【導讀】摘要本文主要介紹一款智能用電管理器。該管理器具有日歷時鐘功能、溫度檢測功能、電。壓電流及功率檢測、人體檢測、無線收發(fā)、聲光報警等功能。備是否運行；可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，對用電設(shè)備實現(xiàn)遠程控制。感器和超聲波傳感器兩種方案來實現(xiàn)人體檢測功能，采用nRF401芯片完成無線收發(fā)功能，此用電管理器采用低功耗元器件，具有節(jié)能環(huán)保、具有測量精度高、可靠性高、低成本、模塊化、可擴展等特點，在現(xiàn)代生產(chǎn)。生活中具有很高的應(yīng)用價值。

　　

【正文】 V~+5V，則 R11= U/ In2 =5V/50mA=100 ?。 由于電阻 R11 消耗功率比較小，電阻 R11 選擇上對功率沒有特 殊的要求。根據(jù)選用的電壓傳感器，交流電壓采樣電路如圖 4 所示。 該電路采用了運算放大器加電壓跟隨器的方式，電壓跟隨器起到了隔離作用，以便在 A/D入口前進行阻抗匹配。在 A/D 入口端采用二極管鉗位，防止 A/D 輸入電壓越界。來自檢測通道的電壓互感器的電流號經(jīng)運算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號后經(jīng)電壓平移后將交流量信號轉(zhuǎn)換為0~ 的單極性電壓信號接入 MSP430 的 A/D 通道引腳。 從圖 4 可以看出系統(tǒng)輸出電壓的采樣電路由四部分組成，第一部分是由 TL084 的運放構(gòu)成的射極跟隨器，其中 R10 和 C15 是為了抑制干擾，且時間按常 數(shù) T=RC=10000 ? *220p= *106S1ms,符合設(shè)計標準。第二部分是由兩個電阻和一個電壓源組成的電壓偏移電路，因為目標信號是交流信號， A/D 輸入電平要求在 0~，因此需要進行電壓偏移。第三部分是射極跟隨器。第四部分是箝位限幅電路，保證采樣信號的幅值在 0~ 之間。 圖 4 電壓檢測電路 控制電路 控制電路采用繼電器控制，如圖 5 所示。 繼電器外加二極管 主要是為了保護 三極管 等驅(qū)動元器件。當圖中三極管 Q1 接收到 口的信號后， 由導通變?yōu)榻刂箷r，流經(jīng)繼電器線圈的電 流將迅速減小，這時線圈會產(chǎn)生很高的自感電動勢與電源電壓疊加后加在 Q1 的 c、 e 兩極間，會使晶體管擊穿，并聯(lián)上二極管后，即可將線圈的自感電動勢鉗位于二極管的正向?qū)妷?，此值硅管約 ，鍺管約 ，從而避免擊穿晶體管等驅(qū)動元器件。并聯(lián)二極管時一定要注意二極管的極性不可接反，否則容易損壞晶體管等驅(qū)動元器件。 當三極管接收到信號后，三極管導通驅(qū)動繼電器，使繼電器的開關(guān)閉合，使主供電電路導通，輸出 220V 交流電。 K12 4V J D Q321411U 8 AT L 0 8 4321411U 9 AT L 0 8 4R 1 0 1 0kR 1 11 00R 1 21 0kR 1 31 0kR 1 41kR 1 51 0kD4 D5 + 3V+3V+ 12 V 1 2 V+ 12 V 1 2 VC 1 62 20 uC 1 52 20 uP 6. 0~ 22 0 VU7C H V 5 0 PR92 .2 kC 1 3C A PC 1 4C A P+ 12 V 1 2 VU霍爾傳感器 2020屆畢業(yè)設(shè)計（論文） １４ K12 4 V J D Q~ 2 2 0 VQ18 5 5 0+ 2 4 VD71 N 4 1 4 7P 6 . 6 R 1 71k 圖 5 控制電路 輔助電源電路 如圖 6，在該電路中，需要輔助電源為元件提供 6 個工作 電壓，包括 +24V、 +12V、 12V、+5V、 5V 和 +3V。其中 +3V 主要是為單片機最小系統(tǒng)供電， 12V 和 5V 主要是為各種芯片供電。 220V 交流電通過變壓器變壓，然后經(jīng)過整流濾波，再由三端穩(wěn)壓 7812 和 7912 產(chǎn)生 +12V和 12V 的電壓信號，再經(jīng) 7805 和 7905 變換成 +5V 和 5V。 +3V 電壓是由 +5V 電壓進過三端穩(wěn)壓 AMS1117 轉(zhuǎn)換而成的。 +24V 電壓是為繼電器供電。 圖 6 輔助電源電路 數(shù)據(jù)處理部分 交流電壓、電流有效值的計算分析：對電流其計算公式為： 其中 T 為信號周期，電壓同理。 功率和功率因數(shù)的計算：在上一步中已經(jīng)測出了電壓、電流的有效值 U、 I，根據(jù)以下公式可以計算出視在功率 S、有功功率 P、無功功率 Q 和功率因素 cosф，即 S=UI P=（ 1/T） ∫T0 ui dt T1B Y Q~ 22 0 V1234D1B R I D G E 1C11 00 0 uC21 00 0 uC34 70 uC44 70 uC72 20 uC82 20 uC51 04C61 04C81 04C91 04V i n1GND2V o ut3U1 M C 7 81 2 TV i n1GND2V o ut3U2 M C 7 91 2V i n1GND2V o ut3U3 M C 7 80 5V i n1GND2V o ut3U4 M C 7 90 5+ 12 V 1 2 V+ 5V 5 V1234D6B R I D G E 1C 1 71 00 0 uC 1 81uC 1 90 .3 3 uV i n1GND2V o ut3U 1 1C W 7 8 24F2 F1 + 24 V 2020屆畢業(yè)設(shè)計（論文） １５ Q=√（ S2 –P2 ） cosф=P/S 式中： u、 i 為瞬時電壓值。 圖 7 檢測電路、控制電路與輔助電源 總圖 溫度檢測電路 的設(shè)計 溫度檢測電路 由溫度傳感器與信號調(diào)理電路組成 ，此次 溫度傳感器 采用兩種方案（三種傳感器），即采用 集成溫度傳感器 （ DS18B LM35D）和 電阻式溫度傳感器 （鉑電阻）。 采用 集成溫度傳感器 方法一采用 DS18B20 DS1820 溫度傳感器的概述： DS1820 數(shù)字式溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同的是，它可直接將被測溫度轉(zhuǎn)換 成串行數(shù)字信號供微機處理，并且根據(jù)具體 要求，通過簡單的編程實現(xiàn) 9 位的溫度讀數(shù)。并且多個 DS1820 可以并接到多個地址線上與單片機實現(xiàn)通信。由于每一個 DS1820 出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡單的通信協(xié)議就可以識別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。 DS18B20 的測溫原理： DS18B20 的內(nèi)部主要包括寄生電源、溫度傳感器、 64 位激光 ROMT1B Y Q~ 22 0 VK12 4V J D Q1234D1B R I D G E 1C11 00 0 uC21 00 0 uC34 70 uC44 70 uC72 20 uC82 20 uC51 04C61 04C81 04C91 04V i n1GND2V o ut3U1 M C 7 81 2 TV i n1GND2V o ut3U2 M C 7 91 2V i n1GND2V o ut3U3 M C 7 80 5V i n1GND2V o ut3U4 M C 7 90 5+ 12 V 1 2 V+ 5V 5 V321411U 5 AT L 0 8 4R21 00 kR36 .2 kR41 5kR51 0kR61 0kR71 0kR851C 1 12 20 uC 1 25 1pD2 D3 321411U 6 AT L 0 8 4+3V+ 3V+12v+12v12v12V321411U 8 AT L 0 8 4321411U 9 AT L 0 8 4R 1 01 0kR 1 11 00R 1 21 0kR 1 31 0kR 1 41kR 1 51 0kD4 D5 + 3V+3V+ 12 V 1 2 V+ 12 V 1 2 VC 1 62 20 uC 1 52 20 uP 6. 0P 6. 1~ 22 0 VU7C H V 5 0 PU 1 0D T 5 0PR92 .2 kC 1 3C A PC 1 4C A P+ 12 V 1 2 VR 1 65 00 1 2 V + 12 VIU霍爾傳感器霍爾傳感器1234D6B R I D G E 1C 1 71 00 0 uC 1 81uC 1 90 .3 3 uV i n1GND2V o ut3U 1 1C W 7 8 24F2 F1 + 24 VQ18 55 0+ 24 VD71 N 41 4 7P 6. 6R 1 71k 2020屆畢業(yè)設(shè)計（論文） １６ 單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲與控制邏輯、 8 位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等 7 個部分。低溫度系數(shù)振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器 ，為計數(shù)器 1 提供一個穩(wěn)定的計數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個對溫度很敏感的振蕩器，為計數(shù)器 2 提供一個頻率隨溫度變化的計數(shù)脈沖。初始時，溫度寄存器被預置成 55℃，每當計數(shù)器 1 從預置數(shù)開始減計數(shù)到 0 時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃，這個過程重復進行直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時便停止。初始時，計數(shù)器 1 預置的是與 55℃相對應(yīng)的一個預置值。以后計數(shù)器 1 每一個循環(huán)地預置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計數(shù)器 1 的預置數(shù)也就是在給定溫度處使溫度寄存器寄存值就 增加 1℃計數(shù)器所需的技術(shù)個數(shù)。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器的最低有效位。在計數(shù)器 2 停止計數(shù)后，比較器將計數(shù)器 1 中的計數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 ℃進行比較，若低于 ℃，溫度寄存器的最低位置就置 0；若高于 ℃時，溫度寄存器的最低位就進位然后置 0；這樣，經(jīng)過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最末位代表 ℃，四舍五入最大量化誤差為177。 1/2LSB，即 ℃。溫度寄存器中的溫度值以 9 位數(shù)據(jù)格式表示，最高位為符號位，其余 8 位以二進制補碼形式表示溫度值。測 溫結(jié)束時，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲器的前兩個字節(jié)中，符號位占用第 1 字節(jié)， 8 位溫度數(shù)據(jù)占用第 2 字節(jié)。 DS18B20 測溫溫度時使用特有的溫度測溫技術(shù)。 DS1B820 內(nèi)部的低溫度系數(shù)振蕩器能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號。當計數(shù)門打開時， DS18B20 進行計數(shù)，計數(shù)門開通時間由高溫度系數(shù)振蕩器決定。芯片內(nèi)部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測溫結(jié)果存入溫度寄存器中。 DS18B20 通過一種片上溫度測量技術(shù)來測量溫度。如圖 8 所示為溫度測量電路的方框圖。 斜 坡 累 加 器 比 較 計 數(shù) 器 預 置 低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 預 置 溫 度 寄 存 器 = 0 增 加 高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 計 數(shù) 器 = 0 停 止 LSB置位或清0 圖 8 溫度測量電路的方框圖 DS18B20 電路如圖 9 所示。 I/O 為數(shù)據(jù)輸入輸出，漏極開路 1 線接口。在寄生電源模式時給設(shè)備提供電源。 VCC 為可選的電源電壓腳， VCC 在寄生電源模式時必須接地。 GND 為接地端，與單片機的 GND 端相連，起到地線的作用。由于采用的是 1wire 總線，因此與單片機的最小系統(tǒng)連接時，需要一根單獨的總線。 DS18B20 利用單總線控制協(xié)議，實現(xiàn)了利用 2020屆畢業(yè)設(shè)計（論文） １７ 單線控制信號在總線上進行通信。由于所有的設(shè)備通過漏極開路端（即 DS18B20 的 I/O 腳）連在總線 上，控制線需要一個上拉電阻（大約 5KΩ）。在這一總線系統(tǒng)中，主控設(shè)備通過唯一的 64 位序列碼識別和訪問總線上的器件。由于每一設(shè)備有唯一的編碼，連在一條總線上可被訪問的器件數(shù)實際上是無限的。 DS18B20 在沒有外部電源下具有操作能力。電源由總線為高電平時 I/O 腳上的上拉電阻提供（寄生供電模式） ,此時 Vcc 腳接地。另外， DS18B20 也可用傳統(tǒng)方式供電，此時將外部電源連在 VCC 腳上即可。 + 5 VR2 4 . 7 kV c c1I / O