【正文】 ............................................................................... 41 167。 軟件抗干擾技術(shù) ............................................................................................ 43 結(jié) 論 ............................................................................................................................ 44 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） VI 參考文獻(xiàn) ....................................................................................................................... 45 致 謝 ............................................................................................................................ 47 附 錄 1 ....................................................................................................................... 48 附 錄 2 ....................................................................................................................... 49 附 錄 3 ....................................................................................................................... 50 外文資料翻譯 ............................................................................................................... 51 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 隨著高等教育的普及，高校的擴(kuò)招，在校學(xué)生人數(shù)增長(zhǎng)的激增，尤其是伴隨著學(xué)生生活條件的 不斷改善，越來(lái)越多的電器，如電腦、電視機(jī)、熱水器、飲水機(jī)等正逐步走進(jìn)學(xué)生公寓，這就要求對(duì)學(xué)生開(kāi)放用電，而且高校后勤的社會(huì)化也勢(shì)在必行；目前各高校都在進(jìn)行后勤社會(huì)化改革，急需采用高科技手段加強(qiáng)用電管理。基于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、微電子技術(shù)及模式識(shí)別技術(shù)，一種全新概念的智能計(jì)量及管理信息網(wǎng)絡(luò)急待完善和提高。 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)高校學(xué)生公寓用電基本上是實(shí)施免費(fèi)電量供應(yīng)，即“大包大攬，統(tǒng)收統(tǒng)支”。根據(jù)以上現(xiàn)狀，目前有的高校對(duì)學(xué)生公寓進(jìn)行了限流定時(shí)的供電管理方法并有大部分地區(qū)的高校已經(jīng)采用或即將采用開(kāi)放用電、超額收費(fèi)的辦法 。此外，實(shí)施用電收費(fèi)管理，必將帶來(lái)大量的人工抄表統(tǒng)計(jì)收費(fèi)工作，而傳統(tǒng)抄表方式的時(shí)效性差、統(tǒng)計(jì)工作量大、交費(fèi)手續(xù)極為繁瑣、易產(chǎn)生錯(cuò)抄、漏抄和估抄等現(xiàn)象，又造成了管理與實(shí)施的矛盾。 隨著高校后勤社會(huì)化改革的不斷深 入，學(xué)生公寓用電正由免費(fèi)使用向有償使用轉(zhuǎn)變，急需一種集計(jì)量、控制、管理于一體的電能計(jì)量管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中充分考慮到生產(chǎn)過(guò)程中及實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，本著安全、可靠、計(jì)量準(zhǔn)確、使用壽命長(zhǎng)、管理科學(xué)、使用方便的原則，力求使產(chǎn)品設(shè)計(jì)科學(xué)、合理。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟及公寓管理水平的不斷 提高，該產(chǎn)品將有廣闊的市場(chǎng)空間。 學(xué)生宿舍用電控制管理系統(tǒng)的研制背景 隨著高等學(xué)校后勤社會(huì)化改革的不斷推進(jìn)，各高等院校積極利用社會(huì)資金，通過(guò)多種渠道建設(shè)了一批又一批現(xiàn)代化、智能化的學(xué)生宿舍，宿舍內(nèi)的配置不僅能夠滿足學(xué)生的基本生活需求，而且裝有電熱水器，備有電話、電視和電腦高速網(wǎng)絡(luò)終端，室內(nèi)還留有空調(diào)插座等等。因此，為了能夠有效地控制和管理學(xué)生用電的浪費(fèi)，中 央民族大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、武漢大學(xué)、甘肅政法學(xué)院等全國(guó)部分高校都相繼購(gòu)買(mǎi)了學(xué)生宿舍用電智能控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電量的有效控制及限時(shí)供電控制，能方便地收取學(xué)生基本用電量之外的電費(fèi)，對(duì)學(xué)生違章用電能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。本文設(shè)計(jì)的學(xué)生宿舍用電控制與管理系統(tǒng)成本較低，而且能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，對(duì)某些院校有一定的借鑒之處。這是一種被動(dòng)的管理模式，學(xué)校只能在每月月末才能知道宿舍的用電狀 況，而且由于校園面積大，學(xué)生宿舍較多且比較集中，漏電、偷電、超負(fù)荷用電時(shí)有發(fā)生，從而造成學(xué)校用電量大增，經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)極重，學(xué)校財(cái)產(chǎn)和資源在無(wú)形中流失極大。由于學(xué)校大包大攬，統(tǒng)收統(tǒng)支，學(xué)生無(wú)用電經(jīng)濟(jì)責(zé)任，電腦 24 小時(shí)開(kāi)機(jī)上網(wǎng)，長(zhǎng)明燈大量存在，造成學(xué)校電量浪費(fèi)。部分學(xué)生為了方便自己，在房間內(nèi)使用 大功率的用電設(shè)備，如電爐子、熱得快、電熨斗等，造成超負(fù)荷用電，引起火災(zāi)，給學(xué)校后勤用電安全管理帶來(lái)隱患。近幾年來(lái)各高校電量增長(zhǎng)較本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 快，究其原因，除正常用電增長(zhǎng)外，部分是非正常增長(zhǎng)造成大量浪費(fèi)，其根源與各高校目前的用電模式有較大的關(guān)系，因而改變這種用電模式勢(shì)在必行。這樣一來(lái)，解決了供電與用電之間的矛盾，同時(shí)也減輕了學(xué)校支付高額電費(fèi)的負(fù)擔(dān)，但在 用電安全和用電節(jié)約上仍存在著諸多矛盾和隱患，如由于用電的放開(kāi)又使得電爐子和熱得快等大功率用電器大量進(jìn)入學(xué)生宿舍，給高校后勤的安全用電管理增加了難度。因此如何建立一套科學(xué)完善的用電管理系統(tǒng)一直是各高校用電主管部門(mén)急待解決的問(wèn)題。 課題的提出及意義 學(xué)生集體公寓用電商品化的首要原因和目的是為學(xué)生提供一個(gè)符合時(shí)代發(fā)展的學(xué)習(xí)與生活環(huán)境，而今 天公寓服務(wù)的商業(yè)化方向使它更趨必要。采用用電集中管理具有簡(jiǎn)潔、可靠、成本低的特點(diǎn)。依測(cè)算，該項(xiàng)目實(shí)施后，每年可節(jié)約 15％的用電經(jīng)費(fèi)；采用這套系統(tǒng)。為學(xué)生宿舍用電管理提供了科學(xué)的管理方法，使管理更嚴(yán)謹(jǐn)，增強(qiáng)人們的科學(xué)管理意識(shí)；對(duì)非正常用電，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，對(duì)超額用電實(shí)時(shí)自動(dòng)斷電，可基本杜絕違 章電器的使用，消除火災(zāi)隱患；以往由于學(xué)生公寓無(wú)償供電，使很多宿舍的開(kāi)關(guān)失去作用，不熄燈現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅造成了很大的浪費(fèi)，而且對(duì)提高學(xué)生公寓整體管理水平增加了難度。由此可見(jiàn)，該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用既有效地提高了經(jīng)濟(jì)效益，也有效地加強(qiáng)了高校電量、電費(fèi)、用電安全管理。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 而由石家莊師慧科教裝備有限公司生產(chǎn)的“用電管理系統(tǒng)”由一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)和多臺(tái)控制柜組成，每臺(tái)控制柜作為一個(gè)測(cè)控站，通過(guò)單片機(jī)模 塊化控制的方式對(duì)多至 48 個(gè)用戶進(jìn)行用電的控制管理，形成一個(gè)計(jì)算機(jī)集散測(cè)控系統(tǒng)，組成測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)學(xué)生宿舍的用電實(shí)行遙測(cè)控制，既能自動(dòng)進(jìn)行用電量的讀取、存檔、結(jié)算，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又能對(duì)欠費(fèi)用戶進(jìn)行警告、停電、送電控制，節(jié)省了大量人工抄表的時(shí)間和費(fèi)用。這些用電智能控制與管理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上各有千秋，功能上也稍有不同，但最終都能夠較好地解決學(xué)生宿舍用電控制與管理上存在的問(wèn)題，使高校后勤改革上了嶄新的臺(tái)階。本課題為了解決上述問(wèn)題，以最低的性價(jià)比，吸取上述各高校所使用的用電控制與管理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，自行研發(fā)并設(shè)計(jì)了學(xué)生宿舍用電控制管理系統(tǒng)。能夠?qū)崟r(shí)控制和管理學(xué)生宿舍各個(gè)房間的用電。另外具有較低 的價(jià)格，主要是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件研發(fā)都是由我們自己完成的，而其它廠家技術(shù)產(chǎn)品大都申請(qǐng)了專利，所以高校在購(gòu)買(mǎi)的時(shí)候要花很多資金。因此，本課題對(duì)高校普及推廣使用學(xué)生宿舍用電控制與管理系統(tǒng)具有深遠(yuǎn)意義。 本課題的工作及創(chuàng)新 本課題為實(shí)際應(yīng)用課題，本文的主要研究工作如下： 1) 硬件設(shè)計(jì)采用了分功能塊的設(shè)計(jì)模式。 2) 選用了新型的 AT89S52 單片機(jī)。 4) 進(jìn)行了系統(tǒng)的抗干擾分析與設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)組成框圖 該系統(tǒng)主要由電量采樣板 (ADE7755)、單片機(jī)控制板，用電量顯示板、微機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)管理控制等組成。本設(shè)計(jì)中一個(gè)控制柜內(nèi)含有 8 個(gè)單片機(jī)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)與微機(jī)間采用 485 網(wǎng)絡(luò)連接。其中電量采樣電路用于采集某一房間的用電量并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)； 顯示電路用于巡回顯示 16 個(gè)房間的用電信息；各種信號(hào)與數(shù)據(jù)均通過(guò)母板進(jìn)行傳輸。 圖 21 系統(tǒng)組成框圖 167。 校驗(yàn)時(shí)計(jì)量誤差范圍要求控制在 %左右，高于本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 標(biāo)稱的 2%要求。本系統(tǒng)采用軟件控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率電器的檢測(cè)與控制?？筛鶕?jù)使用單位的作息時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)各房間定時(shí)送電、停電，對(duì)欠費(fèi)房間自動(dòng)停電。管理員可實(shí)時(shí)查閱各房間的用電情況，并進(jìn)行用電統(tǒng)計(jì)與打印報(bào)表等。 電能計(jì)量原理與電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的主要功能是分時(shí)供電和對(duì)用電量進(jìn)行計(jì)量，由采樣電路板完成電能信號(hào)的采樣，并將其轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)輸出給單片機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，其核心芯片是 ADE7755。 167。 ADE7755 是一種高準(zhǔn)確度電能集成電路，其技術(shù)指標(biāo)超過(guò)了 IEC1036的準(zhǔn)確度， ADE7755 只在 ADC 和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其他信號(hào)處理（如相乘和濾波）都使用數(shù)字電路，這使 ADE7755 在惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。引腳 CF 以較高頻率形式輸出有功功率瞬時(shí)值，用于校驗(yàn)或與 MCU接口。在環(huán)境和時(shí)間變化很大的條件下，采用專用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）和數(shù)字信號(hào)處理器（ DSP）仍保證高準(zhǔn)確度。 8%（溫度系數(shù)典型值 30ppm/oC），能為外部電路提供基準(zhǔn)＋ 5V 單電源、低功耗（典型值 15Mw） 。 ADE77755 有功電量測(cè)量原理 負(fù)載上 的瞬時(shí)功率 p(t)等于負(fù)載兩端的瞬時(shí)電壓 v(t)與流過(guò)負(fù)載的瞬時(shí)電流 i(t)的乘積，即 p(t)＝ v(t) i(t)，當(dāng) v(t)、 i(t)隨時(shí)間周期本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 變化時(shí)， p(t)也是隨時(shí)間周期變化的。在絕大多數(shù)場(chǎng)合關(guān)心的是負(fù)載上消耗的有功功率，有功功率 P定義為瞬時(shí)功率 p(t)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即 ? ?? ? ? ????? c os2c osc os1 VIdttVIdtVITP ???? ? ? （ 32） 為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對(duì)瞬時(shí)功率信號(hào)進(jìn)行低通濾波就行了。所有信號(hào)處理都是由數(shù)字電路完成的，因此具有優(yōu)良的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性。由于相乘后的 LPF 不是理想的濾波器，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 因此 LPF 輸出的瞬時(shí)有功功率信號(hào)還包含了相當(dāng)大的瞬時(shí)功率信息，即cos(2ω t)。如果 CF 以較高的頻率輸出，是因?yàn)樵趯?duì)瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累加完成頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程中，采用較短的累加時(shí)間，這就意味著減弱了對(duì)cos(2ω t)成分的平均作用，于是部分瞬時(shí)功率信號(hào)成分通過(guò)了頻率轉(zhuǎn)換器。 圖 32 ADE7755 與 單片機(jī)連接電路 頻率輸出 CF 端連接到了單片機(jī)的端口，單片機(jī)在內(nèi)部定時(shí)器設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)對(duì) CF輸出的脈沖計(jì)數(shù)，平均功率正比于平均頻率，由下式確定： 平均功率＝平均頻率＝脈沖個(gè)數(shù)／積分時(shí)間 在一個(gè)積分周期內(nèi)消耗的電能為： 電能＝平均功率積分時(shí)間 ＝（脈沖個(gè)數(shù)／積分時(shí)間）積分時(shí)間＝脈沖個(gè)數(shù) CF 頻率常數(shù)的選擇是根據(jù)邏輯輸入 SCF 確定的，有兩種選擇方式，一種是 32 F1（ SCF=1），一種是 16 F1（ SCF＝ 0）。 由于功率脈沖的周期較長(zhǎng)，所以可在軟件中用判斷功率脈沖的上升沿和 下 降 沿 的 方 法 來(lái) 確 認(rèn) 是 否 接 收 到 一 個(gè) 脈 沖 。但當(dāng)電路負(fù)荷較大時(shí)，功率脈沖較快，這就需要加快 CPU 的采樣速度或降低電脈沖常數(shù)以保證不會(huì)“漏”掉脈沖。 采樣板的設(shè)計(jì) 采樣板電路為電能計(jì)量的關(guān)鍵電路。圖 33 為采樣板電路圖．采樣板電路通過(guò)采樣電阻 (錳銅合金制成 )獲取的電流采樣信號(hào)由芯片 6 腳輸入，經(jīng)過(guò)可變電阻網(wǎng)絡(luò)的衰減后的電壓采樣信號(hào)由芯片 8 腳輸入，兩路信號(hào)在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量累加運(yùn)算，并在內(nèi)部實(shí)現(xiàn) A 仍轉(zhuǎn)換，以脈沖方式由 2 24 腳輸出供給機(jī)械計(jì)度器，由 22 腳輸出經(jīng)光耦隔離后經(jīng)母板插座通過(guò)選通的三態(tài)門(mén)輸入到單 片機(jī)的 P3． 4 腳進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。圖 中 Rx 為精度調(diào)節(jié)電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓信號(hào)達(dá)到電表精度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采用模擬地 與數(shù)字地分離接地方式，通過(guò)電感 L0 實(shí)現(xiàn)直流共地并阻隔交流干擾 ]6][5[ 。磁保持繼電器區(qū)別于普通繼電器的特點(diǎn)在于繼電器一經(jīng)觸發(fā)即可保持開(kāi)啟與關(guān)斷關(guān)態(tài)，觸發(fā)信號(hào)撤消后繼電器狀態(tài)不變，因而無(wú)需保持觸發(fā)信號(hào)．驅(qū)動(dòng)芯片 BH3023較采用分立晶體管驅(qū)動(dòng)電路具有線路簡(jiǎn)潔、可靠的優(yōu)點(diǎn)，因而在電能計(jì)量系統(tǒng)中被廣泛采用。電阻 R2 R30 即是光耦電路的輸出電阻，也是驅(qū)動(dòng)電路 BH3023 的輸入電阻。 單片機(jī)板的設(shè)計(jì) 167。因此單片機(jī)技術(shù)促進(jìn)了電測(cè)領(lǐng)域向智能化方向發(fā)展。 2) 8KB 可通過(guò) SPI 接口下載的閃存 。 4) 雙數(shù)據(jù)指針 。 6) SPI 串行接口 。當(dāng)寫(xiě) EEPROM 時(shí)， 程序可通過(guò)閃存正常執(zhí)行 。 8) 32 個(gè)可編程 I/O 口線 。 10) 8個(gè)中斷源 。 12) 全靜態(tài)操作 :0HZ33HZ 單片機(jī)板是該系統(tǒng)的核心部分，它能控制不同房間的電量采集，并把采集到的電量進(jìn)行處理，送 LED