学文网智能开关篇1
【关键词】 智能组件 组合电器HGIS IEC61850 ***监测
1 概述
近几年智能化变电站试点工作的不断推进，基于智能化、网络化二次设备的综合自动化变电站越来越多，这大大提高了电网建设的现代化水平，增强了输配电网和电网调度的灵活性和可靠性。但由于各种原因，一次设备的智能化却相对滞后，因此，智能开关智能组件及其相关应用研究，大大提升了变电站建设整体的智能化水平。
2 研究内容
整合性智能开关是指利用传感器、微型处理器、数字通信系统等技术，对组合电器开关运行状况进行实时监测、控制，并通过高级应用软件把获取的数据进行分析、挖掘，实现高压开关的测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化。整合性智能开关的应用，使人们由以往关注设备可靠性转变为关注电网可靠性，大大提高了电网运行的智能化水平，降低运行管理成本。同时，还可以实现设备的寿命预测，从电网的大视角进行设备周期成本管理。
整合型智能开关智能组件及标准化接口研究，简化变电站系统架构，减少站内的电缆连接，规范设备间的功能接口，进一步提升工厂预制型变电站各模块的***性及功能扩展的便利性。
研究内容：
（1）采用数字输出的电子式互感器、配智能终端的高压组合电器智能开关。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息。
（2）基于IEC61850标准，二次设备间用通信网络交换模拟量、开关量和控制命令等信息，取消控制电缆。
（3）智能化组件中包括设备健康状态监测和程序化控制系统等自动化系统，提升自动化水平，减少运行维护的难度和工作量。
（4）智能化组件的各信息相对整合，在模块中构建层次化的结构体系，实现模块中各资源的高度集成和共享。
3 智能组件技术方案
3.1 智能组件
智能组件主要由若干IED集合组成，承担与宿主设备相关的测量、控制和监测等基本功能。在满足相关标准要求时，还可承担计量、保护等功能。如***1所示，智能组件主要功能：
而智能组件主要采用高性能嵌入式CPU、FPGA等技术，将通讯、采集和计算等功能硬件化，从而确保了装置具有足够的数据处理能力，并且更加稳定可靠。
4 智能组件技术特征（如***2）
4.1 智能组件原理
电子式电流互感器采用的是：罗斯线圈原理。电子式电压互感器采用的是电容分压的原理。
电子式电流互感器采用Rogowski线圈方式实现一次电流信号的转换。电子电流式互感器可直接输出数字量信号，并实现采集信号，基于IEC61850对外进行光纤传输。
4.2 ***监测部分
具有较高性能的开关设备和控制设备，配有电子设备、传感器和执行器，不仅具有开关设备的基本功能，还具有附加功能，尤其在监测和诊断方面（如***3所示）。
通过对关键设备的运行状况进行实时监测、控制，实时接收各模块上传数据，并通过高级应用软件把获取的数据进行就地分析、挖掘，并与站控层进行通讯，从而实现组合电器开关的测量数字化、控制网络化、状态可视化、功能一体化和信息互动化，从而优化电网的运行和管理。
4.3 断路器机构状态监测
主要进行召唤SF6传感器采集的数据，并利用FPGA实时、高效、稳定的技术手段进行就地分析、处理，并将处理结果发送至站控层。
（1）实现结构（如***4）。
（2）实现方案（如***5）。
采用强大的FPGA作为主控单元硬件平台基础，为整个设备的运行提供了较高的配置和稳定运行的基准。
4.3 一体化设计结构（如***6）
5 系统特点
（1）新一代全面支持数字化变电站的智能终端。装置采用最新研制的POWER PC平台，支持实时GOOSE通讯。
（2）POWER PC平台按照具有长达10-15年的生命周期设计，装置插件根据需要可以在保持与平台兼容的情况下平滑升级，从而为组合电器开关投资提供了长期稳定的保障。
（3）装置采用了高性能CPU、内部高速总线、智能I/O，硬件和软件均采用模块化设计，灵活可配置，具有插件、软件模块通用，易于扩展、易于维护的特点，将为用户带来备品备件种类少替换方便的优点。
（4）能够接收保护跳合闸、测控的手合、手分及闸刀、地刀控制的GOOSE命令，输出相应动作接点；能够采集并上送断路器、闸刀及地刀位置、断路器本体信号等。
（5）出口动作速度快，从收到GOOSE 报文到出口继电器动作
（6）出口继电器经启动闭锁，可以有效保证装置动作的可靠性。
（7）装置采用全密封、高阻抗、小功耗的进口继电器，减少装置的功耗和发热，以提高装置的安全性。
（8）具有灵活的通讯方式，配有2个***的GOOSE接口。支持新一代变电站通讯标准IEC61850。
（9）支持光纤IRIG-B码对时和1588对时。
（10）具有环境温度和湿度的测量功能。
（11）装置采用整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，抗干扰能力大大提高，达到了电磁兼容各项标准的最高等级。
（12）装置经过了严酷的高低温试验，可以在户外恶劣的环境中运行，为装置专门设计的户外柜柜，其防湿热、防水、防尘、防辐射等各项技术指标都能满足户外安装的要求。
（13）装置能够存储长达1年的***监测数据量，并能够进行所有电流信号监测的波形录波以及位移行程录波功能，后台可以通过MMS网络获取相关录波波形。
（14）电流监测回路采用穿心式电流传感器，在不破坏原来电气回路和增加原来电气回路复杂性的基础上实现电流采样。
智能开关篇2
关健词：智能化电器；智能化开关柜；特点；发展趋势
文中从网络化的角度出发提出今后以智能化电器构成的现代电力网将由电能传输和控制监测数据传输的两条通道构成，智能化电器将对电网安全、可靠、经济运行产生极大的影响。
1 智能化电器和智能化开关柜的概况
电器设备在电力工业还是工农产业领域都具有重要作用。开关设备主要工作形态在开关柜中，其中电网要保持在35kV以下。开关柜属于有所电器的结合，主要是以控制电器运作开关为主。因此许多的业界人士把注意力转移在智能化开关柜上。它与计算机技术、数据技术、控制理论、传感器技术、通信技术（网络技术）、电力电子技术等的发展密切相关。现在还无法对其准确定义，而我国科学家正加紧对其进行研发。
开关柜自身虽已实现智能化开关柜的要求，而单靠人力是无法做到的，我们必须借助计算机技术，通过自我感知、学习、大脑的记忆等手段来适应计算机技术，以最有效的方法来提高开关柜等最佳性能指数。
2 智能电器和智能化开关柜的特点
智能电器和智能化开关柜的特点是常规电器难以实现的，其主要靠先进技术来制作。
2.1 功能集成化、数字化
老式传统的开关柜主要依靠电磁式机械结构来运作，但在功能方面受到一定限制，无法适应当今社会对电网发展的需求。引进的计算机技术有着老式产品无法比拟的优越性。新型智能化开关柜将计量、通信、保护等功能集合起来应用于计算机中，能轻易地代替老式电器的同时提高效率。
数字化技术制作的电器最大的特点是准确可靠，这种新型产品不会因为温度和电压不稳定而出现状况，也不会因为元器件的不同出现差异，因此数字化这种技术能够确保电器功能并使其更加精准可靠。
2.2 设计简单、维护方便
智能化单元是集计量、保护、通信、控制等所有功能于一体，当将智能化单元安装在开关柜上时，其中的设计和连线的工作基本都可以忽略，使用者只需要将电压、电流信号、出口控制信号和断路器位置信号等少量电缆与开关柜连接在一起，就能够快速完成布线工作，保证开关柜的正常运行。其余的各项功能可以通过软件在操作实现，在简化了单元维护和校检的同时也为工作人员带来便捷。
2.3 可靠性增加
智能化电器与传统电气相比较而言更具有可靠性，主要通过以下三种体现：（1）功能一体化，系统简化，可能故障点减少；（2）自检、自诊断功能的实现；（3）检测信息的增加，利用多种传感器和控制器，对开关柜内的电、磁、热、机械、运动等各种物理现象与过程实施***检测和优化控制，诊断其工作状态。
2.4 系统分散化、网络化
将每一开关柜智能单元的通信接口与值班员计算机相连，就可以构成变电站综合自动化系统。综合自动化系统的组成形式经过了集中控制式、功能分布式、面向对象分布式和面向对象的现场总线分布式的发展过程。
3 智能化电器的研究和发展方向
3.1 前置各智能化单元
3.1.1 引入现代控制理论
模糊控制技术在电器方面的应用：电器的电流控制设备和供电系统、机器本身的工作性能以及状态都是利用模糊控制技术完成的。自适应及控制技术在电器方面的应用：电动机的自适应保护系统；变电站由于运作方式的不断变化使得其保护定值的自适应修正。
3.1.2 开发专用集成电路
目前在国内研制和生产的电子产品中，其智能单元多采用的是CPU，但由于这种技术无法为专业程度高的电子产品服务，导致许多新型控制方法与保护算法无法实现。我国现在应该着重开发属于***芯片和模块，建立***知识产权，并且加大推广力度。开发专用的集成电路，形成我国独特的电器模式，推动新型智能化电器发展和进步。
3.2 重视网络软件开发
目前被汉化的优秀软件微乎其微，人力和机器衔接环节薄弱是导致这一现象的重要原因之一，应该将硬件与软件相结合，取其精华去其糟粕，统一制作标准，分工细致优化。
3.3 配套与相关原件的研究和性能提高
在开发新品的过程中，我们要对开关柜中非电量的检测进行充分探究，同时还要***检测开关的各个性能，以此来避免“智能化开关柜”中容易出现的质量问题。
3.4 抗干扰设计
抗干扰设计又名为EMC，其最大的优势之一就是能够提高智能产品的电磁兼容性，这种抗干扰能力在实际应用中具有重要作用，在EMC方面，老式的各类电子产品对EMC要求很低，且管理不当，近年来，国家不断提高对该设计工作的重视程度，着重强调了EMC在各类新型电器的制作标准上容易出现的问题。并通过提高抗干扰设计的质量确保高智能化电器和智能化开关柜对电磁环境复杂性的适应性。
4 智能化电器和智能化开关柜的发展现状
目前，我们国家在电子产品设计与应用方面同国外差距并不大，有许多优势可利用。若电器技术人员与电子技术人员相互结合，是能够开发出适合中国国情并符合中国标准与运行管理模式的优秀智能电器产品。在开发电器的工作中应该注重网络技术的发展，注重网络的标准性和开放性，今后以智能化开关柜构成的供电系统将由以一次设备组成的供电网和以智能化控制器组成的通信控制网有机结合而成。注意机电结合，提高电器的机械特性和电性能，提高电器自身可靠性。
5 总结
通过本篇文章我们可以看出，我国的智能化电器和智能化开关柜与其它先进国家相比较而言存在一定差距，因此我国在电子产业方面较为落后。只有从技术入手才能提高电子产业发展，提高创新能力，深入市场调研，从而实现对新型智能化电器和智能化开关柜的创新研发，生产出属于我国独特的智能化机器和智能化开关柜。在研发过程中不断克服困难、解决问题，为提高我国智能化产业和科技水平奠定基础。
参考文献
智能开关篇3
关键词：智能无线开关 应用
在工程项目施工过程中，涉及土建、给排水、采暖通风、电气安装等专业，在一定程度上增加了建筑工程施工的复杂程度。电气安装工程是整个建筑工程项目的一个组成部分，其中开关的安装是电气工程中一项较为重要的部分，一方面满足照明、家电用电量、安全用电等需要，另一方面追求美观、实用、方便的使用效果。
在欧美日等发达国家普遍盛行智能无线开关，随着经济的发展，在我国也得到了使用，智能开关打破了传统墙壁开关的开与关的单一作用，除了在让我们体验了高科技还赋予了开关装饰点缀的效果。智能无线开关被广泛应用于家居智能化改造、办公室智能化改造、工业智能化改造、农林渔牧智能化改造等多个领域，极大节约了能源，提高了生成效率和降低了运营成本，真正做到了智能行天下。
1 智能无线开关的概念
所谓无线遥控开关是指，对电器的开启和关闭通过采用非接触的方式进行控制，其控制器的控制信号通过无线电波的形式传输给被控制电器，彼此之间不需要连线，通常情况下，其传输距离可达数公里。
家中所有的电器通过一个遥控器就可以进行控制；通过手机在下班路上就可预先开启空调，家里的电饭煲通过短信就可以进行煮饭；通过入户门口的智能交互终端触摸屏幕，可进行用电、家居、医疗服务、视频直播、订购消费、社区服务等操作……这种貌似遥不可及的智能家居生活，就是智能无线开关。
2 智能开关的环保意义
使用智能无线开关，无需布线，节约了管线材和PVC管等材料。PVC管的主材是聚氯乙烯，原料主要有石油、石灰石、焦炭、食盐和天然气、在制造过程中还需要增加增塑剂、抗老化剂等一些有毒辅助材料增强其耐热性，韧性，延展性等。
在生产电线电缆、PVC管的过程中，会产生可致癌的“二恶英”物质。绝缘与护套中含铅、镉等对人体有害的重金属，在电缆使用及废弃处理时会对土壤、水源产生污染。生产、使用过程和燃烧时会产生HCI等有毒气体，排放酸气，严重污染环境。同时也产生了火灾隐患。
使用智能无线开关，大大减少线材的需求，可节省石油等不可再生资源，减少生产电线电缆这些材料时对环境造成的污染，减少生产过程中的碳排放，真正响应国家对于经济生产节能、减排、环保的要求。
3 智能无线遥控开关的功能
智能遥控开关是一种控制系统，能够对室内照明进行灵活的配置。通常情况下，用户只要经济投入就可以完成灯光成果。智能遥控开关的功能主要表现在：
3.1 无方向，隔墙远距离控制。对于红外遥控开关来说，受空间距离和方向的影响和限制，不能隔墙隔门进行遥控操作，而通过无线射频技术设置远程控制开关，可以有效地规避红外遥控开关的弊端，通常情况下，无线射频技术信号覆盖半径一般在10米到80米，并且能穿透2- 3堵的墙。
3.2 不能隔墙隔门遥控，确保互不干扰。重码现象不会出现在同一城市，自家的灯具不会被邻居的遥控器所控制。
3.3 智能学习对码技术。遥控器与接收开关是一一对应关系，而且这种对应关系是不能改变的，这是人们普遍看法。但是使用智能学习对码识别技术以后，远程控制器和开关可单独配置，摒弃了遥控器与开关不能分离的干扰，可以灵活的进行照明控制。
3.4 抗干扰能力比较强，可靠性高，同时具有防火、防雷、防电的功能。
3.5 无线智能开关有手动开关和遥控开关两种，在一定程度上提高了方便性。
3.6 采用单线接线方式，一方面取代了传统的开关，另一方面符合了电力电气施工标准。
3.7 全开全关功能。休息的时候，灯具的全关通过一个键即可完成操作。
3.8 断电保护。智能遥控开关会因电源的关闭而全部关闭.当重新来电时，智能遥控开关依然处于关闭状态，进而保护人身安全，同时在无人状态下起到节能的效果。
3.9 集中控制、多点控制功能。对于智能遥控开关来说，每一路按键可以学习多个编码，完成不同的远程控制；每一个遥控器可以对多路照明实行多个键控制，这种灵活的代码能力，使用户可以在任何地方对不同的灯进行控制。
3.10 家用电器控制集成功能。目前一般家庭出门远行，只需要一个遥控器，对室内空调，电视，电动窗帘，音响，锅等电器实现控制。
3.11 低功耗节能特性。通常情况下，遥控开关的节能性包括：一方面低功耗：单一遥控开关功耗仅为0.01～0.02w，每年耗电仅0.2度。另一方面是间接节能效果。一些灯常常因为懒惰，不方便，距离远等因素，会一直工作。借助远程控制开关，可以很方便关闭照明电器。例如酒店浴室照明根据W功率的计算，一年有200天接待客人，在使用遥控开关后一年节省约160度。
3.12 过载保护功能。远程控制开关有过流保护装置；当电流过大，保险管会断开，对电路进行保护。另外，利用PC阻燃材料制作智能遥控开关外壳，因此，安全性绝对可靠。
无线遥控技术，市场前景广阔，广泛应用于家用照明开关控制，老人、小孩使用安全，并可遥控家用电器，对此类产品，消费者反映较好，市场潜力很大。
4 智能开关的选择
4.1 好的遥控开关安装方便，直接替换原有机械式开关面板，不用改造现有线路经济又方便。
4.2 好的遥控开关可以隔墙遥控，使用射频技术，这种遥控器就像遥控开轿车的那种，可以隔墙遥控，距离也远。
4.3 外观要美观，与家庭装修融为一体，不粗糙，购买有生产实力、正规厂家的开关。
4.4 性能稳定可靠，价格实惠。这点很容易忽视，市场上现在有些遥控开关质量有问题，比如灯亮时会有闪烁的感觉，或者停电时信息丢失等，因为开关是大家平时生活用到的最多的工具，如果出了问题，可能会严重影响大家的正常生活和好心情。
人们不断追求完美的生活，传统的机械式开关早已不能满足消费者的需要。随着人们生活水平的不断提高，科学技术的不断创新，传统的手动控制逐渐被智能型无线遥控技术所取代，这逐渐成为现代生活的趋势。运用无线遥控照明开关，在某一空间的任意位置，对电灯及其它电器可以进行随意调控，让我们真正感受到高科技带来的便捷。
综上所述，在日常生活中，照明系统是最常用，最基础的系统。开关的智能化在一定程度上影响我们的生活。它不仅大大方便了我们的生活，也许它还会从一定程度上改变人们的生活方式，从而提高人们的生活质量。
参考文献：
[1]钱惠富，郭颖.多点智能无线遥控器（开关）的原理及促进住宅智能化方面的作用[J].建筑创作，2001（S1）.
智能开关篇4
关键词：电子压力开关 信号分段 单片机
1研制开发重要性和必要性
目前，国内针对原油的运送方式主要采用管道加热输送工艺。原油在管道输 送中每间隔40～90 km就设一个分站来进行加热、加压。为降低能源消耗我国输油管道都进 行了现代化技术改造实现了计算机监控。在输油管道监控系统中为保护管线防止出站压力超 高造成爆管，在出站及泵出口汇管处安装了压力开关。为防止输油泵抽空在进站管线及泵入 口管线上也安装了压力开关。但目前使用的压力开关存在如下问题：
(1)工作不可靠在对进站压力开关进行校验时多次发现，当给定压力低于设定压力时，压 力开关仍不动作，当用物体敲击时又恢复正常。
(2)误动作用户反应曾多次发生当管线内压力产生轻微波动时造成甩泵。致使某些压力 开关长期不能投用，使输油泵失去应有的保护，带来不安全因素。
(3)精度低、校准难在校验时需反复进行试验才能确定设定值。
(4)密闭流程解除后由于进站压力较低，使压力开关无法使用。
为解决现有压力开关存在的这些问题，研制高可靠性、高精度和智能电子压力开关十分必要 。
2产品结构及关键技术
2.1结构原理
智能电子压力开关外型如***1所示。它的结构由压力传感器、主机板及防 爆外壳等部分组成。
智能电子压力开关原理框***见***2。
智能电子压力开关由以下几部分组成：
①压力传感器件采用单晶硅智能压力传感器。该传感器具有高精度(±0.075%)、高稳定性( 优于0.1%FS／年)、抗高过压和高静压(耐压16 MPa)、量程迁移比大(20∶1)等特点。选用 单晶硅智能压力传感器作为传感部件，使智能电子压力开关的控制精度及可靠性有了保证。
②信号调理部分采用集成运放及电子元件组成，它对压力传感器信号进行调理，变成微电脑 能接受的信号，送给微电脑。
③微电脑采用低功耗嵌入式单片机C8051F007，该单片机具有供电电压低(2.7～3.6 V)、 功耗低(可低于1 mA)、体积小(8 mm×8 mm)、功能强等特点。该单片机具有12Bit ADC，35 6BRAM，32kFlash MCU。微电脑将采集到的压力信号进行分析、处理、记忆，消除干扰及压力 波动，发出正确的压力开关状态信号。
④电子开关将微电脑发出的压力开关状态信号转化为智能电子压力开关的导通及断开。
⑤校准按钮，在对智能电子压力开关校验时只要按下“校准按钮”，微电脑就会自动记忆当 前压力值，并把该值作为智能电子压力开关设定值，从而实现压力开关的智能校验。
⑥流程选择开关，旁接罐流程、密闭流程可设置不同的门槛值，旁接罐流程设置的门槛值可 适当降低，从而克服了旁接罐流程压力开关不能投用的难题。
2.2关键技术
2.2.1模型识别技术
输油泵入口压力较低时会对叶轮产生气蚀造成输油泵的损坏，因此输 油站设置有压力调节系统并在进站及泵入口安装了压力开关，当进站压力较低时调节系统首 先进行调节，当自动调节系统调节后进站压力若继续下降，达到压力开关动作值时就会进行 甩泵从而达到保护输油泵的目的。但实际运行情况表明当发生异常情况时，由于自动调节系 统 存在滞后，未等自动调节系统发挥作用压力开关就产生动作造成甩泵。突然甩泵给输油设备 造成的危害比短时间泵入口压力超低造成的危害还要大。合理的选择是依据泵站实际情况建 立泵入口压力允许模型，压力开关依据该模型进行识别，决定是否甩泵。
以鲁宁线为例，压力调节系统滞后约为2 s，调节阀单行程耗时约为9 s。当发生异常情况造 成进站压力下降时，进站压力在调节系统的作用下其变化曲线如***3所示，压力开关的识别 模型如下：
y的单位：MPa
2.2.2信号自动分段技术
经过对现场信号多次模型分析，采用信号自动分段技术与模型识别技术从而能有效的克服压 力波动等各种干扰，提高压力开关的可靠性。
信号自动分段方法的基本原理是选用一个固定的窗选取平稳运行的信号作为参考段，不断与 当前信号作比较，非平稳性(如上站停泵引起的信号特性的变化)可以由不同段之间的过程统 计特性和频谱性的改变显示出来。一般根据几种判据，当判据大于一定的阈值或当前段低于 设定值时，就认为信号进入了另一段(异常段)。
2.2.3平均幅值距离
前段信号值)。
2.2.4均方根距离
2.2.5斜率均值距离
拟合数据段长度)
当前段信号的斜率
kci为 xci～ xc(i+j)段的最小二乘拟合斜率，j为拟合数据段长度)
定义波形结构统计判据D=aD1+bD2+cD3，其中权值a、b、c根据检测要求和3个 距离的 重要性，通过实验确定。通过每段计算出的D与Dthres阈值相比较，来确定 信号是否进入新段(异常段)，同时，当前段小于给定值时也确定信号进入新段(异常段)。
信号进入新段后设置t=0(识别模型内的t)，开始计时，并进行模型识别。
识别判据B=xc-yt
其中yt由y计算，
为当前段信号的均值，当判据B小于0时压力 开关 动作。若进入新段8 s内判据B均大于0，新段结束程序进入到平稳段。
3与同类产品的比较
智能电子压力开关目前与普通的压力开关相比有如下特点：
(1)采用了模型识别技术克服了现有压力开关的压力瞬间超低时，压力开关动作造成不正常 甩泵。
(2)增加了流程选择开关，旁接罐流程、密闭流程可设置不同的阈值，旁接罐流程设置的阈 值可适当降低，从而解决了旁接罐流程压力开关不能投用的问题。
(3)增设了校准按钮，在对智能电子压力开关校验时只要按下“校准按钮”，微电脑就会自 动记忆当前压力值，并把该值作为“智能电子压力开关”设定值，从而实现压力开关的智能 校验。
4技术指标
(1)精度：0.002MPa；(2)导通压降：12V；(3)非导通工作电流： ≤6mA；(4)系统供电：24V；(5)环境温度：-10～50℃；(6)耐压：16MPa。
智能开关篇5
【关键词】可编程控制器；PLC技术；智能开关；低压双电源
0.前言
传统的双电源自动转换双电源线路主要是通过集成多种继电器、接触器、开关等，按照特设的逻辑顺序进行相关的转换，在工作时，传统的转换器安全性差、结构复杂、安装困难、维护工作量较大，为其发展带来了极大的影响，同时因为诸多外借因素的影响，传统的电源转换器逐渐被市场淘汰，越来越多的建筑设施和工业设备采用PLC智能转换器。
PLC智能开关就是在工业环境下应用而升级的数字运算操作电子装置。它主要代替继电器实现逻辑控制，同时随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此在市场上占有份额越来越大，将逐步取代传统的控制系统进行更科学有效的控制。
1.双电源电路工作要求及实现环境的设计
双电源本质上就是一种由微处理器控制，用于电网系统中网电与网电或网电与发电机电源启动切换的装置，可使电源连续源供电。当常用电突然故障或停电时，通过双电源切换开关，自动投入到备用电源上，使设备仍能正常运行。最常见的是电梯、消防、监控上。在双电源线路的实现过程中，主要是市供电和机械发电之间的转换，转换之后要及时调整电压、频率等参数，同时双电源中作线路中要有及时有效设备的控制和相应的人力检测，保障供电的安全可靠。
2.可编程控制器（PLC）的工作原理
PLC是一种专门在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
在PLC投入运行的时候。其工作过程主要分为三段：输入采样、用户程序执行、输出刷新。完成这单个步骤就是完成一个扫描周期。
输入采样就是PLC以扫描方式依次的读入所有输入状态和数据，并将它们存入特定的I/O映象区中的相应的单元内，输入采样结束后，就转入用户程序执行和输出刷新阶段，这时输入状态数据进行运算和处理，原始的I/O映象区的数据不发生改变。
用户程序执行阶段就是PLC按照其设定的顺序对用户程序进行系统性扫描和逻辑运算，根据逻辑运算结果，PLC自动刷新逻辑线圈在RAM存储区中对应位的状态，或者是发出指令，控制设备自动进行工作和生产。
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这才是PLC的真正输出。
综合来看，PLC同传统的转换设备相比其功能更加完善，组合灵活，扩展方便，实用性强，同时用户程序编制简单，系统开发周期短，现场可以调试；相对与环境来说，PLC技术对环境要求低，抗干扰能力强，易学易用。
3.PLC低压双电源智能开关的实现和应用
PLC主要面向工业化生产，控制主要用于三相交流供配电控制。与传统的智能开关相比，PLC低压双电源智能开关有缺相保护功能，在发生缺相的时候，可以有效的控制电源切断，同时还可以在系统电源恢复时进行反切，有效保护了电路和生产设备，PLC应用时还可以有效避免构件的耗损率，减少成本的开支和资源的浪费。
系统方案的确定，PLC双电源在工作时，必须只能有一个电源与负载接通，且在一路电路故障时要实现自动切换，同时由于使用PLC设备的都是用电总功率较大的场合，必要时需使用发电机设备供电。系统在工作时就要有选择的进行检测工作，一旦主电源发生故障（系统电源出现缺相或者是欠压），此时立即启动发电机，同时主电源就会自动断开，备用电源启动后，同样要进行相关检测，检测备用电源无障碍后再进行备用电源与负载的接通。
系统硬件设计是主体设备的选择和确定。根据总系统设计方案要求，设置相应的硬件设备。硬件设备中，主要考虑因素是控制环节和判断步骤，在选择了使用的设备后，要进行实用性实验检测和统计，只有严格控制好硬件设备的安装与使用，才能更好在系统软件设备中编制程序和实现功能。
系统软件设计就是编译PLC控制系统的语言主体。软件设计主要分为五部分：对于复杂的控制系统要绘制控制系统流程***，对于简单的系统可以忽略此步骤；根据实践经验和对PLC的认识设置梯形***；根据梯形***编制语言表程序清单；用程序编程器键入PLC用户存储器中，并检查键入程序是否正确；对程序进行调试直到满足要求。
PLC的后期实现主要就是根据以上步骤进行合理的物理设备实现，这样一项PLC低压双电源智能开关就可以得以实现。
4.我国PLC低压双电源智能开关的发展趋势
PLC低压双电源智能开关已经被广泛的应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械加工等各个行业。PLC虽然已经有了广阔了发展前景，但在其创新领域内还是有很大的空间，PLC发展趋向主要是更小的设备体积、更强的通信功能和更高速的处理速度。
5.总结
从最早美国数字设备公司研制出的可控编程控制器PDP-14，到现在比较成熟的PLC整体设备，短短几十年之间，PLC技术取得了不错的发展，PLC现已成为工业控制三大支柱之一，以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可***修改控制程序、具有远程通信联网功能、以易与计算机接口、能对模拟量进行控制，具备高速计数与位控等性能模块等优异性能，日益取代由大量中间继电器、时间继电器、计数继电器等组成的传统继电—接触控制系统，在机械、化工、冶金、电力、轻工、电子、纺织、食品、交通等行业得到广泛应用。同时在未来的市场上也将占有很大的份额，PLC智能开关也将得到更广阔的发展前景。
【参考文献】
[1]陈***统，潘再平，杨舒捷.基PLC低压双电源智能开关设计[J].制造业自动化，2012（8）：135-138.
[2]于静.PLC低压下的双电源智能开关设计探讨[J].大科技，2012（20）：24-25.
智能开关篇6
新品降生 窗户进入智能时代
广西南宁卓创高新技术科技开发有限公司（以下简称卓创公司）面对窗户智能化巨大的市场空白，抓住先机，率先在国内开发出窗户智能开关装置。该装置的问世，揭开了中国窗户智能化***的序幕，标志着中国窗户开关智能化时代的到来，提高了现代居室的文明程度和人们的生存质量，具有划时代的意义。该装置智能化的操作界面，改变了现代人的居家方式，消除了手动开关窗户的诸多烦忧和不便，将家庭防盗网栏推向了终结时代，优化了居室环境，因此刚登陆窗户安装市场，便人气飞速攀升，获得前卫家庭的青睐，成为商家追逐的对象，成就创业者的梦想，创造了巨大的时代财富。
卓创公司总经理陈奇最先看到中国窗户智能化的市场和商机。2002年，当中国的房地产进入到高速发展阶段的时候，他意识到与房地产相关的领域存在着巨大商机。在众多相关产业中，陈奇选择了在窗户领域做文章。他观察发现，随着现代科技的不断进步，中国家庭智能化、便捷化、人性化、文明化、健康化程度在不断提高，但是安装的窗户仍然停留在手动开关的原始操作水平上，跟不上时代文明总体发展的步伐。这种矛盾的存在激起了他开发窗户智能开关装置的想法。他深入调查发现，中国现有3.8亿多个家庭，各***府机关、企事业单位、公共场所的楼房数以亿计，新建楼房不断涌现，窗户智能化市场巨大。而且，随着各地打造文明城市速度的加快，人们对生活质量的要求不断提高，智能窗户将会被迅速推广。2002年下半年，陈奇力邀在智能门窗研究方面拥有多项科研成果的廖增强工程师担任项目总工程师，带领公司科研队伍启动了窗户智能开关装置研发项目。科研队伍历经1年半时间，对技术进行攻关，于2004年成功研制出了“窗好帅”窗户智能开关装置（以下简称“窗好帅”）。
卓创公司综合了当前国内外智能窗户研究的主要方向，在该装置的功能设计上做到“人无我有，人有我新，人新我特”。该装置具有红外线遥控开关、雨水控制关闭、温度控制开关、定时或强制通风、等4项充分体现人性化的功能。另配有一氧化碳超标报警、盗贼入侵报警装制功能。安装方便，操作简单，智能化程度高，优化居室环境，提高人们生活质量：安装了“窗好帅”，用户只要拿遥控器就可以在室内任何地方开关窗户，轻松自然；安装了“窗好帅”，用户可以安心休息或外出，盗贼远离窗户，下雨时窗户自动关闭，确保室内财物安然无恙；安装了“窗好帅”，室内空气污染迅速减少，用户始终能在室内呼吸到外界新鲜的空气；安装了“窗好帅”，空调用电节省大，用户能很好地在室内享受夏日的清凉；安装了“窗好帅”，家庭防盗网栏从此可以拆除，室内环境更优雅。“窗好帅”为现代人创造轻松、健康、舒适、安全、有品位的生活，所以刚问世，便成为了前卫消费者和商家追捧的对象。
科学策划 迅速走红市场
2004年，“窗好帅”首先在广西壮族自治区柳州市接受市场检验。新技术、新产品、智能化、前卫的生活方式、划时代的意义，迅速吸引了大众的眼球和媒体的目光，在当地引起了轰动，试销产品很快被抢购一空。面对市场的喝彩声，卓创公司迅速将“窗好帅”推向各地市场。在深圳、厦门等地，“窗好帅”很快成为了家用智能产品消费和商业投资的焦点，消费者和商家纷纷通过电话、电子邮件或现场到访的形式，向“窗好帅”的商购买产品或寻求合作。
窗户智能化产业是一个朝阳产业，目前中国市场尚处萌芽阶段，而国内外开发窗户智能产品的机构和企业比较缺少，而且“窗好帅”温度感应开关功能为国内外首创，对节约型社会的建成具有深远的意义。卓创公司将该装置的零售价格定价在国外同类产品售价的一半，具有强大的价格竞争优势，同时该装置还获得了国家发明专利，具有市场独占性。在一些地区，经过1年时间的市场推广，如今“窗好帅”已经走进大型商业住宅小区、***府机关部门、企事业单位、高级宾馆，而且还成为拆除住宅防盗网栏、美化城市环境、推进市***文明工程推荐安装的家装智能产品。卓创公司给出了这样的数据：每套装置批发价250元，建议售价580元，一个家庭安装3套“窗好帅”，一个1000户人家的小区有600户安装，那么仅开发1个这样的小区，商家的营业利润就有59.4万元，每年开发3个这样的小区，商家的营业利润就达178.2万元，加上企事业单位用户的开发，销售“窗好帅”的商家年获益将不菲。
新产品进入市场是否能一炮走红，迅速获利，关键在于进入市场的方法。卓创公司与合作商家经过努力探索与实践，成功整合了一套行之有效的产品市场进入方案。在卓创公司看来，“产品入市，概念先行”，“窗好帅”要顺利进入市场首先要做好的是宣传工作，这项工作分为概念宣传与销售宣传两大阶段：
概念宣传阶段。这是产品尚未进入零售市场之前让消费者接受产品概念的宣传阶段，是产品进入销售领域的基础。第一步，权威示范与问卷结合宣传策略。让现代居室实现窗户开关智能化是一项文明工程，是城市改造的一个重大项目。目前各地都在加快城市文明建设的步伐，商应该通过让利手段，迅速争取当地***府行***部门（如建设行***管理部门、城市管理部门）、高级宾馆成为第一批用户，让它们作为“窗好帅”宣传示范的窗口，奠定产品的正面形象。同时，在城市主要居民区、门窗五金和民用智能产品市场展开产品需求问卷调查活动，告知产品的问世，激起消费者、商家的好奇心。第二步，新闻公关宣传策略。选择在当地具有一定水平的会议举办场所，组织产品面市会或招商会，借助问卷调查活动和当地知名媒体会议召开消息，邀请喜欢前卫产品的消费者、商家、媒体参加，制造新闻效应，借助他们的言论力量扩大产品概念在社会的宣传范围。第三步，公众场所展示宣传策略。在当地人气旺的商业场所或权威的电子产品展销场所搭建现代化、时尚化的展示现场，采用专业人员与录像交替讲解、实物展示与操作演示、消费者现场试用的方法，扩大产品概念的宣传，让更多消费者详细、全面地了解的产品的价值，从而形成强烈的购买欲望。这个阶段不将产品推出市场销售，目的是让消费者产生对产品需求的饥饿感，当产品真正进入市场的时候便因此形成轰动的购买效应。
销售宣传阶段。经过概念宣传阶段，消费者已经对产品有了一定的认同感，所以销售宣传阶段应该进一步强化他们这种认同感，并开始将产品推出市场销售，同时运用价格和服务手段征服消费者。这个阶段的工作应该从新落成交付使用的住宅小区开始，因为这些小区的业主将会对新居进行装修，很多家庭都乐于投资安装现代化、前卫的家居用品，正是“窗好帅”进入销售领域的最好入口。商可以联合当地口碑好且知名度高的装修设计公司、家居装修材料销售公司，与房地产开发商一起举办业主装修知识讲座，通过讲座附带介绍各自的产品，向参加讲座的听众发放“贵宾服务卡”，对持有该卡的人实行产品价格优惠（具有积极影响力的消费者或家庭可以获得更多的优惠），促使消费者真正购买使用产品。讲座结束后，商家还可以组织安装服务队在小区开展安装服务活动和产品咨询活动，并继续分发“贵宾服务卡”，通过这些服务活动，树立公司良好的形象，深化消费者对产品的认识。同时服务队频繁的安装活动还给潜在用户传递了他人积极购买产品的信号，形成强烈的购买感染力，促使潜在用户成为真正用户。其他小区可以采用类似的进入策略，通过运用以上策略，市场的购买群体将会越来越多地被开发出来，逐步形成以权威带普通，以集体带个体，以新居带旧居的购买效应，快速提高产品的社会影响力。这种市场进入策略，容易在市场上形成巨大的广告效应，消费者容易看到产品的社会效益和使用价值，从众心理不断被强化。在这个基础上，商可以通过建立专营店、在商场开辟专柜的方式，迅速将产品打入零售市场，发展更多下级经销商，并与房地产开发商合作，在新建楼盘中将产品与新房一起捆绑销售，拓宽市场销售范围。
诚招 共同成就美好事业
21世纪是办公智能化、生活智能化的时代，各领域的智能产品将会源源不断被开发出来，功能更先进的智能产品，将获得更多更好的商机和市场竞争主动权。为了让更多家庭能享受到智能化的生活，更多楼堂管所变得更加现代化，更多城市能盛开美丽的文明之花，2005年，卓创公司对“窗好帅”进行了重大的改进，优化产品的功能，赋予更先进的时念，降低产品的生产成本。同时还作出了重大的决定，对合作商家和消费者实行大让利，加大全国招商推广工作。为了保护合作商家的利益，卓创公司制定了招商***策：每个省份（自治区、直辖市）只发展1名省级商；每个城市（除直辖市）只发展1名市级商；每个县区只发展1名县级商。为了保证市场推广的顺利进行，卓创公司对合作的商家设立了一定的门槛：合作者应具备一定的经济实力，在合作前期交纳合作保证金，业绩合格再退还保证金。还有就是要诚信经商，维护本产品品牌利益。陈奇总经理说：“卓创公司欢迎从事房地产开发、建材经营、装饰业务、门窗销售的商家，以及有志于开拓智能产品市场的公司与创业者前来参观考察、合作。卓创公司有自己的网站，不便于前来考察的商家，可以通过该网站详细了解卓创的产品，了解卓创公司。”为了让商家能降低投资风险，卓创公司建议商家先购进少量样品试销，样品批发价格300元/套，建议试销零售价格为580元/套，商家对试销效果满意后，再与卓创公司签订合作协议。
新年将至，各地新居装修将进入高峰期，正值“窗好帅”推广销售的好时机。陈奇说：““窗好帅”已发动一场中国人居新***……中国人的家庭将会变得更加美丽。各***府部门、企事业单位及大量公共场所也将会不断安装窗户智能产品，越来越多中国人将享受到智能产品带来的幸福生活。”
地址：广西南宁市东葛路31号东葛华都1018广西南宁卓创科技有限公司
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智能开关篇7
关键词:开关电源; ARM7; 高频变压器; 变换器
中***分类号:TN86 文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)12-0208-03
Design of Digital Intelligent Switch Power Based on ARM
WU Qiong, PENG Bao-jin
(Institute of Information Optics, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China)
Abstract:The digital intelligent switch power-supply system based on ARM7 was designed. The performance and working princilple of the COMS chips which constitutes the power-supply systemareanalysed. The circuit design, ARM control system and function implementation of the system are elaborated empnatically. The BUCK convertor is adopted in the power-supply system to reduce and adjust the output voltage and push-pull DC convertor to heighten the output voltage. The controlling core of the power-supply system is a SC344B0X AMR7 chip. The output voltage can be regulated continuously. The output voltage stability is less than 0.3%. And the ripple factor is less than 0.5%. Experiment indicates that the performance of the system is stable.
Keywords:switching power-supply; ARM7; high-frequency transformer; convertor
0 引 言
随着现代科技事业的发展,电器设备的精度提高、可靠性加强,智能化和数字化的实现,开关电源正朝着高精度、智能化、数字化的方向发展[1-3]。开关电源通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压的稳定,具有体积小、重量轻、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高等特点[4-7]。
本文采用SAMSUNG公司的SC344B0X 的ARM7芯片设计了一种智能化、数字化的可调开关直流电源,对电源主电路实现了全数字控制,输出电压可调,并提高了输出电压的精度和稳定度。控制算法通过软编程可以使系统升级,也便于用户根据各自的需要灵活地选择不同的控制功能。
1 电源系统的总体设计
电源系统的设计要求是:工频电源交流220 V输入,直流电压可调输出10~2 000 V,输出电流小于100 mA,用户可以使用键盘随时更改输出电压,显示屏上显示当前的工作状态。根据要求设计的电源系统由电源电路和控制电路两部分组成,如***1所示。
***1 智能数字开关电源总体设计
电源电路部分主要包括整流滤波、BUCK变换器、推挽式直流变换器、滤波器,把工频电源转化成所需要的直流电源。控制电路部分主要包括ARM7控制单元、电压分压反馈取样、键盘/显示,根据用户的输入参数来调整输出的直流电压,并把当前的工作状态显示出来。EMC保护用来消除工频电源中的噪声干扰,保护系统电路不被损坏。
2 电源电路部分的工作原理及设计
2.1 整流滤波及BUCK变换器的设计
整流滤波把工频的交流电源变成直流电源,其电路如***2所示,输入/输出的波形如***3所示。为了提高整流效率,采用全桥整流,整流桥硅使用性价比高的KBP3510,2个400 V的47 μF电容并联,输出直流电压Uo约为300 V。
***2 整流滤波电路
BUCK变换器又称降压变换器,它是ARM根据当前输入的参数和反馈电压,产生 PWM1,使用IGBT集成驱动器来驱动主电路中的IGBT,由于占空比的变化控制了输出电压的值,电路如***4所示。BUCK变换器必须工作在连续工作状态,则电感L的临界值为ИL=(Uo1)22Po1fs(1-D)АS捎诘缭聪低呈涑龉β饰150 W,则 Po1>150 W,取Po1=200 W且D=Uo1Uo,fs=100 kHz;Uo1的值在2~200 V之间可变,则可得;L=(Uo1)2400×105(1-Uo1300)×106 μH,其关系曲线如***5所示。所以当L>340 μH,电容C3为500 V的470 μF,就可以保证变换器保持连续工作状态。
***3 输入/输出电压波形
***4 BUCH 变换器电路
***5 U01与L关系曲线***
2.2 推挽式直流变换器及滤波器的设计
由于电源的输出功率小于200 W,采用推挽式直流变换器可以满足此要求。如***6所示,S1和S2是IGBT,它们交替导通,每个开关导通比为50%,S1,S2导通分别由PWM2,PWM3控制,PWM2,PWM3是ARM给出的控制信号。S1,S2的作用是在高频变压器T的初级产生对称的交变方波,当S2导通(S1截止)时,T的磁芯中磁通上升,当S1导通(S2截止)时,T的磁芯磁通下降。在次级产生一个变电压,经D1,D2整流后,便得到直流的输出电压Uo2,在理想状态下 Uo2=Uo1NsNp,Np,Ns分别为变压器的初级和次级绕线的匝数。因为与Uo1相连的初级绕组上的电压反射到初级绕组的另一半上,所以S1或S2在不导通时,两端的电压为2Uo1,所以IGBT耐压要大于2Uo1,即IGBT的耐压大于400 V。
***6 推挽式直流变换器
在高频上,变压器通常采用导磁较高的铁氧体磁芯或铍莫合金铁芯等磁性材料,其目的是为了获得大的励磁电感,减小磁路中的功率损耗,使之能以最小的损耗和失真传输具有宽频带的脉冲能量。本文采用PQ型铁氧体磁芯,内芯为圆柱,绕线方便同时也便于绕成蜂房式线圈以减小分布电容,且没有棱角,高压时不易打火击穿,次级边的匝数不超过2 000圈,初、次级的匝数比为1∶12。
由于高压变压器的匝数多,初次级之间的耦合度较强,且寄生电容大,它的输出波形接不连续,波形如***7所示。因此输出的电压要有滤波器,才能得到比较稳定的电压。滤波器的设计如***6所示,电容耐压3 kV,容量为470 pF。
***7 Uo2的输出
3 ARM控制系统及其软件实现功能
该系统采用的ARM是SAMSUNG公司的SC344B0X芯片,是一款低价格、高性能的ARM芯片,拥有出色的外设模块 ,适用于工业控制、 生物识别、多媒体监控、网络流媒体和智能电器等[8-9]。其主要特点有:
(1) ARM7TDMI内核,支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;带有8 KB高速缓存器,主频可达66 MHz;
(2) LCD控制器,可以支持256色STN,且LCD有专用DMA;
(3) 5个PWM定时器,1通道内部定时器;
(4) 16位看门狗定时器;
(5) 8通道10位ADC;
(6) 71个通用I/O口,8通道外部中断源。
采用SC344B0X所设计的系统,几乎所有的指令都可以在20 ns内完成,配合强大的指令运算功能,很容易实现各种控制算法及高速采样,为了减小系统的静差,采用了闭环来实现对整个系统的控制。
该电源系统中ARM的主要功能及软件实现如下:
① 产生PWM波。PWM1用于对BUCK电路中的IGBT的驱动。根据输出采样,设定和调整定时器中周期寄存器的值和比较寄存器中的值来改变输出PWM1波的周其期和脉冲宽度。PWM2,PWM3设定周期为50 kHz的彼此交互的方波。
② 实时采样。采用SC344B0X 中集成的8路10位的ADC 转换电路实现电压、电流实时采样,每一通道的最小转换时间为500 ns,通过采样模块MAX122,将采样信号转换为2407 的ADC 所需的0~3.3 V电平,在1个开关周期中,将采样80 次(开关频率为50 kHz),采样后,通过软件编程调整驱动BUCK中电路中的IGBT管的PWM1 波形,达到稳压的目的,同时当输出电压、电流过高或欠压时,ARM调用相应的子程序来处理突发事件,起到保护作用。
③ 软件编程时设置看门狗电路防止死机。
4 结 语
本文在上述分析的基础上,设计出一台基于ARM智能数字控制技术的开关电源。电源的指标满足性能要求:输出电压连续可调、纹波系数低于0.5%、输出电压稳定度小于0.3%。该电源现已投入使用,运行良好。
参考文献
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智能开关篇8
飞利浦公司推出的UBA2008芯片是一种用于脉冲模式充电的智能充电开关IC。该器件内部集成了低欧姆阻值的功率开关，可用作单节锂离子电池或3节镍氢电池在预充电模式或快速充电模式下的充电控制。该芯片的电流限制、过压保护、热保护和静电放电（ESD）保护等集成安全机制可确保其安全操作。UBA2008的主要特点如下：
是一种0．25Ω的低欧姆充电开关，带软开／关切换和可调电流限制；
带有0．25Ω的反向开关和内部电流限制功能；
预充电电流为130mA；
具有电池过压和欠压保护功能；充电器过压保护可到20V的脱扣点，反极性保护可降至－20V；
带有过热保护功能，内置门限温度为150℃滞后温度为20℃；
可进行充电器检测和内部电流感测；
ESD性能符合IEC61000－4－2标准；
采用3×3mm HVSON10封装，具有优良的热性。
2 电路结构及引脚功能
UBA2008采用10引脚HSVON10（SOT650－1）封装，其引脚排列如***1所示。
UBA2008的引脚功能如下：
RLIMF（脚1）：该脚连接一只电阻到地，可用作快速充电模式的电流限制。快速充电电流的可调节范围为50mA～2A，具体充电电流可由该脚外部连接的电阻确定；
REVMOD（脚2）：反向模式控制数字输入；
VSS（脚3）：接地端；
BAT（脚4、5）：连接电池；
CHG（脚6、7）：这两个引脚可作为充电器输入／反向模式输出引脚；
CHGOK－N（脚8）：充电器检测输出。当VCHG小于2．5V时，如果REVOMD为低，则该脚输出高阻抗；而当VCHG小于VBAT时，如果REVMOD为高，则该脚输出也是高阻抗。
PWMMOD（脚9）：PWM模式数字输入；
MODE（脚10）：充电模式数字输入。
3 工作原理
UBA2008芯片集成了充电开关和数字控制电路，其内部结构如***2所示。
3．1 数字控制
UBA2008的工作状态依赖于三个数字控制信号，
3．2 工作模式
UBA2008的工作模式包括关断（OFF）模式、关闭（SHUTDOWN）模式、慢充和快充电模式、反向模式和反向慢充及快充电模式。
在关断模式下，充电器与电池之间的电流通路完全被断开，IC内部所有电路截止，电池不被加载。当脚REVMOD为低而脚PWMMOD为高，或脚REVMOD为低而脚CHGOK＿N为高时，UBA2008进入关断模式。
关闭模式时，脚BAT与脚CHG之间的充电通路将被断开。电路将在以下三种情况下进入关闭状态：第一是在脚BAT上检测到过电压时；第二是在反向模式时，脚BAT上出现欠电压。第三是在芯片过热时。一般情况下，过电压关闭可通过拔出充电器墙上插头来复位。
当输入脚MODE、PWMMOD和REVMOD上的电压为低电平，且充电器输入电压至少是2．5V和VCHG大于VBAT时，电路将进入慢充电模式。此时电池上将施加一个恒定电流。而当BAT脚电压超过最大电池电压或芯片温度过高时，慢充电模式停止。
当脚MODE为高电平而脚PWMMOD及REVMOD为低时，电路进入快速充电模式。此时流过开关的电流可由电流限制电路来进行监视。其限流值可通过脚RLIMF上的外接电阻来调节，范围为50mA～2A。而当BAT脚电压增加到最大电池电压以上或芯片结温太高时，快速充电模式停止。
当脚REVMOD和PWMMODE上的输入信号被拉高时，反向模式开关被触发。通过反向模式开关的电流由电流限制电路监视。当反向模式开关电流超过设定电流限制时，电流限制电路将减小驱动电压，以保持恒流特性。当VBAT小于2．7V时，反向模式自动截止并恢复到关闭模式。
当UBA2008的脚CHG连接到充电器时，反向慢充电模式相当于慢充电模式。而当无充电器出现时，电路则等效于反向模式。
当充电器连接到CHG脚时，反向快速充电模式与快速充电模式相当。而当充电器不出现时，反向快速充电模式等效于反向模式。当电流从充电器流向电池时，电流限制可以通过UBA2008脚RLIMF上的外接电阻来调节，范围为50mA～2A。
***3
4 应用电路
智能开关篇9
关键词 Arduino；ZigBee；智能网关；智能家居
中国法分类号：TN914 文献标识： A 文章编号：1009-3044（2016）07-0252-03
Design and Implementation of Smart Open-source Gateway based on ZigBee and Arduino
XIAO Zhong-xiang 1，RONG Teng-xue 2，FAN Peng-zhao3
（1.College of Electronic Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065， China； 2.Quality Supervision and Inspection Center of Petroleum Instruments，Xi'an Shiyou University，Xi'an 710065， China； 3.College of Computer Engineering，Xi'an Shiyou University1， Xi'an 710065， China）
Abstract： With the continuous development of the field of IOT and smart home， it is possible that the use of open-source Arduino platform、ZigBee wireless communication protocol、Android smart terminal and some sensor module to build a interoperability smart home system. Home gateway as the core of smart home network， it not only to achieve communication each devices，but also need to complete each device access to the network，remote monitoring and centralized control. It mainly studied and designed the smart gateway based on ZigBee and open source Arduino，， realizing the true sense of“interoperability，mutual understand and control”in smart home. That provides a strong guarantee for the further development of smart home.
Key words： Arduino； ZigBee； smart gateway； smart home
智能家居概念的起源很早，自智能家居概念的起源非常早，自从康涅狄格州在1984年完成第一座智能大厦后，美国、新加坡、德国、日本等经济发达国家纷纷提出了多种智能方案。并得到广泛应用。早在1998年，比尔盖茨已经为自己建造了一个智能化住宅。初期的智能家居是有线连接的，在一定程度上限制了自身的发展，而且价格不菲，不是普通大众的消费品。无线解决方案带来了家庭自动化的曙光，切断了连线，有利于进一步应用的发展。当前，市场上的智能家居根据使用的不同无线技术主要可分为四种，分别是Wi-Fi、蓝牙、ZigBee和Zwave，这些关键技术可以对智能家居任意远程控制。
ZigBee内置了AES128位的加密算法，从组网规模上看ZigBee具有很强的优势，理论上节点数多达65000. 2.4GHZ的频段是最常用的，主要应用于科学、医疗和工业上，ZigBee应用协议也应用在该频段上。在智能家居中， ZigBee自身已经具备完整路由的功能，增强了穿透能力。Arduino采用电子积木的方式开发，为多种传感器原型的制作提供了有利条件，使得终端设备和各种传感器接入标准不一致的问题迎刃而解，而且Android则提供了良好的人机界面。ZigBee、Arduino及Android结合起来为智能家居应用的开发创造了无限可能，对智慧家庭、物联网的发展会起到很大的推动作用。该文将结合这几种技术设计一个智能家居的智能网关。
1 关键技术
1.1 ZigBee无线传感技术
ZigBee无线传感技术是一种双向通信技术，主要具有距离短、功耗低、复杂度低、速率低和成本低的特点。在短距离、功耗低以及传输速率要求低的设备间应用于传输数据，还应用于传输规范的间歇性数据和周期性数据。
ZigBee技术的安全性是有保证的，到目前为止还没有一个被破获的案例。对其系统性的设计直接影响安全性：使用AES高级加密系统，保密程度等同于银行卡加密技术的12倍；其次，在组网方面ZigBee采用蜂窝的结构，所有设备与网关关的通信是多方向的，有较高的网络稳定性；此外，ZigBee网络理论节点数多达65300个，能够覆盖智能小区和楼宇等，足以满足智能家居网络的使用需求；最后，ZigBee的通信是双向的，设备既可以接收到命令，而且可以反馈其执行情况，对用户体验的意义很大，尤其体现在安全设备上。另外，ZigBee相关设计功耗较低，能够用电池充分供电，电池使用年限较长，可以达到节约能源和环保的目的。
1.2 Arduino开源平台
Arduino是源自意大利的开源电子硬件项目的一个开源电子原型制作平台，它包括一个具备简单I/O功效的电路板和一个开源的软件开发环境，既可以***运行，又具备互动性。使用者能够应用相对简单的程序对Arduino电路板进行操控，结合各类传感器和功能模块，实现丰富的感知、识别、处理等功能。Arduino开源易用的特点为智能产品的原型设计提供了很好的平台，随着用户和周边产品的增多，Arduino已经形成了一个开源的生态系统，其丰富的软硬件资源能够满足绝大多数智能产品原型设计的需要。
然而，Arduino并不是专门针对智能产品原型设计而开发的，在面对数量庞大的可用资源时，使用者很有可能感到迷惑和不知所措。因此，对智能产品原型设计进行深入的研究，并有针对性地将Arduino及其生态系统的优势融入其中，对于提高智能产品原型在智能产品设计中的作用有重要的意义。
2 智能网关的硬件设计
2.1 智能网关硬件结构
在智能家居系统中智能网关具有非常重要的作用，也是家庭外部通讯网络和家庭内部控制网络之间的桥梁，起到了很好的连接作用。智能网关的总体硬件结构设计如***1所示，其包含的模块主要有Arduino核心控制模块、储存系统人机交互模块、网络模块、电源模块、通信网络模块和扩展接口等。
如硬件结构***所示，含W5100的Arduino模块作为主要的核心模块[2]，以Arduino模块为核心拓展开的其他硬件模块通过串口、USB接口等串行总线与其通信，达到协同工作的目的。W5100是一款多功能的单片网络接口芯片，嵌入式设备可以在占用较低系统资源的条件下快速完成网络通讯。集成了TCP/IP协议栈，以太网的MAC和PHY的三种功能，可以满足各种单片机在没有操作系统的支持下接入网络，操作简单、可靠。ZigBee模块的主要功能是提供家居网关与家居内部ZigBee网络交互的通信接口，客户可以通过家居网关平台接入家居内部的ZigBee网络，并对具有ZigBee节点的家电设备进行监控。设备和扩展模块主要完成设备地址译码和外部通信的任务，并预留接口。
2.2 ZigBee通信模块电路设计
ZigBee通信模块起着举足轻重的作用，是组建家庭内网的基本单元，其主要作用是把家庭内网与互联网连接起来，最终实现数据的转发。CC2530的8051内核经过特殊设计，可以与ZigBee无线电路协同工作[3]，其工作频段在2.4GHZ。核心硬件CC2530拥有极高的集成度，因此外接的必要原件比较少。一般只需一个晶振就能满足无线收发和组网要求。本系统设计的ZigBee通信模块硬件原理***如***2所示。
3 智能网关软件设计
3.1智能网关系统架构
按照该系统的设计需求，本网关既要运行TCP/IP协议，又要运行ZigBee协议[4]。如***3所示为智能网关的软件架构。软件设计采用分层化的模块结构，每一层模块都有其***的功能，通过接口函数为每一层模块的上层提供服务[5]。在架构***中，最底层的是硬件驱动模块，主要是在网关上ZigBee和Arduino所有硬件的驱动程序。在HAL层之上是硬件抽象层，硬件抽象层之上是Arduino核心处理系统，在这之上的是TCP/IP协议栈和ZigBee协议栈。顶层是智能网关架构要实现的应用层，实现人机交互[6]。
3.2 软件系统应用程序设计
ZigBee协议栈是在OSAL操作系统上运行的，OSAL基于任务的调度机制，通过触发相关任务的事件触来应对一个事件号。如***4所示是协议栈流程***。当某一个事件发生时，比如按键，这将会调用按键的响应函数，通过响应函数生成一个任务，再通过这个任务来发送osal_msg_send函数，发送消息处理循环，并注册事件，等待处理[7]。在应用层，事件被其处理函数检测到后，将会调用相应的处理函数。
系统中Arduino主板含有W5100，集成了TCP/IP开源的协议栈LwIP，安装好驱动以后要将LwIP移植到Z-Stack上，LwIP协议栈的所有TCP/IP协议都在一个进程当中。如***5所示为Arduino主板的程序流程***。其中ZigBee终端设备（ZDO）的主要工作是接收网络协调器发来的控制命令，如家电的各种开关操作等，再通过协调器查看家电设备的运行情况。
终端设备有休眠和唤醒两种状态，但大多数处在休眠状态，当有新的任务执行时，就将其唤醒，任务执行完毕后则再次进入休眠的状态。如***6所示位设备终端的主流程***。
4 智能网关测试
家居智能网关系统启动后加入内部网络的方式主要有协调器和路由器两种，通过TCP/IP协议与网络相连。用户在终端设备上通过WWW浏览器就能轻松地实现各种家庭智能应用，主要包括家电的管理，对其进行智能化的监控等[9]。
网关测试主要分三步进行，首先是安装CP2102驱动，一一对应连接好CP2102与Arduino主板，通过USB给其供电，接下来给Arduino主板***程序，代码刷好以后，插上网线，打开串口测试联网是否成功。然后将ZigBee模块插到ZigBee开发板上，搭建IAR环境，连接***器并安装好驱动，编译并***ZigBee自组网代码[8]。成功后再给ZigBee开发板的P1.0接一个LED。最后把ZigBee开发板插入Arduino板对应的管脚，通过手机控制端来测试[9]。手机打开，新建一个开关，点击开关，LED灯闪烁，网关正常，接下来就可以组网，实现下一步的智能控制。
5 结束语
目前，智能家居系统的实现方案和功能有很多，但它们过于复杂和封闭。本文主要基于无线传感技术ZigBee和开源平台Arduino对家居的智能网关进行了需求分析，进而完成软硬件的设计和实现工作。在功能测试和通信距离的测试方面，将智能网关应用到实际的家庭环境中，并对测试结果进行分析，为今后更方便快捷的设计提供依据。由于设计时间段，再结合现有的技术，目前只是设计了系统的雏形，接下来应该继续进行相关研究，结合嵌入式相关技术，实现网关的真正智能化，并增加系统的稳定性。
参考文献：
[1] 姜宇航. 基于物联网的智能家居控制系统设计[D].长春：吉林大学，2014.
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[3] 杨楠. 基于Arduino的智能产品原型设计研究[D].无锡：江南大学，2014.
[4] 邢伟伟，白瑞林，孟伟. ZigBee无线网关在MODBUS通信中的应用[J]. 计算机工程与用，2011，29：81-84.
[5] QIU Ying，LI Shining，WU Wen， et al. General mote platform design for wireless sensor Network[J].CEA， 2012， 48（23）： 90-94.
[6] 吴红莲. 基于嵌入式系统的智能家庭网关研究[D].杭州：浙江大学，2006.
[7] 郑昊. 基于Arduino/Android的蓝牙通信系统设计与实现[D].武汉：湖北大学，2012.
智能开关篇10
关键词:智能开关;单片机;LED;控制系统
中***分类号:TP311文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2010)13-3441-02
The Control System of LED Lamp Intelligent Switch Controlled by SCM
WEN Wu1, CHEN Yao-hua2
(1.School of Computer Science & Educational Software,Guangzhou University, Guangzhou 51006, China; 2.School of Mechanical & Electric Engineering,Guangzhou University, Guangzhou 51006, China)
Abstract: This paper introduces the designing of LED lamp intelligent switch controlled by SCM, which is mainly made up of SCM, sensors, and photosensitive resistance. The paper analyzes how to design the circuit and system software to control the whole system.
Key words:intelligent switch; SCM; LED; control system
现时尽管自动化技术发展迅速,但是在人们日常生活中家用电器的控制主要是实现对电器的功能控制,而实用、节能、低碳的家居智能控制系统更少之又少,其中主要是因为技术还不成熟,以及价格无法大众化。
家居智能控制系统具有实现安全、智能化、人性化的近程及远程控制;实现家用电器节能;实现信息共享等三大作用[1]。随着时代的发展,对LED的研究发现,LED效能转换率非常高,功耗远低于现有的传统灯具,而且比起现在的节能灯具,LED更节能、省电,在寿命、环保等方面均有不可比拟的优越性。因此设计一个智能开关控制系统,与LED灯具相配合,将新颖、节能、低碳的新技术推广、普及到每个家庭和企业中。
1 设计的基本思想
用单片机芯片实现智能开关控制与单片机芯片技术发展有着密切相关,最早的单片机因为只能使用汇编语言进行开发,电路较多,所以对设计人员的硬件、接口设计水平要求较高,造成设计和生产成本较高。现在的单片机芯片集成度高,具有CPU速度快、内有闪存、A/D转换、PWM输出、16位定时器、振荡等功能,其最大优点是和以往相比电路极少,可以用C语言、汇编语言或两者混合编程,较大地降低了开发和生产成本[2]。因此控制系统将基于单片机进行开发。
新颖、实用的LED灯具智能开关控制系统的控制面板由8051单片机、红外传感器、光敏电阻等组成,其中8051单片机对环境亮度和是否有人存在等检测信号进行控制,以有效、可靠为重点,控制与单片机相连接的节能LED灯具及其它照明电器设备,实现各种设计的功能。光敏电阻和红外传感器的组合使用,可以做到各连接电器的准确控制,并通过单片机的程序处理能扩大控制功能,例如感应开启、延时关闭等,这样大大的方便人们的日常生活,也节约了用电,提高了用电安全性。因此,在智能开关控制系统的总体设计过程中必须考虑三个注意事项和实现四个技术指标。见表1。
2 工作原理
智能开关控制系统具有照度检测技术,可以在不同环境亮度的情况下,应用先进的红外传感器,主动探测人体接近、移动等运动状态,并通过单片机的控制而开启或关闭LED灯具,从而节约电能,降低碳排放。尤其在夜间对于老人可省去摸黑寻找照明开关的麻烦,确保其安全活动的照明,同时也免去了家人忘记关闭灯具的顾虑,提高用电的安全性。***1所示是控制电路的框***,采用由红外传感器与光敏电阻等器件组成的组合检测电路进行检测,能准确的检测到外界的信号,从而由单片机对该信号进行相应处理。由红外、光敏电阻和单片机等器件组成的基本电路结构简单,布线小,可靠性高,使总电路的价格大大降低,也方便了以后的检查维修,而且还可以通过调整开关元件实现控制功能的扩展,提高了智能开关控制系统的实用性。
智能开关控制系统采用的STC12C5410AD系列20引脚封装的8051单片机,该单片机有15个输入输出端口,除检测信号使用一个输入端口外,其余的均能作开关控制用途[3]。***2是系统部分原理***[4]。本控制系统将利用一部分端口用做手动开关输入,另一部分端口用做相应继电器的动作控制,这样人们安装一个智能开关控制系统便能控制空间中的大部分LED灯具或其他照明电器,降低日常生活中的使用成本。
3 系统软件设计
系统采用关控制,如果环境没达到自动开启的条件,可以根据个人的需要通过按钮进行手动控制,也可以手动调整开启条件,适应环境的变化。由于单片机中存有多个输入输出端口,我们可以利用这些端口使家庭里除了LED灯具之外的电风扇、抽风机等电器产品由手动开关转变为智能开关控制。本控制系统主要用于控制的绿色环保光源LED灯具,使用寿命长、节能省电,不含铅和汞等有毒有害物质,能比传统灯具省电接近50%,而单片机在规定时间内如果没有输入信号,也将进入睡眠状态,降低功耗,符合绿色环保、低碳节能的时尚。***3是系统程序设计流程***[5]。
以下是部分的程式设计源代码:
void main()
{ kinput=0;
P1=0x7f;
P3=0x3f;
cnt1=cnt2=cnt3=0;
time1_mark=1200;
time_1=time_2=0;
red_mark=light_mark=0;
TMOD = 0x10;
TL1 = 0xF0;
TH1 = 0xD8;
TCON=0x40;//TR1置1,开始计数
IE = 0x88;
CMOD=0x02;//PCA时钟模式为fosc/2;
CL=0x00;//清0计算器
CH=0x00;
PCA_PWM0=0X00;
CCAP0L=0x3F;
CCAP0H=0x3F;
CCON=0x40;//CR置零,将PCA计数器打开
CCAPM0=0x42;
while(1)
{debounce();
light();
if(red_in==1)
{red_mark=1; //红外标志位
cnt1=cnt2=cnt3=0; //定时开始计时
time_1=time_2=1;//两个时间控制标志位
}if(light_in==1)
light_mark=1; //光敏标志位
timeset();//时间检查函数
main_f(); //功能开通函数
}}
4 结束语
通过设计由8051单片机、红外传感器、光敏电阻等组成的控制电路和系统程序可以完成一路智能输入,多路运用继电器或可控硅等开关元件等对直流、交流电源进行控制的开关输出,从而控制节能LED灯具及其它照明电器,实现各种预定的功能。实践证明电路是可靠实用可行,方便了人们的日常生活,也降低了能耗,减少了碳排放,保护了环境。
参考文献:
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[2] 古鹏,温武,陈耀华.新型单片机芯片实现家居智能控制的单元设计[J].电脑知识与技术,2008(5):713-716.
[3] 张金家.剖析“智能家居集成及其平台技术研究”[C].建筑及住宅社区数字化技术应用研讨会论文集,2003:33-38.