智能化的宿舍电力管理系统设计

目录

摘要及关键词...................................................................1

1引言.........................................................................1

1.1课题时提出..................................................................1

1.2系统分析...................................................................2

2方案论证及系统设计...........................................................3

2.1有功功率测量方案论证.......................................................3

2.2系统设计...................................................................5

3系统硬件简介.................................................................6

3.1单片机简介.................................................................6

3.2单片机编程语言简介.........................................................7

3.3系统选择...................................................................7

3.4AT89C51引脚功能简介......................................................8

3.5定期器()和1使用..........................................................1()

4硬件设计.....................................................................11

4.1单片机最小系统.............................................................11

4.2供电电路设计..............................................................12

4.3继电器接口电路............................................................13

5软件设计.....................................................................14

5.1KeilC51简介..............................................................14

5.2各个模块程序简介..........................................................16

6全文总结.....................................................................17

附录...........................................................................19

参照文献......................................................................23

谢辞........................................................................25

高校公寓智能节水系统设计

摘要：伴随科学技术H勺不停进步和发展，电力系统在学生宿舍楼中的应用越来越广泛，并且口趋狂

杂化。这就对学生宿舍楼的电力交流参数口勺测试和管理水平提出了更高的规定。该文简介了一种新型口勺,

合用于学生宿舍楼电审测量E、J多参数电力系统模块。该模块基于采样定理，运用准同步采样法对电力参

数进行测量。整个系统由主控模块、采样测量模块、显示模块等构成。主控单元模块由IntelH勺16位单片

机AT89c51作为关键处理器，对各个传感器传送来H勺数据进行实时处理。数据处理传播模块也是采用

80cl96KB作为CPU,对若干个集中监控单元模块传上来日勺数据进行处理、控制。该系统还可以安装串

行通信接口与上位计算机进行远传通信。

关键词：功率测量；AT89c51单片机；ADE7755；LED显示

1引言

1.1课题时提出

高校学生宿舍的用电管理问题，一直是摆在高校学生宿舍管理者面前日勺一道难题，老

式的J以手工操作为主日勺学生宿舍用电管理方式，信息反馈慢，工作效率低，管理质量差。

在计算机信息技术飞速发展与广泛应用的今天，这种落后欧I管理方式与时代H勺步伐已显得

格格不入，对学生宿舍用电实行智能化、信息化管理，是信息时代对高校学生公寓管理工

作提出欧I客观规定。

几乎所有院校目前的学生公寓，是按房间安装了电度表，对学生宿舍用电实行定额管

理。学校按照规定给每个宿舍核拨用电定额。用电在定额以内日勺部分，由学校承担，定额

以外的部分，由学生自己承担。不过由于没有安装“学校用电收费管理系统”等类似的有

关系统软件，在用电管理过程中，每抄一次表就需要花很长时时间，同步尚有大量的数据

和信息需要处理，既费工又费力，还轻易出错。怎样使数据与信息在用电管理系统的有关

3.将本月所有H勺电表信息输入电脑后，既可完毕了抄表工作。系统管理员再根据本

月的电表信息，对其进行校验和维护。检查无误后，再公布缴费告知和本月的电费清单，

并提供电脑查询电量电费等信息。

4.公布缴费告知后，便可开始对顾客进行收取电费工作。收费员或者系统管理员进

入收费系统，对顾客进行收取用电顾客当月的电费、以往H勺欠款、当月及以往向滞纳金，

并将收费状况进行登记。

5.缴费完毕后，对已缴费或未准时缴费的顾客进行记录。对未准时缴费的顾客公布

逾期状况的告知，并对逾期状况严重日勺顾客采用停电措施。

6.系统管理员要对整个系统的数据库进行数据备份和数据恢复工作，以防止重要数

据的丢失而加大工作量⑴。

2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：

U=/.Z=/|21U=b\Z\（式1）

i=V2/sin69Z（式2）

u=ix2=V^/・|2|ski（or+e）=及。•sin（6N+°）（式3）

其中瞬时功率p（t）=u（t）•i（t）=U1cos^-UICOS（26（/+（p）（式4）

其中有功功率〃==y£UI[cG^（p-COS（26^+（p）]dt

=UIcos（p（式5）

其中无功功率Q=l〃・sin夕（式6）

其中视在功率S=UI（式7）

囚此S-=P7（式8）

有功功率测量方案分感应式电能测量和电子式测量功率。

这里重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PRI,因此可以用模拟乘法器测量功率，基本原

理如图。设为,汇=拒抬11（加-3）,Rt«|ZL|,Z.是负载，〃（）通过/K滤波器

（尺C>>2K/◎）后，其平均值U（）代表有功功率⑵。

图1所示，这种措施是用纯模拟器件进行处理，他的特点是成本高，轻易受干扰，精

度不如意做高。

图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。这种措施是用两

路ADC分别对电压和电流进行量化，其中:

八牌（式9）

匚癖（式⑻

N是一种周期内的采样点数，N=r/4,T为电压电流的周期，。为采样间隔时间，Ui

和是电压和电流采样点的离散值。

1N

单相有功功率的平均值是：p=—£uji（式11）

Nf=i

单相功率因数的计算：cos(D=叁(式12)

这种措施是用微处理器直接对电压，电流进行通"采样，特点是ADC硬件成本高，由

于要做大量运算对微处理器性能规定比较高，精度也不轻易做高⑶。

方案三：用专用电能计量芯片。

如ADI企业的ADE7755专用电能计量芯片。ADE7755是用于电能计量设备上的芯片，它

将有功功率日勺信息以频率的形式输出。在50/60HZ输入信号时都能满足IEC687/1036原则规

定的I测试精度规定，在1000：1的输入动态范围内，测试误差不大于0.1%。

ADE7755特点：

(1)在50/60HZ输入信号时都能满足IEC687/1036原则规定欧I测试精度规定，在1000：1

H勺输入动态范围内，测试误差不大于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，电源电压减少到80%VDD时，芯片自动复位；

(5)2.5V片内高精度参照电压源，绝对偏差不大于4%,温漂不大于20ppm/℃；

(6)5V单电源工作，正常工作时芯片功耗30nlM

(7)工作温度范围一40〜85℃日勺特点；

(8)成本＜1美元。

根据上面优缺陷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，对顾客供电。

系统不意图如图2所不:

rHM\*44

图2系统硬件示意图

3系统硬件简介

3.1单片机简介

(1)单片机概述

单片微机简称单片机，也有的叫做微处理或微控制器，一般统称微型处理部件。单片

机专业名称一MicroControllerUnit(微控制器件)它由大名鼎鼎的INTEL企业发明的最早的

系歹U是MCS-48后来有了MCS-5L人们常常说的51系列单片机，就MCS-51micro

controllersystem它是一种8位『、J单片机。8位是什么意思后来再讲。后来，INTEL企业把

它的关键技术转让给了世界上诸多的小企业，不过再小也有几种亿的销售，因比世界上就

有许多企业生产51系列兼容单片机例如飞利浦淤J,87LPC系歹IJ华邦的，W78系列达拉斯

口勺,DS87系列附GSM97系列等等。目前在中国比较流行的就是美国ATMEL企业口勺89C51,

它是一种带FlashROM的单片机，至于什么是FlashROM在这儿先不作简介，等后来大

家学到有关日勺知识时，自然就会明白智能化节电管理系统就是以该型号日勺单片机来作试验

日勺。讲到这里，也许有日勺人会问，平时在多种书上看到全是讲解8031和8051等型号的单

片机，它们又有什么不一样呢？其实它们同属于一种系列，只是89c51曰勺单片机更新型一

点叫

（2）单片机的构造与构成

目前.，单片机的系统构造有两种类型：一种是将程序和数据存储潜分开使用，即哈

佛（Harvard）构造，目前日勺单片机大都是这种构造°另一种是采用和PC机欧|冯.诺依曼

（VonNeumann）类似日勺原理，对程序和数据存储器不作逻辑上日勺辨别，用来寄存顾客程

序,可分为EPROM、OTP、ROM和FLASH等类。

（3）中央处理港（CPU）

单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，重要应用于智能仪表、智能传感器、智能家

电、智能办公设备、汽车及军事电子设备等应用系统。单片机体积小、价格低、可靠性高,

其不凡的I嵌入式应用形态对于满足嵌入式应用需求具有独特的I优势。

（4）定期器/计数器（T/C）

单片机内部有多种定期/计数器，单片机内部用于精确定期或对外部事件进行计数。

（5）系统时钟

单片机一般要外接晶体或其他振荡源来提供时钟日勺信号输入。以上是单片机的基本构

成，现代的单片机又加入了许多其他全功能部件，例如温度传感器、模拟与数字转换器

（A/D）、数字与模拟转换器（D/A）、低压检测（LVD）电路液晶（LCD）驱动电路、电压

监控、看门狗（WDT）电路、液晶（LCD）驱动电路、等等。

3.2单片机编程语言简介

对于51系列单片机，既有四种语言支持,即汇编、PL/M,C和BASIC。BASIC一般附

在PC机上，是初学编程的第一种语言。一台计算机，无论是大型机还是微型机，假如只

有硬件，而没有软件（程序），是不能工作日勺。单片机也不例外，它必须配合多种各样的I

软件才能发挥其运算和控制功能。汇编语言是一种采用助记符表达指令、数据和地址来设

计程序的语言。是一种表达机器指令日勺符号语言。不过不一样的CPU,其汇编语言也许有

所差异，因此不易移植。C语言日勺长处是可读性好，移植轻易，是普遍使用欧J一种计算机

语言。缺陷是占用资源较多，执行效率没有汇编高。

最佳H勺单片机编程者应是由汇编转用C而不是本来用过原则C语言的人。

由此来看，单片机有着微处理器所不具有日勺功能，它可单独地完毕现代工业控制所规

定的智能化控制功能，这是单片机最大的特性。

3.3系统选择

本系统以MCS-51单片机组员中的AT89c51为控制关键。AT89C51是一种带4K字节闪

烁可编程可擦除只读存储器的I低电压，高性能CM0S8位微处理潜，俗称单片机。该器件采

用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则H勺MCS-51指令集和输出管脚相

兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的IAT89c51是一种

高效微控制器，为诸多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉日勺方案。其内部构造构

造如图3所示:

图3单片机内部构造图

3.4AT89C51引脚功能简介

1.电源弓I脚Vcc和GNDVcc：电源电压，GND(10脚):接地端。

2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)日勺

低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89c2051是一种带2K字节闪存可编

程可擦除只读存储器日勺单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器

件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业原则日勺MCS-51指令集和输脚相

兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种

高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为诸多嵌入式控制系统提

供了一种灵活性高且价廉内方案。该引脚输入外部时钟脉冲如图4和图5所示:

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