基于TMS320F2812的校园节能控制系统.pdf

第 5 1卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I n s t r u m e nt a t i o n Vo 1 51 NO 4 Fe b 2 5 2 01 4 基于T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 的校园节能控制系统术 冯涛， 高蒙 ( 石家庄铁道大学 电气3 -_ 程学院 ， 石家庄 0 5 0 0 4 3 ) 摘要 ： 设计了基于T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 的校园节能平台管理控制系统 。系统为三级微机控制 ， 自动完成用电信息的采 集、 计算、 显示， 数据通过网络上传至总控计算机。 系统管理人员经总控机可完成控制命令下发、 信息查询、 远程 控制 、 集中分散式管理。 教室照明控制系统实现人来灯亮 、 人走灯灭的功能。 经过现场运行 ， 系统安全稳定 ， 很好 地满足了高校对校园教学及办公区供电管理的要求， 具有很好的应用价值。 关键词 ： 智能供 电； 数据采集 ； 远程控制； 校园节能 中图分类号 ： T M 5 7 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 8 6 0 6 Ca m p us Ene r g y S a V i n g Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n TM S3 2 0 F2 8 1 2 FENG Ta o，GAO Me n g ( C o l l e g e o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， S h i j i a z h u a n g T i e d a o U n i v e r s i t y ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 4 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：A c a mp u s e n e r g y ma n a g e me n t c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 i s d e s i g n e d T h i s s y s t e m a d o p t s t h r e e l e v e l mi c r o c o mp u t e r c o n t r o l s y s t e m， whi c h c a n a u t o ma t i c a l l y c o mp l e t e e l e c t r i c a l i n f o r ma t i o n c o l l e c t i o n ， c a l c u l a t i o n ，d i s p l a y a n d d a t a u p l o a d i n g t o t h e c e n t r a l i z e d c o n t r o l c o mp u t e r t h r o u g h t h e n e t wo r k B y t h e c e n t r a l i z e d c o n t r o l c o mp u t e r ，a d mi ni s t r a t o r s c a n c o mp l e t e i s s u i ng c o n t r o l c o mma n d s ，i n f o r ma t i o n i n q ui r y ，r e mo t e c o n t r o l a n d c e n t r a l i z e d d i s t r i b u t e d ma n a g e me n t Cl a s s r o o m l i g h t i n g c o n t r o l s y s t e m c a n r e a l i z e t u r n i n g o n a n d o ff t h e l a mp s whe n pe o p l e c o me o r l e a v e Onf i e l d o pe r a t i o n s h o ws t ha t t he s ys t e m i s s e c u r e a n d s t a b l e ，t h e r e f o r e c a n we l l s a t i s f y t h e r e q u i r e me n t o f c o l l e g e p o we r s u p p l y ma n a g e me n t f o r c a mp us t e a c h i n g a n d o f f i c e a r e a s ，a n d h a s g o o d a p pl i c a t i o n v a l u e Ke y wor d s： i nt e l l i g e n t p o we r s up p l y ，d a t a c o l l e c t i o n ，r e mo t e c o n t r o l ，c a mp u s e n e r g y s a v i ng 0引 言 长期 以来 ， 我国高校对校园教学区和办公区采取 免费供电的方式， 这样的供电方式不仅不利于管理而 且造成了很大 的电能浪费 ， 已经不能满足现代管理的 要求 。 随着科学技术的不断进步和管理水平的不断提 高 ， 需要一种更加先进的供电管理系统 ， 以满足高校 对用电管理自动化、 现代化、 智能化的发展要求。 为了 满足高校对校园教学 区及办公 区供电管理系统的各 种要求 ，本文设计 了一种基于D S P 芯片T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 的校园教学及办公区节能平台管理控制系统。 本系统 为三级微机控制系统，可以自动完成用电信息的采 集 、 计算 、 显示， 数据通过网络上传给总控计算机。通 过总控计算机管理人员可以完成控制命令下发、 信息 基金项目： 财政部 2 0 1 0 年国家机关办公建筑节能建设资助项日 ( 财建 2 0 1 0 1 5 2 0号 ) 一 8 6一 查询 、 远程控制 、 集中分散式管理等。 同时针对教室用 电情况，设计的教室照明控制系统实现了人来灯亮 、 人走灯灭的控制功能， 很好地满足了高校对校园教学 及办公区供电管理的要求 。 1 节能控制系统的总体结构的设计 本系统主要由总控计算机、 网关 、 计量控制一体 柜组成 ， 其中教学区还包括教室灯控系统。系统结构 图如图1 所示 。 ( 1 ) 计量控制一体柜。为了便于对负载的分类管 理，计量控制一体柜分为插座照明柜和空调动力柜。 本柜包括两个部分 ： 一个是配电部分 ， 主要通过空气 开关实现对整个楼宇用电设备电能的供应和对用电 设备的继电保护 ； 另一部分为计量控制部分 ， 主要实 现如下功能： 采集用户用电信息， 完成即时的电能指 标的计量 、 存储 、 上传与显示 ； 实时接收上位机发送的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1 卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测 与仪表 El e c t 1 5 c a l n e a s ur e m e n t& I n s t r u m e nt a t i o n VO 1 5 1 No 4 Fe b2 5 ， 2 0 1 4 显示屏 关 办公区 尸 教学区用户 图1 系统 结构 图 F i g 1 S y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m 控制命令， 完成相应的操作 ， 实现统一管理； 每个计量 控制柜 内都有一个以D S P 芯片T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 为主处理 器的集成电路板， 完成与上位机的通信并能实现对继 电器的控制 ； 当系统出现问题时， 可以闭合控制柜内 的强合开关 ， 以保证紧急情况下电能的正常供给 ； ( 2 ) 网关。网关主要负责计量控制一体柜和总控 计算机之间的通信。 计量控制一体柜采集计算的数据 通过C A N 总线上传给网关， 由网关打包后发送到校园 局域 网上 ， 之后 由总控计算机接收 ； 总控计算机下发 的命令通过校园局域网传给网关 ， 数据经过网关解包 后 ， 通过C A N 总线下传给计量控制一体柜； ( 3 ) 总控计算机。总控计算机上装有校 园节能平 台管理系统， 管理人员通过对管理软件的操作， 实现 对用户用电信息的查询、 存储和打印， 实现对用户的 统一管理； ( 4 ) 教室灯控系统 。通过对教室光照强度的感应 和人体红外感应 ， 实现教室照明的智能控制。 2 主板及网关硬件设计总方案 2 1 主控板硬件设计方案 计量控制一体柜内主控板的硬件电路( 图2 ) 主要 包括电源电路、 电信号采集电路、 继电器控制电路、 教 室照 明控制 电路 、 C A N总线通信电路 、 L C D 显示 电路 、 程序下载与仿真电路。 采集点的电压、 电流、 功率等电 信号的数值和时钟信息， 通过C A N 口上传给总控计算 机， 同时将数值显示在显示屏上； 总控计算机下传的 控制命令通过C A N口传给D S P 处理器 ， D S P 芯片发 出 相应的控制信号 ， 以控制对应继 电器 的通断。安装在 教室 内的灯控系统主要 由照度控制器 、 红外感应器和 开关控制器组成。 照度控制器在检测到教室的光强低 于某一值时向开关控制器发送开灯信号， 相反发送关 灯信号。 红外感应器在检测到教室有人活动时向开关 控制器发送开灯信号，延时一段时间后开灯信号消 失。 当开关控制器接收到照度控制器和红外感应器发 I J T A G l I 隔禹 C A N F 一 下=二一 弄 墼 ： 夼 慧H蓍 1 0 L 电 压传感器I L C D I 电 流传感器l 图2 主板硬 件 系统 结构 图 Fi g 2 S y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m o f t he ma i n b o a r d ha r d wa r e 送 的开灯信号时 ， 开关控制器才向D S P 芯片发送开灯 信号， 对应教室开灯。 2 2 网关硬件设计方案 网关的整体结构可 以分为 四部分 ： C A N 模块 、 以 太 网模块 、 存储模块和处理器。C A N 模块负责与C A N 总线之间的通信 ， C AN总线上发来 的消息经过 C A N 驱动器后直接存储在 D S P 中， 同时通知 D S P ：行相应 处理。D s P 将有用数据提取出来并经过T C P I P 层层打 包 ， 最后交由以太 网模块进行发送。 反过来 ， 以太 网数 据进入以太 网模块后首先存在以太 网控制器 内的缓 存 中， 同时通知D S P 将这些数据读取 ， D S P 需要将这些 以太网数据包进行解包， 提取有用数据， 最后转换成 C A N 总线帧格式， 交由C A N 模块发送， 存储模块用于 历史传输数据的存储。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为3 _ 3 V 供电， R T L 8 0 1 9 AS 为5 V供 电， 两者的I O口电平不 同 ， 之 间 需要有电平转换器件。网关总体结构如图3 所示 。 图3 网关硬 件 结 构 图 Fi g- 3 Ga t e wa y h a r d wa r e s t r u c t ur e di a g r a m 3 主板关键硬件模块设计 3 1 测量 电路 模块 设计 电压测量 电路如图4 所示 ，电压互感器原副边的 线圈匝数比为 1 ： 1 。假设进线端 电压为2 2 0 V时 ， 副边 电流为4 m A， 则此时A D c I N B 0 端电压为1 V。电流测 量 电路如图5 所示 。A 0 为穿过电流互感 器的原边 电 流 ，最 大为2 0 A，电流互感 器 的变 比为2 0 0 0 ： 1 ， 则 A D C I N A 0 端电压范围为0 5 2 5 V。 一 8 7一 嘤 一 崔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1 卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r um e n t a t i o n VO 1 51 NO 4 Fe b 2 5 2 01 4 A0 i n VDDl o VAS V A O c 3 1 V G 而A 图4电压检 测 电路 F i g 4 Vo l t a g e d e t e c t i o n c i r c u i t VDDI O MKAO I L A O R A 0 l l = = O O lO 2 I 1 5 V D l l N41 48 D2 I N41 48 GNDA 图5电流检 测 电路 F i g 5 C u r r e n t d e t e c t i o n c i r c u i t 3 - 2 控 制 电路 控制电路如图6 所示 ， 主要用到两个芯片 ， 光耦芯 片T L P 5 2 1 1 和达林顿芯片U L N 2 8 0 4 。当D S P 预控制某 一 路导通时 ， 会给该路对应的芯片引脚( 如P wM3 B O ) 置低 电平 ， 这时光耦导通 ， 进而达林顿管 内的三极管 导通 ， 继电器线圈得 电， 常开触电吸和 ， 负载得电 ， 发 光二极管L A1 点亮。 相反 ， 负载断电。 当主控电路发生 问题或 出现特殊情况时 ， 可以接通强合开关 ， 将 F C 强 行接地 ， 所有继电器瞬时都会闭合 。 此时， 可 以摆脱主 控制电路板的控制 ， 直接供电 ， 可 以保证用户不断 电 的情况下进行 系统维护 、 硬件检修 。 3 3 锁相 环 电路 本文采用锁相倍频技术实现负载功率的精确测 量。 原则上各用电房间为标准5 0 Hz 单相电输入， 然而 由于实际交流电源的频率不稳，为提高计量精度， 必 须考虑采样与电源的同步问题， 采用锁相倍技术结合 1 6 位A D 转换器将 负载 电压和电流的模拟量离散化， 电路如图7 所示。 该电路可以完成严格的整周期采样， 设 电路锁相倍频系数为，由于采样脉冲与电源频率 严格锁定， 该电路在一个电源周期内可以同步采样 点电压电流值，这样， 计算机可以利用离散积分求和 式 ( 1 ) 精确计算出负载功率 ： 一 8 8一 十 P 图6 控 制 电路 Fi g 6 Cu r r e n t d e t e c t i o n c i r c ui t ADCr NB0 图7锁 相环 电路 Fi g 7 T he p h a s e l o c k e d l o o p c i r c ui t r = v k i ( 1 ) V 式中 为电源周期内的采样点数； ， i k 为电压电流的 瞬时采样值； C 为常数。 图7 锁相环 电路 中， C D 4 0 4 0 为常用C MO S 数字 1 2 级2 分频芯片， C D 4 0 4 6 为专用锁相芯片 ，内部集成了 鉴相器和环路滤波器 。由R 3 4 和C 3 4 形成了简单的环 路滤波器 ， 经C D 4 0 4 0 的7 脚输 出 ， 形成 了N= 2 = 1 2 8 分 频器。 把经电压互感器形成的电压信号AD C I N B 0 经电 压跟随器和耦合电容形成5 0 Hz 的原始方波信号输入 到锁相芯片A I N端 ，经过分频器1 2 8 分频后 的信号输 入到锁相芯片B I N 端， 当输入电压V C I N 等于V C C 2 ， 通 过调节电位器R P 1 ， 输出频率为6 4 0 0 H z ， 这时整个电 路处于稳定的工作状态。 3 4 C A N总线通信 电路 r 1 1 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 的e C A N 控制器一 为C P U 提供了完 整的C A N 2 0 B 协议， 减少了通信时C P U 的开销。 为了使 得T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 的e C A N 模块 的电平符合高速C A N 总 线的电平特性 ， 在e C A N 模块和C A N 总线之间需要增加 电平转换芯片， 此处选择S N 6 5 H V D 2 3 2 。出于安全的考 r 虑， 加设了光耦隔离电路 ， 具体电路如图8 所示。 4 教室灯控系统设计 教室灯控系统由三个部分组成 ， 分别为照度控制 器、 红外感应器和开关控制器。照度控制器的作用是 检测教室内的照度 ， 当照度低于某一值时， 照度控制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n V0 1 5 1 No 4 Fe b 2 5 2 0 1 4 图8 C AN 总 线通信 电路 F i g 8 T h e C AN b u s c o mmu n i c a t i o n c i r c u i t 器向开关控制器发送开灯信号。 红外感应器的作用是 感应教室内是否有人存在， 若检测到有人存在则向开 关控制器发送开灯信号。 只有在两个开灯信号都有效 时， 开关控制器才向D S P 芯片发送开灯信号， 相应教 室开灯 ， 实现 了教室照明的 自动控制。 4 1 照度 控 制 器设计 照度控制器 内部含有光敏 电阻 ， 用于感知光照强 度的高低 ， 通过差分放大电路完成控制。光照强度检 测电路如图9 所示。当外界光强下降时， 电阻R S L i g h t 的阻值增大 ， 运放反 向输入端 电平值缩小 ， 输出端 电 V l 上WI u 曲 n 7 K lIIl o o K Y 4 7 D l 2 R7 J一 47 K R5 R6 4 7 K 平升高， N P N 三极管导通， 三极管吸合， 继电器线圈得 电 ， 常开触点吸合。 4 2 红外感应器设计 当有人进入到红外感应器 的感应范围时 ， 红外感 应探头会发出电信号， 经过放大器的放大， 驱动继电器 接通；当人离开红外感应器的探测范围时，继电器关 闭。 这就实现了人到发出开灯信号， 人走开灯信号消失 r - 7 口 的效果， 体现出很高的人性化和智能化 。考虑到红 外感应器存在的缺点：只有感应到动态的信号才会发 出信号， 如果一个人长时间静止， 即使在红外感应器的 感应范围内也是没有信号发出的。为了避免这一缺点 引起的教室照明线路对应继 电器的误动作 ，需要对红 r 0 1 n 外感应器发出的信号进行一定时间的延时一 。 红外感应器具体的电路图设计如图1 O 所示。 图中 电源V C C 的电压值为9 V。 当热释电元件P I R 感应到红 外信号时， 会产生很微弱的信号， 这个信号不能直接 作为输出信号， 需要经过几级的放大。I c l A 是一级信 号放大器 ， 放大倍数大约在 1 0 0 倍 ， R 6 、 C 5 起到带通滤 波 的作用 ， 通频带为0 2 1 0 Hz 。I C 1 B 在静态时5 、 6 、 7 脚的电压均为4 5 V，当有信号输入时 ， 6 脚会产生一 个在4 5 V 附近上下摆动的电压值 ，之后信号经过 I C 1 B 放大器进一步放大 ，输入到后面 的门限比较电 路。该信号无论是上偏还是下偏 ， 在超过门限值后都 会输出一个高电平， 驱动三极管的导通， 使继电器吸 合。 通过调节滑动变阻器R P 1 和R P 2 的阻值， 可以调节 检测 的灵敏度。 5 系统的软件设计 根据系统总体 的设计方案 ， 软件的设计分为三部 分： 上位机管理软件的设计 、 计量控制一体柜内主控 图9 照度控制器硬件电路 板的程序设计和网关的程序设计。 上位机管理软件是 R5 R8 RPl ， 。 一 ) 厂 C 5 I IJ 8 i D I -j： R 2 c 3II r-1卜 r 56K 4 710 P II ， 1 l 4l lII l 5 8 8 7 一 - 卜 一 11 0 0 F l 0 0 3 J f R 一 。 l o K I = =C2 l O ： -c 7 0 I h GN ： C4 = 图l 0 红外感应器硬件电路 F i g 1 0 I n f r a r e d s e n s o r h a r d wa r e c i r c u i t 一 8 9一 州 勉 一 一 州 i 州 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1 卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e n t a t i o n V0 I 5 1 NO 4 Fe b 2 52 01 4 以V i s u a l S t u d i o 2 0 1 0 软件为开发平台 ，通过c 语言完 成图形化程序编写 。 主控板的程序设计和网关的程序 设计都是采用模块化编程思想进行设计 ， 采用D S P 软 件C C S 3 3 开发软件编译完成。 这里重点给出计量控制一体柜内主控板程序设 计方案 。 根据模块化程序设计的思想 ， 本部分软件 的总体 框图设计如图1 l 所示。 整个主控板的程序中包括采样 计算程序模块 、 日 历时钟程序模块 、 数据通信程序模 块 、 数据存储程序模块 、 继 电器控制程序模块和液晶 屏显示程序模块 。 主控板 的主程序流程图如图 1 2 所示。系统上 电 后 ， 首先进行系统初始化 ( 包括D S P 各功能模块 的初 图1 1 软件 功能模 块 F i g 1 1 T h e s o ft wa r e f u n c t i o n mo d u l e lL 系 统 仞 始 化 l l 继电器闭合 l r 碘取l 1寸 问值和内存中继电器 的状 态 i l I 继电器 1 检 ( 断， F 闭合 一 次) l L 一 【 继电器恢复断电Ij i 的状态 i t j存储继f 乜 器状态 l 一 I 关闭半| =i 通信中断，开启A D中断 f 。 一一 一 信 采集、 数据计算 I 1 仃储 累 r 电疑 1r 关I ADq 断 ，开启串 口通信 J 断 二 N l 执 行 相应 操 作 ， 液 品显示 90一 图l 2 主程序流程 图 F i g 1 2 Ma i n p r o g r a m fl o w c h a r t 始化和程序中各变量赋初值 )然后闭合所有的继电 器， 从时钟芯片中读取当前的时间值和内存单元中保 存的各继电器在上次系统断电时的状态 ， 接着所有的 继电器依次断开并闭合以检查继电器是否能正常工 作 ， 然后根据 内存单元对继电器状态的记录恢复继 电 器断电前 的状态。然后系统运行进入一个循环程序 中，首先存储各继电器当前的状态到内存单元中， 然 后关闭串口通信中断并开启A D 采样中断，待数据采 集并计算完成并将计算得出的累计电量存储到内存 单元 中之后 ， 关 闭AD 采样 中断并开启串 口通信 中断 ， 若 串 口接收到数据 ， 则执行相应的操作 ， 然后输出数 据到液晶屏， 若串口没有接收到数据 ， 则直接输出数 据到液晶屏 。至此循环程序运行结束 ， 重新 回到循环 程序的起点继续循环运行 。 6 结束语 本文结合当代远程自动抄表技术， 结合电能管理 的现状 ， 以住建部校园节能平 台为背景 ， 针对现在高 校教学 区和办公区用 电的实际情况 ， 设计了以D S P , c , 片T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 为核心的智能供 电系统。 设计 了计量 一 体柜及网关硬件设计方案及计量柜主板核心硬件 模块具体 电路 ， 并给出了主控程序流程 。整个系统采 用 了当前最新的计算机技术 、 网络通信技术 、 测控技 术 以及先进的负荷识别算法 ， 其智能化程度 ， 集中管 理模式 ， 管理方式 的便捷性人性化程度 ， 都具备非 常 高的水平 ， 在全国范围仍属首例。 经近一年多的运行 ， 系统运行 良好 ，并获得 了很好的节能效益， 值得在全 国范围内推广应用。 参 考 文 献 1 1 Ma t h e ws E H ， A r n d t D ， Ge y s e r M F R e d u c i n g t h e e n e r g y c o n s u m p t i o n of a c o n f e r e n c e c e l l r e a c a s e s t u d y u s i n g s oft w a r e J 1 l E n e r g y a n d B u i l d i n g ， 2 0 0 2 ， 3 7 (4 ) ： 4 3 7 4 4 4 2 陈翊 节约型校园建设与评价的研究 f 海： 同济大学， 2 0 0 8 CHEN Xi a n g St u d y O il Co n s t ruc t i o n a n d Ev a l u a l i o n o f Ec o n o mi c a l C a m p u s D S h a n g h a i ： T o n i U n i v e r s i t y ， 2 0 0 8 f 3 J 李渊 基于D S P 的C A N 总线技术研究 D 1 武汉： 华 中科技大学 ， 2 0 0 7 I I Y u a n R e s e a r c h o n C AN B u s T e c h m, l o g y B a s e d( i n D S P 1 ) Wu h a n ： Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e Te c h n o l o g y 2 0 0 7 4 J 吴勇， 秦娟英 基于D S P 的C A N 总线通信系统l J J l 控制汁算机， 2 0 0 2 ， ( 3 ) ： 1 9 2 1 WU Yo n g ， Q I N J u a n - y i n g T h e C AN B u s C o mm u n i c a t i o n S y s t e m B a s e d o n DS P J 1 1 n d u s t r i a l C o n l ml C o mp u t e r ， 2 0 0 2 ， ( 3 ) ： l 9 2 1 5 J 程瑛颖， 侯兴哲， 肖冀 一种关 口电能讣量装置状态管碑 系统 的设 计 与实现l J 1 电测与仪表， 2 0 1 3 ， 5 0 ( 8 ) ： 8 7 9 2 CHENG Yi n g - y i n g ，- I Ot J Xi n g - z h e ， XI AO J i De s i g n a n d Re a l i z a t i o n I C o n d i t i o n Ma n a g e me n t S y s t e m o f Ga t e wa y El e c t r i c a l En e r gy Me t mi n g D e v i c e 【 J Ele c t r i c a l M e a s u r e me n l l n s l r u n l e n t a l i o n ， 2 0 1 3 ， 5 0 ( 8 ) ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m