基于Proteus仿真的家庭能量管理系统的设计--毕业论文.docx

摘要
基于Proteus仿真的家庭能量管理系统的设计
摘要
电网的运行由发电、变电、输电、配电、用电等环节组成，其中用户侧是电力系统的重要组成部分。在电网发展和建设的很长一段时期，用户侧一直被认为是单纯的消耗单元，总是通过增加发电量来满足用户侧需求。由于电能不能大量储存，因此过多的增加发电量在输送、分配等环节都造成了电能极大的损失和浪费，并使用电峰谷差值增大。随着对电网的研究进一步加深，我们发现，通过削减或转移用户侧负荷来解决供需矛盾是我们所要关注的重点。通过合理的分配用户的用电情况，不仅可以使用电效率得到极大提高，从而减少电能的输出，还可以使负荷曲线更加平缓，电网运行更加稳定。由此可见，用户侧在节能和调峰都有着非常重要的作用。
伴随着社会的进步和科技的发展，智能电网已经成为未来电网发展的趋势。智能电网的发展更有利于用户侧与电力公司之间的信息交互，从而方便电力公司制定实施电价与用户合理分配用电情况。本文从家庭用户侧出发，通过建立一种家庭能量管理系统(Home Energy Management System，简称HEMS)，分析用电设备的最佳用电时间和用电时长，初步实现对用电设备的控制和监测，通过Proteus软件对系统电路进行设计和仿真，实现预期的目标，观察到整个系统的运行情况，并根据仿真电路拓展到硬件部分。在Proteus中对三类电器进行了仿真：
第一，受温度、湿度、光线等外部环境条件控制，如空调等；
第二，对运行条件无特定要求，可自由设定时间段、时长，如洗衣机等；
第三，在低电价（用低电平模拟）时开启，高电价（高电平模拟）时关闭，如蓄电池等。
关键词：节能；峰谷差；智能电网；家庭能量管理系统；Proteus仿真

I

目录
目录
摘要 I
第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 HEMS简介 1
1.3 HEMS在国内外的发展现状 3
1.4 研究的目的和意义 4
1.5 研究内容 4
第二章 工具简介 6
2.1 C语言 6
2.2 Proteus简介 6
2.3 Keil C51编译器简介 7
第三章 硬件设计及介绍 9
3.1 HEMS整体流程 9
3.2 单片机AT89C52 10
3.3 液晶屏1602A 11
3.4 矩阵键盘 13
3.5 温度传感器DS18B20 14
3.6 MAX232与串口 16
3.7 整体电路图 17
第四章 Proteus仿真 18
4.1 初始电路 18
4.2 完整电路 19
参考文献 23
致谢 24

II

第一章 绪论
第一章 绪论

1.1 课题研究背景
随着人们对生活质量要求的提高，家庭用电耗材电量在能耗中的比例越来越大，导致居民用电量增长非常明显，电力成了居民家庭中的主要能耗项目。以中国为例，2015城乡居民生活用电量7276亿千瓦时，同比增长5.0%。所以增加城乡居民的节约用电意识，引导居民节约用电，必要而又迫切。但是，很多情况下，由于用户忙碌的生活方式以及不好的用电习惯，节约用电似乎只是一句口号，行动上很难做到，依然造成了大量的电能浪费。比如，待机状态的电视机，夜晚工作的饮水机，着急上班忘记观点的厕所照明灯等等。从单个用户较看来说，这些电能是微不足道的。但对于全国全世界的用户来说，这些浪费的电能可能相当于一个发电厂连续几年的发电量，对于发电侧来说就要发出更多的电能来弥补。
与增加发电机组的投入或建设新的发电厂来满足符合需求相比，在用户侧建立一种家庭能量管理系统，通过改变用户的用电习惯、自动控制电器运行是满足电力需求的一种新的观念。其实，通过增加发电量来满足用电的需求，与通过HEMS来转移和减少用电理论上的效果是一样的，不同的是，传统的方法是通过电力系统单方面努力不断满足用户需求，增加发电机的投入、新建发电厂会使资金投入加大，更大电能的输出在传输过程中也会造成更多的浪费、运输成本的增加，这是一种与“节能减排”背道而驰的方式。而HEMS是通过电力公司和用户侧双方的共同努力在尽量提高电力系统的运行效率和满足用户要求的基础上实现双赢的，这是一种更加灵活和廉价的方式。HEMS作为智能电网在需求侧响应的重要组成部分，是指以信息和通信技术为手段，用以监测和管理电器能量使用，使所有电器协调运行，从而达到节能最大化。
我国一直在大力推进需求响应的发展，出台了若干政策。1998年在江苏成立国家电网公司电力需求侧管理指导中心；2000年《节约用电管理办法》正式发布实施；2002年第一部《电力需求侧管理办法》在江苏省出台；2004年发改委联合电监会印发《加强电力需求侧管理指导意见》；2010年发改委、电监会等六部委联合印发《电力需求侧管理办法》，本办法已于2011年1月1日开始实施；近几年大量的电力需求侧管理试点在北京和江苏等地开展

1.2 HEMS简介
HEMS是一种应用于用户侧，集监测用户侧的用电情况、根据接收到的各种信息对电器运行进行最优化调度、自动控制电器运行状态等于一体的系统。HEMS作为智能电网在用户侧的重要组成部分，用户可根据各自需求修正其正在使用的用电模式。同时引入需求响应机制，提前一天时间，根据从电力公司获取道德分时电价、需求响应信息，结合天气预报，用户用电的历史数据信息预测到的第二天用户用电信息，使用最优化调度和智能控制技术来提高家庭的能力利用效率，在满足用户用电需求的基础上降低用电高峰时的电网负荷，减少用户用电费用，维持电力系统的供需平衡。
图1.1为HEMS的整体结果图。家庭主机作为该系统的调度控制器，通过无线或有线的方式向家用电器发送控制信息，同时也通过该网络收集各家用电器、PV系统等的用电和发电信息。此外，家庭主机还与Internet和智能电表相连，通过他们获取电力公司提供的实时电价和需求响应信息以及气象部门提供的天气预报信息。

图1.1 HEMS结构图
HEMS大致可分为以下几个功能模块：
监控模块：安装在用户用电总线处，保护安全用电、采集用电信息。
通信模块：内部通信模块将采集到的信息通过有线或无线方式传到服务器。
人机交互模块：现场了解用电设备的运行状态、用电信息、当前电价、电能储备等信息。
采集模块：采集单个用电设备用电信息、控制用电设备的运行状态、设置相关参数。
储能模块：储存太阳能、风能或用电低谷时的能量，移峰填谷。
高级功能模块：数据分析、负荷预测。

1.3 HEMS在国内外的发展现状
1）HEMS在美国
在2010年的国际消费电子展上，Intel公司推出了名为“智能住宅能量管理概念验证平台”的全心HEMS，该平台基于凌动(Atom)处理器，采用OLED触摸显示屏，支持WIFI和Zigbee无线协议，连接住宅内的家用电器及外部的智能电网，目前已经开发了数十种可以在平台上运行的软件。另外，美国思科系统公司推出的“思科住宅能量管理解决方案”也是较具代表性的一种HEMS解决方案。该系统支持Zigbee和WLAN等无线通信功能，配备带触摸屏的液晶显示器智能终端，除了显示用户相关的能量消耗信息外，还具有能量管理的功能。
2）HEMS在日本
2011年6月8日，日本夏普公司在大阪府市的“绿色前线”工业园区内建成“夏普生态住宅”。该住宅具有HEMS的基本特征，可使外来电力系统的供电量净值为零，即可实现利用绿色可再生能源实现住宅的全部供电，从而实现居家的排放量净值为零。另外为实现不同公司HEMS产品的互联，2011年7月，东京电力、夏普、日立等10家公司成立了“HEMS”联盟。该联盟的目标是制定相关企业可以公开接口详细技术规范的协议，同时HEMS的应用软件市场、第三方开发应用软件的机制等也在探讨之列。
3） HEMS在欧洲
意大利帕尔马大学和瑞士意黛喜公司共同合作，推出了用于家电互联的电力线通信系统解决方案。该方案基于智能适配器，将家电互联称为网络，可置于电源插座和家用电器之间，产生与家用电器本身相关的信息，比如能耗、诊断和功能等信息。但该方案的成本对于家电市场而言偏高，较难推广。
4） HEMS在中国
除了上述发达国家厂商推出的HEMS解决方案，我国的海尔集团也提出了将
家庭中的各种加点及传感器通过网络连接起来的“U-home”概念。U-home可实现电力供应方与家庭用户信息之间的交互，以实现全社会的节能。

1.4 研究的目的和意义
在现有的用电模式下，电力公司与用户侧之间仅仅存在着输电用电和缴纳电费的单一联系，这样缺乏互动的关系不利于电力公司掌握用户的用电习惯来改进输配电方式，也不利于用户向电力公司反馈信息来增加自己的用电满意度，从而造成电能的浪费和用户满意度越来越低。通过在用户侧建立家庭能量管理系统，可以使电力公司与用户保持实时的交流和信息反馈。一方面，用户将用电信息通过家庭能量管理系统反馈给电力公司，电力公司收集这些信息以后进行一定的计算，设定出第二天的实时电价发送给用户，用户根据电价曲线来合理安排电器运行情况。另一方面，家庭能量管理系统可以根据电价曲线通过最优化调度以后自动设定各类型电器的运行情况，控制电器在规定时间内的开关状态，并保持足够的运行时间，用户也可在系统上修改这些设定。这样一来，可以为用户提供多种家庭用电模式和用电策略，提高居民的节电意识，提高能源利用效率，积极引导居民合理用电、智能用电，节约家庭用电量和家庭用电费用，还可以减少未来停电事故发生的概率，提高电网运行的可靠性，建立一个实时、有效、方便、智能的家庭能量管理系统，实现电网侧和用户侧的双向互动。
本课题可产生一定的用户效益、社会效益和电网效益，能有效缓解能源匮乏问题，具有很强的现实意义。

1.5 研究内容
本文提出了在用户侧建立家庭能量管理系统，通过合理调整用户侧的负荷来适应电网负荷和电价变化，在节约能源、确保用户用电安全、减少用户电费支出、削减和转移负荷方面有很大潜力，将会在提高电网稳定性和安全性方面起到重要作用。
本文研究的主要内容有：
1） 对家庭能量管理系统进行一个简单的介绍，研究课题提出的背景和国内外在HEMS方面的实践情况，从社会、能源、安全、能源公司和电力用户等方面说明建立HEMS的意义和潜力；
2） 简单介绍研究课题过程中所用到的软件，如Keil软件和Proteus软件；对硬件实验中用到的重要元件进行介绍；
3） 在现有的用电模式基础上，结合生活经验，将家用电器大致分为三种类型，在Keil软件上用C语言编程，实现自动控制三种电器运行、定时、温度控制等功能。将程序导入单片机，用不同颜色的灯泡模拟不同类型的电器，在开发板上进行硬件的实验；
4） 在Proteus上对HEMS的电路进行设计并仿真。
25

第二章 工具简介
第二章 工具简介

2.1 C语言
2.1.1 C语言优点
C语言的运算符丰富，它包括的范围相当广泛，使得C语言的运算类型极其丰富，并且表达方式的类型多样化，能够实现在高级语言中不能实现的运算，它有32个关键字，9种控制语句。和汇编语言一样，它能够对位、字节和地址进行操作；数据类型很丰富，能实现各种复杂的数据类型，同时还加入了指针的概念，使得效率更高，同时支持图形编辑，以及多种显示器等；他所应用的结构式语言，这种方式会让程序更有层次，一目了然，同时语法显示不严格，设计自由度高；C语言提供给用户的方式是一函数形式，它们可以方便调用，使得程序完全结构化；地址的访问上，能够访问物理地址，对硬件进行直接操作；适用范围广，能够适用于多种操作，例如：DOS、UNIX等，同时适用于多种机型。
2.1.2 C语言缺点
它的缺点主要是数据封装的安全性不高，因此这一点也成为了C语言和C++的最大区别，另一方面由于语法以及变量的类型没有严格限制，也造成了较低的安全性，再者从应用角度来说，它比较其他的高级语言来说较为难以掌握。

2.2 Proteus简介
Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年历史，在全球范围广泛使用，除了其具有和其他EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等。
Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真，PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发。被《电子世界》在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品—“The Route to PCB CAD”。Proteus产品系列也包含了革命性的VSM技术，用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。
其功能模块：一个易用而又功能强大的ISIS原理布图工具；PROSPICE混合模型SPICE仿真；ARES PCB设计。PROSPICE仿真器的一个扩展PROTEUS VSM：便于包括所有相关的器件的基于微处理器设计的协同仿真。此外，还可以结合微控制器软件使用动态的键盘，开关，按钮，LEDs甚至LCD显示CPU模型。
·支持许多通用的微控制器，如PIC，AVR，HC11以及8051
·交互的装置模型包括：LED和LCD显示，RS232终端，通用键盘，I2C，SPI器件
·强大的调试工具，包括寄存器和存储器，断点和单步模式
·IAR C-SPY和Keil uVision2等开发工具的源层调试
·应用特殊模型的DLL界面，提供有关元件库的全部文件
最新版支持非常丰富仿真元件共7000多种，还有很多第三方模型。如MMC卡，以太网卡，ATA硬盘，麦克风，等等。

2.3 Keil C51编译器简介
2.3.1 8051开发工具
Keil C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境，同时保留了汇编代码高效快速的特点。C51编译器的功能不断增强，使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。uVision2 IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境。
2.3.2 uVision2集成开发环境
（1）项目管理
工程(project)是由源文件、开发工具选项以及编程说明三部分组成的。一个单一的uVision2工程能够产生一个或多个目标程序。产生目标程序的源文件构成“组”。开发工具选项可以对应目标，组或单个文件。
uVision2包含一个器件数据库(device database)，可以自动设置汇编器、编译器、连接定位器及调试器选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。此数据库包含：片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针(extra data pointer)或者加速器(math accelerator)的特性。
uVision2可以为片外存储器产生必要的连接选项：确定起始地址和规模。
（2）编辑器和调试器
uVision2编辑器包含了所有用户熟悉的特性。彩色语法显像和文件辩识都对C源代码进行和优化。可以在编辑器内调试程序，它能提供一种自然的调试环境，使得可以更快速地检查和修改程序。
（3）C51编译器
Keil C51编译器在遵循ANSI标准的同时，为8051微控制器系列特别设计。语言上的扩展能让用户使用应用中的所有资源。
1）存储器和特殊功能寄存器的存取
C51编译器可以实现对8051系列所有资源的操作。SFR的存取由sfr和sbit两个关键字来提供。变量可旋转到任一个地址空间。用关键字－at－还能把变量放入固定的存储器存储模式（大，中，小）决定了变量的存储类型。连接定位器支持的代码区可达32个，这就允许用户在原有64K ROM的8015基础上扩展程序。在V2的编译器和许多高性能仿真器中，可以支持应用程序的调试。
2)）中断功能
C51允许用户使用C语言编写中断服务程序，快速进、出代码和寄存器区的转换功能使C语言中断功能更加高效。可再入功能是用关键字来定义的。多任务，中断或非中断的代码要求必须具备可再入功能。
3）灵活的指针
C51提供了灵活高效的指针。
通用指针用3个字节来存储存储器类型及目标地址，可以在8051的任意存储区内存取任何变量。
特殊指针在声明的同时已指定了存储器类型，指向某一特定的存储区域。由于地址的存储只需1－2字节，因此，指针存取非常迅速。
第三章 硬件设计及介绍
第三章 硬件设计及介绍

3.1 HEMS整体流程

图3.1 HEMS整体流程图
我们假设电力公司会每天收集用户的用电信息，结合天气预报信息、历史用电量及发电量数据等，经过一定的计算和规划后预测出次日用电量和发电量大小，并据此得出分时电价曲线并及时发布给用户。
家庭能量管理系统的整体流程如图3.1所示。用lingo软件编出优化调度的程序，电力公司发布的次日分时电价曲线和各时段电网功率限制、用户设定的各电器次日所需工作时长和时间段、各电器必须至少连续运行的时长等等数据信息导入所编的程序里，将程序（程序类型为txt）通过串口发送给单片机；用Keil软件编出控制电器运行状态的程序，可以实现自动控制电器开关、定时、温度控制等功能，并将程序（程序类型为hex）发送给单片机。本研究中不同类型的电器用不同颜色的灯泡代替。最后将单片机通过一定的电路与灯泡相连，从而实现自动控制电器的功能。
硬件部分主要使用TX-1C开发板进行实验，该实验板集单片机、液晶屏、贴片式灯泡、蜂鸣器、矩阵键盘、温度传感器、各种芯片等为一体进行封装，通过导入程序可完成多种多样的功能。本研究所需的实验板上的元器件如表3-1：

表3-1 元器件清单
单片机AT89C52
1个
液晶屏1602A
2个
温度传感器DS18B20
1个
矩阵键盘
1个
晶振(11.0592MHz)
1个
蜂鸣器
1个
MAX232与串口
1个

3.2 单片机AT89C52
单片机是最重要的一个元件，它是一种可通过编程控制的微处理器，自身不能单独运用于某项工程或产品上，必须要靠外围数字器件或模拟器件的协调才可发挥其自身强大的功能。所以我们用Keil软件编出的程序导入单片机后，由单片机控制整个硬件电路的运行。现简单介绍各引脚功能：
VCC（40脚）、GND（20脚）：供电电压、接地。
P0口（32~39脚）：双向8位三态I/O口，每个口可独立控制。P0口内没有上拉电阻，为高阻状态，所以不能正常输出高/低电平，因此该组I/O口在使用时务必要外接上拉电阻，一般我们选择接入10kΩ的上拉电阻。
P1口（1~8脚）：准双向8位I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻。在作为输入使用之前，要先向该口进行写1操作。P1.0引脚的第二功能为T2定时器/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2的外部控制端。
P2口（21~28脚）：准双向8位I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻。
P3口（10~17脚）：准双向8位I/O口，每个口可独立控制，内带上拉电阻。第一功能使用时就当做普通I/O口，第二功能使用时，各引脚功能定义如表3-2：
表3-2 1602液晶屏接口信号说明
标号
引脚
第二功能
说明
P3.0
10
RXD
串行输入口
P3.1
11
TXD
串行输出口
P3.2
12

外部中断0
P3.3
13

外部中断1
P3.4
14
T0
定时器/计数器0外部输入端
P3.5
15
T1
定时器/计数器1外部输入端
P3.6
16

外部数据存储器写脉冲
P3.7
17

外部数据存储器读脉冲
XTAL1（19脚）、XTAL2（18脚）：外接时钟引脚。
RST（9脚）：单片机的复位引脚。
（29脚）：程序存储器允许输出控制端。
（30脚）：单片机外部扩展外部RAM时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来。为编程脉冲的输入端，用来存放用户需要执行的程序。
（31脚）：接高电平时，单片机读取内部程序存储器。扩展有外部ROM时，当读完内部ROM后自动读取外部ROM。接低电平时，单片机直接读取外部ROM。
各引脚具体与哪些元器件相接，在下面各部分的介绍中会有详细说明。

3.3 液晶屏1602A
TX-1C使用的1602液晶屏为5V电压驱动，带背光，可显示两行，每行16个字符，不能显示汉字，内置含128个字符的ASCII字符集字库，只有并行接口，无串行接口。液晶接口信号说明如表3-3：
表3-3 1602液晶屏接口信号说明
编号
符号
引脚说明

编号
符号
引脚说明
1

电源地
9

数据口
2

电源正极
10

数据口
3

液晶显示对比度调节端
11

数据口
4

数据/命令选择端(H/L)
12

数据口
5

读写选择端(H/L)
13

数据口
6

使能信号
14

数据口
7

数据口
15

背光电源正极
8

数据口
16

背光电源负极

1602A的引脚图如图3.2：

图3.2 1602A引脚图
1602A液晶与单片机接口说明如下：
（1） 液晶1、2端为电源；15、16端为背光电源；为防止直接加5V电压烧坏背光灯，在15脚串接一个10Ω电阻用于限流。
（2） 液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10kΩ电位器接地来调节液晶显示对比度。首次使用时，在液晶屏上电状态下，调节至液晶屏上面一行显示出黑色小格为止。
（3） 液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端。本实验中用到两个液晶屏，其中液晶屏1的4端与单片机P3.5口相接，液晶屏2与P1.6相接。
（4） 液晶5端为读/写选择端，因为我们不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示数据，因此此端始终选择为写状态，即低电平接地。
（5） 液晶6端为使能信号，是操作时必需的信号。实验中液晶屏1与P3.4相接，液晶屏2与P1.7相接。
（6） 液晶7-14端为数据口，用来传送命令和数据，实验中两个液晶屏的数据口均与P0相接。
图3.3、3.4分别为实验中所用到的液晶屏1与液晶2。液晶屏1主要用来显示日期、时间和温度，液晶屏2主要用来显示电器及其运行状态，1为电器正在运行中，2为电器关断。

图3.3 液晶屏1

图3.4 液晶屏2
3.4 矩阵键盘
本实验中用到的矩阵键盘为4×4矩阵键盘。将16个按键拍成4行4列，第一行将每个按键的一端连接在一起构成行线，第一列将每个按键的另一端连接在一起构成列线，这样便有一共4行4列共8根线，我们将这8根线连接到单片机的8个I/O口上，通过程序扫描键盘就可以检测16个键。这是其工作原理。
矩阵键盘两端都与单片机I/O口相连，因此在检测时需要人为通过单片机I/O口送低电平。检测时，先送一列为低电平，其余几列全为高电平（此时我们确定了列数），然后立即轮流检测一次各行是否有低电平，若检测到某一行为低电平（这时我们又确定了行数），则我们便可确认当前被按下的键是哪一行哪一列的，用同样的方法轮流送各列一次低电平，再轮流检测一次各行是否变为低电平，这样即可检测完所有的按键，当有按键被按下时便可判断出按下的键是哪一个键。当然我们也可以将行线置低电平，扫描列是否有低电平。这是矩阵键盘检测的原理和方法。
TX-1C开发板上16个矩阵按键与单片机连接图如图3.5所示：

图3.5 TX-1C开发板矩阵键盘与单片机连接图
从图中可以看出，矩阵键盘的4行分别与单片机的P3.0~P3.3相连，矩阵键盘的4列分别与单片机的P3.4~P3.7相连。
TX-1C开发板上键盘区上面四行S6~S12即为16个矩阵键盘，8条线分别与单片机P3口相连。如图3.6所示：

图3.6 TX-1C开发板上矩阵键盘
在本实验中，矩阵键盘的作用主要是调节时间、日期的作用。S10~S13为选择需要调节的数字，每按一下需要调节的数字向前移一位。S14~S17为调大数字，每按一下数字加一。S18~S21为调小数字，每按一下数字减一。

3.5 温度传感器DS18B20
TX-1C开发板上使用DS18B20型温度传感器，采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点。
DS18B20的引脚定义如表3-4：
表3-4 DS18B20引脚定义
引脚
定义

电源负极

信号输入输出

电源正极

空
DS18B20使用的单总线技术采用单条信号线，即可传输时钟，又可传输数据，而且数据传输是双向的。因而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销小，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点。单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器，从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备时，系统可按单节点系统操作；当有多个从机设备时，系统则按多节点系统操作。设备通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其他设备使用总线。单总线通常要求外接一个约为5kΩ的上拉电阻。芯片手册上的典型连接如图3.7所示，DS18B20和TX-1C开发板的连接如图3.8所示：

图3.7 DS18B20典型电路

图3.8 TX-1C开发板与DS18B20连接图
DS18B20在开发板上的实物图如图3.9：

图3.9 DS18B20实物图
在本实验中，设置21℃为低温临界值，26℃为高温临界值。当温度传感器感受到的温度低于21℃时，空调开暖气；当温度传感器感受到的温度高于26℃时，空调开冷气。

3.6 MAX232与串口
MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。当用单片机和PC机通过串口进行通信，尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过MAX232这种类似的芯片进行电平转换。
MAX232的引脚图如图3.10所示：

图3.10 MAX232引脚图
第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12V和-12V两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第一数据通道。
8脚(R2IN)、9脚(R2OUT)、10脚(T2IN)、7脚(T2OUT)为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从11引脚(T1IN)、10引脚(T2IN)输入转换成RS-232数据从14脚(T1OUT)、7脚(T2OUT)送到电脑DB9插头;DB9插头的RS-232数据从13引脚(R1IN)、8引脚(R2IN)输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚(R1OUT)、9引脚(R2OUT)输出。
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC(+5V)。
在本实验中，MAX232与串口通过数据线与电源如充电宝等相连，为开发板提供电源。MAX232与串口在实验板上的实物如图3.11所示。

图3.11 MAX232与串口实物图

3.7 整体电路图
整体硬件电路如图3.12所示：

图3.12 整体硬件电路
第四章 Proteus仿真
第四章 Proteus仿真

本研究以Proteus为平台，在此软件上对硬件电路进行设计，并进行仿真，可以观察到与实际相同的现象，并据此仿真拓展出硬件电路，所以在Proteus上仿真对保障研究顺利进行具有非常重要的意义。

4.1 初始电路
由于整个电路的设计和连线较为复杂，所以在设计仿真电路的初始阶段，先设计了一个较为简单的雏形电路，如图4.1：

图4.1 初始电路1
此电路模拟当脉冲信号为低电平（电费低谷）时控制灯亮（电器开始运行），当脉冲信号为高电平（电费高峰）时控制灯灭（电器停止运行）。我们设置脉冲信号为正弦，幅值为5V，如下图：

图4.2 脉冲信号
且通过多次实验测得，在Proteus仿真中的高低电平的临界值为2.49V，此值可作为编写程序时设定电平数据的参考值。

图4.3 初始电路2
此初始电路与上一个初始电路的功能相似，不同之处在于将自动发送的脉冲信号改为开关按钮，当按钮被摁下时为低电平，灯亮；当按钮保持原状态时为高电平，灯灭。相当于采用手动的方式来控制电器的运行状态。

4.2 完整电路
4.2.1 单片机部分
Proteus中的AT89C52如图4.4所示。
连接方式主要采用电气物理连接标号，这种标号方式简便，清晰，快捷。由于P0口内部无上拉电阻，所以在使用时要外接上拉电阻。图中RP1为10kΩ的上拉电阻。在单片机中导入已编好的程序，双击单片机，出现如图4.5所示界面。

图4.4 单片机部分

图4.5 导入程序界面
选择需要导入的程序，即可完成。

4.2.2 键盘部分
键盘采用4×4矩阵键盘。

图4.6 键盘部分

4.2.3 液晶屏部分
LCD1用来显示日期、时间、温度，LCD2用来显示电器运行状态。

图4.7 液晶屏部分

4.2.4 整体仿真电路图

图4.8 整体仿真电路图
参考文献
参考文献
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[7] 王伟．用户侧能量管理系统设计与原型系统实现[D]．三峡大学硕士论文，2012．
致谢
致谢
首先，我要衷心感谢我的导师王淳老师。老师治学严谨，见解独到，学术造诣很深，对待事情认真负责。在自己教学、管理、科研工作十分繁忙的情况下，依然对我课题的研究方向和研究内容给予了倾心的指导和建议，让我对这个课题从毫无概念到建立起基本的框架，帮助我一步一步向着更好的方向前进。
感谢我的许多同学和朋友。在对本课题研究的初始阶段，由于对很多知识了解程度还不够深，因此请教了许多同学和朋友问题，在他们耐心和热情的帮助下，我学到了很多没有接触过的知识，他们的思维方式和思考问题的方法也深深影响着我，让我的学习能力得到很大提高，让这个研究得以顺利进行。
另外，在做研究和撰写本文的过程中，参阅了许多学者的论文书籍和科研成果，在此向他们表示感谢。
本论文的写作，由于本人在很多方面的水平还远远不够，难免有错误之处和不足的地方，恳请老师的指导批评。