毕业设计（论文）基于单片机最小系统下电网数据采集的设计.doc

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1、基于单片机最小系统下电网数据采集的设计作 者指导教师摘要：系统根据居民小区用电负荷的特点，利用单片机实行对用户的用电情况进行集中计量、集中管理和智能控制，并且利用串口通信技术完成上位机和下位机的数据传输与交换。论文对多用户用电计量方式与如何实现用电的智能控制进行了说明，对电能的采样、计量原理、开关控制以及数据显示进行了分析，完成了主要硬件电路的设计和参数的选择。经调试，系统能满足设计目标，满足居民小区用电管理要求。关键词: 采样 单片机 电能计量 电压 Bedroom electricity management system design wisdomAbstract: According

2、to the characteristics of electricity burden in students apartment, the system makes use of damping to centralize measurement and management and intelligent control to the electricity circumstance of the user and also uses the communication technique to transmit and exchange data between the host co

3、mputer and the slave microprocessor. The thesis gives an introduction to the calculate way of electricity to multi-user and the realization of intelligent control to power using, and an analysis to the sampling, measurement principles of electricity, switch control and data display, so that it compl

4、etes the design of circuit of the main hardware and the selection of the parameter. The system can satisfy the requirement f electricity management in students apartment which is the design target after the debug.Keywords: sampling Champing power-measuring Voltage 目 录1 绪 论41.1 引 言41.2 居民用电管理系统简介42 系

5、统实现原理及主要技术指标22.1系统的基本构成22.1.1 电量采样模块22.1.2 电压采样模块硬件部分22.1.3 电压采样模块软件部分42.1.4 单片机数据处理模块62.1.5 计量显示模块62.1.6 控制/保护模块62.1.7 上位机控制模块62.2 系统主要功能及技术指标62.2.1 系统主要功能62.2.2 主要技术指标72.3 系统主要结构特点73 功能电路的实现与分析73.1 计量/控制电路的原理分析73.1.1 功能需求73.1.2 电能计量原理与分析73.1.3 控制保护电路设计与分析73.2 单片机数据处理电路设计103.2.1 单片机的组成及结构103.2.2 存储

6、器的结构123.2.3 定时器123.3 显示电路的设计133.3.1 74HC595A芯片的工作原理133.3.2 显示电路的设计与分析144 系统软件设计与分析164.1 主程序设计164.1.1 主程序工作过程164.2 显示程序设计184.2.1 功能要求184.2.2 显示缓冲区更新子程序184.2.3 显示程序流程184.3 计量程序设计194.3.1 功能要求194.3.2 计量程序流程图194.4 负荷识别控制程序设计204.4.1 工作过程204.4.2 工作原理204.4.3 程序流程图（图4-4）215 总结与展望225.1 设计总结225.2 设计展望22致 谢23参

7、考 文 献24附录：总体电路图251 绪 论1.1 引 言近几年，随着社会的发展，人们的生活日益丰富，用电方式和用电量增加，实现对集体宿舍用电管理的科学化和智能化势在必行。但由于很多工厂集体宿舍的后勤部门、物业公司对用电知识宣传不够，致使很多人对安全用电、科学用电、规范用电缺乏必要的了解，私拉电线、拖欠电费等不良现象时有发生，由此引起的火灾、触电事故、用电纠纷时有发生，由此带来的人员伤亡、财产损失触目惊心。对后勤部门来说，既要保证人民正常的学习、生活用电，又要防止以上不良现象的发生，仅仅依靠管理人员的督促检查或是采用传统的用电管理模式，既费时费力、代价大，又难有理想的效果，综上所述，居民区供电

8、系统存在的问题主要集中在： 无法实现全区用电指标的分解及控制； 无法对后勤供电设施进行科学的管理及合理的配置； 无法实现准时、准确的用电量的统计及收费管理； 无法进行学校整体用电成本的分析及核算； 增加管理难度，造成用电安全隐患，失火现象时有发生。其根本的解决途径是采用一套新的计量管理系统。针对集体宿舍的用电特点，研制开发一套结构新颖、价格低廉的能够实现对用户用电情况进行集中计量、集中管理、实时控制的电能计量管理系统，实现面向用户的信息化、自动化管理，无疑具有积极的现实意义和广阔的发展前景。1.2 居民用电管理系统简介本课题研制的集体宿舍用电智能管理系统采用了先进的电能计量芯片,是一种先进的集

9、中式电能计量系统，具有电能计量,负荷识别，自动开关等功能。公寓用电智能管理系统属于新一代电能计量管理设备，它与传统的分立式电能计量设备，如机械式电度表、IC卡式电度表有根本的区别。机械式电度表和IC卡式电度表也可以集中的形式安装，但这仅仅是形式上的集中，实际上仍然是许多分立式电度表在独立工作。而集中式电能计量管理系统却不是这样，该系统是针对学生集体公寓特点研制开发的一种计量功能的一体化独立设备，同时还具有传统电能计量设备所不具有的负荷检测控制功能和统计分析功能，是适用于诸如学生公寓专用的集中管理模式。2 系统实现原理及主要技术指标2.1系统的基本构成该系统主要由电量采样模块(AD7755)、单

10、片机数据采集处理模块、用电量显示模块、键盘、控制电路等组成等.系统基本框图如图1-1示。图1-1：系统组成基本框图2.1.1 电量采样模块电量采样是此系统的核心之一,它将对电量进行采集,进行由模拟量到数字量的转换,然后送给单片机进行数据处理.该模块的核心电路是由AD7755组成的电能模数转换电路，它能将通过采样电阻(锰铜合金制成)获取的电流采样信号与电压采样信号在芯片内部实现电能计量累加运算，并在内部实现A/D转换，以脉冲方式输出供给机械计度3200imp/kWh，本系统采用CF输出1600imp/kWh供单片机进行计量处理。电量采样模块上另一部分电路是磁保持继电器控制电路，磁保持继电器用于负

11、载开、关控制，采用正、负脉冲信号进行开、关驱动。驱动电路可用晶体管电路实现，亦可用专用集成芯片实现，本系统采用集成电路BH3023实现对继电器的驱动。2.1.2 电压采样模块硬件部分根据设计思路，硬件主要利用了微机实验平台上的ADC0809模数转换器、8253定时/计数器以及LED显示输出等模块。电路原理图如下：1基本接口实验板部分1) 电位计模块，4个电位计输出4路15V的电压信号。2) ADC0809模数转换器，将4路电压信号接到IN0IN3，ADD_A、ADD_B、ADD_C分别接A0、A1、A2，CS_AD接CS0时，4个采样通道对应的地址分别为280H283H。3) 延时模块，825

12、3和8255组成延时电路。8255的PA0接到8253的OUT0，程序中查询计数是否结束。硬件电路图如图1所示。图1 基本实验板上的电路图实验板上的LED显示部分实验板上主要用到了LED数码管显示电路，插孔CS1用于数码管段码的输出选通，插孔CS2用于数码管位选信号的输出选通。电路图如图2所示。图2 LED数码管显示电路图2.1.3 电压采样模块软件部分根据功能需求，系统主程序主要包括初始化程序、A/D转换子程序和显示子程序。主程序流程图见图3所示。图3 主程序流程图下面分别介绍各个子程序。1系统初始化系统开始运行后，初始化程序将采集数据存放单元清0，将LED显示数据存放单元清0。2A/D转换

13、子程序A/D转换子程序用来控制对AD0809四路模拟输入电压的转换，并将对应的数值存放到相应的数据段NUM的4个字节单元。数据的读取方式可以采用延时等待、中断读取和查询读取。根据电路采用中断读取的方式。ADC0809的转换控制如下：选择通道并启动转换等待中断 读取转换结果。A/D转换子程序的程序流程图如图4所示。图4 A/D转换子程序流程图3显示子程序显示子程序采用动态扫描法实现四位数码管的数值显示。测量所得的A/D转换数据放在数据段NUM的4字节存储单元，测量数据在显示时需要转换为十进制BCD码放在BCD0BCD3单元中，其中BCD3存放的是输入电压路数。由于AD0809是将模拟信号转换为数

14、字信号，所以要将数字信号转换为对应的电压值，公式为VDATA/51。转换时取一位整数和两位小数，再将数据转换为显示码就可以输出显示了。显示子程序流程图如图5所示。显示子程序中调用了BCD码转换子程序和4位数据显示子程序，BCD码转换程序是将数据转换为BCD码值。4位显示子程序是将每组数据输出，主要是将对应的段码和位码输出，注意小数点的处理。延时子程序利用8253计时1ms，用8255来查询计时是否完成。流程图见图6所示。图5 显示子程序流程图图6 四位数据显示程序2.1.4 单片机数据处理模块单片机数据采集处理模块巡回采集处理16个采样芯片(对应16个房间)的用电量数据，并可实现对各房间电源的

15、通断控制。利用I2C数据总线和上位单片机相连接2.1.5 计量显示模块本系统利用三片74HC595A芯片实现12位串行LED显示，12位LED显示器(房间号3位、剩余电量3位、用电量6位)通过联线安置于控制柜面板上。2.1.6 控制/保护模块本系统开关控制采用以BH3023启动磁保持继电器，并通过单片机软件程序来控制磁保持继电器的通断，从而来控制用户供电的通断，包括电压、电流过大，以及使用大功率电器等2.1.7 上位机控制模块上位机控制部分，主要采用微机来对整个公寓楼的所有单片机的数据进行收集、保存以及打印等，以便有利于对电量的结算及汇总。2.2 系统主要功能及技术指标2.2.1 系统主要功能

16、设计完成后系统应实现以下功能: 集中管理、自动计费：以整栋公寓为单位，实现按户（或每个房间）用电自动计量、自动计费，变分散为集中，高效科学、防窃电； 准确计置功能: 系统设有准确的机械计度器，使校验时计量误差范围要求控制在0.4%左右，达到标称要求以上； 负荷识别控制功能: 本系统采用软件控制方式，实现对用电器的控制。对于出现使用大功率类电器，系统可根据电流量的大小予以自动控制； 定时开关控制功能：系统定时开关控制功能，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； 数据分析、汇总、报表打印功能：上位机系统高度智能化，管理规范、数据准确、结算迅速、自动汇总。2.2.

17、2 主要技术指标供电电源:单相220V （5%）分路输出电源:220V (50HZ)最大额定电流:2 A分路最大功耗:0.5W脉冲常数:1600imp/Kwh使用环境温度:-25 +60使用寿命:810年2.3 系统主要结构特点系统结构设计为主从式、主要侧重于使用维护方便，性能可靠稳定。每个房间使用一块电量采样板，一个单片机板巡回检测十六个房间用电量，通过一个显示板电路将所测电量在柜体面板实现动态巡回显示。单片机通过总线和上位机连接可实现从键盘输入数据和打印数据等功能。3 功能电路的实现与分析3.1 计量/控制电路的原理分析3.1.1 功能需求计量/控制电路需要实现以下功能： 接收用户电路的有

18、功功率脉冲，进行累计，实现用电电量的自动计量，自动计费； 接收控制命令，按命令执行相关操作，并回送有关数据，实现电费预交，数据回抄； 当剩余电量低于一定值时，发出警告信号；当电量为零时，自动断电，先缴费，后供电，随缴随供； 监测用户用电情况的变化，超负荷或恶性负载时均强制断电； 定时供电/断电。3.1.2 电能计量原理与分析本功能模块的主要功能是对用电量进行计量，由采样电路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。（1）、电能计量芯片AD7755电能计量电路是整个设计的关键所在，AD7755是美国由ADI公司生产的一种低成本、高精度的电能测量集成电路（在500：1的

19、动态范围内误差小于0.1%）。该芯片内部只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，这使AD7755在恶劣的环境下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。依靠ADI公司在电能计量方面的强大实力和多年的行业经验,该芯片在电子电能表等各种电能计量类仪表与系统中被广泛应用。图3I为AD7755引脚图。图3-I AD7755芯片引脚图AD7755主要特点： 高准确度，支持50/60Hz IEC687/1036标准的准确度要求，在动态范围500：1内误差小于0.1%； 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与微控制器（89S52）接口； 引脚CF以较高频

20、率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与单片机接口； 在电流通道中的可编程增益放大器方便与传感器接口； 片内电源监控，片内带有防潜动功能； 单5V电源，低成本，低功耗。图3-2为AD7755功能框图，自采样电路的电流信号经AD7755的通道1（V1P，V1N）进入内部可编程放大器PGA放大，其增益分为*1，*2，*8，*16四档，可由芯片G0，G1引脚设定，经过衰减的电压信号由通道2（V2N，V2P）进入芯片内部放大器放大。AD7755的工作过程叙述如下：图3-2 AD7755功能框图 模拟输入：AD7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了接口电路。电流通道V1采用完全差动输入，最大差动

21、峰值电压应小于470mV，（纯正弦电压有效值为330mV），电流通道中的PGA进一步简化外部电路接口，PGA的增益由用户自己选择。电压通道的最大峰值电压为660mV。 信号处理：两个ADC对来自输入通道的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶-模数转换器，过采样速率达900KHz,电流通道中的高通滤波器（HPF）滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电力失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率中推导计算出来的，而瞬时功率信号是由电压和电流信号直接相乘得到。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即可。 频率量输出：AD7755的低频输出是

22、通过对上述有功功率信息的累加产生，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。当这个平均有功功率信息进一步被累加就能获得电能计量信息。CF的输出频率较高，累加时间较短，因此CF输出频率正比于瞬时有功功率。（2）、采样电路设计采样电路为电能计量的关键电路。该电路以AD7755为核心实现对公寓各房间用电的计能转换成标准脉冲信号送到单片机处理电路。图3-4为采样模块电路图图3-4 系统采样电路采样电路通过采样电阻(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R28，R27， R26，R25， R24， R21， R20， R5， RX 等衰减后的电

23、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/D转换，以脉冲方式由23, 24脚输出供给机械计度器，由22脚输出经光耦合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。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LO实现直流共地并阻隔交流干扰。3.1.3 控制保护电路设计与分析（1）、开关控制电路分析以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

24、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状态，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。来自单片机P1.6、 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，QB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即是光耦电路的输出电阻，也是驱动电阻BH3023的输入电阻，图3-5为开关控制电路图，图3-5 开关控制电路图BH3023芯片是由输入门控电路、输出端A、B同时为“0”或“1”状态时判别保护电路、输出端

25、二极管保护电路以及驱动电路组成。它主要用于控制BST-902系列磁保持继电器的工作，是理想的双向继电器驱动电路。 BH3023具有以下特点： 静态功耗电流低（小于1u A）； 高输入阻抗，与TTL、COMS及单片机兼容； 输入触发方式可以是脉冲，也可以是电平； 输出驱动极内部加二极管正、反向保护； 输出驱动有足够大的输出电流（大于80mA）。 BH3023真值表：表3-1 BH3023真值表（2）、数据选择器设计系统采用的选择器由两片8选1通用数据选择芯片74LS151进行级连获得，74LS151是一种典型的数字电路数据选择器，它有3个地址输入端CBA，可选择D0-D78个数据源，具有两个互补

26、输出端，同相输出端Y，和反相输出端W，其引脚图和功能表分别如图3-6、表3-2所示；图3-6 74LS151引脚图 表3-2 74LS151的功能表将两片74LS151连接成一个16选1的数据选择器如兔3-7所示，其地址选择输入有4位，其最高为D与一个8选1数据选择器的使能端相连，经过一个反相器后与另一个数据选择器的使端相连接，低3位地址选择输入端CBA由两片74LS151的地址选择输入端相对应连接而成。图3-7 用两片8选1数据选择器连成的16选1数据选择器（3）、数据分配器设计数据分配器是数据选择器的反用，是将从一个数据源来的数据根据需要送到多个不同的通道上去。它的作用相当于多个输出的单刀

27、多掷开关。本系统采用的分配器是由两片74LS138级连成的4-16线多路分配器，芯片级连图如图3-8示。图3-8 由两片74LS138级连成的4-16线数据分配器图为避免各采样模块通过共地造成各房间火线相联(采样电路为火地)产生干扰与危险，每块采样模块的电能采样电路均采用单独电源供电。各继电器驱动电路所需电源由12V开关电源集中供电，每个控制柜使用一个12V开关电源。采样电路电源设计采用交流电通过电容降压的方式整流、滤波后经稳压电路输出。在此不可以将采样电路电源地与开关电路电源地(也。是系统信号地)混在一起3.2 单片机数据处理电路设计该电路主要完成系统对信号的计量、控制、存储，主要由单片机和

28、存储器组成。3.2.1 单片机的组成及结构 本系统采用Intel公司89系列的89C52单片机,图3-9为89C52的功能框图.由图可见,在这一块芯片上集成了一台微型计算机的各个主要部分.其中主要有CPU、存储器、可编程I/O口、定时/计数器、串行口等，各个部分通过内部总线相连。图中的P0、P1、P2、P3为四个可编程I/O口，TXD、RXD为串行口的输入输出端，以上各个部分通过内部数据总线相连。图3-9 89C52单片机功能框图如图3-7为80C52芯片的引脚图 图3-10 80C52芯片引脚图 如下对其引脚进行简单介绍： 主电源引脚VCC和VSSVcc（40脚）:主电源，+5V；Vss（2

29、0脚）:地线。 时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶振的一端；XTAL2（18脚）：接外部晶振的另一端。 控制信号引脚 复位脚RST（9脚）、锁存扩展地址低位字节控制信号ALE（30脚）等。 输入/输出引脚P0.0-P0.7（39-32）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访问片外存储器时，其作为地址/数据线，简写AD0-AD7。P1口（1-8）：是一个有内部上拉电阻的准双向口，P1口的每一位口线能独立的用做输入线和输出线。P1口可驱动4个TTL门电路。P1.0可做定时/计数器2的外部计数触发输入端T2,P1.1可做定时/计数器2的外部控制输入端T2EX。P

30、2口（21-28）： 是一个准双向口，P2口可驱动4个TTL门电路。P2口做通用I/O口使用时引脚可接I/O口设备，其输入输出操作与P1口完全相同。P2口做地址总线口使用时，当系统中接有外部存储器，P2口用于输出高八位地址A15A8。P3口（10-17）：是一个双功能口。当P3口作为通用I/O口使用时，输出功能控制线为高电平，在这种情况下P3口的结构和操作和P1口相同。在整个系统中，其还具有第二功能。3.2.2 存储器的结构MCS- 52 产品将程序存储器ROM和数据存储器RAM分开，他们有各自的寻址方式和寻址机构。52有4个存储空间，3个逻辑空间，外部程序存储器和数据存储器最大寻址达64K。

31、 程序存储器：程序存储器是以程序计数器PC作地址指针，8952单片机的程序计数器PC是16位的。8952内有8KB的ROM/EPROM程序存储器，地址为0000H-1FFFFH。对于有内部ROM的单片机，应把控制线EA接成高电平。正常运行时从内部的ROM开始运行，当PC值超过1FFFH时，自动跳转到外部扩展的存储区2000H-FFFFH地址空间中去执行。若把EA接成低电平，可用于调试状态，把调试结果放置在内部ROM空间重叠的外部存储器内。 数据存储器：8952具有384B的片内RAM.最多可以扩充64KBRAM，构成两个地址空间，区分两个地址空间的方法是采用不同的寻址命令。在片外数据存储器中的

32、80H-FFH这个存储空间还有与专用寄存器区相同的128B数据存储器。 专用寄存器：89C52/S52有27个专用寄存器，离散的分布在片内 数据存储器的高128字节地址80H-FFH中。包括程序计数器，累加器，程序状态字，堆栈指针，数据指针等。3.2.3 定时器图3-11为52单片机定时器的原理结构框图：图3-11 52单片机定时器的原理结构框图从图中可以看出，16位的定时/计数器分别由两个8位的专用寄存器组成，即T0由TH0和TL0构成；T1由TH1和TL1成。其访问地址依次是8AH-8DH。每个寄存器均可单独访问。此外，其内部还有一个8位的定时器方式寄存器TMOD和一个8位的定时器控制寄存

33、器TCON。这些寄存器之间通过内部总线相连接8。3.3 显示电路的设计在系统设计中，LED显示方式由于具有使用方便、价格低廉等优点而得到广泛应用。在采用并行显示方式时，显示电路的段码与位控码要占用单片机的较多口线，尽管可采用8155等接口芯片进行扩展，但接口线利用率仍较低，不能满足大型控制系统的要求。采用串行显示方式则只需占用2至3根口线，节约单片机大量的1/O线，且使用效果很好。本文介绍一种基于74HC595A的LED串行显示技术。3.3.1 74HC595A芯片的工作原理74HC595A是美国国家半导体公司生产的通用芯片。74HC595A具有8位锁存、串并移位寄存器和三态输出，74HC59

34、5A内部含有8位移位寄存器和8位D锁存器。其内部功能框图如3-12所示：图3-12 74HC595A内部结构功能框图主要引脚及其功能介绍如下：15、1-7脚（Q0-Q7）：低电位输出，使用中接LED阴极；9脚（SQH）：串行数据输出端；10脚（）：移位寄存器清除端，低电平时移位寄存器被清零，高电平时数据输出有效。使用中接用户系统数据输出是否有效选择来控制电路输出；11脚（SRCLK）：移位寄存器时钟端，上升沿有效，与用户系统工作时钟相连；12脚（RCLK）：寄存器时钟端，上升沿时有效，与用户系统工作时钟相连；13脚（EN）：输出使能端，低电平有效，允许输出，使用中接用户系统是否允许选择电路输出

35、。14脚（SER）：串行数据输入端。串行移位寄存器接收外部输入串行数据，一方面可进行串行数据输出，同时向锁存器提供8位并行输入数据，并具有异步复位功能;8位锁存器可三态输出并行数据。该芯片具有串行输入、并行输出两个独立的时钟信号。输入数据在串行移位时钟SRCLK上升沿由串行输入端SER输入到芯片内部串行移位寄存器中，同时SQH端串行输出；在锁存时钟信号RCLK上升沿到来时，芯片将内部串行移位寄存器8位数据并行输出，正常工作时，应将复位端与使能端EN分别接高电平，低电平。3.3.2 显示电路的设计与分析该系统采用十六个房间用电量巡回显示方式，显示板置于控制柜前面板上，供管理人员及用户查询.每个单

36、片机系统巡回检测、处理、控制十六个房间，并将显示数据送至一个显示器巡回显示。本系统采用12位LED显示器(房间号3位、剩余电量3位、用电量6位)，通过联线安置于控制柜面板上。若采用普通的LED并行显示方式需扩展单片机接口，电路复杂、成本高。本系统利用三片74HC595A芯片实现12位串行LED显示，该芯片可实现串行输入，并行输出。使用时，在串行时钟的控制下，可将显示器位控码与段控码逐位串行输入至三个芯片中，然后利用锁存信号实现并行输出，完成12数数码显示更新。利用此显示方式仅占用单片机三根口线，极大节约单片机口线资源。采用串行数据输入，显示速度相对较慢，实际使用时显示效果稳定、可靠。电路图如下

37、：图3-13 显示电路设计图4 系统软件设计与分析4.1 主程序设计 4.1.1 主程序工作过程 初始化； 系统分两种方式启动：第一次上电启动:系统第一次启动；掉电启动 : 系统停电或重新上电后启动。 定时显示中断工作。程序启动后，定时显示中断开始工作。中断定时时间为1.67ms。系统每响应一次中断，显示器显示一位数字。同时启动3秒定时器与30秒定时器。若3秒定时时间到，置更新显示缓冲区标志41H;若30秒定时时间到，置用电负荷检查标志43H； 显示更新。主程序依据41H标志(3秒定时到否)决定是否更新显示缓冲区数据。每个房间显示信息保持3秒时间； 负荷检查。依据43H标志(30秒检测周期到否

38、)决定是否检查用电负荷，根据负荷状态决定对用电房间进行警告关断或惩罚性关断； 开关控制。依据45H标志(房间开关状态)调用读开关状态标志到工作区，并打开、关断相应房间； 巡回计量。主程序依据各房间开关状态进行巡回用电检测计量。16个房间巡检完返回主循环继续运行。主程序流程图如图 4-1 图4-1 主程序流程图4.2 显示程序设计4.2.1 功能要求系统采用12位LED及一位发光二极管显示方式。3位LED显示房间号，3位LED显示剩余电量，6位LED显示表指针(即用电量:5位整数，一位小数);1位发光二极管作报警显示标志。 正常工作显示：12位LED显示器巡回显示16个房间的用电信息，每个房间信

39、息显示时间为3秒钟，发光二极管熄灭； 电量不足显示：当某个房间所购电量不足时，3位剩余电量与发光二极管均作闪动显示，亮、灭时间为200ms； 负荷报警显示：当某个房间使用限用电器时，发光二极管闪动显示报警。本系统显示电路硬件主要由3片74HC595A芯片实现。4.2.2 显示缓冲区更新子程序 （1） 主要功能： 更新正常显示数据。由EPROM中取出某房间待更新数据，并将其转换成非压缩BCD码送入显示缓冲区。 电量不足显示处理。若有电量不足报警即ACC.1=1，则向ODDH-ODFH三单元送熄灭符。 负荷报警显示处理。根据状态位标志确定是否有负荷报警。若ACC.2=1，则有报警，发光二极管熄灭，

40、并置发光二极管的熄灭时间。 表指针灭零显示处理。由高位逐位取显示缓冲区中表指针数据，若为零，则向相应数据存储单元送熄灭符。 小数点显示处理。在显示缓冲区ODBH中取出表指针小数位数据，加上段码表指针调整值(此处为12)，以便在显示该位数据时能够使用小数段码表进行段码转换。（2）系统资源分配显示缓冲区地址为0D0H-ODCH，共13个显示缓冲区。地址存储内容：0D0R-0D2H 房间号；0D3H-0D5H 剩余电量；0D6H-0DBH 表指针；0DCH 开关状态；0DDH-0DFH 报警用剩余电量与熄灭符。 4.2.3 显示程序流程图4-2 显示程序流程图4.3 计量程序设计 4.3.1 功能要

41、求 依据房间入住标志决定是否进行用电计量； 对电能转换板输出信号进行采样，并对脉冲下降沿进行计数。故编程时应设置各房间前一采样值(高、低电平)标志，并与当前采样值进行比较，判断是否有下降沿来决定是否对0.1度单元作减1运算。 电量计量结果保存在EEPROM中。为减少EEPROM芯片读写次数，仅在电量计量达0.1度时进行存储，故设置18H作为存储更新标志。当计量达0.1度(即采样到160脉冲时)置18H运算存储标志。 为保证系统工作的可靠性，在EEPROM中存储两套数据，并同时读出进行更新运算。若主区数据与备用区数据不相等，使用备用区数据。4.3.2 计量程序流程图图4-3 以3号房间为例的计量

42、程序流程图4.4 负荷识别控制程序设计 4.4.1 工作过程 系统采用软件控制方式，实现对用电器的识别与控制。系统可实现对用电器自动识别，查出使用禁用电器后，则系统查询前面的警告记录，若无警告标志记录，说明该房间是第一次使用禁用电器，予以断电30秒警告，30秒后系统恢复供电;若该房间停止使用禁用电器，则系统取消内部警告标志，正常供电；若该房间己有警告记录，则系统再次停电并不再恢复，需管理员处理后视情节决定是否送电。 4.4.2 工作原理系统每30秒对用电房间进行检测，读取当前表指针，计算瞬时流量，判断是否超负荷。（1） 定义瞬时流量定义瞬时流量为前次表指针与本次表指针的差。设前次表指针为El，

43、本次表指针为E2,瞬时流量为L，则L= El- E2。L 0 : 说明该房间使用了电器。（2） 计算瞬时电流差设前次瞬时流量为Ll，本次瞬时流量为L2，本次瞬时流量与前次瞬时流量差为C，则C=L2-Ll。C0:用电负荷增加，此时应检测所增加负荷是否大于限制值(警告性断电或永久断电)。 4.4.3 程序流程图（图4-4）图4-4 负荷识别控制程序流程图5 总结与展望5.1 设计总结 本设计正是针对高校学生公寓的用电情况进行集中计量、集中管理、实时显示的多用户电能计量管理系统，在对整个系统的基本结构、基本功能、设计思路、实现方法做简要论述的基础上，重点对其中的计量控制部分（下位机）的硬件电路和软件

44、流程加以讲解说明。作为整个系统最关键的部分，电能计量模块的准确性、可靠性就显得十分重要，设计中采用了电能计量专用芯片AD7755，该芯片集模/数转换、滤波、计算、系统的校准等功能于一体，从而简化了电能表的硬件电路设计和软件设计，提高了电能表的计量精度；为了保证系统的正常工作，对每个用户都设计了专用的计量模块，最大限度的减低事故发生的频率以及事故一旦发生所影响的范围，同时，这种方法也有利于计量的准确性。该系统采用十六个房间用电量巡回显示方式，显示板置于控制柜前面板上，供管理人员及用户查询.每个单片机系统巡回检测、处理、控制十六个房间，并将显示数据送至一个显示器巡回显示。负荷控制部分有软件完成，系

45、统每30秒对用电房间进行检测，读取当前表指针，计算瞬时流量，判断是否超负荷。综上所述，本系统在保证计量精确性的前提下，为提高整个系统的可靠性，设计时采用单独计量、分层管理的设计思路，经测试运行分析，较好的完成了设计任务。5.2 设计展望随着社会的进一步发展，智能用电控制管理系统有着良好的市场前景，是一种值得推广的产品。对于高校来说,采用智能用电控制系统,经实践可获得很大的收益,具体如下: 该系统具有智能识别恶性用电的功能。通过对学生用电的24小时监控，完全杜绝了学生使用电热器、热的快等违章电器的现象，同时又不影响学生正常照明和电脑的使用，从而避免了火灾和恶性事故的发生。 大大提高工作效率。由微机代替人工，大大缩短了工作时间，同时错