基于52單片機無線控制多功能電源

1、摘要中國是一個各行各業(yè)都不斷發(fā)展的國家，隨著科技的進步，生活質量的迅速提高，人們對電力的需求也越來越大。據(jù)中國能源局數(shù)據(jù)顯示，2013年全國用電量為53223億千瓦時，同比增長7.5%，2014年全國用電量為55233億千瓦時，同比增加3.8%，2015年全國用電量為55500億千瓦時，同比增加0.5%，以上數(shù)據(jù)說明了全國耗電量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，由此可見，節(jié)約用電的重要意義。傳統(tǒng)的電源因為插拔麻煩等諸多因素，不僅不能有效的節(jié)能，而且使用不方便。因此，節(jié)能、便捷、綠色將是今后電源的發(fā)展趨勢。鑒于此，本文提出了一種無線控制多功能電源的方案。它是由中央處理模塊、無線模塊、穩(wěn)壓模塊、電壓電流采集模塊

2、、繼電器模塊以及顯示模塊構成。本文采用STC89C52C中心處理數(shù)據(jù)，HC-05藍牙模塊實現(xiàn)無線通信，LM2596對電源進行穩(wěn)壓，PF8591和LCD12864分別對電壓電流進行采集和顯示。本設計實現(xiàn)了手機端對電源的無線控制，實現(xiàn)了對常用直流穩(wěn)壓電源的切換，實現(xiàn)了對電源的即時開關，實現(xiàn)了對負載的監(jiān)控，實現(xiàn)了電流電壓顯示的功能。本文設計的無線控制多用電源系統(tǒng)具有便捷、節(jié)能、直觀等特點。所以，基于51單片機無線控制的多用電源具有一定的現(xiàn)實意義和廣闊的應用前景。關鍵詞：多用電源，無線控制，單片機AbstractFor China the most populous country, has a ve

3、ry important role in our lives. According to China's energy administration, according to data from the 2013 national power consumption is 5.3223 trillion KWH, up 7.5% from a year earlier, in 2014 the national electricity consumption is 5.5233 trillion KWH, year-on-year increase of 3.8%, in 2015

4、the national electricity consumption is 5.55 trillion KWH, year-on-year increase of 0.5%, by the above data visible power consumption showed a trend of increasing year by year, therefore, save electricity is of great importance.The traditional power supply for insertion of trouble, and many other fa

5、ctors, not only can't effective energy saving, and it is not convenient for use.The future power will toward the direction of energy saving, convenient and green.In view of this, this paper introduces the design of a multi-purpose power supply, it is determined by the central processing module,

6、wireless module, voltage regulator module, voltage current acquisition module and display module.Not only implements the mobile terminal wireless control of the power supply, commonly used the design of dc regulated power supply, real-time switch power supply, and realize the function of the current

7、 voltage display.Multi-purpose power wireless control system has the characteristics of convenient, energy saving, intuitive.So, based on 51 single chip wireless control of multi-purpose power supply has a certain practical significance and broad application prospects.  Key words: multi-functio

8、n power ,Wireless control ,Single chip microcomputer4目 錄摘要1Abstract2引 言11 緒論21.1 課題研究的背景及意義21.2 電源國內外研究現(xiàn)狀21.3 課題研究的關鍵問題及解決的辦法32 總體方案設計與確定52.1 設計要求52.2 方案簡述52.3 方案論證63 硬件系統(tǒng)設計73.1 中央處理模塊73.1.1 串行口結構及原理83.1.2 I2C總線93.2 穩(wěn)壓模塊93.3 繼電器模塊133.4 顯示模塊133.4.1 液晶芯片的選擇143.4.2 顯示原理143.4.3 顯示模塊硬件設計153.5 電流電壓采集模塊153

9、.5.1 電流采集設計173.5.2 電壓采集設計183.5.3 AD轉換原理193.6 無線模塊193.6.1 通信方式213.6.2 通信協(xié)議223.7 過載提醒模塊234 軟件系統(tǒng)設計244.1 軟件總體設計244.2 無線發(fā)送接收部分254.3 按鍵檢測及鍵值確定部分294.4 繼電器控制部分314.5 AD采集模塊軟件設計324.6 采集結果顯示部分334.7 系統(tǒng)測試354.7.1 開發(fā)環(huán)境介紹354.7.2 測試過程364.7.3 測試結果36結 論39參 考 文 獻40附錄A 程序部分源代碼42附錄B 原理圖46致 謝47- 2 - 引 言隨著電子技術的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用

10、領域越來越廣泛，電子設備的種類也越來越多，電子設備與人們的工作、生活的關系益密切。任何電子設備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電源是電子設備的心臟部分,其質量的好壞直接影響著電子設備的可靠性，而且電子設備的故障60%來自源，因此，電源越來越受到人們的重視。目前，大多數(shù)用電器的開關都是手動控制的，在使用過程中存在著諸多的不便。針對這個問題，本文提出了一種多功能無線遙控電源的設計方案。其可以通過手機藍牙實現(xiàn)對電器的遙控功能，省時省力，從而使人們免除為了控制用電器而東跑西轉的煩惱。本文采用單片機STC89C52RC為核心，外加藍牙收發(fā)、繼電器的驅動等電路組成,實現(xiàn)無線多路遙控電源的設

11、計功能。1 緒論1.1 課題研究的背景及意義 中國是一個人口大國，又是一個各行各業(yè)都不斷發(fā)展的發(fā)展中國家，由于人們物質文化的日益豐富，生活質量迅速提高，對電力的需求也越來越大。所以，節(jié)約用電一直是國家所倡導的一項政策。隨著時代的發(fā)展，數(shù)字電源技術已經普及到我們生活中的各個領域。在現(xiàn)代社會電源技術尤其是數(shù)控電源技術是一門實踐性很強的工程技術，服務于各行各業(yè)。電力電子技術是電能的最佳應用技術之一。當今電源技術融合了電氣、電子、系統(tǒng)集成、控制理論、材料等諸多學科領域。隨著計算機和通訊技術發(fā)展而來的現(xiàn)代信息技術革命，給電力電子技術提供了廣闊的發(fā)展前景，同時也給電源提出了更高的要求。隨著數(shù)控電源在電子裝

12、置中的普遍使用，普通電源在工作時會造成電量的浪費。電源在使用時會造成很多不便。目前國內大多數(shù)家用電器的開關是手動控制的，在使用過程中人們往往會忘記關電源或者是因為插拔電源麻煩等原因，而在無形之中增加了每個家庭的耗電量。我國最主要的發(fā)電方式是煤炭發(fā)電，這就意味著不僅是電力的浪費，而且會因此間接導致環(huán)境的污染。因此節(jié)能、便捷、綠色的電源是為人們所期待的。為了解決這個問題，本設計提出了一種無線遙控多功能電源的方案，其可以通過手機端APP設置電源的開關和電壓的轉換，再通過藍牙傳輸數(shù)據(jù)到單片機，單片機控制電流電壓顯示，以及電壓的切換。省時省力，方便快捷，不但能使人們免除為了家用電器開關而東奔西跑的煩惱，

13、而且能減少電力不必要的浪費。1.2 電源國內外研究現(xiàn)狀1) 國外研究現(xiàn)狀自20世紀50年代，美國宇航局以小型化重量輕為目標而為搭載火箭開發(fā)首個開關電源以來，在半個多世紀的發(fā)展中，開關電源逐步取代了傳統(tǒng)技術制造的相控穩(wěn)壓電源，并廣泛應用于電子整機設備中。隨著集成電路的發(fā)展，電源逐漸向集成化方向發(fā)展，趨于小型化和模塊化。近20年來，集成電源沿兩個方向發(fā)展。第一個方向是對電源的控制電路實現(xiàn)集成化。1977年國外首先研制成脈寬調制(PWM)控制器集成電路，美國Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相繼推出一系列PWM芯片。近些年來，國外研制出開關頻率

14、達1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二個方向是實現(xiàn)中、小功率開關電源單片集成化。1994年，美國電源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔離式PWM型單片開關電源，其屬于AC/DC電源變換器。之后相繼推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列產品。意-法半導體公司最近也開發(fā)出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率單片電源系列產品，并得到廣泛應用。目前，單片開關電源已形成了幾十個系列、數(shù)百種產品。單片開關電源自問

15、世以來便顯示出強大的生命力，其作為一項頗具發(fā)展前景和影響力的新產品，引起了國內外電源界的普遍關注。單片開關電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標等特點，現(xiàn)己成為開發(fā)中小功率開關電源、精密開關電源及開關電源模塊的優(yōu)選集成電路。2) 國內研究現(xiàn)狀與國外開關電源技術相比，國內從1977年才開始進入初步發(fā)展期，起步較晚、技術相對落后。目前國內DC/DC模塊電源市場主要被國外品牌所占據(jù)，它們覆蓋了大功率模塊電源的大部分以及中小功率模塊電源一半的市場。但是，隨著國內技術的進步和生產規(guī)模的擴大，進口中小功率模塊電源正在快速被國產DC/DC產品所代替。開關電源的使用為國家節(jié)省了大量銅材、鋼材和

16、占地面積。由于變換效率提高，能耗減少，降低了電源周圍環(huán)境的室溫，改善了工作人員的環(huán)境。我國郵電通信部門廣泛采用開關電源極大地推動了它在其它領域的廣泛應用。值得指出的是，近兩年來出現(xiàn)的電力系統(tǒng)直流操作電源，是針對國家投資4000億元用于城網、農網的供電工程改造、提高輸配電供電質量而推出的，它已開始采用開關電源以取代傳統(tǒng)的相控電源。國內一些通信公司如中興通訊等均已相繼推出系列產品。 目前，國內開關電源自主研發(fā)及生產廠家有300多家，形成規(guī)模的有十多家。國產開關電源已占據(jù)了相當市場，一些大公司如中興通訊自主開發(fā)的電源系列產品已獲得廣泛認同，在電源市場競爭中頗具優(yōu)勢，并有少量開始出口。1.3 課題研究

17、的關鍵問題及解決的辦法本課題研究的是集無線控制電源電壓的切換和電流電壓監(jiān)控為一體多功能電源的設計。在進行了大量資料閱讀，決定以單片機應用技術為核心進行開發(fā)，并配以電流電壓采集、LCD顯示、無線模塊等硬件電路組成。通過軟件編程實現(xiàn)多功能電源的設計。關鍵問題包括：（1） 多功能電源的無線通信的方式協(xié)議（2） 常用直流穩(wěn)壓切換和開關的控制方法（3） 電流電壓采集的處理解決辦法：在對上述問題進行了分析與理解后，制定了基本的解決方案。藍牙和單片機可通過串口進行無線通信，從而實現(xiàn)對電源的控制，單片機對電壓的切換和電源開關控制，可通過繼電器的端口的閉合實現(xiàn)，運用AD轉換芯片可實現(xiàn)電壓電流的采集。經分析，課題

18、可分為無線模塊、穩(wěn)壓模塊、電流電壓采集模塊、中央處理模塊、顯示模塊、過載提醒模塊、繼電器模塊?？傮w方案的設計將在第二章節(jié)介紹，第三、四章主要介紹系統(tǒng)的硬件和軟件設計。2 總體方案設計與確定2.1 設計要求1. 無線控制電源開關；2. 穩(wěn)壓電源可選擇常用電壓12v、9v、5v、3.3v；3. 聲光提醒；4. 顯示電壓電流；2.2 方案簡述根據(jù)設計要求，整個多功能電源可分為：無線模塊、穩(wěn)壓模塊、電流電壓采集模塊、中央處理模塊、顯示模塊、繼電器模塊，過載提醒模塊。整體模塊圖：無線模塊圖2.1 整體模塊圖整體方案：單片機檢測到串口通信的中斷后，接收手機端通過藍牙模塊發(fā)送的控制命令，單片機通過串口接收到

19、按鍵命令后，將按鍵命令進行數(shù)據(jù)處理，分析命令的要求。首先控制繼電器的端口開關，達到接通相應的穩(wěn)壓芯片或斷開電源目的，接著單片機利用總線開啟PF8591芯片AD轉換，最后單片機通過總線接收采集的電壓電流的數(shù)據(jù)，先判斷電流值是否過載，決定是否聲光提醒，再以并行的方式發(fā)給LCD顯示。UART圖2.2系統(tǒng)整體框圖2.3 方案論證本課題研究的是基于51單片機無線控制多功能電源，經分析主要有三種方案。 方案一：采用紅外線進行無線通信。使用紅外線遙控器發(fā)送控制命令，51單片機紅外線模塊接收命令并處理，能基本實現(xiàn)本課題功能，但是紅外線傳輸存在一些缺陷。第一波長短衍射能力弱，所以傳輸時中間不能有障礙物；第二，傳

20、輸距離較短最大1-2米；第三，紅外線是點對點傳輸，角度在30度以內，導致使用時，必須對準，否則單片機不能接收按鍵信號。所以紅外線遙控在穩(wěn)定性和使用性方面效果，不是很理想。方案二：采用WiFi進行無線通信。手機端通過TCP網絡調試助手，發(fā)送控制WIFI數(shù)據(jù)，WIFI模塊接收數(shù)據(jù)經串口發(fā)送給單片機，單片機進行數(shù)據(jù)處理，能實現(xiàn)本課題功能。WIFI傳輸數(shù)據(jù)具有速度快，范圍大等特點。但是使用較藍牙復雜，操作過程得使用大量的AT指令進行串口調試。方案三：采用藍牙進行無線通信。手機端APP發(fā)送控制命令，使用藍牙模塊進行手機端和單片機無線數(shù)據(jù)傳輸，最后單片機進行數(shù)據(jù)處理，能實現(xiàn)本課題功能。藍牙傳輸方式是呈現(xiàn)球

21、面，所以可以跨越障礙物。藍牙能夠在10米的變徑內進行一點對多點數(shù)據(jù)傳輸，大大的提高了數(shù)據(jù)傳輸效果。此外傳輸速度較快，操所相對于WIFI簡單，性價比高，較其他兩種方案更為合適本課題。綜上所述：考慮到本設計的距離在10米之類，性價比和穩(wěn)定性，以及組建方便、操作簡單等原因，本課題采用方案三，使用藍牙作為手機端和單片機之間的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。3 硬件系統(tǒng)設計無線控制的多用電源硬件系統(tǒng)由控制中心處理器STC89C52C單片機、變壓器和穩(wěn)壓芯片LM2596構成穩(wěn)壓模塊、芯片PCF8591構成電流電壓采集模塊、HC-05構成的無線藍牙模塊，由蜂鳴器和LED1構成過載提醒模塊，以及由芯片PCF8591，電流傳

22、感器ACS712構成AD采集模塊等組成。本章主要介紹硬件設計原理以及和各個芯片的硬件連接。3.1 中央處理模塊STC89C52C特點中央處理處理器STC89C52C單片機主要是進行按鍵數(shù)據(jù)接收和分析，繼電器控制，采集數(shù)據(jù)處理和顯示。單片機和外圍芯片的數(shù)據(jù)傳輸主要使用的是串口和。STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。工作電壓為5.5V3.3V，實際工作頻率為48MHz。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內置4KB E2PROM，全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0

23、Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。圖3.1 STC89C52RC 芯片引腳圖3.1.1 串行口結構及原理STC89C52RC單片機的串行口是一個可編程的全雙工串行同行接口。它有兩個數(shù)據(jù)緩沖寄存器SBUF和一個輸入移位寄存器。接收和發(fā)送寄存器的地址都是99H，名稱都為SBUF。有兩個特殊功能寄存器，分別是SCON和PCON。表3.1 串行口控制寄存器SCON（98H）

24、SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI方式選擇多機控制接收允許/禁止欲發(fā)第9位收到第9位發(fā)送中斷有/無接收中斷有/無串行口有4種工作方式，方式0為移位寄存器模式，波特率固定為f晶振/12，。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收以8位為一幀，不設起始位和停止位；方式1為波特率可變的10位異步通信方式，10位串行數(shù)據(jù)，包括1位起始位，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位；方式2為波特率固定的11位異步通信方式，即1位始位，9位數(shù)據(jù)位和1位停止位。其中第9位數(shù)據(jù)既可作奇偶校驗位，也可作控制位使用；方式3為波特率可設置的11位異步通信方式，本設計使用的是方式1。表3.2 電源控制寄存器PCON（87H）SMODXXXGF1G

25、F0PDIDL波特率加倍位通用標志位掉電方式位待機方式位電源控制寄存器PCON中SMOD位可影響串行口的波特率。SMOD是串行口波特率倍增位，當SMOD=1時，串行口波特率加倍。系統(tǒng)復位默認為SMOD=0。單片機和藍牙模塊進行串口通信時，單片機CPU先向SBUF寫入數(shù)據(jù)，就啟動發(fā)送過程，單片機中的并行數(shù)據(jù)送入SBUF，在發(fā)送控制器的控制下，按設定的波特率，每來一個移位時鐘，數(shù)據(jù)移出一位，由高到低一位一位發(fā)送到電纜上，移出的數(shù)據(jù)通過電纜到達藍牙模塊。藍牙模塊按照設定的波特率，每來一個移位時鐘移入一位，由低到高一位一位移入SBUF。圖3.2 單片機和藍牙模塊串行示意圖當單片機作為發(fā)送方時，一幀數(shù)據(jù)

26、發(fā)送完畢，硬件自動置位發(fā)送中斷標志位TI，該位可作為查詢標志。當單片機接收方時，需預先置位REN即允許接收，對方的數(shù)據(jù)按照波特率由低到高的進入移位寄存器，當一幀數(shù)據(jù)接收完畢，硬件置位自動置位接收中斷標志位RI，該位可作為查詢標志。單片機將引起接收中斷，CPU會讀入SBUF，將這幀數(shù)據(jù)讀入，從而完成一幀數(shù)據(jù)的傳送。3.1.2 I2C總線I2C總線是Philips公司推出的芯片間串行傳輸總線。它有兩根線，分別是串行時鐘線SCL和串行數(shù)據(jù)線SDA。通過這兩根線實現(xiàn)個器件的全雙工數(shù)據(jù)傳送。I2C總線規(guī)定，總線傳輸中所有狀態(tài)都生成相對應的狀態(tài)碼，單片機能夠依據(jù)這些狀態(tài)碼自動的進行總線管理，用戶只需要根據(jù)

27、數(shù)據(jù)操作完成I2C總線的初始化，啟動I2C總線就能自動完成規(guī)定的數(shù)據(jù)傳送操作。系統(tǒng)中所有外圍器件都將SDA和SCL同名端連接在一起，總線上所有節(jié)點都由器件管腳的地址確定。本設計中PCF8591地址為0x90。3.2 穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓模塊是由變壓器、整流橋、濾波電路以及穩(wěn)壓芯片LM2596構成，這部分電路主要作用是將220V交流電進行降壓整流得到12V、9V、5V、3.3V直流穩(wěn)壓。圖3.3LM2596芯片引腳圖LM2596是一款可調的降壓芯片，具有良好的線性和負載調節(jié)性，可通過旋轉模塊上的電位器調節(jié)輸出小于37V的各種電壓電壓調節(jié)(順時針旋轉升壓,逆時針旋轉降壓)，輸入電壓范圍是3.2V40V，直

28、流電壓在1.25V35V是連續(xù)可調的，該芯片的壓差至少為1.5V，最大輸出電流3A，長時間使用電流控制在2.5A。在本設計中該芯片輸入端連接濾波后的直流電壓，輸出端連接繼電器的常開端，即可實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓模塊設計穩(wěn)壓部分是由變壓器、濾波電容和穩(wěn)壓芯片LM2596構成。穩(wěn)壓模塊主要工作原理：首先由市電接入220v，經過變壓器隔離變壓輸出15v的交流電壓，交流電壓經過整流橋電路整流之后是半波電壓，再經過濾波電容之后為21v的直流電壓，再分別經四個LM2596穩(wěn)壓之后，分別輸出直流穩(wěn)壓12V、9V、5V、3.3V。整流電路穩(wěn)壓電路濾波電路 圖3.4 穩(wěn)壓總框圖變壓器：作用是將來自電網的220V交流電壓

29、變換為整流電路所需要的交流電壓，這部分電路非常簡單，常見的變壓器的結構如圖9所示，其中U1是輸入信號的電壓，U2是輸出信號的電壓，它們之間有一個比例關系，這個比例關系是根據(jù)變壓器的主副線圈匝數(shù)的比值得到的，也即為主副線圈匝數(shù)之比等于主副電壓之比。圖3.5 變壓器整流電路：利用二極管的單向導通性，將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。常見的整流電路：半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流等本次設計采用單相橋式整流，橋式整流電路是使用最多的一種電路，橋式整流器是利用四個二極管，依次連接，構成橋式形狀，當輸入信號為正半周時，其中對稱的兩只二極管導通，得到正的輸出；當輸入信號為負半周時，另外兩只二極管導通

30、，這樣就可以將輸入信號的正負半周的信號全不輸出。橋式整流器對輸入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。電路圖如3.6、圖3.7所示：圖3.6 橋式整流電路圖 圖3.7波形圖濾波電路：將脈動直流電壓轉變?yōu)槠交闹绷麟妷?。濾波原理：濾波電路利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達到平滑輸出電壓波形的目的。濾波電路主要有兩種：電感濾波、電流濾波。經分析，本設計采用電感濾波。由于電容在電路中也是起到儲存能量的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時，能夠把部分能量儲存起來，而當電源電壓減低的時候，就能把能量釋放出來，使負載電壓比

31、較平滑穩(wěn)定，也就是電容也有平波的作用。電容濾波電路比較簡單，而且負載直流電壓比較高，紋波也比較少，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合。圖3.8 電感濾波電路 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路（穩(wěn)壓器）是為電路或負載提供穩(wěn)定的輸出電壓的一種電子設備。當電網電壓波動及負載變化時，保持輸出電壓的穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路最大的作用就是能提供相對比較穩(wěn)定的直流電，但是，和理想的直流電源相比，整流濾波電路的輸出電壓還是有很大差別的，其中，主要是差別有：一是當負載電流有變化的情況，由于整流濾波電路本身存在一定的內阻，因此，經過整流和濾波后輸出的直流電壓必然也會產生一定變化。二是因為我們平時用的電網電壓并是特別穩(wěn)定，當電網上的電

32、壓發(fā)生變化時，整流電路的輸出很有可能會隨著變壓器副邊電壓的變化而變化，所以會導致輸出直流電壓會產生一定的變化。因此，在設計中，我們需要利用三端集成穩(wěn)壓器LM2596這款芯片來實現(xiàn)穩(wěn)定電壓的功能。圖3.9 穩(wěn)壓部分總電路圖3.3 繼電器模塊繼電器的在本系統(tǒng)的功能控制穩(wěn)壓芯片LM2596的接入，從而達到控制穩(wěn)壓的作用。使用繼電器的常開端連接LM2596，觸發(fā)端連接單片機管腳P1.4P1.7。具體控制過程為：當信號觸發(fā)端觸發(fā)時，繼電器吸合，相當于它的開關閉合，此時回路導通，設備將處于有電狀態(tài)，并開始工作。繼電器說明:圖3.10 繼電器接常開端繼電器模塊常開接口最大負載：交流250V/10A，直流30

33、V/10A;觸發(fā)電流5mA；模塊工作電壓有5V、9、12V、24V可供選擇；模塊可以通過跳線設置高電平或低電平觸發(fā)；電源指示燈（綠色），繼電器狀態(tài)指示燈（紅色）所有接口均可通過接線端子直接連線引出。跳線與LOW短接時為低電平觸發(fā)選擇端；跳線與high短接時為高電平觸發(fā)選擇端。表 3.3 繼電器接口輸入端輸出端管腳功能管腳功能DC+接電源正極NO繼電器常開接口，繼電器吸合前懸空，吸合后與COM短接DC-接電源正極COM繼電器公用接口IN可以高或低電平控制繼電器吸合NC繼電器常閉接口，繼電器吸合前與COM短接，吸合后懸空3.4 顯示模塊本系統(tǒng)需要將電流電壓提示字、本人基本信息、采集值等多個參數(shù)進行

34、實時顯示，因此需要使用LCD模塊。3.4.1 液晶芯片的選擇方案一：LCD 16021602是一種內置含128個字符的ASCII字符集字庫的字符型液晶，可基本實現(xiàn)本課題的顯示。但是它有三個局限的地方在本系統(tǒng)，第一是，只可顯示字符，不能顯示漢字，第二，最大顯示32個字符，對于本課題空間較小，顯示效果不佳，第三不能串行進行數(shù)據(jù)傳輸。方案二：LCD 1286412864為5v電壓驅動，帶背光，可顯示4行16個漢字，內置8192個16X16點陣、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）。與外部CPU接口采用并行或串行兩種控制方式。它可以在液晶任意位置顯示數(shù)字、符號、漢字和

35、圖形。綜上所述：因為本課題不僅需要顯示電流電壓提示字、本人基本信息、采集值等多個參數(shù)，而且顯示的內容使用32個字符空間有點小。所以選擇方案二 LCD 12864，可以在液晶屏上選擇任意位置顯示數(shù)字、符號、漢字，并且可以顯示128個字符，它具有更大的顯示空間，可以使用戶能清楚的了解參數(shù)顯示值。3.4.2 顯示原理 LCD液晶顯示器的主要原理是采用電流方式刺激液晶分子產生點、線、面，同時配合背景燈光就會構成畫面。本課題設計選用ST7920作為控制器的液晶12864具有20個引腳，每個引腳具有不同的功能，具體引腳功能說明如表3.4所示。表3.4 12864管腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1V

36、SS電源地11D4數(shù)據(jù)口2VDD電源正極12D5數(shù)據(jù)口3VO液晶顯示對比度調節(jié)13D6數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端14D7數(shù)據(jù)口5R/W讀/寫選擇端15PSB并/串選擇6E使能信號16NC空腳7D0數(shù)據(jù)口17RST復位8D1數(shù)據(jù)口18NC空腳9D2數(shù)據(jù)口19BLA背光電源正極10D3數(shù)據(jù)口20BLK背景電源負極3.4.3 顯示模塊硬件設計液晶LCD12864具有體積小、顯示字符多、功率低、價格實惠的優(yōu)點，可以用它任意顯示漢字、字符、圖畫等。此款液晶雖然具有串行操作方式，但是在本次課題設計，我采用并行操作方式傳輸需要顯示的數(shù)據(jù)，運用的是液晶LCD12864的7引腳到14引腳的數(shù)據(jù)口端傳輸數(shù)據(jù)。液

37、晶LCD12864引腳1和引腳2是電源端，15、16為背光電源，為了防止背光燈被燒壞，所以在15引腳串接一個用于限流的1K電阻；液晶3引腳是液晶的對比度調節(jié)端，通過一個2K電位器接地來調節(jié)液晶LCD12864的顯示亮度。當液晶第一次上電的時候，要注意調節(jié)液晶顯示亮度到液晶最上面的一行顯示出黑色小格為止。液晶的4引腳是接單片機引腳，并通過這個引腳向液晶控制器發(fā)送寫數(shù)據(jù)還是寫命令的控制命令。液晶5引腳是讀和寫的選擇端，因為本課題設計中不需要從液晶中讀取任何數(shù)據(jù)，只需要向液晶里面寫入命令和顯示數(shù)據(jù)，所以這個端口始終是為寫狀態(tài)，即為低電平接地。液晶LCD12864的6引腳是使能信號端，是操作時必需的信

38、號，它也是一個控制信號。圖3.11液晶管腳圖3.5 電流電壓采集模塊電流電壓采集模塊是由芯片PCF8591，以及電流傳感器ACS712構成。其中PCF8591通道1采集電壓，通道0采集電流，單片機和和PCF8591通過進行通信，AD的數(shù)據(jù)口SDA與單片機的P3.3相連，串行時鐘線SCL與單片機管腳P3.2相連。AD采集芯片特點 PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件，它的工作電壓范圍2.5V6V，電壓采集范圍0V-5V,本設計中采集的電壓范圍是1.1V4V。具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個雙線雙向串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0

39、、A1和A2可用于硬件地址編程，本設計中它的地址是0x90。允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。模塊上有兩個指示燈，一個是電源指示燈，一個是DA輸出指示燈，當模塊DA輸出接口電壓達到一定值，會點亮板上DA輸出指示燈，電壓越大，指示燈亮度越明顯。此外該芯片集成熱敏、光敏電阻，可以通過AD采集環(huán)境光強精確數(shù)值，在本設計中沒有涉及。圖3.12 PCF8591管腳表3.5 PCF8951管腳說明AOUT芯片DA輸出接口AINO芯片模擬輸入接口0AIN1芯片模擬輸入接口1AIN2芯片模擬輸入接口2AIN3芯片模擬輸入接口3SCL I2C時鐘接口 接單片機IO口SDAI2C

40、數(shù)字接口 接單片機IO口GND模塊地 外接地VCC電源接口 外接3.3V5V單片機和PCF8591進行數(shù)據(jù)交換時，需先寫入地址，和控制字，再接收采集數(shù)據(jù)。表3.6 PCF8591地址字1001A2A1A0R/固定可編程本設計中PCF8591地址設置為0x90。表3.7 PCF8591控制字0XXX0XXX模擬輸出使能單一輸入/差分輸入自動增加標志模擬輸入通道（03）所以啟動電流通道0控制字為0x40，啟動電壓通道1控制字為0x41。圖3.13 AD采集電路圖3.5.1 電流采集設計ACS712是一款工作電壓為5V，測量電壓范圍為+5A的電流傳感器。ACS712是基于霍爾檢測的原理，模擬量輸出1

41、85mV/A，它帶寬為80KHZ，總輸出誤差為1.5，1.2m內部電阻。圖3.13 ACS712管腳圖表3.8 ACS712管腳說明管腳名稱功能描述1和2IP+被測電流輸入/輸出3和4IP-被測電流輸入/輸出5GND信號地6FILTER外接電容7VIOUT模擬電壓輸出8VCC電源電壓本設計中ACS712輸入端連接穩(wěn)壓后的電路中，輸出端連入PCF8591通道0，實現(xiàn)電流的采集。圖3.14 ACS712原理圖3.5.2 電壓采集設計因為PCF8591能采集的電壓最大為5V,而穩(wěn)出的直流電源電壓12V3.3V，所以大于5V電壓將無法采集?？紤]到這種情況，所以設計了用3個150K的電阻進行分壓，這樣只

42、需將單片機采集的電壓X3，就能得到原有的電壓。圖 3.15 電流電壓采集總框圖3.5.3 AD轉換原理1) 取樣和取樣定理將連續(xù)變化的模擬信號用多個時間點上的信號值來表示稱為取樣，取樣點上的信號值稱為樣點值，樣點值的全體稱為原信號的取樣信號。 只要取樣頻率fS大于等于模擬信號中的最高頻率fmax的2倍，利用理想濾波器即可無失真地將取樣信號恢復為原來的模擬信號。2) 取樣保持 取樣后的樣點值必須保存下來，并在取樣脈沖結束之后到下1個取樣脈沖到來之前保持不變，以便ADC電路在此期間內將該樣點值轉換成數(shù)字量，這就是所謂取樣-保持。3) 量化與編碼 取樣保持后的樣點值仍是

43、連續(xù)的模擬信號，為了用數(shù)字量表示，必須將其化成某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。3.6 無線模塊無線部分主要是由藍牙模塊HC-05構成。工作范圍在空曠的地方有效距離為10米，輸入電壓為3V6V，不能超過7V，因此本設計采用3.3V。可當全雙工串口使用，支持8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、可設置奇偶校驗的通信格式。它的主要功能是通過藍牙和串口通信，利用射頻信號使單片機和手機藍牙APP進行數(shù)據(jù)交換。參數(shù)設置如下：通訊標準：串口、TTL電平方式：異步全雙工串口波特率：9600bps數(shù)據(jù)位：8停止位：1校驗位：noneHC-05特點HC-05藍牙模塊是英國CSR公司生產的Blue Core4-Ext芯片，遵循V2.0

44、+EDR藍牙規(guī)范。支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等多種接口；并支持SPP藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，可以直接連接各種單片機；它內置PCB射頻天線和8Mbit Flash，工作電壓為3.3V；預留LED狀態(tài)輸出腳，單片機可通過該腳狀態(tài)判斷藍牙是否已經連接，led指示藍牙連接狀態(tài)，閃爍表示沒有藍牙連接，常亮表示藍牙已連接并打開了端口；藍牙連接以后自動切換到透傳模式，該鏈接為從機，從機能與各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機、大部分帶藍牙的手機、PDA、PSP等智能終端配對，從機之間不能配對。圖3.16 HC-05結構圖HC-05使用前需要通過AT指令設

45、置波特率、名稱、配對密碼。手機通過藍牙模塊與單片機通信的步驟：1) 編寫好串口程序，設定好波特率等 2) 正確使用藍牙串口助手藍牙串口助手有3種工作模式第一種直接填寫好數(shù)據(jù)就按 SEND，同時在HEX上打鉤表示是十六進制第二種就是按鍵發(fā)送，這步你要對相應的鍵設置好值第三種是發(fā)送文件的本設計選擇第二種3) 通過STC把程序下載進去4) 模塊連接配對5) 進行調試表3.9 HC-05管腳名稱功能名稱功能TXD串口輸出PIO(11)狀態(tài)切換管腳RXD串口輸入PIO(8-9)狀態(tài)指示燈1、2藍牙模塊TXD連接單片機管腳P3.1，RXD連接單片機管腳P3.2，GND和VCC分別接地和3.3V。圖3.17

46、 無線部分電路圖3.6.1 通信方式單片機和藍牙模塊是利用串口進行通信的，通信方式為：異步通信。異步通信傳輸方式是一種面向字符的傳輸技術，它是利用字符的再同步方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在異步傳輸方式下，最基本的數(shù)據(jù)傳輸單位是一個字符幀?；镜淖址麛?shù)據(jù)幀是由713位組成。其格式如圖3.17所示，方括號 中的位表示為可選位。圖3.18異步傳輸?shù)淖址麛?shù)據(jù)幀格式表3.10 圖中符號含義符號含義IDLE線路空閑，線路空閑時，線路保持邏輯“1”St起始位，邏輯“0”n數(shù)據(jù)位(08)，最少5位，最多9位，低位在前P奇偶校驗位Spn停止位，邏輯“1”從圖中可知，異步傳輸?shù)淖址麛?shù)據(jù)幀是由1個數(shù)據(jù)位加上同步位（開

47、始和結束位）以及作為檢錯的檢驗位3部分構成：串口進行異步數(shù)據(jù)傳輸時，不僅需要制定數(shù)據(jù)幀的格式外，還需要有波特率。當異步通信的波特率和數(shù)據(jù)幀的格式確定以后，發(fā)送方就按照規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式、規(guī)定位寬度發(fā)送數(shù)據(jù)幀。接收方則以傳輸線的空閑狀態(tài)（邏輯“1”）作為起點，不停地檢測和掃描傳輸線，當檢測到第一個邏輯“0”出現(xiàn)時（起始位到達），知道一個數(shù)據(jù)幀開始了（實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步）。接下來以規(guī)定的位寬度，對已知格式數(shù)據(jù)幀進行測試，獲得數(shù)據(jù)幀中各個位的邏輯值。測試到最后的停止位時，如果為規(guī)定的邏輯“1”，則說明該數(shù)據(jù)幀已經結束。3.6.2 通信協(xié)議藍牙模塊和手機之間要實現(xiàn)真正數(shù)據(jù)的正確傳送和信息的交換，不僅需要相同的

48、波特率，還需要制定統(tǒng)一的上層通信協(xié)議。通信協(xié)議制定主要體現(xiàn)在上下行數(shù)據(jù)包的定義和雙方通信過程的規(guī)定。通信數(shù)據(jù)包是以字節(jié)為最小的單位，通常一個典型的數(shù)據(jù)包格式和內容如表3.11所示：表3.11數(shù)據(jù)包格式 起始字從機地址 包長度 命令字 數(shù)據(jù) 校驗字結束字 （BBH）一字節(jié)一字節(jié)一字節(jié)一字節(jié) N字節(jié)（EEH）1 起始字1字節(jié)，標示一個數(shù)據(jù)包的開始。2 從機地址1字節(jié)，多機通信時使用，指明數(shù)據(jù)的接受者。3 包長度1字節(jié)，當前數(shù)據(jù)包所含有效字節(jié)數(shù)。4 命令字1字節(jié)，標示本數(shù)據(jù)包的用途與意義。5 數(shù)據(jù)N字節(jié)，用戶數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度根據(jù)需要制定。6 校驗字1字節(jié)，應用于數(shù)據(jù)包的校驗，可定義為項所有字節(jié)的邏輯和

49、。7 結束字1字節(jié)，標示一個數(shù)據(jù)包的結束。通信協(xié)議的制定：它的主要內容為對通信雙方通信過程和規(guī)則的定義及錯誤處理等，通常包括以下幾點：1) 規(guī)定和定義一次通信過程。例如一次典型、完整的通信過程為：每次由上位機開始下發(fā)數(shù)據(jù)包，而下位機收到數(shù)據(jù)后必須在限定時間內應答。2) 通信語義。即數(shù)據(jù)包各個項的具體含義，完成的動作，以及如何應答等。3) 錯誤處理。數(shù)據(jù)包交換過程中，尤其是接收端數(shù)據(jù)發(fā)生錯誤時的處理方法。3.7 過載提醒模塊采集完的電流，如果超過700mA，單片機會將管腳P1.4、P1.5置一，達到控制LED1燈閃爍，蜂鳴器鳴叫的作用。圖3.19 聲光提醒電路圖4 軟件系統(tǒng)設計無線控制多用電源的

50、功能實現(xiàn)不僅需要硬件，還需要與硬件相匹配軟件的驅動。本課題軟件系統(tǒng)設計采用的是模塊化設計，即將要實現(xiàn)的一個個小功能模化塊，分別對這些模塊進行設計、編程和調試，最后通過主程序和中斷服務程序將各子程序模塊串連起來。圖4.1程序整體模塊圖4.1 軟件總體設計根據(jù)第三章設計的硬件系統(tǒng)，編寫C語言代碼來實現(xiàn)各個模塊之間的通信。首先初始化系統(tǒng)顯示和串口控制字，顯示大約30S本人的基本信息，接著單片機通過串口檢測手機端的按鍵信息，接收并處理數(shù)據(jù)后，確定鍵值和手機端的控制命令，然后控制通過管腳P1.4-P1.7控制繼電器的開關，再通過總線啟動AD轉換，最后將轉換完的數(shù)據(jù)通過P0.0-P0.7并行傳給LCD12

51、864。圖4.2 程序流程圖4.2 無線發(fā)送接收部分手機端的藍牙串口助手APP和單片機藍牙模塊是通過TCP服務器傳輸數(shù)據(jù)，當TCP服務器有數(shù)據(jù)時，程序會把數(shù)據(jù)傳給藍牙模塊，藍牙模塊有數(shù)據(jù)來時，也會被發(fā)送給服務器。手機端藍牙串口助手APP和單片機藍牙模塊進行通信的時候，使用的是異步通信的方式，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步，不僅需要接收方正確的檢測到發(fā)送端所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，而且需要相同的串行波特率。異步通信中所采用的數(shù)據(jù)幀格式只是一個基本面向字符的數(shù)據(jù)傳送規(guī)范，它除了對數(shù)據(jù)幀格式定義外，并沒有涉及其他內容。換句話說，僅僅規(guī)定和實現(xiàn)如何正確的接收和發(fā)送一個字符。這并不能滿足真正應用系統(tǒng)的需求，從網絡和通信的觀點出

52、發(fā)，還需要制定和建立應用層的協(xié)議，才能真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確傳送和信息交換，因此上層應用通信協(xié)議需要我們自己去定制和實現(xiàn)。通信協(xié)議的制定主要體現(xiàn)在上下行數(shù)據(jù)包的定義和雙方通信過程的規(guī)定。上下行數(shù)據(jù)包是以字節(jié)為最小單位。在協(xié)議的制定上要全面考慮，要保證通信過程的可靠，以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。本設計的通信協(xié)議制定如下：² 按鍵發(fā)送發(fā)送觸發(fā)：當按鍵被按下并釋放后，將觸發(fā)程序發(fā)送數(shù)據(jù)幀（默認6個字節(jié)）。表4.1 按鍵發(fā)送數(shù)據(jù)幀說明Byte0ByteByte2Byte3Byte4Byte5A55A04(B1-B12)(Byte2+Byte3)AA幀起始字1幀起始字2總字節(jié)數(shù)除起始字按鍵n校驗碼（除起

53、始字外數(shù)據(jù)累加取低位）幀結束表4.2 按鍵數(shù)據(jù)包鍵值功能數(shù)據(jù)幀按鍵112vA5 5A 04 B1 B5 AA按鍵29vA5 5A 04 B2 B6 AA按鍵3接通電源A5 5A 04 B3 B7 AA按鍵45vA5 5A 04 B4 B8 AA按鍵53.3vA5 5A 04 B5 B9 AA按鍵6關閉電源A5 5A 04 B6 BA AA按鍵7A5 5A 04 B7 BB AA按鍵8A5 5A 04 B8 BC AA按鍵9A5 5A 04 B9 BD AA按鍵10電子12-2A5 5A 04 BA BE AA按鍵1111號A5 5A 04 BB BF AA按鍵12胡敏A5 5A 04 BC B0 AA² LED控制接收觸發(fā)：當接收到相應的幀時，程序會將目標LED點亮或者是熄燈（7個字節(jié)）。表4.3 LED 接收數(shù)據(jù)幀格式Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte6A55A05(E1-E4)01(Byte2+Byte3+Byte4)AA幀起始字1幀起始字2總字節(jié)數(shù)（除起始字）設置LEDnLED狀態(tài)（01點亮）（00熄滅）校驗碼（除起始字外累加取低位）幀結束本設計只用了LED1，其的數(shù)據(jù)包為下表。表4.4 LED1數(shù)據(jù)包LED值狀態(tài)數(shù)據(jù)幀LED1點亮A5 5A 05 E1 01 E7 AA LED1熄燈A5 5A 05 E1 00 E6 AA