插線板的智能節(jié)電設(shè)計(jì)

摘 要：為了用戶的使用便利，電氣制造商在開發(fā)生產(chǎn)電氣設(shè)備的時(shí)候會(huì)開發(fā)多種模式的點(diǎn)擊功能，而當(dāng)用電器處在待機(jī)模式下時(shí)便會(huì)產(chǎn)生電能的浪費(fèi)，大多數(shù)人都很少有手動(dòng)關(guān)閉用電器的習(xí)慣，待機(jī)功耗成為日用家電產(chǎn)品在待機(jī)功能狀態(tài)下的電能消耗。中標(biāo)認(rèn)證中心（CECP）經(jīng)過調(diào)查之后發(fā)現(xiàn)，我國一個(gè)普通家庭中用電器的待機(jī)功耗相當(dāng)于這個(gè)家庭每天都在使用著一盞15W到30W的長(zhǎng)明燈。全國每年浪費(fèi)12億度電被下班不關(guān)電腦電視的顯示器、打印機(jī)給消耗；全國空調(diào)每年待機(jī)能耗達(dá)到30億度以上；137億度的電能被全國飲水機(jī)一年的待機(jī)給白白浪費(fèi)！我們不能小看這些用電器的待機(jī)損耗，日積月累，它們慢慢會(huì)成為“用電大戶”。

插線板通過對(duì)電能的采樣而后判別用電器是否處在待機(jī)狀態(tài)下，再選擇是否對(duì)插線板進(jìn)行斷電控制。對(duì)用電器的電能采樣的核心器件是CSE7780電能芯片，通過對(duì)流過用電器的電流和用電器的實(shí)時(shí)電壓采樣輸入到電能芯片進(jìn)行處理；控制部分是采用的比較常用的51系列單片機(jī)，考慮到51系列單片機(jī)價(jià)格便宜，使用簡(jiǎn)單，因而采用之。單片機(jī)主要功能是對(duì)電路的控制，定時(shí)設(shè)置和顯示控制。

單片機(jī)通過SPI串口與電能芯片進(jìn)行通信，將其采樣功率換算出實(shí)際功率，在液晶顯示器上顯示，同時(shí)讓其采樣功率與待機(jī)功率比較從而判斷是否對(duì)用電器進(jìn)行自動(dòng)斷電。

關(guān)鍵詞：CSE7780電能芯片；流電壓采樣；51單片機(jī)；定時(shí)設(shè)置；自動(dòng)斷電

中圖分類號(hào)：F713.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 06-0000-01

一、模塊設(shè)計(jì)與分析：

（一）電壓采樣及電流采樣：電壓采樣通常是采集零線上的信號(hào)，由于電壓信號(hào)較大，這次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過電阻網(wǎng)絡(luò)降壓的辦法實(shí)現(xiàn)；采用這種形式是最適合這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，電阻網(wǎng)絡(luò)占用空間很小，電路簡(jiǎn)單穩(wěn)定；若是采用變壓器降壓，通過磁場(chǎng)互聯(lián)，雖然前后級(jí)隔離很好但是體積較大，不適合采用。

電流采樣時(shí)采樣錳銅分流器，在電路中，電流通過錳銅分流器是會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降，大小不同的電流產(chǎn)生的壓降不同，電壓信號(hào)被輸入到電能芯片，實(shí)現(xiàn)電能芯片對(duì)用電器電流的采樣。

（二）電源模塊：考慮到作品的集成度，采用AC220V-DC5V模塊電源給整個(gè)系統(tǒng)供電；市電通過模塊電源轉(zhuǎn)為直流5v，給CSE7780芯片，單片機(jī)和液晶顯示器進(jìn)行供電；模塊電源體積小，可直接植入到系統(tǒng)內(nèi)，取電方便，對(duì)電路有一定保護(hù)作用，因此對(duì)于這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用模塊電源較為合理和經(jīng)濟(jì)。

（三）時(shí)模塊：設(shè)置三個(gè)按鍵，對(duì)于51單片機(jī)的p10，p11，p12三個(gè)端口，在為低電平時(shí)進(jìn)行操作。

（四）顯示模塊：本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶顯示，其控制器基于HD44780，顯示容量為16*2個(gè)字符，芯片的驅(qū)動(dòng)工作電壓范圍為4.5-5.5，工作電流為2mA；本系統(tǒng)完全能滿足顯示驅(qū)動(dòng)要求，其可顯示有功功率，電流，電壓有效值，時(shí)間等信息。

（五）制模塊：基于單片機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)采樣的功率信息判斷，若檢測(cè)的功率長(zhǎng)時(shí)間在待機(jī)功率值附近波動(dòng)，則判斷為該用電器處在待機(jī)狀態(tài)下，單片機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)控制繼電器斷開。

二、軟件模塊設(shè)計(jì)與分析：

（一）電參數(shù)計(jì)算：此次設(shè)計(jì)的插線板參數(shù)是額定電壓220v，10（60）A電流規(guī)格，常數(shù)1600imp/KWh；CSE7780芯片的電流通道允許的最大信號(hào)是±700mV峰峰值，選用250μΩ的錳銅分流器采樣，當(dāng)電流為最大60A時(shí)，采樣信號(hào)是60A*250μΩ=15mV。電流通道允許最大輸入信號(hào)是495mV，所以配置電流通道增益為16；電壓采樣是通過電阻網(wǎng)絡(luò)將220v降為220mV，增益設(shè)置為1。

綜上所述，電流A通道增益設(shè)置為16，電壓通道增益設(shè)置為1，因此syscon寄存器設(shè)置為0080H；

（二）HFConST寄存器設(shè)置：

常數(shù)EC為1600imp/KWh；Vu=0.22V；Vi=40mV；EC=1600；Un=220V；Ib=10A；

根據(jù)公式HFConst=INT[39.3143*Vu*Vi*10^11/（EC*Un*Ib）]，所以結(jié)果為2264H，因此HFConST寄存器的值是2264H。

（三）其他寄存器配置：

啟動(dòng)電流配置：在Un，IbDE情況下，powerA（有功功率寄存器）=1A375D7H，要求在0.4%Ib的情況下順利正常啟動(dòng)，則pstar配置為0.2%Ib有功功率對(duì)應(yīng)的數(shù)值為00D6H。

能量累加模式配置：累加方式是代數(shù)和的方式，因?yàn)檎从泄δ芰慷夹枰?jì)算，因此累加的時(shí)候必須將正反有功都參與到能量累加模式里面去，負(fù)功率有REVQ指示，使有功電能寄存器累加及PF脈沖輸出，將EMUCON配置為0001H。

（四）校表寄存器的配置：

1.有功校正

功率增益校正：在輸入信號(hào)為Un、Ib的情況下，從校表臺(tái)獲得通道A的誤差為err，則公式1如果Pgain>=0，則GPQA=INT[Pgain*2^15]，反之若Pgain<0，則GPQA=INT[2^16+Pgain*2^15]。通道B的功率校準(zhǔn)可通過配置GPQB來實(shí)現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。

相位校正：在PF=0.5L，輸入信號(hào)為100%Un、100%Ib的情況下，從校表臺(tái)上獲得的誤差為err，則相位誤差補(bǔ)償為公式2，對(duì)50Hz的電網(wǎng)而言，PHSA有0.02^0/LSB的關(guān)系，則：如果θ>=0，PHSA=INT（θ/0.02^0）；如果θ<0，PHSA=INT（2^8+θ/0.02）-96.通道B的相位校正可通過配置PHSB來實(shí)現(xiàn)，方法與校正通道A的相同。

有功偏置電流校正：在小信號(hào)1.0的情況下，如果小信號(hào)偏差較大，可通過調(diào)整有功功率偏置電流校正寄存器來修正小信號(hào)的偏差。在PF=1.0，Vu=Un，Vi=0的情況下，等待DPUDIF的更新，通過MCU取PowerA的值，讀取若干次去平均值，取平均值的補(bǔ)碼的后4位寫入APOSA校正寄存器。

2.電壓、電流計(jì)算

有效值的校正流程是先校正電流的偏置電流，校正偏置電流后，再進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換系數(shù)KIA及電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)KU的計(jì)算，在PF=1.0、100%Un、Ib的情況下讀取IARMS寄存器的數(shù)值，根據(jù)公式KIA=IARMS/Ib可得到電流通道A的轉(zhuǎn)換系數(shù)，按同樣的方法可得電壓通道的轉(zhuǎn)換系數(shù)KU。

三、結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化智能化電器的發(fā)展前景會(huì)越來越廣闊，越來越普及；智能化理念將將慢慢滲入并廣泛應(yīng)用到人們的生活當(dāng)中；此次插線板的智能節(jié)電設(shè)計(jì)是對(duì)智能電器領(lǐng)域的一次初步探索和簡(jiǎn)單嘗試；智能節(jié)電，節(jié)能減排也將是社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)。

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