（计算机应用技术专业论文）学生公寓用电管理系统的研究与设计.pdf

中文摘要 本课题研究与设计了基于单片机控制的学生公寓用电系统。此系统由学生公 寓用电控制子系统、售电子系统及计算机管理子系统组成。实现公寓内每个房间 电量的采集、计算、显示；电量数据的保存、查询和打印；电费的预付费；自动 识别恶性负载控制某个房间停，送电等功能。此系统能够改变目前高校学生公寓 用电混乱，收取电费难的问题。 本系统采用了分块一体化的设计方法。首先把整个系统分为三个子系统；其 次再把每个子系统分成若干个功能模块分别进行设计，这样一旦系统某处发生故 障，便于维修。 电量的采集采用了专用电能计量芯片a d e 7 7 5 5 ，它具有低功耗、精度高、抗 干扰性强等优点，其技术指标超过了i e c l 0 3 6 的准确度要求。电量的计算是以电 脉冲个数作为标准，简化了单片机对电量的计算。 系统采用i c 卡技术实现预付费功能。通过i c 卡读写系统，将欲购的电量读 入公寓售电子系统，售电子系统通过r s - 4 8 5 口与公寓控电子系统通信，把电量 写入控电子系统中的单片机，当欲购电量消耗完毕后，控电子系统的单片机通过 软件控制相应房问的磁保持继电器断开。完成停电，实现预付费功能。 计算机管理子系统与公寓智能控电子系统、公寓智能售电子系统与公寓智能 控电子系统之间的通信采用r s - 4 8 5 标准接口，可实现长距离、抗干扰能力强的 通信。 实用表明本系统实现了预先设计的基本功能，系统结构合理，运行稳定，安 全可靠，具有较高的社会推广价值。 关键词；a t 8 9 s 5 2 单片机 i c 卡r s 4 8 5v b 6 0 a b s t r a c t t b et h e s i sm a i n l yr e s e a t t h e 8a n dd e s i g n st h es y s t e mo fe l e c t r i c i t yb a s e d t h e s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e ru s e di ns t u d e n t s m a n s i o n s t h es y s t a 3 1c o n s i s t so ft h e s u b - s y s t e mc o n t r o l l o de l e , e t r i e i t y , t h es u b - s y s t e ms e l l e de l e c t r i c i t ya n dt l a es u b - s y s t e m m a g e d 、时mt i l ec o m p u t e r t h em a i nf t m e t i o n so ft h e ”y s t e ma r es a m p l i n gd a t a , c a l c u l a t i n g , d i s p l a y i n g , s t o r i n g , q u e r y i n ga n dp r i n t i n gt h eq u a n t i t yo fe l e e t r i c i t y c o n s u m p t i o n , p r e p a y i n gt h ef e eo fe l o e t r i e i t ye o m u m p t i o n , e r e t h es y s t e m n c h a n g et h ec o n f u s e ds t a t co fe l e e t r i c i t yu s e di ns t u d e n t s m a n s i o n sa tp r e s e n t 衄d s o l v et h ed i f l i e u l t yo f e h a r g i n ge l e c t r i c i t yf e e t h es y s t e ml l s e st h em e t h o d c o m b i n 撕o f e a c hw a l t s f i r s t l yw ed i v i d et h e w h o l es y s t e mi n t ot h r e es u b s y s t e m s s e c o n d l yw cd i v i d et h es u b s y s t e m si a t om a n y f b n c t i o n 皿o d u l 鹤i n t h i sc a w h e n t h e r e i ss o m e t h i n g 啪n g 丽血t h es y s t c m , w e c m r e p a i ri te 鹞i l y t h es y s t e mu s 髂a d e 7 7 5 5 ，w h i c hi so fl o wp o w e r , b i 曲m e l l s u l 七p 心s j o na n d r e l i a b i l i t y n st e d m i c a ls t a a d a r di so v 盯1 e c l 0 3 6 t h ed e e t r i e i t y 即e i 翟yi 8e 锄t u a lt o t l i en ! m 3 1 胃o fe l e 咖h i ep u l s e s ml l s eo fa d e 7 7 5 5s i m p l i f i e sl h ee a i c u l 蚯o 1o f q a n t i t yo f e l e c t r i c i t yc 。n 舢p t i o l l 埘t ht h cs i n g l e - d r i pm i c r o c o m p u t e r t h es y s t e mu s e si cc a r dt e e l m o l o g y t op r e p a yt b ef e eo f e l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n w ew r i t et h ed a 童ao fp r e p a i de l e c 仃i c i 母地u m p t i m l oi cc a r d t h e 蚶b s y 吼e m s e l l e de l e c t r i c i t yr e a d st h ed a m o f p r e p a i de l e e m e i t yc o n m m l p d o nf r o m i cc a r d 血- s t l y , t h e n p 舔st h e ml h e a t 8 9 s 5 2o fs u b - s y s t e me o n t r o l c de l e c t r i c i t yb yr $ - 4 8 5 i n t e r f a c e w h e nt h cn e p a i de l e c n t r i c i t yi sa 吐i a n s 吼t h ea t 8 9 s 5 2e 0 1 l l a o l st h eo p e no f b s t 9 0 2 t h ec u s t o m e rp u r c h i ta g a i l l t h ec o m m u n i c a t i o no ft h es u b s y s t e r am a n a g e dw i t h “m l p u t 目a n dt h e s u b s y s l e m e o n h o l e de l e e t r m 啦t h ec o m m m l | n i c 毗i o no ft h es u b s y e 佃ns e l l e d e l e c t r i c i t ya n dt h es u b 一叫s t e me o n 扛o l e de l e e t r i c i t yu s ei 塔- 4 8 5i n t e r f a c e s ow ec m m a k el o n gd i s t a n c ea n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n 1 1 s y s t e mf u l f i l l s t h el l m e t i o mi na d v i i i i c c t h e 咖e t u r eo f 坞s y s l 锄i s r e a s o n a b l e t h es ”t c 1w o r k ss t a b l ym a ds e c u r e l y i ti sv e r yw o r t ho fg e n e r a l i z a t i o n a n da p p l i 缸o n k e yw o r d s ia t 8 9 s 5 2 ，i cc a r d ，r s - 4 8 5 ，6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：别杉彳及签字日期；互鲫多年2 月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名剀杉，缎 签字日期：。谢年| 月，岁日 铷躲碍涉宁 签字日期：。嘭年，月厂日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着高等学校后勤社会化改革的不断推进，各高等院校积极利用社会资金， 通过多种渠道建设了一批又一批现代化、智能化的学生公寓，公寓内的配置不仅 能够满足学生的基本生活需求，而且装有电热水器，备有电话、电视和电脑高速 网络终端。室内还留有空调插座等等。这些用电设备需要比较完善的用电控制和 管理系统，否则会造成学校的用电量剧增，电费增加，经济负担加重。因此，为 了能够有效地控制和管理学生用电的浪费，中央民族大学、南京工业大学、武汉 大学、甘肃政法学院等全国部分高校都相继购买了学生公寓用电智能控靠4 管理系 统，实现用电量的有效控制及限时供电控制，能方便地收取学生基本用电量之外 的电费，对学生违章用电能实现自动化控制。但是每套系统价格昂贵，所以有些 高校由于资金不足只能望尘奠及。本文设计的学生公寓用电控制与管理系统成本 较低，而且能够实现上述功能，对某些院校有一定的借鉴之处。 1 1 学生公寓用电控制管理系统的研制背景 长期以来，我国高校学生公寓用电基本上是实施免费电量供应，即“大包大 揽，统收统支”。这是一种被动的管理模式，学校只能在每月月末才能知道公寓 的用电状况，而且由于校园面积大，学生公寓较多且比较集中，漏电、偷电、超 负荷用电时有发生，从而造成学校用电量大增，经济负担极重，学校财产和资源 在无形中流失极大。这种用电模式导致各高校公寓用电状况一直不能有根本改 变，问题主要集中在l i 】： l 、一些房间不良用电造成浪费。由于学校大包大揽，统收统支，学生无用 电经济责任，电脑2 4 小时开机上网，长明灯大量存在，造成学校电量浪费。 2 、一些房问违章用电。火灾时有发生。部分学生为了方便自己，在房问内 使用大功率的用电设备，如电炉子、热得快、电熨斗等，造成超负荷用电，引起 火灾，给学校后勤用电安全管理带来隐患。 3 、电量、电费快速增长，经济负担加重。近几年来各高校电量增长较快， 究其原因，除正常用电增长外，部分是非正常增长造成大量浪费，其根源与各高 校目前的用电模式有较大的关系。因而改变这种用电模式势在必行。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 根据以上现状。目前有的高校对学生公寓进行了限流定时的供电管理方法， 并有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。这样一 来，解决了供电与用电之问的矛盾，同时也减轻了学校支付高额电费的负担，但 在用电安全和用电节约上仍存在着诸多矛盾和隐患，如由于用电的放开又使得电 炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生公寓，给高校后勤的安全用电管理增 加了难度。此外，实施用电收费管理，必将带来大量的人工抄表统计收费工作， 而传统抄表方式的时效性差、统计工作量大、交费手续极为繁琐、易产生错抄、 漏抄和估抄等现象，又造成了管理与实施的矛盾。因此如何建立一套科学完善的 用电管理系统一直是各高校用电主管部门急待解决的问题。 1 2 课题的提出及意义 为了解决学生公寓用电控制与管理中出现的问题，目前许多高校都自发研制 或购买学生公寓用电控制与管理系统，这些系统各有其特点及优势。如中央民族 大学采用的是“k t d 0 0 1 型用电智能化计量监测管理解决方案 2 】”，这方案具有 以下优点：不用换电表、不用架通讯线，大大降低系统造价；智能化程度高，集 电能计量、收费管理、用电过程管理等功能于一体；有效进行年，月、日用电量 及低压线损统计，有效实现用电成本科学管理# 按需自动生成各种统计报表，完 善管理功能，大大减少了日常人为工作的繁琐与弊端；自动计算指定电表( 房间) 的实时功率并能根据设定的最大功率限值实现超负荷自动报警或自动断电，实现 用电安全管理。同时此项目正式运行后，每年可为中央民族大学用电管理节约 1 5 的经费达到“集中管理、低造价、高可靠性、高智能化的要求。而山东 科技大学、首都经贸大学、泰山医学院等院校使用的山东科技大学中天电子有限 公司生产的“学生公寓用电安全管理系统唧”具有能够识别恶性负载的集中式多 用户电能表，可以避免火灾事故的发生。该系统通过计算机或售电器对电表进行 单户预置电量、单户减少电量、单户售电：这些功能可完全取代i c 卡电表，且 投资少，管理方便可靠；另外还具有远程抄表功能、电表显示功能等。而由石家 庄师慧科教装备有限公司生产的“用电管理系统 4 】”由一台主控计算机和多台控 制柜组成，每台控制柜作为一个测控站，通过单片机模块化控制的方式对多至 锅个用户进行用电的控胄4 管理，形成一个计算机集散测控系统，组成钡i 控网络， 对学生公寓的用电实行遥测控制，既能自动进行用电量的读取、存档、结算，保 证数据的准确性，又能对欠费用户进行警告，停电、送电控制，节省了大量人工 抄表的时间和费用。除此之外，有些高校还使用长沙聚英贸易有限公司生产的 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 。s i m s 智能用电管理系统”等等。这些用电智能控制与管理系统在结构设计上各 有千秋，功能上也稍有不同，但最终都能够较好地解决学生公寓用电控制与管理 上存在的问题，使高校后勤改革上了崭新的台阶。但有些院校由于资金不足，对 这些产品只能望尘莫及，学生公寓用电一直处于混乱状态，更谈不上收取电费， 学校的经济负担明显加重。本课题为了鼹决上述问题，以最低的性价比，吸取上 述各高校所使用的用电控制与管理系统的优点，自行研发并设计了学生公寓用电 控制管理系统。 该系统基本能够解决某些院校由于资金短缺而无法引进该套设备的问题，本 课题所设计的学生公寓用电控制与管理系统花费资金1 5 万元，制作了3 个用电 控先柜，1 个智能售电机，购买了l 台计算机。能够实时控制和管理4 栋楼的4 8 0 个房间的用电。与其它厂家生产的学生公寓用电控制与管理系统相比，适合我校 学生公寓用电特点，较好地解决了我校学生公寓用电中存在的问题。另外具有较 低的价格，主要是因为该系统的硬件设计和软件研发都是由我们自己完成的，而 其它厂家技术产品大都申请了专利，所以高校在购买的时候要花很多资金。因此， 对那些具有一定科研开发能力的高校，可以借鉴本课题的设计思想，设计结构， 研发出适合自己本校的学生公寓用电控制与管理系统。因此，本课题对高校普及 推广使用学生公寓用电控制与管理系统具有深远意义。 1 3 课题设计方案概述 该系统由三个子系统构成：一部分是学生公寓智能售电子系统，一部分是学 生公寓智能控电子系统，另一部分是计算机管理子系统。学生公寓智能售电子系 统和计算机管理子系统分别通过r s 4 8 5 口与学生公寓智能控电子系统进行通信。 学生公寓智能售电子系统主要由单片机、i c 卡读写器和液晶显示部分组成；学 生公寓智能控电子系统主要由母板、单片机板、电量数据采集板和l e d 显示板 组成，1 块母板上有l 块单片机税、1 块l e d 显示板、1 6 块电量数据采集板， 整个智能控电子系统共有3 0 块母板、3 0 块单片机板、3 0 块l e d 显示板和4 8 0 块电量采集板，这些电路板封装在3 个控制柜中；计算机管理子系统主要由1 台 计算机、一台打印机组成。整个系统的组成框图5 1 6 】 1 8 1 如图l 一1 所示。 1 4 课题的总体设计功能 1 、能够对每个房间用电量进行实时计量、显示。各房间的用电量可以在用 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 电控制柜上逐一巡回显示，实时显示各房间目前的用电量：每月l 号数据自动归 零，重新记录，同时系统自动结算e 月用电量；另外每个房间可通过刷卡在公寓 智能售电子系统的液晶显示屏上显示房间号、用电量及剩余电量。 图1 - i 整个系统的组成框图 公 寓 智 能 控 屯 子 系 统 2 、能够对某个房间进行单独的停送电。在系统中，通过点击鼠标或按键即 可实现对某一( 些) 房间的停送电，不用去现场合闸，既方便快捷又安全可靠。 3 、能够定时对所有用户进行停送电控制。在系统软件中，按星期分为周一 至周日七天，每天分三个时间段，也可根据用户的实际情况，自由设置，更改每 天的停送电时阃。 4 、能够预置每个房间的基础用电量，收取扣除基本用电量之外的电费。并 天津大学硬士学位论文第一章绪论 且可以根据实际情况进行调节。 5 、强大的欠费自动停电功能。除了电费用完自动停电这一简单功能外，还 可以根据学校自身情况，通过系统软件设置多种条件，如可以设定电费用完后， 再允许使用n 度这样，可以避免晚间电费用完后，无法交电费的麻烦。 6 ，方便的交费管理。学生交费可将交费金额通过系统软件直接输入系统， 系统会自动保存，并可将收据直接打印出来，另外学生可通过刷卡，查询所交费 用是否存入卡中。 7 、数据安全性的可靠保证。系统设有强大的数据库，保护每个用户2 年的 每月用电量，1 个月的每天用电量。同时，由于采用了e e p r o m 存储芯片，即 使停电、断电状态下也可保持内部数据不丢失，做到数据安全。 8 、应急处置。系统如果发生故障能够通过手动开关切断控制系统，恢复 强电通路，这样即使在偶尔发生故障的情况下也不影响学生用电。 1 5 本文主要工作及创新 本课题为实际应用课题，本文的主要研究工作如下： 1 ，硬件设计采用了分块一体化的设计模式。先设计母板，在每个母板上分 别留有相应功能子板的插槽。这样不但有利于分块设计、调试，而且有利于电路 的维修。 2 、选用了新型的a t 8 9 s 5 2 单片机。 3 、使用了新型的1 2 c 总线技术。利用此技术设计了i c 卡与单片机的硬件连 接电路，编写了i c 卡的读写程序。 4 、研制了以a d e 7 7 e e 为核心的高准确度电量采集板，编写了电量采集子 程序，并进行了调试。 5 、设计了公寓智能控电子系统和公寓智能售电子系统的硬件电路，并进行 了调试。 6 、设计了公寓智能售电子系统与公寓智能控电子系统、公寓智能控电子系 统与计算机管理子系统通信的硬件电路，并进行了调试。 7 、用汇编语言编写了公寓智能控电子系统和公寓智能售电子系统的软件， 并进行了调试。 8 、进行了系统的抗干扰分析与设计。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 6 本文各章内容安排 第一章绪论。介绍了课题的研制背景。在分析国内各高校学生公寓用电控 制与管理系统特点的基础上，结合我校实际提出了本课题的总体设计方案。 第二章系统的硬件设计。首先，介绍了以a t $ 9 s 5 2 单片机为核心的公寓 智能控电子系统与公寓智能售电子系统的硬件电路设计。其次，介绍了公寓智能 控电子系统与计算机管理子系统、公寓智能售电子系统与公寓智能控电子系统通 信的硬件电路设计。主要包括公寓智能控电子系统中母板、电量采集板、单片机 板、显示板的设计；公寓智能售电子系统中单片机与i c 卡、m g l $ 一1 2 8 6 4 液晶 显示模块、d s l 3 0 2 时钟保持芯片的硬件连接电路设计。 第三章系统的软件设计。采用模块化的设计思想，由主程序分别调用相应 的子程序来完成相应的功能。编制了电量采集子程序、l e d 显示子程序、电量 存储与读取子程序、i c 卡读写子程序、液晶显示子程序。 第四章系统的抗干扰设计。分别介绍硬件电路的抗干扰分析与设计、软件 的抗干扰分析与设计以及印刷电路板的抗干扰分析与设计。 第五章实验结果与改进。 天津大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 第二章系统的硬件设计 整个硬件系统分为学生公寓智能控电子系统和学生公寓智能售电子系统的 设计。学生公寓智能控电子系统采用分块一体化的设计模式，该系统由3 0 个母 板组成。每个母板上分别留有1 6 块电量数据采集板、1 块单片机板、1 块l e d 显示板的插槽。由单片机实时控制电量的采集，并把采集的电量进行处理，送 e e p r o m 保存，同时把各房间的用电量送l e d 循环显示。学生公寓智能售电子 系统主要由单片机与i c 卡读写插座、时钟保持芯片、液晶显示芯片和e e p r o m 组成硬件接2 9 1 1 0 l z 】，完成用户的买电，用电量的查询、显示。另外两个子系统 通过r $ 4 8 5 口进行串行通信。整个系统的组成框图如图2 一l 所示。 r 一一一一一一一一一一1i l ： ： 巨曰 ： 公寓智能售电子系统 ： 图2 i 整个系统的硬件组成框固 天津大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 2 1 整个系统所用的主要器件、主要技术 2 1 1c p u 的选型 采用单片机对反映电能的脉冲进行采样和数据处理，使电量的计算更加精 确。因此单片机技术促进了电测领域向智能化方向发展目前，c p u 的发展应 用趋于多样化，主要可分为8 位机和1 6 位机两种，8 位单片机的应用占主流， 根据本系统的特点及功能要求，选用了一种低功耗、低价格、高性能的c m o s 8 位微处理器- - f f 8 9 s 5 2 t “，该c p u 典型的特征是： 与m c s 5 1 单片机产品兼容； - 8 k b 可通过s p i 接口下载的闪存； 内有看门狗定时器： 双数据指针； 掉电后中断可恢复； s p i 串行接口； 2 k b 片内e e p r o m ，可擦写1 0 万次；当写e e p r o m 时，程序可通过 闪存正常执行： 低功耗空闲和掉电模式； 3 2 个可编程i o 口线； 3 个1 6 位定时器计数器； 8 个中断源； 三级加密程序存储器； 全静态操作：0 t t z 3 3 h z 。 2 1 21 2 c 总线技术及应用 由于在学生公寓智能控电子系统与公寓智能售电子系统的设计中，用到的存 储器芯片2 4 l c l 6 b 、i c 卡插座等都是与单片机串行接口的l ：c 器件，因此，在 介绍这些器件之前，很有必要介绍一下1 2 c 总线技术及其应用情况。 1 2 c 总线是p h i l i p s 公司开发的一种简单、双向二进制同步串行总线。它只 需要两根线( 串行时钟线和串行数据线) 就可实现完善的全双工同步数据传送， 可以方便地构成多机系统和外围器件的扩展系统。这种总线的主要特性1 ” 如下： 总线只有两根线：串行时钟线和串行数据线； 每个连接到总线上的器件都可由软件唯一的地址寻址，并建立简单的主 天津大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 从关系，主器件既可作为发送器，又可作为接收器； 它是一个真正的多主总线，带有竞争检测和仲裁电路，可使多个主机任 意同时发送而不破坏总线上的数据； 同步时钟可以作为停止和重新启动串行口发送的握手方式； 连接到同一总线的集成电路数只受4 0 0 0 p f 的最大总线电容的限制。 1 2 c 总线极大地方便了系统的设计者，无需设计总线接1 2 1 。因为总线接口已 经集成在片内了，从而使设计的时间大大缩短，并且从系统中移去或增加集成电 路芯片对总线上的其他集成电路芯片没有影响。而且，1 2 c 总线的简单结构便于 产品改型或升级。目前具有1 2 c 总线的单片机、显示驱动、a d 和d a 转换器、 r a m 、e e p r o m 、i o 接口等在内的上百种i ：c 接口电路芯片，都有市场供应。 f c 总线只有两根信号线，一根是双向的数据地址线s d a ，另一根是串行 时钟线s c l 。所有连接到1 2 c 总线上的设备，其串行数据线都接到总线的s d a 上，而各设备的串行时钟线都接到总线的s c l 上典型i 2 c 总线结构如图2 2 所示。 圈2 - 21 2 c 总线结构 由图2 - 2 可以看出，1 2 c 总线是一个多主数据传送系统。即一个i 2 c 总线可 以有一个或一个以上的主器件，总线运行由主器件控制。这里所说的主器件指启 动数据的发送( 发出启动信号) ，产生时钟信号，发出停止信号的设备( 通常由 微处理器完成) 。被主器件访问的设备称为从器件，可以是微处理器，也可以是 其它器件，如存储器、l e d l c d 显示驱动器、a d 及d a 转换器等。为了通信， 每个接到1 2 c 总线上的设备都有一个唯一的地址，以便主器件选择访问。 在多主器件系统中，如果有两个或两个以上的主器件企图占有总线，一旦一 个主器件送“1 ”，而另一个或多个主器件送“0 ”，这个主器件就退出总线竞争。 在竞争过程中，时钟信号是各个主器件产生的时钟信号的“与”。 一般称发送数据到s d a 的设备为发送设备，从s d a 接收数据的设备为接收 天津大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 设备。发送设备既可以是主器件，也可以是从器件( 只能发送数据，地址由主器 件控制选择) ；接收设各同样可以是主器件，也可以是从器件。 1 2 c 总线都是双向i o 总线，通过上拉电阻接电源正极，当总线空闲时为高 电平。连接到总线上的设备，其输出级必须是漏极或集电极开路式电路，保证各 设备的s d a 是“线与”的关系，各设备的s c l 也是“线与”的关系，即任一设 备输出的“0 ”信号都会使总线变为“0 ”。 l 、1 2 c 总线特性 1 2 c 总线上主一从器件之间的数据传送按帧的格式进行。一帧数据由启动信 号、若干字节的数据位、应答位及停止信号组成，如图2 3 所示。 ：( b ) ： ； 。 i j 【c ) i a ) 空闻略动：第l 字节数据的d 7 i 第n 字节数据的d o i停止j空用i 状志归号；! i：i 信叫状态 。封弋p 叶中埘 禁止s d a ；亢许教： 动数据有效；据改变： 图2 - 31 2 c 总线帧数据格式 空闲状态( a 段) 空闲状态s d a 和s c l 均为高电平。但必须注意，并不是s d a 和s c l 均为 高电平时就一定为空闲状态。 启动信号( b 段) 和停止信号( c 段) 当s c l 为高电平期间，s d a 的下降沿被认为是启动信号t 当s c l 为高电平 期间，s d a 的上升沿被认为是停止信号。一帧数据必须从启动信号开始，以停 止信号结束。当总线上出现启动信号后，就认为总线在工作状态，当出现停止信 号并经过一段时间以后，总线被认为是“空闲状态”。 数据传送( d 段) 数据传送以位为基本单位，每帧数据所包含的字节数不受限制，传送完一 个字节后，必须跟一个应答位。对于每个字节，在传送时应遵循“高位先送，低 位后送”的原则。命令字及从器件地址的传送与数据位的传送方式相同，所以常 把命令字和从器件地址及数据位统称为数据。一般在启动信号之后先传送一个字 天津大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 节的命令字，再传送一个字节( 8 位) 或两个字节( 1 6 位) 的地址，最后传送的 才是真正的数据。 应答位 i 2 c 总线协议规定，每传送一个字节数据( 含地址及命令字) 完毕以后，都 要有一个应答位，以确定数据传送是否正确。 ； ； ：； 启动： 一个字节数据 应幸j 主机朴1 _ 厂八厂弋矿卟 ；： ： ： 一s d a 备卞l 厶云叉= j 后= 丁一 翟备 _ 卜- 一、u 广_ s n 一_ _ 7 、ji 厂 图2 _ 41 2 c 总线应答信号 如图2 4 所示应答位的时钟脉冲由主器件产生，发送设备在应答时钟脉冲 的高电平期间释放( 送商电平) 数据地址线s d a ，转由接收设备控制。接收 设备在这个时钟内必须向s d a 送低电平，以便产生有效的应答信号，当接收设 备不能接受( 或不能产生应答) 时，从器件必须保持$ d a 为高电平，此时主器 件产生一个停止信号，使传送异常结束。当主器件为接收设备时，主器件对最后 一个字节不应答，以向发送设备表示数据传送结束。此时发送设备应释放s d a ， 以便主器件产生一个停止信号。 2 、寻址 1 2 c 总线是一种串行通讯总线，它与并行总线不同。并行总线中有地址线， c p u 可通过地址线来选择所需要器件的地址；1 2 c 总线只有一根数据线和一根时 钟线，没有专门的地址线，而是利用数据传送中的头几个字节来传送地址信息。 总线中每个器件都有自己唯一确定的地址。启动条件后主器件发送的第一个字节 就是被读写的从器件的地址，其中第8 位为方向位，“0 ”( 矿) 表示主器件发送， “l ”( r ) 表示主器件接收。总线上每个器件在启动条件后都把自己的地址与主 器件发送的地址相比较，如相同则器件被选中，产生应答，并根据读写位决定在 数据传送中是接受还是发送。无论是主发、主收还是从发、从收都由主器件控制。 在主发送方式下，由主器件先发s ( 启动信号) ，接着发从器件的7 位地址和表 明主器件发送的方向位0 ( 矿) 。被寻址的从器件在收到这个字节后，返回应答 天津大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 信号a ，在确定主从握手应答正常后，主器件向从器件发送字节数据，从器件每 收到一个字节数据后都要返回一个应答信号，直到全部数据都发送完为止。在主 接收方式下，主器件先发出启动信号( s ) 接着发从器件的7 位地址和表明主器 件接受的方向位l ( r ) 。在发送完这个字节后，s c l 继续输出时钟，通过s d a 接收从器件发来的串行数据。主器件每收到一个字节后都要发送一个应答信号 ( a ) 。当全部数据都发送完毕或接收完毕后，主器件应发出停止信号( p ) 如 图2 - - 5 所示为主器件发送和接收数据的过程。 - p ii s从地址s l awa 主数据 a 主数据 a ( a ) 主器件发送数据到从器件 从应答主应答主应答 ( b ) 主器件接收从器件数据 国2 - 5 主器件发送和接受数据的过程 2 1 3 存储器- - 2 4 l c l 6 b 的特点及应用 为了保证掉电后数据不丢失，采用e e p r o m 来存储各房问的用电信息，使 得系统的结构十分简单。由于在系统的正常运行过程中，需要经常改写电量( 增 加0 1 度改写一次电量) ，另外在用户用i c 卡购电后，要把把新购电量写入存储 器中，且此系统要存储各用户两年内每个月的用电信息以及当前月内每天的用电 信息，需要存储的数据较多，因此要采用擦写次数较高、存储容量大的e e p r o m 。 在此系统中选用了m i c r o c h i p 公司的带1 2 c 接口的e e p r o m 器件2 4 l c l 6 b 。 1 、2 4 l c l 6 b 的主要特性f 1 4 l 低到2 5 v 的单电源工作电压： 内部8 x 2 5 6 8 位； 低功耗c m o s 技术； 两线串行接口总线，与i 2 c 兼容； 天津大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 字同步的写周期( 包括字擦除) ； 最大1 6 字节的页写功能； 页写周期的典型值为2 m s ； 对所有的存储区进行硬件写保护； e s d 保护 4 0 0 0 v ： 擦写循环次数：1 0 ，0 0 0 ，0 0 0 次； 数据保存时间 2 0 0 年； 8 脚d i p 、8 或1 4 脚s o i c 封装； 工作环境温度范围 一商用：0 0 c 到7 0 0 0 ； 一工业用：- - 4 0 0 c 到8 5 0 c 。 2 、2 4 l c l 6 b 的引脚功能 s o l ：串行时钟输入端。用于对输入和输出数据的同步。写入e e p r o m 的 串行数据用s o l 的上升沿同步，读出的串行数据用s o l 的下降沿同步。 s d a ：串行数据输入输出( 或地址输入) 端。 w p ：写保护输入端。用于硬件数据保护，当其无效时( 低电平) ，可以对整 个存储器进行正常的读写操作。当其有效时，存储器件具有写保护功能，被保 护部分的读操作不受影响。 a 0 、a l 、a 2 ：片选或页面选择地址输入端。也称为可编程地址输入端，用 于设定芯片地址。假设a 0 、a 1 、a 2 分别接：“+ 5 v ”、“地”、“地”，当作为片 选地址使用时，该芯片的地址就是“1 0 0 ”。 v c c ：+ 5 v 电源端。 o n d ；接地端。 3 、2 4 l c l 6 b 的应用 2 4 1 , 0 1 6 b 串行e e p r o m 与c p u 之间的数据传输符合i 2 c 总线规则，遵守双 向两线制总线和数据传输协议，它的接线1 习【1 ”如图2 1 0 所示。c p u 产生控制 总线收发的串行f l 寸钟s o l ，并产生数据传送的启动条件和停止条件。在数据传送 过程中，当s o l 为高电平时，数据必须是稳定的；当s o l 为高电平时，数据线 上的跳变认为是起始条件或终止条件。 2 1 4 实时时钟芯片d s l 3 0 2 d s l 3 0 2 | 1 7 1 是d a l l a s 公司推出的慢速充电时钟芯片，内含有一个实时时钟 日历和3 l 字节静态r a m 。通过简单的串行接口与单片机通信。实时时钟日 历电路提供秒、分、时、日、周、月、年的信息。每月的天数和闰年的天数可自 天津大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 动调整，时钟的运行可以采用2 4 小时或带a m ( 上午) p m ( 下午) 的1 2 小 时格式。d s l 3 0 2 与单片机之间采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口 线：r s t ( 复位) 、i o ( 数据线) s c l k ( 串行时钟) 。数据可以每次一个字节或 多达3 l 字节多字节形式传送到c k r a m 或从其中送出。d s l 3 0 2 设计成能在 非常低的功耗下工作，消耗小于1 微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。它广泛 应用于电话、传真、便携式仪器以及电池供电的仪器仪表等领域。 l 、d s l 3 0 2 特性 实时时钟，具有计算2 1 0 0 之前的秒、分、时，周、日、月、年的能 力以及闰年调整能力； 用于高速数据暂存的3 1 8r a m 最少引脚数的串行i o ； 用于时钟或r a m 数据读写的单字节或多字节数据传送； 2 5 5 5 v 满度工作范围； 2 5 v 时耗电小于3 0 0 h a ； 简单的3 线接口； 8 引脚d i p 或可选的用于表面安装的8 引脚s o i c 封装； 与d s l 2 0 2 兼容； 可选的工业温度范围一4 d o c 到+ 8 5 。c ； 用于主电源和各份电源的双电源引脚； 可选的慢速充电( 至v c c i ) 的能力； 备份电源引脚可用作电池或超容量电容器的输入端； 2 、d s l 3 0 2 在控电系统中的应用 d s l 3 0 2 是一个可编程的时钟芯片，每一数据传送由命令字节初始化完成。 命令字节各位的定义如表2 一l 所示。 7 6 d s l 3 0 2 控制字的含义 4 32 1o 最高有效位必须为逻辑i 。如果它是0 ，禁止写d s l 3 0 2 。位6 逻辑0 指定时 钟日历数据；逻辑1 指定r a m 数据。位1 到位5 指定进行输入或输出的特定 寄存器。最低有效位为逻辑0 指定进行写操作；逻辑1 指定进行读操作。控制字 节总是从最低位为开始输出。 天津大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 d s l 3 0 2 共有1 2 个寄存器，其中有7 个寄存器与日历时钟有关，存放的数 据位为b c d 码形式。其日历、时间寄存器及其控制字如表2 2 所示。 表2 - 2d s l 3 0 2 的日历、时钟寄存器及其控制字 命令字各位内容 寄存器名取值范围 写读76 5 432l0 秒寄存器8 0 h8 1 ho o 一5 9c h 1 0 s e c s e c 分寄存器8 2 h8 3 h0 0 5 90 1 0 m 叮心 8 4 h 8 5 h 0 1 一1 2 或 ol oi 时寄存器l 捌 加i 腿 h r 0 0 2 3 8 6 h8 7 h 0 1 2 8 2 9 001 0 d 珏d 舳 日寄存器 3 0 ，3 1 月寄存器8 8 h8 9 h0 1 一1 20 oo 1 0 m h 化州t h 周寄存器 8 a h 8 b h 0 1 一0 700 o o 0d a y 年寄存器8 c h8 d ho o 一9 9 1 们旺 a ry e a r 图2 石d s l 3 0 2 与单片机连接 在控电系统中主要利用它的时钟功能用软件实现对公寓定时停送电，按星期 周一到周五每天分三个时间段( 早6 点到8 点；中午1 2 点到下午2 点；下午5 点到晚上l o 点) 集中供电，周六到周日全天供电，也可根据用户的实际情况， 自由设置，更改每天的停送电时间。采用查询方式当送电时间到，系统通过单片 机控制磁保持继电器接通，当送电时间结束，控制磁保持继电器断开，公寓停电。 在此系统中d s l 3 0 2 采用双电源供电，这时v c c z 在双电源系统中提供主电 源，v c c l 连接到各份电源( 此系统为3 v 电池) ，以便在没有主电源的情况下， 天律大学硕士学位论文 第二章系统的硬件设计 能保存时间信息以及数据。d s l 3 0 2 与单片机的连接如图2 6 所示。 2 2 公寓智能控电系统的硬件设计 2 2 1 电量采集模块的设计 在公寓控电系统中，用一个具有脉冲输出的电能计量芯片a d e 7 7 5 5 循环采 集1 6 个房间的用电量，并把采集的电脉冲输出经光电耦合器p s 2 5 0 1 送单片机进 行处理。该系统共设计了4 8 0 块电量采集板，采集4 8 0 个房间的用电量。 1 、电能计量芯片a d e 7 7 5 5 a d e 7 7 5 5 1 ”睫一种高准确度电能集成电路。其技术指标超过了i e c l 0 3 6 的 准确度，a d e 7 7 5 5 只在a d c 和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理( 如 相乘和滤波) 都使用数字电路，这使a d e 7 7 5 5 在恶劣的环境条件下仍能保持极 高的准确度和长期稳定性。 a d e 7 7 5 5 引脚f 1 和f 2 以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动 机电式计度器或微控制器( m u c ) 接口。引脚c f 以较高频率形式输出有功功率 瞬时值，用于校验或与m c u 接口。 高准确度，支持5 0 h z 6 0 h zi e c6 8 7 1 0 3 6 标准的准确度要求，在5 0 0 ：1 的 动态范围内误差小于0 1 ，有功功率平均值从a d e 7 7 5 5 引脚f 1 和f 2 以频率方 式输出，有功功率瞬时值从引脚c f 以较高频率方式输出，能用于仪表校验。在 环境和时间变化很大的条件下，采用专用模数转换器( a d c ) 和数字信号处理器 ( d s p ) 仍保证高准确度。片内设有电源监控电路，带有防潜动功能，基准电压 2 5 v ：t ：8 ( 温度系数典型值3 0 p p m * c ) ，能为外部电路提供基准+ 5 v 单电源、低 功耗( 典型值l s m w ) 。 2 、a d e 7 7 5 5 有功电能测量原理 负载上的瞬时功率p ( 1 ) 等于负载两端的瞬时电压“t ) 与流过负载的瞬时电流 i ( t ) 的乘积，即p c 0 = v c 0 i ( 0 ，当v ( 0 、i ( t ) 随时问周期变化时，p ( i ) 也是随时间周 期变化的。例“f ) = 2 矿s i n ( t ) ，i ( t ) = 2 j s i n ( t + 由) 时，那么负载上消耗的 瞬时功率1 6 为 , o c t ) = 2 v s i n ( t ) xs i n ( t + 巾) = v i c o s ( 巾) - v l c o s ( 2 ( i ) 什巾) ( 2 - 1 ) p ( 旷瞬时功率 v 交流电压有效值 天津大学硕士学位论文第二章系统的硬件设计 卜一电流有效值 中一电压、电流相位差 从上式可以看出，瞬时功率包含直流分量v i c o s ( 由) 和交流分量v i c o s ( 2 。t + 巾) 两部分。在绝大多数场合关心的是负载上消耗的有功功率，有功功率p 定义为瞬时功率p ( o 在一个周期内的平均值，即 尸= 睾 f 打c o s 由d t f 呀s ( 2 0 t +