【正文】 一、課題說明 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力需求的不斷增長和能源價(jià)格的不斷提升。用電緊張已經(jīng)成為突出的問題擺在我們面前。而電力又不是可以儲存的特殊商品，某些時(shí)段用電多，其他時(shí)段用電少。用電高峰時(shí)電力供不應(yīng)求，用電低谷時(shí)又電力過剩。為了應(yīng)對這樣的難題，可以采用分時(shí)電價(jià)來緩解供需矛盾，提高電力利用效率。分時(shí)電價(jià)是指在不同時(shí)段采用不同電價(jià)，根據(jù)用電需求和電網(wǎng)負(fù)荷將每天的時(shí)間劃分為用電高峰時(shí)段（ 6： 00～ 22： 00）和用電低谷時(shí)間段（ 22： 00～ 6： 00），高峰時(shí)段執(zhí)行較高電價(jià)（ 元 /度），低谷時(shí)段執(zhí)行較低電價(jià)（ 元 /度）。通過價(jià)格杠桿調(diào)節(jié)電力資源。從而提高電力利用效率。 本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制普通電能表，實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)費(fèi)的功能。本系統(tǒng)可以作為額外的模塊安裝到普通電能表，這樣用戶已安裝的普通電能表不需要更換為新的電能表，僅僅另外安裝了本系統(tǒng)后就可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的智能電能表使用。 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)以下功能： 記錄高峰用電量 記錄低谷用電量 記錄總用電量 計(jì)算并記錄高峰時(shí)段用電電費(fèi) 計(jì)算并記錄低谷時(shí)段用電電費(fèi) 計(jì)算并記錄總電費(fèi) 顯示高峰用電量 顯示低 谷用電量 顯示總用電量 顯示高峰時(shí)段用電電費(fèi) 1 顯示低谷時(shí)段用電電費(fèi) 1 顯示總用電電費(fèi) 1 清除電量記錄和電費(fèi)記錄 記錄和計(jì)算用電量、電費(fèi)都由單片機(jī)編程完成，顯示功能由單片機(jī)控制 LCD 實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的顯示功能選項(xiàng)由鍵盤按鍵選擇。 二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)將整個(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)模塊，簡化設(shè)計(jì)流程。同時(shí)便于團(tuán)隊(duì)協(xié)作，將多個(gè)任務(wù)分配給多人完成。本系統(tǒng)可以簡單的劃分為 5 個(gè)模塊： 光電轉(zhuǎn)換模塊，用于將普通電能表的轉(zhuǎn)數(shù)通過光電器件轉(zhuǎn)換為電脈沖，送入 CPU 的 T1端口 。 鍵盤模塊，用于將按鍵轉(zhuǎn)換為按鍵編碼，并用中斷的方式通知 CPU 有鍵被按下。 LCD 顯示模塊，用于顯示必要的提示信息和電量、電費(fèi)的數(shù)值。時(shí)鐘模塊，為 CPU 模塊提供精確的時(shí)刻計(jì)數(shù) 核心控制模塊，由 SST 公司的 89C58 單片機(jī)和必要的外圍芯片構(gòu)成，用于接受光電模塊送來的電脈沖，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)化為電量，根據(jù)由時(shí)鐘模塊中取得的小時(shí)，判斷用電的時(shí)段，計(jì)算相應(yīng)時(shí)段的電量和電費(fèi)，并記入總電量和電費(fèi)；接受鍵盤的中斷，根據(jù)不同的按鍵顯示不同的功能；控制 LCD 顯示模塊，將 CPU 內(nèi)部的數(shù)據(jù)送到LCD 上顯示， 并顯示必要的提示信息。各個(gè)模塊的原理框圖下圖所示。 三、各個(gè)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理（共 7 點(diǎn)） 光電轉(zhuǎn)換模塊用于獲取普通電能表記錄的用電量，在普通電能表的旋轉(zhuǎn)鋁盤上打一個(gè)很小的檢測孔提取光脈沖。鋁盤每旋轉(zhuǎn)一圈，模塊會檢測到一個(gè)光脈沖，經(jīng)光電耦合并加以整形放大后轉(zhuǎn)換成電脈沖，送到 CPU 的 T1 端用作計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖。普通電能表的銘牌上標(biāo)有每 KW?h多少轉(zhuǎn)，其含義為電能表轉(zhuǎn)數(shù)每達(dá)這一數(shù)值就是用了一度電（即 1KW?h）。將從電能表上提取轉(zhuǎn)換后的的脈沖信號送入單片機(jī)的 T1 端并進(jìn)行計(jì)數(shù)，編程時(shí)將 T1 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)模值設(shè)為 電能表的轉(zhuǎn)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)溢出時(shí)就可以判斷電能表已經(jīng)用了一度電。測試時(shí)可以使用實(shí)驗(yàn)室普通的信號發(fā)生器送出脈沖信號代替電能表的轉(zhuǎn)數(shù)脈沖，送入單片機(jī)的 T1端。 鍵盤模塊由普通的 16 鍵非編碼鍵盤與 Intel 8279 可編程鍵盤 /顯示接口芯片組成完整的編碼鍵盤電路。當(dāng)鍵盤上有鍵按下時(shí) Intel 8279 會將按鍵轉(zhuǎn)換為鍵碼存儲在一個(gè) FIFO（ First In First Out，先入先出）隊(duì)列中，并向 CPU 申請中斷。CPU 得知中斷以后，從 Intel 8279 的存儲區(qū)讀出鍵碼，判斷相應(yīng)的按鍵，決定執(zhí)行相應(yīng)的功 能。 LCD 顯示模塊通過 8255 外圍接口擴(kuò)展芯片連接到 CPU。 LCD 顯示模塊規(guī)格為 12232 像素，在顯示時(shí)分為上下兩行。每行占 12216 個(gè)像素，設(shè)計(jì)顯示 8個(gè) 1616 的字符。嚴(yán)格的說要顯示 8 個(gè) 1616 的字符，至少要 12816 個(gè)像素，設(shè)計(jì)時(shí)第四個(gè)字符和的 8 個(gè)字符各少 3 個(gè)像素列，雖然少了 3 個(gè) 像素列，但是由于像素大小極其微小，人的肉眼是很難分辨出來的。這樣的設(shè)計(jì)簡化了編程需要考慮的問題。上行一般顯示標(biāo)題、提示、出錯(cuò)信息等，下行一般顯示數(shù)值。使用時(shí)只需要 CPU 通過 8255 芯片將顯示用的字碼存儲在 LCD 模塊的內(nèi)部存儲區(qū)，LCD 就可以顯示出相應(yīng)的字符。 在本系統(tǒng)中要記錄不同時(shí)段的用電量，并計(jì)算出不同時(shí)段的電費(fèi)。這就需要一個(gè)比較精確的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，通?？梢允褂?Motorola 公司的 MC146818 可編程時(shí)鐘芯片，將計(jì)費(fèi)段的時(shí)間存儲起來，在各時(shí)間段開始向單片機(jī)的 INT0 端口申請中斷，在不同的時(shí)段使系統(tǒng)執(zhí)行不同的計(jì)費(fèi)程序。在本系統(tǒng)中采用課題 1 的電腦時(shí)鐘代替，將課題 1 的電腦時(shí)鐘附加額外功能，在整點(diǎn)向外部 RAM 區(qū)的一個(gè)存儲單元寫入當(dāng)前的鐘點(diǎn)。 CPU 在計(jì)數(shù)滿一度電的時(shí)候執(zhí)行中斷程序，此時(shí) CPU讀取外部 RAM 中存 儲的鐘點(diǎn)，判斷不同的時(shí)段。執(zhí)行不同的任務(wù)。 功能設(shè)置智能識辨技術(shù)：本系統(tǒng)的編碼鍵盤每按下一個(gè)鍵，就中斷一次。假如設(shè)置某個(gè)功能時(shí)需要按功能鍵 B 和輸入數(shù)字 24，就需要按鍵 3 次，鍵盤模塊會發(fā)出 3 次中斷申請。這樣就帶來一個(gè)問題：由于每次中斷都是調(diào)用同一個(gè)中斷函數(shù)，這樣，在按下功能鍵 B 后，如何將接下來按下的 2 和 4 識別為一個(gè)整數(shù) 24 并放入相應(yīng)變量中，而不是認(rèn)為按下 2 鍵是顯示總電量，按下 4 鍵是顯示低谷時(shí)段電費(fèi)？智能識別技術(shù)的原理是在 B 鍵別按下時(shí)系統(tǒng)將標(biāo)記一個(gè)標(biāo)志位，表明 B 鍵已經(jīng)被按下，然后 2 鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)首先 查看標(biāo)志位有沒有被設(shè)置，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位已經(jīng)被標(biāo)記為 B 時(shí)，它即了解到這是一個(gè)功能設(shè)置，將 2 放入一個(gè)輸入緩沖區(qū)，而不是顯示總電量。并等待下次按鍵。接著 4 鍵被按下后，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位被標(biāo)記為 B，它將 4 放入 2 后面的緩沖區(qū)，等待下次按鍵。然后結(jié)束鍵（本系統(tǒng)中為 E）被按下，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位被標(biāo)記為 B，又發(fā)現(xiàn) E 為結(jié)束鍵，系統(tǒng)利用算法將緩沖區(qū)中的 2 和 4 轉(zhuǎn)換為一個(gè)整數(shù)送入到相應(yīng)的變量中完成設(shè)置。然后系統(tǒng)中的標(biāo)志位被清除，以后的按鍵回歸到正常狀態(tài)。系統(tǒng)利用智能識別技術(shù)，接受鍵盤輸入，對內(nèi)部的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，如高峰電費(fèi)、電表轉(zhuǎn)數(shù) /KW?h等進(jìn)行設(shè)置。 功能設(shè)置超時(shí)自動復(fù)位技術(shù)：（偵探狗技術(shù)）此項(xiàng)技術(shù)解決一個(gè)實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題。設(shè)某人 A 按了鍵盤上的自定義設(shè)置功能鍵，此時(shí)系統(tǒng)功能鍵標(biāo)志將被做上標(biāo)記，系統(tǒng)處于等待設(shè)置數(shù)值狀態(tài)。但此時(shí) A 恰好有事離開，某人 B，在不知情的情況下，按照系統(tǒng)的說明書按了 0～ 9 的數(shù)字鍵，以為是顯示或者是相應(yīng)的其他功能。但是系統(tǒng)認(rèn)為此時(shí)輸入的數(shù)值是對內(nèi)部數(shù)據(jù)的設(shè)置。這樣會產(chǎn)生兩個(gè)問題：一方面， B 因?yàn)榘戳四虫I而系統(tǒng)沒有執(zhí)行相應(yīng)功能而莫明其妙；另一方面， B 可能在不知情的情況下修改了內(nèi)部計(jì)費(fèi)、時(shí)段等標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致系統(tǒng)工作出錯(cuò) 。偵探狗技術(shù)能夠使功能設(shè)置在 后超時(shí)，然后清除系統(tǒng)內(nèi)部的功能設(shè)置標(biāo)志，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。 四大關(guān)鍵輔助性算法：這里要說明的幾個(gè)算法都不參與硬件的驅(qū)動，完全是 純軟件的算法。雖然很短小，但是簡練的完成了其目的。在整個(gè)系統(tǒng)控制程序中的地位，不亞于其他與硬件接觸的函數(shù)。是整個(gè)系統(tǒng)中介于外部硬件數(shù)據(jù)與CPU 數(shù)據(jù)之間的核心。 1） 算法 NumsToArray：這個(gè)算法的功能是，將作為第一參數(shù)傳遞的 int 型整數(shù)的各位分離，按照由高位到地位的順序依次放入作為第二參數(shù)傳遞的數(shù)組中。方便其他函數(shù)使用數(shù)組 中的數(shù)字，利用字庫得到相應(yīng)的字型碼。此算法中其實(shí)包含2 個(gè) 子算法。如傳遞一個(gè)整數(shù) 54321 到函數(shù)中，第一個(gè)子算法將 54321 的各位分離放入數(shù)組，但是此時(shí)得到的序列為倒序，即：數(shù)組下標(biāo) 0， 1， 2， 3， 4 分別存放數(shù)字 1， 2， 3， 4， 5。第二個(gè)子算法將數(shù)組中的元素進(jìn)行倒序運(yùn)算，得到需要的順序，即：數(shù)組下標(biāo) 0， 1， 2， 3， 4 分別存放 5， 4， 3， 2， 1。 2） 算法： ArrayToCharacters：此算法的功能是，將作為第一參數(shù)傳遞的，存放 1 位數(shù)字的數(shù)組，通過查字庫，將得到的字型碼按順序放入作為第二參數(shù)傳遞的將 要顯示的字符庫中。此算法運(yùn)算后得到的字符庫就可以送入 LCD 的顯示緩存區(qū)，顯示出相應(yīng)的圖形了。此算法利用 NumsToArray 算法得到的數(shù)組，查找字庫，產(chǎn)生字符庫。這兩個(gè)函數(shù)作為核心算法被顯示電量電費(fèi)等函數(shù)使用。 3） 算法 ArrayToDigitalI：此算法的功能是將作為第一參數(shù)傳遞的存放一位數(shù)字的數(shù)組，轉(zhuǎn)化為一個(gè)整數(shù)返回。此算法一般用來將存放在鍵盤緩存區(qū)的一位數(shù)字序列轉(zhuǎn)化為一個(gè)整數(shù)。其他函數(shù)利用返回的整數(shù)設(shè)置相應(yīng)變量的值。此函數(shù)被設(shè)置高峰時(shí)段，電表轉(zhuǎn)數(shù)等函數(shù)使用作為核心算法。 4） 算法 ArrayToDigitalF：此算法的功能是將作為第一參數(shù)傳遞的存放一位數(shù)字的小數(shù)序列數(shù)組轉(zhuǎn)換為一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)返回。此算法一般用來將存放在鍵盤緩沖區(qū)的一個(gè)小數(shù)序列轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)返回給調(diào)用函數(shù)。此算法實(shí)現(xiàn)時(shí)將序列以小數(shù)點(diǎn)（系統(tǒng)中為 D 鍵）為軸心分成兩半，每半都是一個(gè)一位整數(shù)序列，將兩個(gè)序列傳遞給 ArrayToDigitalI， ArrayToDigitalI 返回兩個(gè)整數(shù)。將小數(shù)點(diǎn)后面的整數(shù)轉(zhuǎn)換成小數(shù)加到小數(shù)點(diǎn)前面的整數(shù)上完成到浮點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換。此函數(shù)被設(shè)置電費(fèi)函數(shù)調(diào)用作為核心算法。 整個(gè)系統(tǒng)的電路圖 五、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系 統(tǒng)的軟件編程同樣是按照模塊設(shè)計(jì)的。首先解釋本系統(tǒng)軟件的部分全局變量。軟件的代碼請參見 LS 圖片或者 PDF。 initset 結(jié)構(gòu)用于保存高峰時(shí)段電價(jià)、低谷時(shí)段電價(jià)、高峰起始時(shí)間、高峰結(jié)束時(shí)間、低谷起始時(shí)間、低谷結(jié)束時(shí)間和普通電能表每度電的轉(zhuǎn)數(shù)。這些變量用作電