智能定时电源开关设计方案

1 智能定时电源开关设计 方案 第 1章 绪论 能定时电源开关研究的目的和意义 随着 社会电子科学技术正在飞速地发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益紧密，人们极大地享受着电子设备带来的便利，但是任何电子设备都有一个共同的电路 电源电路，大到超级计算机，小到袖珍计算器，所有的电子设备都必须在电源电路的支持下才能正常工作，因此电源也就理所当然地成了各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠的工作。但人们常用的电源并不具备定时开启和关闭的功能，或许就由于这个原因给人们带来了很多没必要的损失和不 便，譬如：家里空调如果可以自己设置开启和关闭的时间，就可以大大减少用电量；初高中上完晚自习后，空空的教室里还是灯火通明。 家中的热水器不能自由设置开启关断时间而给人们带来一时不便；学校的起床广播因值班人员睡过头而推迟广播；家中的鱼缸因太久没有供氧造成鱼儿缺氧死亡；许多球迷或新闻爱好者因错过了开机时间而与精彩球赛或新闻擦肩而过；夏天里风扇的定时时间过短（一般为一小时），不便于晚上分段定时使用等等。 智能电源定时开关就是要实现人为的设置电源接通关断的时间，可以任意的设置 24小时之内的任意一段或多段时间作为电源的开 启或管段时间，这样就可以实现用电设备的通电开启与关闭的人为控制，节省大量电能， 而且可以自动循环定时，只要开始工作，不需要每天设置时间，在节约用电的同时也给人们的生活带来很大的方便。 所以，研究智能电源定时开关，有着非常现实的意义。当今社会，智能电源定时开关可以广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、讯设备、电力设备、仪器仪表等领域。它不仅体积小重量轻，并且电源效率非常高，效率甚至能达到 90%以上。迅速发展的社会，对能源的要求越2 来越高，智能电源定时开关的高效率不仅节省了大量电能，而且节省了大 量材料，高效率的定时开关电源成为各种设备可靠工作的重要保证。调查发现，大多数的设备损坏都是电源造成的，因而研究高可靠行的智能电源定时开关，对生产生活是至关重要的。 能定时电源开关目前国内外研究现状 随着科学技术的进步，我国的电力电子技术和电子器件都有了很大的发展。智能定时电源开关技术的发展，可以从根本上解决由于电器的长时间待机能耗产生大量的用电的问题，也可以给人们的生活带来很大的方便。 智能定时电源开关在国内的发展还不够成熟，生活中我们还是会面临很多的不便，比如：家中的热水器不能自由设置开通关断时 间而导致待机能耗的增加以及给人自身带来的不便；饮水机不能设置加热时间而造成长时间的滚水进而饮水不健康；教师的灯在没有人上自习的时候还是亮着而造成电能的浪费等等。 国外的智能电源定时开关技术也只是在某些特定地点特定场合应用的比较成熟，他们可以帮助人们实现定时智能控制家电功能，轻松实现家庭智能，质量可靠，性能稳定，无需再担心用电过多，以及由于长时间待机可能引起的财产安全，生命安全。人们可以放心的工作，安心的生活，开心的游玩。智能定式电源开关以服务人们生活为本，影响生活，改变生活，创造新的生活方式。只有更加贴近实 用、易用和人性化的智能家居理念，才能真正体现智能家居的价值，这也是现代科技价值的核心理念。通过智能家居我们能更方便的生活。冬天时，在回家之前打开家中的电暖器或者空调、电饭煲，等回到家中，能感到久违的温暖。夏天时，回家之前打开空调，回到家中体验凉爽。睡觉时，按下睡眠模式，监控设备打开，灯光控制系统关闭光源，窗帘自动拉上，再体验轻松睡眠的同时也保证了家中的安全。周末了，在家中也可以体验一把电影院的乐趣，按下影院模式，窗帘拉上，家庭影院打开，投影仪开启，投影幕落下。科技改变生活，随着科技的发展，智能家居智能生活已 不是个梦想。 为此，我们应该充分利用现有的技术、人才和资源优势，加强国际合作和技术交流，争取国内外各方面的有利因素，发展智能定时电源开关技术，提高家庭的生活质量，减少不必要的用电浪费，增强人类的节能意识，为我们子孙后代保留一点资源。智能定时开关电源就是为了实现节能与给人方便而诞生的技术，所以它的发展一定会给我们的生活带来不可抹灭的作用。 3 论文研究的主要内容 本设计研究的主要内容是智能定时电源开关，本设计首先进行了硬件电路的设计，设计的主要内容是利用 4一路通过 8550三极管驱动继电器吸合电路，定时时间到后，继电器能够吸合动作从而驱动电源开关，切断或通电电源。并且可以实现无限制循环倒计时。本设计以 60秒为倒计时时间，倒计时到十秒时电源接通，零秒时关闭，继续下一轮倒计时。然后设计了软件部分，并对程序进行仿真，最后进行了制作和调试，而且作出了实物，效果符合预期效果，这就是本次设计的主要内容。 4 第 2章 系统控制方案及硬件电路设计 用 核心的单片机控制方案 本设计采用的是 片机芯片，通过 +5用单片机的外围电路进行扩展，单片机芯片的引脚端口一端接锁存器 74片机的另一个端口接 8550三极管与继电器相接，倒计时一定的时间继电器吸合去驱动开关电源，及时通断达到节能的目的，为了可以快速演示本次设计的效果，本设计采用 60秒倒计时为准。同时通过 出硬件电路图，并进行了电路仿真，最会一步就是根据设计做出相应的实物。这就是开关插座基本的控制方案。 采用 心的单片机控制方案系统结构图如图 图 系统结构图 能定时电源开关硬件电路 能定时电源开关总体硬件电路 智能定时电源开关设计的硬件电路图如图 体说明为：核心芯片为一个码管为 60秒循环倒计时显示；继电器所控制的电路为一含电源的灯泡显示电路；使用 码管为两位一体共阴极数码管；数码管由两个一样的锁存器 74 振电路 继电器控制电源电路 5 图 智能定时电源开关硬件电路 码管显示电路 本设计采用两位一体共阴极数码管显示，电路图如图 示。具体说明为：两个 573 锁存器的 接 应锁存器 码管的段 4码管的两个位选端对应 74 74 4 关于用锁存器 74 维持一个数据的显示，往往要持续的快速的刷新。尤其是在四段八位数码管等这些要选通的显示设备上。在人类能够接受的 刷新频率之内，大概每三十毫秒就要刷新一次。这就大大占用了处理器的处理时间，消耗了处理器的处理能力，还浪费了处理器的功耗。锁存器的使用可以大大的缓解处理器在这方面的压力。当处理器把数据传输到锁存器并将其锁存后，锁存器的输出引脚便会一直保持数据状态直到下一次锁存新的数据为止。这样在数码管的显示内容不变之前，处理器的处理时间和 以看出，处理器处理的时间仅限于显示内容发生变化的时候，这在整个显示时间上6 只是非常少的一个部分。而处理器在处理完后可以有更多的时间来执行其他的任务。这就是锁存器在 码管显示方面的作用 :节省了宝贵的 控制单元）时间。 图 数码管显示电路 本设计采用 是典型的继电器驱动电路。单片机是一个弱电器件，一般情况下它们大多工作在 5动电流在要把它用于一些大功率场合，比如继电器驱动，显然是不行的。所以就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”。继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。图中三极管 8550有两个作用：一个是起放大作用，一个是起开关作用（严格来讲开关作用是放大作用的极限情况）。极管处于导通状态，并起放 大作用，这样，继电器7 就能得到足够的驱动电流来正常工作。当 极管不工作，继电器因没电流通过而不工作。灯泡用于指示继电器是处于导通状态（灯亮）还是处于断开状态（灯灭）。电路图如图 图 继电器控制电源电路 具体说明：继电器通过 极管驱动； 三极管的基极接 电器控制的电路须有电源，接一个灯泡来显示控制结果。 继电器采用松乐 体参数如下： 触点形式： 1C（ 触点负载： 3A 220V 0V 阻 抗： 100 额定电流： 3A 电气寿命： 10万次 机械寿命： 1000万次 阻值 (士 10%)： 120 线圈功耗： 额定电压： V 8 吸合电压： 释放电压： 工作温度： +70 绝缘电阻： 100 线圈与触点间耐压： 4000分钟 触点与触点间耐压： 750分钟 从上面的继电器线圈参数得知，继电器工作吸合电流为 V=40V/12040 三极管的选择： 功率 于 5V*继电器电流 (5*40 两倍； 最大集电极电流（ 大于继电器吸合电流的两倍以上； 耐压 大于继电器工作电压 5V,可选 10 直流放大倍数：取 300。 故本次设计所选 8550三极管，放大倍数约为 电流、小信号的 体参数如下： 集电极 散功率 片： 集电极电流 电极 0V 集电极 5V 特征频率 小 150晶振电路 本设计的晶振电路如图 单片机系统里，晶振作用非常大，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快。单片机一切指令的执行都是建立在晶振所提供的晶振频率之上。单片机晶振是为系统提供基本的时钟信号，相当于一个系统的心脏，通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。 9 单片机晶振电路 章小结 本章介绍了智能定时电源开关的定时控制的设计过程，主要讲述硬件电路设计。首先，介绍了系统总体方案的设计方案图，智能定时电源开关的定时控制系统的设计主要会用到单片机 码管显示倒计时模块、继电器控制电源模块和晶振等硬件模块，然后硬件电路设计部分对每一模块的功能和使用进行了详细的介绍，弄清楚各部分的工作方式及联系，设计出系统的总体电路图。 10 第 3章 片机的介绍 片机的组成原理 低功耗 /超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051单片机， 12时钟 /机器周期和 6时钟 /机器周期可以任意选择。 （ 1）主要特性如下 2： 增强型 8051单片机， 6时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统 8051. 工作电压： 5 3 工作频率范围： 0 40当于普通 8051 的 0 80际工作频率可达 48 用户应用程序空间为 8 片上集成 512字节 通用 I/32个），复位后为： 2/4 是准双向口 /弱上拉， 为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/加上拉电阻。 系统可编程） /应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（ 接下载用户程序，数秒即可完成一片 具有 具有看门狗功能 共 3个 16位定时器 /计数器。即定时器 外部中断 4路，下降沿中断或低电平触发电路， 通用异步串行口（ 还可用定时器软件实现多个 工作温度范围： +85（工业级） /0 75（商业级） （ 2） 3 掉电模式：典型功耗 26;/位选十位 27;/位选个位 32; j,k,a1,a0,s=60; m; =00 i) j=i;j0;k=125;k0; ; P0= ; ; ; ; ; ); P0= ; 30 ; ; ; ); ;/总中断打开 65536256;/ 由于晶振为 所记次数应为 46080，计时器每隔 50000微秒发起一次中断。 65536256;/46080的来历，为 50000*2 ;/定时器中断 0打开 ;/使能中断打开 ) if(m=20) m=0; a0=s%10; a1=s/10; a1, if(s=10) / ;/时间到，定时器关闭 ;/继电器打开，灯泡亮。 if(s = 0) 31 1;/继电器关断，灯泡灭。 s = 60; / 65536256; 65536256; m+; 章小结 本章主要介绍了智能定时电源开关设计的软件开发环境以及系统主流程图，最后介绍了用 下来就是系统的调试与实物的制作，以完成本次设计。 32 第 5章 系统调试与仿真设计 程的建立 理。工程保存着程序编辑的信息和程序调试的环境。在开始编写程序之前首先应该建立一个工程。新建一个工程之前通常还需要建立一个文件夹，后面产生的工程文件和源程序文件 等都将存储在这个文件夹之中。在如图所示的集成开发环境的口中选择 图 图 工程的建立 在“保存在”下拉列表框中选择新建工程将要存储的文件夹名，在“文件名”文本框中输入工程的名称，注意对于工程不要添加扩展名，单击“保存”按钮即可完成一个工程的创建。单击“保存”按钮在完成一个工程创建的同时也打开了单片机芯片型号选择对话框。如图 33 图 芯片的选择 前所述，本书应用电路中采用 司的 片，由于 有这款芯片，下面以这 图所示的对话框中的 表框中首先选择生产芯片的公司名称 击这个公司名称即可打开 司目前生产的所有芯片型号。接着在列出的产品清单中选择将使用的 图5后单击“确定”按钮即可完成芯片的选择。完成芯片的选择后 又回到如图所示的集成开发环境的窗口，但是这时该窗口中的工程管理窗口不再是空白，在它的文件选项卡中出现目录列表 和它的子目录 。集成开发环境中的菜单 选项。 择 令将打开选择工程的对话框。在“查找范围”下拉列表框中选择欲打开的工程所在的文件夹，列表框中将出现该文件夹中的所有工程，选择将要打开的工程，单 击“打开”按钮即可打开一个工程。选择 34 文件的输入 该文本编辑器可以编辑源程序。如图 图 且完成了源程序向当前工程的添加。 图 源文件输入 完成汇编语言源文件的输入后，在集成开发环境中选择 s 命令可以完成文件的第一次存储。注意，汇编语言源文件的扩展名应该是 应该与工程文件存储在同一文件夹内。在完成文件的第一次存储后，当对汇编语言源文件又进行了修改，再次存储文件时则应该选择 令、单击保存工具按钮或者按快捷键 实现文件的保存。需要注意的是，当把汇编语言源文件加入工程但还没有关闭加入文件对话框时，有可能被误认为文件没有成功地加入工程而再次进行加入操作，系统将显示所需的文件已经加入的提示。在这种情况下，单击提示框中的“确定”按钮，再单击 钮可以关闭加入文 件对话框。 件电路的仿真 35 在设置好工程后就可以进行编译、连接。选择 当前工程进行连接，编译过程中会出现很多语法错误，会有错误报告出现，双击该行，可以定位到出错的位置，对源程序反复新盖之后，最终会得到如图所示的结果，获得了名为 文件即可被编程器读入写到芯片中，同时还会产生一些其它的相关文件。如图 图 调试后的结果 写到芯片中的程序，可以用 真结果如下图 示。仿真过程中出现很多的错误，仿真 部分采用 件，此软件功能强大且操作较为简单，可以很容易的实现各种系统的仿真。 首先打开 件，在元件库中找到要选用的所有元件，然后进行原理图的绘制；绘制好后再选择 经编译好的 *择运行，观察显示结果，根据显示的结果和课题的要求再修改程序，再运行查，直到满足要求。 36 图 仿真的结果 章小结 本章主要介绍了在智能定时电源开关软件程序编写结束之后通过 后导入 真结果符合预期效果，接下来就是实物的制作了。 37 结论 经过三个多月的设计时间，本次毕业设计：智能定时电源开关设计已经基本完成了。通过这次毕业设计，我掌握了一些实践性质的设计的基本步骤：首先，明确设计任务，并且要对市场上的电源开关的定时控制要有初步了解，还要知道前人做了哪些工作，本设计方案的可利用程度等等。其次，要对整个设计系统做深入的方案论证、计算并且结合现有实际条件，确立自己的设计方案，进而，就是对自己确立的方案进行硬件实现，包括所用原器件选型，以及控制部分整个单片机系统的硬件选型与设计，并用 着就进入到软件编程设计了 ，要画出系统的主流程图，弄清楚各个部分实现的功能，最后对整个系统进行软件编程实现。到此为止，这个系统的设计基本上已经完成了，最后就是要经过生产实践的检验，确定我们的设计是否符合实际要求，具有可利用价值。 本系统采用的 现能定时给电器供电或断电的控制，操作使用方便。用单片机 用模块化的结构设计，提高了可靠性和可扩展性。 整个设计过程同时也是一个很好的学习机会，例如以前自己学习过运用 不是很通透，经过这次设计后自己在这方面有很大地进步；当然整个设 计过程学到的知识和经验远远比运用 会查找多方资料多得多，这些对于自己以后的学习和工作将受益匪浅。但必须认识到的是，在设计中也存在着不足之处，例如单片机控制系统在可靠性方面相对于可编程控制器（ 制系统略为欠缺，并且自己深入实践不够，所做的系统也不是很完善。但是我想通过以后的学习和努力一定会有所提高，能够做出更好的设计。所设计系统不仅只适用于对电器开关的控制还要向外部扩展，做到较强的通用性和适应性。最后我觉得一个人的成功，无论什么事，都少不了身边的人的支持，这次设计，指导老师和同学都给了 我很大帮助，让我学到了很多东西，我会在将来把这些东西，更重要的是这种精神永远记住，进一步取得更大的成就。 38 参考文献 1 张毅坤 M安电子科技大学出版社 2 童一帆 M京航空航天大学出版社 3 石从刚 M京航空航天大学出版社 4 李华，孙晓民等 M北京航空航天大学出版社， 1995:2035 何立民 M北京航空航天大学出版社 ,1999 6 李全利 M北京：高等教育出版社， 2009：1447 江晓安，董秀峰 M西安：西安电子科技大学出版社， 2008：818江晓安等 M西安：西安电子科技大学出版社， 2008： 151 9谭浩强 M北京：清华大学出版社， 2005： 20410戴佳等 M北京：电子工业出版社， 2008： 5411张鑫 . 单片机原理及应用 M北京：电子工业出版社， 2010:16812张迎新 单片机基础 M北京 :北京航空航天大学出版社 ,2006:17