基于单片机的定时插座设计

第1页本章主要讨论了系统的总体方案以及各模块的设计方案，包括了控制核心、开关、显示模块、时钟电路以及键盘电路方案。2.1系统结构与功能系统总体设计主要实现以下功能：（1）人机交互界面：通过1602液晶显示屏，与独立按键建立起一套完善的人机交互界面。可以用于设置定时的参数。查看定时参数，现实时间。（2）设置定时时间：用户通过人机交互界面，查找到设定时间界面，设置对应的每一组的设置时间。（3）设置现实时间：由于各种外界因素会导致系统现实时间与实际现实时间相异，系统支持修改系统现实时间。用户通过人机交互界面，查找到设定时间界面，设置系统现实时间。（4）报警：当用户设定时间结束时会出现报警提示。2.2方案框图2.2.1方案1采用数字电路控制。用以74LS161计数器构成的定时器电路做为智能插座的核心控制，用拨码开关做为用户设置按键，其中包括了定时时间设定，系统时间初始化设定，开始停止控制时间的设定。通过555定时电路为计数器提供时钟，通过级联74LS161做为倒计时电路，通过与输出时间比较控制触发器从而控制电路的开关。采用数字电路设计的方案需要大量的74LS161芯片以提供较长的定时时间（若定时时钟为1Hz，定时10小时需要36000S，需要四片74LS161），系统结构复杂，成本较高，系统稳定性差，定时时间调整不灵活。故不采用此方案。2.2.2方案2采用一种以STC89C51为核心的单片机控制方案。选用单片机AT89S51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，实现基本的定时控制功能。在单片机的外围电路外接输入键盘及1602液晶用于构造人机交互界面以设置各个参数。其原理如下图2.1所示：第2页图2.1单片机控制密码锁原理图由此可以看出方案二控制灵活、节约成本和稳定性强的特点，此外还具有扩展功能，根据现实生活的需要此次设计采用此方案。2.3开关的选择现代自动控制设备中，都存在一个电子电路——电气电路的互相连接的问题，一方面要是电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机、电灯、热水器等），另一方面又要为电子线路的电器电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全。电子继电器和光耦合器便能起到这一桥梁的作用。下面简要介绍各个方案的特点。方案一：采用继电器作为控制220V通、断的开关。固态继电器(SSR)与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。选用SRD-05VCD-SL-C继电器最大电路可达到10A，即继电器的正常工作范围为0到2200瓦，可以给大部分家用电器供电。方案二：采用光耦合器实现单片机控制开关。耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。本次设计开关部分可以用继电器也可以用光耦合器。考虑到本设计继电器足以满足设计要求，而且继电器比光耦合器便宜，故选用继电器。2.4显示方式选择在模拟电子和数字电子中,常用显示数据的有数码管和液晶显示器。方案一：采用LED数码管显示。虽然功耗低，控制简单，但却只能显示数字和第3页一些简单的字符，而且显示信息少，需要较多位的数码管，占用了较多的单片机I/O口，没有较好的人机界面。方案二：采用LCD液晶显示，可以显示所有字符及自定义字符，并能同时显示多组数据、汉字，字符清晰。由于自身具有控制器，不但可以减轻主单片机的负担，而且可以实现菜单驱动方式的显示效果，达到友好的人机介面。LCD显示能解决LED只能显示数字等几个简单字符的缺点，性能好，效果多，控制方便，显示方式多，且能耗也较少。这次设计中不仅要显示相应的时钟、定时组别、目前运行的模式，而且还要显示出相应的定时开始时间和结束时间，需要显示的信息较多，所以采用方案二，用LCD显示结果。2.5时钟的实现及单片机的选择时钟的实现可已通过使用时钟芯片或者单片机的定时器实现。下面简要介绍几种方案的特点。单片机仅用于控制继电器、键盘，实现时钟和定时，用51结构的有Atmel的AT89CXX系列、AT89SXX系列、AT89C20系列（20引脚）或STC的所有单片机都可以实现。根据在学校比较流行的学习单片机是STC89C51系列，而且STC89C51单片机便宜，购买方便，下载方便，故单片机选用STC89C51单片机。方案一：时钟通过使用时钟芯片来实现，控制部分通过使用单片机来实现。时钟芯片种类非常多，有内置晶振及充电电池的，也有外置晶振的，现在流行的时钟芯片有DS1302、DS1307、PCF8485、SB2068等。使用时钟芯片可以得到准确的时钟走时，可用简单的程序实现定时开关插座的定时功能。方案二：时钟通过单片机的内部定时器来实现时钟。单片机的内部定时器可实现较为精确的时钟走时，定时50毫秒的误差率极小，可达到定时开关插座的使用要求。使用单片机内部定时器可简化硬件电路，可以节省开支，但是编程的难度有所提高。本次设计的时钟走时用单片机定时器已经可以完全达到定时开关插座的使用要求，并可省去时钟芯片，节省开支。考虑到软件的难度增加可换来更好的性价比，所以选用方案二。2.6按键控制部分的实现时钟时间和定时时间的设置功能可以通过按键来实现。按键的实现可以通过以下两种方案实现：方案一：单片机的每一个I/O口与一个按键相连，这样就可以根据扫描I/O口的电平变化实现相关功能。这样可以很简单的实现按键的功能。方案二：使用矩阵键盘实现。矩阵键盘可以用较少的I/O口实现多个按键功能，能节省更多的I/O口，利于系统扩展功能。但是编程复杂。根据本定时开关插座的设置要求，用到4个按键。通过两个方案的对比，方案第4页一的实施办法更符合要求。第5页第三章主要元器件原理及其应用本章主要讨论了各模块元器件的选择以及元器件的工作原理。3.1单片机STC89C51简介主CPU电路选用STC89C51RC系列单片机，STC89C51RC是采用8051核的ISP（InSystemProgramming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8KBytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。STC89C51RC系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。3.1.1主要特性(1)增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU(2)工作电压：3.4V-5.5V（5V单片机）/2.0V-3.8V（3V单片机）(3)工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz.实际工作频率可达48MHz.(4)用户应用程序空间12K/10K/8K/6K/4K/2K字节(5)片上集成512字节RAM(6)通用I/O口（27/23个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA(7)ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片(8)EEPROM功能(9)看门狗(10)内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）(11)时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部R/C振荡器频率为：5.2MHz～6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，因为有温漂，请选4MHz～8MHz(12)有2个16位定时器/计数器(13)外部中断2路,下降沿中断或低电平触发中断,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒(14)PWM(4路）/PCA（可编程计数器阵列），也可用来再实现4个定时器或4个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可支持)第6页(15)STC89Cc516AD具有ADC功能。10位精度ADC，共8路(16)通用异步串行口(UART)(17)SPI同步通信口，主模式/从模式(18)工作温度范围：0-75℃/-40-+85℃(19)封装：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超小封状，定货)3.1.2引脚功能说明管脚图如3.1所示。图3.1STC89C51管脚图P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能第7页P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在线系统编程用）P1.6MISO（在线系统编程用）P1.7SCK（在线系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG——当访问外部程序存储器