一種新型防爆燈智能計(jì)量控制模塊的設(shè)計(jì)

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(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)題。在照明方面，防爆燈功耗高，照明亮度極大，在夜晚無(wú)人時(shí)防爆燈作為照明使用時(shí)，亮度全開對(duì)電量消耗極大，造成了一定的資源浪費(fèi)。在管理方面，目前使用的防爆燈無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和檢測(cè)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(cè)，這是對(duì)人力資源的一種浪費(fèi)。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(jì)量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理和優(yōu)勢(shì)入手，來(lái)闡明防爆燈智能計(jì)量控制模塊的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

1 模塊的基本原理及優(yōu)勢(shì)

智能計(jì)量控制模塊運(yùn)用了先進(jìn)的寬帶電力載波通信技術(shù)[1-2]、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)量技術(shù)。它能夠有效的控制防爆燈的亮滅[3-4]，實(shí)時(shí)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(yùn)行狀態(tài)是否正常，在提高防爆燈運(yùn)行效率的同時(shí)也節(jié)約了電量的使用，為實(shí)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(huì)打下基礎(chǔ)。

在通信控制部分，智能計(jì)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(jì)量控制模塊組成，其控制控制圖如圖1所示?？刂浦髡揪褪巧衔粰C(jī)，各種控制命令都是由上位機(jī)發(fā)出，通過(guò)防爆燈管理終端發(fā)送給各個(gè)模塊。防爆燈管理終端中加入了寬帶載波的主模塊，是整個(gè)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(jì)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(jì)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(guò)電力載波組網(wǎng)通信，一個(gè)主模塊可以管理多個(gè)從模塊進(jìn)行組網(wǎng)通信，而對(duì)于距離較遠(yuǎn)的情況，從模塊之間可以自動(dòng)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(jì)量部分，本計(jì)量控制模塊使用的是飛思卡爾生產(chǎn)的MKM34Z128為主控芯片，計(jì)量控制模塊通過(guò)MCU的24位高精度模擬前端采集數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部的智能計(jì)量算法以及自校正算法，可以準(zhǔn)確的測(cè)量和計(jì)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(jì)方案

防爆燈計(jì)量控制模塊由以下7個(gè)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(yùn)行狀態(tài)指示單元、PWM調(diào)光單元以及電源模塊。計(jì)量控制模塊通過(guò)采樣單元的采樣電路將采集到的電壓、電流信號(hào)傳入中央處理器的高精度A/D轉(zhuǎn)化模塊，通過(guò)中央處理器內(nèi)部的計(jì)量算法來(lái)計(jì)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(jì)量控制模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)傳給主站系統(tǒng)，同時(shí)主站系統(tǒng)通過(guò)通信線路來(lái)控制模塊以及對(duì)模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程程序升級(jí)。運(yùn)行狀態(tài)指示單元由2個(gè)LED燈組成，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，LED1等處于每秒閃爍狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)處于通信狀態(tài)時(shí)，LED2處于閃爍狀態(tài)，我們根據(jù)LED燈的運(yùn)行情況可以初步判斷計(jì)量控制模塊是否運(yùn)行正常。同時(shí)，LED1和LED2也是對(duì)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(guò)由主站系統(tǒng)收到的命令來(lái)進(jìn)行控制。而電源模塊則是中央處理器的供電來(lái)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(jì)

3.1 采樣電路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能計(jì)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(gè)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(jì)算的采樣范圍內(nèi)，同時(shí)不會(huì)使電流過(guò)大時(shí)電阻燒毀。然后R和R28串聯(lián)分壓，在經(jīng)過(guò)由R27、C212和R29、C213組成的濾波電路將信號(hào)送入主控芯片的高精度A/D采樣端口。

智能計(jì)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(guò)線路的電流幾乎全部流過(guò)錳銅片，即分流。而此時(shí)錳銅片兩端的電壓便是采樣得到的信號(hào)，通過(guò)此信號(hào)便可得出流入電路的電流值。

3.2 PWM控制電路的設(shè)計(jì)

PWM控制電路是為了主站系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)控制防爆燈的亮度，用來(lái)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(guò)主站系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信息來(lái)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(guò)L端（火線）和N端（零線）輸入，通過(guò)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(guò)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(cè)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(duì)模塊電路起保護(hù)作用而設(shè)計(jì)。

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

RT1的作用是：本文中RT1電阻的阻值會(huì)隨著電流達(dá)到一定值時(shí)而發(fā)生變化，其阻值將會(huì)增加。因在電路設(shè)計(jì)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(shí)，電路中電流也將會(huì)隨著增加，當(dāng)電流達(dá)到一定值時(shí)，RT1阻值也會(huì)發(fā)生變化從而增加，此時(shí)的作用是用來(lái)降低電路中增加的電流。這樣便可以對(duì)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(jì)

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(jì)

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(bào)端口。而在ZB2中的AGND和ZERO分別是接強(qiáng)電接口，分別接上火線和零線。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能計(jì)量控制模塊在軟件在上節(jié)硬件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，模塊使用C語(yǔ)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(jì)量模塊、數(shù)據(jù)處理模塊組成。程序中應(yīng)用計(jì)量控制算法，通信協(xié)議處理、以及遠(yuǎn)程升級(jí)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(cè)量誤差數(shù)據(jù)

本文將5臺(tái)計(jì)量控制模塊在標(biāo)準(zhǔn)源上進(jìn)行有功基本誤差測(cè)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(cè)試，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 模塊有功基本誤差實(shí)驗(yàn)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(jì)量控制模塊測(cè)量電能誤差在0.1%之內(nèi)。

6 結(jié)束語(yǔ)

文中所設(shè)計(jì)的防爆燈智能計(jì)量控制模塊達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，現(xiàn)能初步應(yīng)用于礦山防爆燈的計(jì)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(jì)量當(dāng)中，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

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