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1、 河海大学物联网工程学院专业综合实践报告题 目 家用设备用电管理器 年级专业 11级自动化 学 号 1162510330 学生姓名 谢洪涛 指导教师 张金波 学校名称 河海大学常州校区 0目录目录1第一章 设计方案21.1 设计方案框图2第二章 模块构建32.1单片机模块32.2温度传感器模块42.3继电器控制模块62.4键盘输入模块72.5电能计量模块72.6电源模块82.7液晶显示模块9第三章 系统电路设计10第四章 课设心得与结论11第五章 附录125.1源程序清单：12摘 要本课程设计采用AT89C51单片机作为主控芯片，通过keil C编写代码。通过对普通插座的改造，即用单片机控制继
2、电器从而控制插座电流的通断，实现了家用设备的节电功能（主要针对空调）。我们通过DS18B20半导体温度传感器和51定时器实现了冬天和夏天功能，定时用电功能。而电能计量功能的实现，我们则是通过CS5460A电能计量芯片实现，最后将关键信息通过1602液晶显示屏显示出来。关键字：节能，单片机，DS18B20,CS5460AAbstractThis course is designed with STC89C51 MCU as the main control chip, through the Keil C code. Through the transformation of ordinary
3、socket, relay and control socket current controlled by on-off, and realizes the electricity saving function household equipment (mainly for air conditioning). We implemented the winter and summer function by DS18B20 semiconductor temperature sensor and a 51timer, timing and power function. The elect
4、ric energy metering function, we are through the CS5460A energy metering chip, will eventually be displayed by LCDkey information.Key words: Energy saving, MCU, DS18B20, CS5460A第一章 设计方案1.1 设计方案框图键盘输入模块电能计量模块电源模块温度传感器模块51单片机液晶显示模块继电器控制模块图1-1 方案设计图第二章 模块构建2.1单片机模块AT89C51 提供以下标准功能：4k 字节Flash 闪速存储器，128字
5、节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。图2-1-1 单片机最小系统原理图图2-1-2单片机最小系统PCB图2.2温度传感器模块DS18B20 数字温度计提供9-12 位摄氏温度测量而且有一个由高低电平触发的可编程的不因电源消失而改变的报警功能。DS18B20
6、通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央处理器和DS18B20 之间仅需一条连接线（加上地线）。它的测温范围为-55125，并且在-1085精度为5。除此之外，DS18B20能直接从单线通讯线上汲取能量，除去了对外部电源的需求。每个 DS18B20 都有一个独特的64 位序列号，从而允许多只DS18B20 同时连在一根单线总线上；因此，很简单就可以用一个微控制器去控制很多覆盖在一大片区域的DS18B20。这一特性在HVAC 环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。DS18B20的核心功能是它的直接读数字的温度传感器。温度传感器的精度为用户可编程的9，10，11
7、或12位，分别以0.5，0.25，0.125和0.0625增量递增。在上电状态下默认的精度为12位。DS18B20启动后保持低功耗等待状态；当需要执行温度测量和AD转换时，总线控制器必须发出44h命令。在那之后，产生的温度数据以两个字节的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中，DS18B20继续保持等待状态。当DS18B20由外部电源供电时，总线控制器在温度转换指令之后发起“读时序”（见单总线系统节），DS18B20正在温度转换中返回0,转换结束返回1。如果DS18B20由寄生电源供电，除非在进入温度转换时总线被一个强上拉拉高，否则将不会由返回值。温度寄存器格式：2.3继电器控制模块电磁继电器一
8、般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。这次继电器用来控制
9、插座的通断，从而实现节能，是整个系统中非常关键的一步。图2-3继电器模块原理图2.4键盘输入模块 矩阵键盘是单片机外部设备中所使用的排布类似于矩阵的键盘组。采用行扫描识别按键。 它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是44个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。 键盘用来输入定时时长，实现设备定时功能。图2-4矩阵键盘原理图2.5电能计量模块CS5460A 是具有有功功率计算引擎的CMOS单片功率测量芯片，它包含了两个增益可编程放大器、两个 调制器、两个高速滤波器，具有系统校准和有效
10、值/功率计算功能，以提供瞬时电压/电流/功率数据采样及有功能量、IRMS 、VRMS的周期计算结果。为适应低价测量应用，CS5460A也能在给定引脚上输出脉冲串，输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。CS5460A专为功率测量进行了优化，它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流；与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器（ PGA ） ， 使输入电平满量程可选择为250mVRMS 或50mVRMS 。电压通道的PGA可适应250mV 的输入电压范围。对于VA+和VA-两端接单5V电源的情况，两个通道的差模输入引脚间所加的共模信号电压为
11、0.25V到5V。另外，设计时可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入，此时输入信号的共模电压加在AGND上。有功能量及有效值计算:瞬态电压和电流的数字量将作另外的处理。参见图3，每对瞬态电压/电流的采样数据相乘，得到瞬时有功能量的采样值。每个A/D采样周期后，新的瞬态功率采样值存入瞬时功率寄存器（可被用户读出）。N个瞬时功率采样值作为一组（N值放在周期计数寄存器中），每组的瞬时功率累加和用于计算存放组能量寄存器中的数值，它正比于芯片在最近N个A/D转换周期中寄存的有功能量的值。当前的瞬时功率累加和右移了12次（相当于除以4096），以避免能量寄存器产生溢出。有效值同样利用最近的N个瞬态电压
12、/电流采样值计算，这些值可从RMS电压寄存器和RMS电流寄存器中读出。2.6电源模块 这个模块的核心元件是LM7805CT，它是一个三端稳压器，输入端输入一个电压，输出是5V，不过输入电压必须大于5V，最好在7V以上，当然输入电压太大也不行，否则发热很快！ 电源的作用是给个芯片供电，并为CS5460A提供基准电压。图2-6-1 5V稳压电源原理图图2-6-2 5V稳压电源PCB图2.7液晶显示模块1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每
13、行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。1602及其驱动电路构成了整个显示模块，用来显示定时时长以及冬天和夏天模式的关键字，即“S”和“W”。 图2-7液晶显示电路原理图第三章 系统电路设计电路是由控制部分、监测部分和显示部分三大部分组成。利用单片机程序进行控制，单片机以晶体振荡器的振荡周期(或外部引入的时钟周期)为最小的时序单位，片内的各种微操作都以此周期为时序基准。振荡频率二分频后形成状态周期或称S周期，所以，1个
14、状态周期包含有2个振荡周期。振荡频率foscl2分频后形成机器周期MC。所以，1个机器周期包含有6个状态周期或12个振荡周期。1个到4个机器周期确定一条指令的执行时间，这个时间就是指令周期。AT89C52单片机指令系统中，各条指令的执行时间都在1个到4个机器周期之间。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。内部振荡方式的外部电路如下图所示。图中，电容器C01，C02起稳定振荡频率、快速起振的作用，其电容值一般在5-30pF。晶振频率的典型值为12MH2，采
15、用6MHz的情况也比较多。内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定，实用电路中使用较多。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。内外部振荡方式的外部电路如下图所示。图3-1 震荡电路图第四章 课设心得与结论本次专业综合实践的我们小组选择了家用设备用电管理器这个课题，课题简单实用，便于自我发挥。这次课设灵活地运用了大学本科学习的硬件设计与软件编程的知识，综合性强，自我拓展空间大。这样的基于实用的设计在现实的工业生产与市场中有极大的潜力。本次课设难度要是比较大的主要是CS5460A电能计量芯片的理解和运用，以及部分软件设计。不过在一段时间的学习之后，我逐渐对它有了基本的了解，并成功的运用到了我们的作品中，完美的解决了我们遇到的电能计量的难题。再通过整个硬件电路的构建与软件系统的设计，便完成了本次实践的作品。本次课
