作者 / 郭健鹏 胡明 我国矿业大学徐海学院（江苏 徐州 221008），段学敏 上海东软载波微电子有限公司（上海 200235）
“节能减排”出自于我国“十一五”规划大纲。这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的严重行动;是建造资源节约型、环境友好型社会的必定挑选;是推动经济结构调整，改变增加方法的必经之路;是保护中华民族长远利益的必定要求。而教育职业作为用电能耗的一只大军，采纳办法下降能耗是至关重要的[1]。树立操控体系运用于高校学校建造，通过关于工作场所和教育楼设备分类和共享能耗计量设备，及时收集电能数据，建立硬件和软件体系完结高耗能修建动力的在线监测、动态剖析和长途传输，并逐步推动高能耗修建的节能改造。
1 电能计量基本原理
在电能监测体系规划过程中，假如完结监测体系对用电电能的收集能够运用电能收集传感器完结，也能够通过电能计量芯片完结电能收集。
本文选用上海东软载波微电子有限公司出产的HG7221集成芯片作为电能收集首要芯片。其内部集成24位AD转化器，能够完结高精度电能参数丈量。其转化数据存入集成芯片URMS寄存器中，通过公式能够核算出电压为:
其间，k为电压通道分压比 k>1，Gu为电压通道增益，通过公式得到电压的有用值。
电流参数与电压参数丈量相似，也是通过24位AD转化器将电流参数转存成数字信号存储在寄存器IARMS和IBRMS中，其间，IARMS为A线电流寄存器数据，IBRMS为B线电流数据。通过公式能够核算出A线与B线电流的有用值为：
其间Gi为A线电流增益，B线电流核算同理。
A线的有功平均功率存储在一个32位数据寄存器中，从PA寄存器中读取。则核算方法为：
其间R为锰铜分流器的阻值，k为电压通道分压比 k>1，Gi、Gu别离为电流和电压的通道增益。
2 检测体系首要硬件组成
电能监测体系包含电能计量模块、STC15F2K60S2 主控芯片及外围电路、电源、蓝牙模块、迪文触摸屏、Labview 上位机长途终端、手机APP。
图1 体系规划结构框图
本体系首要包含以STC15F2K60S2为中心的主控板和以HG7221收集芯片为中心的电能计量板，两块电路板物理分隔，供电之间彼此阻隔，运用衔接插座相连。主控板首要由MCU处理器、电源、12864液晶显现、按键、LED灯、蓝牙等模块组成。电能计量部分包含计量芯片外围电路、RC电源、光耦阻隔电路等。
2.1HG7221电能计量电路规划
电能计量部分硬件包含阻容降压电路规划、计量电路规划、光耦阻隔通讯电路等。
电源供电首要阻容降压结构规划，运用收集电压通过阻容结构电路，然后通过半桥整流，最终通过5.1V稳压管，输出直流5V左右的电压为体系供电。规划电路如图所示。
图2 电源供电电路规划
HG7221电能计量电路规划是将前方衔接的电流采样通道接到芯片的IAP、IAN两个引脚上;零线所衔接的电流采样通道接到芯片的IBP、IBN脚两个引脚上;电压采样通道接到芯片的VP、VN两个引脚。把1、2脚规划作为HG7221芯片的通讯方法的挑选接口，为后期的通讯规划供给多种挑选，当引脚为高电平时，选用SPI方法，低电平则挑选为UART方法。在规划计量检测电路时，电阻选用的是高精度低温漂型，必定程度上有利于进步电路的计量精度，规划的2路电流通道和1路电压通道的差分输入信号都比较弱，这样很简单遭到搅扰，因而，在电路元器材的挑选上则大部分选用贴片型器材，这种器材孔少下降搅扰，在硬件电路布线上则使线路尽量确保最短。电路中的电容C1、C2、C3、C4、C5、C6均为滤波电容，通过检测电阻后再通过滤波电容，别的晶振两头的接地%&&&&&%C16、C22应与晶振相匹配构成晶振电路。电流、电压通道未敞开增益时差分信号规模为峰值±600 mV，其间A线电流采样运用了2毫欧的锰铜电阻，再通过额外最大电流(16 A)时两头的电压为 ，通过可编程增益扩大器(PGA)扩大 倍后， ，在确保精度的情况下也满意了规划要求。规划电路图如图所示。
图3 计量芯片电路
为进步本规划体系的可靠性、安全性以及整个体系的稳定性，有助于设备的保护，将主控板和电能计量板别离选用了不同的供电体系，因而计量芯片与主控板之间的通讯线路规划了光耦阻隔电路，包含CF脉冲端口、计量芯片中止/过零输出引脚、计量芯片复位引脚及SPI/UART通讯线路，完结数据信号的阻隔，起到很好的电绝缘和进步抗搅扰的才能，规划如图4所示。
图4 光耦阻隔电路
3.体系软件规划
软件规划分为主控芯片的软件规划和上位机的软件规划。主控板软件规划包含STC15F2K60S2单片机初始化规划、计量芯片数据通讯规划、12864液晶显现规划、串口通讯规划、SPI通讯规划以及迪文工业串口屏规划;上位机软件规划首要是运用G言语图形化言语进行串口通讯规划。体系规划主流程图如图5所示。
图5 体系主旅程图
本课题软件规划首先要进行体系初始化，初始化完结之后进行电能的计量收集，电能计量板将数据通过两路电流采样信号和一路电压采样信号收集读取到收集芯片地址的寄存器中，电压值被存放在寄存器URMS中，通过锰铜电阻的前方电流值被存放在寄存器IARMS中，通过电流互感器的零线电流值被存放在寄存器IBRMS中，其它量包含A线有功功率、A线视在功率、A线功率因数能够通过数据处理得到并别离存放在PA、SA、AFAC寄存器中。通过守时器完结数据的守时改写读取，实时显现电能计量数值。在通过SPI通讯方法读取前，需求对数据进行计量校验处理，并通过核算能够得到不同计量参数的有用值。
4 体系试验测验
将本体系应用于实践测验环境中在不同时间，不同地址设备与规范电能计量表进行比照测验试验，详细测验成果如表1所示。
表1 早晨7:00丈量数据表
表2.正午1:00丈量数据表
表3 晚上19：00丈量数据表
检测体系硬件顺畅通过规划、拼装、调试的流程后，便对咱们学校的宿舍楼、大型教育楼的照明用电以及试验室空调的用电进行分时间段测验。由表1~表3能够看出电压的平均差错在0.73%左右，电流的平均差错在0.23%左右，功率的平均差错在0.95%左右。
4 定论
规划完结根据电力线载波通讯的高校学校用电能耗监测体系，能够有用的丈量电能的运用情况，差错低，能够在高校学校电能检测上运用，也能够进行推行运用。
*通讯作者：郭健鹏，男(汉)，山西人，我国矿业大学徐海学院，试验师，首要从事电子电气信息类专业根底课程教育研讨工作，首要研讨方向为物联网与智能操控技能、电力载波与电网谐波管理技能、机器学习理论与算法研讨。
参考文献
[1] 国务院.国务院关于印发“十三五”节能减排归纳工作方案的告诉.2016
