《基于51单片机的不间断电源警示灯的实现8200字（论文）》

PAGE17基于51单片机的不间断电源警示灯的实现摘要本文论述了一种基于51单片机为核心控制器的不间断电源警示灯实现方法和设计原理。本次设计主要涉及了电源的测量、显示以及实现简单控制。硬件方面有五个模块，即显示模块、按键模块和警示模块、单片机主控模块、AD转换模块。J3.J4所连接的灯不间断闪烁。电池电量低于一定值时不亮。光源充足时:1.太阳能板与蓄电池共同供电J3，J4以0.5S一次交替闪烁。2.开始电池充电，监控电池充电完成度情况。若电池电压高于标准值则停止充电。若低于一定值则开始充电。在光源低于一定值时:1.停止充电。通过蓄电池供电，J3，J4以0.5一次交替闪烁。2.电池电量低于一定值时J3，J4不亮。文章最后对其发展前景进行了展望，对不间断电源警示灯设计的主要性能参数进行了测定和总结。关键词：单片机；控制；显示模块目录1绪论 11.1课题背景 11.2研究的目的及意义 11.3研究主要内容 21.4论文结构 22系统设计方案 42.1方案设计的基本思路 42.2各模块方案选型 43系统硬件电路设计 74系统软件设计 114.1主程序流程图 115系统实现与测试结果分析 146结论 171绪论1.1课题背景就当下而言，电源技术已然在社会上的各个行业之中得以广泛应用，尤其是数控电源技术因本身存在着极强的实践性特征，以至于其备受社会大众的青睐。这一技术所涉及的学科领域除了材料和电子学科之外，主要还包括系统集成等学科。广泛的应用于教学、科研等领域的直流稳压电源是电子技术常用的仪器设备之一，是电子实验研究必备的电子仪器。基于对整个电子电路的分析，可知其供电设备主要为直流电源。此类电源的组成部分主要有四：其一为220V的电源变压器；其二为稳压；其三为整流；其四为滤波，它主要存在以下几个缺陷：①功能过于简单；②不仅体积较大，而且精度较低；③控制难度大；④可靠性较低；⑤易受外界干扰等。现实中，普通直流稳压电源使用时间过长，容易产生接触不良的现象，以至于其输出大受影响。本文在稳压方式上，主要对串联型稳压电路进行了充分应用，其保护作用主要是通过对过载的限流亦或是截流来实现的。虽说其具有复杂的电路构成，但其稳压精度却不尽如人意。鉴于此，它主要在家用电器、交流电网之中得以应用。在具体的供电过程中，应首先通过变压、稳压、滤波及整流电路等，来实现交流电到稳定直流电的有效转换。其中，滤波器的主要功能在于将整流输出电压中存在的波纹过滤干净。基于对传统电路的分析，不难发现其组成部分主要有二：其一为高频扼流圈，另一为电容器。若是以晶体管滤波器来取而代之，则无需再对直流稳压器加以使用，便可直接为家用电器供电。如此不仅有利于家用电器使用成本的控制，还能在某种程度上缩小其体积，有利于家用电器小型化的顺利实现。在传统直流稳压电源的实验研究中，通常以波段开关和电位器来实现对相关电压的有效调节的。一般情况下，要确保电压的精确输出，就应充分结合波段开关以及电位器的调节作用，同时以电压表来对相应的电压值进行有效显示。正因如此，电压调节精度容易受到外界因素的影响。此时，基于单片机控制的直流稳压电源应运而生了，它的诞生可使传统稳压电源所面临的一系列问题迎刃而解。在科学和计算机技术快速发展的今天，大量的稳压电源涌入市场，其品种五花八门。这些产品大多存在以下两个方面的问题：一是输出电压波动范围的控制难度较大；二是应用于现代工业领域的工控产品，大多需要对其电压范围进行必要的调整。1.2研究的目的及意义事实上，早在十九世纪九十年代末，人们便在高效率、低功耗方面提出了极大的需求。而无论是电信，还是数据通讯设备技术的更新，无疑为交流/直流电源，乃至整个电源行业的发展创造了良好的条件，但与此同时，它们也面临着更大的挑战，如何将数字控制、嵌入式电源智能系统有机地融入到现有的系统之中，已然成为整个行业所面临的一大难题。在科技水平日新月异的今天，人们对高科技产品的推崇度始终居高不下。尤其是在直流电源技术发展速度不断加快的情况下，整流系统已然摆脱传统的集成电路控制方式，转而由微机控制方式取而代之，有利于直流电源智能化水平的进一步提升。此类技术主要具备了以下三项功能：其一为遥控测试功能；其而为遥控功能；其三为遥信功能。在科技发展速度日益加快的今天，直流电源逐渐朝着模块化的方向发展，尤其是对那些大容量化的电源产品而言，并联运行无疑成了它们重要的运行方式之一。鉴于此，我们可以利用N+1冗电源系统的设计，来有效扩展系统容量，同时促进系统真实性、可用性及可靠性的提升，并在某种程度上缩短系统的维护及维修周期，最终实现企业效益的最大化。在此，谨以扬州鼎华公司为例，在最近几年里，它积极利用美国SorensenAmrel等研发的先进技术，致力于120KW智能模块电源的研发，这一电源可对64台电源进行有效并联，实现7600KW以上的最大功率。它在电流型控制模式的基础之上，充分结合了集中式散热技术，可实现对多任务的实时监控操作，在超低辐射的情况下，具备了较高的效率和可靠性，维护过程也极具便捷性。不仅如此，它还具有极为紧凑的结构，在防腐和散热等作用方面进行了强化，针对其他大功率电源在制造、运输及维修方面存在的问题，它都可迎刃而解。相较于传统的可控硅电源，其节电幅度在20%-30%之间，这无疑为其未来的发展创造了良好的条件，综上所述，基于单片机的不间断电源警示灯设计装置具有很大的现实研究价值。1.3研究主要内容本次设计主要涉及了电源的显示、测量以及实现简单的控制。硬件方面有五个模块，即单片机主控模块、AD转换模块、按键模块和警示模块、显示模块。J3.J4所连接的灯不间断闪烁。电池电量低于一定值时不亮。光源充足时:1.太阳能板与蓄电池共同供电J3，J4以0.5S一次交替闪烁。2.开始给电池充电，充电时监控电池充电情况。若电池电压高于标准值则停止充电。若低于一定值则开始充电。在光源低于一定值时:1.停止充电。通过蓄电池供电，J3，J4以0.5一次交替闪烁。2.电池电量低于一定值时J3，J4不亮。1.4论文结构本文主要是利用单片机来完成一款不间断电源警示灯的设计任务，全文内容可大致划分为五个章节，先将其归纳如下：第1章：详细介绍了本设计基于单片机的不间断电源警示灯设计的课题研究背景，课题的研究目的以及意义、本课题研究主要内容以及论文结构。第2章：系统方案设计，介绍基于单片机的不间断电源警示灯设计的总框图，对单片机主控模块、AD转换模块、显示模块、按键模块和警示模块的选择。第3章：基于单片机的不间断电源警示灯设计的硬件设计，主要介绍系统硬件设计总原理图、单片机主控模块、AD模块、显示模块以及按键模块的设计做了详细的说明。第4章：在第四章的文字阐述中主要是对基于单片机的不间断电源警示灯设计的软件设计进行详细介绍。具体对整个基于单片机的不间断电源警示灯设计的流程图进行设计。第5章：主要阐述本文所设计的基于单片机的不间断电源警示灯设计通过Keil与Proteus软件进行仿真模拟实现设计功能并进行测试，经测试结果显示，本设计的功能成功实现。第6章：结论。

2系统设计方案2.1方案设计的基本思路本次设计主要涉及了电源的显示、测量以及简单控制的实现。硬件设计方面所设计的功能模块主要有以下五个：其一为主控模块；其二为显示模块；其三为警示模块；其四为AD模块；其五为按键模块。关于整个系统的框图情况，可参考下图2.1。图2.1系统框图2.2各模块方案选型2.2.1单片机选择在MCU的设计方面，大致有以下几种方面可供选择：方案一：CPLDCPLD又被称之为“可编程逻辑器件”，主要在各类电路的设计过程中加以应用，它有利于各类功能的扩展，并在此基础上通过并行的方式来实现相关数据的输入/输出，以此来确保数据吞吐量的较大值，而在数据处理的高带宽之下，操作系统的处理速度将随之加快。正因如此，在大规模数据控制的电路设计领域，其应用前景无疑是广阔的。但值得我们注意的是，CPLD芯片的价格相对较高，若是从经济性的角度来看，其适用性并不高。方案二：STC12C5202AD本文在具体的研究过程中，倾向于选择STC12C5202AD单片机作为最小控制系统，此类单片机内含4K容量存储器，可为广大用户的程序存储过程提供一定便利，同时还配置了32个I/O口。此类单片机不仅成本和功耗较低，而且其开发周期也相对较短，与本设计的相关要求相符。方案三：AVR此类单片机的研发者为ATMEL公司，属于增强型8位单片机的范畴，其内配置的Flash功能强大，计算机系统的指令相对简单，这些都是其优势所在。其实质是在优化计算机内部结构的基础上，来实现相关指令的大幅减少的，从而使计算机的运算速度得以大大加快。但值得我们注意的是，此系列单片机是针对字节来处理的，在位操作方面存在较大的缺陷。基于对以上各类主流单片机的比较分析，可知这四种控制器均可满足本设计所需的控制要求，但从成本控制、功耗大小、设计难度等方面综合考虑，且本次设计主要是应用于计算器系统设计，所以根据本课题的设计实际需求在单片机的选择上，使用单片机作为整个系统的控制核心，能够在稳定性和工作效率上都得到保证，所以根据本课题的设计实际需求在单片机的选择上，本设计将采用STC12C5202AD单片机作为主控系统。2.2.2显示模块选型系统之中显示功能模块的设计，主要是为了对系统设计过程中存在的噪音值进行有效显示，看其是否与相关标准要求相符，其实质是为人工校准工作提供可靠的参考依据。在显示器的选择过程中，本文将在需求分析的基础上，充分结合其性价比来进行选择，经过筛选之后，可供选择的主要有两个：一个是8位的数码管，另一个是LCD1602。后者的价格相对较低，但其单片机引脚所提供的驱动电流略显不足，有必要附加驱动芯片的设计。前者可实现32个字符的有效显示，其内不仅有驱动控制电路的设计，同时还拥有一款驱动芯片——HD44780。站在引脚占用的角度上来看，后者所占用的I/O口共计16个，前者为11个，其中包括8个数据库以及3个命令口。基于各方面因素的考虑，本文最终选择的显示模块为LCD1602，此类液晶显示器可充分发挥显示功能，其显示的字符和图形数等共计32个（2行，每行16个）。此类显示器中不仅涵盖了大量常用的中英文字符，还可将自身所需的字符加入其中，不仅显示效果良好，其焊接和插拔操作也较为便捷。2.2.3AD转换器基于对STC12C5202AD系列单片机的分析，可知其内ADC的构成部分，主要包括：①比较器；②逐次比较寄存器；③转换结果寄存器；④多路选择开关；⑤8位的DAC。此系列单片机的ADC可纳入逐次比较型的范畴，一般由两个部分组成：一个是比较器，另一个是D/A转换器。其实质是以最高位（SB）为起始点，自上而下对输入电压与D/A转换器的输出值进行比较分析，以使转换数值逐渐向模拟量的对应值逼近。基于对逐次比较型A/D转换器的分析，可知其主要具备了以下两个方面的优势：其一为转换速度快，其二为功耗相对较低。在对多路开关进行模拟的过程中，应及时向比较器反馈ADC0-7的模拟量输入部分，而后由比较器来对其与DAC转换的模拟量进行比较分析，最终结果将在依次比较器中得以存储。至于其转换结果，则将由依次比较寄存器来输出。待A/D转换操作完成，将由寄存器ADRES来对其转换结果进行保存。与此同时，程序员可通过控制寄存器ADCCONTRL中的ADC_FLAG来实现相关查询操作，亦或是中断信息的顺利发出。与此同时，还可通过ADCCONTRL中的CHS2-CHS0来确定所需的模拟通道。至于其转换速度，则需充分结合SPEED0、SPEED1来加以确定。但值得我们注意的是，要对ADC加以应用，应首先进行上电操作，其实质是在ADCPOWER位上顺利完成置位操作。

3系统硬件电路设计此基于单片机的温湿度检测装置的设计主要由五个主要的模块。3.1STC12C5202AD单片机设计此系列单片属于新一代8051单片机范畴，具有单时钟/机器周期(1T)特性，不仅运行速度快、功耗较低，而且在抗干扰能力方面，表现出色。尤其是在指令代码方面，完全可以对传统8051系列单片机进行兼容，但其速度却要快得多，甚至可以达到其8-12倍。其内已实现以下各类电路的有效集成：其一为MAX810专用复位电路；其二为2路PWM电路；其三为8路高速8位A/D转换(300K/S)电路。纵观其电机控制方面，则对一系列强干扰场合适用。关于其具体优势，可大致归纳为以下几个方面：（1）基于增强型8051的CPU，充分结合单时钟与机器周期，以至于其在指令代码方面，可实现对传统8051的有效兼容。（2）在工作电压方面，STC12C5201AD、STC12LE5201AD两个系列分别选择了5V和3V。（3）在工作频率范围的选择上，则介于0-35MHz之间，其实质与普通8051系列0～420MHz的范围相同。（4）在应用程序空间的设计方面，用户可在1K、2K、3K字节中选择，可见其灵活性较高。（5）片上集成的RAM，拥有256字节。（6）从通用I/O口方面来看，复位之后将处于准双向口/弱上拉的工作状态，现实中可将其工作模式设置为以下四种：其一为开漏模式；其二为仅输入/高阻模式；其三为准双向口/弱上拉模式；其四为推挽/强上拉模式。事实上，对任何一个I/O口而言，都具备了20mA的驱动能力，但从整个芯片的驱动能力方面来看，应控制在55mA以内。（7）在ISP/IAP的基础之上，充分结合P3.0/P3.1接口，便可顺利实现对用户程序的下载操作，无需专用编程器，无需专用仿真器。（8）有EEPROM功能.（9）看门狗。（10）内部集成MAX810的专用复位电路。（11）其内还有掉电检测电路的设计，并将低压门槛比较器设置于P1.2口，5V和3V单片机的工作电压分别为1.32V、1.3V，误差范围分别为±5%、±3%。（12）从时钟源方面来看，内外部分别采用了R/C、晶体/时钟振荡器。在用户程序的下载过程中，可以自身的实际情况为出发点选择合适的时钟源。基于常温状态，5V和3V单片机的内部振荡器频率分别为11MHz～15.5MHz、8MHz～12MHz。考虑到本设计在精度方面并未提出过高要求，因此可考虑内部时钟振荡器，但出于制造误差、温漂等方面因素的考虑，具体应结合实际测试结果。（13）内含16位定时器4个，另有定时器/计数器（可兼容8051单片机）2个。基于T0、T1这两个16位定时器，充分结合2路PCA模块，可进一步促进2个16位定时器的实现。（14）内设时钟输出口2个，可分别通过T0、T1的溢出，在P3.4/T0、P3.5/T1实现相关时钟的输出。（15）内含6路外部中断I/O口，在传统下降沿及低电平触发中断方式的基础上，PCA模块对上升沿中断方式予以了极大的支持。一般可通过外部中断方式来唤醒PowerDown模式，其中除了INT0/P3.2、INT1/P3.3之外，主要还包括T0/P3.4、T1/P3.5和RxD/P3.0，甚至还包括PCA0/P3.7、PCA1/P3.5。（16）PWM/PCA除了可充当D/A的角色之外，还能够促进2个定时器及外部中断的实现。（17）可通过A/D转换器来实现8位精度ADC的有效转换，共计8路，可实现300K/S的转换速度。（18）因STC12系列属于高速的8051范畴，因此可在通用全双工异步串行口UART）的基础之上，充分结合PCA软件以及定时器，促进多串口的实现。（19）站在工作温度范围的角度上来看，工业级介于﹣40~85℃之间，商业级则介于0~75℃之间。（2）从封装方面来看，LQFP-32,SOP-32/28/20/16,SKDIP-28，PDIP-20/18/16，LSSOP-20(超小封状6.4mm×6.4mm)LQFP/SOP32有27个I/O口，SOP28/SKDIP28有23个I/O口，SOP20/LSSOP20/PDIP20有15个I/O口，DIP18有13个I/O口，SOP16/DIP16有11个I/O口。在其数量不足的情况下，需附加2-3根普通I/O口线的外接设计，积极利用74HC164/165/595来实现对I/O口的有效扩展。与此同时，我们可以A/D来充当按键，以促进其扫描操作的顺利实现，亦或是对双CPU和三线通信方式加以利用，以便为多串口的实现创造良好的条件。3.2LCD1602显示模块整个系统的数据显示使用LCD1602液晶屏，它在现实生活中的应用范围极为广阔，究其原因，主要还在于其具备了以下几个方面优势：一是小巧玲珑，便于携带；二是选择的供电电路简单，相应工作电压为5V；三是其功耗相对较低；四是其性价比相对较高。作为字符型的液晶显示模块之一，它主要采取了点阵式的显示方式，以确保人眼的视觉效果不至于存在太大的差异性。它不仅能显示一系列阿拉伯数字，还能对英文字母及其他相关符号进行客观显示。此类液晶显示器的引脚详情，可参考下图2.6。图2.6LCD1602显示模块引脚表2LCD引脚功能表基于对单片机与LCD1602液晶显示模块各引脚的分析，可知与AT89C51单片机P2.5-P2.7这三个引脚相连的，分别是显示模块的E、RW和RS引脚，而与滑动变阻器相连的，则是显示模块的VO引脚，其主要作用在于调节显示模块的色彩对比度。除此之外，与单片机P0.1-P0.7这7个引脚相连的，分别是显示模块的RB1-RB7这7个引脚。显示模块的电路结构设计详情，可参考下图2.7。图2.7LCD1602原理图3.3电源模块设计在本系统设计中，主控模块和各分支模块所需的供电为3.3V，由于供电电源为5V的输出，所以需要设计一个5V转3.3V的电源变换模块，此模块基于一个AMS1117-3.3的电源转换芯片，具体电路设计如图3.4。图3.4电源转换模块原理图4系统软件设计4.1系统开发语言与开发工具4.1.1C语言单片机系统是整个的核心部分。代码编写利用Keil5这个EDA平台进行编写设计的。该软件工具能够使用汇编、C语言进行编程。该软件工具可用于通用控制系统的开发，例如51系列单片机控制系统、STM32控制系统、ARM控制系统等，可满足各种开发人员的要求。本次软件设计使用C语言。C语言是一种编程语言，是高级语言的一种，比汇编更容易读懂。而相对于其他计算机高级编程语言C++，java等，C语言更加接近硬件底层，代码的执行效率高，可移植性强，可以适应在各种软件平台上的移植和裁剪[8]。4.1.2KeilMDK该程序用C语言编写，在KeilMDK4.72a编译环境下编译，并使用ST-LINK进行在线仿真和刻录。美国Keil软件公司设计并开发了一款可实现与C语言之间有效兼容的软件开发系统，我们将其称之为“Keil”，这一系统内含以下各方面功能：①C编译器；②仿真调试；③软件库管理；④宏汇编等，可在C语言的编程开发中得以广泛应用。基于此系统的仿真调试功能，广大用户可将程序设计中存在的各方面问题及时发掘出来，并不断加以修改和完善。当下所使用的接口，已然从Keil1上升到了Keil5这一版本。4.1主程序流程图图4-1系统程序流程图4.2液晶显示程序设计电压实况是液晶显示程序的大致内容。其基本操作功能包括液晶初始化功能、写入命令功能、写入数据功能和写入液晶特定地址的功能。单片机严格按照液晶显示指令的顺序写入或执行指令。其流程图如图4.2所示。图4.2液晶显示程序设计流程图4.3串行口中断初始化软件设计一般情况下，我们可以通过中断方式来实现程序的串口通信，如此不仅有利于单片机资源的节约，还能确保其响应过程的实时性特征。在串口存在数据发送亦或是接收需求的情况下，它会自动将中断请求发出，此时只需将T1或R1设置为“1”。而在具体的服务过程中，数据缓冲寄存器（SBUF）将对串口数据进行存储。关于串口中断服务流程情况，可参考下图3.2：图3.2串口中断流程图4.4定时器0初始化在定时器的初始化操作过程中，应切实以自身的实际需求为出发点，将定时器的工作方式明确下来，在对其初值进行准确计算的基础上，正式将定时器启动，并使其进入中断服务状态。关于定时器（T0）的初始化程序，可大致归纳如下：voidT0_time()interrupt1 //定时器{ TH0=a; TL0=b; u++; if(u>=64) u=0;}4.5时钟初始化关于时钟初始化操作的具体程序，可大致归纳如下：voidinitclock() //时钟初始化{ TMOD=0x01; TH0=a; TL0=b; EA=1; ET0=1; TR0=1;}

5系统实现与测试结果分析在本章中主要对系统进行软件仿真和实物制作与测试结果进行分析，分析此系统设计方案是否正确可行。5.1系统仿真结果分析基于前文对软硬件设计内容的详细介绍，可知本文在基于单片机的不间断电源警示灯设计方面的