(完整版)基于学生宿舍用电自动控制系统的研究毕业设计

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辑。

摘要

目前大学生宿舍已普遍实行公寓化管理，如何科学合理地对学生进行电能管理仍是一个亟待解决的问题。

本文设计了一种采用ADI公司的电能计量芯片ADE7755的用电自动控制器，通过对用电情况的监视，保证正常用电，同时查处异常用电，从而有效地限制了学生使用热得快、电热毯、电磁炉等易造成电路的超负荷运行，甚至引起火灾的大功率用电器。该装置监测到宿舍用电功率值超过限定功率值时即自动断电同时发出报警声，并能通过数码管显示当前电流值，电压值，功率值。

关键词：功率测量AT89C51单片机ADE7755 LED显示Design for apartments electric automatic controller

Abstract:Current college dormitory of energy metering

apply ADI ADE7755 chips, through the power of the automatic controller for use of surveillance, ensure the normal and abnormal electrical power, at the same time, thus effectively limits the students use cooker etc by the influx of circuit, and even cause fire power appliances. This device to the dormitory electricity power monitoring over limited power automatically when the alarm sound power, and also can display the current through digital tube, voltage, power value.

Keywords: power measurement;AT89C51 chip; ADE7755 chip; LED display

目次

第一章公寓自动用电器概述 (1)

1.1 课题的背景 (1)

1.2课题研究的意义 (1)

1.3 课题研究的目

的 (1)

第二章方案论证及系统设计 (2)

2.1 有功功率测量方案论证 (2)

2.2 系统设计 (4)

第三章系统硬件介绍 (5)

3.1 单片机简介 (5)

3.1.1 单片机简介 (5)

3.1.2 单片机编程语言简介 (6)

3.1.3 系统选择 (7)

3.1.4 AT89C51引脚功能介

绍 (9)

3.1.5 定时器0和1使用 (11)

3.2 ADE7755原理介绍 (12)

3.2.1 ADE7755简介 (12)

3.2.2 ADE7755的用功功率测量原理 (15)

第四章硬件设计 (17)

4.1 单片机最小系统 (17)

4.2 供电电路设计 (18)

4.3 继电气接口电路 (19)

4.4 键盘电路设

4.5 显示电路设计 (22)

4.6 电量采集电路硬件设计 (22)

第五章软件设计 (24)

5.1 Keil C5简介 (24)

5.2 各个模块程序介绍 (26)

5.2.1 键盘子程序设计 (26)

5.2.2 显示子程序 (26)

5.2.3定时器1子程序 (28)

5.2.4频率子程

第六章全文总结与展望 (31)

6.1 结论 (31)

6.2 设计完善 (32)

6.3 展望 (32)

致

谢 (33)

参考文献 (34)

附录

一………………………………………………………………………………………

附录二………………………………………………………………………………………

第一章公寓用电自动控制器概述

1.1 课题的背景

随着人们生活水平的提高，以及微电子，自动控制和计算机等技术的飞速发展和广泛应用，人们对住宅的安全性能的要求也越来越高，智能住宅的安全防范系统也应运而生。而在当今智能化住宅小区蓬勃发展的时候，却忽视了同样需要智能化管理的一块巨大市场——大学校园。随着物质生活的富裕，和计划生育的实施，当代的大学生是在家长的溺爱和应试教育的模式下成长起来的一代，大多缺乏独立生活的能力，和对生活常识的了解，对能源的节约意识也不够强。所以公寓寝室经常发生诸如能源浪费，火灾等事件，给学校造成了巨大的损失，也给学生的生命财产带来了巨大的威胁。

高校后勤社会化是社会主义市场经济发展的必然趋势，是我国高等教育跨越性发展的前提，是科教兴国战略的客观需要。而在高校的各项后勤工作中，学生公寓的管理和服务是后勤工作不可或缺的重要组成部分，因此必然成为改革中的重要内容。但学生公寓等后勤设施不完善、管理水平有待提高，仍然是制约高等教育发展的一个关键因素。

1.2 课题研究的意义

为此，为进一步规范加强学生公寓的管理，健全防火安全长效机制。在完善规章制度，健全组织机构的同时，利用先进的科技手段，发展智能化管理系统。坚决杜绝违章用电，特别是学生公寓内的违章用电问题，做好学生公寓的防火防盗工作。充分依靠技术手段完善管理缺陷，实现管理智能化。

教育部近年来曾两次下发文件，要求“学生公寓内要设立火灾预警监视系统、恶性用电识别装置，通过技术防范设施防止火灾发生”。据京华时报报道，北京市高校秋季学生公寓安全检查也于2006年10月10日正式启动。其中，检查重点为学生公寓安全，尤其是用电安全。

但要真正做到用电安全，必须在平时对学生公寓的用电进行控制。

1.3 课题研究的目的

本课题根据安全防范系统的发展现状及其发展趋势，研究并设计了一个具体针对学生公寓特殊情况的，比较完整的用电安全防范系统。其目的就是设计一个限电自动控制器，使其在允许用电功率范围内能正常用电，超过限定功率即自动停电且发出报警声，并能通过数码管显示当前电流，电压，功率值。

第二章方案论证及系统设计

2.1 有功功率测量方案论证

对于交流功率，有：

)sin(2)sin(|2|22?ω?ω+?=+?=?=t U t I i u

其中瞬时功率 )2cos(cos )()()(?ω?+-?=?=t UI I U t i t u t p

其中有功功率 ??+-===T T

dt t UI T dt t p T t p p 00)]2cos([cos 1)(1)(?ω?

其中无功功率

其中视在功率

所以

有功功率测量方案分感应式电能测量和电子式测量功率。

电子式测量功率是采用乘法器来实现电功率测量的，被测电压和电流通过电压变换器和电流变换器转换后送至乘法器，乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与平均功率成正比的直流电压，再用模拟电路或微处理系统进行处理。

这里主要论述电子式有功功率测量方案：

方案一：用四象限模拟乘法器。功率P=UI ，所以可以用模拟乘法器测量功率，基本原理如图。设，，，ZL 是负载，经过RC 滤波器后，其平均值代表有功功率。

如图2.1所示，这种方法是用纯模拟器件进行处理，它的缺点是成本高，容易受干扰，精度不高。

图2.1 纯模拟电路处理电路

方案二：直接对电压，电流进行ADC采样，用软件计算有功功率。这种方法是用两路ADC分别对电压和电流进行量化，其中：N是一个周期内的采样点数，，T为电压电流的周期，为采样间隔时间，和是电压和电流采样点的离散值。

单相有功功率的平均值是：

单相功率因数的计算：

这种方法是用微处理器直接对电压，电流进行ADC采样，特点是ADC硬件成本高，因为要做大量运算对微处理器性能要求比较高，精度也不容易做高【1】。

方案三：用专用电能计量芯片。

如ADI公司的ADE7755专用电能计量芯片。ADE7755是用于电能计量设备上的芯片，它将有功功率的信息以频率的形式输出。在5060Hz输入信号时都能满足IEC标准规定的测试精度要求，在1000：1的输入动态范围内，测试误差小于0.1%。

ADE7755特点

(1)在5060Hz输入信号时都能满足IEC标准规定的测试精度要求，在

1000：1的输入动态范围内，测试误差小于0.1%。

(2)具有负功率或错线指示功能。

(3)片内带有抗混叠滤波器。

(4)带有电源电压检测功能，电源电压降低到80％VDD时，芯片自动复位。

(5)2.5V片内高精度参考电压源，绝对偏差小于4%，温漂小于20ppm℃。

(6)5V单电源工作，正常工作时芯片功耗30mW。

(7)工作温度范围－40～85℃的特点。

(8)成本<1美元。

根据上面各种方案的优缺点分析，采用第三种方案。

2.2 系统设计

系统设计的思想是用专用电能计量芯片对系统功率进行测试，用单片机对系统功率进行实时监控，但一段时间内的功率平均值超过设定值时，控制继电器切断电路，当人工处理后重新接通电路，对用户供电【2】。

系统示意图如图2.2所示。

图2.2 系统示意图

第三章系统硬件介绍

3.1 单片机介绍

3.1.1 单片机简介

1.单片机概述

单片微机（Single-Chip Microcomputer）简称单片机，也有的叫做微处理（Micro-Processor简写μP）或微控制器（Micro-Controller 简写μC），通常统称微型处理部件（Micro Controller Unit简写MCU）。一般的说，单片机就是在一块硅片上集成CPU、RAM、ROM、定时器计数器、和多种IO的完整的数字处理系统。二十世纪，微电子、IC集成电路行业发展迅速，其中单片机行业的发展最引人注目。单片机功能强、价格便宜、使用灵活，在计算机应用领域中发挥着极其重要的作用。从INTEL公司于1971年生产第一颗单片机Intel-4004开始，开创了电子应用的“智能化”新时代。单片机以其高性价比和灵活性，牢固树立了其在嵌入式微控制系统中的“霸主”地位，在PC机以286、386、Pentium、PⅢ高速更新换代的同时，单片机却“始终如一”保持旺盛的生命力。例如，MCS-51系列单片机已有十多年的生命期，如今仍保持着上升的态势就充分证明了这一点。

2.单片机的结构与组成

目前，单片机的系统结构有两种类型：一种是将程序和数据存储器分开使用，即哈佛（Harvard）结构，当前的单片机大都是这种结构。另一种是采用和PC机的冯.诺依曼（Von Neumann）类似的原理，对程序和数据存储器不作逻辑上的区分，用来存放用户程序，可分为EPROM、OTP、ROM和FLASH等类。

EPROM型内存编程后其内容可用紫外线擦除，用户可反复使用，故特别适用于开发过程，但EPROM型单片机价格很高。具有ROM型（掩膜型）内存的单片机价格最低，它适用于大批量生产。由于ROM型单片机的代码只能由生产厂商在制造芯片时写入，故用户要更改程序代码就十分不便，在产品未成熟时选用ROM型单片机风险较高。OTP型（一次可编程）单片机介于EPROM和ROM型单片机之间，它允许用户自己对其编程，但只能写入一次。Flash型（闪速型）单片机允许用户使用编程工具或在线快速修改程序代码，且可反复使用，故一推出就受到广大用户的欢迎。Flash型单片机,即可用于开发过程，也可用于批量生产，随着制造工艺的改进，Flash型单片机价格不断下降，使用越来越普遍，它已是现代单片机的发展趋势。随机内存（RAM）：用来存放程序运行时的工作变量和数据，由于RAM的制作工艺复杂，价格比ROM高得多，所以单片机的内部RAM非常宝贵，通常仅有几十到几百个字节。RAM的

内容是易失性（也有的称易挥发性）的，掉电后会丢失。最近出现了EEPROM或FLASH型的数据存储器，方便用户存放不经常改变的数据及其它重要信息。单片机通常还有特殊寄存器和通用寄存器，它们是单片机中存取速度最快的内存，但通常存储空间很小。

3.中央处理器（CPU）

是单片机的核心单元，通常由算术逻辑运算部件ALU和控制部件构成。CPU就象人的大脑一样，决定了单片机的运算能力和处理速度。并行输入输出（IO）口:通常为独立的双向口，任何口既可以用作输入方式，又可以作输出方式，通过软件编程来设定。现代的单片机的IO口也有不同的功能，有的内部具有上拉或下拉电阻，有的是漏极开路输出，有的能提供足够的电流可以直接驱动外部设备。IO是单片机的重要资源，也是衡量单片机功能的重要指针之一。串口输入输出口:用于单片机和串行设备或其它单片机的通信。串行通信有同步和异步之分，这可以用硬件或通用串行收发器件来实现。不同的单片机可能提供不同标准的串行通信接口，如UART、SPI、、Micro Wire等。

4.定时器计数器（TC）

单片机内部用于精确定时或对外部事件（输入信号如脉冲）进行计数，有的单片机内部有多个定时计数器。

5.系统时钟

通常需要外接石英晶体或其它振荡源来提供时钟信号输入，也有的使用内部RC振荡器。

以上是单片机的基本构成，现代的单片机又加入了许多新的功能部件，如模拟数字转换器（AD）、数字模拟转换器（DA）、温度传感器、液晶（LCD）驱动电路、电压监控、看门狗（WDT）电路、低压检测（LVD）电路等等。

3.1.2 单片机编程语言介绍

对于51系列单片机，现有四种语言支持，即汇编、PLM，C和BASIC。

BASIC通常附在PC机上，是初学编程的第一种语言。一个新变量名定义之后可在程序中作变量使用，非常易学，根据解释的行可以找到错误而不是当程序执行完才能显现出来。BASIC由于逐行解释自然很慢，每一行必须在执行时转换成机器代码，需要花费许多时间不能做到实时性。BASIC为简化使用变量，所有变量都用浮点值。BASIC是用于要求编程简单而对编程效率和运行速度要求不高的场合。

PLM是Intel从8080微处理器开始为其系列产品开发的编程语言。它很像PASCAL，是一种结构化语言，但它使用关键词去定义结构。PLM 编译器好像汇编器一样可产生紧凑代码。PLM总的来说是“高级汇编语

言”，可详细控制着代码的生成。但对51系列，PLM不支持复杂的算

术运算、浮点变量而无丰富的库函数支持。学习PLM无异于学习一种新

语言。

C语言是一种源于编写UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可产生压缩代码。C语言结构是以括号{ }而不是子和特殊符号的语言。C可以进行许多机器级函数控制而不用汇编语言。与汇编相比，有如下优点：对单片机的指令系统不要求了解，仅要求对51的内存结构有初步了解寄存器分配、不同内存的寻址及数据类型等细节可由编译器管理程序有规范的结构，可分为不同的函数。这种方式可使程序结构化将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能将已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术 C语言作为一种非常方便的语言而得到广泛的支持，C语言程序本身并不依赖于机器硬件系统，基本上不做修改就可根据单片机不同较快地移植过来。

51单片机的汇编语言非常像其它汇编语言。指令系统比第一代微处理器要强一些。51的不同存储区域使得其复杂一些。尽管懂得汇编语言不是你的目的，看懂一些可帮助你了解影响任何语言效率的51特殊规

定。例如，懂得汇编语言指令就可以使用在片内RAM作变量的优势，因为片外变量需要几条指令才能设置累加器和数据指针进行存取。要求使用浮点和启用函数时只有具备汇编编程经验才能避免生成庞大的、效率低的程序，这需要考虑简单的算术运算或先算好的查表法。

由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征【3】。

3.1.3 系统选择

本系统以MCS-51单片机成员中的AT89C51为控制核心。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes 的可系统编程的Flash只读程序内存，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序内存既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，它灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容

（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速内存

（3）1000次擦写周期

（4）4.0-5.5V的工作电压范围

（5）全静态工作模式：0Hz—33MHz

（6）三级程序加密锁

（7）2568字体内部RAM

（8）32个可编程IO口线

（9）3个16位定时计数器

（10）5个中断源

（11）全双工串行UART通道

（12）低功耗空闲和掉电模式

（13）中断可从空闲模唤醒系统

（14）看门狗（WDT）及双数据指针

（15）掉电标识和快速编程特性

（16）灵活的在系统编程（ISP—字节或页写模式）

AT89C51单片机内部结构结构如图3.1所示

图3.1 单片机内部结构图

3.1.4 AT89C51引脚功能介绍

1.电源引脚Vcc和GND Vcc：电源电压，GND(10脚)：接地端。

2.时钟电路引脚XTALl和XTAL2

XTAL2(18脚)：接外部晶体和微调电容的一端。在内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。要检查单