基于單片機(jī)的家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

哈爾濱華德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）黑龍江東方學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）哈爾濱華德學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）PAGE26緒論家居能源管理的基本概念在自然界中，儲(chǔ)存有各種資源，其中包含有各種形式的能源，而其中以電、水、氣為最主要的能源也是當(dāng)今個(gè)人家庭使用最普遍最多的能源，而由于家居能源使用量大的現(xiàn)實(shí)情況，家居能源管理也應(yīng)運(yùn)而生，其概念在于幫助個(gè)人家庭實(shí)現(xiàn)能源管理、節(jié)能降耗、降低消耗成本。選題的背景自然資源是生物存活與其發(fā)展的必要條件。隨著全球區(qū)域內(nèi)工業(yè)化革命的暴發(fā)，各種能源的耗用愈來愈大。從如今全世界區(qū)域來看，能源供應(yīng)難題已是重中之重，全世界都在主張節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境。而在最消耗能源層面上來看，家居能源消耗最大，浪費(fèi)多等問題無疑不為社會(huì)造成負(fù)擔(dān)，同時(shí)對(duì)家庭開銷負(fù)荷也帶來了一定的影響。其中以家居耗能最為嚴(yán)重，家居不能僅靠提高設(shè)備利用率或降低能耗來節(jié)約資源，而應(yīng)當(dāng)對(duì)這些儀器來進(jìn)行管控，將能源消耗的數(shù)據(jù)來進(jìn)行管控，從而達(dá)致節(jié)約能源的效用。而面對(duì)如今新技術(shù)的興盛，我們實(shí)際上可以開發(fā)軟件來統(tǒng)計(jì)分析其能耗，避免繁雜的人工統(tǒng)計(jì)，從而借此研究出能源的耗費(fèi)所在，為家居日常的生活乃至社會(huì)上作出貢獻(xiàn)。家居能源管控系統(tǒng)就是需要對(duì)能源消耗的信息進(jìn)行研究和收集，對(duì)能源使用量、能耗成本進(jìn)行分?jǐn)偅瑫r(shí)轉(zhuǎn)化各種能量消耗基準(zhǔn)并根據(jù)該系統(tǒng)的研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展開供給管理工作，從而發(fā)掘出制造流程中對(duì)于能源的耗費(fèi)。家居能源的管理系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)與現(xiàn)代的家居能源系統(tǒng)相比較，智能化環(huán)境下家居能源管理系統(tǒng)監(jiān)測的量值范圍更廣、管控更為智能化。現(xiàn)今的家居能源管控系統(tǒng)大多都是智能檢測一種能源，因此如何能通過一個(gè)儀器同事監(jiān)測多種家用能源情況，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。選題的目的隨著科技的飛速發(fā)展19世紀(jì)三四十年代，中國人民日常能源消耗以水、電、氣為主，而在經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的，高科技電子產(chǎn)品突飛猛進(jìn)的現(xiàn)今，水、電、氣的應(yīng)用更是已經(jīng)深入中國人民的日常生活。電燈、冰箱、熱水器、煤氣灶等等，統(tǒng)統(tǒng)都與水、電、氣有著密切的關(guān)系。水、電、氣在當(dāng)今社會(huì)不可或缺，同樣也涌現(xiàn)出了對(duì)水、電、氣的計(jì)量，從而出現(xiàn)了水表、電表、煤氣表這些能源監(jiān)測設(shè)備。同樣，如今各種能源監(jiān)測設(shè)備，都漸漸趨向于智能化、人性化。這些設(shè)備基本都含有單片機(jī)。能源監(jiān)測電子設(shè)備也與人們的日常生活密切相關(guān)，同樣智能能源監(jiān)測設(shè)備也隨著科技的發(fā)展涌現(xiàn)了出來。希望通過能夠該監(jiān)測設(shè)備幫助家居實(shí)現(xiàn)能源管理、節(jié)能降耗、降低消耗成本。選題的意義目前市面上還沒有出現(xiàn)專門針對(duì)個(gè)人家庭的燃?xì)?、用電、用水一體的監(jiān)測設(shè)備,因此該設(shè)計(jì)具備一定的原創(chuàng)性。其設(shè)計(jì)的特色是便于裝配、察看、管理,只需串接到家用自來水管道、煤氣管道和家用電表中就能完成檢測和結(jié)果顯示，該系統(tǒng)相異模塊組合成，在機(jī)械故障時(shí)便于修理。同時(shí)本設(shè)計(jì)本身具備擴(kuò)展性,可加入提醒,遠(yuǎn)程管控等功用。并通過探究和動(dòng)手，很大的鍛練自己的自學(xué)能力，同時(shí)也提升了單片機(jī)層面的經(jīng)驗(yàn)，為之后的善用奠定堅(jiān)實(shí)的根基。并對(duì)頻率的切換過程和功用的充分利用有較為準(zhǔn)確的了解，測試51單片機(jī)在智能能源監(jiān)測設(shè)備運(yùn)用上的穩(wěn)定性，對(duì)智能能源監(jiān)測設(shè)備的功能及其優(yōu)越性進(jìn)行評(píng)價(jià)。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀家居能源管理系統(tǒng)隸屬于家居智能化系統(tǒng)，在研究家居能源管理系統(tǒng)時(shí)有必要提到家居能源管理系統(tǒng)的概念最初起源于上世紀(jì)70年代的英國，之后，傳播到了韓國、等地并得到了大力發(fā)展。在國內(nèi)，家居能源管理這個(gè)概念實(shí)行較晚，大約是在90年代末才開始進(jìn)入國內(nèi)，而如今我們國家有關(guān)方面的發(fā)展速度也十分驚人。國外發(fā)展現(xiàn)狀：在家居能源管理方面，英國以及一些歐美國家長期都位處領(lǐng)先水平。并且近年來，美英的很多知名企業(yè)，都先后躋身于智能家居能源管理系統(tǒng)的研發(fā)中。例如：英國THORNEMI公司利用公共電話線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電表的遠(yuǎn)程管理、日本九州電力公司利用配電線載波方式實(shí)現(xiàn)能源的管理。另外，韓國、新加坡等國家的企業(yè)也紛紛致力其研發(fā)，對(duì)家居能源管理市場躍躍欲試。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀：我們國家在人工智能應(yīng)用領(lǐng)域相比較外國來說起步稍晚，還沒構(gòu)成一定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。迄今主要依賴國外的公司提供關(guān)鍵技術(shù)，但是也有一些國內(nèi)的企業(yè)發(fā)行自己的產(chǎn)品，比如：天普勝電氣有限公司的“遠(yuǎn)程抄表售電系統(tǒng)”，該系統(tǒng)是針對(duì)我國家庭所設(shè)計(jì)的，遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，使用嵌入式軟件、硬件設(shè)計(jì)。其產(chǎn)品主要是以功能模塊的研發(fā)居多，且基于國外成熟的家居能源管理系統(tǒng)的規(guī)范之上。國內(nèi)主要軟、硬件機(jī)構(gòu)都在積極的研發(fā)更符合市場需求的家居能源管理設(shè)備，以解決目前應(yīng)用繁復(fù)、實(shí)用性差的缺陷，創(chuàng)新也逐步向國際上先進(jìn)水準(zhǔn)趨近，讓大家拭目以待。主要內(nèi)容基于單片機(jī)的家居能源管理系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居水、電、氣用量的采集，并且在顯示屏上顯示出各種能源的用量及費(fèi)用情況。其采用51單片機(jī)為核心，通過三個(gè)脈波采集電路對(duì)水表、電表、氣表用量的采集，并將采集的模擬用量顯示在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，用戶可以通過按鍵設(shè)置水電氣的單位費(fèi)用，同時(shí)采用AT24C16芯片實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)信息的功能，使斷電后也能保存采集到的信息。為了達(dá)到減少能耗的效果，增加了蜂鳴器報(bào)警功能，當(dāng)使用量超過一定值時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警提醒用戶，并記錄當(dāng)天的使用量。與這些功能相匹配的硬件電路有：電源、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電阻模擬采集電路、報(bào)警電路、按鍵電路與OLED顯示電路、AT24C16的掉電存儲(chǔ)電路。功能相匹配的軟件有：初始化程序、延時(shí)程序、電源控制程序、讀取AT24C16掉電存儲(chǔ)程序、報(bào)警子程序、ADC采集子程序OLED顯示程序、實(shí)時(shí)價(jià)格顯示程序、按鍵動(dòng)態(tài)模擬以及設(shè)置金額參數(shù)程序。硬件設(shè)計(jì)說明了選題的目的、背景和意義，國內(nèi)外文研究現(xiàn)狀，及所要研究的主要內(nèi)容等，正式轉(zhuǎn)入本次設(shè)計(jì)的最重要部份硬件的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框架圖是系統(tǒng)整體功能的設(shè)計(jì)圖，根據(jù)家居能源管理功能的要求，我們開展單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為之后的電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)提供一個(gè)根基，其家居能源管理系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。STC15W408ASSTC15W408AS水表采集電路dianddianlu口口口水表采集電路dianddianlu口口口OLED顯示屏OLED顯示屏氣表采集電路氣表采集電路蜂鳴器蜂鳴器電表采集電路電表采集電路AT24C16AT24C16按鍵按鍵圖2-1系統(tǒng)框圖基本功能簡介這是基于單片機(jī)的家居能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以STC15W408AS單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的有效管理。本設(shè)計(jì)采用三個(gè)采集電路分別對(duì)水電氣表的能源用量采集，而后通過單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換模塊將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)而后通過OLED顯示屏顯示出實(shí)時(shí)用量數(shù)據(jù)：當(dāng)用量達(dá)到用戶設(shè)定的數(shù)值時(shí)，蜂鳴報(bào)警器報(bào)警，并記錄當(dāng)天的使用量：AT24C16芯片實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)信息的功能，使停止供電后也能保留所收集到的數(shù)據(jù)。2.1.2STC15W408AS單片機(jī)由于操控較為簡單，采用51單片機(jī)就可實(shí)現(xiàn)上述功用，這里選用STC15W408AS單片機(jī)，它是一個(gè)集低功耗設(shè)計(jì)、低速模式、空閑模式、掉電模式與停機(jī)模式的1T8051單片機(jī)，內(nèi)部集成了時(shí)鐘電路與復(fù)位電路，一樣的振幅時(shí)，速度是普通8051的8~12倍，其工作時(shí)的電壓為5.5V~2.5V，SRAM內(nèi)部空間為512字節(jié)，有1組高速異步串行通訊接口UART及SPI、內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換、CCP/PCA/PWM等基本功能，工作時(shí)頻率大約35MHz，工作時(shí)的溫度范圍大約為-40℃~85℃，封裝類型為SOP貼片封裝，管腳數(shù)為20，比較器，可當(dāng)1路ADC使用，并可作掉電檢測在管腳CMPO上形成輸出，可形成中斷，[P5.5/CMP+,P5.4/CMP-]要被設(shè)置為高阻輸入8路ADC口可用作比較器正極（CMP+)一組高速異步串行通信端口，可以在3組管腳間實(shí)現(xiàn)切換，分時(shí)復(fù)用可以當(dāng)做3組串口來使用；其單片機(jī)原理圖如下圖2-1-2所示。圖2-1-2單片機(jī)原理圖電源電源通過USB口來供應(yīng)，采用組件備有的USBA轉(zhuǎn)B口線纜連通計(jì)算機(jī)USB口與開發(fā)板均可。在電源電路中重新加入了電源信號(hào)燈LED，采用330電阻器限流并供應(yīng)兩個(gè)測試點(diǎn)來測定5V電是不是正常。這是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)化成5v穩(wěn)壓輸出的直流電壓的電路，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路。常見的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓變的穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。STC15W408AS單片機(jī)工作供電范圍是5.5V~2.5V，為了能夠直接給STC15W408AS單片機(jī)供電，我們需要把這個(gè)電源轉(zhuǎn)換成單片機(jī)輸入電壓的范圍。這個(gè)時(shí)候就需要增加一個(gè)穩(wěn)壓IC了，它的輸入電壓范圍是+3.3-30V，輸出為5V。這樣我們就可以穩(wěn)定為單片機(jī)提供一個(gè)5V的電源了說明：將交流220v的電壓經(jīng)過變壓器降壓達(dá)到9v的交流電壓，并用濾波電容平滑濾波后穩(wěn)成5v直流電壓輸出，而后通過電源指示燈使指示燈亮：其電源原理圖如圖2-2所示。圖2-2電源原理圖最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)可以解釋為讓單片機(jī)工作的最簡單的線路，其實(shí)單片機(jī)的最小系統(tǒng)可分為三部分：電源部分；晶振部分；復(fù)位部分。其電源部分，單片機(jī)供電是有范圍的，常用+3.3V和+5V電源供電。晶振部分，晶振之于單片機(jī)就相當(dāng)于心臟之于人一樣，晶振為單片機(jī)提供一個(gè)“心跳”，不同的是人的心跳只有60-100Hz左右，而單片機(jī)的心跳卻可以很高并且可以根據(jù)需要做出改變（不能超過單片機(jī)最高時(shí)鐘頻率）。現(xiàn)在單片機(jī)基本上都有內(nèi)部晶振，相對(duì)于外部晶振來說，內(nèi)部晶振誤差會(huì)大一點(diǎn)，一般在3%左右，但這個(gè)內(nèi)部晶振可以滿足絕大部分需求，增加外部晶振一般是為了減少系統(tǒng)時(shí)鐘誤差或者讓單片機(jī)達(dá)到更高的主頻。單片機(jī)會(huì)有兩個(gè)引腳為外部晶振的輸入口，讓晶振工作的時(shí)候更加穩(wěn)定。復(fù)位部分，單片機(jī)上電需來進(jìn)行一次復(fù)位，所以單片機(jī)最小系統(tǒng)必須外加上電復(fù)位電路。單片機(jī)會(huì)有一個(gè)復(fù)位引腳，一般為低電壓復(fù)位，即輸入為低電平的時(shí)候，單片機(jī)復(fù)位。本系統(tǒng)采用了STC15單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用了內(nèi)部集成時(shí)鐘電路與復(fù)位電路自帶振蕩器,最小系統(tǒng)就是只需要接上電源的Vcc和GND兩條線即可：本單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及內(nèi)部集成時(shí)鐘電路與復(fù)位電路、下載程序接口：如圖2-3所示。圖2-3最小系統(tǒng)2.3.1內(nèi)部集成復(fù)位電路該系統(tǒng)的運(yùn)行和重啟要靠復(fù)位電路來完成。單片機(jī)開機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便CPU以及其他功能部件處于一種確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。STC單片機(jī)里集成專用的MAX810復(fù)位電路8級(jí)復(fù)位門檻電壓可設(shè)置：就是說STC單片機(jī)內(nèi)部自帶復(fù)位電路，不必設(shè)計(jì)外部復(fù)位電路，省去了外部復(fù)位電路簡便了很多，并且復(fù)位非?？煽?。數(shù)據(jù)采集模塊本設(shè)計(jì)需要的水、電、氣的用量進(jìn)行采集，通過水表數(shù)據(jù)采集模塊與電表氣表數(shù)據(jù)采集模塊采集用量，單片機(jī)與三表間通信線使用雙絞電纜作為傳輸線。這樣就在一定層面上有效地防范了信號(hào)在傳送過程中被影響，使信號(hào)可以準(zhǔn)確的傳送。迄今電子類自來水表、電表、燃?xì)獗淼榷疾捎萌~輪式流量計(jì)。而這些流量計(jì)的原理一樣，都是由液體和氣體的移動(dòng)來促進(jìn)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，葉輪的旋轉(zhuǎn)速率與流動(dòng)速率成正比的關(guān)系，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速率來算出其流量。本設(shè)計(jì)使用L298集成電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)形成脈沖，而后通過單片機(jī)的外部中斷采樣直流電機(jī)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，用來計(jì)算數(shù)字量表的數(shù)值。在本次設(shè)計(jì)中，單片機(jī)讀取到的脈沖數(shù)將轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)用水的噸數(shù)，用電的度數(shù)和氣體的立方數(shù)，通過OLED顯示器顯示，可顯示當(dāng)前使用的電氣體或水的使用量及價(jià)格。其原理圖如圖2-4所示。圖2-4數(shù)據(jù)采集模塊原理圖2.4.1L289集成電路L298是15個(gè)管角的單塊集成電路，有高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，其工作電流為1A，最大可達(dá)到1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V；Vs電壓最大值也是36V。L298可直接對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，不用隔離電路。其VS、VSS分別接+12V、+5V電源，其輸出口OUT1～OUT2接轉(zhuǎn)向電機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合編程好的程序，根據(jù)所發(fā)送的語音命令，接收信號(hào)，便可傳送相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而控制轉(zhuǎn)向電機(jī)。單片機(jī)的外部中斷采集直流電機(jī)產(chǎn)生的脈沖數(shù)，用來計(jì)量數(shù)字量表的數(shù)值。該系統(tǒng)電路簡單，操控方便，具有實(shí)用價(jià)值。其L289電路連接圖如圖2-4-1所示。圖2-4-1L298電路連接圖2.5按鍵使用者通過按鈕輸入相應(yīng)的價(jià)錢參數(shù)。當(dāng)按鈕按下的時(shí)候單片機(jī)的IO口變?yōu)榈碗妷?，通過軟件檢驗(yàn)并輸送給單片機(jī)處理，從而做到按鈕的實(shí)時(shí)讀取。按鈕的功能分配如下：K1：設(shè)置水電氣價(jià)格上漲鍵、K2：設(shè)置水電氣價(jià)格下降鍵、K3：金額確定鍵、K4：價(jià)格清零鍵。K1、K2進(jìn)入設(shè)置，分別設(shè)置水電氣的價(jià)格并按K3確定跳到下一個(gè)需要設(shè)置的用量。測量完畢長按K4清零。在設(shè)計(jì)按鈕的時(shí)候要顧慮防抖動(dòng)，除了硬件防抖動(dòng)還要做到軟件防抖動(dòng)，軟件法防抖動(dòng)實(shí)際上就是做到延時(shí)，即監(jiān)測到某一狀態(tài)變動(dòng)后，延時(shí)短暫時(shí)間，再監(jiān)測該按鈕的狀況是否還維持著，如果是則看作按鈕處理，否則視作抖動(dòng)，不用理會(huì)。去抖的時(shí)間延時(shí)一般參考資料描述為10ms左右，實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)大于20ms。其原理圖如如圖2-5所示。圖2-5按鍵原理圖2.6OLED顯示器本設(shè)計(jì)采集到的水電氣用量數(shù)據(jù)包括通過按鍵設(shè)定的價(jià)格參數(shù)數(shù)據(jù)都需要通過OLED顯示器來顯示。OLED：即有機(jī)發(fā)光二極管，又稱作有機(jī)電激光顯示器。自2007年后，使用壽命獲得極大提升，具有了許多LCD不能媲美的絕對(duì)優(yōu)勢。OLED由于同時(shí)具有自發(fā)亮，不需背光源，分辨率高，角度廣，反應(yīng)速度快，輕巧、省電，可用作撓曲性基板，適用溫度范圍廣，結(jié)構(gòu)及制造簡便等出色屬性，被視為是新一代的平面顯示屏新興運(yùn)用技術(shù)。工作電壓寬度高，從2.2V到5.5V，OLED顯示器不同于LCD顯示器，OLED上電是不能反應(yīng)的，必須用程序驅(qū)動(dòng)才會(huì)有顯示。2.6.1OLED電路連接OLED顯示屏使用4線IIC通信方式。其IIC電路聯(lián)接為：GND：電源地VCC：2.2V~5.5VSCL：CLK時(shí)鐘（高電平2.2V~5.5V）SDA：MOSI數(shù)據(jù)（高電平2.2V~5.5V）D/C：數(shù)據(jù)/指令（高電平2.2V~5.5V）適配3.3V和5V控制晶片的I/O電位（不需要任何設(shè)置，直接適配）板子管腳依次為G(地)，3.3V/5V（電源），SCL(CLK時(shí)鐘)，SDA（MOSI數(shù)據(jù)）。其OLED連接原理圖如圖2-6-1所示。圖2-6-1OLED連接原理圖2.6.2組件基本數(shù)據(jù)本模塊顯示顏色為1/4黃+3/4藍(lán)，但仍屬于單色屏，另有“藍(lán)+白”組合色可選。模塊接口為8個(gè)插針，針腳定義已印在板上，使用串行SPI協(xié)議。因?yàn)榘遢d穩(wěn)壓芯片U2，模塊供電電壓可以是3－5V。模塊自帶中文字庫芯片。OLED顯示屏：128*64點(diǎn)陣OLED單色屏。簡稱為顯示屏、屏、OLED屏。GT20L16S1Y字庫芯片：內(nèi)部固化了8套字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)，90%的容量都用來存儲(chǔ)中文字庫。接口及電源配置電路：8路插針，板載低壓差降壓穩(wěn)壓芯片662K。PCB板及若干外圍電阻電容元件。模塊內(nèi)部已有外圍電路，供電：模塊供電輸入端為VCC_IN，經(jīng)U2降壓后供U1、U4等電路。接口：SSD1306支持并行、SPI及I2C等串行協(xié)議，本模塊通過BS0－BS2這三個(gè)引腳接地，已設(shè)置為SPI協(xié)議，與U4漢字庫芯片共享SPI接口，工作時(shí)通過芯片的片選引腳來區(qū)分，讀寫時(shí)應(yīng)將目標(biāo)芯片的CS引腳置為低電平。其他外圍電路：R5=910K，設(shè)置恒流源參考電流；R6、R7為數(shù)據(jù)線上拉電阻；RES接復(fù)位電路。其原理圖如圖2-6-2所示。圖2-6-2OLED模塊原理圖2.6.3顯示屏顯示及引腳本模塊顯示區(qū)域尺寸為：寬21.744毫米，高10.864毫米，有效顯示面積為2.36平方厘米，作為對(duì)比，一元硬幣的面積為4.9平方厘米，整個(gè)模塊也僅一個(gè)硬幣大小。在這2.36平方厘米的面積里，擁有8192個(gè)發(fā)光二級(jí)管，每個(gè)發(fā)光點(diǎn)就是一個(gè)像素，這些點(diǎn)組成了一個(gè)“陣列”，也叫“點(diǎn)陣”。點(diǎn)陣分成128列，64行，每個(gè)像素尺寸僅0.154*0.154毫米，像素間距0.016毫米。進(jìn)入這種尺度，用微米作單位更合適。顯示屏有8192個(gè)像素，每個(gè)發(fā)光點(diǎn)都有正負(fù)兩個(gè)電極，由于不能全部引出8192*2個(gè)驅(qū)動(dòng)電極，我們把每列的正極都接在一起引出一個(gè)電極，定義為一個(gè)段（SEG），把每行的負(fù)級(jí)接在一起引出一個(gè)電極，定義為一個(gè)公共極（COM），這樣128*64的點(diǎn)陣，只需要引出128個(gè)段引腳、64個(gè)公共極引腳、一共有192個(gè)引腳就可以了。點(diǎn)陣屏像素按128列X64行組織，每一行128個(gè)像素單元的陰極是連接在一起，作為公共極（COM），每一列64個(gè)像素單元的陽極也連接在一起，作為一段（SEG）。行列交叉點(diǎn)上的LED就是一個(gè)顯示單元，即一個(gè)像素。要點(diǎn)亮一個(gè)像素，只要在該像素所在列電極上加上正電壓、行電極接地。同樣，要驅(qū)動(dòng)一整行圖像，就需要同時(shí)把128列信號(hào)加載到列電極上，把該行行電極接地。該行顯示時(shí)，其他63行均不能顯示，其行電極應(yīng)為高電平或懸空。整屏的顯示，只能分時(shí)掃描進(jìn)行，一行一行的顯示，每次顯示一行。行驅(qū)依次產(chǎn)生低電平掃描各行，列驅(qū)動(dòng)讀取顯示數(shù)據(jù)依次加載到列電極上。掃描一行的時(shí)間稱為行周期，完成一次全屏掃描，就叫做一幀。一般幀頻為大于60，因此人眼觀察不到逐行顯示。每行掃描顯示用時(shí)叫占空比，占空比小，為達(dá)到相同的顯示亮度，驅(qū)動(dòng)電流就大。SSD1306段驅(qū)動(dòng)最大電流為100uA，當(dāng)整行128個(gè)像素全部點(diǎn)亮?xí)r，行電極就要流過12.8mA的電流。如圖2-6-3所示。圖2-6-3顯示屏像素示意圖2.7報(bào)警電路系統(tǒng)采用蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器就是我們?nèi)粘ＫQ的喇叭，是一種使用廣泛的電子元器件，本設(shè)計(jì)主要用于報(bào)警提示。當(dāng)使用量超過一定值時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警提醒用戶注意能耗并記錄當(dāng)天用量。蜂鳴器的工作電流相對(duì)來說比較大，并且電路中的TTL實(shí)際中不能驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，這是就需要我們?cè)黾与娏鞣糯箅娐?，而一個(gè)管腳又不能支持蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，因此，還要添加一個(gè)三極管用來使蜂鳴器通過更大的電流。蜂鳴器正極接大小5V的電源，負(fù)極則要接到三極管的集電極上。三極管的基極需要通過與們聯(lián)通單片機(jī)的引腳。當(dāng)引腳為高電平時(shí)，此時(shí)的與非門輸出低電平，三極管停止導(dǎo)通。蜂鳴器失電，不報(bào)警：當(dāng)引腳電平為低時(shí)，則與非門輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器中的電流形成回路發(fā)出警報(bào)報(bào)警。其原理圖如2-7所示。圖2-7報(bào)警原理圖2.8掉電存儲(chǔ)芯片系統(tǒng)采用AT24C16掉電存儲(chǔ)芯片，目的當(dāng)電源斷開時(shí)保證測量信息不清零，確保使用量的檢測。AT24C16芯片是低壓和標(biāo)準(zhǔn)電壓工作(Vcc=1.8V—5.5V)，2048x8（16k）存儲(chǔ)空間，2線串行總線，斯密特觸發(fā)，噪聲抑制濾波輸入。特點(diǎn)是Bi方向傳輸協(xié)議，100kHz（1.8V,2.5V,2.7V）和400kHz（5V）兼容傳輸速率。硬件數(shù)據(jù)寫保護(hù)引腳，8位頁寫模式，允許局部頁寫操作，器件內(nèi)部寫周期最大10ms，高可靠性，100萬次的寫周期，100年的保存時(shí)間。AT24C16C提供16384位串行電擦除和可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）組織為2048字8位每一個(gè)。該裝置經(jīng)過優(yōu)化，可用于許多工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域低功率和低電壓操作是必不可少的應(yīng)用。其原理圖如圖2-8所示。圖2-8AT24C16原理圖2.9整體硬件原理圖圖2-9整體硬件原理圖本章小結(jié)本章首先介紹了硬件設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)框圖及其功能，其次分析了其中單片機(jī)、電源、最小系統(tǒng)、OLED顯示器等具體設(shè)計(jì)，最后附上整體電路的原理圖。硬件電路的設(shè)計(jì)是電路系統(tǒng)的重要組成部分，硬件電路設(shè)計(jì)是否合理直接影響電路系統(tǒng)的性能成為導(dǎo)致設(shè)計(jì)成功與失敗的關(guān)鍵。軟件設(shè)計(jì)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)應(yīng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件的功能及設(shè)計(jì)方案確定后，軟件就必須得按照硬件的基本工作原理來設(shè)計(jì)和編寫。軟件流程圖為有序規(guī)劃軟件的運(yùn)行，為提高運(yùn)行效率，因此程序運(yùn)行都還遵循一定的流程，軟件流程圖如圖3-1所示。圖3-1軟件流程圖軟件程序部分依照軟件的性質(zhì)不同，一般分為主程序和子程序，主程序控制的是整個(gè)系統(tǒng)的流程，相當(dāng)于領(lǐng)導(dǎo)，用于調(diào)動(dòng)和何時(shí)調(diào)動(dòng)各個(gè)子程序的運(yùn)行。子程序?qū)儆趩T工，實(shí)質(zhì)性的完成各種工作，如A/D轉(zhuǎn)換、OLED顯示、引腳參數(shù)設(shè)定、延時(shí)、掉電存儲(chǔ)等等程序用keil軟件與自摸軟件編寫。3.2.1引腳和參數(shù)定義sbitADC1=P1^1; 數(shù)據(jù)采集管腳定義sbitADC2=P1^2;sbitADC3=P1^3;sbitJ=P1^7;蜂鳴報(bào)警管腳定義sbitk1=P3^5; 用量加鍵sbitk2=P3^6; 用量減鍵sbitk3=P3^7; 確定鍵sbitk4=P2^0; 清零鍵sbitscll=P2^2;AT24C16芯片存儲(chǔ)管腳定義sbitsdal=P2^3;sbitSCL=P2^4;sbitSDA=P2^5; OLED顯示管腳定義3.2.2ADC子程序流程void ADC_Inilize(ADC_InitTypeDef*ADCx){ P1ASF=ADCx->ADC_Px; ADC_CONTR=(ADC_CONTR&~ADC_90T)|ADCx->ADC_Speed; if(ADCx->ADC_Power==ENABLE) ADC_CONTR|=0x80; else ADC_CONTR&=0x7F; if(ADCx->ADC_AdjResult==ADC_RES_H2L8) PCON2|=(1<<5); else PCON2&=~(1<<5); if(ADCx->ADC_Interrupt==ENABLE) EADC=1; else EADC=0; if(ADCx->ADC_Polity==PolityHigh) PADC=1; else PADC=0;}3.2.3ADC中斷程序voidADC_int(void)interruptADC_VECTOR{ ADC_CONTR&=~ADC_FLAG;}void ADC_config(void){ ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure; ADC_InitStructure.ADC_Px=ADC_P10|ADC_P11|ADC_P12|ADC_P13; ADC_InitStructure.ADC_Speed=ADC_360T; ADC_InitStructure.ADC_Power=ENABLE; ADC_InitStructure.ADC_AdjResult=ADC_RES_H8L2; ADC_InitStructure.ADC_Polity=PolityLow; ADC_InitStructure.ADC_Interrupt=DISABLE; ADC_Inilize(&ADC_InitStructure); }3.2.4OLED初始化程序voidOLED_Init(void){ delay(500); Delay15us(); Delay15us(); OLED_WrCmd(0xae); OLED_WrCmd(0x00); Delay15us(); OLED_WrCmd(0x10); Delay15us();OLED_WrCmd(0x40); Delay15us();OLED_WrCmd(0x81); Delay15us();OLED_WrCmd(Brightness); Delay15us();OLED_WrCmd(0xa1); Delay15us();OLED_WrCmd(0xc8); Delay15us();OLED_WrCmd(0xa6); Delay15us();OLED_WrCmd(0xa8); Delay15us();OLED_WrCmd(0x3f); Delay15us();OLED_WrCmd(0xd3); OLED_WrCmd(0x00); Delay15us();OLED_WrCmd(0xd5); OLED_WrCmd(0x80);Delay15us();OLED_WrCmd(0xd9);Delay15us(); Delay15us();OLED_WrCmd(0xf1); Delay15us();OLED_WrCmd(0xda); Delay15us();OLED_WrCmd(0xaf); Delay15us(); OLED_Fill(0x00);Delay15us();OLED_Set_Pos(0,0);}3.2.5OLED驅(qū)動(dòng)延時(shí)程序voiddelay(unsignedintz){ unsignedintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=110;y>0;y--);}voidDelay15us() { unsignedchari; _nop_(); i=53; while(--i);} 3.2.6OLED復(fù)位程序voidOLED_CLS(void){ unsignedchary,x; for(y=0;y<8;y++) { OLED_WrCmd(0xb0+y); Delay15us(); OLED_WrCmd(0x01); Delay15us(); OLED_WrCmd(0x10); Delay15us(); for(x=0;x<X_WIDTH;x++) { OLED_WrDat(0); Delay15us();} }本章小結(jié)本章首先介紹了軟件設(shè)計(jì)中的軟件流程圖及其功能，其次分析了其中引腳參數(shù)定義、ADC初始化程序及其電源控制程序、OLED初始化及驅(qū)動(dòng)延時(shí)程序等具體設(shè)計(jì)。軟件電路的設(shè)計(jì)跟硬件電路一樣是電路系統(tǒng)的重要組成部分，硬件設(shè)計(jì)搭配相對(duì)軟件設(shè)計(jì)才能使設(shè)備成功運(yùn)行。結(jié)論通過這次設(shè)計(jì)回顧了大學(xué)里的曾經(jīng)學(xué)過的好幾門課程，現(xiàn)在覺得每一門課都很重要，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)之中常常顯現(xiàn)這樣或者那樣的難題，也只有這時(shí)打開那些教材才能一個(gè)一個(gè)找尋出問題的解法。隨著現(xiàn)如今人們節(jié)能節(jié)約降低能源消耗的觀念流行，我們有理由且必要的做一些措施來注意我們身邊的能源管理及消耗情況況，因此，本設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用所學(xué)各科目知識(shí)，設(shè)計(jì)并制作一款穩(wěn)定，性價(jià)比高，實(shí)用、省電的能源檢測儀器。在本設(shè)計(jì)中，主要的難點(diǎn)在于能源表接口的設(shè)計(jì)、OLED顯示的字模運(yùn)用和A/D轉(zhuǎn)換，需要閱讀相應(yīng)的資料才能做出設(shè)計(jì)。通過本次設(shè)計(jì)我個(gè)人的能力水平也相應(yīng)得到了較大的提升，讓我進(jìn)一步熟悉了一些元器件的功能和屬性。也使我真正接觸到了管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，雖然是一個(gè)人們?nèi)粘Ｉ钸\(yùn)用到的能源管理系統(tǒng)，但也讓我明白了很多設(shè)計(jì)上應(yīng)該注意到的問題。比如實(shí)用性。經(jīng)濟(jì)性以及安裝條件等。學(xué)到了不少課本上沒有的知識(shí)，同時(shí)也鍛煉了自己的動(dòng)手能力，將之前學(xué)過的散亂的經(jīng)驗(yàn)串到一塊，達(dá)到了理論與實(shí)踐的融合。本次設(shè)計(jì)主要關(guān)乎硬件和軟件兩層面的內(nèi)容，經(jīng)過堅(jiān)持不懈攻堅(jiān)克難，我對(duì)51系單片機(jī)的了解有了更深度的認(rèn)識(shí)，熟知了單片機(jī)常見的外圍電路引腳和連接方式，如OLED顯示器、按鈕等?？傊敬卧O(shè)計(jì)讓我懂得了研究難題解決難題的能力，加深了我對(duì)所學(xué)得的理論知識(shí)的解讀和善用。同時(shí)，能源管控技術(shù)還在迅速的發(fā)展，將來則會(huì)有更科學(xué)更準(zhǔn)確的管控系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來。將來的能源管控設(shè)備會(huì)朝著精度高、易操控、輕巧、價(jià)格低、基本功能更加完善、使用率更高的方向拓展。

總之，在設(shè)計(jì)中碰到了許多的難題，有的在書本上可以找尋到解決方案，有的通過查閱網(wǎng)站的文獻(xiàn)資料也可以克服，有的則是通過向?qū)熁蛘咄瑢W(xué)求教來解決自己的種種疑問，但是這樣的一個(gè)過程才讓我學(xué)到了更多的經(jīng)驗(yàn)，也累積了更多的專業(yè)知識(shí)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我總結(jié)了很多在學(xué)校里習(xí)得的知識(shí)，看見了知識(shí)的貫通性以及自身的缺欠，也讓我學(xué)到了很多以前沒有注意的知識(shí)，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的方法，希望以后在工作崗位中能夠?qū)W以致用。致謝光陰似箭，歲月如梭。大學(xué)四年時(shí)光匆匆，似乎還沒有好好感受老師的教誨、同學(xué)的情誼以及校園的美景，卻到了彼此分別的時(shí)候。在此，我感謝歲月給予的所有經(jīng)歷，感謝所有的陪伴和鼓勵(lì)，同時(shí)特別感謝我的導(dǎo)師：王衛(wèi)兵老師。王老師對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)的悉心指導(dǎo)，從設(shè)計(jì)選題、開題、設(shè)計(jì)框架提綱直至論文內(nèi)容修改、格式完善，都傾注老師辛勤的汗水，其認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，縝密的鉆研精神，一絲不茍的工作作風(fēng)，很深地感動(dòng)和鼓勵(lì)著我。從課題的選取到設(shè)計(jì)的最后收尾，王老師都一直給我耐心的幫助和不懈的鼓勵(lì)。在課題的整個(gè)研究其