1、天 津 大 學 網 絡 教 育 學 院專科畢業論文題目：大功率電器智能識別與安全用電控制器的設計完成期限：2016年1月8日 至 2016年4月20日學習中心：嘉興專業名稱：電氣自動化技術學生姓名：計建國學生學號：132092433052指導教師：李娜娜天津大學網絡教育學院專科畢業論文大功率電器智能識別與安全用電控制器的設計第1章 緒論隨著高等教育的普及，高校的擴招，在校學生人數增長的激增，尤其是伴隨著學生生活條件的不斷改善，越來越多的電器，如電腦、電視機、熱水器、飲水機等正逐步走進學生公寓，這就要求對學生開放用電，而且高校后勤的社會化也勢在必行；目前各高校都在進行后勤社會化改革，急需采用高科

2、技手段加強用電管理。現在國內已有多家公司開發、生產學生公寓用電智能管理控制系統，隨著該項技術的不斷成熟及公寓管理水平的不斷提高，該產品將有廣闊的市場空間。1.1 用電管理的意義用電智能管理系統是電量的自動計量及管理發展的趨勢，它將促進電力系統的潛能得到最大限度的發揮。基于現代網絡通訊技術、微電子技術及模式識別技術，一種全新概念的智能計量及管理信息網絡急待完善和提高。該計量管理信息網絡應用計算機技術、通訊技術等，以智能芯片(如CPU)為核心，將全電子式智能計量與通信控制單元有機結合起來，由此構成的集群式供電智能管理系統可基本覆蓋用電管理部門對用戶電能計量裝置要求的所有功能，并可實現智能化的自動故

3、障診斷。我國高校中普遍存在用電管理落后、電力資源嚴重浪費的問題，安全隱患日益突出。長期以來，我國高校對校辦公區和學生公寓普遍實施免費電量供應，有的還對學生公寓進行了限流定時的供電管理方法，但在用電安全和用電節約上存在著諸多矛盾和隱患，并且不利于校后勤部門有效管理。因此，現有大部分地區的高校已經采用或即將采用開放用電、超額收費的辦法。這樣即解決了供電與用電之間的矛盾，同時也減輕了學校支付高額電費的負擔。但是實施用電收費管理，一方面必將帶來大量的人工抄表統計收費工作，而傳統抄表方式時效性差、統計工作量大、交費手續極為繁瑣、容易產生錯抄、漏抄和估抄等現象。此外， 由于用電的放開又使得電爐子和熱得快等

4、大功率用電器大量進入學生公寓。由于學生公寓是人口密集、用電負載類型多樣的場所。當使用以上大功率的電器設備時，很容易引起火災等事故，直接威脅同學們的人身安全和學院的財產，并且給學校帶來負面的社會影響。供電與用電之問的矛后日益突出，傳統的電量計量管理系統遠遠不能滿足高校后勤管理數字化的要求，建立智能配電管理系統，成為大勢所趨1。管理系統可以實現對整個公寓的集中監控，可實現學生公寓各房間用電量自動檢測計量、超預置電量自動斷電、非法用電自動識別、短路、過流保護、欠費自動提示等功能，可使公寓用電管理自動化、智能化，提高公寓管理水平，實現安全、節能、增效。1.2 用電管理的發展及前景隨著電子技術、計算機網

5、絡技術和通訊技術的發展，人們己研制出全電子式智能計量系統，在計量方式上采用了遠程計算機管理信息網絡，基本實現了計量的自動化和網絡化，但是以往的研究都沒有涉及負載類型的識別問題。因此，對負載類型識別的研究，有助于填補這一空白。目前，國內外研究負載模式識別的人較少。但也取得了一定的成果，主要是以下幾個方面：利用微處理器通過軟件進行快速逆變換器負載性質判別與負載參數估算的方法，從而實現對無差拍控制逆變換器的輸出進行精確控制。對智能交通系統中的圖像處理、模式識別和智能控制技術等關鍵技術進行了深入的研究并將這些技術融合到車牌識別、車道檢測和跟蹤、車型識別系統的具體研究中。用小波尺度譜和相位譜對一些典型的

6、旋轉機械故障振動信號進行了分析研究。其他的還有如利用負載測量系統進行用戶負載識別的方法，介紹如何運用采樣理論進行采樣，還考慮了周圍環境對測試結果的影響。這些研究雖然簡單的對負載參數進行了估算，但是，這些工作沒有實現自動化， 因此工作量大、效率低，不適合實時控制的需要。為更好地滿足計算及判別的自動化，應用了波形識別的概念，但在實用性、實時性等方面有各自的缺點:雖然討淪了對波形的瞬時值進行采樣并與相應的特征值進行對比，以判斷設備的工作情況，但對整個波形的特征并未加以利用。利用窗函數對檢測波形處理后經短時傅立葉變換或小波變換獲得特征值由此建立二維時頻域空間，利用子空間投影方法進行波形分析。但此方法中

7、需要最優選擇_維窗函數的參數，不便于波形的自動、快速分析。利用波形的瞬時值和頻譜分析與電路的工作狀態建立聯系，然后用神經網絡記憶這種映射關系，并通過應用進行了對比認為頻譜分析比波形瞬時值更適合在電力電子電路檢測中應用。但它所能檢測的故障類別比較少，阻礙了此方法在負載類型識別中的應用。利用DSP按照傅立葉變換、小波分析等算法分析了測試信號的特征，并經過比對確定系統工作狀態，但沒有建立系統自動比對方法。根據波形自動分析的需要，將典型波形進行傅立葉變換，所得數據形成波形模式，繼而形成典型波形空間。然后利用空間模式識別方法，把測試波形模式與典型波形空間中的模式進行比較，按離差度給出測試波形與典型波形的

8、匹配程度，從而確定測試波形類型，但當測試波形發生畸變時，權值矢量比較難選擇，并且由于典型波形模式的限制，此方法的泛化能力較差2。對于系統涉及到的通信方式，它的選擇直接關系到系統的造價、工程量和維修量，甚至關系到系統的成敗。自動計量系統的通訊方式包括雙絞線通訊、光纜通訊、電話線通訊、電力線載波通訊、無線通訊、衛星通訊和有線電視通訊、蜂窩通訊、紅外通訊等多種方式。中國儀器儀表學會電磁測量信息處理儀器分會對自動計量系統的幾種通訊介質進行了詳細的介紹。通過對用電管理系統的深入研究，我們發現可以在用電管理系統的基礎上實現整個公寓，甚至整個小區的智能化管理。目前已經有了許多類似的管理系統已經應用到樓宇自動

9、化中，而且現行的許多智能住宅小區也實現了遠程抄表、煤氣、用水管理及自動保安報警等服務，可見智能管理日后必將成為以后樓宇建設的普遍標準。 智能小區是在智能化大樓的基本含義中擴展和延伸出來的，它通過對小區建筑群四個基本要素(結構、系統、服務、管理以及它們之間的內在關聯)的優化考慮，提供一個投資合理，又擁有高效率、舒適、溫馨、便利以及安全的居住環境。由于“智能化”是一個相對的概念，“智能化”技術本身也正在不斷地發展、完善、直至成熟，因此智能小區智能化是一個過程，它應當隨著智能化技術的發展和人們需求的不斷增長而增長。總的來說，智能小區是利用現代4C(即計算機、通訊與網絡、自控、IC卡)技術，通過有效的

10、傳輸網絡，將多元信息服務與管理、物業管理與安防、住宅智能化系統集成，為住宅小區的服務與管理提供高技術的智能化手段，以期實現快捷高效的超值服務與管理，提供安全舒適家居環境。系統不僅要實現對小區的住戶管理、信息查詢，而且實現小區的自動抄表系統。小區用戶水、電、煤氣三表輸出的脈沖信息由智能控制器讀出，再通過Lon網絡傳輸到小區的管理中心，管理中心讀出三表讀數，并打印出來。先進的可以與銀行連接，定期通過銀行系統扣費，從而實現遠程抄表與自動扣費結合。此外，在原系統的基礎之上，通過擴展，可以實現用電營業管理系統。代替傳統人工方式的用電管理，這種管理方式存在著許多缺點,如：效率低、保密性差,另外時間一長,將

11、產生大量的文件和數據,這對于查找、更新和維護都帶來了不少的困難。隨著科學技術的不斷提高,計算機科學日漸成熟,其強大的功能已為人們深刻認識，因此有必要進行計算機管理。他不但具有傳統用電管理的優點，還有以下幾個優點：(1) 提供多種客戶服務和服務項目，以提高優質服務水平。(2) 實現數據的一致性。(3) 實現管理流程的必要約束。(4) 實現主要業務的質量控制(5) 提高管理的效率。1.3 課題的來源及主要研究內容1.3.1 課題來源本課題應學校學生公寓的建設需要，對學生宿舍的用電管理一直以來就存在許多問題進行解決。目前很多學生喜歡用電熱杯、熱得快甚至電爐之類的一些大功率電器，容易引發安全事故。而且

12、市場上有不少產品的質量、安全性很難得到保證。對于這些電器的使用應加以限制，保護學生的生命財產安全。同時，一些學生節約用電的意識淡薄，這樣往往容易造成一些電能的不必要浪費。高效的電能管理能減少電能的浪費。1.3.2 主要研究內容本研究課題將在以下幾個方面展開工作:(1) 集群式供電智能管理系統的下位機軟件編程。下位機的軟件程序包括與上位機串口通信、單片機數據采集和數據保存等工作。(2) 對用電過程中的負載類型進行識別。一般情況下，電壓波形為正弦波，即標準電壓;當一些學生公寓由于年代久遠，供電設備和線路老化，線路容量不足時，會使電壓波形產生畸變，成為非正弦波，即削頂電壓。本課題要實現在以上兩種電壓

13、波形下負載類型的識別。其目的就是限制大功率性負載(如電爐子、熱水器等)。但允許使用計算機負載，可以根據要求設定限制允許使用的計算機功率的值(一般設定為500W),當檢測到用戶使用非法電器時，將立即斷電，一段時間后，恢復供電，如繼續使用，將再次斷電，并記錄。第2章 系統的組成及功能介紹2.1 系統的主要組成如圖2.1所示，整個設計系統由上位計算機、中繼器模塊、數據檢測模塊、控制模塊以及繼電器執行模塊等幾部分組成。其中數據檢測模塊主要完成對原始數據的采集，經過整流濾波，信號調理后，通過A/D轉換器將模擬信號轉換為數字信號，然后送到控制模塊中的單片機進行分析處理，判斷是否學生宿舍使用了大功率電器；并

14、將分析結果送到繼電器執行模塊。而繼電器執行模塊則主要是執行單片機送過來的控制命令：通斷電。中繼器模塊則是數據檢測及控制模塊和上位計算機之間進行數據傳遞的橋梁；上位計算機則主要是人性化的顯示各用電參數，并通過它進行數據的調用和控制。圖2.1 系統總體的框圖2.2 系統及各主要模塊的介紹首先本系統設計的功率智能控制器是接在房間回路的主干線上。通過電流互感器采集主電路中的電流信號，經過整流、濾波以及信號調理，送到A/D轉換芯片TLC2543轉換成數字信號，然后送到單片機中，根據編制好的程序進行分析，處理。其中程序一般要具有以下特點：首先根據功率單個最小禁用電器接入時的功率，來設定單個電器的上限值（一

15、般單個功率都不大于300W）。由于常規小功率電器接入時，電流的瞬間變化量將不會超過設定值，所以電路能正常供電。但是當有單個功率在設定值以上的電器接入時，瞬時電流的變化量將超過允許使用單個電器的上限值，單片機主控器將記憶該值。為了防止由于沖擊電流或電網干擾等原因產生的誤動作，在規定的時間內將連續采樣N次，通過進一步的比較和分判斷，確保一旦有大功率電器接入，立即進行跳閘停電操作。通過設置總功率上限值，一方面可限制總用電功率，另一方面可實現用電安全保護。該控制器還可以配合其他控制器來設置觸電、過載、短路等保護功能，更加有效的防范了一些用電安全事故的發生，確保學生的用電安全。2.2.1 數據檢測模塊數

16、據檢測模塊包括電流互感器、電壓形成放大電路、整流濾波電路和信號調理電路。該控制器采用的是由簡單的電流負感器采樣，經橋式整流、濾波后再經過一個簡單的限幅保護電路直接將線性的電壓信號送至A/D轉換器。其限幅保護電路主要是用來保護A/D芯片，2.2.2 控制模塊控制模塊主要由A/D轉換器，單片機，時鐘電路和復位電路組成。A/D轉換器主要是進行模數的轉換。單片機主要實現對A/D轉換器輸入的信號進行分析、處理，其中系統的算法就是在這里完成的。它是整個控制系統的核心。時鐘電路和復位電路，顧名思義，分別是提供時鐘周期和進行復位的。2.2.3 繼電器執行模塊繼電器執行模塊是光電耦合器，三極管以及繼電器等組成的

17、。當控制信號從單片機出來后，先經過光電耦合器進行強弱電的隔離，而后又經三級管放大來驅動繼電器動作。通過繼電器的斷和閘來實現房間的通斷電。2.2.4 中繼模塊中繼模塊主要是為了實現眾多單片機和上位機之間的通信。考慮到傳輸距離和可靠性等因素，故決定在單片機和中繼模塊之間采用RS485總線進行傳輸。然后通過中繼模塊內的RS485和RS232轉換器將RS485成RS232標準，和上位機進行通信。其中兩種標準分別如下：RS232是美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Association）于1962年制定并于1969年最后一次修訂而成的一種串行總線的物理接口標準，此標準規定了

18、串行傳輸中，主控摸板與從屬模塊間的物理連線線路的機械、電氣、功能和過程等特性雙端都必須遵守的共同約定。RS232的標準總線為25線，不過在實際應用中并非25條線全都用到，如果只有一個終端，刪去未定義的和專用與同步傳輸的信號線，RS232中常用的信號線只有9條。一般使用上的計算機都是用9針插座作為異步通訊的連接器3。RS485是一種電氣標準，而不是象RS232那樣既是物理標準又是電氣標準。RS485標準規定，無論是發送還是接收數據，均用兩條線傳輸雙端（差分）信號。該標準允許驅動器（發送端）輸出為±2V±6V，接收器可以檢測到200mV的輸入信號電平。RS485是半雙工，在某一

19、時刻發送另一時刻接收，當用于多即互連時，可以節省信號線，便于高速遠距離傳送3。第3章 系統的硬件設計3.1 數據檢測模塊的設計數據檢測模塊包括電流互感器、電壓形成放大電路、整流濾波電路和信號調理電路。該控制器采用的是由簡單的電流負感器采樣，經橋式整流、濾波后再經過一個簡單的限幅保護電路直接將線性的電壓信號送至A/D轉換器。其限幅保護電路主要是用來保護A/D芯片。數據檢測模塊如圖3.1所示。電流互感器電壓形成放大電路整流濾波電路信號調理電路限幅保護電路圖3.1 數據檢測模塊本模塊電路的核心部件是電流互感器，它實時的采集著目標房間的電流瞬時變化。電流互感器是將一次回路的大電流成正比的變換為二次小電

20、流以供給測量儀器、儀表、繼電保護及其他類似電器。電流互感器的基本電路如圖3.2所示。電流互感器的一次繞組和二次繞組饒在同一個磁路閉合的鐵心上。如果一次繞組帶電而二次繞組開路，則互感器成為一個帶鐵心的電抗器。一次饒組中的電壓降等于鐵心磁通在該繞組中引起的電動勢，鐵心磁通也在二次繞組中感應出相應的電動勢。如果二次繞組回路通過一個阻抗形成回路，則二次回路中將產生一個電流， 圖 3.2 電流互感器基本電路電流在鐵心中產生的磁通趨向于抵消一次繞組 Ip一次電流；Is二次電流； 電流產生的磁通。忽略誤差時，二次回路電流 N1一次繞組；N2二次繞組；與一次回路 電流之比等于一次繞組匝數與二 Zp負荷阻抗次繞

21、組匝數之比。 電流互感器的用途是實現被測電流值的變換，與普通變壓器不同的是其輸出容量很小。一般不超過數十伏安，供給電子儀器或數字保護的互感器，輸出功率可能低到豪瓦級。一組電流互感器通常有多個鐵心，即具有多個二次繞組，提供不同的用途。中壓（如10kv級）的某些類型電流互感器，可能只有1-3個二次繞組。而超高壓的電流互感器的二次繞組可能多達6-8個。電流互感器的一次繞組通常串聯與被測量的一次電路中，二次繞組通過導線或電纜接儀表及繼電保護等二次設備。電流互感器二次電流在正常運行及規定的故障條件下，應與一次電流成正比，其比值和相位誤差不超過規定值。電流互感器的規定一次電流和額定電流是作為互感器性能基準

22、的一次電流和二次電流。電流互感器按其用途和性能特點分為兩大類：一類是測量用互感器，主要在電力系統正常運行時，將相應電路的電流變換供給測量儀表，積分儀表和其他類似電器，用于運行狀態監視、記錄和電能計量等用途。另一類是保護用互感器，主要在電力系統非正常運行和故障狀態下，將相應電路的電流變換供給繼電器保護裝置和其他類似電器，以便啟動有關設備清除故障，也可以實現故障監視和故障記錄等4。測量用和保護用兩類電流互感器的工作范圍和性能差別很大，一般不能共用。但可以組裝在一組電流互感器內，由不同的鐵心和二次繞組實現測量和保護功能。電流互感器的用途是實現被測電值的變換，與普通變壓器不同的是其輸出容量很小。一般不

23、超過數十伏安，供給電子儀器或數字保護的互感器，輸出功率可能低到毫安級。系統所用電路如圖3.3所示：圖 3.3 電流互感器及檢測電路3.2 控制模塊的設計3.2.1 單片機的介紹及選擇AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為

24、很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。如圖3.4所示：(1) 主要特性： 與MCS-51 兼容 4K字節可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環 數據保留時間：10年 全靜態工作：0Hz-24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8位內部RAM 32可編程I/O線 兩個16位定時器/計數器 片內振蕩器和時鐘電路 圖3.4 AT89C2051引腳(2) 管腳說明 ： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一 次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。

25、在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。

26、P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口。如表所示： 各管腳的備選功能 P3.0 RXD（串行輸入口） P3.1 T

27、XD（串行輸出口） P3.2 /INT0（外部中斷0） P3.3 /INT1（外部中斷1） P3.4 T0（記時器0外部輸入） P3.5 T1（記時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通） P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外

28、部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。 /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESE

29、T；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。(3) 振蕩器特性： XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 (4) 芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持AL

30、E管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。 此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3.2.2 控制模塊的設計數據檢測模塊采集到的目標房間電流變化的模擬量經A/D轉換送給單片機，采用12位串行A/D轉換器TLC2543。TLC2543是有11個模擬量輸入通道的12位開關電容逐次逼近A/D轉

31、換器，具有轉換速度快、穩定性好、與單片機接口簡單，且性價比好等優點。可通過一個三態的串行輸出端與主處理器或其他外圍串行高速傳輸數據。該器件片內含有一個14通道模擬開關，可選擇11路模擬量輸入中的任意一個或三個內部自測電壓中的一個。片內產生轉換時鐘并由片I/O CLOCK同步。在允許的工作溫度范圍內A/D轉換時間小于10us。片內還設有采樣保持電路。器件的基準電壓有外部電路提供。其A/D轉換輸出數據的長度和格式可編程為以下幾種方式：(1) 單極性或雙極性輸出（有符號的雙極性，對應與所加基準電壓的1/2）。圖3.5 TLC2543管腳功能(2) MSB（D11位）或LSB（DO位）作前導輸出。 (

32、3) 可變輸出數據長度（8位、12位、16位）。TLC2543有20個引腳，多種封裝形式，其管腳排列如圖3.5所示。管腳功能及說明如下： AIN0AIN10：11個模擬輸入端，輸入電壓范圍：0。3-（Vcc + 0.3V）。對4.1MHZ的I/O時鐘，驅動源阻抗必須小于或等于50歐。 CS：片選端。CS的下降沿，將復位內部計數器，并控制和使用DATAO、DATAI和CLOCK；CS的上升沿，將在一個設置時間內禁止DATAI和CLOCK信號。 DATAI：串行數據輸入端，8位控制字以MSB為前導從該端輸入。前4位串行地址選擇下一個即將被轉換的模擬輸入或測試電壓；后4位用于選擇輸出數據的長度和格式

33、。 DATAO：用于A/D轉換結果輸出的三態串行輸出端。DATAO在CS為高電平時處于高阻狀態，而當CS為低電平時可輸出數據。當CS有效時，CLOCK的下降沿將上一次的轉換結果的各位從DATAO端依次移出。 EOC：轉換結束信號，輸出。在I/O周期的最后一個CLOCK下降沿后，EOC從高電平變為低電平，并保持低電平直到轉換完成及數據準備傳輸。 CLOCK：輸入/輸出時鐘端。CLOCK接收串行輸入并完成以下功能：在CLOCK的前八個上升沿，將八個輸入數據位移入輸入數據寄存器，其中前4位為模擬通道地址；CLOCK的第四個下降沿開始對所選通道信號進行采樣；CLOCK的下降沿將前一次轉換的數據的其余位

34、依次移出DATAO端；在I/O周期CLOCK的最后一個下降沿使EOC變低并開始A/D轉換。 REF+：正基準電壓端。基準電壓的正端（通常為Vcc）被加到REF+。最大的輸入電壓范圍取決于加在本端與加在REF-端的電壓差。 REF-：負基準電壓端，即基準電壓的低端。 Vcc：正電源端。通常接+5V，GND為電源接地端。其工作特性圖如圖3.6所示：圖3.6 TLC2543工作特性TLC2543與單片的接口電路如圖3.7所示。VCC+5VVCCP1.3DATAOUTP1.5P1.4ADDRESSI/O CLOCK P1.2CS TLC1543GNDGNDATC892051圖 3.7 TLC2543與

35、單片機接口電路系統中我們選用AT89C2051單片機。該芯片的功能與MCS-51系列單片機完全兼容，并且還具有程序加密等功能，物美價廉，經濟實用。從上節管腳說明可看出，AT89C2051沒有提供外部擴展存儲所需的地址鎖存和讀寫控制信號。因此，利用AT89C2051構成的單片應用系統時，不能象AT89C51那樣擴展存儲器等設備，可以根據情況與I2C或SPI串行總線設備接口。系統中各I/O管腳功能分配見表3.1：表3.1 系統I/O管腳功能表接出接入功能接出接入功能P1.0發光二級管工作指示燈P3.0485 RO接收輸入P1.1485 DE*RE收發控制P3.1485 DI發送輸出P1.2A/D

36、CS端片選信號P1.5A/D DINPUT數據輸出P1.3A/D I/O CLK脈沖信號P1.6A/D EOC轉換結束信號輸入P1.4A/D DOUT數據輸入P1.7光耦合器4N25繼電器驅動信號3.2.3 時鐘與復位電路單片機工作的時間基準是由時鐘電路提供的。在單片機的XTAL1和XTAL2兩個管腳，接一只晶振及兩只電容就構成了單片機的時鐘電路，如圖3.8所示。單片機的復位方式有上電自動復位和手工復位兩種，圖3.9所示是51系列單片機常用的上電復位和手動復位組合電路，只要VCC上升時間不超過1ms，它們都能很好地工作。圖3.8 時鐘電路 圖3.9 復位電路3.3 繼電器執行模塊3.3.1 光

37、電耦合器的介紹光電耦合器是一種把電子信號轉換成為光學信號，然后又回復電子信號的半導體器件。當電流移向電耦合器的輸入面（圖3.10），光學信號由發光二極管輸出 。輸出面的光學感應器察覺之，同時電流移動。 圖3.10 電耦合器的操作原理圖3.11 電耦合器當超過原定水平的電流輸入電耦合器的初級面，次級面則接地，以及0V輸入微型電腦。敬請留意，由於銜接電耦合器初級面和次級面的電流供應有異，噪音可 被過濾，同時避免干擾信號的傳送。3.3.2 光電耦合電路在本單片機應用系統中，需驅動繼電器工作，為了防止電器干擾信號從前向和后向通道進入系統，在接口處設置了光電耦合器，以改善單片機應用系統的工作環境，電路如

38、圖3.12所示。P1.7圖3.12 光電耦合及繼電器驅動電路3.3.3 繼電器電路的設計繼電器電路是整個模塊的核心部分，其電路圖如圖3.12所示，當系統檢測到房間使用了大功率電器，或者當上位機發出斷電信號時，光電耦合器不工作，沒有放大電流產生，三極管沒有放大電流的產生，是繼電器吸和的常閉觸點斷開，常開觸點閉合，房間斷電。 3.4 中繼模塊的設計在用電管理系統中,數據、指令的通訊是不可替代的部分，是整個系統功能實現的關鍵，必須具有良好的通訊準確性、抗衰減性。系統中的通訊即包括主控計算機與單片機之間的通訊。3.4.1 模塊總線標準的確定 在自動化領域，隨著分布式控制系統的發展，迫切需要一種總線能適

39、合遠距離的數字通信。在RS-422標準的基礎上，EIA研究出了一種支持多節點、遠距離和接收高靈敏度的RS-485總線標準。RS-485標準采有用平衡式發送，差分式接收的數據收發器來驅動總線，具體規格要求： (1) 接收器的輸入電阻RIN12k(2) 驅動器能輸出±7V的共模電壓(3) 輸入端的電容50pF(4) 在節點數為32個，配置了120的終端電阻的情況下，驅動器至少還能輸出電壓1.5V（終端電阻的大小與所用雙絞線的參數有關）(5) 接收器的輸入靈敏度為200mV（即（V+）-（V-）0.2V，表示信號“0”；（V+）-（V-）-0.2V，表示信號“1”）因為RS-485的遠距離

40、、多節點（32個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485成為各種應用系統中數據傳輸的首選標準。其中影響RS-485總線通訊速度和通信可靠性的三個因素：1、在通信電纜中的信號反射；2、在通訊電纜中的信號衰減；3、在通訊電纜中的純阻負載3.4.2 系統使用的MAX485芯片介紹MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS485芯片。采用單一電源+5V工作，額定電流為300A，采用半雙工通訊方式。它完成將TTL電平轉換為RS485電平的功能。其引腳結構圖如圖1所示。從圖中可以看出,MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單,內部含有一個驅動器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的

41、輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發送的使能端，當/RE為邏輯0時，器件處于接收狀態；當DE為邏輯1時，器件處于發送狀態，因為MAX485工作在半雙工狀態，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發送的數據為1；當A的電平低于B端時，代表發送的數據為0。在與單片機連接時接線非常簡單。只需要一個信號控制MAX485的接收和發送即可。同時將A和B端之間加匹配電阻，一般可選100的電阻。標準轉換的具體做法是先利用MAX232將RS232標準轉化為TTL電平，再利用MAX4

42、85將TTL電平轉換成RS485標準。圖3.13為接口轉換器的電路圖。圖3.13 中繼器電路圖3.4.3 多機通信通信過程的協議要根據不同的應用場合，來制定不同的協議，有些協議是很復雜的。在設計中我們規定了如下幾條簡單的協議5： 系統中允許接有255臺從機，它們的地址分別是00HFFH。 地址FFH是對所有從機都起作用的一條控制命令：命令各從機恢復SM=2的狀態 主機發出的控制命令代碼為：00H：要求從機接收數據塊01H：要求從機發送數據塊其他：非法命令 數據塊長度：16個字節 從機狀態格式為：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0ERR00000TRDYRRDY其中：若ERR=1，表

43、示從機接收到非法命令 若TRDY=1，表示從機發送準備就緒 若RRDY=1，表示從機接收準備就緒下面我們給出了串行通信的程序框圖，主程序部分是以子程序的發式給出，要進行串行通信時，可以直接調用這個子程序。主機在接收或發送完一個數據塊后可返回主程序，完成其他任務。從機部分以串行口中斷服務程序的發式給出，若從機為做好接收或發送數據的準備，就從中斷程序中返回，在主程序中做好準備。故主機在這種情況下不能簡單地等待從機準備就緒，而要重新與從機聯絡，使從機再次進入串行口中斷7。圖3.14 多機通信主機程序流程圖，圖3.15 多機通信從機程序流程圖。圖3.14 多機通信主機程序流程圖圖3.15 多機通信從機

44、程序流程圖3.5 電源電路設計本系統的功率識別控制器直接接入房間的220V交流電網中，給單片機提供電源時需進行整流和穩壓處理，因控制器還需驅動繼電器電源的設計分兩部分。一部分輸出+5V給單片供電，一部分輸出+12V給繼電器供電，具體電路如圖3.16所示。圖3.16 電源電路MC78XX是常用的線性穩壓器系列，它的封裝格式一般為TO-220。MC78XX的XX即表明了輸出電壓。這種器件的輸出電流高達1A，而靜態電流在5mA和8mA之間。MC78XX元件的另外一個特性是超載和短路保護。如果要輸出負電壓，就用MC79XX穩壓器，其用法和MC78XX類似。7800系列的集成穩壓器廣泛應用于各種整流和電

45、路板電源上。其穩壓輸出電壓從+5V+24V有七個檔次；加散熱裝置后其額定電流可以達到1.5A.穩壓器內部具有過流、過熱和安全工作區保護電路，一般不會因過載而損壞。一般在電路中加上電容用于抑止過壓和波紋或改善負載瞬態響應。為保證穩壓器能正常工作，對輸入直流電壓也有要求，一般要求輸入直流電壓比輸出直流電壓高出23V，不宜高出太多，高出太多使穩壓器功耗過大，易損壞穩壓器。整流二極管D1和D2用來保證電路整流的進一步可靠。兩個發光二極管用來監視兩個電源的工作情況。電源參數計算與元件的選擇：通過查閱電工手冊，我們找到小功率整流電源的電量關系如表3.2表3.2 小功率整流電源的電量表電路名稱單相橋式輸出直

46、流電壓Uz電阻或感性負載0.9 U2有電容濾波空載1.41U2負載1.1U2整流變壓器二次側電壓有效值U2電阻或感性負載1.11Uz有電容濾波空載0.707Uz負載0.91Uz整流變壓器二次側電流有效值I2電阻負載1.11Iz無限大電感負載Iz整流變壓器二次側容量P2電阻負載1.23UzIz無限大電感負載1.11UzIz整流變壓器一次側容量P1電阻負載1.11UzIz無限大電感負載1.23UzIz 下面，我們先計算+12V電源的參數。當要求輸出+12V的電壓時，穩壓芯片MC7812輸入端的電壓設為+14V，橋路經過一個整流二極管即為穩壓芯片MC7812輸入端的電壓+14V，所以橋路輸出直流電壓

47、Uz為14.7V。由此可以求得整流變壓器二次側電壓有效值 U2=0.91Uz=0.91*14.7=13.38V我們設輸出直流電流為Iz=1A，所以整流變壓器二次側電流有效值I2=1.11Iz=1.11*1=1.11A （按電阻負載估算）所以變壓器一次側和二次側容量P1=P2=1.23*14.7*1=18.08（伏安）同理可以求得+5V電源的參數為 U2=0.91*7.7=7.01V I2=1.11*1=1.11A P1=P2=1.23*7.7*1=9.47（伏安）變壓器的總功率 P=18.08+9.47=27.55 （伏安）確定變壓器型號:本電源電路采用變壓器變壓后，再運用橋式整流電路將電網和

48、UPS提供的交流電壓轉換為直流電壓。在選擇變壓器型號和橋式整流電路時需要進行參數計算。通過查閱電工手冊，我們找到小功率整流電源的電量關系見表3.3表3.3 小功率整流電源的電量表電路名稱 單相橋式輸出直流電壓Uz電阻或感性負載0.9 U2有電容濾波空載1.41U2負載1.1U2整流變壓器二次側電壓有效值U2電阻或感性負載1.11Uz有電容濾波空載0.707Uz負載0.91Uz整流變壓器二次側電流有效值I2電阻負載1.11Iz無限大電感負載Iz整流變壓器二次側容量P2電阻負載1.23UzIz無限大電感負載1.11UzIz整流變壓器一次側容量P1電阻負載1.11UzIz無限大電感負載1.23UzI

49、z下面，我們先計算+12V電源的參數。當要求輸出+12V的電壓時，穩壓芯片MC7812輸入端的電壓設為+14V，橋路經過一個整流二極管即為穩壓芯片MC7812輸入端的電壓+14V，所以橋路輸出直流電壓Uz為14.7V。由此可以求得整流變壓器二次側電壓有效值 U2=0.91Uz=0.91*14.7=13.38V我們設輸出直流電流為Iz=1A，所以整流變壓器二次側電流有效值I2=1.11Iz=1.11*1=1.11A （按電阻負載估算）所以變壓器一次側和二次側容量P1=P2=1.23*14.7*1=18.08（伏安）同理可以求得+5V電源的參數為 U2=0.91*7.7=7.01V I2=1.11

50、*1=1.11A P1=P2=1.23*7.7*1=9.47（伏安）變壓器的總功率 P=18.08+9.47=27.55 （伏安）設變壓器的原邊和副邊電壓分別為U1和U2,電流分別I1和I2,匝數為W1和W2。所以，根據變壓器原理有 U1/ U2= W1/ W2 I1/ I2= W2/ W1在確定線圈匝數時，要先計算每匝電壓Et=4.44fBmSt *10-8（伏/匝）式中： Bm鐵芯柱內磁通密度；對冷軋鋼片Bm取13001500高斯，熱冷軋鋼片Bm取10001300高斯，容量小Bm取小值，容量大取大值；Ps為容量；f為50Hz。我們根據電工手冊選擇St=32Ps/2 Et=1.2（伏/匝）計

51、算繞組匝數 W=Uxa/Et式中： W一次側或二次側繞組匝數； Uxa一次側或二次側空載相電壓。所以 二次側繞組匝數n1 =U2/Et= 12 n2 =U2/Et=5 最后我們選用額定功率為30W，高壓側可承受220V電壓的變壓器。二極管選用可承受50V電壓，額定電流為2A的二極管。穩壓芯片采用摩托羅拉公司生產的MC7812和MC7805。 3.6 斷電保護電路為進一步提高系統的可靠性可在單片機外圍電路中增加斷電保護電路，可選用X2045多功能芯片，其介紹如下:X2045是Xicor公司研制開發的高性價比的具有串行外圍設備通信接口SPI的集成芯片。它集上電復位、看門狗定時器、電源電壓監控和串行

52、E2PROM為一身，大大簡化了應用系統的硬件成本，降低了功耗，性能穩定可靠，是智能儀表系統中的理想器件。(1) X2045的特性 具有串行外圍設備通信接口SPI，與單片機接口簡單，使用方便。 具有可編程的看門狗定時器。 低VCC檢測：直至VCC=1V復位信號有效，高電平有效復位。 內部有512B的串行E2PROM，每個字節可寫入100 000次，數據保存期為100年。 為低功耗CMOS，等待電流10uA；工作電流3mA；1MHz時鐘頻率；寬電源電壓范圍。 具有塊鎖定功能：可以保護1/4，1/2或所有E2PROM列陣。 具有片內偶然性寫保護：商店和掉電保護電路、寫鎖存、寫保護管腳。 ESD保護所

53、有管腳均為2000(2) X2045管腳及功能 X2045芯片的管腳封裝形式為8管腳小型DIP或8引腳SOIC封裝，或14管腳TSSOP封裝。各管腳主要功能如下： 片選信號輸入腳（CS）：低電平有效。當CS=0時，X2045被選通。該腳電平的變化將復位看門狗定時器。 串行輸出腳（SO）：X2045內部的數據由此腳輸出，在串行時鐘的下降沿同步輸出數據。 E2PROM的寫保護輸入腳（WP）：WP為低電平“0” 時 ，向X2045寫數據被禁止，其他功能不受影響。 電源地腳（VSS）。 串行輸入腳（SI）：所有的操作碼、儲存地址及及要寫入的數據均通過此腳輸入，在串行時鐘的上聲沿將數據鎖定。 串行輸入時鐘腳（SCK）。 復位信號輸出腳（RESET）：高電平有效，注意是漏極開路輸出。 電源輸入腳（VCC）：X2045有4.55.5V、2.75.5V兩種供電電壓的芯片。(3) X2045的操作指令X2045操作指令有8條，見下表3.4。該表中所有的指令、地址及數據都以高位在前的方式傳送。其中，讀和寫指令的位3包含了高地址位A8。當發出WREN，WRDI及RDSR命令時，不必發送字節或數據。表3.4 X2045的指令集表序號指令名稱指令