智能插座控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

1 智能插座控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案 課題研究背景 能插座的現(xiàn)狀 智能插座控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：目前市場(chǎng)上的排插功能太簡(jiǎn)單，有時(shí)滿足不了人們需要！比如我們經(jīng)常遇到的就是電動(dòng)車充電問(wèn)題，電動(dòng)車充電時(shí)間通常是 8個(gè)小時(shí)左右，太長(zhǎng)則容易損耗電池，太短則充不滿，如果在晚上充電，又經(jīng)常不想從家里出來(lái)到車庫(kù)去給車充電，或者白天充電了，晚上不想下車庫(kù)或者忘了拔電等等，造成很大的不方便。本著這一思想于是提出了本課題，第一利用單片機(jī)，直流控制交流繼電器等部件實(shí)現(xiàn)排插的定時(shí)開(kāi)關(guān)功能（比如，什么時(shí)候接通，接通多久時(shí)間后斷開(kāi)），第二提供語(yǔ)音服務(wù)功能，比如播放音樂(lè)，如使用這一排插控制電飯煲，則在作飯時(shí)還可以享受音樂(lè)的服務(wù)。智能插座控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)全部是基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)。智能插座可以用于所有家庭電器，比如電動(dòng)車，手機(jī)，電腦，等等。因此研究智能插座有很大的實(shí)用意義。 智能插座已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛用于個(gè)人家庭以及一些公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)極大的方便。由于單片機(jī)控制電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使智能插座具有定時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。 能插座發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,由于單片機(jī)具有優(yōu)異的性能價(jià)格比，集成度高、體積小、可靠性高，控制功能強(qiáng)，低電壓、低功耗等特點(diǎn)， 成品價(jià)格的下降，越來(lái)越被廣大群眾所接受，這種新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，勢(shì)必在 日常 生活中產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 由單片機(jī)為核心的控制器控制現(xiàn)在排插 其主要 特點(diǎn) ： 1、 具有定時(shí) 。當(dāng)前有的產(chǎn)品 使用也相對(duì)方便，多個(gè)電器設(shè)備可以同時(shí)使用。但是在使用的過(guò)程中具有一定的局限性。現(xiàn)在生活水平的提高，城市人口的聚集，多數(shù)居住在高樓大廈，這給像電瓶車一樣的較大需充電設(shè)備帶來(lái)一定的麻煩。在車庫(kù)充電完成 2 需要下樓拔掉電源或因時(shí)間長(zhǎng)久忘記切斷電源等等，帶來(lái)一些不 便。智能插座則具有定時(shí)功能，根據(jù)充電需要自行設(shè)置充電時(shí)間。 2、 具有語(yǔ)音功能 。 可根據(jù)需要選擇語(yǔ)音播放。 3、 采用數(shù)碼管顯示技術(shù)，準(zhǔn)確顯示定時(shí)時(shí)間，使用更加方便 。 4、 制作簡(jiǎn)單 ， 成本低。采用單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)功能， 節(jié)約了大量線材和人工費(fèi)用，也不用技術(shù)專家指導(dǎo)，普通用戶可自行安裝， 一步到位。 當(dāng)我們只有充分了解了 單片機(jī) 的發(fā)展趨勢(shì)，并掌握 插座 的知識(shí)，才能在這一行業(yè)更好更有力的發(fā)展。 設(shè)計(jì)的市場(chǎng)前景 使用單片機(jī)技術(shù)完善現(xiàn)有插座功能，滿足人們的需求，目前市場(chǎng)還沒(méi)有出現(xiàn)這個(gè)產(chǎn)品，很有競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)了解，目前市 場(chǎng)上排插的功能單一，我們只要在現(xiàn)有的排插上安裝一個(gè)由單片機(jī)控制的控制器就可以了。也就是說(shuō)， 第一利用單片機(jī)，直流控制交流繼電器等部件實(shí)現(xiàn)排插的定時(shí)開(kāi)關(guān)功能（比如，什么時(shí)候接通，接通多久時(shí)間后斷開(kāi)），另一個(gè)提供語(yǔ)音服務(wù)功能，比如播放音樂(lè)，如使用這一排插控制電飯煲，則在作飯時(shí)還可以享受音樂(lè)的服務(wù)。 在設(shè)計(jì)時(shí)要注意的是電路控制模塊要足夠小，選擇好相應(yīng)的器件，以方便地進(jìn)行安裝。 3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及分析 機(jī)控制系統(tǒng)介紹 微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，即由微型機(jī)與其它器件和裝置適當(dāng)連接起來(lái)的所謂硬件，在軟件的操 作下協(xié)調(diào)運(yùn)行執(zhí)行預(yù)定的測(cè)量或控制任務(wù)。 當(dāng)今社會(huì)，由于電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，它促進(jìn)了微型計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。可以說(shuō)，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門。國(guó)防技術(shù)、航空、航天、鐵路、冶金、化工等產(chǎn)業(yè)自不必說(shuō)，就連日常生活中也用上了微機(jī)控制的電梯、微波爐、電冰箱、電視機(jī)、電扇、智能照相機(jī)、玩具、模糊控制洗衣機(jī)、模糊控制空調(diào)機(jī)、攜帶式心臟監(jiān)護(hù)器等，所有這些智能機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)，無(wú)不是微機(jī)測(cè)控技術(shù)的成功應(yīng)用。而由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)正是其中相當(dāng)重要的一項(xiàng)。 機(jī)控 制系統(tǒng)的組成 3 微機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。 硬件是微機(jī)控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它在軟件的協(xié)調(diào)配合下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能控制，完成控制任務(wù)。硬件包括 :主機(jī)、外部設(shè)備、編碼器和譯碼器、鍵盤按鈕和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出通道、接口電路和電源?？刂葡到y(tǒng)的軟件，指的是它的全部程序，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。 統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求及性能以及考慮到使用的可能性，智能插座的主要功能是定時(shí)作用，使日常使用的需充電的電器設(shè)備在充電中更加方便。插座的功能即是在電器完成定時(shí)充電以后插座能自行切斷電源。因此對(duì)于 智能插座的設(shè)計(jì)可以理解為設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)構(gòu)成的定時(shí)器。 硬件電路主要包括主控制器，定時(shí)與顯示電路，鍵盤電路等。主控制器采用單片機(jī) 示電路采用共陽(yáng)極 設(shè)計(jì)采用 其能精確定時(shí)。利用中斷系統(tǒng)使其能實(shí)現(xiàn)開(kāi)始暫停得功能。 個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，分別實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，時(shí)調(diào)節(jié)，分調(diào)節(jié)，語(yǔ)音，暫停功能。電路的基本要求是正確性，其次是布局 =合 理，最后在這兩點(diǎn)下要求美觀。 在設(shè)計(jì)時(shí)要注意的是電路控制模塊要足夠小，選擇好相應(yīng)的器件，以方便地進(jìn)行安裝。 圖 能說(shuō)明圖 4 基于單片機(jī)的智能插座的硬件設(shè)計(jì)部分 片機(jī)的選擇 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片控制開(kāi)關(guān) 單片機(jī) 數(shù) 碼 管 位 驅(qū) 動(dòng) 4 機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn) 稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器 和 I/此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 單片機(jī)經(jīng)過(guò) 1、 2、 3、 3代的發(fā)展， 正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量、強(qiáng) I/發(fā)展趨勢(shì)不外乎以下幾個(gè)方面： 1、多功能 單片機(jī)中盡可能地把所需要的存儲(chǔ)器和 I/得單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。比如 A/D、 編程計(jì)數(shù)器陣列）、 視定時(shí)器高速 I/比較邏輯等。 有的單片 機(jī)針對(duì)某一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，集成了相關(guān)的控制設(shè)備，以減少應(yīng)用系統(tǒng)的芯片數(shù)量。例如，有的芯片以 51內(nèi)核為核心，集成了 口、*I*位單片機(jī)中。 2、高效率和高性能 為了提高執(zhí)行速度和執(zhí)行效率，單片機(jī)開(kāi)始使用 水線和 設(shè)計(jì)技術(shù)，使單片機(jī)的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：?jiǎn)纹瑱C(jī)的時(shí)鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機(jī)運(yùn)行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機(jī)的尋址能力、片內(nèi) 由于系統(tǒng)資源和系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，開(kāi)始使用高級(jí)語(yǔ)言（如 開(kāi)發(fā)單片機(jī)的程序。使用高級(jí)語(yǔ)言可以降低開(kāi)發(fā) 難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)軟件的可讀性和可移植性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充功能。 3、低電壓和低功耗 單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用決定了低電壓和低功耗的特性十分重要。由于 多單片機(jī)可以在更低的電壓下工作（ 功耗已經(jīng)降低到些特性使得單片機(jī)系統(tǒng)可以在更小電源的支持下工作更長(zhǎng)的時(shí)間。 4、低價(jià)格 單片機(jī)應(yīng)用面 廣，使用數(shù)量大，帶來(lái)的直接好處就是成本的降低。目前世界各大公司為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，在提高單片機(jī)性能的同時(shí)，十分注意降低其產(chǎn)品的價(jià)格。 下面大致介紹一下單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域和特點(diǎn)。 5 （ 1）家用電器領(lǐng)域 用單片機(jī)控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字控制電路，使家用電器（如洗衣機(jī)、空調(diào)、冰箱、微波爐、和電視機(jī)等）功能更完善，更加智能化和易于使用。 （ 2）辦公自動(dòng)化領(lǐng)域 單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代辦公設(shè)備，如計(jì)算機(jī)的鍵盤、磁盤驅(qū)動(dòng)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、電話機(jī)和傳真機(jī)等。 （ 3）商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域 商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)部分 與家用和辦公應(yīng)用系統(tǒng)相似，但更加注重設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和安全性。商用系統(tǒng)中廣泛使用的電子計(jì)量?jī)x器、收款機(jī)、條形碼閱讀器、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和冷凍保鮮系統(tǒng)等，都采用了單片機(jī)構(gòu)成的專用系統(tǒng)。與通用計(jì)算機(jī)相比，這些系統(tǒng)由于比較封閉，可以更有效地防止病毒和電磁干擾等，可靠性更高。 （ 4）工業(yè)自動(dòng)化 在工業(yè)控制和機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，除了采用工控計(jì)算機(jī)外，很多都是以單片機(jī)為核心的單片機(jī)和多機(jī)系統(tǒng)。 （ 5）智能儀表與集成智能傳感器 目前在各種電氣測(cè)量?jī)x表中普遍采用了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，使得測(cè)量系統(tǒng)具有存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、查詢及聯(lián)網(wǎng)等智能功能。將單片機(jī)和傳感器相結(jié)合，可以構(gòu)成新一代的智能傳感器。它將傳感器變換后的物理量作進(jìn)一步的變化和處理，使其成為數(shù)字信號(hào)，可以遠(yuǎn)距離傳輸并與計(jì)算機(jī)接口。 （ 6）現(xiàn)代交通與航空航天領(lǐng)域 通常應(yīng)用于電子綜合顯示系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)等。這些領(lǐng)域?qū)w積、功耗、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求往往比商用系統(tǒng)還要高，因此采用單片機(jī)系統(tǒng)更加重要。 目前，我國(guó)生產(chǎn)很多型號(hào)的單片機(jī)，在此，我們采用型號(hào)為 單片機(jī)。 第一， 片機(jī)采用 低了制造成本，其軟件、硬件與 第二， 序存儲(chǔ)器， 128字節(jié)的片內(nèi) 第三， 允許工作的時(shí)鐘為 0 24 第四， 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所以它不需要 類的引腳。 6 第五， 有 20個(gè)引腳，它只繼承了 8031最重要的引腳，體積小巧。 片機(jī)的基本性能及結(jié)構(gòu) 要性能 8位單片機(jī) ,它具有如下主要特性： 和 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 耐久性： 1,000寫擦除周期 6 全靜態(tài)操作： 024 兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 1288 位內(nèi)部 15 根可編程 I/O 引線 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 六個(gè)中斷源 可編程串行 道 直接 片內(nèi)模擬比較器 低功耗空載和掉電方式 片的 20 個(gè)引腳及功能 圖 引腳圖 ( &T/ ( ( ( ( ( 0 9 8 7 6 5 11 2 13 7 1. 源電壓。 2. 。 3. 位雙向 I/引腳 反相輸入（ 0 1” 時(shí) ,其可用作輸入端。當(dāng) 引腳 它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流 ( 4. 。I/3口緩沖器可吸收 20 1” 時(shí) ,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時(shí) ,被外部拉低的 引腳將用上拉電阻而流出電流 ( 各種功能 ,如下表 1所示。 5. 位輸入。 所有的 I/1” 。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時(shí) ,持續(xù)給出 一個(gè)機(jī)器周期需 12個(gè)振蕩器或時(shí)鐘周期。 6. 為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入。 7. 為振蕩器反相放大器的輸出。 表 3口引腳 功能 行輸入端口 ) 行輸出端口 ) 中斷 0) 中斷 1) 時(shí)器 0外部輸入 ) 時(shí)器 1外部輸入 ) 部結(jié)構(gòu) 低電壓 ,高性能 8位 圖 1所示， 它采用 51指令集和引腳結(jié)構(gòu)兼容。通過(guò)在單塊芯片上組合通用的 一強(qiáng)勁的微型計(jì)算機(jī) ,它對(duì)許多嵌入式控制應(yīng)用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。 8 128 8 址寄存器 P 中斷控制定時(shí) /計(jì)數(shù)器串行 I/.，。 存器 鎖存器 寄存器 B 累加器 A 指令寄存器 存器 1 暫存器 2 指令譯碼器 時(shí)與控制 程序狀態(tài)字 據(jù) 指 針沖器 程序計(jì)數(shù)器 C 增 1 程序地址寄存器 9 圖 此外 ,從 構(gòu)圖也可看出 ,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致（除模擬比較器外） ,引腳 1系列單片機(jī)相應(yīng)引腳一致 ,但 0個(gè)引腳的芯片 ,引腳如圖 1所示 ,與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比可發(fā)現(xiàn) , ,使它最大可能地減少了對(duì)外引腳 ,因而芯片尺寸有所減少。 軟硬件約束 限制，沒(méi)有設(shè)置外部存儲(chǔ)器的接口，所以，對(duì)于外部存儲(chǔ)器的讀 /寫指令如 由于 以，對(duì)于跳轉(zhuǎn)指令要注意轉(zhuǎn)移的目的地址范圍（ 000H7,超出地址范圍時(shí)，將產(chǎn)生不可遇見(jiàn)的錯(cuò)誤結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的范圍是（ 00H 7堆棧操作時(shí)亦應(yīng)加以注意。 模擬比較器的輸入信號(hào)經(jīng)原來(lái)的 以原來(lái)的 無(wú)法再外部使用。模擬比較器可以方便的比較兩個(gè)模擬電壓的大小，若外接一個(gè) D/由模擬比較器的另一個(gè)輸入端引 入被測(cè)電壓，通過(guò)軟件的方法也可以實(shí)現(xiàn) A/ 存儲(chǔ)器編程 允許在線修改或使用專用編程器編程。 a 個(gè)加密位，可以編程（ P）或不編程（ U）以獲得不同的加密功能。加密功能表如表 表 a） 加密位內(nèi)容的擦除只能通過(guò)片擦除操作來(lái)完成。 P U U P P 密功能 無(wú)加密功能 禁止對(duì) 禁止對(duì) 禁止程序校驗(yàn) U 10 b 儲(chǔ) 器的編程和程序校驗(yàn) （ 1） （ b）所示。 表 b） 注：內(nèi)部 00H，并由 腳正脈沖執(zhí)行計(jì)數(shù)； 片擦除需要 10 編程期間 拉低來(lái)指示 c. 片機(jī)的片內(nèi) 上電次序是在 浮其它引腳，等待大于 10 在 腳加高電平； 在 經(jīng) 000 升高 2 使 程一個(gè)字節(jié)或加密位； 校驗(yàn)已被編程數(shù)據(jù)，使 2H”并設(shè) 置 以在 進(jìn)行下一地址單元的字節(jié)編程，在 一脈沖，使地址計(jì)數(shù)器加 1，在 重復(fù)步驟 ，完成整個(gè) 2 下電次序?yàn)椋涸O(shè)置 L” ,浮空其它 I/閉 (3)編程及校驗(yàn)電路如圖 c） d）所示。 模式 寫入代碼數(shù)據(jù) 讀出代碼數(shù)據(jù) 寫加密位 加密位 片擦除 讀信號(hào)字節(jié) 2V 12V 12V 12V H H H H H H H H H H H H H H H L L L L L L L L L L L L 1 +5V 5V 11 說(shuō)明幾點(diǎn)： （ 1） 編程期間 拉低來(lái)指示 （ 2）單片擦除需要 10 （ 3）內(nèi)部 址計(jì)數(shù)器在 00H，并由 腳正脈沖執(zhí)行計(jì)數(shù)。 能插座的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 能插座的硬件系統(tǒng)具體電路設(shè)計(jì) 本課題要運(yùn)用 時(shí)選用 74盤模塊、繼電器模塊、復(fù)位電路模塊、晶振電路模塊等構(gòu)成外圍電路 來(lái)完成 智能插座控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)， 并協(xié)作軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)課題所要求的功能。 系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計(jì) 位電路模塊 數(shù)碼管顯示模 塊 時(shí) 時(shí) 鐘 模 塊 圖 統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 晶 振 電 路 按 鍵 控 制 掃 描 模 塊 991 圖 c） 編程電路 圖 d） 校驗(yàn)電路 12 單片機(jī)與其它微處理器一樣，在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使 從初態(tài)開(kāi)始工作。 89系列單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)是從 腳輸入到芯片內(nèi)部的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如 于一個(gè)機(jī)器周期包含 6個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)是 2個(gè)振蕩周期，所以也就是 24個(gè)振蕩周期），則 如采用 12 么復(fù)位時(shí)間大約是 12 S。復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分 片機(jī)復(fù)位信號(hào)高電平有效 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 系統(tǒng)的晶振電路設(shè)計(jì) 13 圖 晶振電路 有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反響放大器，引腳 別是該放大器的輸入端 和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體或者陶瓷諧振器及電容 2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對(duì)外接電容 2雖然沒(méi)有嚴(yán)格要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩(wěn)定性，起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性！ 因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為 30 F。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 系統(tǒng)的繼電器電路設(shè)計(jì) 繼電器 (是一種電門，但與一般開(kāi)關(guān)不同，繼電器并非以機(jī)械方式控制，而是一種以電磁力來(lái)控制切換方向的電門。當(dāng)線圈通電后，會(huì)使中心的軟鐵核心產(chǎn)生磁性，將橫向的擺臂吸下，而臂的右側(cè)則迫使電門接點(diǎn)相接，使兩接點(diǎn)形成通路。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 單片機(jī)是一個(gè)弱電器件 ,一般情況下它們大都工作 在 5V 甚至更低 以下 ,顯然是不行的 就要有一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)銜接 ,這個(gè)環(huán)節(jié)就是所謂的 功率驅(qū)動(dòng) 單的功率驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié) 繼電器驅(qū)動(dòng)含有兩個(gè)意思 :一是對(duì)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng) ,因?yàn)槔^電器本身對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)就是一個(gè)功率器件 ;還有就是繼電器去驅(qū)動(dòng)其他負(fù)載 ,比如繼電器可以驅(qū)動(dòng)中間繼電 14 器 ,可以直接驅(qū)動(dòng)接觸器 ,所以 ,繼電器驅(qū)動(dòng)就是單片機(jī)與其他大功率負(fù)載接口 三極管是電子電路里很重要的一個(gè)元件 用 ,一個(gè)是開(kāi)關(guān)作用 .(嚴(yán)格來(lái)講開(kāi)關(guān)作用是放大作用的極限情況 ,不過(guò)沒(méi)關(guān)系 ,把兩者分開(kāi) ,更便于理解它的工作原理 )我們只了解它跟本電路有關(guān)的開(kāi)關(guān)作用 . 圖 繼電器電路 要理解這個(gè)電路 ,其實(shí)也比較容易 。 首先的 ,里面的三極管很重要 。 三極管是電子電路里很重要的一個(gè)元件 ， 簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)三極管有兩個(gè)作用 ： 一個(gè)是放大作用 ,一個(gè)是開(kāi)關(guān)作用 (嚴(yán)格來(lái)講開(kāi)關(guān)作用是放大作用的極限情況 ,不過(guò)沒(méi)關(guān)系 ,把兩者分開(kāi) ,更便于理解它的工作原理 )。 在這里 ,我們只了解它跟本電路有關(guān)的開(kāi)關(guān)作用 。 首先把三極管想成一個(gè)水龍頭 。 上面 的 是水池 ,繼電器是一個(gè)水輪機(jī) ,下面的 剛才說(shuō)過(guò) ,三極管就是水龍頭 ,它的把手就是那個(gè)帶有電阻的引腳 。 現(xiàn)在 ,單片機(jī)的某一個(gè)需要控制這個(gè)繼電器電路的輸出引腳就是一只 手 ,當(dāng)單片機(jī)的這個(gè)引腳輸出低電平的時(shí)候 ,就像 手 在打開(kāi)三極管 水龍頭 ,水就從上往下流 ,繼電器 水輪機(jī) 就開(kāi)始轉(zhuǎn)起來(lái)了 。 反之 ,如果是輸出高電平 ,手 就開(kāi)始關(guān) 水龍頭 ,繼電器 水輪機(jī) 因?yàn)闆](méi)有水流下來(lái) ,就會(huì)停止 。 這就是三極管的開(kāi)關(guān)作用 。 簡(jiǎn)單的理解和記憶就是 :三極管是一個(gè)開(kāi)關(guān)器件 ,其實(shí)你真的可以將它看成是一個(gè)開(kāi)關(guān) , 15 只不過(guò)它不是用手來(lái)控制 ,而是用電壓 (電流 )來(lái)控制的 ,因此 ,三極管有些時(shí)候也被稱做電子開(kāi)關(guān) (與機(jī)械開(kāi)關(guān)相區(qū)別 )。 圖上還有一個(gè)東西 就是 繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管 ,起到吸收反向電動(dòng)勢(shì)的功能，保護(hù)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)三極管 ,只要是用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器的場(chǎng)合 ,一般都有它的存在 。 需要特別注意的是它的接法 :并聯(lián)在繼電器兩端 ， 陰極一定是接 這里繼電器由相應(yīng)的 極管來(lái)驅(qū)動(dòng)，開(kāi)機(jī)時(shí)，單片機(jī)初始化后的 高電平， 5 伏電源通過(guò)電阻使三極管導(dǎo)通，所以開(kāi)機(jī)后繼電器始終處于吸合狀態(tài)，如果我們?cè)诔绦蛑薪o單片機(jī)一條： 應(yīng)三極管的基極就會(huì)被拉低到零伏左右，使相應(yīng)的三極管截至，繼電器就會(huì)斷電釋放，每個(gè)繼電器都有一個(gè)常開(kāi)轉(zhuǎn)常閉的接點(diǎn)，便于在其他電路中使用 。 如圖 ， ， +5極管、二極管以及電阻構(gòu)成了繼電器線 圈兩端的控制電路，當(dāng) 為低電平時(shí)，通過(guò)三極管的發(fā)射極接地，使得二極管截止，繼電器的電磁鐵的線圈不會(huì)通電，其觸點(diǎn)不會(huì)接觸在一起； 極管被導(dǎo)通 ，繼電器的電線圈會(huì)通電，其觸點(diǎn)會(huì)接觸在一起，于是就會(huì)形成通路。 繼電器部分電路的作用就是通過(guò)單片機(jī)的控制其通斷， 當(dāng)光頻轉(zhuǎn)換器工作，即當(dāng)外部有光照時(shí)，使單片機(jī)開(kāi)始工作。當(dāng)外部沒(méi)有光照時(shí)，使得單片機(jī)停止對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)。提高了單片機(jī)的工作效率。同時(shí)，也降低了功耗。 根據(jù)電路的需要和實(shí)際情況選擇 列 ， 型 號(hào) 為 ： 繼電器，其具體的參數(shù)如下： 外形尺寸（ LWH ） 重 量 ： 2g 觸點(diǎn)參數(shù)：觸點(diǎn)形式： 2C（ 觸點(diǎn)負(fù)載： 2 抗： 50額定電流： 2A 電氣壽命： 10 萬(wàn)回 機(jī)械壽命： 1 億回 線圈參數(shù)： 阻值 (士 10%)： 45 線圈功耗： 20016 額定電壓： V 吸合電壓： 放電壓： 作溫度： +85 絕緣電阻： 1000線圈與觸點(diǎn)間耐壓： 1000分鐘 觸點(diǎn)與觸點(diǎn)間耐壓： 1000分鐘 系統(tǒng)的鍵盤電路設(shè)計(jì) （ 1）方案選擇： 方案一：矩陣鍵盤，其按鍵觸點(diǎn)接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電路交叉處，每當(dāng)按下一個(gè)鍵時(shí)，通過(guò)該鍵將行、 列母線相通。若在行、列母線中把行母線逐行置 0，那么列母線就用來(lái)做信號(hào)輸入線。 方案二：獨(dú)立鍵盤，如圖 示。每個(gè)鍵都有一根信號(hào)線與單片機(jī)電路相連，所有按鍵都有一個(gè)公共地或公共正端，每個(gè)鍵相互獨(dú)立互不影響。當(dāng)按下一個(gè)鍵時(shí)，無(wú)論其它鍵是否被按下，信號(hào)線由 1 變?yōu)?0；當(dāng)松開(kāi)此鍵時(shí)，無(wú)論其它鍵是否被按下，信號(hào)線由 0 變?yōu)?1。根據(jù)本次設(shè)計(jì)十幾情況按鍵使用較少，所以采取方案二獨(dú)立按鍵。 圖 鍵盤電路 （ 2） 獨(dú)立式按鍵工作原理 用 I 個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根 I ，每根 I 一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)著個(gè)端口輸入，每一個(gè)按鍵都有一個(gè)按鍵電路來(lái)判斷其是否按下。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 17 （ 1） 時(shí)鐘芯片 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路 要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通 （ 2） 時(shí)鐘芯片 1） 美國(guó) 功耗 、帶 可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 用三線接口與 可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或 1 8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的 增加了主電源 /后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。圖 a）所示出其中 主電源 關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 2是振蕩源，外接 片選線，通過(guò)把 先， 許地址 /命令序列送入移位寄存器；其次， 有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì) 果在傳送過(guò)程中會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/電運(yùn)行時(shí)，在 有在 能將 (雙向 )，后面有詳細(xì)說(shuō)明。 （ a） 腳圖 18 圖 (b) 2） 各引腳的功能為： 電源； 份電源。當(dāng) ，由 行時(shí)鐘，輸入； I/O：三線接口時(shí)的雙向數(shù)據(jù)線； 入信號(hào)，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個(gè)功能：第一， 訪問(wèn)移位寄存器的控制邏輯；其次， 3） 下列幾組寄存器： 間的寄存器共有 12個(gè)，其中有 7個(gè)寄存器（讀時(shí) 81h 8時(shí) 80h 8存放的數(shù)據(jù)格式為 形式，如 表 1） 所示。 讀寄存器 寫寄存器 圍 81h 80h 0秒 秒 00 59 83h 82h 10秒 分 00 59 85h 84h 12/24 0 10 時(shí) 時(shí) 1 12/0 2 M 87h 86h 0 0 10日 日 1 31 89h 88h 0 0 0 10月 月 1 12 8 0 0 0 0 周日 1 7 80年 年 00 99 8P 0 0 0 0 0 0 0 表 1） 19 間的寄存器 ： 小時(shí)寄存器（ 85h、 84h）的位 7用于定義 2小時(shí)模式還是 24小時(shí)模式。當(dāng)為高時(shí)，選擇 12小時(shí)模式。在 12小 時(shí)模式時(shí)，位 5是，當(dāng)為 1時(shí)，表示 24小時(shí)模式時(shí)，位 5是第二個(gè) 10 小時(shí)位。 秒寄存器（ 81h、 80h）的位 7定義為時(shí)鐘暫停標(biāo)志（ 當(dāng)該位置為 1時(shí)，時(shí)鐘振蕩器停止， 于低功耗狀態(tài)；當(dāng)該位置為 0時(shí)，時(shí)鐘開(kāi)始運(yùn)行。 控制寄存器（ 88位 7是寫保護(hù)位（ 其它 7位均置為 0。在任何的對(duì)時(shí)鐘和 。當(dāng) 時(shí)，寫保護(hù)位防止對(duì)任一寄存器的寫操作。 1字節(jié)靜態(tài) 2） 所示。 讀地址 寫地址 數(shù)據(jù)范圍 2h 003h 005h 00 00 2） 所謂突發(fā)模式是指一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和 發(fā)模式寄存器如 )所示。 工作模式寄存器 讀寄存器 寫寄存器 時(shí)鐘突發(fā)模式寄存器 ) 此外， 有充電寄存器等。 4） 讀寫時(shí)序說(shuō)明 線驅(qū)動(dòng)方式。它不僅要向寄存器寫入控制字，還需要讀取相應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)。 要想與 信，首先要先了解 控制字。 20 表 4） 。 7 6 5 4 3 2 1 0 1 4 2 0 k 4） 。 （ 1）控制字的最高有效位（位 7）必須是邏輯 1，如果它為 0，則不能把數(shù)據(jù)寫入到 （ 2） 位 6：如果為 0，則表示存取日歷時(shí)鐘數(shù)據(jù)，為 1表示存取 （ 3） 位 5至位 1（ 指示操作單元的地址； （ 4） 位 0（最低有效位）：如為 0，表示要進(jìn)行寫操作，為 1表示進(jìn)行讀操作。 控制字總是從最低位開(kāi)始輸出。在控制字指令輸入后的下一個(gè) 鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入 據(jù)輸入從最低位（ 0位）開(kāi)始。同樣，在緊跟 8位的控制字指令后的下一個(gè) 出 出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序如圖 )。 圖 ) 數(shù)據(jù)讀寫時(shí)序 圖 （ 3） 時(shí)鐘芯片 21 圖 c） 在調(diào)試程序時(shí)可以不加電容器，只加一個(gè) 晶振即可。只是選擇晶振時(shí)，不同的晶振，誤差也較大。 可以使用北京衛(wèi)信杰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的 10位多功能 8段液晶顯示模塊 含看門狗 (時(shí)鐘發(fā)生器及兩種頻率的蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，并有內(nèi)置顯示 顯示任意字段筆劃，具有 3 4線串行接口，可與任何單片機(jī)、 耗低，顯示狀態(tài)時(shí)電流為 2 A (典型值 )，省電模式時(shí)小于 1 A，工作電壓為 示清晰。 顯示電路設(shè)計(jì) （ 1） 態(tài)顯示選擇 方案一 ： 顯示電路通常采用液晶顯示和數(shù)碼管顯示，對(duì)于一般的段式液晶屏需要專門的驅(qū)動(dòng)電路，而且液晶作為一種被動(dòng)顯示，可視性差，不適合遠(yuǎn)距離觀看，對(duì)于具有驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)借口的液晶顯示模塊一般采用并行接口。對(duì)單片機(jī)的接口要求較高，占用資源多。另外單片機(jī)沒(méi)有專門的液晶驅(qū)動(dòng)接口。 方案二： 數(shù)碼管作為一種主動(dòng)的顯示器件，具有亮度高，相應(yīng)速度快，防潮防濕性能好，溫度特性極好價(jià)格便宜，易于購(gòu)買等優(yōu)點(diǎn)而且具有遠(yuǎn)距離顯示效果，很適合夜間或遠(yuǎn)距離操作。因此本設(shè)計(jì)采用 8段數(shù)碼管作為顯示介質(zhì)。 數(shù)碼管顯示可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。由于本設(shè)計(jì)采用五位數(shù)碼管顯示時(shí)間，如果采用靜態(tài)顯示則站用的接口線多，硬件電路復(fù)雜，所以采用動(dòng)態(tài)顯示。 （ 2） 態(tài)顯示 該模塊主要由 接口電路是把所有的 個(gè)筆畫段A G， 每一個(gè)數(shù)碼管的公共端 。 有顯示器接受到相同的字型碼，但究竟是哪個(gè)顯示器亮取決于 這一端是由 I/2 一位。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的 各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。1 2 3 4 5 6i t u m b e r R e v i s i o nS i z a t e : 2 4 - M a y - 2 0 0 9 S h e e t o f F i l e : C : D o c u m e n t s a n d S e tt i n g s A d m i n i s t r a t o r 桌面 x f . d d bD r a w n B y :5 8 8 D（ a ）共陰極 （ b ）共陽(yáng)極 （ c ）管腳配置圖 a） 示模塊 在輪流點(diǎn)亮掃描的過(guò)程中，每位顯示管的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的，約 1由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給 人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。 本設(shè)計(jì)顯示部分采用共陽(yáng)極 碼管的引腳圖以及接線圖見(jiàn)圖 a）所示。 （ 3） 動(dòng) 74有在清除端保持高電平時(shí)，才具有鎖存功能，鎖存控制端為 11腳 用上升沿鎖存。 1D 81Q 8脈沖觸發(fā)，低電平清除，常用作 8位地址鎖存器。由于 15個(gè) I/ 即 3口， 單 15個(gè) I/8位 是不夠的， 我們通過(guò)一片面 74 用于驅(qū)動(dòng) 位段碼， 8位 a g段連在一起 。 23 圖 a） 示驅(qū)動(dòng) （ 4 ）顯示電路 圖 b） 顯示電路 24 動(dòng)態(tài)顯示電路由顯示?？欤中未a驅(qū)動(dòng)模塊。自位 驅(qū)動(dòng)模塊三部分組成。圖所示為本系統(tǒng)的 6 為 態(tài)顯示器接口電路。 6 個(gè)數(shù)碼管 8 段選線的分別與驅(qū)動(dòng)芯片接單片機(jī) 控制也和另一驅(qū)動(dòng)芯片接單片機(jī) 語(yǔ)音電路設(shè)計(jì) 在很多的單片機(jī)系統(tǒng)中除了顯示器件外經(jīng)常還有發(fā)聲器件。蜂鳴器一般用于一些要求不高的聲音報(bào)警及按鍵操作提示音場(chǎng)合。蜂鳴器外形如圖 a）所示。 圖 a） 蜂鳴器實(shí)物圖 蜂鳴器和普通揚(yáng)聲器相比，最重要的一個(gè)特點(diǎn)是只要按照極性要求加上合適的直流電壓，就可以發(fā)出固有頻率的聲音，因此使用起來(lái)比揚(yáng)聲 器簡(jiǎn)單。由此可知，蜂鳴器的控制和 雖然蜂鳴器的控制和 在外圍硬件電路上卻有所不同，因?yàn)榉澍Q器是一個(gè)感性負(fù)載，一般不建議用單片機(jī) I/以最好加個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管，在要求較高的場(chǎng)合還會(huì)加上 3保護(hù)二極管。b）所示。 圖 b） 蜂鳴器電路圖 25 5. 軟件部分設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由單片機(jī) 用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要實(shí)現(xiàn)的功能是： 把單片機(jī)控制技術(shù)、鍵盤掃描與顯示有機(jī)的結(jié)合起來(lái)， 運(yùn)用繼電器、鍵 盤按鈕等完成基于單片機(jī) 能插座系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) , 實(shí)現(xiàn)的功能包括通過(guò)單片機(jī)控制電路實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能并在顯示電路中顯示定時(shí)時(shí)間。其軟件流程圖如 5 圖 6件流程圖 秒脈沖發(fā)生器是由定時(shí)器 6位計(jì)數(shù)器模式，當(dāng) 變?yōu)槿?0時(shí)產(chǎn)生中斷，本程序中 約 斷一次。這里使用的晶振頻率為 統(tǒng)產(chǎn)生 中斷后， 首先保存 值，然后為 裝初值，判斷中斷次數(shù)是否小于 100，是則轉(zhuǎn)出中斷服務(wù)，反之則為秒計(jì)數(shù)器加 1，秒計(jì)數(shù)器如果大于 59，則為分計(jì)數(shù)器加 1， 同時(shí)秒計(jì)數(shù)器清 0。 同樣分計(jì)數(shù)器如大于 59則為時(shí)計(jì)數(shù)器加 1，同時(shí)分計(jì)數(shù)器清 0，時(shí)計(jì)數(shù)器如大于 23則清 0并轉(zhuǎn)出中斷服務(wù)。 00次的時(shí)間剛好為 1秒鐘。 主 程 序 上 電 復(fù) 位 輪 流 顯 示 預(yù) 設(shè) 時(shí) 間到否 有鍵按下 判 斷 鍵 值 相 應(yīng) 處 理 相 應(yīng) 處 理 26 上電復(fù)位過(guò)程：首先 ， 位置 1，低 3位置 0。設(shè)置定時(shí)器 作于 16 位計(jì)數(shù)器模式，并賦初值 000H，關(guān)閉外部中斷和串行口中斷，時(shí)間計(jì)數(shù)器 ，所有預(yù)置時(shí)間存儲(chǔ)區(qū)全部賦值 此所有初始化工作完成。主程序工作過(guò)程：首先循環(huán)進(jìn)行六個(gè)數(shù)碼管掃描顯示（ 然后比較所有預(yù)置時(shí)間（ ）是否與當(dāng)前時(shí)間相等，如相等則轉(zhuǎn)向相應(yīng)處理程序。在比較完成（或處理完成）后判斷有無(wú)按鍵（ 沒(méi)有則返回繼續(xù)顯示、比較、判斷；有按鍵則轉(zhuǎn)向相應(yīng)處理程序。按鍵轉(zhuǎn)移采用偏移量加表格跳轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移法（ 簡(jiǎn)單、明了。預(yù)置時(shí)間比較則采用逐一比較法， 即對(duì)每一個(gè)預(yù)置值進(jìn)行比較， 如相等則做相應(yīng)處理。具體比較時(shí)（ 比較 如不相等則直接轉(zhuǎn)出并置“時(shí)間到”標(biāo)志 ，如 置該標(biāo)志為 1。本程序在顯示及按鍵處理 （設(shè)置過(guò)程） 中巧妙使用 存器作為公用地址寄存工具，對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)間和預(yù)置時(shí)間的顯示和修改調(diào)用同一程序完成，使源代碼長(zhǎng)度大大縮短，提高了程序的可讀性和運(yùn)行效率。 6. 單片機(jī)硬軟件調(diào)試 件、軟件調(diào)試 （ 1）硬件調(diào)試 根據(jù)設(shè)計(jì)的原理