学生宿舍用电综合管理系统毕业设计基于单片机的智能温度测试控制仪的毕业设计.docx
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学生宿舍用电综合管理系统毕业设计基于单片机的智能温度测试控制仪的毕业设计
目 录
学生宿舍用电综合管理系统设计
摘要
本课题研究与设计了基于单片机控制的学生宿舍用电系统。
实现宿舍内每个房间电量的采集、计算、显示;电量数据的保存、分时供电;自动识别恶性负载控制某个房间停、送电等功能。
此系统能够改变目前高校学生宿舍用电混乱,收取电费难的问题。
本系统采用了分块一体化的设计方法。
把整个系统分成若干个功能模块分别进行设计,这样一旦系统某处发生故障,便于维修。
电量采集采用了专用电能计量芯片ADE7755,它具有低功耗、精度高、抗干扰性强等优点,其技术指标超过了IEC1036的准确度要求。
电量的计算是以电脉冲个数作为标准,简化了单片机对电量的计算。
当电量消耗完毕后,控电子系统的单片机通过软件控制相应房间的磁保持继电器断开,完成停电,实现预付费功能。
同时为了节约用电,可以在不影响同学的正常学习、生活的用电需求进行分时段段供电。
但不影响其他公共场合的用电,如:
卫生间,楼道的照明。
本系统可以通过RS-485通信,可以为后续其他配套系统的设计做准备,如:
售电系统通过RS-485把购买电量写入单片机。
系统之间的通信采用RS-485标准接口,可实现长距离、抗干扰能力强的通信。
实用表明本系统实现了预先设计的基本功能,系统结构合理,运行稳定,安全可靠,具有较高的社会推广价值。
关键词:
负荷控制,AT89S52,ADE7755,RS-485
Thedesignoftheelectricityintegrated
Managementsysteminstudents’dormitory
ABSTRACT
Thethesismainlyresearchesanddesignsthesystemofelectricitybasedonthesingle-chipmicrocomputerusedinstudents’dormitory.Themainfunctionsofthesystemaresamplingdata,calculating,displaying,storing,queryingandprintingthequantityofelectricityconsumption,prepayingthefeeofelectricityconsumption,etc.Thesystemcanchangetheconfusedstateofelectricityusedinstudents’dormitoryatpresentandsolvethedifficultyofchargingelectricityfee.Thesystemusesthemethod—combinationofeachunits.Firstlywedividethewholesystemintomanyfunctionmodules.Inthiscasewhenthereissomethingwrongwiththesystem,wecanrepairiteasily.ThesystemusesADE7755,whichisoflowpower;highmeasureprecisionandreliability.ItstechnicalstandardisoverIEC1036.Theelectricityenergyisequaltothenumberofelectronicpulses.TheuseofADE7755simplifiesthecalculationofquantityofelectricityconsumptionwiththesingle-chipmicrocomputer.
Whentheprepaidelectricityisexhausted,theAT89S52controlstheopenofBST902.Thecustomerpurchasesitagain.Inordertosaveelectricity,thesystemcannotaffectthenormalstudentsinlearning,livingontheelectricitydemandforpowersupplyofperiodoftime.Butdonotaffectotherpublicpower,suchas:
toilet,corridoroflighting.
ThissystemcanpasstheRS-485communicationandothersupportingsystemforsubsequentpreparationofdesign,suchas:
ThesystemsellelectricreadsthedataofprepaidelectricityconsumptionfromICcardfirstly,andthenpassthemtheAT89S52ofsub-systemcontrolledelectricitybyRS-485interface.ThecommunicationbetweenthesystemsadoptstheRS-485standardinterface.Sowecanmakelongdistanceandreliablecommunication.
Thesystemfulfillsthefunctionsinadvance.Thestructureofthesystemisreasonable.Thesystemworksstablyandsecurely.Itisveryworthofgeneralizationandapplication.
KEYWORDS:
Loadcontrol,AT89S52,ADE7755,RS-485
前 言
随着高等教育的普及,高校的扩招,在校学生人数增长的激增,尤其是伴随着学生生活条件的不断改善,越来越多的电器,如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进学生公寓,这就要求对学生开放用电,而且高校后勤的社会化也势在必行;目前各高校都在进行后勤社会化改革,急需采用高科技手段加强用电管理。
用电智能管理系统是电量的自动计量及管理发展的趋势,它将促进电力系统的潜能得到最大限度的发挥。
基于现代网络通讯技术、微电子技术及模式识别技术,一种全新概念的智能计量及管理信息网络急待完善和提高。
该计量管理信息网络应用计算机技术、通讯技术等,以智能芯片(如CPU)为核心,将全电子式智能计量与通信控制单元有机结合起来,由此构成的集群式供电智能管理系统可基本覆盖用电管理部门对用户电能计量装置要求的所有功能。
长期以来,我国高校学生公寓用电基本上是实施免费电量供应,即“大包大揽,统收统支”。
这是一种被动的管理模式,学校只能在每月月末才能知道公寓的用电状况,而且由于校园面积大,学生公寓较多且比较集中,漏电、偷电、超负荷用电时有发生,从而造成学校用电量大增,经济负担极重,学校财产和资源在无形中流失极大。
根据以上现状,目前有的高校对学生公寓进行了限流定时的供电管理方法并有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。
这样一来,解决了供电与用电之间的矛盾,同时也减轻了学校支付高额电费的负担,但在用电安全和用电节约上仍存在着诸多矛盾和隐患,如由于用电的放开又使得电炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生公寓,给高校后勤的安全用电管理增加了难度。
此外,实施用电收费管理,必将带来大量的人工抄表统计收费工作,而传统抄表方式的时效性差、统计工作量大、交费手续极为繁琐、易产生错抄、漏抄和估抄等现象,又造成了管理与实施的矛盾。
因此如何建立一套科学完善的用电管理系统一直是各高校用电主管部门急待解决的问题。
随着高校后勤社会化改革的不断深入,学生公寓用电正由免费使用向有偿使用转变,急需一种集计量、控制、管理于一体的电能计量管理系统。
结合我国高校公寓用电管理具体需求,我们研制了“学生公寓电能计量管理系统”。
该系统在设计中充分考虑到生产过程中及实际应用中可能出现的问题,本着安全、可靠、计量准确、使用寿命长、管理科学、使用方便的原则,力求使产品设计科学、合理。
本课题主要讲述使用单片机和各电器元件构成整套宿舍用电管理及保护系统,实现对宿舍用电的分时管理,对大功率用电器的提醒和其他公共用电电器的实时供电。
随着该项技术的不断成熟及公寓管理水平的不断提高,该产品将有广阔的市场空间。
第1章绪论
§1.1学生宿舍用电控制管理系统的研制背景
随着高等学校后勤社会化改革的不断推进,各高等院校积极利用社会资金,通过多种渠道建设了一批又一批现代化、智能化的学生宿舍,宿舍内的配置不仅能够满足学生的基本生活需求,而且装有电热水器,备有电话、电视和电脑高速网络终端,室内还留有空调插座等等。
这些用电设备需要比较完善的用电控制和管理系统,否则会造成学校的用电量剧增,电费增加,经济负担加重。
因此,为了能够有效地控制和管理学生用电的浪费,中央民族大学、南京工业大学、武汉大学、甘肃政法学院等全国部分高校都相继购买了学生宿舍用电智能控制管理系统,实现用电量的有效控制及限时供电控制,能方便地收取学生基本用电量之外的电费,对学生违章用电能实现自动化控制。
但是每套系统价格昂贵,所以有些高校由于资金不足只能望尘莫及。
本文设计的学生宿舍用电控制与管理系统成本较低,而且能够实现上述功能,对某些院校有一定的借鉴之处。
长期以来,我国高校学生宿舍用电基本上是实施免费电量供应,即“大包大揽,统收统支”。
这是一种被动的管理模式,学校只能在每月月末才能知道宿舍的用电状况,而且由于校园面积大,学生宿舍较多且比较集中,漏电、偷电、超负荷用电时有发生,从而造成学校用电量大增,经济负担极重,学校财产和资源在无形中流失极大。
这种用电模式导致各高校宿舍用电状况一直不能有根本改变,问题主要集中在
:
1、一些房间不良用电造成浪费。
由于学校大包大揽,统收统支,学生无用电经济责任,电脑24小时开机上网,长明灯大量存在,造成学校电量浪费。
2、一些房间违章用电,火灾时有发生。
部分学生为了方便自己,在房间内使用大功率的用电设备,如电炉子、热得快、电熨斗等,造成超负荷用电,引起火灾,给学校后勤用电安全管理带来隐患。
3、电量、电费快速增长,经济负担加重。
近几年来各高校电量增长较快,究其原因,除正常用电增长外,部分是非正常增长造成大量浪费,其根源与各高校目前的用电模式有较大的关系,因而改变这种用电模式势在必行。
根据以上现状,目前有的高校对学生宿舍进行了限流定时的供电管理方法,并有大部分地区的高校已经采用或即将采用开放用电、超额收费的办法。
这样一来,解决了供电与用电之间的矛盾,同时也减轻了学校支付高额电费的负担,但在用电安全和用电节约上仍存在着诸多矛盾和隐患,如由于用电的放开又使得电炉子和热得快等大功率用电器大量进入学生宿舍,给高校后勤的安全用电管理增加了难度。
此外,实施用电收费管理,必将带来大量的人工抄表统计收费工作,而传统抄表方式的时效性差、统计工作量大、交费手续极为繁琐、易产生错抄、漏抄和估抄等现象,又造成了管理与实施的矛盾。
因此如何建立一套科学完善的用电管理系统一直是各高校用电主管部门急待解决的问题。
§1.2课题的提出及意义
学生集体公寓用电商品化的首要原因和目的是为学生提供一个符合时代发展的学习与生活环境,而今天公寓服务的商业化方向使它更趋必要。
近年来,随着高校扩招,在校学生人数增长较快,用电量也同期增长,后勤开始进行社会化改革,急需采用高科技手段加强用电管理。
采用用电集中管理具有简洁、可靠、成本低的特点。
将产生较好的经济效益与社会效益。
依测算,该项目实施后,每年可节约15%的用电经费;采用这套系统。
公寓用电状况可以在一台计算机上反映出来,而且随时备查,节省了人力、物力。
为学生宿舍用电管理提供了科学的管理方法,使管理更严谨,增强人们的科学管理意识;对非正常用电,系统将自动报警,对超额用电实时自动断电,可基本杜绝违章电器的使用,消除火灾隐患;以往由于学生公寓无偿供电,使很多宿舍的开关失去作用,不熄灯现象严重,不仅造成了很大的浪费,而且对提高学生公寓整体管理水平增加了难度。
采用此系统后,随手关灯将成为学生的自觉意识,较好地杜绝了浪费现象。
由此可见,该系统的开发应用既有效地提高了经济效益,也有效地加强了高校电量、电费、用电安全管理。
该系统投资少,管理方便可靠;另外还具有远程抄表功能、电表显示功能等。
而由石家庄师慧科教装备有限公司生产的“用电管理系统”由一台主控计算机和多台控制柜组成,每台控制柜作为一个测控站,通过单片机模块化控制的方式对多至48个用户进行用电的控制管理,形成一个计算机集散测控系统,组成测控网络,对学生宿舍的用电实行遥测控制,既能自动进行用电量的读取、存档、结算,保证数据的准确性,又能对欠费用户进行警告、停电、送电控制,节省了大量人工抄表的时间和费用。
除此之外,有些高校还使用长沙聚英贸易有限公司生产的“SIMS智能用电管理系统”等等。
这些用电智能控制与管理系统在结构设计上各有千秋,功能上也稍有不同,但最终都能够较好地解决学生宿舍用电控制与管理上存在的问题,使高校后勤改革上了崭新的台阶。
但有些院校由于资金不足,对这些产品只能望尘莫及,学生宿舍用电一直处于混乱状态,更谈不上收取电费,学校的经济负担明显加重。
本课题为了解决上述问题,以最低的性价比,吸取上述各高校所使用的用电控制与管理系统的优点,自行研发并设计了学生宿舍用电控制管理系统。
该系统基本能够解决某些院校由于资金短缺而无法引进该套设备的问题,本课题所设计的学生宿舍用电控制与管理系统花费资金少。
能够实时控制和管理学生宿舍各个房间的用电。
与其它厂家生产的学生宿舍用电控制与管理系统相比,适合我校学生宿舍用电特点,较好地解决了我校学生宿舍用电中存在的问题。
另外具有较低的价格,主要是因为该系统的硬件设计和软件研发都是由我们自己完成的,而其它厂家技术产品大都申请了专利,所以高校在购买的时候要花很多资金。
因此,对那些具有一定科研开发能力的高校,可以借鉴本课题的设计思想,设计结构,研发出适合自己本校的学生宿舍用电控制与管理系统。
因此,本课题对高校普及推广使用学生宿舍用电控制与管理系统具有深远意义。
§1.3本课题的工作及创新
本课题为实际应用课题,本文的主要研究工作如下:
1)硬件设计采用了分功能块的设计模式。
先把各个功能块设计出来再组合到一起,这样有利于调试,而且有利于电路的维修。
2)选用了新型的AT89S52单片机。
3)研制了以ADE77EE为核心的高准确度电量采集板,编写了电量采集子程序,并进行了调试。
4)进行了系统的抗干扰分析与设计。
第2章系统的基本构成与性能指标
§2.1系统组成框图
该系统主要由电量采样板(ADE7755)、单片机控制板,用电量显示板、微机数据库管理控制等组成。
图2-1所示为一个控制柜内部结构。
本设计中一个控制柜内含有8个单片机子系统,各子系统与微机间采用485网络连接。
各子系统采用母板结构,分别由母板电路、单片机控制电路、显示电路及16个电量采样电路组成。
其中电量采样电路用于采集某一房间的用电量并将其转换成标准脉冲信号;显示电路用于巡回显示16个房间的用电信息;各种信号与数据均通过母板进行传输。
整个系统的组成框图如图2-1所示
。
图2-1系统组成框图
§2.2系统的主要功能及性能指标
(1)准确计量功能。
校验时计量误差范围要求控制在0.4%左右,高于标称的2%要求。
(2)负荷检测控制功能。
本系统采用软件控制方式,实现对大功率电器的检测与控制。
(3)定时开关控制功能。
可根据使用单位的作息时间实现对各房间定时送电、停电,对欠费房间自动停电。
数据库管理功能。
管理员可实时查阅各房间的用电情况,并进行用电统计与打印报表等。
第3章系统的硬件设计
§3.1电能计量原理与电路设计
本系统的主要功能是分时供电和对用电量进行计量,由采样电路板完成电能信号的采样,并将其转换成脉冲信号输出给单片机数据采集处理系统,其核心芯片是ADE7755。
本节在分析电能计量原理的基础上,确定了电路参数并对采样电路进行的设计。
§3.1.1电能计量芯片ADE7755
在该系统中,用一个具有脉冲输出的电能计量芯ADE7755循环采集16个房间的用电量,并把采集的电脉冲输出经光电耦合器PS2501送单片机进行处理。
ADE7755是一种高准确度电能集成电路,其技术指标超过了IEC1036的准确度,ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路,所有其他信号处理(如相乘和滤波)都使用数字电路,这使ADE7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。
ADE7755引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值,能直接驱动机电式计度器或微控制器(MUC)接口。
引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值,用于校验或与MCU接口。
高准确度,支持50Hz/60HzIEC687/1036标准的准确度要求,在500:
1的动态范围内误差小于0.1%,有功功率平均值从ADE7755引脚F1和F2以频率方式输出,有功功率瞬时值从引脚CF以较高频率方式输出,能用于仪表校验。
在环境和时间变化很大的条件下,采用专用模数转换器(ADC)和数字信号处理器(DSP)仍保证高准确度。
片内设有电源监控电路,带有防潜动功能,基准电压2.5V±8%(温度系数典型值30ppm/oC),能为外部电路提供基准+5V单电源、低功耗(典型值15Mw)。
§3.1.2ADE77755有功电量测量原理
负载上的瞬时功率p(t)等于负载两端的瞬时电压v(t)与流过负载的瞬时电流i(t)的乘积,即p(t)=v(t)×i(t),当v(t)、i(t)随时间周期变化时,p(t)也是随时间周期变化的。
,
时,那么负载上消耗的瞬时功率
为
(3-1)
—瞬时功率
V—交流电压有效值
I—电流有效值
φ—电压、电流相位差
从上式可以看出,瞬时功率包含直流分量VIcos(φ)和交流分量VI(2ωt+φ)两部分。
在绝大多数场合关心的是负载上消耗的有功功率,有功功率P定义为瞬时功率p(t)在一个周期内的平均值,即
(3-2)
为了得到有功功率分量(即直流分量),只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。
图3-1ADE7755内部结构
图3-1给出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率,这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。
所有信号处理都是由数字电路完成的,因此具有优良的温度和时间稳定性。
ADE7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生,即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加,因此输出频率正比于平均有功功率。
由于相乘后的LPF不是理想的滤波器,因此LPF输出的瞬时有功功率信号还包含了相当大的瞬时功率信息,即cos(2ωt)。
这个信号通过数字—频率转换器,随时间被积分(累加),进而产生输出频率。
如果CF以较高的频率输出,是因为在对瞬时有功功率进行累加完成频率转换过程中,采用较短的累加时间,这就意味着减弱了对cos(2ωt)成分的平均作用,于是部分瞬时功率信号成分通过了频率转换器。
在宿舍控电系统中,ADE7755的输出端CF经光电耦合器PS2501连接到单片机AT89S52的P3.4引脚,如图3-2所示。
图3-2ADE7755与单片机连接电路
频率输出CF端连接到了单片机的端口,单片机在内部定时器设定的积分时间内对CF输出的脉冲计数,平均功率正比于平均频率,由下式确定:
平均功率=平均频率=脉冲个数/积分时间
在一个积分周期内消耗的电能为:
电能=平均功率×积分时间
=(脉冲个数/积分时间)×积分时间=脉冲个数
CF频率常数的选择是根据逻辑输入SCF确定的,有两种选择方式,一种是32×F1(SCF=1),一种是16×F1(SCF=0)。
本系统中SCF=0,所以选择1600imp/KWh。
由于功率脉冲的周期较长,所以可在软件中用判断功率脉冲的上升沿和下降沿的方法来确认是否接收到一个脉冲。
脉冲常数取为1600imp/KWh,相应用户脉冲计数单元到160个脉冲时,相应用户的电量存储区内容加上0.1度。
但当电路负荷较大时,功率脉冲较快,这就需要加快CPU的采样速度或降低电脉冲常数以保证不会“漏”掉脉冲。
§3.1.3采样板的设计
采样板电路为电能计量的关键电路。
该电路以ADE7755为核心实现对公寓各房间用电的计量,并将电能转换成标准脉冲信号送到单片机处理电路。
图3-3为采样板电路图.采样板电路通过采样电阻(锰铜合金制成)获取的电流采样信号由芯片5、6脚输入,经过可变电阻网络的衰减后的电压采样信号由芯片7、8脚输入,两路信号在芯片内部实现电能计量累加运算,并在内部实现A仍转换,以脉冲方式由23、24脚输出供给机械计度器,由22脚输出经光耦隔离后经母板插座通过选通的三态门输入到单片机的P3.4脚进行数据采集与处理。
本系统工作参数设定在1600imp/KWh。
图中Rx为精度调节电位器,通过调节电压信号达到电表精度调节。
电感L0、L1、L2等用于抑制电网干扰。
系统采用模拟地与数字地分离接地方式,通过电感L0实现直流共地并阻隔交流干扰
。
图3-3采样板电路图
以BH3023为控制芯片的开关控制电路实现对各房间的自动开关控制,其核心器件是磁保持继电器及其驱动电路芯片BH3023。
磁保持继电器区别于普通继电器的特点在于继电器一经触发即可保持开启与关断关态,触发信号撤消后继电器状态不变,因而无需保持触发信号.驱动芯片BH3023较采用分立晶体管驱动电路具有线路简洁、可靠的优点,因而在电能计量系统中被广泛采用。
来自单片机P0.6、P0.7的开、关控制信号经光电隔离送至BH3023的输入端B、A,经输出端QA、OB控制继电器的通、断,从而实现对房间电源的开、关控制。
电阻R29、R30即是光耦电路的输出电阻,也是驱动电路BH3023的输入电阻。
图3-4开关控制电路
§3.2单片机板的设计
§3.2.1单片机的选择
采用单片机对反映电能的脉冲进行采样和数据处理,使电量的计算更加精确。
因此单片机技术促进了电测领域向智能化方向发展。
目前,CPU的发展应用趋于多样化,主要可分为8位机和16位机两种,8位单片机的应用占主流,根据本系统的特点及功能要求,选用了一种低功耗、低价格、高性能的CMOS8位微处理器-AT89S52
,该CPU典型的特征是:
1)与MCS-51单片机产品兼容;
2)8KB可通过SPI接口下载的闪存;
3)内有看门狗定时器;
4)双数据指针;
5)掉电后中断可恢复;
6)SPI串行接口;.2KB片内EEPROM,可擦写10万次;当写EEPROM时,程序可通过闪存正常执行;
7)低功耗空闲和掉电模式;
8)32个可编程I/O口线;
9)3个16位定时器/计数器;
10)8个中断源;
11)二级加密程序存储器;
12)全静态操作:
0H
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