寢室限電檢測(cè)系統(tǒng)

1、挑戰(zhàn)杯作品研究報(bào)告寢室智能限電檢測(cè)系統(tǒng)二、系統(tǒng)功能1、實(shí)時(shí)監(jiān)控如圖1所示。實(shí)時(shí)監(jiān)控原理：微機(jī)(上位機(jī))由PC機(jī)構(gòu)成,用VB 編寫的程序通過串口與通信處理模塊中的單片機(jī)通信,監(jiān)督管理寢室工作情況。通信處理模塊由W77E58 單片機(jī)構(gòu)成。一方面與上位機(jī)交換信息,另一方面利用電力載波的調(diào)制解調(diào)芯片通過電力線和處理模塊通信。宿舍處理模塊由從控AT89C2051單片機(jī)構(gòu)成,利用調(diào)制解調(diào)芯片通過電力線獲取主控W77E58單片機(jī)的指令, 圖1一方面控制開關(guān)動(dòng)作;另一方面將工作狀態(tài)通過電力線發(fā)送給主控機(jī)。該系統(tǒng)依靠計(jì)算機(jī)根據(jù)學(xué)生作息時(shí)間表實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制;也可根據(jù)特殊情況進(jìn)行人工控制,按下控制指令鍵實(shí)現(xiàn)開通或斷開

2、線路。例如:當(dāng)學(xué)生早上六點(diǎn)起床,需將寢室照明燈打開,則按下指令鍵,計(jì)算機(jī)發(fā)出開燈信號(hào)。當(dāng)各個(gè)從控機(jī)接收到信號(hào)時(shí),一方面發(fā)回應(yīng)答信號(hào);另一方面控制限電器,啟動(dòng)控制開關(guān),接通線路。通過狀態(tài)檢測(cè)電路, 從控機(jī)向主控機(jī)返送控制開關(guān)狀態(tài),由狀態(tài)顯示器進(jìn)行對(duì)應(yīng)顯示。實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制報(bào)警,并可顯示具體位置,提醒值班人員及時(shí)處理。控制指令有一2、超負(fù)荷自動(dòng)跳閘如圖2所示圖2自動(dòng)跳閘及恢復(fù)原理：RC組成A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)荷信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列運(yùn)算、處理和判斷，從而對(duì)用戶是否使用了違三、硬件設(shè)計(jì)1、實(shí)時(shí)監(jiān)控部分LM1893與單片機(jī)接口設(shè)計(jì)LM1893 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的FSK制式的調(diào)制解

3、調(diào)芯片。能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的串行數(shù)據(jù)的半雙工電力線通信,具有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)兩種工作模式 1 。LM1893 內(nèi)部電路可分為發(fā)送和接收兩大部分,電路的工作模式由5腳控制(5腳為高電平時(shí)發(fā)送、為低電平時(shí)接收信號(hào)。信號(hào)經(jīng)低通濾波器、直流消除電路和噪聲濾波電路的信號(hào)處理后,通過12腳輸出信號(hào)。圖3接口電路圖3主控單片機(jī)與LM1893連接,如圖3所示。單片機(jī)TXD 和LM1893 數(shù)據(jù)輸入端D IN 相連, RXD 和LM1893 輸出端DOUT相連, P0. 0控制收/發(fā)模式。從控單片機(jī)與LM1893 的連接與主控機(jī)相同, 只是用P1. 0控制收/發(fā)模式。通信處理模塊如圖4所示該模塊由于要使用兩個(gè)串口分別對(duì)

4、上層和下層通信,因此主控制器使用華邦公司的W77E58單片機(jī)。W77E58單片機(jī) 2 內(nèi)含2個(gè)增強(qiáng)型串口和32 kB大容量Flash存儲(chǔ)器。指令集與51系列單片機(jī)完全兼容,非常適合在智能化監(jiān)控系統(tǒng)中使用。W77E58 的連線非常方便,電路所需要的外部元件僅僅是1個(gè)晶振加2個(gè)電容驅(qū)動(dòng)片內(nèi)振蕩器、1個(gè)連接到復(fù)位腳的電阻、電容。使用片內(nèi)上電復(fù)位電路, XTAL1、XTAL2是參考振蕩器端, 晶振頻率為11. 059 MHz。其中串口0通過RS232總線接口與PC機(jī)相連,串口1則負(fù)責(zé)連接調(diào)制解調(diào)LM1893。W77E58自帶有看門狗定時(shí)器,此定時(shí)器是一個(gè)獨(dú)立于CPU自行運(yùn)行的定時(shí)器,系統(tǒng)可通過編程將其

5、設(shè)置為系統(tǒng)監(jiān)控器、時(shí)基發(fā)生器或事件定時(shí)器。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的信號(hào)電平符合TTL /CMOS標(biāo)準(zhǔn), PC機(jī)的串口典型的RS2232信號(hào)在正、負(fù)電平之間擺動(dòng),因此需要MAX202芯片實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。宿舍處理模塊圖5宿舍處理模塊此宿舍處理模塊需要完成兩個(gè)方面的工作: 通過I/O接口讀取外部設(shè)備的狀態(tài)信息; 通過調(diào)制解調(diào)器LM1893響應(yīng)主控機(jī)發(fā)送的查詢請(qǐng)求,回送當(dāng)前狀態(tài)信息。宿舍處理模塊由:從控AT89C2051 單片機(jī)、電流采集部分、電源通斷部分、狀態(tài)指示部分等組成。電流采集部分將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào) 3 , 由LTS252NP 傳感器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0832組成。LTS252NP是

6、瑞士萊姆(LEM) 公司生產(chǎn)的電流互感器模塊,這種變換器具有較好的頻率響應(yīng),該傳感器將宿舍的電流信號(hào)變?yōu)?5 V的電壓信號(hào),模塊使用5 V電源,電流量程為012 A。ADC0832 4 是帶有串行輸入/輸出8位逐次逼近式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換時(shí)間為80s。它的兩個(gè)模擬量輸入通道是可編程的,可以由串行輸入口D I的3位控制字指定通道。LTS252NP將電流信號(hào)以電壓信號(hào)的形式提供給ADC0832。選擇ADC0832的CH1為單端輸入工作方式, CH0為不工作。所以,由D I端輸入的控制字為“111”,可將D I固定接高電平。當(dāng)單片機(jī)的P1. 2口將ADC0832的CS腳置低電平時(shí), CLK的前3個(gè)

7、脈沖上升,從D I端輸入控制字“111”,接下來的8個(gè)脈沖完成轉(zhuǎn)換過程,轉(zhuǎn)換后的8位數(shù)據(jù)就從P1. 0口讀入到單片機(jī)中。3 觸發(fā)模塊MOC3041MOC3041的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，是專門用于觸發(fā)單、雙向可控硅的觸發(fā)模塊，是用于低壓邏輯電路控制高壓大功率器件的芯片，特別適用于單片機(jī)與強(qiáng)電功率接口的連接。內(nèi)部通過光耦將強(qiáng)電和弱點(diǎn)分開，實(shí)現(xiàn)了不同電壓等級(jí)之間的無縫鏈接，避免了強(qiáng)弱點(diǎn)之間的干擾，它內(nèi)部設(shè)置了過零觸發(fā)裝置，避免了由于非過零觸發(fā)造成波形歧變對(duì)電網(wǎng)的污染，同時(shí)減少了負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的沖擊。本方案中選擇了該模塊觸發(fā)雙向可控硅，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)房間供電的控制。觸發(fā)模塊MOC3041原理圖電路設(shè)計(jì)說明 為了滿足設(shè)計(jì)

8、要求，選擇單片機(jī)控制。為了使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能盡可能體積小，所以選擇了帶比較器的，且小型化封裝的通用型89C2051芯片，借用比較器可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，省去外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，縮小體積。負(fù)荷顯示采用兩位數(shù)碼管，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行掃描動(dòng)態(tài)顯示，節(jié)省了89C2051芯片的硬件開支。單片機(jī)控制負(fù)荷電路采用先進(jìn)的MOC3041觸發(fā)模塊，即實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制，又達(dá)到了強(qiáng)弱電之間的有效隔離，同時(shí)由于其有過零觸發(fā)功能，減少了可控硅工作時(shí)對(duì)電網(wǎng)的污染，特別適用民用電器。在P1.4引腳外接了一個(gè)二極管，主要是為了當(dāng)P1.4引腳為低電平時(shí)，將電容上的電快速放掉，為下次A/D轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備，這是提高A/ D轉(zhuǎn)換速度的一個(gè)關(guān)鍵

9、的器件。用該種方法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，必須盡量使用電容充電曲線的開始部分的線性段，同時(shí)輔以軟件對(duì)RC充電特性進(jìn)行修正。電容器應(yīng)選用性能相對(duì)穩(wěn)定的鉭電容。在圖2所示的電路中，P1.4輸出端還接一個(gè)5.1K電阻到正電源Vcc。這個(gè)電阻是P1.4的外部上拉電阻，用于保證P1.4在輸出邏輯“1”時(shí)有足夠的高電平，也就是接近與Vcc的高電平。樣機(jī)經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，整個(gè)電路分成兩塊小的電路板，可以安裝在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的繼電器塑料殼中，能像一般的繼電器一樣安裝在配電箱的導(dǎo)軌上，使用非常方便。如果產(chǎn)品化生產(chǎn)可以設(shè)計(jì)定制專門的外殼。四、軟件設(shè)計(jì)為確保信息可靠傳輸，本控制器采用如下協(xié)議； (1) 從機(jī)的地址為000FFH;(2

10、) 地址0FFH作為一條控制命令,使所有的從機(jī)都處于SM2 = 1的狀態(tài);(3) 00H接受命令; 01H發(fā)送命令;(4) 從機(jī)狀態(tài)字格式,如圖7所示。ERR00000TRDYRRDYERR = 1,表示收到非法命令; TRDY = 1表示發(fā)送準(zhǔn)備完畢; RRDY = 1表示接收準(zhǔn)備完畢。設(shè)定單片機(jī)串行通訊口工作于方式3 (定時(shí)器1工作于方式2) ,波特率為9 600 b / s,晶振頻率為11. 059MHz,當(dāng)控制寄存器PCON 的SMOD = 0 時(shí),將FDH 裝入TH1和TL1, T1發(fā)出的波特率為9 600 b / s。主、從機(jī)流程圖2、超負(fù)荷自動(dòng)跳閘部分根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合AT89C2051硬件資源及系統(tǒng)硬件電路，智能限電器的程序流程如圖8所示。圖8參考文獻(xiàn)：童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第四版 高等教育出版 2006 閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 第五版 高等教育出版社 2004姚海彬 電工技術(shù) 高等教育出版社 1999張毅剛 彭喜元 單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì) 電子工業(yè)出版社 2010附錄：器件清單