一种新型防爆灯智能计量控制模块的设计

沈帅言 ，王 玲 ，薛 雷

（1.湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南长沙410006；2.珠海中慧微电子股份有限公司方案研发部，湖南长沙410013）

目前在防爆灯的使用领域中，照明和管理方面存在很严重的问题。在照明方面，防爆灯功耗高，照明亮度极大，在夜晚无人时防爆灯作为照明使用时，亮度全开对电量消耗极大，造成了一定的资源浪费。在管理方面，目前使用的防爆灯无法进行远程操控和检测当前防爆灯的状态。在此方面需要消耗大量的人力去检测，这是对人力资源的一种浪费。所以，防爆灯的智能控制是值得关注和研究的。本文从防爆灯的智能计量控制实现的基本原理和优势入手，来阐明防爆灯智能计量控制模块的设计和应用。

1 模块的基本原理及优势

智能计量控制模块运用了先进的宽带电力载波通信技术[1-2]、自动控制技术、传感器技术、计量技术。它能够有效的控制防爆灯的亮灭[3-4]，实时监控防爆灯当前环境的温度[5-6]、电压等数据。便于了解防爆灯当前运行状态是否正常，在提高防爆灯运行效率的同时也节约了电量的使用，为实现智能电网搭建[7-8]、能源节约和创造节约性社会打下基础。

在通信控制部分，智能计量控制模块的控制系统由控制主站、防爆灯管理终端和智能计量控制模块组成，其控制控制图如图1所示。控制主站就是上位机，各种控制命令都是由上位机发出，通过防爆灯管理终端发送给各个模块。防爆灯管理终端中加入了宽带载波的主模块，是整个控制网络的管理核心；它负责将系统内的宽带载波从模块进行组网管理、数据采集、指令下发等。而从模块则安装在智能计量控制模块中，负责数据的转发，将从主模块接收到的数据传给智能计量控制模块的MCU进行处理[9-12]。宽带载波主模块和宽带载波从模块通过电力载波组网通信，一个主模块可以管理多个从模块进行组网通信，而对于距离较远的情况，从模块之间可以自动路由中继，完成接力通信，使得系统可以进行远距离的通信控制。

而在计量部分，本计量控制模块使用的是飞思卡尔生产的MKM34Z128为主控芯片，计量控制模块通过MCU的24位高精度模拟前端采集数据，通过内部的智能计量算法以及自校正算法，可以准确的测量和计算各类电参量。

图1 系统整体控制框图

2 模块整体设计方案

防爆灯计量控制模块由以下7个模块单元组成：中央处理器单元、采样单元、载波通信单元、RS-485通信单元、运行状态指示单元、PWM调光单元以及电源模块。计量控制模块通过采样单元的采样电路将采集到的电压、电流信号传入中央处理器的高精度A/D转化模块，通过中央处理器内部的计量算法来计算出各类电参量。而载波通信单元和485通信单元负责将计量控制模块内部数据传给主站系统，同时主站系统通过通信线路来控制模块以及对模块进行远程程序升级。运行状态指示单元由2个LED灯组成，当系统正常运行时，LED1等处于每秒闪烁状态。当系统处于通信状态时，LED2处于闪烁状态，我们根据LED灯的运行情况可以初步判断计量控制模块是否运行正常。同时，LED1和LED2也是对自校表模式状态指示的重要工具。PWM调光单元是由中央处理器通过由主站系统收到的命令来进行控制。而电源模块则是中央处理器的供电来源。模块系统框架如图2所示。

图2 模块系统框架

3 系统的硬件设计

3.1 采样电路的设计

本文设计的智能计量控制模块具有一

路电压采样电路以及一路电流采样电路，电压采样电路采用的是电阻分压式采样其原理图如图3所示。

图3 电压采样电路原理图

在图3中，R21～R26相当于一个可调电阻R，其阻值选取的依据是使采样电压值在控制芯片可以计算的采样范围内，同时不会使电流过大时电阻烧毁。然后R和R28串联分压，在经过由R27、C212和R29、C213组成的滤波电路将信号送入主控芯片的高精度A/D采样端口。

智能计量控制模块的电流采样电路采用的是锰铜片接入方式采样[14]。其电流采样电路如图4所示。

图4 电流采样电路原理图

在电流采样电路中R61为锰铜电阻，其阻值极小，只有3 mΩ，经过线路的电流几乎全部流过锰铜片，即分流。而此时锰铜片两端的电压便是采样得到的信号，通过此信号便可得出流入电路的电流值。

3.2 PWM控制电路的设计

PWM控制电路是为了主站系统能够实时控制防爆灯的亮度，用来节约电能。PWM控制电路原理图如图5所示。

图5 PWM控制电路原理图

上图中PWM引脚是连接到主控芯片引脚，主控芯片通过主站系统发来的信息来控制PWM引脚的占空比。

3.3 电源电路

文中模块所用电源方案为变压器降压，将220 V，50 Hz的市电转化成直流电压，电源电路原理图如图6所示。

220 V的交流电通过L端（火线）和N端（零线）输入，通过线性降压变压器和单相桥式整流器后得到直流电压HVCC，在这里HVCC大约为23 V左右。转化得到的HVCC在通过U100降压芯片进行DC—DC转化后得到MCU需要的直流供电电压DVCC（5 V）。

降压芯片电压转换公式为：

其中（芯片FB引脚是分压反馈端，芯片手册设定为0.8 V）

本文模块电源部分存在保护电路，在交流电输入端添加的压敏电阻RV1和热敏电阻RT1是对模块电路起保护作用而设计。

RV1的作用是：是当有瞬时高压（雷击的因素所产生的）施加到电源输入两端时，压敏电阻RV1阻值将会发生变化，其阻值将会变的很小，此时高电压将会从RV1流出而不会进入模块内部从而对模块造成损坏。

RT1的作用是：本文中RT1电阻的阻值会随着电流达到一定值时而发生变化，其阻值将会增加。因在电路设计中，热敏电阻RT1和变压器T1是串联的，当输入电压增加时，电路中电流也将会随着增加，当电流达到一定值时，RT1阻值也会发生变化从而增加，此时的作用是用来降低电路中增加的电流。这样便可以对变压器T1形成一道保护措施。

图6 模块电源电路原理图

3.4 RS-485通信电路设计

RS485通信是现在工业控制、电力通信、智能仪表领域使用最广泛的通信方式之一，其电路原理图如图7所示。

3.5 载波通信电路设计

载波通信电路原理图如图8所示。

在上图中可以看出，ZB1中的1，2引脚是12V电压和GND，负责给载波模块供电。3，4引脚一起接到地。第7引脚的ZBTXD是输出端，第6引脚的ZBRXD是输入端，第10引脚的ZB-RST是载波的复位端，第12引脚的EVENOUT是异常事件快速上报端口。而在ZB2中的AGND和ZERO分别是接强电接口，分别接上火线和零线。

4 系统的软件设计

智能计量控制模块在软件在上节硬件设计为基础，模块使用C语言模块化编程思想开发[16-17]。主要功能模块由主控模块、通信模块、计量模块、数据处理模块组成。程序中应用计量控制算法，通信协议处理、以及远程升级处理。其程序主流程如图9所示。

图7 RS-485通信电路原理图

图8 载波通信电路原理图

图9 主程序流程图

5 测量误差数据

本文将5台计量控制模块在标准源上进行有功基本误差测试，标准源给模块施加220 V电压以及不同大小的电流进行测试，其试验数据如图10所示。

图10 模块有功基本误差实验数据

其中，Ib为2 A电流，Imax为10 A电流。由图10中数据可以得到智能计量控制模块测量电能误差在0.1%之内。

6 结束语

文中所设计的防爆灯智能计量控制模块达到预期设计目标，现能初步应用于矿山防爆灯的计量以及控制当中。除了矿山防爆灯外，也可使用与路灯控制系统以及各种设备用电量计量当中，具有良好的实用价值。

[1]李忠，汪燕，邓磊.宽带载波通信在中压配电网的应用[J].企业技术开发，2014，33（29）：49-50.

[2]妙红英，高寅，王松，等.宽带电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用[J].华北电力技术，2015：16-19.

[3]赵翔.照明用LED的PWM调光电路设计[J].光学与光电技术，2016，14（3）：82-85.

[4]任志山，王祝华.PWM调光LED路灯驱动电源的设计[J].电气应用，2016，35（17）：20-23.

[5]范寒柏，谢汉华.基于NTC热敏电阻的三种高精度测温系统研究[J].传感技术学报，2010，23（11）：1576-1579.

[6]邓雷.NTC热敏电阻在精确测温系统中的应用[J].数字技术与应用，2013：100-101.

[7]雷莉.浅谈智能计量系统在智能电网建设中功能和应用[J].科技风，2013，2：81-82.

[8]李永会.论智能计量系统在智能电网建设中的功能和应用[J].中国高新技术企业，2013（19）：129-130.

[9]胡圣尧，关静，杨子立，等.基于嵌入式的电量计量采集系统研究[J].现代电子技术，2016，39（22）：164-166.

[10]李超，姚冰莹，聂军.一种智能路灯照明控制系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2016，29（12）：55-58.

[11]国建岭.基于GPRS的智能路灯控制设备的设计[J].中国照明电器，2014，（2）：32-35.

[12]张三.基于GPRS的城市LED路灯监控系统设计[J].电子技术与软件工程，2015：2.

[13]张龙泉.基于R7F0C004的单相本地费控智能电能表的设计与实现[D].长沙：湖南大学，2016.

[14]郭清营，王晓东，崔星毅，等.新型电子式电能表用锰铜分流器的设计方法[J].电测与仪表，2014，51（3）：20-23.

[15]Joseph Yiu.ARM Cortex-M0权威指南[M].北京：清华大学出版社，2013.

[16]Zhai Feng，Liang Xiao-bing，Xu Bin.Reliability evaluation technology research for smart meters software[J].IEEE，2016.

[17]高旭彬.基于MSP430单片机的Modbus协议软件设计方法[J].工矿自动化，2013，39（4）：88-89.