CN111486503B - 一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及家庭电采暖技术领域，尤其是一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法，包括MCU核心控制模块、火线输入模块、火线输入模块和火线输入模块，所述火线输入模块、火线输入模块和火线输入模块的输出端分别通过导线与电流互感器、电流互感器以及电流互感器的输入端连接，所述电流互感器、电流互感器以及电流互感器的输出端通过导线与整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与采集调理电路的输入端连接，该电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法可以大大提高数据的接收和处理速度，以及控制速度；一旦单片机检测到主进线漏电流超过设定值，马上按预先设定好的优先级切断某个通道的供电，达到控制总功率的目的。

Description

一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及家庭电采暖技术领域，尤其涉及一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法。

背景技术

家电网供电进入家庭使用功率63A，随着冬季家庭电采暖的大量应用再加上生活用电，保护开关在极限用电时会引起跳闸，影响家庭正常生活用电，而无增容的话，就意味着需要进行外网线路改造，费用高，手续繁琐，困难重重。为了解决这一问题，我们发明了智能电采暖功率分配装置，填补了电取暖智能化管理及电力外网不用增容的市场空白，产品技术水平居国内同行业优秀地位。广泛应用于住宅各类电采暖设备项目中,如电热艺术壁画、欧式电取暖壁炉、地热电缆辐射供暖等。

本发明设备能够监测用户电功率的变化，利用温度作为惯性变量的物理特性，实现电采暖分时复用的智能控制。

在保证生活用电的前提下，按照用户自定义的优先等级分室、分时启动电采暖设备，使得户内用电负荷始终保持在额定安全范围内。

为此，我们提出了一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种电采暖智能变频、无增容控制系统，包括MCU核心控制模块、火线输入模块、火线输入模块和火线输入模块，所述火线输入模块、火线输入模块和火线输入模块的输出端分别通过导线与电流互感器、电流互感器以及电流互感器的输入端连接，所述电流互感器、电流互感器以及电流互感器的输出端通过导线与整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与采集调理电路的输入端连接，所述采集调理电路的输出端与A/DC采集模块的输入端连接，所述 A/DC采集模块的输出端通过信号线与MCU核心控制模块的输入端连接，所述MCU核心控制模块通过信号线与WIFI无线模块双向信号连接，所述MCU核心控制模块通过信号线与RF射频模块双向信号连接，所述MCU核心控制模块的输出端通过信号线与继电器模块、继电器模块的输入端连接，所述继电器模块、继电器模块的输出端通过信号线与调压电路、调压电路的输入端连接，所述继电器模块的输入端连接火线输入模块，所述继电器模块的输入端连接火线输入模块。

一种电采暖智能变频、无增容控制系统的控制方法，包括如下步骤；

S1、首先进行漏电流采集，主线路允许通过的总的电流大小为 0-100A,5个通道允许通过的总的最大漏电流大小为30mA,漏电流的采集采用的是电流互感器，可将主线路和5个通道的线路里面的漏电流按比例采集到，然后再由整流电路整流，转换成可由MCU核心控制模块接收的直流，然后通过电阻转换成MCU核心控制模块能识别的直流电压，电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成，它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中。因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路，电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，二次侧不可开路；

S2、将漏电流进行调理，采用分压然后比例放大，作用等同于电压跟随，使后面级对前面级的影响很小。DR1＝DR11,DR9＝DR2。放大电路输入电压为Uin＝DR11/(DR9+DR11)，后面是同向比例运算放大电路，因此整个电路的输出为： ADC1＝Uin(1+DR2/DR1)＝DR11/(DR9+DR11)*(1+DR2/DR1)＝Uin；由于采用了比例运算放大电路，所以放大电路后级对前级影响很小。

S4、进行模数转换，将采集到的漏电流信号传递给MCU核心控制模块的AD接口，让MCU核心控制模块进行模数转换，转换成MCU核心控制模块能识别的数字信号，本产品采用STM32自带ADC采集接口： 12位采集精度，1M采样速率，共使用6路采集接口，分别采集5个通道电流互感器经电流采集调理电路传输过来的电压信号，MCU核心控制模块根据自己设定的参考电压，在程序的控制下经过很短的时间进行采样，A/D转换，得到了一定的数字量，例如事先通过参考电压的设置，将50mA设定为111111111111；那么这时40mA的采样电流就是110011001100，此数字量可供MCU核心控制模块识别，MCU核心控制模块内部经过程序的反向运算，可以得出此时采集到的漏电流就是40mA，程序运算公式为：漏电流值＝50÷111111111111×MCU核心控制模块采得的数字量MCU核心控制模块程序事先设定控制通断优先级，有多种优先级通断控制模式，如：设置各个通道通电的优先级顺序为1、2、3、4、5；断开的顺序为：5、4、3、2、1；其他的优先级可以在程序中自设；一旦MCU核心控制模块检测到主进线漏电流超过设定值，马上按预先设定好的优先级切断某个通道的供电，达到控制总功率的目的，一旦MCU核心控制模块检测到主线路总的漏电流值小于设定值，程序自动按优先级开启各个通道，由于本产品通常用于地暖的加热控制，地暖如果长期不用的话，湿度会增大，正常使用的情况下漏电流会增大，影响本发明设备的正常检测，而地暖在工作的过程中，断电后不会很快降温，可以通过软件解决这个问题；MCU 核心控制模块与通道通断控制电路采用本发明设备的IO口控制继电器的通断，继电器来控制各通道220V交流电的通断，来达到控制各通道通断的目的，同时若继电器吸合，该通道上接的电流互感器得电，漏电流又可采集到，并传递给MCU核心控制模块处理；同时也通过串口连接WiFi模块接收外部网络的参数配置控制信号，内置WIFI模块，频段2.4GHZ，使用串口和stm32进行通讯，从而使STM32可以通过 WiFi模块连接上云端服务器，HLK-M50为串口wifi模块，可将MCU 核心控制模块的串口信息转换成wifi模式的2.4GHZwifi信息，与其他的wifi设备进行通信，手机、平板、微机都可以通过装上应用软件连上云端服务器，继而通过云端服务器，和本产品内部的STM32MCU 核心控制模块进行通讯，实现智能数据传输，达到远程操作该产品的目的，应用软件可以通过网络远程控制本发明设备某个通道的通断，可以查看各个通道的漏电流，可以实时获取配套的乐福之家温控器的温度采集数据，并且设置温控器的温度数据。

优选的，所述MCU核心控制模块为STM32MCU核心控制模块， STM32MCU是一款基于ARMCortex-M内核的32位的微控制器，主频速度：72MHz，可以大大提高数据的接收和处理速度，以及控制速度。

本发明提出的一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法，有益效果在于：该产品采用MCU核心控制模块：STM32单片机，STM32 MCU是一款基于ARM Cortex-M内核的32位的微控制器，主频速度：72MHz，可以大大提高数据的接收和处理速度，以及控制速度；进行模数转换；一旦单片机检测到主进线漏电流超过设定值，马上按预先设定好的优先级切断某个通道的供电，达到控制总功率的目的；单片机与通道通断控制电路采用本发明设备的IO口控制继电器的通断，继电器来控制各通道220V交流电的通断，来达到控制各通道通断的目的；同时也通过串口连接WiFi模块接收外部网络的参数配置控制信号；手机APP智能交互界面，可实时显示(餐厅、客厅、卧室实时温度，实时总功率等)，可手动任意开启和关闭供暖电路，实时查看用电情况；也通过TTL电平串口连接电平转换模块进行电平转换，可在恶劣的环境中如电磁干扰强或无线信号传输困难等苛刻应用环境通信；温控设备是通过SPI接口连接内置NRF射频模块，和本发明设备进行通信，频段433MHZ，通讯距离可达100米以上，完全能满足室内设备的互相通讯；参数在每配置完之后都会被单片机实时自动存入eeprom中，即使设备掉电也不会丢失数据；本发明设备后面的调压电路采用的是整周波通断控制调压。

附图说明

图1为本发明提出的一种电采暖智能变频、无增容控制系统的原理框图；

图2为本发明提出的一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法的WiFi模块的电路连接图；

图3为本发明提出的一种电采暖智能变频、无增容控制系统及其控制方法的MCU核心控制模块的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，一种电采暖智能变频、无增容控制系统，包括MCU 核心控制模块、火线输入模块1、火线输入模块3和火线输入模块5，火线输入模块1、火线输入模块3和火线输入模块5的输出端分别通过导线与电流互感器1、电流互感器3以及电流互感器5的输入端连接，电流互感器1、电流互感器3以及电流互感器5的输出端通过导线与整流滤波电路的输入端连接，整流滤波电路的输出端与采集调理电路的输入端连接，采集调理电路的输出端与A/DC采集模块的输入端连接，A/DC采集模块的输出端通过信号线与MCU核心控制模块的输入端连接，MCU核心控制模块通过信号线与WIFI无线模块双向信号连接，MCU核心控制模块通过信号线与RF射频模块双向信号连接， MCU核心控制模块的输出端通过信号线与继电器模块1、继电器模块 5的输入端连接，继电器模块1、继电器模块5的输出端通过信号线与调压电路1、调压电路5的输入端连接，继电器模块1的输入端连接火线输入模块1，继电器模块5的输入端连接火线输入模块5。

一种电采暖智能变频、无增容控制系统的控制方法，包括如下步骤；

S1、首先进行漏电流采集，主线路允许通过的总的电流大小为0-100A,5个通道允许通过的总的最大漏电流大小为30mA,漏电流的采集采用的是电流互感器，可将主线路和5个通道的线路里面的漏电流按比例采集到，然后再由整流电路整流，转换成可由MCU核心控制模块接收的直流，然后通过电阻转换成MCU核心控制模块能识别的直流电压，电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器。电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成，它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中。因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，二次侧不可开路；

S2、将漏电流进行调理，采用分压然后比例放大，作用等同于电压跟随，使后面级对前面级的影响很小。DR1＝DR11,DR9＝DR2。放大电路输入电压为Uin＝DR11/(DR9+DR11)，后面是同向比例运算放大电路，因此整个电路的输出为： ADC1＝Uin(1+DR2/DR1)＝DR11/(DR9+DR11)*(1+DR2/DR1)＝Uin；由于采用了比例运算放大电路，所以放大电路后级对前级影响很小。

S4、进行模数转换，将采集到的漏电流信号传递给MCU核心控制模块的AD接口，让MCU核心控制模块进行模数转换，转换成MCU核心控制模块能识别的数字信号，本产品采用STM32自带ADC采集接口： 12位采集精度，1M采样速率，共使用6路采集接口，分别采集5个通道电流互感器经电流采集调理电路传输过来的电压信号，MCU核心控制模块根据自己设定的参考电压，在程序的控制下经过很短的时间进行采样，A/D转换，得到了一定的数字量，例如事先通过参考电压的设置，将50mA设定为111111111111；那么这时40mA的采样电流就是110011001100，此数字量可供MCU核心控制模块识别，MCU核心控制模块内部经过程序的反向运算，可以得出此时采集到的漏电流就是40mA，程序运算公式为：漏电流值＝50÷111111111111×MCU核心控制模块采得的数字量MCU核心控制模块程序事先设定控制通断优先级，有多种优先级通断控制模式，如：设置各个通道通电的优先级顺序为1、2、3、4、5；断开的顺序为：5、4、3、2、1；其他的优先级可以在程序中自设；一旦MCU核心控制模块检测到主进线漏电流超过设定值，马上按预先设定好的优先级切断某个通道的供电，达到控制总功率的目的，一旦MCU核心控制模块检测到主线路总的漏电流值小于设定值，程序自动按优先级开启各个通道，由于本产品通常用于地暖的加热控制，地暖如果长期不用的话，湿度会增大，正常使用的情况下漏电流会增大，影响本发明设备的正常检测，而地暖在工作的过程中，断电后不会很快降温，可以通过软件解决这个问题；MCU 核心控制模块与通道通断控制电路采用本发明设备的IO口控制继电器的通断，继电器来控制各通道220V交流电的通断，来达到控制各通道通断的目的，同时若继电器吸合，该通道上接的电流互感器得电，漏电流又可采集到，并传递给MCU核心控制模块处理；同时也通过串口连接WiFi模块接收外部网络的参数配置控制信号，内置WIFI模块，频段2.4GHZ，使用串口和stm32进行通讯，从而使STM32可以通过 WiFi模块连接上云端服务器，HLK-M50为串口wifi模块，可将MCU 核心控制模块的串口信息转换成wifi模式的2.4GHZwifi信息，与其他的wifi设备进行通信，手机、平板、微机都可以通过装上应用软件连上云端服务器，继而通过云端服务器，和本产品内部的STM32MCU 核心控制模块进行通讯，实现智能数据传输，达到远程操作该产品的目的，应用软件可以通过网络远程控制本发明设备某个通道的通断，可以查看各个通道的漏电流，可以实时获取配套的乐福之家温控器的温度采集数据，并且设置温控器的温度数据。

MCU核心控制模块为STM32MCU核心控制模块，STM32MCU是一款基于ARMCortex-M内核的32位的微控制器，主频速度：72MHz，可以大大提高数据的接收和处理速度，以及控制速度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电采暖智能变频、无增容控制系统，其特征在于，包括MCU核心控制模块、火线输入模块(1)、火线输入模块(3)和火线输入模块(5)，所述火线输入模块(1)、火线输入模块(3)和火线输入模块(5)的输出端分别通过导线与电流互感器(1)、电流互感器(3)以及电流互感器(5)的输入端连接，所述电流互感器(1)、电流互感器(3)以及电流互感器(5)的输出端通过导线与整流滤波电路的输入端连接，所述整流滤波电路的输出端与采集调理电路的输入端连接，所述采集调理电路的输出端与A/DC采集模块的输入端连接，所述A/DC采集模块的输出端通过信号线与MCU核心控制模块的输入端连接，所述MCU核心控制模块通过信号线与WIFI无线模块双向信号连接，所述MCU核心控制模块通过信号线与RF射频模块双向信号连接，所述MCU核心控制模块的输出端通过信号线与继电器模块(1)、继电器模块(5)的输入端连接，所述继电器模块(1)、继电器模块(5)的输出端通过信号线与调压电路(1)、调压电路(5)的输入端连接，所述继电器模块(1)的输入端连接火线输入模块(1)，所述继电器模块(5)的输入端连接火线输入模块(5)；

一种电采暖智能变频、无增容控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤；

S1、首先进行漏电流采集，主线路允许通过的总的电流大小为0-100A,5个通道允许通过的总的最大漏电流大小为30mA,漏电流的采集采用的是电流互感器，可将主线路和5个通道的线路里面的漏电流按比例采集到，然后再由整流电路整流，转换成可由MCU核心控制模块接收的直流，然后通过电阻转换成MCU核心控制模块能识别的直流电压； 电流互感器是依据电磁感应原理将一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量的仪器； 电流互感器是由闭合的铁心和绕组组成，它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路； 电流互感器是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，二次侧不可开路；

S2、将漏电流进行调理，采用分压然后比例放大，作用等同于电压跟随，使后面级对前面级的影响很小； DR1＝DR11,DR9＝DR2； 放大电路输入电压为Uin＝DR11/(DR9+DR11)，后面是同向比例运算放大电路，因此整个电路的输出为：

ADC1＝Uin(1+DR2/DR1)＝DR11/(DR9+DR11)*(1+DR2/DR1)＝Uin；由于采用了比例运算放大电路，所以放大电路后级对前级影响很小；

S4、进行模数转换，将采集到的漏电流信号传递给MCU核心控制模块的AD接口，让MCU核心控制模块进行模数转换，转换成MCU核心控制模块能识别的数字信号，本产品采用STM32自带ADC采集接口：12位采集精度，1M采样速率，共使用6路采集接口，分别采集5个通道电流互感器经电流采集调理电路传输过来的电压信号，MCU核心控制模块根据自己设定的参考电压，在程序的控制下经过很短的时间进行采样，A/D转换，得到了一定的数字量，例如事先通过参考电压的设置，将50mA设定为111111111111；那么这时40mA的采样电流就是110011001100，此数字量可供MCU核心控制模块识别，MCU核心控制模块内部经过程序的反向运算，可以得出此时采集到的漏电流就是40mA，程序运算公式为：漏电流值＝50÷111111111111×MCU核心控制模块采得的数字量MCU核心控制模块程序事先设定控制通断优先级，有多种优先级通断控制模式，如：设置各个通道通电的优先级顺序为1、2、3、4、5；断开的顺序为：5、4、3、2、1；其他的优先级可以在程序中自设；一旦MCU核心控制模块检测到主进线漏电流超过设定值，马上按预先设定好的优先级切断某个通道的供电，达到控制总功率的目的，一旦MCU核心控制模块检测到主线路总的漏电流值小于设定值，程序自动按优先级开启各个通道，由于本产品通常用于地暖的加热控制，地暖如果长期不用的话，湿度会增大，正常使用的情况下漏电流会增大，影响本发明设备的正常检测，而地暖在工作的过程中，断电后不会很快降温，可以通过软件解决这个问题；MCU核心控制模块与通道通断控制电路采用本发明设备的IO口控制继电器的通断，继电器来控制各通道220V交流电的通断，来达到控制各通道通断的目的，同时若继电器吸合，该通道上接的电流互感器得电，漏电流又可采集到，并传递给MCU核心控制模块处理；同时也通过串口连接WiFi模块接收外部网络的参数配置控制信号，内置WIFI模块，频段2.4GHZ，使用串口和stm32进行通讯，从而使STM32可以通过WiFi模块连接上云端服务器，HLK-M50为串口wifi模块，可将MCU核心控制模块的串口信息转换成wifi模式的2.4GHZwifi信息，与其他的wifi设备进行通信，手机、平板、微机都可以通过装上应用软件连上云端服务器，继而通过云端服务器，和本产品内部的STM32MCU核心控制模块进行通讯，实现智能数据传输，达到远程操作该产品的目的，应用软件可以通过网络远程控制本发明设备某个通道的通断，可以查看各个通道的漏电流，可以实时获取配套的乐福之家温控器的温度采集数据，并且设置温控器的温度数据。

2.根据权利要求1所述的一种电采暖智能变频、无增容控制系统，其特征在于，所述MCU核心控制模块为STM32MCU核心控制模块，STM32MCU是一款基于ARMCortex-M内核的32位的微控制器，主频速度：72MHz，可以大大提高数据的接收和处理速度，以及控制速度。

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