智能插座控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

1 智能插座控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案 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：目前市場上的排插功能太簡單，有時滿足不了人們需要！比如我們經(jīng)常遇到的就是電動車充電問題，電動車充電時間通常是 8個小時左右，太長則容易損耗電池，太短則充不滿，如果在晚上充電，又經(jīng)常不想從家里出來到車庫去給車充電，或者白天充電了，晚上不想下車庫或者忘了拔電等等，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，直流控制交流繼電器等部件實現(xiàn)排插的定時開關(guān)功能（比如，什么時候接通，接通多久時間后斷開），第二提供語音服務(wù)功能，比如播放音樂，如使用這一排插控制電飯煲，則在作飯時還可以享受音樂的服務(wù)。智能插座控制系統(tǒng)的實現(xiàn)全部是基于單片機的設(shè)計。智能插座可以用于所有家庭電器，比如電動車，手機，電腦，等等。因此研究智能插座有很大的實用意義。 智能插座已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛用于個人家庭以及一些公共場所，給人們的生活、學習、工作、娛樂帶來極大的方便。由于單片機控制電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進的石英技術(shù)，使智能插座具有定時準確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點。 能插座發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展 ,由于單片機具有優(yōu)異的性能價格比，集成度高、體積小、可靠性高，控制功能強，低電壓、低功耗等特點， 成品價格的下降，越來越被廣大群眾所接受，這種新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，勢必在 日常 生活中產(chǎn)生深遠的影響。 由單片機為核心的控制器控制現(xiàn)在排插 其主要 特點 ： 1、 具有定時 。當前有的產(chǎn)品 使用也相對方便，多個電器設(shè)備可以同時使用。但是在使用的過程中具有一定的局限性?，F(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)備帶來一定的麻煩。在車庫充電完成 2 需要下樓拔掉電源或因時間長久忘記切斷電源等等，帶來一些不 便。智能插座則具有定時功能，根據(jù)充電需要自行設(shè)置充電時間。 2、 具有語音功能 。 可根據(jù)需要選擇語音播放。 3、 采用數(shù)碼管顯示技術(shù)，準確顯示定時時間，使用更加方便 。 4、 制作簡單 ， 成本低。采用單片機就可以實現(xiàn)功能， 節(jié)約了大量線材和人工費用，也不用技術(shù)專家指導(dǎo)，普通用戶可自行安裝， 一步到位。 當我們只有充分了解了 單片機 的發(fā)展趨勢，并掌握 插座 的知識，才能在這一行業(yè)更好更有力的發(fā)展。 設(shè)計的市場前景 使用單片機技術(shù)完善現(xiàn)有插座功能，滿足人們的需求，目前市場還沒有出現(xiàn)這個產(chǎn)品，很有競爭力。據(jù)了解，目前市 場上排插的功能單一，我們只要在現(xiàn)有的排插上安裝一個由單片機控制的控制器就可以了。也就是說， 第一利用單片機，直流控制交流繼電器等部件實現(xiàn)排插的定時開關(guān)功能（比如，什么時候接通，接通多久時間后斷開），另一個提供語音服務(wù)功能，比如播放音樂，如使用這一排插控制電飯煲，則在作飯時還可以享受音樂的服務(wù)。 在設(shè)計時要注意的是電路控制模塊要足夠小，選擇好相應(yīng)的器件，以方便地進行安裝。 3 系統(tǒng)方案設(shè)計及分析 機控制系統(tǒng)介紹 微機控制系統(tǒng)或微機測控系統(tǒng)，即由微型機與其它器件和裝置適當連接起來的所謂硬件，在軟件的操 作下協(xié)調(diào)運行執(zhí)行預(yù)定的測量或控制任務(wù)。 當今社會，由于電子技術(shù)和微型計算機的迅速發(fā)展，它促進了微型計算機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用?？梢哉f，微機測控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國民經(jīng)濟的各個部門。國防技術(shù)、航空、航天、鐵路、冶金、化工等產(chǎn)業(yè)自不必說，就連日常生活中也用上了微機控制的電梯、微波爐、電冰箱、電視機、電扇、智能照相機、玩具、模糊控制洗衣機、模糊控制空調(diào)機、攜帶式心臟監(jiān)護器等，所有這些智能機電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)，無不是微機測控技術(shù)的成功應(yīng)用。而由單片機實現(xiàn)控制系統(tǒng)正是其中相當重要的一項。 機控 制系統(tǒng)的組成 3 微機控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。 硬件是微機控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它在軟件的協(xié)調(diào)配合下運行，實現(xiàn)系統(tǒng)功能控制，完成控制任務(wù)。硬件包括 :主機、外部設(shè)備、編碼器和譯碼器、鍵盤按鈕和執(zhí)行機構(gòu)、開關(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)計方案 根據(jù)設(shè)計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充電以后插座能自行切斷電源。因此對于 智能插座的設(shè)計可以理解為設(shè)計一個由單片機構(gòu)成的定時器。 硬件電路主要包括主控制器，定時與顯示電路，鍵盤電路等。主控制器采用單片機 示電路采用共陽極 設(shè)計采用 其能精確定時。利用中斷系統(tǒng)使其能實現(xiàn)開始暫停得功能。 個按鈕開關(guān)，分別實現(xiàn)計時，時調(diào)節(jié)，分調(diào)節(jié)，語音，暫停功能。電路的基本要求是正確性，其次是布局 =合 理，最后在這兩點下要求美觀。 在設(shè)計時要注意的是電路控制模塊要足夠小，選擇好相應(yīng)的器件，以方便地進行安裝。 圖 能說明圖 4 基于單片機的智能插座的硬件設(shè)計部分 片機的選擇 單片機微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是頗具生命力的機種。單片控制開關(guān) 單片機 數(shù) 碼 管 位 驅(qū) 動 4 機微型計算機簡 稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。 通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：中央處理器、存儲器 和 I/此，單片機只需要和適當?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。 單片機經(jīng)過 1、 2、 3、 3代的發(fā)展， 正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價格、大存儲容量、強 I/發(fā)展趨勢不外乎以下幾個方面： 1、多功能 單片機中盡可能地把所需要的存儲器和 I/得單片機可以實現(xiàn)更多的功能。比如 A/D、 編程計數(shù)器陣列）、 視定時器高速 I/比較邏輯等。 有的單片 機針對某一個應(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，單片機開始使用 水線和 設(shè)計技術(shù)，使單片機的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：單片機的時鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機運行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機的尋址能力、片內(nèi) 由于系統(tǒng)資源和系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，開始使用高級語言（如 開發(fā)單片機的程序。使用高級語言可以降低開發(fā) 難度，縮短開發(fā)周期，增強軟件的可讀性和可移植性，便于改進和擴充功能。 3、低電壓和低功耗 單片機的嵌入式應(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系統(tǒng)可以在更小電源的支持下工作更長的時間。 4、低價格 單片機應(yīng)用面 廣，使用數(shù)量大，帶來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爭力，在提高單片機性能的同時，十分注意降低其產(chǎn)品的價格。 下面大致介紹一下單片機的主要應(yīng)用領(lǐng)域和特點。 5 （ 1）家用電器領(lǐng)域 用單片機控制系統(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、空調(diào)、冰箱、微波爐、和電視機等）功能更完善，更加智能化和易于使用。 （ 2）辦公自動化領(lǐng)域 單片機作為嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代辦公設(shè)備，如計算機的鍵盤、磁盤驅(qū)動、打印機、復(fù)印機、電話機和傳真機等。 （ 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量儀器、收款機、條形碼閱讀器、安全監(jiān)測系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和冷凍保鮮系統(tǒng)等，都采用了單片機構(gòu)成的專用系統(tǒng)。與通用計算機相比，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)自動化 在工業(yè)控制和機電一體化控制系統(tǒng)中，除了采用工控計算機外，很多都是以單片機為核心的單片機和多機系統(tǒng)。 （ 5）智能儀表與集成智能傳感器 目前在各種電氣測量儀表中普遍采用了單片機應(yīng)用系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量系統(tǒng)，使得測量系統(tǒng)具有存儲、數(shù)據(jù)處理、查詢及聯(lián)網(wǎng)等智能功能。將單片機和傳感器相結(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一步的變化和處理，使其成為數(shù)字信號，可以遠距離傳輸并與計算機接口。 （ 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)、動力監(jiān)控系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運行監(jiān)視系統(tǒng)等。這些領(lǐng)域?qū)w積、功耗、穩(wěn)定性和實時性的要求往往比商用系統(tǒng)還要高，因此采用單片機系統(tǒng)更加重要。 目前，我國生產(chǎn)很多型號的單片機，在此，我們采用型號為 單片機。 第一， 片機采用 低了制造成本，其軟件、硬件與 第二， 序存儲器， 128字節(jié)的片內(nèi) 第三， 允許工作的時鐘為 0 24 第四， 數(shù)據(jù)存儲器，所以它不需要 類的引腳。 6 第五， 有 20個引腳，它只繼承了 8031最重要的引腳，體積小巧。 片機的基本性能及結(jié)構(gòu) 要性能 8位單片機 ,它具有如下主要特性： 和 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲器 耐久性： 1,000寫擦除周期 6 全靜態(tài)操作： 024 兩級加密程序存儲器 1288 位內(nèi)部 15 根可編程 I/O 引線 兩個 16位定時器 /計數(shù)器 六個中斷源 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 ,其可用作輸入端。當 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 ,它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可用作輸入端。用作輸入時 ,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” 。當振蕩器正在運行時 ,持續(xù)給出 一個機器周期需 12個振蕩器或時鐘周期。 6. 為振蕩器反相放大器的輸入和內(nèi)部時鐘發(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) 時器 0外部輸入 ) 時器 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。通過在單塊芯片上組合通用的 一強勁的微型計算機 ,它對許多嵌入式控制應(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 /計數(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 時與控制 程序狀態(tài)字 據(jù) 指 針沖器 程序計數(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系列單片機相應(yīng)引腳一致 ,但 0個引腳的芯片 ,引腳如圖 1所示 ,與 8051內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行對比可發(fā)現(xiàn) , ,使它最大可能地減少了對外引腳 ,因而芯片尺寸有所減少。 軟硬件約束 限制，沒有設(shè)置外部存儲器的接口，所以，對于外部存儲器的讀 /寫指令如 由于 以，對于跳轉(zhuǎn)指令要注意轉(zhuǎn)移的目的地址范圍（ 000H7,超出地址范圍時，將產(chǎn)生不可遇見的錯誤結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲的范圍是（ 00H 7堆棧操作時亦應(yīng)加以注意。 模擬比較器的輸入信號經(jīng)原來的 以原來的 無法再外部使用。模擬比較器可以方便的比較兩個模擬電壓的大小，若外接一個 D/由模擬比較器的另一個輸入端引 入被測電壓，通過軟件的方法也可以實現(xiàn) A/ 存儲器編程 允許在線修改或使用專用編程器編程。 a 個加密位，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)容的擦除只能通過片擦除操作來完成。 P U U P P 密功能 無加密功能 禁止對 禁止對 禁止程序校驗 U 10 b 儲 器的編程和程序校驗 （ 1） （ b）所示。 表 b） 注：內(nèi)部 00H，并由 腳正脈沖執(zhí)行計數(shù)； 片擦除需要 10 編程期間 拉低來指示 c. 片機的片內(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 程一個字節(jié)或加密位； 校驗已被編程數(shù)據(jù)，使 2H”并設(shè) 置 以在 進行下一地址單元的字節(jié)編程，在 一脈沖，使地址計數(shù)器加 1，在 重復(fù)步驟 ，完成整個 2 下電次序為：設(shè)置 L” ,浮空其它 I/閉 (3)編程及校驗電路如圖 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 說明幾點： （ 1） 編程期間 拉低來指示 （ 2）單片擦除需要 10 （ 3）內(nèi)部 址計數(shù)器在 00H，并由 腳正脈沖執(zhí)行計數(shù)。 能插座的硬件系統(tǒng)設(shè)計 能插座的硬件系統(tǒng)具體電路設(shè)計 本課題要運用 時選用 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 來完成 智能插座控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計， 并協(xié)作軟件設(shè)計實現(xiàn)課題所要求的功能。 系統(tǒng)的復(fù)位電路設(shè)計 位電路模塊 數(shù)碼管顯示模 塊 時 時 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） 校驗電路 12 單片機與其它微處理器一樣，在啟動時都需要復(fù)位，使 從初態(tài)開始工作。 89系列單片機的復(fù)位信號是從 腳輸入到芯片內(nèi)部的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如 于一個機器周期包含 6個狀態(tài)，每個狀態(tài)是 2個振蕩周期，所以也就是 24個振蕩周期），則 如采用 12 么復(fù)位時間大約是 12 S。復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，以防電源開關(guān)或電源插頭分 片機復(fù)位信號高電平有效 圖 單片機復(fù)位電路 系統(tǒng)的晶振電路設(shè)計 13 圖 晶振電路 有一個用于構(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。對外接電容 2雖然沒有嚴格要求，但電容容量的大小會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，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，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 繼電器 (是一種電門，但與一般開關(guān)不同，繼電器并非以機械方式控制，而是一種以電磁力來控制切換方向的電門。當線圈通電后，會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)則迫使電門接點相接，使兩接點形成通路。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)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。 單片機是一個弱電器件 ,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 就要有一個環(huán)節(jié)來銜接 ,這個環(huán)節(jié)就是所謂的 功率驅(qū)動 單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié) 繼電器驅(qū)動含有兩個意思 :一是對繼電器進行驅(qū)動 ,因為繼電器本身對于單片機來說就是一個功率器件 ;還有就是繼電器去驅(qū)動其他負載 ,比如繼電器可以驅(qū)動中間繼電 14 器 ,可以直接驅(qū)動接觸器 ,所以 ,繼電器驅(qū)動就是單片機與其他大功率負載接口 三極管是電子電路里很重要的一個元件 用 ,一個是開關(guān)作用 .(嚴格來講開關(guān)作用是放大作用的極限情況 ,不過沒關(guān)系 ,把兩者分開 ,更便于理解它的工作原理 )我們只了解它跟本電路有關(guān)的開關(guān)作用 . 圖 繼電器電路 要理解這個電路 ,其實也比較容易 。 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元件 ， 簡單的來說三極管有兩個作用 ： 一個是放大作用 ,一個是開關(guān)作用 (嚴格來講開關(guān)作用是放大作用的極限情況 ,不過沒關(guān)系 ,把兩者分開 ,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)的開關(guān)作用 。 首先把三極管想成一個水龍頭 。 上面 的 是水池 ,繼電器是一個水輪機 ,下面的 剛才說過 ,三極管就是水龍頭 ,它的把手就是那個帶有電阻的引腳 。 現(xiàn)在 ,單片機的某一個需要控制這個繼電器電路的輸出引腳就是一只 手 ,當單片機的這個引腳輸出低電平的時候 ,就像 手 在打開三極管 水龍頭 ,水就從上往下流 ,繼電器 水輪機 就開始轉(zhuǎn)起來了 。 反之 ,如果是輸出高電平 ,手 就開始關(guān) 水龍頭 ,繼電器 水輪機 因為沒有水流下來 ,就會停止 。 這就是三極管的開關(guān)作用 。 簡單的理解和記憶就是 :三極管是一個開關(guān)器件 ,其實你真的可以將它看成是一個開關(guān) , 15 只不過它不是用手來控制 ,而是用電壓 (電流 )來控制的 ,因此 ,三極管有些時候也被稱做電子開關(guān) (與機械開關(guān)相區(qū)別 )。 圖上還有一個東西 就是 繼電器線圈兩端反相并聯(lián)的二極管 ,起到吸收反向電動勢的功能，保護相應(yīng)的驅(qū)動三極管 ,只要是用三極管驅(qū)動繼電器的場合 ,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 極管來驅(qū)動，開機時，單片機初始化后的 高電平， 5 伏電源通過電阻使三極管導(dǎo)通，所以開機后繼電器始終處于吸合狀態(tài)，如果我們在程序中給單片機一條： 應(yīng)三極管的基極就會被拉低到零伏左右，使相應(yīng)的三極管截至，繼電器就會斷電釋放，每個繼電器都有一個常開轉(zhuǎn)常閉的接點，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 為低電平時，通過三極管的發(fā)射極接地，使得二極管截止，繼電器的電磁鐵的線圈不會通電，其觸點不會接觸在一起； 極管被導(dǎo)通 ，繼電器的電線圈會通電，其觸點會接觸在一起，于是就會形成通路。 繼電器部分電路的作用就是通過單片機的控制其通斷， 當光頻轉(zhuǎn)換器工作，即當外部有光照時，使單片機開始工作。當外部沒有光照時，使得單片機停止對光信號的檢測。提高了單片機的工作效率。同時，也降低了功耗。 根據(jù)電路的需要和實際情況選擇 列 ， 型 號 為 ： 繼電器，其具體的參數(shù)如下： 外形尺寸（ LWH ） 重 量 ： 2g 觸點參數(shù)：觸點形式： 2C（ 觸點負載： 2 抗： 50額定電流： 2A 電氣壽命： 10 萬回 機械壽命： 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線圈與觸點間耐壓： 1000分鐘 觸點與觸點間耐壓： 1000分鐘 系統(tǒng)的鍵盤電路設(shè)計 （ 1）方案選擇： 方案一：矩陣鍵盤，其按鍵觸點接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電路交叉處，每當按下一個鍵時，通過該鍵將行、 列母線相通。若在行、列母線中把行母線逐行置 0，那么列母線就用來做信號輸入線。 方案二：獨立鍵盤，如圖 示。每個鍵都有一根信號線與單片機電路相連，所有按鍵都有一個公共地或公共正端，每個鍵相互獨立互不影響。當按下一個鍵時，無論其它鍵是否被按下，信號線由 1 變?yōu)?0；當松開此鍵時，無論其它鍵是否被按下，信號線由 0 變?yōu)?1。根據(jù)本次設(shè)計十幾情況按鍵使用較少，所以采取方案二獨立按鍵。 圖 鍵盤電路 （ 2） 獨立式按鍵工作原理 用 I 個獨立式按鍵單獨占有一根 I ，每根 I 一個按鍵對應(yīng)著個端口輸入，每一個按鍵都有一個按鍵電路來判斷其是否按下。 時鐘電路設(shè)計 17 （ 1） 時鐘芯片 實時時鐘電路 要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護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） 時鐘芯片 1） 美國 功耗 、帶 可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為 用三線接口與 可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 1 8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的 增加了主電源 /后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。圖 a）所示出其中 主電源 關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。 2是振蕩源，外接 片選線，通過把 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 果在傳送過程中會終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/電運行時，在 有在 能將 (雙向 )，后面有詳細說明。 （ a） 腳圖 18 圖 (b) 2） 各引腳的功能為： 電源； 份電源。當 ，由 行時鐘，輸入； I/O：三線接口時的雙向數(shù)據(jù)線； 入信號，在讀、寫數(shù)據(jù)期間，必須為高。該引腳有兩個功能：第一， 訪問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，其中有 7個寄存器（讀時 81h 8時 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 時 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 ： 小時寄存器（ 85h、 84h）的位 7用于定義 2小時模式還是 24小時模式。當為高時，選擇 12小時模式。在 12小 時模式時，位 5是，當為 1時，表示 24小時模式時，位 5是第二個 10 小時位。 秒寄存器（ 81h、 80h）的位 7定義為時鐘暫停標志（ 當該位置為 1時，時鐘振蕩器停止， 于低功耗狀態(tài)；當該位置為 0時，時鐘開始運行。 控制寄存器（ 88位 7是寫保護位（ 其它 7位均置為 0。在任何的對時鐘和 。當 時，寫保護位防止對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字節(jié)的時鐘信號和 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 時鐘突發(fā)模式寄存器 ) 此外， 有充電寄存器等。 4） 讀寫時序說明 線驅(qū)動方式。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，表示要進行寫操作，為 1表示進行讀操作。 控制字總是從最低位開始輸出。在控制字指令輸入后的下一個 鐘的上升沿時，數(shù)據(jù)被寫入 據(jù)輸入從最低位（ 0位）開始。同樣，在緊跟 8位的控制字指令后的下一個 出 出的數(shù)據(jù)也是從最低位到最高位。數(shù)據(jù)讀寫時序如圖 )。 圖 ) 數(shù)據(jù)讀寫時序 圖 （ 3） 時鐘芯片 21 圖 c） 在調(diào)試程序時可以不加電容器，只加一個 晶振即可。只是選擇晶振時，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 (時鐘發(fā)生器及兩種頻率的蜂鳴器驅(qū)動電路，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、 耗低，顯示狀態(tài)時電流為 2 A (典型值 )，省電模式時小于 1 A，工作電壓為 示清晰。 顯示電路設(shè)計 （ 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，對于一般的段式液晶屏需要專門的驅(qū)動電路，而且液晶作為一種被動顯示，可視性差，不適合遠距離觀看，對于具有驅(qū)動電路和單片機借口的液晶顯示模塊一般采用并行接口。對單片機的接口要求較高，占用資源多。另外單片機沒有專門的液晶驅(qū)動接口。 方案二： 數(shù)碼管作為一種主動的顯示器件，具有亮度高，相應(yīng)速度快，防潮防濕性能好，溫度特性極好價格便宜，易于購買等優(yōu)點而且具有遠距離顯示效果，很適合夜間或遠距離操作。因此本設(shè)計采用 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)顯示和動態(tài)顯示兩種。由于本設(shè)計采用五位數(shù)碼管顯示時間，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 個筆畫段A G， 每一個數(shù)碼管的公共端 。 有顯示器接受到相同的字型碼，但究竟是哪個顯示器亮取決于 這一端是由 I/2 一位。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 各個顯示器輪流點亮。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 ）共陽極 （ c ）管腳配置圖 a） 示模塊 在輪流點亮掃描的過程中，每位顯示管的點亮時間是極為短暫的，約 1由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，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)，不會有閃爍感。 本設(shè)計顯示部分采用共陽極 碼管的引腳圖以及接線圖見圖 a）所示。 （ 3） 動 74有在清除端保持高電平時，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 I/ 即 3口， 單 15個 I/8位 是不夠的， 我們通過一片面 74 用于驅(qū)動 位段碼， 8位 a g段連在一起 。 23 圖 a） 示驅(qū)動 （ 4 ）顯示電路 圖 b） 顯示電路 24 動態(tài)顯示電路由顯示?？?，字形碼驅(qū)動模塊。自位 驅(qū)動模塊三部分組成。圖所示為本系統(tǒng)的 6 為 態(tài)顯示器接口電路。 6 個數(shù)碼管 8 段選線的分別與驅(qū)動芯片接單片機 控制也和另一驅(qū)動芯片接單片機 語音電路設(shè)計 在很多的單片機系統(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警及按鍵操作提示音場合。蜂鳴器外形如圖 a）所示。 圖 a） 蜂鳴器實物圖 蜂鳴器和普通揚聲器相比，最重要的一個特點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，因此使用起來比揚聲 器簡單。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，因為蜂鳴器是一個感性負載，一般不建議用單片機 I/以最好加個驅(qū)動三極管，在要求較高的場合還會加上 3保護二極管。b）所示。 圖 b） 蜂鳴器電路圖 25 5. 軟件部分設(shè)計 本系統(tǒng)由單片機 用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要實現(xiàn)的功能是： 把單片機控制技術(shù)、鍵盤掃描與顯示有機的結(jié)合起來， 運用繼電器、鍵 盤按鈕等完成基于單片機 能插座系統(tǒng) 的設(shè)計 , 實現(xiàn)的功能包括通過單片機控制電路實現(xiàn)定時功能并在顯示電路中顯示定時時間。其軟件流程圖如 5 圖 6件流程圖 秒脈沖發(fā)生器是由定時器 6位計數(shù)器模式，當 變?yōu)槿?0時產(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)，反之則為秒計數(shù)器加 1，秒計數(shù)器如果大于 59，則為分計數(shù)器加 1， 同時秒計數(shù)器清 0。 同樣分計數(shù)器如大于 59則為時計數(shù)器加 1，同時分計數(shù)器清 0，時計數(shù)器如大于 23則清 0并轉(zhuǎn)出中斷服務(wù)。 00次的時間剛好為 1秒鐘。 主 程 序 上 電 復(fù) 位 輪 流 顯 示 預(yù) 設(shè) 時 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)位過程：首先 ， 位置 1，低 3位置 0。設(shè)置定時器 作于 16 位計數(shù)器模式，并賦初值 000H，關(guān)閉外部中斷和串行口中斷，時間計數(shù)器 ，所有預(yù)置時間存儲區(qū)全部賦值 此所有初始化工作完成。主程序工作過程：首先循環(huán)進行六個數(shù)碼管掃描顯示（ 然后比較所有預(yù)置時間（ ）是否與當前時間相等，如相等則轉(zhuǎn)向相應(yīng)處理程序。在比較完成（或處理完成）后判斷有無按鍵（ 沒有則返回繼續(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（ 簡單、明了。預(yù)置時間比較則采用逐一比較法， 即對每一個預(yù)置值進行比較， 如相等則做相應(yīng)處理。具體比較時（ 比較 如不相等則直接轉(zhuǎn)出并置“時間到”標志 ，如 置該標志為 1。本程序在顯示及按鍵處理 （設(shè)置過程） 中巧妙使用 存器作為公用地址寄存工具，對實時時間和預(yù)置時間的顯示和修改調(diào)用同一程序完成，使源代碼長度大大縮短，提高了程序的可讀性和運行效率。 6. 單片機硬軟件調(diào)試 件、軟件調(diào)試 （ 1）硬件調(diào)試 根據(jù)設(shè)計的原理