学生公寓电量监控系统的设计

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1、摘要随着信息技术的发展与快速应用，用电管理也快速步入了信息化 的轨道。为弥补现有公寓用电管理系统在功能上、结构上的缺陷，着重考 虑用电管理系统在安全监控等功能以及系统结构上的改进，强化系统终端 功能。本文分析国内宿舍集体用电管理的发展趋势，结合现有条件，针对 目前宿舍供电网络中自动化水平低，故障率高等现状而设计。提出一种智 能电网下的宿舍用电监控解决方案。该系统以单片机 AT89S52 为控制核心 把得到的数字量送入单片机进行数据处理，然后通过LCD液晶显示电压和 电流，功率等的实时值。集成了 SPI串行总线和模拟、数字功能模块，简 化了外围电路设计。能够实现对电网运行状态实时监测、远程控制高

2、压熔 断器的断开与闭合、电能计量以及对历史用电状况进行分析等。与传统设 计相比，系统避免了布线的烦恼，使宿舍看起来更加整洁干净。同时模块 化的设计，系统的维护更加方便，扩展性加强，适用于管理集体化的宿舍1.2 研究意义随着学院各项管理的不断深入，学生用电器的增多和普 及，学院用电安全隐患及浪费成为安全和节能管理急待解决的问题，特别 是学生宿舍用电安全的隐患问题，如使用发热电器和超负荷用电时，应实 现自动判断、自动控制（即自动断电供电），以及电量储值计量、自动检 测违规用电、用电监控等问题的解决。因此，如何从实际需要出发，改变 原有的落后的用电管理模式，利用校园网的资源，建立一套科学的，完善 的

3、学生公寓用电管理系统，将学生公寓各用电点的信息进行集中处理，并 通过计算机实现统一控制管理，是我校后勤用电主管部门急待解决的问题 这就需要设计和开发“基于单片机的智能宿舍安全用电监控系统”。1.3 智能用电系统的总体方案智能用电系统硬件部分主要模块包括： 电源电路部分，测量控制电路部分，通信电路部分，光照强度检测部分。电源电路部分是将市电通过开关电源变成24V和5V给控制柜中接口板和 主控板中芯片供电。为了防止突然的掉电系统数据的致命性影响，系统中 设置了一个备用的电源并延时保护数据。测量控制电路可以分为采集计量 电路和继电器控制电路。采集计量电路主要是由89S52单片机、AD1674A 模数

4、转换芯片、电压和电流互感器组成。锁存电路、继电器驱动和继电器 三部分构成了继电器控制电路单片机将计算所得功率和累计电量以及继电 器开断状况通过液晶显示器及时反映出来，在接受上位机命令的同时，也 将这些信息上传服务器。供电系统结构图如图3.1 所示。ADC0808AT89C52LCD显示电压信号电流信号键盘电源时钟及复位图 1.1智能供电系统结构图本设计是以AT89C52作为核心控制器，电压、电 流2路输入信号，经过A/D转换，测得的参数通过LCD显示实时数据。多 路电参数采集系统，包括模数转换模块、时钟及复位模块、 LCD 显示模块 键盘模块及电源，系统总体结构如图1.1所示。第二章电量监控系

5、统的硬件设计2.1硬件电路2.1.1单片机最小系统 模块单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部 分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分 部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同 时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单 片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块 芯片上。在本设计中，最小系统应该包括：单片机、晶振电路、复位电路等。 如图2.1所示，晶振电路由C1与C2和晶振组成，晶振是给单片机提供工 作信号脉冲的。它的速率就是单片机的工作速率，简单地说，没有晶振， 就没有时钟

6、周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工 作。如果 RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。每次复位后， 单片机的程序都会从第一条开始从新执行。另外，还额外设计了滤波防干 扰电路，由C13与R12组成，电源先经过它们再接入单片机的Vcc，可以 有效的减少其中的杂波带来的干扰。图2.1 单片机最小系统2.1.3开关量输入、输出部分铃声控制器根据 接收的开关信号来判断铃声系统运行的状态，需要接收的开关信号。开关 的信号经过电路板上的接口传入光电隔离器。图 2.2 数据输入通道电网报警铃声系统运行时控制曳引体的转动，同 时也要输出一些数字量传递校园铃声系统的运行状态，在本设计中

7、，控制 器可以输出8个数字量信号。电路的输入端同样接到P0 口，使能端接 P1.4，当P1.4为1时，则把P0 口的数据输出给其他部分。图2.3数据输出通道2.1.1复位电路AT89S52的复位引脚（Reet）连 接高电平超过两个机器周期，即可产生复位的动作。以 12MHz 的始终脉冲 为例，每个时钟脉冲为1/12卩，2个机器周期为2卩。在运行中，外界干 扰等因素可使单片机的程序陷入死循环状态或跑飞。为摆脱困境，可将单 片机复位，以重新启动。因此，可在单片机复位引脚上连接一个可让该引 脚上产生一个2卩以上的高电平脉冲，即可产生复位的工作，如图2.4所 示。其中电容两端并接的按钮开关的作用是手动

8、强制复位。图2. 4复位电路随时间的增加，电容上面的电压值慢慢增大，而RST 引脚上的电压值逐渐降低，当RST引脚的电压值降低至低电平时， AT89S52 单片机恢复到正常状态，称为上电复位。2.1.2时钟脉冲AT89S52单片机内部已经具备振荡电路，只要在GND 引脚上方的两个引脚（即18、19引脚）连接简单的石英振荡晶体（Cry tal）即可。在本设计中米用的是内部时钟电路。在某TAL1和某TAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。定时元件通 常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。时钟脉冲部分电路如图2.5 所示。图 2.5 时钟脉冲电路设计 2.1.3 中断系统处理完该

9、事件之后，再回到 原来被中止的地方，继续原来的工作，这样的过程称为中断。发送：当 CPU将一个数据写入发送缓冲器SBUF时，就启动发送，发送完一帧数据 由硬件自动将 TI 置位。如果每个中断源的相应位被置位，则该中断源的 优先级为高。如果相应的位被复位，则该中断源的优先级为低。接收：在 串口允许接收数据时，即可串口接收数据，当一帧数据接收完成后，由硬 件自动将RI置位。EA：使能标志位置位则所有中断使能复位则禁止所有 中断。最后把中断源相应的中断矢量压入程序计数器PC，程序转到中断 服务程序执行。2.1.4 存储电路系统中许多关键数据如基本用电信息、事件信息、屏 幕校准系数、汉字库等要求掉电后

10、自动存储，因此外接非易失的存储芯片 以便系统断电后能再次读取。单片机将新的购电量和原表内剩余电量相加 得到新的剩余电量，存于可断电保存的EEPROM芯片中。当单片机用于实 时数据采集或处理大批量数据时，仅靠片内提供的 RAM 是远远不够的。此 时，我们可以利用单片机的扩展功能，扩展外部数据存储器。图2.6CAT24WC256与单片机接口电路C1是滤波电容，用于滤除来自 24WC256芯片电源附近干扰信号。由于采用双电源供电方案，24WC256中 记录的数据不会丢失。2.2 硬件外围电路的实现2.2.1 键盘电路的设计本文的键盘设置包括 四个按键：启动键、温度的增加键、温度的降低键和确认键。通过

11、这四个 键的整体配合，可以根据设置的温度的上下限值观察报警灯的工作状态，使调节的过程安全可靠，对应的按键的序号排列如图2.7 所示。用AT89S52的并行口 Pl接4某4矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以 P1.4P1.7作输出线；液晶显示器上显示每个按键的“0 F”序号。行线通过上拉电阻接到+5V上，无按键按下时，行线处于高电平状态，有 键按下时，行线的电平状态将由与此行线相连接的列线的电平决定.键盘 输入的信息主要进程是：1CPU判断是否有键按下.2确定是按下的是哪个 键.3 把此键所代表的信息翻译成计算机可以识别的代码或者其他的特征 符号。图2.7键盘与单片机硬件连接图2.2.2显

12、示电路设计最简单的显示器 可以使LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的 显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。为了实时的得到测 量结果，该系统的人机接口就是液晶显示。其内部含七对达林顿放大管， 其主要功能：当输入为高电平时，输出为低电平;输入为低电平时，输出为 高电平。每个时钟信号的上升沿加到CP端时，移位寄存器移一位，8个 时钟脉冲过后，8为二进制数个部移入74LS164中，MR为复位端，当该位 为低电平时，移位寄存器各位复0当它为高电平时时钟脉冲才起作用。图2.8显示电路2.2.3电源模块采用3节5号电池进行供电，由J10 接入，其中前后两组电容用来去耦

13、滤波，使其供给芯片的电源更加干净平 滑。为了获得标准的3.3伏电压，在电路上加入SPY0029三端稳压器和两 个二极管，是为了防止误将电源接反造成不必要损失而设置的。在操作过 程中千万不要将电源接反，因为反向电压超过一定值，二极管将会被损坏 达不到保护的目的。图2.9电源模块2.2.4蜂鸣器驱动模块采用压电式蜂鸣器，压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5-15V直流工作 电压），多谐振荡器起振，输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推 动压电蜂鸣片发声。图2.10音频输出电路图当电流达到或超过上限是

14、就会报警，报警电 路与单片机的P2.3 口相连当单片机输出一个低电平时，蜂鸣器就会发出 报警信号，说明电流已经超过规定的上限值，外部输出设备应该启动进行 相应的措施。只用在人按下复位按钮或电路在允许的范围内报警电路就不 会触动。由于持续的声音不能够引起人们的关注，所以本系统的报警电路 采用间断的声音和频闪的灯光来实现。这一任务的实现主要靠软件来实现 在此不再赘述。2.2.5 测温电路在完整的智能家电网络形成后，温度信息将作为智能 显示终端对空调等控温设备进行主动调控的重要依据，使用户能享有健康 自然的室内环境。选用DS18B20芯片作为数字温度传感器。DS18B20提供 912位摄氏温度测量功

15、能。通过一条数据线进行数据收发，因此在处理 器和 DS18B20 之间仅需一条连接线。主机能够控制一个或多个从机设备， 通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时 能释放该线，而让其他设备使用。单线通常要求外接一个 5K 的上拉电阻 这样当该线空闲时，其状态为高电平。其测温范围为-55+ 125C，温度 转换可配置为9位、10位、11位和12位，对应的分辨率分别为0.5C、 0.25C、0.125C和 0.0625C。图 2.13 所示为 DS18B20 与 PIC32M 某 460F512L的接口电路。图2.11DS18B20接口电路2.3测量电路设计2.3.1功率/电

16、能测量电 路AD7755是美国AD公司推出的脉冲输出的高精度电功率测量芯片，本次 设计多功能电能表采样电阻R采用600 UQ锰铜电阻。CF为校验脉冲引 脚，本次设计CF引脚脉冲频率测量功率和电能计量，CF输出频率由F乘 以倍频系数获得，由SCF引脚输入逻辑电平决定。通过单片机计数器计量 CF引脚脉冲个数，每计量3200个脉冲为lkWh电能。功率/电能测量电 路如图2.12所示。图2.12功率/电能测量电路2.3.2电压测量电路在本系统的设计中， 单片机通过接收命令来控制高压熔断器的断开与闭合，采用的是气动控制， 而且要保证每次控制动作都能完成。电源进线为三相四线制，针对每相电 压分相计量，通过调节电位器，当电压原边线圈输入的各相电压均为 220V时，副边线圈两端电压恰好为IV。压力信号通过压力传感器转化后 是一个微小的电压变化信号，所以本文采用LM324运算放大器来对信号进 行放大。所以要有一个多路AD转换电路，压力检测电路如图2.13所示。图2.1