基于学生宿舍用电自动控制系统的研究 毕业设计论文

大学毕业设计（论文） I 摘摘 要要 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。 关键词关键词：功率测量 AT89C51 单片机 ADE7755 LED 显示 II Design for apartments electric automatic controller Abstract:Abstract: Current college dormitory have unified management，how to scientifically and reasonably handle the power supply is still a serious problem. This paper introduces a design 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 hot, electric blanket, induction 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:Keywords: power measurement;AT89C51 chip; ADE7755 chip; LED display 毕业设计（论文） III 目目 次次 第一章第一章 公寓自动用电器概述公寓自动用电器概述1 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 第二章第二章 方案论证及系统设计方案论证及系统设计2 2 2.1 有功功率测量方案论证2 2.2 系统设计4 第三章第三章 系统硬件介绍系统硬件介绍5 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 第四章第四章 硬件设计硬件设计1717 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 键盘电路设计20 4.5 显示电路设计22 4.6 电量采集电路硬件设计22 第五章第五章 软件设计软件设计2424 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 频率子程序29 IV 第六章第六章 全文总结与展望全文总结与展望3131 6.1 结论31 6.2 设计完善32 6.3 展望32 致谢致谢3333 参考文献参考文献3434 附录一附录一 附录二附录二 大学毕业设计（论文） - 0 - 第一章第一章 公寓用电自动控制器概述公寓用电自动控制器概述 1.11.1 课题的背景课题的背景 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。 1.21.2 课题研究的课题研究的意义意义 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。 1.31.3 课题研究的目的课题研究的目的 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。 毕业设计（论文） - 1 - 第二章第二章 方案论证及系统设计方案论证及系统设计 2.12.1 有功功率测量方案论证有功功率测量方案论证 对于交流功率，有： j eIZIU|2| | ZIU tIisin2 )sin(2)sin(|2|22tUtIiu 其中瞬时功率 )2cos(cos)()()(tUIIUtitutp 其中有功功率 TT dttUI T dttp T tpp 00 )2cos(cos 1 )( 1 )( cosUI 其中无功功率 sinUIQ 其中视在功率 UIS 所以 222 QPS 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 ui 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 tUusin2 i )sin(2 L tIi Li ZR 0 u 后，其平均值代表有功功率。 )/2(RC 0 U 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。 - 2 - 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： 2 1 1 N i i UU N 2 1 1 N i i II N 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 NTt t 间，和是电压和电流采样点的离散值。 i U i I 单相有功功率的平均值是： 1 1 N ii i PU I N 单相功率因数的计算：cos P UI 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50/60Hz输入信号时都能满足IEC687/1036 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50/60Hz输入信号时都能满足IEC687/1036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80VDD时，芯片自动复位。 毕业设计（论文） - 3 - (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4085的特点。 (8)成本=1.0) diasplay_buffer/=10; point+; x=10000*diasplay_buffer+0.5; /*显示扫描* disbuff0=disx/1000; /显示千位 disbuff1=dis(x%1000)/100); /显示百位 disbuff2=dis(x%1000)%100)/10); /显示十位 disbuff3=dis(x%1000)%100)%10); /显示个位 if(point!=4)disbuffpoint-1 /显示小数点 P2=0xff;/关掉所有显示 count_flash+; if(flash100) t=0; if(flag) EX0=1; x=256*TH0+TL0; new_data=L_time0*65536+x; t=10*1000000/(float)new_data;/ 功率=ADE7755输出频率x10 TH0=0; TL0=0; L_time0=0; TR0=1; IE0=0; EX0=1; flag=0; return(t); 第六章第六章 全文总结全文总结与展望与展望 - 30 - 高校学生宿舍限电自动控制器是为了适应大学校园的用电安全管理而构建的特殊 的安全防范系统，通过对学生用电需求的分析，设计出了适合高校学生宿舍的用电自 动控制系统。 6.16.1 结论结论 本系统设计的主要目的是对校园安防系统实施的一个探索，通过对学生公寓智能 化的改造(下位机的设计)，配合以后扩展的其它设计模块完成整个校园内部远程自动 抄表系统、远程安防控制以及数据库管理系统等构成完整的综合安防系统。同时，在 设计过程中，考虑到学生公寓的切实需要，在硬件及软件设计方面，尽量采用具有针 对性的设计，节约成本，使得设计出的模型能够在应用方面更加“实惠”。 在查阅大量资料和相关实验的基础上，经过三个多月来对本课题的不懈努力，基 本上达到了预期的要求。通过对系统的硬件和软件的设计和调试，可得到如下结论： （1）学生公寓限电自动控制器的设计和报警器的架构设计基本正确、可行，其主 要功能基本得以实现。该系统监测到宿舍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。系统能有效地限制了学生使用热得快、 电炉子、白炽灯等易引起火灾的大功率用电器。 （2）本系统能在用电故障排除或禁用电器撤除以后，能够自动解除警报，并恢复 正常供电。 （3）本系统使用ADI公司的ADE7755专用电能计量芯片，不仅简化了电路设计，而 且测量的精度能达到很高得水准。 （4）本系统设计紧密结合自动化专业知识，充分发挥了设计者的专业优势，提高 了设计者的实践能力，为今后的工作打下好的基础。 （5）本系统结构简单、可靠性高、成本低，针对性强，对于高校用电控制系统的 建立具有很强的实用价值和广阔的市场发展前景。 6.26.2 设计完善设计完善 毕业设计（论文） - 31 - 由于校园综合安防系统设计的复杂性以及作者知识和研究条件的局限性，本文只 针对校园宿舍安防，节能等功能的下位机进行了设计和研究，尚有以下问题需要做进 一步的深入研究： （1）利用互联网技术对限电控制系统的功能对本系统加以改善。互联网技术的发 展为建设学生宿舍自动用电控制系统提供了有利的平台，可以通过互联网更加快捷、 高效和准确的进行信息的传输、处理和分析。对于网络技术在综合安防系统中的应用 还需要加以深入讨论，同时也可以结合电话线的传输，实现双网传输，保证传输的畅 通。 （2）对上位机的控制软件、人机界面、以及数据库建立和管理系统的深入具体研 究，最终设计一个完整的学生宿舍自动用电控制系统。 （3）本系统的设计比较简单，没有充分考虑具体安装时的合理性，没有经过长期 的运行测试，稳定性方面没有有待提高。 （4）由于设备，经验等方面的限制，系统在硬件和软件方面还存在一些缺陷，需 要进一步的调试并加以改进和完善。 6.36.3 展望展望 社会在进步，科学技术也在日新月异的发展。本课题是基于学生宿舍用电自动控 制系统的实验性研究，在学生公寓智能化改造方面开发的一个尝试，离最后的实用化、 产品化还有相当的距离。随着微电子技术、通信技术、自动控制技术和传感器技术发 展，以及智能化建筑应用的不断完善，相信建立一个高校学生宿舍的公寓用电自动控 制系统，还将会得到更大的发展空间。 致谢致谢 - 32 - 论文完成之际，首先我要衷心感 指导老师。虽然没有上过他的课，但在大学的 最后阶段接触到这位被许多人认可和敬佩的老师，我觉得很幸运。麦范金老师在审题 及资料的选择方面给予了我许多指导，并给我提出了许多宝贵意见。麦范金老师在我 的论文完成期间给了很多有益的帮助和督促。 我的论文最终得以完成，也少不了院系各位老师的支持。在各位老师的精心指导 和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电子领域 的研究状况和发展方向有了一定的了解，单片机领域这对我今后进一步学习计算机方 面的知识有极大的帮助。 论文的定稿也就意味着我离开学校的日子也不远了，回首往昔，许许多多的老师 都给予我关心支持，不仅教会我专业知识，也教给我做人的道理，感谢各位老师在我 遇到困难的时候给我帮助和指导，让我顺利完成预期目标。 感谢学校给我们安排的毕业设计，在实践中学到了许多从书本中学不到的知识。 在论文定稿之际，再次向麦范金老师表示深深的谢意！ 同时，也感谢答辩委员会的各位老师和专家，谢谢你们从百忙之中抽出宝贵的时 间来参加我的毕业论文答辩，谢谢你们即将给予我的评价和斧正。 最后，再一次对所有关心支持我的人表示衷心的感谢！ 参