【導(dǎo)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(shí)鐘功能、溫度檢測(cè)功能、電。壓電流及功率檢測(cè)、人體檢測(cè)、無(wú)線收發(fā)、聲光報(bào)警等功能。備是否運(yùn)行；可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。感器和超聲波傳感器兩種方案來實(shí)現(xiàn)人體檢測(cè)功能，采用nRF401芯片完成無(wú)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(cè)量精度高、可靠性高、低成本、模塊化、可擴(kuò)展等特點(diǎn)，在現(xiàn)代生產(chǎn)。生活中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

　　

【正文】 / In2 =5V/50mA=100 ?。 由于電阻 R11 消耗功率比較小，電阻 R11 選擇上對(duì)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(yùn)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(jìn)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(cè)通道的電壓互感器的電流號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后經(jīng)電壓平移后將交流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~ 的單極性電壓信號(hào)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(yùn)放構(gòu)成的射極跟隨器，其中 R10 和 C15 是為了抑制干擾，且時(shí)間按常 數(shù) T=RC=10000 ? *220p= *106S1ms,符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。第二部分是由兩個(gè)電阻和一個(gè)電壓源組成的電壓偏移電路，因?yàn)槟繕?biāo)信號(hào)是交流信號(hào)， A/D 輸入電平要求在 0~，因此需要進(jìn)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(hào)的幅值在 0~ 之間。 圖 4 電壓檢測(cè)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(hù) 三極管 等驅(qū)動(dòng)元器件。當(dāng)圖中三極管 Q1 接收到 口的信號(hào)后， 由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，流經(jīng)繼電器線圈的電 流將迅速減小，這時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生很高的自感電動(dòng)勢(shì)與電源電壓疊加后加在 Q1 的 c、 e 兩極間，會(huì)使晶體管擊穿，并聯(lián)上二極管后，即可將線圈的自感電動(dòng)勢(shì)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(dòng)元器件。并聯(lián)二極管時(shí)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(dòng)元器件。 當(dāng)三極管接收到信號(hào)后，三極管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)繼電器，使繼電器的開關(guān)閉合，使主供電電路導(dǎo)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 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(gè)工作 電壓，包括 +24V、 +12V、 12V、+5V、 5V 和 +3V。其中 +3V 主要是為單片機(jī)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(hào)，再經(jīng) 7805 和 7905 變換成 +5V 和 5V。 +3V 電壓是由 +5V 電壓進(jìn)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(jì)算分析：對(duì)電流其計(jì)算公式為： 其中 T 為信號(hào)周期，電壓同理。 功率和功率因數(shù)的計(jì)算：在上一步中已經(jīng)測(cè)出了電壓、電流的有效值 U、 I，根據(jù)以下公式可以計(jì)算出視在功率 S、有功功率 P、無(wú)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 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） １５ Q=√（ S2 –P2 ） cosф=P/S 式中： u、 i為瞬時(shí)電壓值。 圖 7 檢測(cè)電路、控制電路與輔助電源 總圖 溫度檢測(cè)電路 的設(shè)計(jì) 溫度檢測(cè)電路 由溫度傳感器與信號(hào)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(cè)溫度轉(zhuǎn)換 成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理，并且根據(jù)具體 要求，通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn) 9 位的溫度讀數(shù)。并且多個(gè) DS1820 可以并接到多個(gè)地址線上與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信。由于每一個(gè) DS1820 出廠時(shí)都刻有唯一的一個(gè)序列號(hào)并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡(jiǎn)單的通信協(xié)議就可以識(shí)別，從而節(jié)省了大量的引線和邏輯電路。 DS18B20 的測(cè)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 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值、觸發(fā)器存儲(chǔ)與控制邏輯、 8 位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等 7 個(gè)部分。低溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)振蕩頻率隨溫度變化很小的振蕩器 ，為計(jì)數(shù)器 1 提供一個(gè)穩(wěn)定的計(jì)數(shù)脈沖。高溫度系數(shù)振蕩器是一個(gè)對(duì)溫度很敏感的振蕩器，為計(jì)數(shù)器 2 提供一個(gè)頻率隨溫度變化的計(jì)數(shù)脈沖。初始時(shí)，溫度寄存器被預(yù)置成 55℃，每當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 從預(yù)置數(shù)開始減計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加 1℃，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)便停止。初始時(shí)，計(jì)數(shù)器 1 預(yù)置的是與 55℃相對(duì)應(yīng)的一個(gè)預(yù)置值。以后計(jì)數(shù)器 1 每一個(gè)循環(huán)地預(yù)置數(shù)都由斜率累加器提供。為了補(bǔ)償振蕩器溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預(yù)置數(shù)也隨溫度相應(yīng)變化。計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)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(jì)數(shù)器所需的技術(shù)個(gè)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(jì)數(shù)器 2 停止計(jì)數(shù)后，比較器將計(jì)數(shù)器 1 中的計(jì)數(shù)剩余值轉(zhuǎn)換為溫度值后與 ℃進(jìn)行比較，若低于 ℃，溫度寄存器的最低位置就置 0；若高于 ℃時(shí)，溫度寄存器的最低位就進(jìn)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(hào)位，其余 8 位以二進(jìn)制補(bǔ)碼形式表示溫度值。測(cè) 溫結(jié)束時(shí)，這 9 位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到暫存存儲(chǔ)器的前兩個(gè)字節(jié)中，符號(hào)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(cè)溫溫度時(shí)使用特有的溫度測(cè)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(hào)；同樣的，高溫度系數(shù)振蕩器則將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)， DS18B20 進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)門開通時(shí)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(duì)頻率的非線性度加以補(bǔ)償。測(cè)溫結(jié)果存入溫度寄存器中。 DS18B20 通過一種片上溫度測(cè)量技術(shù)來測(cè)量溫度。如圖 8 所示為溫度測(cè)量電路的方框圖。 斜 坡 累 加 器 比 較 計(jì) 數(shù) 器 預(yù) 置 低 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 預(yù) 置 溫 度 寄 存 器 = 0 增 加 高 溫 度 系 數(shù) 振 蕩 器 計(jì) 數(shù) 器 = 0 停 止 LSB置位或清0 圖 8 溫度測(cè)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(shí)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(shí)必須接地。 GND 為接地端，與單片機(jī)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(jī)的最小系統(tǒng)連接時(shí)，需要一根單獨(dú)的總線。 DS18B20 利用單總線控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了利用 20xx 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） １７ 單線控制信號(hào)在總線上進(jìn)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(gè)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(shí)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(shí)際上是無(wú)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(shí) I/O 腳上的上拉電阻提供（寄生供電模式） ,此時(shí) Vcc 腳接地。另外， DS18B20 也可用傳統(tǒng)方式供電，此時(shí)將外部電源連在 VCC 腳上即可。 + 5 VR2 4 . 7 kV c c1I / O2G n d