【正文】 聲光報(bào)警等功能。 此智能用電管理器是以 MSP430單片機(jī)為核心，采用集成溫度傳感器和鉑電阻兩種方案來實(shí)現(xiàn)測溫功能，采用熱釋電紅外傳感器和超聲波傳感器兩種方案來實(shí)現(xiàn)人體檢測功能，采用 nRF401 芯片完成無線收發(fā)功能，采用 DS1302 芯片來實(shí)現(xiàn)日歷時(shí)鐘功能等。 具有測量精度高、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 。 市場上各種各樣的電器產(chǎn)品越來越多， 家電的種類繁 多在帶給人們方便的同時(shí)也帶來了安全隱患。但是現(xiàn)在的家電控制器功能單一，一般家電控制器只具有定時(shí)、定溫等特定功能，并且具有功能簡單、執(zhí)行效率低、安全系數(shù)低、容易損壞等缺點(diǎn)。但是現(xiàn)在的用電設(shè)備上的控制器不能夠時(shí)時(shí)監(jiān)控用電設(shè)備運(yùn)行情況，不能根據(jù)用電設(shè)備周圍環(huán)境中有無人員來控制設(shè)備是否運(yùn)行，不能夠反映出用電情況，起不到節(jié)能、環(huán)保的作用，而且現(xiàn)在的用電控制器不 能為用戶提供用電情況。 隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的展開，智能用電作為智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)也越來越多的得到重視，智能家電是智能用電的重要組成部分，已被列入研究計(jì)劃。開發(fā)智能用電相關(guān)產(chǎn)品不僅能夠滿足人們生活的需要，對(duì)整個(gè)社會(huì)信息化進(jìn)程的推動(dòng)作用也不可忽略。以后的用電管理器可能會(huì)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制?？偨Y(jié)起來，主要發(fā)展趨勢為智能用電管理器向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化、低功耗節(jié)能型方向發(fā)展。家電的種類繁多在帶給人們方便的同時(shí)也帶來了安全隱患，家電控制器隨之產(chǎn)生。 現(xiàn)在電能越來越緊張，社會(huì)各界都越來越重視安全用電與節(jié)約用電，家電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也越來越重視環(huán)保節(jié)能。同時(shí)現(xiàn)在的電價(jià)也十分的高，控制用電、減少用電開支是廣大用戶的需求。智能用電管理器可以幫助解決用電浪費(fèi)、用電安全等問題。 用電管理器可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，解決用電設(shè)備的遠(yuǎn)程用電控制。從圖中可看出，該電路的主要組成包括檢測電路（電壓檢測、電流檢測）、控制電路、溫度檢測電路、人體檢測電路、無 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ２ 線收發(fā)模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、日歷時(shí)鐘電路、 A/D 及 D/A 轉(zhuǎn)換電路、鍵盤電路、顯示電路、報(bào)警與保護(hù)電路及輔助電源等。 電路的組成要考慮簡單實(shí)用；元器件選擇要考慮功耗問題，如單片機(jī)就需選擇低功耗的。由于檢 測 電 路 控 制 電 路 A/D 單 片 機(jī) 調(diào)理電路 溫度傳感器 D/A 人體檢測傳感器 無線收 /發(fā)模塊 顯 示 鍵 盤 日歷時(shí) 鐘電路 A/D 調(diào)理電路 A/D 220V輸入 220V 輸出 系統(tǒng)輔 助電源 報(bào)警和保 護(hù)電路 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ３ Intel 公司在嵌入式應(yīng)用方面將重點(diǎn)放在 18 38奔騰等與 PC 類兼容的高檔芯片的開發(fā)上，隨后 Intel 公司將 80C51 內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出讓給世界許多著名 IC 制造廠商，如 Philips 、 NEC、 ATMEL、 AMD、 Dallas、 siemens、 FUJUTSU、 OKI、華邦、 LG 等。這樣 80C51 單片機(jī)就變成了眾多芯片制造廠商支持的大家族，統(tǒng)稱為 80C51 系列單片機(jī)。 MOTOROLA 是世界上最大的單片機(jī)廠商，品種全、選擇余地大、新產(chǎn)品多是其特點(diǎn)。 68HC05 有 30 多個(gè)系列， 200 多個(gè)品種，產(chǎn)量已超過 20 億片。 32 位單片機(jī)的 683XX 系列也有幾十個(gè)品種。 ATMEL 公司的 90 系列單片機(jī)是增強(qiáng) RISC 內(nèi)載 Flash 的單片機(jī)，通常簡稱為 AVR 單片機(jī)， 90 系列單片機(jī)是基于新的精簡指令 RISC 結(jié)構(gòu)的。 MSP430 系列單片機(jī)是美國德州儀器 (TI)1996 年開始推向市場的一種 16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器 (Mixed Signal Processor)。 MSP430 系列與 89C51 系列的比較 我們對(duì) 89C51 系列的單片機(jī)是很熟悉的，為了加深對(duì) MSP430 系列單片機(jī)的認(rèn)識(shí)，不妨將兩者進(jìn)行一下比較。其指令是采用的 被稱為 “ CISC ”的復(fù)雜指令集， 總 共具有 111 條指令。這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快。正常情況下消耗的電流為 24mA，在待機(jī)狀態(tài)下，其耗電電流仍為 3mA；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到 2V，但是為了保存內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)，還需要 提供約 50uA 的電流。正因?yàn)槿绱耍? MSP430 更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。而 MSP430 系列其基本架構(gòu)是 16 位的，同時(shí)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線經(jīng)過轉(zhuǎn)換還存在 8 位的總線，在加上本身就是混合型的結(jié)構(gòu)，因而對(duì)它這樣的開放型的架構(gòu)來說 ，無論擴(kuò)展 8 位的功能模塊，還是 16 位的功能模塊，即使擴(kuò)展模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換或數(shù) / 模 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ４ 轉(zhuǎn)換這類的功能模塊也是很方便的。 最后，就是在開發(fā)工具上面。但是如何實(shí)現(xiàn)在線編程還是一個(gè)很大的問題。 MSP430 單片機(jī)的特點(diǎn) 超低功耗： MSP430 單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在 200~400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 。在 MSP430 系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在等待方式下，耗電為 ，在節(jié)電方式下，最低可達(dá) 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 FFT 等）。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求將它喚醒只用 6us。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。 豐富的片上外圍模塊： MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D 轉(zhuǎn)換器； 16 位定時(shí)器（ Timer A 和 Timer B ）具有捕獲 /比較功能，大量的捕獲 /比較寄存 器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ５ 更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的 I/O 端口，最多達(dá) 6*8 條 I/O 口線； P0、 P P2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 160 段；實(shí)現(xiàn)兩路的 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換；硬件 IIC 串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)展；以及為了增加數(shù)據(jù)傳輸速度，而采用直接數(shù)據(jù)傳輸（ DMA）模塊。 方便高效的開發(fā)環(huán)境：目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。這種方式只需要一臺(tái) PC 機(jī)和一個(gè) JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。 MSP430 單片機(jī)目前主要以 FLASH 型為主。 基于以上的比較和 MSP430 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn) ，我選擇 MSP430 單片機(jī)作為本課題的 控制 處理器。 檢測電路的任務(wù)是將用電過程中的電壓信息、電流信息定時(shí)采集，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字量的 形式送入存儲(chǔ)器中儲(chǔ)存。 電流檢測電路 ： 模擬量的數(shù)據(jù)采集一般分為直流采樣和交流采樣兩種方法。這恰與保護(hù)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)相違背，所以保護(hù)系統(tǒng)的電流采樣多采用交流采樣方式。 控制電路 ：控制電路包括 自動(dòng)控制 、 報(bào)警控制 、 開關(guān)電路 、 燈光控制 、 定時(shí)控制 、 溫控電路 、 繼電器控制 、 晶閘管控制 、 電機(jī)控制 等。 溫度檢測電路的方案設(shè)計(jì) 溫度檢測電路由溫度傳感器與信號(hào)調(diào)理電路組成，將采集的信號(hào)通過 A/D 送給單片機(jī)處理。它具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，測量范圍廣，精度高，慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳 等許多優(yōu)點(diǎn)。熱電偶傳感器是工業(yè)測量中應(yīng)用最廣泛的一種溫度傳感器 ，在家電中不常用，因 此 不 采用 此 方案。雖然 傳統(tǒng)的溫度檢測以熱敏電阻為溫度敏感元件，熱敏電阻成本低，但需要后續(xù)信號(hào)處理電路，而且熱敏電阻的可靠性相對(duì)較差，測量溫度的準(zhǔn)確度低，檢測系統(tǒng)的精度差。 方案 三采用 集成溫度傳感器 DS18B20 是 DALLAS(達(dá)拉斯 )公司生產(chǎn)的，體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)。 攝氏度，檢測溫度范圍為 55℃ ～+125℃ ，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。 LM35D 是精密集成電路溫度傳感器，線性好（ 10mV/℃ ），寬量程（ 0℃ — 100℃ ），它的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例，無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)來提供 177。符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，所以此傳感器比較可行?！娴臏y量精度，利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn)，通過非線性補(bǔ)償，可以達(dá)到 177。但是，由于 AD590 采集到的信號(hào)是電流信號(hào)，在將數(shù)據(jù)傳給 A/D 前還要先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，因此，用 AD590 來檢測、采集溫度的電路比較復(fù)雜。因此，此型號(hào) 集成溫度傳感器 不被采用。 銅熱電阻主要應(yīng)用于測量 50～ 150℃ 范圍內(nèi)的場合。但銅熱電阻與鉑熱電阻相比，銅的電阻率低，因此銅電阻的體積較大。因精度不高且檢測溫度較低，所以不采用。同時(shí)其測量精度高。但其在還原性介質(zhì)中，特別是高溫易從氧化物中還原出來的氣體所污染，改變它的電阻與溫度關(guān)系，此外其電阻溫度系數(shù)小，價(jià)格較高。所以鉑熱電阻可以作為此次溫度檢測電路的溫度傳感器?？梢钥紤]采用上面的電路。在正常的光線下通過 IOA0 口 A/D 采集到一個(gè)電壓值作為一個(gè)參考電壓。這個(gè)使用通過 IOA IOAIOA IOA7 依次選通，選擇最接近參考值的電壓作為判斷電壓。但是檢測障礙物的距離在 0－ 15cm，引用占用 IO 口較多，操作較為復(fù)雜。 方案二采用 熱釋電紅外 檢測電路 熱 釋電紅外 開關(guān) 電路在生活中應(yīng)用很廣，是實(shí)用的。它能自動(dòng)快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗衣機(jī)等裝置，是一種高技術(shù)產(chǎn)品。 此電路具有以下特點(diǎn)： 低功耗、靜態(tài) 功耗（ 50uA）；寬電壓范圍（ DC ）；可重復(fù) /不可重復(fù)觸發(fā)方式選擇；使用簡單、電源 + 信號(hào)輸出；感應(yīng)距離遠(yuǎn)，約 7米；感應(yīng)角度為 110176。 方案三采用 超聲波檢測電路 超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，比如軍事上的聲納技術(shù)，工業(yè)上的無損探傷、測距、測厚，生物醫(yī)學(xué)上的診斷和手術(shù)，農(nóng)業(yè)上的超聲育種、超聲培苗、超聲催產(chǎn)等。超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測與負(fù)載信息的 載體或媒介；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。 超聲波檢測的優(yōu)點(diǎn)是穿透力強(qiáng)、設(shè)備輕便、檢測成本低、檢測效率高，能即時(shí)知道檢測結(jié)果 (實(shí)時(shí)檢測 )，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測和實(shí)現(xiàn)永久性記錄，在缺陷檢測中對(duì)危害性較大的裂紋類缺陷特別敏感等等。 無線收發(fā)模塊的方案設(shè)計(jì) 伴 隨著短距離、低功率無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的成熟， 無線 數(shù)據(jù)傳輸 被越來越多地應(yīng)用到新的領(lǐng)域。 由于無線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，正確的選擇可以減小開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快地將產(chǎn)品推向市場。 方案一 采用 nRF401 無線收發(fā)芯片 nRF401是 Nordic公司研制的單片 uHF無線收發(fā)芯片，工作在 433MHZISM(Industrial Scientific and Medica1)頻段。在接收模式中， nRF401被配置成傳統(tǒng)的外差式接收機(jī)，所接收的射頻調(diào)制的數(shù)字信 號(hào)被低噪聲效大器放大，經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進(jìn)入解調(diào)器，解調(diào)后變換成 2020屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ８ 數(shù)字信號(hào)輸出 (DOUT端 )。由于采用了晶體振蕩和 PLL合成技木，頻率穩(wěn)定性極好；采用 FSK調(diào)制和解調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)。連接 nRF40 l的天線可以以差分方式連接到 nRF401，一個(gè) 50Q的單端天線也可以通過一個(gè)差分轉(zhuǎn)換匹配網(wǎng)絡(luò)連接到 nRF40l。 工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍元件少， 并可直接接單片機(jī)串 El， 便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)，功耗極低，適合于便攜式手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，由于采用了低發(fā)射功率，高接受靈敏度的設(shè)計(jì)，滿足無線管制要求，無需使用許可證，是目前低功率無線數(shù)傳的理想選擇。 方案二采用 CC1000無線收發(fā)芯片 CC1000是 Chipcon公司推出的