学生公寓电量监控系统的设计

1、毕业论文（设计）学生公寓电量监控系统的设计学 生 姓 名： 指导教师： 合作指导教师： 专业名称： 所在学院： 年 月I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

2、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。关键词：安全用电；单片机；用电监控AbstractWith the development and rapid application of information technology， power management has also stepped into the information t

3、rack rapidly. In order to make up for the functional and structural defects of the current apartment electric management system， it emphasizes the improvement of the power management system in security monitoring and so on and the structure of the system， and strengthens the terminal function of the

4、 system. This paper analyzes the development trend of collective electricity management in domestic dormitories， and combines the existing conditions to design the current situation of low automation level and high failure rate in the current dormitory power supply network. A monitoring solution for

5、 dormitory power consumption under smart grid is proposed. The system takes the MCU AT89S52 as the control core， and sends the digital amount to the single chip computer for data processing， and then displays the real time value of the voltage and current， the power and so on through the LCD liquid

6、crystal. SPI serial bus and analog and digital function modules are integrated， which simplifies the design of peripheral circuits. It can realize real-time monitoring of the operation state of the power grid， remote control the disconnection and closure of high voltage fuse， electric energy measure

7、ment and the analysis of the historical electricity use. Compared with traditional design， the system avoids the trouble of wiring and makes the dormitories look more neat and clean. At the same time， modular design， system maintenance is more convenient， expansibility is enhanced， and is suitable f

8、or managing collectivized dormitories.Key words: safe power consumption， single chip microcomputer， power consumption monitoring.II目 录摘要IAbstractII第一章 前言11.1研究背景11.2研究意义11.3智能用电系统的总体方案1第二章 电量监控系统的硬件设计12.1硬件电路12.1.1单片机最小系统模块12.1.3开关量输入、输出部分22.1.1复位电路32.1.2时钟脉冲32.1.3中断系统42.1.4存储电路42.2硬件外围电路的实现52.2.1键盘

9、电路的设计52.2.2显示电路设计62.2.3电源模块72.2.4蜂鸣器驱动模块72.2.5测温电路82.3测量电路设计92.3.1功率/电能测量电路92.3.2电压测量电路102.3.3电流测量电路102.4系统外部通讯模块102.4.1 RS-485通信总线102.4.2串行通信电路设计11第三章 电量监控系统软件设计分析123.1软件处理程序设计123.1.1C语言介绍123.1.2主流程设计123.2其他功能实现子程序133.2.1报警程序设计133.2.2显示模块143.2.3中断程序143.3.4测温子程序153.3.5电力信号检测处理程序163.3上位机管理软件以及监测实现173

10、.3.1监控中心主要功能183.3.2监控中心软件的选择18第四章 系统功能测试194.1测试方法194.2测试过程19第五章 总结与展望215.1结论215.2展望21参考文献22附录24致谢25IV第一章 前言1.1研究背景随着生活水平不断提高，人们对生活环境提出了更高的要求，学生用电也出现了多样性的需求。首先体现在用电器的数量和用电功率上的增加。部分学校为了保证用电的安全、降低管理成本，采取限时用电的方法。但是这种方法却无法检测并限制学生通过变压插排使用大功率电气设备，宿舍隐患仍然存在。现有系统存在诸多不足:计量精度低、交互性弱，尤其现有系统对安全用电严重缺乏监控能力，除功能上需改进外，

11、现有用电管理系统在结构设计上也有待改进，其集中式机柜安装布线成本高，施工复杂。基于此，为了更好地限制宿舍大功率电气的使用，设计了一种采用限制功率方法的多功能用电监控系统，除了可以限制大功率设备外，还具有电能计量、无线抄表、电压显示等功能，同时兼有时钟显示、火灾报警等辅助功能。鉴于以上原因，开发一套兼顾监测电网和远程智能控制的系统，此系统能够应用于人口密集住宿上， 结合最新的通讯、图形显示技术，搭建一套具备远程通讯和户内无线通讯功能的宿舍用电监控系统。1.2研究意义随着学院各项管理工作的不断深入，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

12、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

13、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AT89C5

14、2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。11第二章 电量监控系统的硬件设计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

15、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

16、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，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（Reset）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1/12s，2个机器周期为2s。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

17、。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2s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（Crystal）即可。在本设计中采用的是内部时钟电路。在 XTAL1 和

18、 XTAL2 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

19、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2.6 CAT24WC256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，

20、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P1接44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“0F”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:1 CPU判断是否

21、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，

22、移位寄存器各位复O 。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（1.5-1

23、5V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

24、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-55125，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0.5、0.25、0.125和0.0625。图2.13所示为DS18B20与PIC32MX460F512L

25、的接口电路。图2.11 DS18B20接口电路2.3测量电路设计2.3.1功率/电能测量电路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 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3 200个脉冲为1 kWh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

26、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1V。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2.13 电压采样2.3.3电流测量电路该模块中，输入电流通过检测电路经过取样转为电压信号，其差分运放对电流方向进行识别，利用衰减电路将此信号调整为适合AD输入的电压值，这个电压范围为0-3V，最后经运放构成的缓冲器，把电压信号输入到无线节点模块的ADIN端。图2.14 电流传感器

27、模块电路图2.4系统外部通讯模块2.4.1 RS-485通信总线串行通信是指将数据字节分成一位一位的形式在单根数据线上完成数据信息传输的发送与接收。为了满足RS-485的电平要求，需要外接接口芯片，进行电平之间的转换。接口芯片使用原理如图2.18所示。图2.15 RS-485接口芯片使用原理由于串口线上电平较高，容易易损坏开发板接口电路芯片，为了达到异步串口通信接口的电气通信兼容，将5V逻辑与一个RS-485端口连接时需要电平转换，来实现与 TTL 电路的连接。2.4.2串行通信电路设计本系统把单片机的TXD、RXD信号通过MAX3O28芯片把TTL电平转化为R-458电平。使单片机的TXD与

28、上位机的RXD，及单片机的RXD与上位机的TXD间接相连。同时使两机共地，从而建立两机之间的通信。图2.16 MAX3082接口电路第三章 电量监控系统软件设计分析3.1软件处理程序设计3.1.1C语言介绍汇编C语言是单片机程序设计语言的重要形式，也是当今单片机开发人员进行程序开发最常用的语言形式。汇编语言是一种用来替代机器语言进行程序设计的语言。汇编语言的特点是每一条指令都给出了助记符。并进行目标程序、检查修改程序中的错误，对程序运行结果进行分析，直到正确为止。同时，采用C语言进行编程时，不必对单片机和接口结构有很深的了解，编译器就可以自动的完成变量的存储单元分配，开发人员更可以专注于应用软

29、件的设计，从而大大加快软件的开发速度。3.1.2主流程设计宿舍安全用电系统的软件部分是针对系统所需要实现的功能，以软件模块化设计的思路来进行设计的。整个系统软件程序包括主程序、测距子程序、显示子程序以及各种通信接口子程序。本文也是按照这个思路进行软件的设计，子任务主要包括温度测量、电力信号的检测、显示、与上位机的通信等。开 始初始化启动A/D转换A/D转换结束？送转换数据至单片机相应地址显示数据的转换存储数据显示延时1秒程序通道号+1通道号清零通道号=8？图3.1 系统主程序流程图3.2其他功能实现子程序3.2.1报警程序设计蜂鸣器只需在其两引线上加3-15V的直流电压，就能产生3KHz左右的

30、蜂鸣振荡音响，比电压式蜂鸣器结构简单，耗电少，且更适应于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10mA的驱动电流。可以使用一个晶体三极管驱动。报警程序设计如图3.2所示驱动报警电路报警鸣音不报警判别触发信号YN图3.2 报警程序流程图3.2.2显示模块MAX7219 的译码方式采用非 BCD 译码，因此程序中设置了一张LCD 码表存储 0-F 十六个数字的 LCD 编码。为了使程序的结构更简单，MAX7219 内部显示控制寄存器的初始化在主程序初始化部分一次完成。图3.3 显示子程序流程图3.2.3中断程序在中断服务程序中，要从把进入中断服务程序处的计数值读出并保存在 RAM 中，再对该数据进

31、行处理，计算得到相应的距离值，并转换为十进制，最后送到 PORTB1 口显示输出。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。图3.4 中断程序流程图3.3.4测温子程序测温子程序中又包括读出温度程序、温度转换命令程序、计算温度程序。DS18B20对时序要求严格，程序一般用汇编语言编写。DS18B20的读出温度程序流程图如图3.5所示。图3.5 读出温度程序流程图3.3.5电力信号检测处理程序智能电表最基本、最重要的功能就是电能计量，包括数据初始化

32、!实时电能脉冲数据累计、功率识别与限制、存储和相应控制动作。图3.6电量处理流程3.3上位机管理软件以及监测实现3.3.1监控中心主要功能图3.7 监控中心功能示意图监控中心主要实现与通信模块通信，完成数据的接收!显示和存储，控制命令的发送，监控中心功能示意图如图3.7所示。监控中心的设计主要完成软件结构设计和应用程序的编制。3.3.2监控中心软件的选择Labwindows/Cvl是NationalInstruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSIC为核心，将功能强大，使用灵活的C语言-平台与数据采集，分析和表达的测控专业工具有机地接和起来。为熟悉C语言的开发人员建立

33、检测系统，自动测量环境，数据采集系统，过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。20第四章 系统功能测试4.1测试方法测试采用黑盒测试法的等价类划分法，该测试要求首先要对照需求分析阶段设计的系统的各个功能模块，设计出测试方案。找出系统是否实现了需求功能，若没有，问题出在哪个模块，然后进行软件模块的修改，最终确保系统通过测试。通过各方的使用体会，结合相关规范，对软件的界面和功能进行了不断地改进和完善，达到了比较满意的效果。软件主要从用户界面和功能的测试上，检验此目标的实现情况。4.2测试过程在系统调安装调试完成后，用系统软件进行了检测试验，在确认系统可以运行的前提下，按上面提到的方案进行了功能

34、测试。图4.1 查询测试查询结果符合 12 幢学生公寓个别房间的用电欠费实际情况。图4.2 违规用电功率设定在 20221 公寓使用一个 750W 的电吹风，得到的检测结果系统显示如图 6-4 所示。图4.3 违规用电断电警告检测检测结果是，当 20 幢学生公寓的电柜内相关采集卡采集到该房间(20221 房)用电信息上传后，系统即对该房间进行关闭用电。按系统设定，三十秒后再重新开启该房间用电。第五章 总结与展望5.1结论本课题以学生公寓智能用电管理作为高校后勤智能用电管理的重要组成部分，在对我校学生公寓实际情况进行调查分析研究的基础上，阐述了学生公寓智能用电管理的研究现状，依据我校学生用电的相

35、关规章制度，综合用电计量、用电监控、用电查询和收费等功能进行综合分析，并结合用电系统的硬件设施的管理需求，通过软件工程的设计方法，实现了本项目的软件开发。本次设计将大功率电器限电控制、宿舍用电计量、无线抄表、火灾报警等功能集于一体，方便高校对宿舍用电的管理。能有效地限制宿舍大功率电器的使用，减小火灾发生的概率，降低学生损失。在现有实验条件下，本文遵循低成本的设计原则，充分考虑到监控系统在居民实际生活中的可应用性和推广性，围绕智能显示终端的丰富的资源接口和强大的处理能力进行业务功能构思，根据先模块化设计再局部完善的设计方法，将智能显示终端的主功能分为八个部分，基本可以满足用户平时对家庭用电管理的

36、要求。5.2展望随着电力企业计量自动化系统应用的发展以及实时数据库程度、行业规范标准的不断提高，由于配电自动化系统及自动化业务对通信的需求不断提升，通信系统将迎来全新的挑战和机遇。本文有待于从以下几个方面进行进一步的研究：（1）专家系统、模糊决策、神经网络等新技术研究与应用。利用这些新技术模拟计量自动化设备的各种运行状态，并开发出调度辅助软件和管理决策。（2）结合对现实功能的需求，可着重从变压器经纬度信息关联、换表参数自动下发、主网线损公式自动更新、终端电话号码根据自动匹配并填补、终端调试查询、故障终端增加故障类型等方面深化系统功能应用，为今后建设电能量数据中心系统乃至智能计量系统提供有力的技术支持和有效支撑。25参考文献1 李爱秋，季昌瑞.基于单片机和电力载波的学生宿舍用电管理系统J.机电工程，2018，25(2):67-69.2 陈霞.利用ADE7755实现电能有功功率的测量J1.山东理工大学学报.2014，18(5):68-713 彭娜，黎英.基于RS-485总线主从通信协议及其实现田.云南大学学报，2017，29(52):259-262.4 丁鉴洋，周磊.学校寝室电力监测系统设计J.杭州电子科