緒論1.1研究背景在全球經濟持續(xù)發(fā)展的背景下，電力能源與原油、水資源等已成為各國重要的戰(zhàn)略資源。隨著生活水平的提升和工業(yè)化進程的加快，無論是居民生活用電還是工商業(yè)用電需求都在快速增長，社會對電力資源的依賴程度日益加深。然而，我國現行的用電管理模式仍顯滯后，普遍采用"用電-抄表-付費"的傳統(tǒng)方式。具體而言，居民及多數工商業(yè)用戶實行"分表制"，即在每個用電單元安裝總表作為收費依據，再由電力公司派遣抄表員逐戶抄錄分表數據，按用電比例分攤電費。這種管理模式存在諸多弊端：首先，龐大的抄表隊伍導致管理成本居高不下，據電力部門統(tǒng)計，全國專職抄表人員已達數萬人；其次，人工抄表效率低下，且容易產生數據誤差；再者，這種人為操作模式易引發(fā)權力尋租等腐敗問題。此外，傳統(tǒng)的機械式電表在計量精度、數據采集等方面也難以滿足現代用電管理的需求。面對這些問題，推進用電管理模式的智能化改革勢在必行。電能表是智能電網管理系統(tǒng)中較為重要的一環(huán)，長期以來，我國電力系統(tǒng)受電能表技術限制，主要采用機械式電能表，導致數據采集長期依賴人工抄表這一傳統(tǒng)方式。盡管隨著技術進步，電力部門已逐步建成用電管理計算機系統(tǒng)，但終端數據采集環(huán)節(jié)仍停滯于人工操作模式。這種傳統(tǒng)抄表方式存在諸多弊端：不僅工作強度大、效率低下，還容易出現漏抄、估抄、數據誤錄等操作失誤，更難以有效應對竊電行為。在當今信息化、網絡化快速發(fā)展的背景下，電力系統(tǒng)現代化進程持續(xù)推進，發(fā)電、輸電、變電等環(huán)節(jié)已基本實現網絡化管理，而人工抄表與遠程自動抄表等技術形成顯著反差，成為制約供電系統(tǒng)現代化管理的突出瓶頸。尤其值得注意的是，由于計量終端未能與電力管理系統(tǒng)實現聯網，導致用電管理鏈條存在關鍵斷點，這不僅影響系統(tǒng)整體性，更限制了管理系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮。這種終端數據采集的滯后狀態(tài)，已成為阻礙電智能電網管理系統(tǒng)升級和潛能釋放的重要因素。隨著經濟社會的發(fā)展，傳統(tǒng)電網向智能電網轉型已成為必然趨勢，這對電力設備的接口兼容性、通信性能及數據處理能力提出了更高要求。作為電力計量的核心設備，傳統(tǒng)感應式電能表已難以滿足現代電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。在電子技術快速發(fā)展的推動下，電子式電能表憑借其精度高、功能強等優(yōu)勢逐步取代了機械式電能表。為適應智能電網建設需要，國家電網公司制定了統(tǒng)一的智能電能表技術標準，要求國內電能表制造企業(yè)按照該標準研發(fā)新型單相智能電能表。這類電能表不僅具備精確計量功能，還能實現遠程通信、數據存儲、負荷分析等智能化功能，從而更好地滿足用戶多樣化需求，為智能電網建設提供關鍵設備支撐。1.2研究目的和意義智能電表是支撐電網公司高效運行的重要基礎設備。其技術的持續(xù)優(yōu)化不僅提升了用戶數據的安全性，還增強了用電便利性，同時推動了電網管理水平的提升。隨著國家電網建設投入的加大，對電網運行的精細化要求不斷提高，加之用戶對用電透明化和實時查詢需求的增長，智能電表的發(fā)展面臨著更高的標準。這些趨勢共同推動智能電表向更高精度、更強功能和更穩(wěn)定運行的方向發(fā)展，以滿足現代化電力系統(tǒng)的管理需求和用戶的服務期望。因此本次設計了一款智能電網管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)和電子方面、傳感器技術等只是相結合，豐富國內外學者對電網管理系統(tǒng)的研究，針對于市面上常見的電表中有的問題進行設計研究，設計出的系統(tǒng)可以實現相關參數的顯示和自動計算，運用在當下的生活中有很強的現實意義。1.3國內外研究現狀美國是全球最早開展智能電網研究的國家，近年來持續(xù)推進以智能控制、管理和分析為核心的智能電網建設，并在智能電能表研發(fā)與應用方面取得顯著進展。作為技術示范的典型案例，美國加利福尼亞州率先完成了首批200萬只智能電能表的安裝工作。2008年8月，該地區(qū)實施了包含13萬只智能電能表和7萬臺智能調溫器的示范項目，隨后在2009年初又進一步擴展部署了27萬臺同類設備，充分體現了其在智能計量領域的規(guī)模化應用能力。與此同時，歐洲智能電網建設則呈現出不同的技術路線，其發(fā)展重點集中在可再生能源與清潔能源的大規(guī)模并網，以及供電質量與可靠性的持續(xù)提升。在智能計量設備研發(fā)方面，歐洲企業(yè)同樣取得重要突破，例如恩智浦半導體（NXP）基于ARMCortex架構開發(fā)的LPC1700系列微控制器解決方案，已在三相多功能電能表、單相復費率表及多功能終端等智能計量設備中得到成功應用，為歐洲智能電網建設提供了關鍵的技術支撐。這些實踐表明，雖然歐美在智能電網發(fā)展路徑上各有側重，但均將智能電能表作為電網智能化升級的基礎環(huán)節(jié)加以重點推進。我國智能電表的研究始于國家推進智能電網建設的政策引導，雖然起步較晚且核心技術仍需借鑒國外經驗，但經過持續(xù)發(fā)展已取得顯著成果。與國外側重于整體智能電網架構不同，國內研究主要聚焦于智能電表的硬件電路設計和基礎系統(tǒng)功能開發(fā)。目前國內應用的智能電表功能相對單一，主要集中在自動抄表和預付費等基礎功能層面，尚未實現與智能電網深度整合的控制功能和雙向智能交互能力。值得關注的是，在電價改革方面，智能電表技術正發(fā)揮重要作用，其支持的階梯電價機制已在部分試點城市實施，這一變革有效推動了用電管理的智能化進程。相比之下，傳統(tǒng)機械式電能表由于無法實現費率控制等智能化功能，已難以滿足現代電力管理的基本需求。這種發(fā)展現狀表明，我國智能電表技術正處于從基礎計量向高級功能拓展的轉型階段，未來需要進一步加強與智能電網系統(tǒng)的協同發(fā)展，提升設備的交互能力和智能化水平。1.4課題研究內容本次課題的主要研究內容為：設計一款基于單片機的智能電網管理系統(tǒng)，通過整合嵌入式系統(tǒng)、傳感器等技術。實時對家中用電器的電流、電壓等參數進行實時的采集，并且計算出當前用電器消耗的功率、電費金額等數值。同時系統(tǒng)可以實現大功率報警保護?？梢酝ㄟ^WIFI模塊連接APP來實現設備的遠程控制和監(jiān)控。具體應當完成以下設計要求。（1）傳感器可以實時采集用電器工作時的相關參數，當檢測到的參數超出了設定的閾值信息就會進行報警動作。同時單片機會控制外部執(zhí)行模塊切斷電源實現保護。（2）在系統(tǒng)工作時，設備液晶上會實時顯示當前功率、閾值功率、用電數、用電金額等參數。（3）系統(tǒng)可以實現手動和自動模式的控制。除此之外，系統(tǒng)可以通過WIFI模塊連接APP實現參數的遠程監(jiān)控，設備的遠程控制。1.5全文結構設計本次設計的系統(tǒng)應當完成功能、硬件、軟件等方面的設計，全文的結構安排如下：第一章緒論：對當下我國實現智能家居的背景和現狀意義進行了分析說明，確定了本次設計的研究方向和文章的結構安排。第二章系統(tǒng)設計方案以及核心器件選型：基于需求分析完成功能規(guī)劃，構建包含核心組件交互關系的總體結構圖，重點針對硬件部分的器件選型論證，確立最優(yōu)實施方案。第三章系統(tǒng)硬件設計：詳細闡述主控單元及外圍電路的設計內容，包含傳感器接口電路、執(zhí)行機構驅動方案以及各單元間電氣線路連接，重點分析各個硬件的工作原理。第四章系統(tǒng)軟件設計：構建層次化軟件框架，完成各功能單元的代碼實現與邏輯驗證，繪制出流程圖來描述各個程序的控制流程。第五章系統(tǒng)實物測試：展示實物板的物理布局與裝配工藝，通過一系列的功能驗證實驗，確定本次設計的成果和結論。第六章結語：梳理設計過程中完成的作業(yè)內容和研究成果，對后續(xù)系統(tǒng)的功能和內容進行相應的展望。

2系統(tǒng)總體設計2.1系統(tǒng)總體結構設計根據上述的要求，繪制出本次系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1.1所示，整個系統(tǒng)由多個模塊共同構成，完成了本次智能電網管理系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)通過按鍵模塊可以實現功率閾值、金額的設定和檢測設備的通斷。通過交流電流、電壓互感器實現設備電流、電壓的檢測，并且根據這些數據實現各個電網數據的計算和采集。液晶模塊會實時顯示當前的各個信息，蜂鳴器模塊在檢測到用電器功率高于設定閾值后會進行報警提示。外部執(zhí)行模塊主要由繼電器構成，它來實現檢測模塊的通斷。圖2-1總體設計框圖2.2系統(tǒng)器件選型2.2.1單片機選型方案一：采用數字信號處理器：別名DSP，這一款生活常見的數字信號處理器，在外部相關信號的采集上，它可以將采集到的信號直接內部轉換成數字量信號后顯示，不需要放置A/D轉換模塊。由于它得到的都是數字信號，所以在信息的傳輸中它基本不會收到外界環(huán)境、磁場的干擾，這也使得它的抗干擾性較強。這款主控設備內部的集成性較高，數據處理能力也更快，在進行相關數據的調試時也會更加方便。不過正因如此，它的價格昂貴，通常被運用在一些大型的設備控制中，本次關于智能電網管理系統(tǒng)的設計，需要采集的數據不多，使用它的性價比不高。其實物圖如圖2-2所示。圖2-2DSP實物圖方案二：采用AVR單片機：AVR系列的單片機是近年來新出現的一款單片機，它由ATM公司發(fā)行，它的優(yōu)點很多，像是高性能、低耗能、數據傳輸較快等都是它的優(yōu)點。AVR單片機最大的一個特點就是它內部取消了機械周期，在進行作業(yè)時都是以時鐘周期來完成的。不過這類單片機最大的難點是編程語言上的問題，和常見的匯編語言不同，AVR單片機內部是使用C語言來進行編程的，因此這款單片機對初學者來說難度較大。設計起來偏復雜。其實物圖如圖2-3所示。圖2-3AVR實物圖方案三：采用51系列單片機；51系列單片機是最常見的一款單片機，它的價格低廉，功能豐富?？偩€控制方式使得它的抗干擾性很好，它的內部指令豐富，很多功能都可以通過代碼實現調用，而且51系列的單片機在技術上較為成熟，在網上可以搜索到很多的相關資料，很多系統(tǒng)可以加以借鑒，設計難度不高。其實物圖如圖2-4所示。圖2-451單片機實物圖綜上所述：本次關于智能電網管理系統(tǒng)的主控部分，選用方案三是十分合適的。2.2.2顯示模塊選型方案一：采用點陣數碼管：點陣數碼管在生活中的運用較為常見，像是球類比分，商場外立面的大字廣告都是通過它來實現的，它通常用于顯示一些大型的數據信息，體積較大，并且只能顯示數據信息，放置在本次設計中是不太合適的。其實物圖如圖2-5所示。圖2-5數碼管實物圖方案二：采用OLED顯示模塊：OLED液晶是通過電致發(fā)光原理，通過有機材料層在電場作用下的自發(fā)光特性實現信息顯示。因此它的厚度較低，且憑借自發(fā)光特性無需配置背光模組。但受限于有機材料的化學穩(wěn)定性，不過商用OLED普遍存在像素衰減問題，并且不能在惡劣的環(huán)境下工作。其實物圖如圖2-6所示。圖2-6OLED實物圖方案三：采用LCD顯示模塊：LCD液晶是工業(yè)中常見的一種顯示模塊，它的穩(wěn)定性和實用性較高，目前生活中常見的小型控制系統(tǒng)都是通過它來顯示的。LCD無故障工作時間可達50000小時以上；支持標準字符型或點陣式顯示界面，信號傳輸可靠性達到工業(yè)級標準，其實物圖如圖2-7所示。不過LCD液晶體積較大，用于在并且本次設計人機交互模塊需要顯示多個字符數據，LCD并不滿足本次設計標準。圖2-7LCD實物圖綜上所述，考慮到本次設計系統(tǒng)的相關特性，顯示模塊選用方案二是較為合適的。2.2.3無線傳輸模塊選型方案一：采用WifI8266無線傳輸模塊，WifI8266在性能參數方面表現突出，不僅傳輸速率快、支持多通道傳輸，而且功耗極低，工作電壓要求不高，抗干擾能力強。這使得它能夠適應復雜的電磁環(huán)境。從應用范圍來看，該技術已成熟應用于無線數據傳輸系統(tǒng)、遙控設備等多個領域，技術可靠性得到充分驗證。這些特性使其非常符合本次設計的系統(tǒng)對實時性、穩(wěn)定性和低功耗的要求。其實物圖額如圖2-8所示。圖2-8Wifi8266實物圖方案二：基于紅外線傳輸技術，雖然在某些領域有其獨特優(yōu)勢：技術成熟度高，在家電遙控領域應用廣泛；利用光信號傳輸，具有天然的信號隔離性，不同設備間不易產生串擾；在安防監(jiān)控領域也有重要應用。但存在明顯局限性：紅外波長特性決定了其僅適合短距離傳輸；采用模擬信號傳輸方式，與數字系統(tǒng)兼容性較差；更關鍵的是，其技術特性更側重于定向傳輸和設備配對功能。和本次設計的內容不太符合。其實物圖如圖2-9所示。圖2-8紅外傳輸模塊實物圖綜上所述，考慮到本次設計系統(tǒng)的相關特性，無線傳輸模塊選用方案一是較為合適的。3系統(tǒng)硬件設計3.1單片機最小模塊設計本次設計使用的單片機為51系列單片機的STC89C52單片機，這是51系列單片機常見的一種型號，它的功能豐富，兼容性和靈敏性都很好。在其內部擁有兩種周期模式，開發(fā)人員可以根據需求靈活的對其進行使用和切換。在端口上，它的內部擁有32個雙向I/O端口，2個串行中斷、2個外部中斷、2個讀寫中斷、3個定時器中斷，單片機的最小模塊圖如圖3-1所示。單片機的最小系統(tǒng)使用電源、時鐘、復位電路三部分外圍電路一起構成的。圖3-1單片機最小模塊圖電源電路：電源電路對整個系統(tǒng)提供5V的電壓供電，在線路連接中所有的VCC都是連接在+5V的電極上，而GND接地，兩者共同實現了一個導通的回路。本次設計采用了USB線路外接電源實現供電。復位電路：復位電路：復位電路主要用于系統(tǒng)出現問題或者卡頓時實現復位動作，常見的復位方式有上電復位和按鍵復位，復位的原理也較為簡單，當系統(tǒng)上電工作時，此時復位端口的電壓為高電平。當按鍵復位按鍵后，由于線路導通，復位端口的電平會有高電平變?yōu)榈碗娖?，當單片機檢測到復位端口的電平為低電平時，系統(tǒng)就會自動進行復位動作。本次設計中，系統(tǒng)就是通過獨立按鍵S1來實現復位動作的。晶振電路：晶振電路的作用主要為單片機提供時鐘信號，它是由兩個30pF的電容C1、C2和一個12M的晶振Y1共同完成的。通常電容和晶振的比值決定了單片機對數據處理的速度。所以該部分一般放置在靠近單片機芯片的部位。3.2顯示模塊設計本次設計的顯示模塊采用了0.96寸的OLED液晶來實現相關參數的顯示。OLED液晶是通過有機發(fā)光二極管構成，它提供了豐富的色彩對比度，可以將顯示的內容變得更加生動和真實。對比于其它顯示模塊，OLED的數據傳輸較快，分辨率較高，內部含有多個儲存地址，可以直接顯示漢字字符。本次設計選用的OLED為七管的IIC接口OLED，它的各個引腳功能如表3-1所示，表3-1OLED引腳介紹編號符號引腳說明1CS片選管腳2DC數據命令控制管腳3RST復位引腳4SDA雙向數據線5SCL雙向時鐘線6VCC電源正極位7GND電源接地位在進行線路連接時，需要將各個設備的時鐘線連接到SCL上，將數據傳輸總線連接到單片機的對應端口上，剩余的引腳連接電源和接地外部電路圖如圖3-2所示。圖3-2顯示模塊外部電路圖3.3計量模塊設計如圖3-3所示。在本次設計中，是通過電流互感器和電壓互感器來實現用電器的交流電流和電壓檢測的。本次設計中使用的電流互感器型號為TA1005-1M，電壓互感器型號為TV1005-1M。在本次設計中，系統(tǒng)通過電流、電壓互感器的相關特性來實現電網中電流、電壓的實時檢測和計算。以電壓互感器為例，電壓互感器是一種基于變壓器原理工作的特殊測量裝置，主要用于電力系統(tǒng)中電壓信號的變換與隔離。其核心功能是將高壓線路的電壓按比例轉換為低壓信號，為測量儀表和繼電保護裝置提供標準化的輸入電源。通過電壓互感器，系統(tǒng)能夠準確監(jiān)測線路電壓、功率及電能參數，并在發(fā)生故障時及時觸發(fā)保護機制，有效保障電網中的發(fā)電機、變壓器等重要設備安全。因此通過這兩種互感器本身的機制，可以完成系統(tǒng)中對用電器相關參數的實時監(jiān)控。在本次設計中，由于51單片機內部沒有集成數模轉換芯片，因此在計量模塊的外部應當連接一個數模轉換芯片來實現參數模擬量到數字量的轉換。本次設計使用的數模轉換芯片為ADC0832，這是一款廣泛應用于電子設計的數模轉換芯片，其采用電源輸入端與基準電壓復用架構，通過這種設計使芯片能夠接受0-5V范圍的模擬電壓輸入，并實現快速高效的模數轉換。該芯片內部集成雙通道數據采集系統(tǒng)，可同步采集兩路模擬信號并轉換為數字量輸出。雙通道設計不僅提升了數據采集效率，更可通過實時比對兩路轉換結果實現數據互驗，有效降低系統(tǒng)誤差。其工作電壓兼容常規(guī)5V邏輯電平，轉換精度和速度滿足多數工業(yè)測量需求。計量模塊的外部電路圖如圖3-3所示。圖3-3計量模塊電路圖3.4按鍵模塊設計本次設計的按鍵模塊是用于實現閾值修改和繼電器控制而設計的，其外部電路圖如圖3-4所示。本次設計中放置了3個獨立按鍵，在設置模式下三個獨立按鍵的功能分別為“設置”、“加”、“減”；在正常情況下，第二個獨立按鍵可以實現繼電器的開合。。在進行前期的參數設定時可以通過這些獨立按鍵來完成?？紤]到實際情況，本次在按鍵模塊的程序編程中，編寫了一段延時程序來對該模塊進行消抖處理，避免出現由于誤觸導致的信號浮動問題。整個按鍵部分的工作原理也較為簡單，當系統(tǒng)上電時，對應獨立按鍵的I/O端口均為高電平，如果此時按鍵被按下，單片機會檢測到高低電平的變化，根據這個變化即可判斷按鍵是否被按下，進而修改相關的數據。按鍵觸發(fā)方式是低電平觸發(fā)，三個按鍵分別連接到單片機的P1.1～P1.3引腳上，當有按鍵按下時，該按鍵對應的管腳被拉低，此時單片機接收到這個低電平，即可運行處理這個信號。圖3-4按鍵模塊外部電路圖3.5無線通訊模塊電路設計WiFi模塊在本次設計中是用于實現設備和手機的無線通信而放置的，在設備使用中，通過WiFi模塊可以將設備和手機APP連接到一起，并且實現相關的設備控制。本次設計使用的WiFi模塊名稱為ESP8266，這是一款低功耗的WiFi模塊，它支持STA/AP/STA+AP三種工作模式，內置TCP/IP協議棧，支持多路TCPClient連接。該模塊內部引腳介紹如表3-2所示。引腳圖如圖3-5所示。表3-2ESP8266引腳介紹引腳符號相關功能URXDUART_RXD，接收UTXDUART_TXD，發(fā)送GPIO16外部Reset信號，低電平復位，高電平工作（默認高）GNDGNDVCC3.3V，模塊供電GPIO0工作模式選擇：懸空：FlashBoot，工作模式；下拉：UARTDownload，下載模式CH_PD高電平工作；低電平模塊供電關掉GPIO2（1）開機上電時必須為高電平，禁止硬件下拉；（2）內部默認已拉高圖3-5無線傳輸模塊內部原理圖在本次設計中，為了簡化電路在設計過程中采用串口輸出底板的方式連接到單片機中進行無線傳輸。其外部電路圖如圖3-6所示：將對應的端口連接到單片機中實現數據的傳輸即可。圖3-6無線傳輸模塊原理圖3.6蜂鳴器模塊電路設計如圖3-7所示，蜂鳴器模塊是在用電器功率過大，超過了設定的閾值參數等緊急情況時用于進行聲光報警而放置的，蜂鳴器模塊由一個1K的保護電阻R3、一個NPN三極管Q1以及喇叭B1共同構成的。在工作過程中，由于單片機給出的電流不足以驅動蜂鳴器工作，此時就需要通過三極管將這個電流信號賦能放大，從而驅動喇叭工作，保護電阻R5是為了防止反向電壓基礎設備而防止的。具體的流程為，當出現緊急情況時，單片機會給出一個高電平信號，這個信號放大后驅動喇叭進行報警動作。圖3-7蜂鳴器模塊電路圖3.7電源模塊設計如圖3-8所示，本次設計對電源的要求不是很高，使用一根USB線對系統(tǒng)進行5V的電壓供電即可，所以本次設計放置了一個三引腳的電源輸出插口在萬用板上，將2號引腳接地后，一號引腳直接連接到開關的3號引腳，當按下輸入端的按鈕后，就可以實現外部的供電。圖3-8電源模塊外部電路3.8總體電路設計如圖3-9所示，介紹了完了系統(tǒng)各個硬件模塊的相應功能后，對系統(tǒng)硬件部分的總體電路圖進行詳細的介紹。下圖中，系統(tǒng)以單片機為控制核心實現智能電網管理系統(tǒng)的相關功能控制。單片機的P1.0端口連接蜂鳴器報警模塊；P1.1~P1.3端口連接按鍵模塊實現數據的輸入；P1.5、P1.6連接數模轉換芯片，數模轉換芯片在連接到交流電流、電壓檢測模塊實現相關數據的傳輸和采集；P3.0、P3.1連接到WIFI模塊的底板線路中；P2.0~P2.4連接到OLED模塊實現相關數據字符的顯示。圖3-9硬件模塊外部電路圖4系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境簡介在完成硬件系統(tǒng)設計后，需編寫相應的單片機程序以實現上電后的設備驅動功能。本設計采用Keil5作為開發(fā)環(huán)境，該軟件是廣泛應用于單片機開發(fā)的集成開發(fā)工具。其內部可以實現51系列單片機、STM32系列單片機的代碼編輯、編譯等開發(fā)動作。在開發(fā)時只需要在軟件中建立工程并配置目標芯片參數，隨后編寫外設驅動及主控程序。編寫完畢后，將代碼燒錄進對應的串口內即可。4.2主程序設計如圖4-1所示，在系統(tǒng)上電工作后，單片機會根據端口配置相關引腳。配置完畢后系統(tǒng)會進行初始化動作，而后進行按鍵掃描。當檢測到按鍵端口電平發(fā)生變化后，單片機會根據按鍵內容進行數據處理。而后放置在電路中的交流電流電壓檢測模塊會實時的對外部用電器進行相關數值采集，采集后的相關數據會在OLED上進行實時顯示。圖4-2主程序流程圖其主要代碼如下：部分主程序代碼 voidUartSendString(unsignedchar*s){while(*s!='\0')//\0表示字符串結束標志，//通過檢測是否字符串末尾{uartSendByte(*s);//發(fā)送一個字節(jié)s++;//指向下一個數據}}voidUART_SER(void)interrupt4//串行中斷服務程序{unsignedcharr_buf;staticcharrec01=0;if(RI)//判斷是接收中斷產生{RI=0;//標志位清零r_buf=SBUF;if(startCheckWireLess==1&&wirelessFlag==0)//啟動檢測無線{if(r_buf=='O')rec01=1;elseif(rec01==1&&r_buf=='K'){wirelessFlag=1;//1表示wifi}}uartbusy=20;if(r_buf=='*') //接收到起始標志{firstin=1;//接收標志成功Count=0;tab[Count++]=r_buf;}4.3顯示子程序設計如圖4-2所示，系統(tǒng)通電后，液晶屏首先執(zhí)行初始化流程，清除原有顯示內容。完成清屏操作后，程序會延遲特定時長以檢測OLED模塊的工作狀態(tài)。確認設備就緒后，系統(tǒng)按照預設的坐標參數逐條寫入控制指令，最終在指定位置顯示出相應的文本信息，完成相應字符數據的顯示。圖4-2顯示子程序流程圖其主要代碼如下：部分顯示程序代碼//在指定位置顯示一個字符,包括部分字符//x:0~127//y:0~6//sizey:選擇字體6x88x16voidOLED_ShowChar(u8x,u8y,u8chr,u8sizey){u8c=0,sizex=sizey/2;u16i=0,size1;//**Allnotescanbedeletedandmodified**//c=chr-'';//得到偏移后的值OLED_Set_Pos(x,y);for(i=0;i<size1;i++){if(i%sizex==0&&sizey!=8)OLED_Set_Pos(x,y++);#ifdefACS_0806if(sizey==8)OLED_WR_Byte(asc2_0806[c][i],OLED_DATA);//6X8字號#endif#ifdefACS_1206if(sizey==12)OLED_WR_Byte(asc2_1206[c][i],OLED_DATA);//6X8字號#endif#ifdefACS_1608if(sizey==16)OLED_WR_Byte(asc2_1608[c][i],OLED_DATA);//8x16字號#endifif(sizey!=8&&sizey!=12&&sizey!=16)return;}}4.4無線傳輸模塊子程序設計如圖4-3所示，本次設計的WIFI模塊工作流程圖如下：系統(tǒng)上電后，單片機首先完成相關引腳的初始化配置，隨后對串口進行初始化，通過代碼內部將波特率為115200。接著啟動無線通信模塊，在完成熱點信息配置后，系統(tǒng)與用戶手機端建立穩(wěn)定連接。此后，單片機通過指定端口將采集的數據實時傳輸至手機，實現遠程監(jiān)測功能。圖4-3Wifi模塊子程序流程圖其主要代碼如下：部分顯示程序代碼voidMy_ESP8266_SendStrStr(char*str)//發(fā)送數據只有WIFI時使用{//其他設計用不到只是為了保留//u8i;unsignedcharmidLen=0;//數據長度變量xdataunsignedcharmidTab[20];//中間變量數組while(str[midLen]!='\0')midLen++;//計算數據長度//for(i=0;i<2;i++){sprintf(midTab,"AT+CIPSEND=0,%d\r\n",(unsignedint)midLen); //打印UartSendString(midTab);//發(fā)送at命令DelayMs(10);//延時一下發(fā)送等待相應UartSendString(str);//發(fā)送數據//UartSendString("\r\n");//發(fā)送數據DelayMs(6);//延時一下發(fā)送等待相應}}4.5按鍵子程序設計如圖4-4所示，本次設計的按鍵子程序主要是用于控制相關器件以及修改相關閾值信息而放置的。在系統(tǒng)上電工作后，單片機會一直對按鍵模塊的相關端口進行掃描動作，當檢測到端口電平發(fā)生變化時，即可判斷對應的按鍵被按下，進而進入按鍵設置函數。在手動模式下按鍵可以實現相關設備的開閉；在自動模式下按鍵可以實現閾值的修改，按鍵設置完畢后修改后的內容可以在OLED液晶上進行顯示。圖4-4按鍵子程序流程圖其主要代碼如下：部分按鍵子程序代碼voidCheckKey(void)//按鍵處理{staticunsignedcharrekey=0;if((key1==0)||(key2==0)||(key3==0))//檢測到按鍵按下{if(rekey==0){DelayMs(10);//消除抖動if(key1==0)//檢測是否按下{rekey=1;setFlag++;//設置計數if(setFlag>=3)setFlag=0;//重新切換設置}elseif(key2==0)//設置值鍵{rekey=1;if(setFlag==0)//非設置條件下{if(relayFlag==0){relay=1;relayFlag=1;buzzer=1;}//關閉繼電器else{relay=0;relayFlag=0;}//打開繼電器}elseif(setFlag==1)//設置對比{if(setPower<999)setPower++;//設置值++}elseif(setFlag==2)//設置對比{if(unitPrice<250)unitPrice++;//設置值++}saveDataFlag=1;}elseif(key3==0)//設置值鍵{rekey=1;if(setFlag==0)//非設置條件下{buzzer=!buzzer;}elseif(setFlag==1)//設置對比{if(setPower>0)setPower--;//設置值--}elseif(setFlag==2)//設置對比{if(unitPrice>0)unitPrice--;//設置值--}saveDataFlag=1;}}}else{rekey=0;//防止重復檢測到按鍵}}4.6交流電壓電流檢測子程序設計如圖4-5所示，由于51系列單片機內部沒有A/D轉換模塊，傳感器在工作過程中采集到的電壓電流數據會通過A/D芯片轉換后在，單片機會按位讀取相關信息，進而得出用電器的電流電壓數值。圖4-5交流電壓電流檢測子程序流程圖其主要代碼如下：部分按鍵子程序代碼while(1){CheckKey();//按鍵處理if(saveDataFlag==1)//接收到數據進行存儲操作{saveDataFlag=0;//清零write_eeprom();//存儲數據}if(disFlag==1)//更新顯示{disFlag=0;;ACcurrent=(float)ad0832read(1,0)*2.7*5.10*100/255;//讀取ad采集電流值擴大了100倍//5.1表示參考電壓if(ACcurrent<8)ACcurrent=0;//微小波動清零ACvolt=(float)ad0832read(1,1)*301*5.10/255;//讀取ad采集電壓值//5.1表示參考電壓if(ACvolt<8)ACvolt=0;//微小波動清零PowerWt=ACvolt*ACcurrent/100;//獲取功率/100因為電流擴大了100倍if(PowerWt>999)PowerWt=999; dealFlag++;//++處理 if(dealFlag>=5)//處理標志 { dealFlag=0; PowerQd=(float)PowerWt*1*1000000/1000/60.0/60.0+PowerQd; //累計電量1表示1s*1000000擴大1000000倍/1000因為功率是w轉化為Kw因此/60/60講秒轉化為小時且此處功率單位為W結果為度1度=1千瓦時 } allMoney=(float)PowerQd/1000000*100*unitPrice;//計算當前電費單位分錢擴大10000倍其中unitPrice已經擴大100倍if(remPowerWt!=PowerWt||remsetPower!=setPower||remACvolt!=ACvolt)//當前數據發(fā)生變化{remPowerWt=PowerWt;//記錄當前數據remsetPower=setPower;//記錄當前數據remACvolt=ACvolt;sprintf(dis1,"電壓:%03dV電流:%4.2fA",(int)ACvolt,(float)ACcurrent/100);//顯示數據MyLCD_Show(0,0,dis1);//顯示sprintf(dis2,"功率:%03dW閾值:%03d",PowerWt,(int)setPower);//顯示數據MyLCD_Show(0,2,dis2);//顯示}if(remPowerQd!=PowerQd||remunitPrice!=unitPrice)//當前數據發(fā)生變化{remPowerQd=PowerQd;//記錄當前數據remunitPrice=unitPrice;//記錄當前數據sprintf(dis3,"電費:%6.4f元單:%4.2f",(float)allMoney/10000,(float)unitPrice/100);//顯示數據allMoney擴大了10000倍unitPrice擴大了100倍MyLCD_Show(0,4,dis3);//顯示sprintf(dis4,"電量:%8.6fKW*H",(float)PowerQd/1000000);//顯示數據MyLCD_Show(0,6,dis4);//顯示} if(PowerWt>=200)//值對比 { buzzer=0; //打開蜂鳴器 relay=0;relayFlag=0;//繼電器狀態(tài) //斷開繼電器 } 5系統(tǒng)實物測試5.1實物焊接步驟本次設計的智能電網管理系統(tǒng)需要根據前幾章的設計焊接一個實物板來檢驗期望的功能。實物的焊接需要注意的地方較多，在焊接過程中需要人員熟練掌握電烙鐵和焊接器件的引腳功能。焊接時從核心控制模塊單片機開始依次向外發(fā)散焊接，直到所有的模塊器件都焊接完成。在焊接完畢后需要一一對應各個模塊的電路圖查看芯片引腳是否焊接錯誤，還需要對通過萬用表對其進行檢測，避免出現漏焊、虛焊的可能性。確定實物板焊接無誤后，將編寫的單片機代碼燒錄進芯片中即可開始進行功能測試。5.2系統(tǒng)實物介紹如圖5-1所示，本次設計的智能電網管理系統(tǒng)的實物如下：系統(tǒng)采用萬用板為基底，實現各個模塊之間的線路連接。萬用板的最上方為系統(tǒng)的顯示模塊OLED，OLED下方為核心控制芯片STC89C52單片機，單片機下方為蜂鳴器，在用電器功率高于設定閾值時，蜂鳴器會進行報警。蜂鳴器旁邊為AD0834數模轉換芯片，用于將采集到的模擬量數據轉換成數字量數據后在上傳到單片機中進行處理。數模轉換芯片旁邊為WiFi模塊，操作人員可以通過WiFiAPP實現數據的遠程監(jiān)控。下方為檢測電壓電流的檢測模塊，通過該模塊可以檢測用電器相關數據，并且完成相關內容的計算。最左邊為按鍵模塊，可以實現閾值的修改和調控。圖5-1實物圖5.3實物功能調試在完成萬用板的焊接后，對實物板進行上電完成各個內容的功能檢測。如圖5-2所示。上電后，系統(tǒng)各個模塊工作指示燈亮起，此時OLED上顯示當前的電壓數值、電源數值，由于當前外部沒有連接用電器，顯示的相關數值為0，下方會顯示當前用電器所消耗的功率和閾值，其中閾值信息可以通過按鍵實現修改。下方會顯示當前的電費和電費單價；最下方會顯示當前的用電量以及繼電器的開關狀態(tài)。圖5-2實物上電測試圖在正常狀態(tài)下，按下第一個獨立按鍵可以進入系統(tǒng)的閾值修改界面，如圖5-3所示，在設置狀態(tài)下可以對閾值功率和電費單價進行數值的修改。通過第二、第三個獨立按鍵可以實現閾值數據和電費單價的加減。圖5-3閾值修改測試圖當系統(tǒng)連接用電器時，需要通過按鍵將繼電器打開整個模塊才會導通工作，這也是一個保護裝置，如圖5-4所示。在正常情況下按下第二個獨立按鍵，可以手動啟停繼電器，實現電路的導通，此時繼電器模塊上的黃色指示燈亮起，OLED上也會顯示出當前繼電器的狀態(tài)；當在工作過程中，如果用電器的功率超過了設定的閾值數據，繼電器會自動切斷形成保護，蜂鳴器也會進行報警提示。圖5-4繼電器控制功能圖以上為本次設計系統(tǒng)的基本功能，在使用過程中?？梢詫z測模塊的兩個插頭插入220V電源中，連接用電器進行功能檢測。除此之外，系統(tǒng)還可以通過APP實現Wifi模塊的連接。如圖5-5所示。打開設備后可以在安卓手機上搜索到放置在萬用板上的WiFi模塊，連接“AUAISOUT000”后即可通過APP實現相應的控制。連接成功后可以在APP內對當前WiFi模塊進行相應的配置，配置完畢后即可實現數據的監(jiān)控和傳輸。圖5-5WiFi設備連接圖在連接成功后，可以在APP內實時查看當前的電壓、電流、功率、閾值、電費、單價、用電量、設備狀態(tài)的實時數據。每一秒內這項數據會實時的刷新。如圖5-6所示。圖5-6APP功能檢測圖在APP內可以實現閾值的修改，電費單價的設置以及繼電器的啟停狀態(tài)，輸入*SY123#可以修改數據為123（具體的數據可以修改后方的數值完成）；輸入*SU055#可以設置電費單價0.55元（具體的數據可以修改后方的數值完成）；輸入*SR000#可以控制繼電器，其中000關斷繼電器001閉合繼電器。測試截圖如圖5-7所示。圖5-7APP數值修改測試圖5.4系統(tǒng)測試結果在測試過程中，系統(tǒng)出現了以下問題：（1）系統(tǒng)啟動后，發(fā)現當前OLED液晶亮起，但并不顯示字符。在通過Keil5進行代碼查看后發(fā)現沒有代碼錯誤，于是檢查當前的線路連接是否有問題。在檢測過程中發(fā)現OLED液晶的接口處有松動，在重新焊接了以后液晶上可以正常的顯示字符。（2）系統(tǒng)在檢測到功率達到閾值后，繼電器并未工作。代碼經過檢測后發(fā)現無誤，所以懷疑是不是存在線路連接問題，仔細觀察后發(fā)現繼電器上的燈沒有亮起，確認是該原因。再通過萬用表對繼電器進行檢測后發(fā)現存在虛焊的現象，再次焊接上電后可以正常工作。在完成了上述內容的修改后，實物板的各項功能運行良好：OLED液晶顯示準確，傳感器數據采集精準。系統(tǒng)可以智能電網管理系統(tǒng)的任意功能。測試結果表明，該設計完全達到了預期目標，滿足當下的實際需求。

6結論與展望經過這一段時間的設計，本次通過單片機實現的智能電網管理系統(tǒng)的設計已經基本完成了。在本次設計的整個過程中，本人翻閱大量的相關文獻，最終確定了本次需要實現的功能和結構設計，在實物板的測試完畢后完成了本次設計。本次設計主要實現了以下內容：（1）設計出的系統(tǒng)可以精確的檢測出當前用電器功率、消耗的電能、金額等參數，并且可以在OLED液晶上實時的顯示出來。系統(tǒng)還帶有聲光報警模塊，在用電器消耗的功率超過設定的閾值功率時，系統(tǒng)會進行聲光報警動作，并且實現繼電器的關閉，保護電路。整個系統(tǒng)簡單使用、穩(wěn)定性強、拓展性也很高。（2）智能電網管理系統(tǒng)可以基于操作人員設定的電價