学生宿舍用电综合管理系统设计.doc

本科毕业设计（论文）学生宿舍用电综合管理系统设计摘 要本课题研究与设计了基于单片机控制的学生宿舍用电系统。实现宿舍内每个房间电量的采集、计算、显示；电量数据的保存、分时供电；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宿舍用电混乱，收取电费难的问题。本系统采用了分块一体化的设计方法。把整个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。电量采集采用了专用电能计量芯片ADE7755,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IEC1036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。当电量消耗完毕后，控电子系统的单片机通过软件控制相应房间的磁保持继电器断开，完成停电，实现预付费功能。同时为了节约用电，可以在不影响同学的正常学习、生活的用电需求进行分时段段供电。但不影响其他公共场合的用电，如：卫生间，楼道的照明。本系统可以通过RS-485通信，可以为后续其他配套系统的设计做准备，如：售电系统通过RS-485把购买电量写入单片机。系统之间的通信采用RS-485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：负荷控制，AT89S52，ADE7755，RS-485The design of the electricity integrated Management system in students dormitoryABSTRACTThe thesis mainly researches and designs the system of electricity based on the single-chip microcomputer used in students dormitory. The main functions of the system are sampling data, calculating, displaying, storing, querying and printing the quantity of electricity consumption, prepaying the fee of electricity consumption, etc. The system can change the confused state of electricity used in students dormitory at present and solve the difficulty of charging electricity fee. The system uses the methodcombination of each units. Firstly we divide the whole system into many function modules. In this case when there is something wrong with the system, we can repair it easily. The system uses ADE7755, which is of low power; high measure precision and reliability. Its technical standard is over IEC1036.The electricity energy is equal to the number of electronic pulses. The use of ADE7755 simplifies the calculation of quantity of electricity consumption with the single-chip microcomputer.When the prepaid electricity is exhausted, the AT89S52 controls the open of BST902. The customer purchases it again. In order to save electricity, the system can not affect the normal students in learning, living on the electricity demand for power supply of period of time. But do not affect other public power, such as: toilet, corridor of lighting.This system can pass the RS-485 communication and other supporting system for subsequent preparation of design, such as: The system sell electric reads the data of prepaid electricity consumption from IC card firstly, and then pass them the AT89S52 of sub-system controlled electricity by RS-485 interface. The communication between the systems adopts the RS- 485 standard interface. So we can make long distance and reliable communication. The system fulfills the functions in advance. The structure of the system is reasonable. The system works stably and securely. It is very worth of generalization and application.KEY WORDS：Load control，AT89S52，ADE7755，RS-4855目录前言1第1章 绪论31.1 学生宿舍用电控制管理系统的研制背景31.2 课题的提出及意义41.3 本课题的工作及创新5第2章 系统的基本构成与性能指标72.1 系统组成框图72.2 系统的主要功能及性能指标7第3章 系统的硬件设计93.1 电能计量原理与电路设计93.1.1 电能计量芯片ADE775593.1.2 ADE77755有功电量测量原理93.1.3 采样板的设计123.2 单片机板的设计133.2.1 单片机的选择133.2.2 单片机P1口143.2.3 单片机P2口153.2.4 单片机P0口153.3 显示板的设计163.3.1 74HC595A的功能特点163.3.2 三片74HC595A级联显示电路173.4 母板的设计183.5 实时时钟芯片DS1302193.5.1 DS1302特性193.5.2 DS1302在控电系统中的应用203.6 存储器的设计223.6.1 24LC16B的特性223.6.2 24LC16B的引脚功能及应用233.7 通信电路设计24第4章 系统软件设计254.1 模块化的程序设计254.2 主程序模块264.2.1 主程序工作工程264.2.2 主程序流程图284.3 通讯程序设计294.3.1 通讯协议294.3.2 通讯程序流程图304.4 显示程序设计314.4.1 显示程序功能314.4.2 显示缓冲区更新子程序324.4.3 定时显示中断子程序334.5 开关控制344.6 计量程序设计344.7 负荷识别与控制程序354.7.1 工作过程354.7.2 工作原理364.7.3 负荷判断子程序流程图38第5章 系统的抗干扰设计395.1 干扰的危害及抗干扰的方法395.1.1 干扰的危害395.1.2 抗干扰的方法405.2 单片机系统硬件抗干扰设计415.2.1 去耦电路415.2.2 隔离技术425.3 软件抗干扰技术43结 论44参考文献45致 谢47附 录 148附 录 249附 录 350外文资料翻译51前言随着高等教育的普及，高校的扩招，在校学生人数增长的激增，尤其是伴随着学生生活条件的不断改善，越来越多的电器，如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进学生公寓，这就要求对学生开放用电，而且高校后勤的社会化也势在必行；目前各高校都在进行后勤社会化改革，急需采用高科技手段加强用电管理。用电智能管理系统是电量的自动计量及管理发展的趋势，它将促进电力系统的潜能得到最大限度的发挥。基于现代网络通讯技术、微电子技术及模式识别技术，一种全新概念的智能计量及管理信息网络急待完善和提高。该计量管理信息网络应用计算机技术、通讯技术等，以智能芯片(如CPU)为核心，将全电子式智能计量与通信控制单元有机结合起来，由此构成的集群式供电智能管理系统可基本覆盖用电管理部门对用户电能计量装置要求的所有功能。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。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间的矛盾，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。随着高校后勤社会化改革的不断深入，学生公寓用电正由免费使用向有偿使用转变，急需一种集计量、控制、管理于一体的电能计量管理系统。结合我国高校公寓用电管理具体需求，我们研制了“学生公寓电能计量管理系统” 。该系统在设计中充分考虑到生产过程中及实际应用中可能出现的问题，本着安全、可靠、计量准确、使用寿命长、管理科学、使用方便的原则，力求使产品设计科学、合理。本课题主要讲述使用单片机和各电器元件构成整套宿舍用电管理及保护系统，实现对宿舍用电的分时管理，对大功率用电器的提醒和其他公共用电电器的实时供电。随着该项技术的不断成熟及公寓管理水平的不断提高，该产品将有广阔的市场空间。第1章 绪论1.1 学生宿舍用电控制管理系统的研制背景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、智能化的学生宿舍，宿舍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宿舍用电智能控制管理系统，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莫及。本文设计的学生宿舍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。长期以来，我国高校学生宿舍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宿舍的用电状况，而且由于校园面积大，学生宿舍较多且比较集中，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宿舍用电状况一直不能有根本改变，问题主要集中在：1、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24小时开机上网，长明灯大量存在，造成学校电量浪费。2、一些房间违章用电，火灾时有发生。部分学生为了方便自己，在房间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。根据以上现状，目前有的高校对学生宿舍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间的矛盾，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宿舍，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 课题的提出及意义学生集体公寓用电商品化的首要原因和目的是为学生提供一个符合时代发展的学习与生活环境，而今天公寓服务的商业化方向使它更趋必要。近年来，随着高校扩招，在校学生人数增长较快，用电量也同期增长，后勤开始进行社会化改革，急需采用高科技手段加强用电管理。采用用电集中管理具有简洁、可靠、成本低的特点。将产生较好的经济效益与社会效益。依测算，该项目实施后，每年可节约15的用电经费；采用这套系统。公寓用电状况可以在一台计算机上反映出来，而且随时备查，节省了人力、物力。为学生宿舍用电管理提供了科学的管理方法，使管理更严谨，增强人们的科学管理意识；对非正常用电，系统将自动报警，对超额用电实时自动断电，可基本杜绝违章电器的使用，消除火灾隐患；以往由于学生公寓无偿供电，使很多宿舍的开关失去作用，不熄灯现象严重，不仅造成了很大的浪费，而且对提高学生公寓整体管理水平增加了难度。采用此系统后，随手关灯将成为学生的自觉意识，较好地杜绝了浪费现象。由此可见，该系统的开发应用既有效地提高了经济效益，也有效地加强了高校电量、电费、用电安全管理。该系统投资少，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”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48个用户进行用电的控制管理，形成一个计算机集散测控系统，组成测控网络，对学生宿舍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“SIMS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宿舍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，学生宿舍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。本课题为了解决上述问题，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宿舍用电控制管理系统。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宿舍用电控制与管理系统花费资金少。能够实时控制和管理学生宿舍各个房间的用电。与其它厂家生产的学生宿舍用电控制与管理系统相比，适合我校学生宿舍用电特点，较好地解决了我校学生宿舍用电中存在的问题。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宿舍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宿舍用电控制与管理系统具有深远意义。1.3 本课题的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) 硬件设计采用了分功能块的设计模式。先把各个功能块设计出来再组合到一起，这样有利于调试，而且有利于电路的维修。2) 选用了新型的AT89S52单片机。3) 研制了以ADE77EE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。4) 进行了系统的抗干扰分析与设计。第2章 系统的基本构成与性能指标2.1 系统组成框图该系统主要由电量采样板(ADE7755)、单片机控制板，用电量显示板、微机数据库管理控制等组成。图2-1所示为一个控制柜内部结构。本设计中一个控制柜内含有 8 个单片机子系统，各子系统与微机间采用 485 网络连接。各子系统采用母板结构，分别由母板电路、单片机控制电路、显示电路及 16 个电量采样电路组成。其中电量采样电路用于采集某一房间的用电量并将其转换成标准脉冲信号； 显示电路用于巡回显示 16 个房间的用电信息；各种信号与数据均通过母板进行传输。整个系统的组成框图如图2-1所示。图2-1 系统组成框图2.2 系统的主要功能及性能指标(1) 准确计量功能。 校验时计量误差范围要求控制在 0.4%左右，高于标称的 2%要求。 (2) 负荷检测控制功能。本系统采用软件控制方式，实现对大功率电器的检测与控制。 (3) 定时开关控制功能。可根据使用单位的作息时间实现对各房间定时送电、停电，对欠费房间自动停电。 (4) 数据库管理功能。管理员可实时查阅各房间的用电情况，并进行用电统计与打印报表等。7本科毕业设计（论文）第3章 系统的硬件设计3.1 电能计量原理与电路设计本系统的主要功能是分时供电和对用电量进行计量，由采样电路板完成电能信号的采样，并将其转换成脉冲信号输出给单片机数据采集处理系统，其核心芯片是ADE7755。本节在分析电能计量原理的基础上，确定了电路参数并对采样电路进行的设计。3.1.1 电能计量芯片ADE7755在该系统中，用一个具有脉冲输出的电能计量芯ADE7755循环采集16个房间的用电量，并把采集的电脉冲输出经光电耦合器PS2501送单片机进行处理。ADE7755是一种高准确度电能集成电路，其技术指标超过了IEC1036的准确度，ADE7755只在ADC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ADE7755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。ADE7755引脚F1和F2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（MUC）接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与MCU接口。高准确度，支持50Hz60Hz IEC 687/1036标准的准确度要求，在500:1的动态范围内误差小于0.1%，有功功率平均值从ADE7755引脚F1和F2以频率方式输出，有功功率瞬时值从引脚CF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（ADC）和数字信号处理器（DSP）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2.5V8%（温度系数典型值30ppm/oC），能为外部电路提供基准5V单电源、低功耗（典型值15Mw）。3.1.2 ADE77755有功电量测量原理负载上的瞬时功率p(t)等于负载两端的瞬时电压v(t)与流过负载的瞬时电流i(t)的乘积，即p(t)v(t)i(t)，当v(t)、i(t)随时间周期变化时，p(t)也是随时间周期变化的。，时，那么负载上消耗的瞬时功率为 （3-1） 瞬时功率V交流电压有效值I电流有效值电压、电流相位差从上式可以看出，瞬时功率包含直流分量VIcos()和交流分量VI(2t+)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(t)在一个周期内的平均值，即 （3-2） 为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。 图3-1 ADE7755内部结构图3-1给出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率，这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。所有信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。 ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。由于相乘后的LPF不是理想的滤波器，因此LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息，即cos(2t)。这个信号通过数字频率转换器，随时间被积分（累加），进而产生输出频率。如果CF以较高的频率输出，是因为在对瞬时有功功率进行累加完成频率转换过程中，采用较短的累加时间，这就意味着减弱了对cos(2t)成分的平均作用，于是部分瞬时功率信号成分通过了频率转换器。在宿舍控电系统中，ADE7755的输出端CF经光电耦合器PS2501连接到单片机AT89S52的P3.4引脚，如图3-2所示。图3-2 ADE7755与单片机连接电路频率输出CF端连接到了单片机的端口，单片机在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数，平均功率正比于平均频率，由下式确定：平均功率平均频率脉冲个数积分时间在一个积分周期内消耗的电能为：电能平均功率积分时间（脉冲个数积分时间）积分时间脉冲个数CF频率常数的选择是根据逻辑输入SCF确定的，有两种选择方式，一种是32F1（SCF=1），一种是16F1（SCF0）。本系统中SCF0，所以选择1600imp/KWh。由于功率脉冲的周期较长，所以可在软件中用判断功率脉冲的上升沿和下降沿的方法来确认是否接收到一个脉冲。脉冲常数取为1600imp/KWh，相应用户脉冲计数单元到160个脉冲时，相应用户的电量存储区内容加上0.1度。但当电路负荷较大时，功率脉冲较快，这就需要加快CPU的采样速度或降低电脉冲常数以保证不会“漏”掉脉冲。3.1.3 采样板的设计采样板电路为电能计量的关键电路。该电路以ADE7755为核心实现对公寓各房间用电的计量，并将电能转换成标准脉冲信号送到单片机处理电路。图3-3为采样板电路图采样板电路通过采样电阻(锰铜合金制成)获取的电流采样信号由芯片5、6脚输入，经过可变电阻网络的衰减后的电压采样信号由芯片7、8脚输入，两路信号在芯片内部实现电能计量累加运算，并在内部实现A仍转换，以脉冲方式由23、24脚输出供给机械计度器，由22脚输出经光耦隔离后经母板插座通过选通的三态门输入到单片机的P34脚进行数据采集与处理。本系统工作参数设定在1600impKWh。图中Rx为精度调节电位器，通过调节电压信号达到电表精度调节。电感L0、L1、L2等用于抑制电网干扰。系统采用模拟地与数字地分离接地方式，通过电感L0实现直流共地并阻隔交流干扰。图3-3 采样板电路图以BH3023为控制芯片的开关控制电路实现对各房间的自动开关控制，其核心器件是磁保持继电器及其驱动电路芯片BH3023。磁保持继电器区别于普通继电器的特点在于继电器一经触发即可保持开启与关断关态，触发信号撤消后继电器状态不变，因而无需保持触发信号驱动芯片BH3023较采用分立晶体管驱动电路具有线路简洁、可靠的优点，因而在电能计量系统中被广泛采用。来自单片机P0.6、P0.7的开、关控制信号经光电隔离送至BH3023的输入端B、A，经输出端QA、OB控制继电器的通、断，从而实现对房间电源的开、关控制。电阻R29、R30即是光耦电路的输出电阻，也是驱动电路BH3023的输入电阻。图3-4 开关控制电路3.2 单片机板的设计3.2.1 单片机的选择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，CPU的发展应用趋于多样化，主要可分为8位机和16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CMOS8位微处理器AT89S52，该CPU典型的特征是：1) 与MCS-51单片机产品兼容;2) 8KB可通过SPI接口下载的闪存;3) 内有看门狗定时器;4) 双数据指针;5) 掉电后中断可恢复;6) SPI串行接口; .2KB片内EEPROM，可擦写10万次;当写EEPROM 时， 程序可通过闪存正常执行;7) 低功耗空闲和掉电模式;8) 32个可编程I/O口线;9) 3个16位定时器/计数器;10) 8个中断源;11) 二级加密程序存储器;12) 全静态操作:0HZ-33HZ单片机板是该系统的核心部分，它能控制不同房间的电量采集，并把采集到的电量进行处理，送LED显示板显示，同时把每个房间的电量送EEPROM 24LC16B保存;用单片机的P0.6，P0.7经光电祸合器PS2501与BH3023相连，控制磁保持继电器BST902的通与断，从而控制对某个房间停电或送电;通过RS485口可以与其他系统通信。3.2.2 单片机P1口AT89S52单片机的P1口与8个短路环相接，如图3-5所示，当短路环短路时，P1口对应的引脚为低电平，逻辑“0”;当短路环断开时，P1口对应的引脚为高电平，逻辑“1”，这样在此系统中短路环的接法不同，就能区分不同的单片机。P1口有8根I/O线，共有28种组合，能区分256个不同的单片机。图3-5 P1口电路3.2.3 单片机P2口P2口的P2.4P2.7与416线译码器74154的4个输入端相连，74154的16个输出选择母板的16个单片机。3.2.4 单片机P0口P0口分时用作低8位地址线、数据线，同时P0.3通过同相器74LS07发光二极管相连，用来指示单片机是否正常供电。当单片机板正常供电时，二极管发光；P0.0，P0.1，P0.2与显示板74HC595A相连；P0.4、P0.5分别与存储器24LC16B的时钟线SCL、数据线SDA相连，把单片机所采集的电量经过处理送存储器保存，或从存储器中读取数据。P0口于24LC16B的连接如图3-6所示。图3-6 24LC16B与单片机P0口连接图3.3 显示板的设计在单片机系统设计中，LED显示方式由于具有使用方便、价格低廉等优点而得到广泛应用。在采用并行显示方式时，显示电路的段码与位控码要占用单片机的较多口线，尽管可采用8155等接口芯片进行扩展，但口线利用率仍较低，不能满足大型控制系统的要求。本文介绍一种基于74HC595A的LED串行显示技术。在LED显示应用领域中，一般要求控制芯片使用简单、功能多样化、多级亮度调节、外围电路精简可靠、译码与功率驱动于一体。由于本设计要显示3位房间号、用户的当前用电量6位，剩余电量3位，因此需12个LED数码管。这样如果按照通常的设计模式，要用7根段控线、12根位控线，需19根I/O线，而 AT89S52只有40根I/O线，在其它功能设计中已经使用了一大部分I/O线，所以要实现显示12位，就要扩展I/O线，电路设计较麻烦，故在本系统中采用三片74HC595A级联的方法，只需三根单片机I/O线接能实现12位的LED显示。3.3.1 74HC595A的功能特点74HC595A包含一个8位移位寄存器和一个带有三态并行输出的D锁存器，移位寄存器接收串行数据和提供串行输出，移位寄存器也提供并行数据到8位锁存器，移位寄存器和锁存有独立的时钟输入。它有以下特点:1) 输出驱动能力:15个LSTTL负载2) 输出直接接口到CMOS, NMOS和TTL3) 操作电压范围为:2.0到6.0V4) 低的输入电流:1.0mA串行移位寄存器接收外部输入串行数据，一方面可进行串行数据输出，同时向锁存器提供8位并行输入数据，并具有异步复位功能；8位锁存器可三态输出并行数据。该芯片具有串行输入、并行输出两个独立的时钟信号。输入数据在串行移位时钟SCLK上升沿由串行输入端SER输入到芯片内部串行移位寄存器中，同时SQH端串行输出；在锁存时钟信号LCLK上升沿到来时，芯片将内部串行移位寄存器8位数据并行输出。正常工作时，应将复位端CLR与使能端EN分别接高电平、低电平。3.3.2 三片74HC595A级联显示电路该系统采用十六个房间用电量巡回显示方式，显示板置于控制柜前面板上，供管理人员及用户查询每个单片机系统巡回检测、处理、控制十六个房间，并将显示数据送至一个显示器巡回显示。图3-7为显示板电路原理图。本系统采用12位LED显示器(房间号3位、剩余电量3位、用电量6位)，通过联线安置控制柜面板上。若采用普通的LED并行显示方式需扩展单片机接口，电路复杂、成本高。本系统利用三片74HC595A芯片实现12位串行LED显示，该芯片可实现串行输入，并行输出使用时，在串行时钟的控制下，可将显示器位控码与段控码逐位串行输入至三个芯片中，然后利用锁存信号实现并行输出，完成12数数码显示更新。利用此显示方式仅占用单片机三根口线，极大节约单片机口线资源。采用串行数据输入，显示速度相对较慢，实际使用时显示效果稳定、可靠。图3-7 LED显示电路系统12个LED的显示电路原理如图3-7所示。三片74HC595A的输出使能端连在一起接地，该引脚低电平有效;三片74HC595A的复位端连在一起接高电平;三片74HC595A的第一片74HC595A的SER为12位串行数据的输入端，与单片机的P0.0相连;三片74HC595A的移位时钟输入端SRCLK连接在一起与单片机的P0.1相连，该引脚上升沿有效时(用单片机软件设置)，把输入的串行数据移入移位寄存器;第一片74HC595A的串行数据输出端SQH连接到第二片74HC595A的串行数据输入端SER，把串行数据由第一片74HC595A移入第二片74HC595A,第二片74HC595A串行数据输出端SQH连接到第二片74HC595A的串行数据输入端SER，把串行数据由第二片74HC595A移入到第二片74HC595A，三片74HC595A的锁存时钟输入端连在一起与单片机的P0.2相连，该引脚上升沿有效时(用单片机软件设置)，锁存移位寄存器的数据;由于三片74HC595A的输出使能端已经接低电平，12位数据为串行输入串行输出，分别控制12位LED显示器的位控。另外输入7个数据作为段控，这7个数据也为串行输入串行输出。3.4 母板的设计为方便调试与维护及增加系统的可靠性，本设计采用板卡式结构。每个母板上插有一块单片机控制电路板及16块电能采样电路板(对应16个房间用电采样计量)，并通过母板输出显示数据到控制柜上的显示板，用于巡回显示该母板对应的16个房间的相关显示信息。来自单片机89S52的地址选通信号P2.4、P2.5、P2.6、P2.7通过译码器74LS154巡回选通由425芯片构成的三态输出电路，实现对16个采样板电路的巡检。某房间的电能采样信号通过被选通的三态门由数据总线输入到单片机89S52的P3.4引脚。来自89S52的房间开关通、断选择信号P2.0、P2.1、P2.2、P2.3同时送至母板上两模拟开关芯片CD4067的地址输入端实现对16个房间中的某一房间选择，来自单片机P1.6、P1.7(对应房间的开、关为一对高低电平互补信号)的开关控制信号送至CD4067的信号输入端，并依地址选通信号送至相应的电能采样板实现对某一房间开关的自动控制。3.5 实时时钟芯片DS1302DS1302是DALLAS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31字节静态RAM。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动调整，时钟的运行可以采用24小时或带AM(上午)/PM(下午)的12小时格式。DS1302与单片机之间采用同步串行的方式进行通信，仅需用到二个口线:(复位)、I/O(数据线)SCLK(串行时钟)。数据可以每次一个字节或多达31字节多字节形式传送到/ RAM或从其中送出。DS1302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。3.5.1 DS1302特性DS1302的特性如下：1) 实时时钟，具有计算2100之前的秒、分、时、周、日、月、年的能力以及闰年调整能力;2) 用于高速数据暂存的318RAM;3) 最少引脚数的串行I/O ;4) 用于时钟或RAM数据读/写的单字节或多字节数据传送;5) 2.55.5V满度工作范围;6) 2.5V时耗电小于300nA;7) 简单的3线接口;8) 8引脚DIP或可选的用于表面安装的8引脚SOIC封装;9) 与DS1202兼容;10) 可选的工业温度范围-400C到+850C;11) 用于主电源和备份电源的双电源引脚;12) 可选的慢速充电(至)的能力;13) 备份电源引脚可用作电池或超容量电容器的输入端;3.5.2 DS1302在控电系统中的应用DS1302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3-1所示。表3-1 DS1302控制字的含义最高有效位必须为逻辑1。如果它是0，禁止写DS1302。位6逻辑0指定时钟/日历数据;逻辑1指定RAM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。 DS1302共有12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BCD码形式。其日历、时间寄存器及其控制字如表3-2所示。表3-2 DS1302的日历时钟寄存器及控制字在控电系统中主要利用它的时钟功能用软件实现对宿舍定时停送电，按星期周一到周五每天分二个时间段(早6点到8点;中午12点到下午2点;下午5点到晚上10点)集中供电，周六到周口全天供电，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，宿舍停电。图3-8 DS1302与单片机的接线图在此系统中DS1302采用双电源供电，这时在双电源系统中提供主电源，连接到备份电源(此系统为3V电池)，以便在没有主电源的情况下，能保存时间信息以及数据。DS1302与单片机的连接如图3-8所示。3.6 存储器的设计为了保证掉电后数据不丢失，采用EEPROM来存储各房间的用电信息，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)，另外在用户购电后，要把把新购电量写入存储器中，要存储各用户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EEPROM。在此系统中选用了MICROCHIP公司的带I2C接口的EEPROM器件一24LC16B。3.6.1 24LC16B的特性24LC16B的主要特性如下：1) 低到2. 5V的单电源工作电压;2) 内部82568位;3) 低功耗CMOS技术;4) 两线串行接口总线，与I2C兼容;5) 字同步的写周期(包括字擦除);6) 最大16字节的页写功能;7) 页写周期的典型值为2ms;8) 对所有的存储区进行硬件写保护;9) ESD保护4000V ;10) 擦写循环次数:10,000,000次;11) 数据保存时间200年;12) 8脚DIP，8或14脚SOIC封装;13) 工作环境温度范围 -商用:00C到700C; -工业用:400C到850C。3.6.2 24LC16B的引脚功能及应用1.24LC16B的引脚功能SCL:串行时钟输入端。用于对输入和输出数据的同步，写入EEPROM的串行数据用SCL的上升沿同步，读出的串行数据用SCL的下降沿同步。SDA:串行数据输入/输出(或地址输入)端。WP: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。A0、 A1、 A2: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A0, A1, A2分别接:+5V“地”、“地”，当作为片选地址使用时，该芯片的地址就是“100。VCC: +5V电源端。GND:接地端。2.24LC16B的应用24LC 16B串行EEPROM与CPU之间的数据传输符合I2C总线规则，遵守双向两线制总线和数据传输协议，它的接线如图3-9所示。CPU产生控制总线收发的串行时钟SCL，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SCL为高电平时，数据必须是稳定的;当SCL为高电平时，数据线上的跳变认为是起始条件或终止条件。图3-9 存储器的接线图3.7 通信电路设计下位机（单片机）采用的是RS-485标准通信接口，而计算机采用的是RS-232标准，并且单片机的I/O端口输出的是TTL电平，与RS-485标准的电平一致，而与RS-232标准不符合。若想利用计算机现成的COM1、COM2串口来实现RS-485标准通信，这就需要电平的转换电路。本系统的电平转换电路采用MAX485芯片，上位机与下位机通信的电路282930如图3-10所示。通过这个电路原理图就能完成上位机与下位机的远程通信任务。图3-10 通信电路23第4章 系统软件设计系统的软件设计与硬件设计同等重要，硬件是基石，软件是灵魂。当系统的硬件电路设计完成后，系统的主要功能要靠软件来实现。软件设计的工作量大，时间较长。软件设计者应把实际中各种可能的情况模拟出来，把各种各样的干扰加上去，这样设计出来的软件才可能具有实际应用价值。为了满足系统的设计要求，编制软件时必须注意以下几点：1、可靠性。可靠性是系统软件的最重要的指标。一是它要求运行环境发生变化时，软件也能可靠地运行并给出正确的结果，二是在恶劣干扰严重情况下，软件必须保证也能可靠运行。2、可理解性、可维护性。通常是指软件系统容易理解和阅读，容易发现错误并能改正错误。由于生产过程自动化程度的不断提高，测试系统结构日趋复杂，设计者很难在较短的时间内就对整个系统理解无误，软件的设计与调试不可能一次完成，要经过实践的检验再修改、再补充、再运行的不断反复，这就要求编制的软件具有可理解性、可维护性。3、准确性。准确性对整个系统很重要，它直接影响系统的工作质量。4、实时性。实时性是测控系统的普遍要求。即要求系统实时响应的事件并及时进行处理。实时性容易满足，特别是对于汇编语言编制的软件。5、可测试性。这包含设计一个适当的数据集合，用来测试所建立的系统，并保证系统得到全面的检验。 本系统软件由上位机软件与下位机软件两部分组成：上位机软件用VB编制，下位机软件用汇编语言编制。在此仅对主程序各主要功能模块作以简要说明，并介绍负荷检测与控制的工作原理。4.1 模块化的程序设计实际的应用程序都由一个主程序（包括若干个功能模块）和多个子程序构成，每一功能程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能；如显示、打印等。采用这种模块化的程序设计方法，有以下一些优点：1) 单个模块结构的程序功能单一，因而易于编写、调试和修改；2) 便于分工，可有多个程序员同时进行编写、调试、加快软件研制速度；3) 程序可读性好，便于功能扩充和版本升级；4) 程序的修改可局部进行，而其他部分则可以相对保持不变；5) 已编好程序可容易地植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。4.2 主程序模块4.2.1 主程序工作工程（1）初始化。（2）系统分三种方式启动。第一次上电启动：系统第一次启动。掉电启动；系统停电或重新上电后启动。干扰启动：系统由于受到干扰等由看门狗电路复位后启动。（3）定时显示中断工作。程序启动后，定时显示中断开始工作。中断定时时间为1.67ms。系统每响应一次中断，显示器显示位数字。同时启动3