智能用电管理器毕业设计_毕业设计论文.doc
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1、 毕业设计报告(论文)题 目: 智能用电管理器设计 所 属 系: 自动化技术系 班 级: 电子0921班 - 2012届毕业设计(论文)摘 要 本文主要介绍一款智能用电管理器。该管理器具有日历时钟功能、温度检测功能、电压电流及功率检测、人体检测、无线收发、声光报警等功能。此智能用电管理器可以显示时间,可以设定用电设备的运行时间,能控制运行状况;能设定用电设备运行温度,并能实时监测;可以检测用电设备运行时的电压、电流、功率,能检测在用电设备运行时出现的过压、过流等故障,有保护功能,并能报警;可以检测用电设备周围环境中有无人员,并能控制设备是否运行;可以结合物联网,对用电设备实现远程控制。此智能用
2、电管理器是以MSP430单片机为核心,采用集成温度传感器和铂电阻两种方案来实现测温功能,采用热释电红外传感器和超声波传感器两种方案来实现人体检测功能,采用nRF401芯片完成无线收发功能,采用DS1302芯片来实现日历时钟功能等。此用电管理器采用低功耗元器件,具有节能环保、成本低的优点。具有测量精度高、可靠性高、低成本、模块化、可扩展等特点,在现代生产生活中具有很高的应用价值。关键词 用电管理器 MSP430单片机 低功耗 检测与控制I- - 2012届毕业设计(论文)目 录1 前言2 方案设计2.1 整体方案2.2 单片机的选择2.3 检测电路和控制电路的方案设计2.4 温度检测电路的方案设
3、计2.5 人体检测电路的方案设计2.6 无线收发模块的方案设计2.7 其他电路的方案设计3 单元电路设计3.1 MSP430单片机最小系统的设计3.2 检测电路、控制电路和辅助电源的设计3.3 温度检测电路的设计3.4 人体检测电路的设计3.5 无线收发模块的设计3.6 日历时钟电路的设计3.7 报警电路的设计3.8 显示模块的设计3.9 键盘电路的设计4 软件设计4.1 软件设计流程图4.2 程序清单5 结论参考文献致谢III- 2012届毕业设计(论文)1 前言随着经济的飞速发展,人们生活条件的不断改善,越来越多的电器,如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进寻常百姓家。市场上各种各样的
4、电器产品越来越多,家电的种类繁多在带给人们方便的同时也带来了安全隐患。从而产生了用电控制器,用电控制器帮助人们解决了许多繁琐的问题。但是现在的家电控制器功能单一,一般家电控制器只具有定时、定温等特定功能,并且具有功能简单、执行效率低、安全系数低、容易损坏等缺点。现在电能越来越紧张,社会各界都越来越重视安全用电与节约用电,环保节能已成为家电产业发展的重要支柱。但是现在的用电设备上的控制器不能够时时监控用电设备运行情况,不能根据用电设备周围环境中有无人员来控制设备是否运行,不能够反映出用电情况,起不到节能、环保的作用,而且现在的用电控制器不能为用户提供用电情况。同时现在的电价也十分的高,控制用电、
5、减少用电开支是广大用户的需求。 随着我国智能电网建设的展开,智能用电作为智能电网的重要环节也越来越多的得到重视,智能家电是智能用电的重要组成部分,已被列入研究计划。用电控制系统作为智能家居系统的重要组成部分,无疑是其中的重要技术手段和今后社会的基础信息结点。开发智能用电相关产品不仅能够满足人们生活的需要,对整个社会信息化进程的推动作用也不可忽略。今后的用电管理器会越来越智能化、人性化,会为用户提供更多的信息,比如可以提供用电情况,便于用户的使用;又例如可以根据用电设备周围环境中有无人员来控制设备是否运行,这样可以节约电量,比如将智能用电管理器用在饮水机上,可以根据饮水机周围环境中有无人员来控制
6、饮水机在设定时间段内是否运行。以后的用电管理器可能会结合物联网,实现远程控制。家电在跨过了机电控制、电子控制、程序控制和智能控制的技术台阶后,必然发展成为通过网络获取知识、交换信息、协同工作的新一代智能家电,智能用电管理器是其发展道路中必不可少的。总结起来,主要发展趋势为智能用电管理器向智能化、网络化、人性化、低功耗节能型方向发展。伴随着人们生活条件的不断改善,越来越多的电器,如电脑、电视机、热水器、饮水机等正逐步走进寻常百姓家。家电的种类繁多在带给人们方便的同时也带来了安全隐患,家电控制器随之产生。用电控制器帮助人们解决了许多繁琐的问题。现在电能越来越紧张,社会各界都越来越重视安全用电与节约
7、用电,家电产业的发展也越来越重视环保节能。但是现在的用电设备上的控制器不能够时时监控用电设备运行情况,不能根据用电设备周围环境中有无人员来控制设备是否运行,不能够反映出用电情况,起不到节能、环保的作用。同时现在的电价也十分的高,控制用电、减少用电开支是广大用户的需求。我国普遍存在用电管理落后、电力资源严重浪费的问题,安全隐患日益突出等问题。智能用电管理器可以帮助解决用电浪费、用电安全等问题。用电智能管理器是电量的自动计量及管理发展的趋势,它将促进电力系统的潜能得到最大限度的发挥。用电管理器可以结合物联网,实现远程控制,解决用电设备的远程用电控制。2 方案设计2.1 整体方案如图1为此次设计所采
8、用的智能用电管理器的电路模块图。从图中可看出,该电路的主要组成包括检测电路(电压检测、电流检测)、控制电路、温度检测电路、人体检测电路、无线收发模块、单片机系统、日历时钟电路、A/D及D/A转换电路、键盘电路、显示电路、报警与保护电路及辅助电源等。在这一系统中,检测电路由电压检测电路与电流检测电路组成,主要是检测供电线路的电压与电流的输出情况,并通过A/D送给单片机处理,再由D/A送给控制电路控制;温度检测电路由温度传感器与信号调理电路组成,将采集的信号通过A/D送给单片机处理,同时键盘可以设定温度;人体检测电路、无线收发模块都是将采集的信号通过A/D送给单片机处理;日历时钟电路可以产生时间通
9、过显示器显示,并能由键盘来设定;报警与保护电路可以保证用电时的电压、电流的稳定,在出现故障时起保护作用,同时发出报警信号,提示用户排除故障;控制电路的信号来自于单片机,用来控制输出稳定的电压、电流及其他相应的控制;辅助电源为系统元器件提供电源;单片机主要是接收信号、处理信号和输出信号。电路的组成要考虑简单实用;元器件选择要考虑功耗问题,如单片机就需选择低功耗的。 检 测电 路控 制电 路A/D单片机调理电路温度传感器D/A人体检测传感器无线收/发模块显 示键 盘日历时钟电路A/D调理电路A/D220V输入220V输出系统辅助电源报警和保护电路图1 智能用电管理器的电路模块图2.2 单片机的选择
10、2.2.1 主流单片机介绍最早由Intel公司推出的8051/31 类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC 类兼容的高档芯片的开发上,随后Intel公司将80C51内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商,如 Philips 、NEC、ATMEL、AMD、Dallas、siemens、FUJUTSU、OKI、华邦、LG等。在保持与80C51单片机兼容的基础上,这些公司融入了自身的优势,扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路,如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出控制的HSL/
11、HSO、满足串行扩展总线I2C、保证程序可靠运行的WDT、引入使用方便且价廉的Flash ROM等,开发出上百种功能各异的新品种。这样80C51单片机就变成了众多芯片制造厂商支持的大家族,统称为80C51系列单片机。客观事实表明,80C51已成为8位单片机的主流,成了事实上的标准MCU芯片。MOTOROLA 是世界上最大的单片机厂商,品种全、选择余地大、新产品多是其特点。在8 位单片机方面有68HC05和升级产品68HC08。68HC05有30多个系列,200多个品种,产量已超过20 亿片。16位单片机68HC16也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。MOTOROLA单片
12、机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel 类单片机低得多,因而使得高频噪声低、抗干扰能力强,更适合用于工业控制领域及恶劣的环境。ATMEL公司的90系列单片机是增强 RISC内载 Flash 的单片机,通常简称为 AVR 单片机,90 系列单片机是基于新的精简指令RISC 结构的。这种结构是在90 年代开发出来的综合了半导体集成技术和软件性能的新结构,这种结构使得在8 位微处理器市场上AVR 单片机具有最高 MIPS mw能力。MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。称之为
13、混合信号处理器,主要是由于其针对实际应用需求,把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上,以提供“单片”解决方案。2.2.2 MSP430 系列与89C51系列的比较我们对89C51系列的单片机是很熟悉的,为了加深对MSP430系列单片机的认识,不妨将两者进行一下比较。首先,89C51单片机是8位单片机。其指令是采用的被称为“ CISC ”的复杂指令集,总共具有111条指令。而MSP430单片机是 16 位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,只有简洁的27条指令,大量的指令则是模拟指令,众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令,功能强,运行的速
14、度快。其次,89C51单片机本身的电源电压是5 V,有两种低功耗方式:待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA,在待机状态下,其耗电电流仍为3mA;即使在掉电方式下,电源电压可以下降到2V,但是为了保存内部RAM中的数据,还需要提供约50uA的电流。而MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处,则是89C51系列不可比拟的。正因为如此, MSP430 更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。再者,89C51系列单片机由于其内部总线是 8 位的,其内部功能模块基本上都是8位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加,但是受其结构本身的限制很大,尤其模拟功能部件的增加更显困难。
15、而MSP430 系列其基本架构是16位的,同时在其内部的数据总线经过转换还存在8位的总线,在加上本身就是混合型的结构,因而对它这样的开放型的架构来说,无论扩展8位的功能模块,还是16位的功能模块,即使扩展模 / 数转换或数 / 模转换这类的功能模块也是很方便的。这也就是为什么MSP430系列产品和其中功能部件迅速增加的原因。最后,就是在开发工具上面。对于89C51来说,由于它是最早进入中国的单片机,人们对它在熟悉不过了,再加上我国各方人士的努力,创造了不少适合我们使用的开发工具。但是如何实现在线编程还是一个很大的问题。对于MSP430系列而言,由于引进了Flash型程序存储器和JTAG技术,不
16、仅使开发工具变得简便,而且价格也相对低廉,并且还可以实现在线编程。2.2.3 MSP430单片机的特点 超低功耗:MSP430 单片机之所以有超低的功耗,是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先,MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时,芯片的电流会在200400uA左右,时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA。其次,独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统:基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器(32768Hz),有的
17、使用两个晶体振荡器)。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下,打开和关闭,从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同,即采用不同的工作模式,芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0LPM4)。在等待方式下,耗电为0.7uA,在节电方式下,最低可达0.1uA。强大的处理能力: MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还
18、有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,在8MHz 晶体驱动下指令周期为125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。运算速度方面:MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下,实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合,能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。MSP430系列单片机的中断源较多,并且可以任意嵌套,使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时,用中断请求将它唤醒只用 6us。系统工作稳定:上电复位后,首先由DCOCLK启动CPU,以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然
19、后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做CPU 时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统正常工作;如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块:MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer A)、定时器B(Timer B)、串口0、1(USART0 、1)、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位 ADC 、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块(DMA)、端口0(P0)、端口16(P1P6)、基本定时器(Basic Timer)等的一些外围模块的不同组
20、合。其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;模拟比较器进行模拟电压的比较,配合定时器,可设计出A/D转换器;16 位定时器(Timer A和Timer B )具有捕获/比较功能,大量的捕获/比较寄存器,可用于事件计数、时序发生、PWM 等;有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用;具有较多的 I/O 端口,最多达6*8条I/O口线;P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入;12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率,最高可达200kbps ,能够满足大多数数据采集应用;能直接驱动液晶多达160段;实现两路的12位D/A转换;硬件IIC串行总
21、线接口实现存储器串行扩展;以及为了增加数据传输速度,而采用直接数据传输(DMA)模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。 方便高效的开发环境:目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件,这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯片;对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有JTAG 调试接口,还有可上电擦写的FLASH存储器,因此采用先下载程序到FLASH内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一
22、台PC机和一个JTAG调试器,而不需要仿真器和编程器。开发语言有汇编语言和C语言。 MSP430 单片机目前主要以FLASH型为主。适应工业级别运行环境MSP430系列器件均为工业级的,运行环境温度为-40+ 85摄氏度 ,所设计的产品适合用于工业环境下。基于以上的比较和MSP430单片机的优点,我选择MSP430单片机作为本课题的控制处理器。2.3 检测电路和控制电路的方案设计在这一系统中,检测电路由电压检测电路与电流检测电路组成。检测电路的任务是将用电过程中的电压信息、电流信息定时采集,经过A/D转换器以数字量的形式送入存储器中储存。CPU再对这些数据进行分析、运算和处理,再由D/A送给控
23、制电路控制。电流检测电路:模拟量的数据采集一般分为直流采样和交流采样两种方法。直流采样的缺点是硬件复杂、稳定性差,而且由于受固有滤波环节的影响,采样数据无法实时反映交流信号的变化。这恰与保护系统要求实时性高的特点相违背,所以保护系统的电流采样多采用交流采样方式。电压检测电路:基于交流采样的好处,所以采用交流采样。控制电路:控制电路包括自动控制、报警控制、开关电路、灯光控制、定时控制、温控电路、继电器控制、晶闸管控制、电机控制等。由于是控制交流电的信号,所以此次采用继电器控制。2.4 温度检测电路的方案设计温度检测电路由温度传感器与信号调理电路组成,将采集的信号通过A/D送给单片机处理。2.4.
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