家用定时供电插座的设计与制作

1、 工学院毕业设计（论文）家用定时供电插座的设计与制作 二零一三年五月摘 要：单片机把我们带入了智能化的电子时代，许多繁琐的系统若由单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。本设计是以家用定时供电插座为基本理念，把AT89C52单片机作为定时供电插座控制中心，将软、硬件有机地结合起来，利用单片机的定时器定时功能完成定时。关键词:定时开关;继电器;AT89C51单片机;数码管。20目录摘要.1第1章 引言.3 1.1 概述.3 1.1.1 优势.3第2章 毕业设计的具体事项.4 2.1 毕业设计目的.4 2.2 毕业设计任务与要求.4 2.3 毕业设计主要步骤.4 2.4 毕业设计

2、所需仪器设备和工具.4第3章 毕业设计方案.5 3.1毕业设计的概述.5 3.2系统软件程序设计. 5第4章 毕业设计原理.7 4.1电源的设计. 7 4.2显示器的选定. 7 4.3单片机的选定. 8 4.4开关的选定. 9 4.5有关程序的设计. 9 4.6系统硬件电路设计. 12 4.7 Proteus的仿真. 13第5章 毕业设计所需元器件清单. 14第6章 电路的组成. 15 6.1 显示部分电路图. 15 6.2 按键模块. 16 6.3 继电器控制电路. 17第7章 毕业设计总结. 18第8章 毕业设计谢辞. 18第9章 结论与展望. 199.1 结论. .199.2 展望. 1

3、9 附录A 电路原理图. 19 附录B：PCB版图. 20第1章 引言1.1 概述现如今,往往由于某些特殊原因给我们的生活或工作带来一些困扰和遗憾。比如:家中的水塔忘记抽水而造成生活的一时不便;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;许多球迷或者新闻爱好者因为错过了开机时间而与精彩球赛或者新闻擦肩而过;夏天里风扇的定时时间过短(一般为1个小时),不便于晚上分段定时使用等等。而上面的这些问题都可以通过定时开关插座的定时功能得到解决。 1.1.1 优势随着电器产品待机能耗的迅速增长,家庭和社会付出了太多的代价,中国节能认证中心对家庭待机能耗做过的调查显示

4、,待机能耗占到家庭电力消耗的10%左右,仅以电视机为例,平均每台电视机的待机能耗是8.07W,按每天待机2小时大约耗电0.016度。定时开关插座能够实现定时给电器供电,在工作时间之外把电器的电源切断,这样就能解决电器的待机损耗,达到节约用电的目的。 定时开关插座是一款能在特定时间段内控制电器通、断电的开关插座。能实现100小时制时钟走时模式,可以实现100小时内的任意定时,定时时间范围最小为1分钟。 本文阐述了定时开关插座的硬件电路设计、软件算法设计, 给出了自动开关插座的设计和定型方案,它可以对家中一些需要在特定时间对电器进行自动断、通电控制,而不需要拔掉插头,减少电器的待机损耗,解决生活中

5、的一些烦恼。第2章 毕业设计的具体事项2.1 毕业设计目的通过单片机使用汇编语言设计可定时开关的插座。2.2 毕业设计任务与要求本次设计要求实现一个具有定时、按键设置及控制、定时时间显示等功能的定时开关插座，具体要求及指标如下： （1） 可以设定三组定时时间值。 （2）设定的定时时间调整范围为：099分钟。 （3）具有开始/停止操作按键。 （4）具有定时时间显示和时钟显示。2.3 毕业设计主要步骤(1) 选题、论证、文献检索(2) 开题报告书写、开题答辩(3) 方案设计与论证(4) 原理图设计(5) PCB设计与硬件制作(6) 软件设计(7) 撰写总结报告2.4 毕业设计所需仪器设备和工具(1

6、) 万用表(2) 电烙铁(3) 导线(4) 焊锡丝(5) 嵌子第3章 毕业设计方案3.1毕业设计的概述本次设计时钟电路，使用了AT89C52单片机芯片控制电路，单片机控制电路简单且省去了很多复杂的线路，使得电路简明易懂，使用键盘键上的按键来调整时钟的分、秒，用一扬声器来进行定时提醒，同时使用汇编语言程序来控制整个时钟显示，使得编程变得更容易，这样通过五个模块：继电器、键盘、芯片、扬声器、数码管显示即可满足设计要求。单片机总设计原理框图如下图所示：数码管显示键盘部分喇叭部分继电器模块3.2系统软件程序设计 这次设计可以用C语言编程序，也可以用汇编语言编程序，由于本次设计中程序涉及到定时和复杂的逻

7、辑控制，系统用C语言编写程序。此次设计所选用的单片机是AT89S52单片机，其C语言语法和结构和标准C语言基本相同，只是有了相应的扩充，用到的编译软件是Keil C。下面结合我的程序编译简要介绍以下Keil C的编译环境的特点。 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。Keil C51在使用前一定要先进行注册，否则程序过大会造成编译时出现地址使用错误。程序在编译时就遇

8、到过这种问题。在单个程序运行时没有错误，但是一整合编译后出现地址冲突现象。这个问题困扰了很长一段时间，通过查资料发现若是Keil C51软件没有注册的话使用时当程序过大就会出现地址冲突现象。在注册完成后，程序编译能顺利通过。 5.1 主程序的设计 在本次设计中，主程序主要是在单片机的控制下，对键盘的输入信息进行存储分析，驱动液晶显示出相关信息，并通过对比分析定时时间与时钟，控制继电器的通、断，从而达到控制插座的通、断电。在这个过程中，单片机首先进行初始化，包括设置单片机各个端口的方向，各个变量的初始化，液晶显示初始化、继电器断开以及单片机振荡频率的校准等。单片机每分钟对定时时间和时钟进行一次比

9、较，如果定时开始，则ray的进行加1操作，结束时ray进行减1操作，若ray为0，则继电器断开，ray非0时继电器接通。在进行定时或时钟设置时对定时时间进行判断。其具体的源程序见附录2。整个系统软件设计的流程图如图5.1所示开始初始化按键是否按下30秒内按键是否按键按下判断定时开始时间与时钟时间是否相等进入按键所指功能液晶背光灯关闭Ray变量进行加1操作，继电器接通判断定时结束时间与时钟时间是否相等Ray变量进行减1操作，若Ray为0，则继电器断开，否则继续接通 是 否 是 否 是 否 是 否 图5.1主程序软件流程图第4章 毕业设计原理4.1电源的设计 整个系统的供电电源。系统要提供稳定的直

10、流5V供单片机及其所控制的外围电路（包括液晶、键盘、继电器等）和提供220交流电给插座。在电源的设计中，用220V交流电经过变压器降压后经7805稳压后给单片机控制系统供电。7805三端稳压集成芯片有很多种型号，但是标称最大输出电流均为1.5A，在实际应用中，该最大输出电流往往取决于两个方面：（1）足够大的散热面积；（2）在设计中，必须保证7805的输入电压Vi和输出电压Vo的压差大于2.5V，即Vi-Vo=2.5V，否则会失去稳压能力。同时单片机控制系统还用6V干电池作为储备电源，当交流电源失电或者失效时，电压为6V的直流电源通过二极管投入作用，硅二极管的导通压降约为0.2V,因袭满足系统的

11、电源要求。P25接的是经5W变压器降压后的交流电。D33二极管起到保护电路的作用。发光二级DS11是指示电源是否有电压输出。Header2所接的是（由干电池提供）6V直流电的输入接口，2接正，1接负。 X78xx系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为TO-220。它有一系列的稳固电压输出，应用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。 7805使用时应该注意的事项： 在实际应用中，应在三端集成

12、稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，是其中最大输出电流为N个1.5A，但应用时需要注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的流量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。4.2显示器的选定 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一些简单的字符，而且显示信息少，需要较多位的数码管，

13、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4.3单片机的选定AT89C52单片机片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flas

14、h存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在033M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装，如图3.1所示。下面对定时开关系统中使用到的管脚进行简单说明。 图3.1 DIP-40封装AT89C52引脚图 P0口：P

15、0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不具有内部上拉电阻。 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）。 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

16、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：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3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）。 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。4.4开关的选定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

17、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

18、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（optical coupler，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。4.5有关程序的设计#include /单片机头文件unsigned char code Tab=0xC0,0xF9,0xA

19、4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;/共阳数码管码段表unsigned char Dat=0,0,0,0;/存放位数字数组sbit JDQ=P10;/定义继电器控制端引脚sbit BUZZER=P30;/定义蜂鸣器控制端引脚void sound();/声明发声子程序int i,t;/定义变量，作为循环，定时计数unsigned char tmp;/定义片选变量unsigned char Second=10,Min=0;/定义秒、分变量void Delay()/延时子程序，作为数码管显示延时 unsigned char i; for(i=0;i250;i+)

20、;void main() JDQ=0;/开始为关闭状态 EA = 1; /允许所有中断 IT0=1;EX0=1;/开外部中断和外部中断允许分开关 IT1=1;EX1=1;/开外部中断1和外部中断1允许分开关 ET0 = 1; /允许T0中断 TMOD =0x01; /T0方式1计时0.05s TH0 = -50000/256; /定时器T0的高八位 TL0 = -50000%256;/定时器T0的低八位 TR0 = 1; /启动定时器 while(1)/无限循环 tmp=0x01;/片选初值 for(i=0;i4;i+)/循环次 P2=tmp;/片选赋值 P0=TabDati; /输出某一位数

21、字的码段值 tmp=tmp1;/片选值左移一位 Delay();/调用延时 /* 定时器0中断服务子程序 */void intserv2 (void) interrupt 1 using 1 TH0= -50000/256; /定时器高八位赋值 TL0= -50000%256;/定时器低八位赋值 t+;/变量t 加 if(t=20)/20次到，即秒到 t=0;/变量t清零 Second-;/秒减 if(Second=0)/秒减到 Second=59;/秒变量设为59 Min-;/分减 if(Min=60) Min =0;void intersvr1 (void) interrupt 2 usi

22、ng 1/外部中断处理子程序 Second+; if(Second =60) Second =0;void sound()/发声子程序int i,n=200; for(i=0;i250;i+)BUZZER=1; for (i=1;in;i+); BUZZER=0; for (i=1;in;i+);4.6系统硬件电路设计 整个系统的硬件设计可以分为四个模块：电源电路、单片机最小系统及液晶显示、继电器工作电路、键盘电路。电源电路为整个系统供电，包括单片机AT89S52、继电器、键盘、LCD12232及其他外围电路。电源电路分两个部分：（1）由220V交流电经变压器和7805稳压电路转为5V直流电给

23、系统供电；（2）由4节干电池作为储备电源，在交流电失效时给系统供电，以确保单片机的正常运行。在电源电路给系统供电时，绿色指示灯点亮，只是当前供电正常。单片机最小系统部分是整个系统的智能控制部分，也是整个系统的核心部分。单片机在实现时钟的同时，也负责键盘检测，驱动液晶显示，实现定时功能，并负责控制继电器的通、断，红色指示灯的亮、灭指示继电器的通、断状态。液晶在单片机的控制下显示时钟、定时组别及定时时间的信息。继电器在单片机的控制下实现通、断，从而达到控制插座通、断电的目的。4.7Proteus的仿真第5章 毕业设计所需元器件清单编号元件名称型号规格个数（个）1单片机AT89C5112按键SB-P

24、B23数码管MBI5036GF/GP14电阻56075电阻50016电阻22017喇叭18三极管NPN99继电器1 表1 元件清单第6章 电路的组成6.1显示部分电路图在单片机应用中通常使用的是七段LED，通常的七段LED器件中有八个发光二极管，其中七个发光二极管构成七笔字型“8”，另一个发光二极管构成小数点。七段显示与单片机接口非常容易，只要将一个8位I/O口与显示的发光二极管引脚相连即可。I/O口输出不同的字节数据即可显示不同的数字或字符。LED数码管显示方式：有静态显示和动态显示2种。LED数码管在静态显示方式下，公共极连接地或+5V，每位的段选线(a-dp)与一个8位并行接口相连. 电

25、路中的每一位可独立显示,只要在该位的段选线上保持段码电平,在同一时间里每一位显示的字符可以各不相同。LED数码管动态显示用在多位LED显示中，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制（段码控制），而共阴极点或共阳极点分别由另外一组I/O口线控制（位码控制）。由于所有的段选码皆由一个I/O控制，因此，在每个瞬间，每个LED只能显示相同的字符。要想每位显示不动的字符，必须采用扫描显示方式，即在每一瞬间只有某一位显示相应字符，在此瞬间，段选码控制I/O口输出相应字符段码，位选码控制I/O口在该显示位送入选通电平以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位显示字符

26、，并保持延时一定时间，以造成视觉暂留效果，不断循环送出相应的段选取码、位选码，就可以获得视觉稳定的显示状态。动态扫描的频率有一定的要求，频率太低，LED将出现闪烁现象。如频率太高，由于每个LED点亮的时间太短，LED的亮度太低，所以一般均取几个ms左右为宜。在本设计中显示采用四位共阳LED 数码管动态显显示部分电路图6-1所示。图6-16.2按键模块图6-2如上图62所示，该键盘电路采用查询方式,利用单片机刚上电时程序就给定P1口全部高电平。当某一键按下时, 则相对应的接口就被下拉为低电平,这时MCU利用程序查询P1口上的数据,如果不是全为高电平时,就把读回的数据相与口的值,某一位出现低电平，

27、则可判断是哪个按键按下,然后调用相应的处理程序进行处理。其中模式：当地时间和定时时间设置；调整位：当地时间的分、秒和定时时间的设置；6.3继电器控制电路如图6-3如图6-3电路中由RL1继电器、Q10开关管以及被控负载。RL1继电器其工作电压为5V内部是由一个常开和一个常闭的开关组成，通电立即闭合，断电延时断开。为防止继电器中的线圈突然断电产生反向自激电流干扰总电源。Q10三极管主要起到开关的作用，倘若到了定时的时间，此时单片机的P1.0脚就会输出高电平，供给Q10三极管基极，而使Q10导通，继电器的线圈得电，其常闭开关闭合，则被控电路启动。反之，未到定时时间或定时时间已过。则P1.0为低电平，Q10截止，线圈不得电，被控电路未启动或关闭。 第7章 毕业设计总结通过3个多月的努力，让我对单片机又有了更深的认识，掌握了