一種新型防爆燈智能計量控制模塊的設計

沈帥言 ，王 玲 ，薛 雷

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

目前在防爆燈的使用領域中，照明和管理方面存在很嚴重的問題。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行遠程操控和檢測當前防爆燈的狀態。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注和研究的。本文從防爆燈的智能計量控制實現的基本原理和優勢入手，來闡明防爆燈智能計量控制模塊的設計和應用。

1 模塊的基本原理及優勢

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

在通信控制部分，智能計量控制模塊的控制系統由控制主站、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出，通過防爆燈管理終端發送給各個模塊。防爆燈管理終端中加入了寬帶載波的主模塊，是整個控制網絡的管理核心；它負責將系統內的寬帶載波從模塊進行組網管理、數據采集、指令下發等。而從模塊則安裝在智能計量控制模塊中，負責數據的轉發，將從主模塊接收到的數據傳給智能計量控制模塊的MCU進行處理[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通信，一個主模塊可以管理多個從模塊進行組網通信，而對于距離較遠的情況，從模塊之間可以自動路由中繼，完成接力通信，使得系統可以進行遠距離的通信控制。

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據，通過內部的智能計量算法以及自校正算法，可以準確的測量和計算各類電參量。

圖1 系統整體控制框圖

2 模塊整體設計方案

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、運行狀態指示單元、PWM調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轉化模塊，通過中央處理器內部的計量算法來計算出各類電參量。而載波通信單元和485通信單元負責將計量控制模塊內部數據傳給主站系統，同時主站系統通過通信線路來控制模塊以及對模塊進行遠程程序升級。運行狀態指示單元由2個LED燈組成，當系統正常運行時，LED1等處于每秒閃爍狀態。當系統處于通信狀態時，LED2處于閃爍狀態，我們根據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指示的重要工具。PWM調光單元是由中央處理器通過由主站系統收到的命令來進行控制。而電源模塊則是中央處理器的供電來源。模塊系統框架如圖2所示。

圖2 模塊系統框架

3 系統的硬件設計

3.1 采樣電路的設計

本文設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相當于一個可調電阻R，其阻值選取的依據是使采樣電壓值在控制芯片可以計算的采樣范圍內，同時不會使電流過大時電阻燒毀。然后R和R28串聯分壓，在經過由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控制電路的設計

PWM控制電路是為了主站系統能夠實時控制防爆燈的亮度，用來節約電能。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發來的信息來控制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。轉化得到的HVCC在通過U100降壓芯片進行DC—DC轉化后得到MCU需要的直流供電電壓DVCC（5 V）。

降壓芯片電壓轉換公式為：

其中（芯片FB引腳是分壓反饋端，芯片手冊設定為0.8 V）

本文模塊電源部分存在保護電路，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作用而設計。

RV1的作用是：是當有瞬時高壓（雷擊的因素所產生的）施加到電源輸入兩端時，壓敏電阻RV1阻值將會發生變化，其阻值將會變的很小，此時高電壓將會從RV1流出而不會進入模塊內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到一定值時而發生變化，其阻值將會增加。因在電路設計中，熱敏電阻RT1和變壓器T1是串聯的，當輸入電壓增加時，電路中電流也將會隨著增加，當電流達到一定值時，RT1阻值也會發生變化從而增加，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形成一道保護措施。

圖6 模塊電源電路原理圖

3.4 RS-485通信電路設計

RS485通信是現在工業控制、電力通信、智能儀表領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，負責給載波模塊供電。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 系統的軟件設計

智能計量控制模塊在軟件在上節硬件設計為基礎，模塊使用C語言模塊化編程思想開發[16-17]。主要功能模塊由主控模塊、通信模塊、計量模塊、數據處理模塊組成。程序中應用計量控制算法，通信協議處理、以及遠程升級處理。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 測量誤差數據

本文將5臺計量控制模塊在標準源上進行有功基本誤差測試，標準源給模塊施加220 V電壓以及不同大小的電流進行測試，其試驗數據如圖10所示。

圖10 模塊有功基本誤差實驗數據

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

6 結束語

文中所設計的防爆燈智能計量控制模塊達到預期設計目標，現能初步應用于礦山防爆燈的計量以及控制當中。除了礦山防爆燈外，也可使用與路燈控制系統以及各種設備用電量計量當中，具有良好的實用價值。

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