CN102879635A - 能耗监测、分项计量及分析预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种能耗监测、分项计量及分析预警系统，该系统包括：机壳，在机壳内装有负载能耗采集传输电路，该电路包括：在交流电源相线和中线之间并联有负载、整流电路和电压采样电路；整流电路输出端串联稳压芯片后接电量计量芯片输入端；电压采样电路输出端接电量计量芯片输入端；电流采样电路输入端接相线，其输出端接电量计量芯片输入端；电量计量芯片输出端串联光电耦合抗干扰电路后接微控制器芯片输入端；微控制器芯片另一个输入端接4x4矩阵按键模块；微控制器芯片输出端分别连接LCD显示模块、无线发射模块、报警控制电路。本发明有益效果：能监控整体负载能耗并能超限报警，提醒调整或系统升级，对实现建筑节能降耗具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及的是能耗监测、分项计量及分析预警系统。
背景技术
随着国民经济的发展，国内用电量也随之增长，造成能耗不断攀升，国内电能紧张现象已非常严重了。近年来我国研究者对全国范围内的酒店、学校、医院、办公楼等多种公共建筑进行了详细的用能调研，得到全国五大气候区各类建筑的用能强度及终端能源消耗存在能耗不断攀升的信息，已占全国能源消耗将近40%，能耗总量比同等气候条件下发达国家要高出2-3倍。目前，国内对超负荷运转的生产单位用电已经有了限制措施，但对酒店、学校、医院、办公楼等建筑物（写字间）的用电量超负荷还没有有效的限制措施，出现白天开照明灯、人走灯还亮的浪费现象。因此人们期望出现对酒店、学校、医院、办公楼等建筑物（写字间）单位制定合理的用电量，对使用中超出规定电量用报警的方式进行提示，引起人们注意，便于人们对用电做出调整或系统升级，为全国有效地控制用电和节能降耗提供技术基础。
发明内容
本发明的目的在于更好实现节能降耗，提供一种根据设定的能耗强度来对该建筑物（写字间）的用电能耗数据进行分项，通过能耗超额监测报警系统对建筑物（写字间）的用电分项报警，具有层次化、人性化、智能化的能耗监测、分项计量及分析预警系统。
解决上述技术问题的技术方案是：一种能耗监测、分项计量及分析预警系统，所述能耗监测、分项计量及分析预警系统包括：装有控制面板的机壳，在机壳内装有对整体负载能耗采集传输电路，所述整体负载能耗采集传输电路包括：在220交流电源的相线和中线之间并联连接有负载、交流变直流的整流电路和电压采样电路；所述整流电路输出端串联稳压芯片后接到电量计量芯片的输入端；所述电压采样电路的输出端接电量计量芯片的输入端；电流采样电路的输入端接相线，其输出端接电量计量芯片的输入端；所述电量计量芯片的输出端CF串联光电耦合抗干扰电路后连接微控制器芯片的一个输入端；微控制器芯片另一个输入端连接4x4矩阵按键模块；微控制器芯片的输出端分别连接LCD显示模块、无线发射模块、报警控制电路。
本发明的有益效果是：本发明能实时、安全有效的监控酒店、学校、医院、办公建筑的整体负载能耗情况，对上述建筑物办公室（写字间）的电耗进行分项超限报警，当某个建筑物（写字间）出现实际能耗量超标时，通过声光报警方式提醒用户，引起人们注意，并做出调整或系统升级，方便快捷的提供实地调研所需的数据，为全国性调研节约了时间和精力，数据的真实性和及时性也做到了最佳。
本发明通过安装于酒店、学校、医院、建筑办公室中的分项负载电能计量仪表，对数据进行统一处理，存储、分析和比较数据，找出问题并及时处理能耗问题；同时还能通过无限发送到互联网上并传至市、省、国家级数据中心，对数据进行存储、分析、公示，为形成完整地全国性的能耗监测标准奠定基础；本发明操作简单方便，能及时发现和处理问题，对实现建筑节能降耗具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的电路框图；
图2是图1中电量计量芯片及光电耦合抗干扰电路的连接图；
图3是本发明对建筑办公室整体负载能耗采集传输报警电路框图，图中显示的整体负载包括照明负载、空调负载、办公设备负载；
图4是显示图3中微控制器芯片、LCD显示模块、无线发射模块及报警控制电路连接图，图中显示对照明负载、办公设备负载、空调负载报警控制电路。
图5是本发明的微控制器芯片软件流程图；
图6是本发明中机壳外形及控制面板主视图。
《附图中序号说明》
1：整体负载能耗采集传输电路；1a:照明负载电量计量电路；1b:空调负载电量计量电路；1c:办公设备负载电量计量电路；2：中线（零线）；3：相线；4：电压采样电路；5：电流采样电路；6：整流电路；7：电量计量芯片；8：微控制器芯片（CPU）；9：4x4矩阵按键模块；10：LCD显示模块；11：无线发射模块；12：报警控制电路；13：负载；13a:照明负载、13b:空调负载；13c：办公设备负载；14：稳压芯片（型号为78L05）；15：光电耦合抗干扰电路；16：光电耦合器；17：晶振电路；101：机壳；102：开关；103a：照明负载指示灯；103b：办公设备负载指示灯；103c：空调负载指示灯；104：蜂鸣器；105：键盘；106：LCD显示屏；
IC3：音效集成电路；VL1、VL2、VL3：发光二极管；GB:电源；S：开关；V1、V2、V3、V4：三极管；W1：照明负载实际能耗值；W2：空调负载实际能耗值；W3：办公设备实际能耗值；S1：照明负载能耗阈值（上限限定值）；S2：空调负载能耗阈值（上限限定值）；S3：办公设备负载统能耗阈值（上限限定值）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详述。
如图所示，本发明提供一种能耗监测、分项计量及分析预警系统，所述能耗监测、分项计量及分析预警系统包括：装有控制面板的机壳101，在机壳101内装有对整体负载能耗采集传输电路1，所述整体负载能耗采集传输电路1包括：在220交流电源的相线3和中线2之间并联连接有负载13、交流变直流的整流电路6和电压采样电路4；所述整流电路6输出端串联稳压芯片14后接到电量计量芯片7的输入端；所述电压采样电路4的输出端接电量计量芯片7的输入端；电流采样电路5的输入端接相线3，电流采样电路5的输出端接电量计量芯片7的输入端；所述电量计量芯片7的输出端CF串联光电耦合抗干扰电路15后连接微控制器芯片8（CPU）的一个输入端；微控制器芯片8另一个输入端连接4x4矩阵按键模块9；微控制器芯片8的输出端分别连接LCD显示模块10、无线发射模块11、报警控制电路12。
所述负载13包括：照明负载13a或空调负载13b或办公设备负载13c。
图6是本发明中机壳10外形及控制面板主视图。
如图6所示，所述控制面板包括：设置在机壳101面板上的开关102、照明负载指示灯103a、办公设备负载指示灯103b、空调负载指示灯103c、LCD显示屏106、键盘105、蜂鸣器104。
所述电量计量芯片7是型号为ADE7757的芯片，电量计量芯片7输入端的引脚V1N和引脚V1P接电流采样电路5的输出端；电量计量芯片7输入端的引脚V2N和引脚V2P接电压采样电路4的输出端；所述电量计量芯片7的输出端CF接光电耦合抗干扰电路15。
所述光电耦合抗干扰电路15包括：型号为TIL117的光电耦合器16、电阻R11、电阻R12、电容C8、电容C9；所述电阻R11一端接电量计量芯片7的输出端CF，电阻R11另一端接光电耦合器16的正极；所述电容C8的一端连接在电阻R11与光电耦合器16之间的节点上，其另一端接地；光电耦合器16的基极接正5V电源,光电耦合器16的输出端接微控制器芯片8的负载引脚P3.3至引脚P3.5上；在光电耦合器16的输出端与地之间并联电阻R12和电容C9。
所述微控制器芯片8是型号为AT89S52的芯片；所述微控制器芯片8输入端的引脚XTAL0和引脚XTAL1接晶振电路17、微控制器芯片8输入端的引脚VCC、引脚GND和引脚RESET外接电源和按键复位电路；微控制器芯片8输入端的负载引脚P3.3至引脚P3.5接光电耦合器16的输出端；所述微控制器芯片8的八个引脚P1.0到引脚P1.7接4x4矩阵按键模块9。
所述微控制器芯片8输出端的引脚P3.0至引脚P3.2分别接LCD显示模块10的引脚CS、引脚STD、引脚SCLK；所述微控制器芯片8输出端的引脚P2.6、引脚P2.7分别接无线发射模块11的引脚D0和引脚D1；微控制器芯片8输出端的三个引脚P2.2、引脚P2.1、引脚P2.0分别接无线发射模块11的三个引脚TXEN、引脚CS、引脚PWR。
所述LCD显示模块10是型号为SMG12864ZK的模块；所述无线发射模块11是型号为PTR2000的模块；稳压芯片14是型号为78L05的芯片。
所述微控制器芯片8的输出端接报警控制电路12，所述报警控制电路12是：微控制器芯片8输出端的引脚P0.0、引脚P0.1、引脚P0.2分别串联电阻R1、电阻R2、电阻R3后分别接到三极管V1的基极、三极管V2的基极、三极管V3的基极；三极管V1的发射极、三极管V2的发射极、三极管V3的发射极分别串联电容C1、电容C2、电容C3后均接电源GB的负极；三极管V1的集电极、三极管V2的集电极、三极管V3的集电极分别串联发光二极管VL1和电阻R4、发光二极管VL2和电阻R5、发光二极管VL3和电阻R6后均串联开关S后接到电源GB的正极；三极管V1的发射极、三极管V2的发射极、三极管V3的发射极均连接音效集成电路IC3的输入端，音效集成电路IC3的输出端接到三极管V4的基极，三极管V4的发射极接电源GB的负极，三极管V4的集电极串联蜂鸣器104串联开关S后接到电源GB的正极。
如图5所示，所述微控制器芯片8软件流程依照如下步骤进行：
1）开始、系统进行初始化：对系统进行初始化；
2）键盘105输入：在键盘105上输入照明负载能耗阈值S1、空调负载能耗阈值S2、办公设备负载统能耗阈值S3和设定的时间；
3）键盘105判断输入：键盘105输入正确进入下一步骤；键盘105输入错误返回；
4）在LCD显示屏106上输出显示照明负载能耗阈值S1、空调负载能耗阈值S2、办公设备负载统能耗阈值S3和设定时间常数；
5）读入电流采样数据、电压采样数据；
6）负载实际能耗值计算：对照明负载实际能耗值W1、空调负载实际能耗值W2、办公设备实际能耗值W3计算；
7）输出到LCD显示模块10和无线发射模块11，显示能耗数据并上传到上一级监控网络；
8）负载实际能耗值与负载能耗阈值数据分别对比：采用对应原则，分项负载实际能耗值进入对应的对比通道分别对比：
照明负载实际能耗值W1大于照明负载能耗阈值S1时，出现红色的照明负载指示灯103a闪光和蜂鸣器104报警，反之结束；空调负载实际能耗值W2大于空调负载能耗阈值S2时，出现绿色的照明负载指示灯103c闪光和蜂鸣器104报警，反之结束；办公设备实际能耗值W3大于办公设备负载统能耗阈值S3时，出现黄色的照明负载指示灯103b闪光和蜂鸣器104报警，反之结束；
9）结束：在设定的时间内，当照明负载实际能耗值W1小于或等于照明负载能耗阈值S1、空调负载实际能耗值W2小于或等于空调负载能耗阈值S2、办公设备实际能耗值W3小于或等于办公设备负载统能耗阈值S3值时，结束一个时间间隔的比较。
更具体的说，如图1至图4所示，所述整流电路6采用桥式整流电路；所述稳压芯片14是型号为78L05外购芯片，其功能是使整流电路6输出稳定的+5V直流电压。负载13包括办公室内照明负载13a、空调负载13b、办公设备负载13c，负载13接在220交流电源的相线和中线之间，经电流采样电路5采集的电流信号和电压采样电路4采集的电压信号分别送到电量计量芯片7中的模数转换模块（ADC），电流信号和电压信号分别经模数转换模块（ADC）后提供给电量计量芯片7中的数字乘法器电路，数字乘法器电路输出一个正比于电流和电压乘积的信号，此信号在经过数字频率转换器电路产生与实际使用电能成比例的电能脉冲，随后电能脉冲经电量计量芯片7的输出端CF接光电耦合抗干扰电路15中的光电耦合器16正极，所述光电耦合抗干扰电路15的作用是实现电量计量芯片7和微控制器芯片8的隔离，减小干扰的作用。
上述负载13、电压采样电路4、电流采样电路5、电量计量芯片7和光电耦合抗干扰电路15是组成对负载13电量计量的电路。所述负载13包括照明负载13a、空调负载13b、办公设备负载13c。
如图3所示，照明负载电量计量电路1a是由照明负载13a与电压采样电路4、电流采样电路5、电量计量芯片7和光电耦合抗干扰电路15组成。
空调负载电量计量电路1b是由空调负载13b与电压采样电路4、电流采样电路5、电量计量芯片7和光电耦合抗干扰电路15组成。
办公设备负载电量计量电路1c是由办公设备负载13c与电压采样电路4、电流采样电路5、电量计量芯片7和光电耦合抗干扰电路15组成。
所述不同负载电量计量电路（照明负载电量计量电路1a、空调负载电量计量电路1b、办公设备负载电量计量电路1c）中光电耦合抗干扰电路15的输出端分别对应接到微控制器芯片8的引脚P3.3、引脚P3.4、引脚P3.5上，经微控制器芯片8分别对照明负载13a、空调负载13b、办公设备负载13c的电量进行数据显示、报警和传输处理。
所述4x4矩阵按键模块9输入端接在微控制器芯片8的P1.0到P1.7共计8个引脚，在4x4矩阵按键模块9上输入照明负载能耗阈值（上限限定值）S1、空调负载能耗阈值（上限限定值）S2、办公设备负载能耗阈值（上限限定值）S3和设定时间常数，在设定时间内微控制器芯片8对照明负载实际能耗值W1、空调负载实际能耗值W2、办公设备实际能耗值W3与照明负载能耗阈值（上限限定值）S1、空调负载能耗阈值（上限限定值）S2、办公设备负载能耗阈值（上限限定值）S3相比较，一旦超过对应项的阈值，与微控制器芯片8引脚P0.0、引脚P0.1、引脚P0.2对应的报警控制电路12输出为高电平，引发光和声音的报警，同时将实际耗电量和阈值电量由微控制器芯片8向LCD显示模块10输出在LCD显示屏106实现数据显示，并由微控制器芯片8输出到无线发射模块11可向上级监控中心进行无线通讯；同时微控制器芯片8对上述的数据进行贮存。
如图2所示，所述电量计量芯片7的引脚V2N、引脚V2P、引脚V1N和引脚V1P是电能计量芯片7的输入通道，其中引脚V1N和引脚V1P对应电流采样电路5输入通道，引脚V2N和引脚V2P对应电压采样电路4输入通道，分别采用差动输入方式；电量计量芯片7的引脚CF是频率校验输出引脚，其输出频率反应平均有功功率的大小。
如图4所示，所述微控制器芯片8（CPU）是型号为AT89S52的芯片；微控制器芯片8的引脚XTAL0和引脚XTAL1外接晶振电路17，晶振电路17的作用是为微控制器芯片8提供时钟源；微控制器芯片8的引脚VCC、引脚GND外接电源；微控制器芯片8的引脚RESET外接按键复位电路；微控制器芯片8引脚P1.0至引脚P1.1共八个引脚外接4x4矩阵按键模块9，在微控制器芯片8内部通过软件来实现对不同按键的识别及输入数据的处理。
所述微控制器芯片8的引脚P3.0至引脚P3.2分别连接LCD显示模块10的引脚CS、引脚STD、引脚SCLK，实现微控制器芯片8同LCD显示模块10的串行通讯。
所述微控制器芯片8的引脚P2.6、引脚P2.7分别连接无线发射模块11的引脚D0和引脚D1，实现串行通讯；决定无线发射模块11工作模式的引脚TXEN、引脚CS、引脚PWR分别连接微控制器芯片8的引脚P2.2、引脚P2.1、引脚P2.0，通过微控制器芯片8的内部软件程序来实现工作对其工作模式的选择。
所述报警控制电路12通过微控制器芯片8的引脚P 0.0、引脚P0.1和引脚P0.2三个引脚控制，所述报警控制电路12由电阻R1至电阻R3、电容C1至电容C3、发光二极管VL1至发光二极管VL3、三极管V1至三极管V4、音效集成电路IC3组成；通过发光二极管的颜色区分不同用电负载的能耗报警。如本发明发光二极管颜色作如下选择：选择照明负载指示灯103a的发光二极管为红色、办公设备负载指示灯103b的发光二极管为黄色、空调负载指示灯103c的发光二极管为绿色，同时结合声音报警。
实际工作中，当某一用电负载的实际能耗值（照明负载实际能耗值W1、空调负载实际能耗值W2、办公设备实际能耗值W3）高于设定能耗阈值（照明负载能耗阈值S1、空调负载能耗阈值S2、办公设备负载能耗阈值S3）时，相应的端口输出高电平，相应的三极管触发导通点亮相应颜色的发光二极管，音效集成电路IC3工作，三极管V4导通，蜂鸣器104发出报警声。反之，若某一用电负载的实际能耗在设定范围之内，则相应端口输出低电平，三极管处于关断状态，发光二极管不点亮，音效集成电路IC3不工作，晶体管V4不导通，蜂鸣器104也不发声。
Claims (8)
1.一种能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述能耗监测、分项计量及分析预警系统包括：装有控制面板的机壳（101），在机壳（101）内装有对整体负载能耗采集传输电路（1），所述整体负载能耗采集传输电路（1）包括：在220交流电源的相线（3）和中线（2）之间并联连接有负载（13）、交流变直流的整流电路（6）和电压采样电路（4）；所述整流电路（6）输出端串联稳压芯片（14）后接到电量计量芯片（7）的输入端；所述电压采样电路（4）的输出端接电量计量芯片（7）的输入端；电流采样电路（5）的输入端接相线（3），其输出端接电量计量芯片（7）的输入端；所述电量计量芯片（7）的输出端CF串联光电耦合抗干扰电路（15）后连接微控制器芯片（8）的一个输入端；微控制器芯片（8）另一个输入端连接4x4矩阵按键模块（9）；微控制器芯片（8）的输出端分别连接LCD显示模块（10）、无线发射模块（11）、报警控制电路（12）。
2.根据权利要求1中所述的能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述负载（13）包括：照明负载（13a）或空调负载（13b）或办公设备负载（13c）。
3.根据权利要求1中所述的能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述控制面板包括：设置在机壳（101）面板上的开关（102）、指示灯（103a，103b，103c）、LCD显示屏（106）、键盘（105）、蜂鸣器（104）。
4.根据权利要求1中所述的能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述电量计量芯片（7）是型号为ADE7757的芯片，电量计量芯片（7）输入端的引脚V1N和引脚V1P接电流采样电路（5）的输出端；电量计量芯片（7）输入端的引脚V2N和引脚V2P接电压采样电路（4）的输出端；所述电量计量芯片（7）的输出端CF接光电耦合抗干扰电路（15）。
5.根据权利要求1中所述的能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述光电耦合抗干扰电路（15）包括：型号为TIL117的光电耦合器（16）、电阻R11、电阻R12、电容C8、电容C9；所述电阻R11一端接电量计量芯片（7）的输出端CF，电阻R11另一端接光电耦合器（16）的正极；所述电容C8的一端连接在电阻R11与光电耦合器（16）之间的节点上，其另一端接地；光电耦合器（16）的基极接正5V电源,光电耦合器（16）的输出端接微控制器芯片（8）的负载引脚P3.3至引脚P3.5上；在光电耦合器（16）的输出端与地之间并联电阻R12和电容C9。
6.根据权利要求1中所述的能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述微控制器芯片（8）是型号为AT89S52的芯片；所述微控制器芯片（8）输入端的引脚XTAL0和引脚XTAL1接晶振电路（17）、微控制器芯片（8）输入端的引脚VCC、引脚GND和引脚RESET外接电源和按键复位电路；微控制器芯片（8）输入端的负载引脚P3.3至引脚P3.5接光电耦合器（16）的输出端；所述微控制器芯片（8）的八个引脚P1.0到引脚P1.7接4x4矩阵按键模块（9）；
所述微控制器芯片（8）输出端的引脚P3.0至引脚P3.2分别接LCD显示模块（10）的引脚CS、引脚STD、引脚SCLK；所述微控制器芯片（8）输出端的引脚P2.6、引脚P2.7分别接无线发射模块（11）的引脚D0和引脚D1；微控制器芯片（8）输出端的三个引脚P2.2、引脚P2.1、引脚P2.0分别接无线发射模块（11）的三个引脚TXEN、引脚CS、引脚PWR。
7.根据权利要求1中所述的能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述微控制器芯片（8）的输出端接报警控制电路（12），所述报警控制电路（12）是：微控制器芯片（8）输出端的引脚P0.0、引脚P0.1、引脚P0.2分别串联电阻R1、电阻R2、电阻R3后分别接到三极管V1的基极、三极管V2的基极、三极管V3的基极；三极管V1的发射极、三极管V2的发射极、三极管V3的发射极分别串联电容C1、电容C2、电容C3后均接电源GB的负极；三极管V1的集电极、三极管V2的集电极、三极管V3的集电极分别串联发光二极管VL1和电阻R4、发光二极管VL2和电阻R5、发光二极管VL3和电阻R6后均串联开关（S）后接到电源GB的正极；三极管V1的发射极、三极管V2的发射极、三极管V3的发射极均连接音效集成电路IC3的输入端，音效集成电路IC3的输出端接到三极管V4的基极，三极管V4的发射极接电源GB的负极，三极管V4的集电极串联蜂鸣器（104）串联开关（S）后接到电源GB的正极。
8.根据权利要求1中所述的能耗监测、分项计量及分析预警系统，其特征在于，所述微控制器芯片（8）软件流程依照如下步骤进行：
1）开始、系统进行初始化；
2）键盘（105）输入；
3）键盘（105）判断输入：键盘（105）输入正确进入下一步骤；键盘（105）输入错误返回；
4）在LCD显示屏（106）上输出显示不同负载能耗阈值（S1、S2、S3）和时间常数；
5）读入电流采样数据、电压采样数据；
6）负载实际能耗值（W1、W2、W3）计算；
7）输出到LCD显示模块（10）和无线发射模块（11），显示能耗数据并上传到上一级监控网络；
8）负载实际能耗值（W1、W2、W3）与负载能耗阈值（S 1、S2、S3）数据分别对比；
9）结束。
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