ATT7037AU芯片通過外圍電路既能完成用電信息的采集、運(yùn)算又能夠?qū)崿F(xiàn)和外部交互控制、顯示和通信。智能用電控制終端整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 自適應(yīng)智能用電控制終端硬件設(shè)計(jì)

自適應(yīng)智能用電控制終端的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于獲取當(dāng)前用電器的用電信息，提取出有用的負(fù)載特征，從而準(zhǔn)確地識(shí)別用電器的類型，最終做出是否通斷電的動(dòng)作。另一個(gè)重要任務(wù)就是精確計(jì)量已消費(fèi)使用的電量，并據(jù)此進(jìn)行一系列通斷電操作。此外，必要的通訊功能是實(shí)現(xiàn)人機(jī)友好交互的重要手段，使操作管理更加智能化。

獲取用電信息的手段有很多，比如對(duì)電壓電流采樣后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，或者使用模擬電路進(jìn)行積分，這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算速度很慢，系統(tǒng)精度降低。本設(shè)計(jì)采用上海鉅泉光電科技股份有限公司最新推出的ATT7037AU芯片，克服了傳統(tǒng)電路相位誤差大、易飽和，抗干擾能力弱，速度慢，穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)功率電能信息采集、運(yùn)算和控制的一體化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高。

2.1 電能SOC芯片ATT7037AU

ATT7037AU芯片片內(nèi)集成單相計(jì)量(3路ADC)、CPU51內(nèi)核處理器、LCD驅(qū)動(dòng)、電源管理，時(shí)鐘管理，RTC模塊及每秒補(bǔ)償機(jī)制，溫度/電池電壓測(cè)量模塊，PLL，JTAG調(diào)試等功能。芯片能夠通過片內(nèi)ADC采樣提供三路ADC的原始采樣數(shù)據(jù)和同步波形采樣數(shù)據(jù)，內(nèi)部DSP電路能實(shí)時(shí)計(jì)算出有功、無功和視在功率、電壓有效值、電流有效值等，電能計(jì)量誤差小于0.1%，電壓，電流有效值測(cè)量誤差小于0.5%。通過SFR寄存器和中斷的方式，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)處理部分進(jìn)行校表參數(shù)配置和計(jì)量參數(shù)讀取;計(jì)量的結(jié)果還通過PF/QF/SF引腳輸出，也即校表脈沖輸出，可以直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差對(duì)比。

系統(tǒng)核心電路包括芯片電源連接電路，晶振電路，JTAG調(diào)試電路，信號(hào)采樣端口，雙串口輸出電路，功能按鍵，以及工作指示燈等。

2.2 電壓電流數(shù)據(jù)采樣電路

本控制終端的數(shù)據(jù)來源主要是用電器上的電壓和電流信號(hào)，ATT7037AU通過V1P、V1N采樣電流，通過V3P、V3N采樣電壓，通過片內(nèi)的完全獨(dú)立的模擬增益放大器(PGA)，可以完成對(duì)外部的電壓和電流輸入差分信號(hào)的幅度放大，放大后的信號(hào)再送給ADC進(jìn)行采樣和處理，在極小信號(hào)輸入時(shí)能夠保證測(cè)量的線性度。

電流如圖2所示，F(xiàn)LQ為孟桐分流器，其具有線性度好和溫度系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn);L—IN接火線，作為系統(tǒng)參考地電壓;1K電阻與33nF電容并聯(lián)到地，共同組成低通濾波器，阻止電網(wǎng)中的高頻信號(hào)進(jìn)入芯片內(nèi)部，用來減少對(duì)芯片內(nèi)部DSP處理模塊電路的干擾，錳銅電阻兩端產(chǎn)生的穩(wěn)定的微弱電壓通過VIP、V1N進(jìn)入芯片內(nèi)部。

電壓采樣電路圖3所示，經(jīng)過串聯(lián)電路電阻分壓后的小信號(hào)電壓通過電阻和電容網(wǎng)絡(luò)中的V3P、V3N通道進(jìn)入芯片內(nèi)部。

2.3 電源電路

在普通的智能控電器中，因?yàn)橄到y(tǒng)簡(jiǎn)單，控制功率小于2 000 W，因此大多所使用小功率交流繼電器控制，整個(gè)系統(tǒng)功耗較低，因此使用了阻容降壓電路來提供系統(tǒng)電源，但是由于繼電器是通電保持性器件，工作過程就會(huì)消耗能量，另外大功率的繼電器阻容降壓電源提供的功率不夠。這里選用磁保持型繼電器，12 V的開關(guān)電源模塊，同時(shí)滿足大功率電流通斷和節(jié)能需要。

2.4 磁保持繼電器驅(qū)動(dòng)電路

智能用電管理終端的重要任務(wù)是通斷電控制，前面一經(jīng)選用了交流60 A的磁保持繼電器BST-902，該繼電器通過給控制引腳施加不同的電平信號(hào)來接通或者斷開開關(guān)，因此其驅(qū)動(dòng)電路需要在兩個(gè)端口能夠提供高低電平，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

2.5 其他電路

作為一個(gè)管理終端，需要對(duì)用電信息進(jìn)行存儲(chǔ)，雖然ATT7037AU芯片內(nèi)部自帶存儲(chǔ)，但是因?yàn)樗窍日?yè)擦除，然后寫的操作，并且擦寫次數(shù)比較有限，因此比較適合存儲(chǔ)非頻繁操作的數(shù)據(jù)，如控制器地址，控制器計(jì)量校正參數(shù)等的存儲(chǔ)，對(duì)于電參數(shù)的計(jì)量數(shù)值這里選用了AT24C02作為存儲(chǔ)器。

另外，管理終端還要完成485通信和無線抄表的功能，并同時(shí)能夠通過顯示屏顯示用戶信息、電參數(shù)信息、電器類型、通斷電信息、警告信息等主要信息，還可以顯示時(shí)間、溫度、備份電池電壓等。

485通信電路，支持簡(jiǎn)單協(xié)議的485通信操作，如電量的讀取，系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)處理指令等，紅外收發(fā)電路提高數(shù)據(jù)讀取及控制的效率和安全性。

3 自適應(yīng)智能用電控制終端軟件設(shè)計(jì)

自適應(yīng)控制終端要能夠獨(dú)立完成對(duì)用電終端電器的用電控制，必須要能根據(jù)當(dāng)前以及歷史用電信息識(shí)別用電器的類型，根據(jù)用電器的類型和電量信息判斷是否允許使用，進(jìn)

而進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)控制，以達(dá)到對(duì)用電端的電能計(jì)量、節(jié)能和安全的目的。

3.1 自適應(yīng)識(shí)別原理介紹

自適應(yīng)控制終端的自適應(yīng)是有限自適應(yīng)，即對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的已知用電器的自適應(yīng)以及對(duì)特定非通用設(shè)備的自適應(yīng)。通過對(duì)已有電器的功率特性進(jìn)行采樣建立樣本數(shù)據(jù)模型庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)在正常工作的工程中依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)模型對(duì)電器進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而達(dá)到控制的目的。功率特性主要包括有功功率的范圍和其隨時(shí)間變化的趨勢(shì)。

3.2 軟件樣本數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

生活中常見的電器主要分為：阻性、感性、非線性、還有混合型設(shè)備。對(duì)于阻性設(shè)備電器，屬于線性設(shè)備，但是惡性負(fù)載(大功率阻性負(fù)載)多，如熱得快、電水壺等，所以是最危險(xiǎn)的用電設(shè)備，需要重點(diǎn)關(guān)注，但其模型比較簡(jiǎn)單，因?yàn)槠涔ぷ鬟^程中電壓、電流相位一致，設(shè)備功率比較穩(wěn)定。對(duì)于感性設(shè)備，如電風(fēng)扇等，功率穩(wěn)定而適中，模型庫(kù)也較簡(jiǎn)單。對(duì)于非線性設(shè)備，有穩(wěn)定工作的設(shè)備如電腦等，其特點(diǎn)是工作波形不規(guī)則。對(duì)于混合型設(shè)備，如空調(diào)，其工作狀態(tài)有多個(gè)，而且狀態(tài)多變，狀態(tài)功率不等，功率變化多樣，也是關(guān)注的重點(diǎn)和識(shí)別的難點(diǎn)。因此，依據(jù)各類電器的特性，可以將數(shù)據(jù)庫(kù)中的電器分為功率穩(wěn)定和功率不穩(wěn)定兩類。

3.3 電器工作數(shù)據(jù)模型的建立

這里以功率多變的空調(diào)為例，說明數(shù)據(jù)模型建立的過程。將智能管理終端的紅藍(lán)兩根220 V引線通過插頭接入插座，將紅綠兩線接到某型壁掛空調(diào)的電源線端，建立工作電路，終端即上電工作，按下自適應(yīng)采集控制按鍵，終端通過485總線將實(shí)時(shí)采集到的功率數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)記錄，并繪制波形，啟動(dòng)空調(diào)為制熱模式，空調(diào)工作整個(gè)過程的有功功率一時(shí)間有效曲線如圖5所示，其中縱軸單位為W，橫軸為S?？梢钥闯隹照{(diào)啟動(dòng)后，首先維持了約16 s的1 W功率，然后功率開始上升，到第21 s穩(wěn)定下來，一直到第31 s都保持在679.9 W，之后開始上升，到第71 s時(shí)功率達(dá)到最大值1917 W，在第71至481 s區(qū)間，功率基本穩(wěn)定在1 800 W左右，波動(dòng)在±150 W以內(nèi)，從第482 s開始從明顯下降，到516 s降至964 W，然后功率開始在964 w至1 164 w之間按照先增后減的過程呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性震蕩，周期為約170 s，震蕩持續(xù)12個(gè)周期，之后關(guān)閉空調(diào)，空調(diào)功率很快下降到0W。

圖5所示過程體現(xiàn)了空調(diào)制熱的一般過程，可以看出其中有4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，在這些點(diǎn)的兩邊都產(chǎn)生了較大的功率變化，因此依據(jù)這些關(guān)鍵點(diǎn)在它們之間取最大、最小值的加權(quán)平均，可以建立的數(shù)學(xué)模型如圖6所示，其中細(xì)曲線為原始數(shù)據(jù)，較粗的折線為模型數(shù)據(jù)。其中最關(guān)鍵特征是3個(gè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)797 W、1786 W和1 032 W，以及圍繞這3個(gè)功率點(diǎn)的小范圍波動(dòng)。

3.4 自適應(yīng)識(shí)別程序設(shè)計(jì)

依據(jù)上述分析，可以設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的識(shí)別算法程序。識(shí)別軟件核心程序流程如圖7所示。可以看出利用大功率負(fù)載是否穩(wěn)定，是否在特征功率附近波動(dòng)這兩個(gè)特性，通過一系列的比較、歸納能夠?qū)⑽覀儽容^關(guān)心的惡性負(fù)載和空調(diào)從眾多負(fù)載中篩選出來，分別進(jìn)行相應(yīng)的控制，達(dá)到自適應(yīng)識(shí)別控制的目的。

對(duì)于功率穩(wěn)定的其他電器模型，只是一些列關(guān)鍵有功特征功率不同，算法及流程相同，不再贅述。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于一款SOC芯片設(shè)計(jì)了一種新型的用電管理終端，根據(jù)用電負(fù)載的不同特性，提取其關(guān)鍵特征，給出了一種識(shí)別算法流程。與同類產(chǎn)品相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，可以有效識(shí)別出特定負(fù)載和惡性負(fù)載，成功解決了以往無法區(qū)分負(fù)載特性的問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)的用電設(shè)備進(jìn)行放行或者關(guān)斷等操作。該終端體積小，智能化程度高，實(shí)際運(yùn)行效果證明其具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，滿足了用戶需求。