基于单片机的智能插座的设计含电路图.docx
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基于单片机的智能插座的设计含电路图
毕业论文（设计）
题目基于单片机的智能插座的设计
姓名学号
所在院（系）
专业班级
指导教师
完成地点
2013年5月20日
基于单片机的智能插座的设计
作者:
）
指导教师：
[摘要]：
本文主要描述了一个定时插座的设计与制作。
定时插座可以弥补现实生活中普通插座功能的不足，能够通过外设按键设置两组开关定时时段和6组倒计时定时，同时也能够通过红外遥控进行无线控制，使外接电器可以按照一定规律工作，既可以达到智能控制的目的，又在很大程度上起到节能的作用。
[关键词]：
STC89C52;定时;插座;红外;继电器
Thedesignoftimingsocketbasedonmicrocontroller
Author:
（）
Tutor:
Abstract:
Thispapermainlydescribesthedesignandproductionofatimingsocket.Thetimingsocketcouldcompensatefortheshortageofthecommonsocket.Italsocouldsetanytiminginadayandsixgroupsoffasttimingbythekey.Atthesametime,itcouldalsoberemotelycontrolledbyinfraredcontroller,sothathomeappliancescouldworkonrules.Inthisway,itcanachievethepurposeofbeingintelligentlycontrolledandwilllargelysavetheelectricenergy.
Keywords:
STC89C52;Timing;Socket;Infrared;Relay
目录
1.绪论1
1.1课题研究的背景及意义1
1.2课题研究的现状及发展趋势1
1.3本文主要研究内容3
2.方案的提出及论证4
2.1方案的提出4
2.2方案的比较5
2.3方案的确定5
3.硬件电路设计6
3.1主控制器及最小系统6
3.2稳压电源模块9
3.3时钟电路10
3.4显示电路12
3.5控制模块14
3.6温度采集模块14
4.软件设计16
4.1DS1302计时程序17
4.2LCD1602显示电路程序19
4.3DS18B20测温电路程序20
5.仿真与调试21
5.1硬件调试24
5.2软件调试24
5.3小结25
6.结束语27
参考文献28
致谢29
附录A外文文献及翻译
附录B源程序
附录C硬件连接图
附录D实物图
1．绪论
1.1课题研究的背景及意义
随着社会科技的不断进步，各式各样的电子产品已经慢慢融入到了我们的生活，这也就意味着我们需要更多的能源来维持我们的生活正常的进行，但是，这个社会是一个能源逐渐枯竭的社会，节约能源又成为了这个社会的主题。
所以，为了解决这样一对矛盾，我们了解到，越来越多的产品有了待机功能，如电视机，电脑，冰箱，空调等家用电器。
据调查，我国城市家庭的平均待机能耗，相当于每个家庭每天都在亮着一盏15瓦到30瓦的长明灯。
据测算，家电待机能耗占到中国家庭电力消耗的10%以上。
而正是由于这种长期的待机状态，使得插座的负荷也越来越大，带来了非常严重的安全隐患。
除此之外，也使得电器的寿命大大缩短。
因此，在本次设计中我们就要对家庭中普通的插座进行更加智能化的设计，我们利用单片机对继电器的控制来达到控制插座通断的目的，并可以通过外设键盘对插座进行定时设置，使其可以按照我们的意愿定时通断。
在定时功能的基础上，加上了测温模块、过载保护和防雷模块。
所以此次的设计具有以下意义：
1）节约能源；
2）消除安全隐患；
3）延长家用电器的使用寿命；
4）使人们的生活更加方便，简单。
1.2课题研究的现状及发展趋势
现在市场上的220V移动式电源插座大部分功能单一，只能简单的实现电源的通断，小部分可以实现定时，但大都是机械式的，而不能根据使用者的意愿编程设定时间自动通断，有时满足不了人们的需求。
智能可编程开关插座则可以实现定时可编程，通过编程定时，自动接通和断开，给人们生活带来很大方便，得到了广泛应用。
目前市场上比较好的智能插座有小管家智能插座、科德牌智能插座、POLYHOME智能插座、博联智能插座等等。
其中，小管家智能插座采用智能芯片系统及其相关的程序控制软件对电器进行协调控制，智能关机，将待机能耗降为零，以达到安全节能的目的。
它可以在电器遥控关机后自动切断电源，遥控开机时，能自动接通电源，从而达到安全、节电的效果。
它还具有消除待机能耗、智能化保护功能、避免电磁波辐射、有效防雷击冲击的特点。
科德TW-L12采用大屏液晶显示，可以进行定时设定，最小设定时间为1分钟，每天最多可设置20组开与关，每周可设置140组。
并且具有模式功能，随时可切换到长通或定时状态。
而POLYHOME智能插座是北京博力恒昌科技有限公司生产的智能家居产品之一。
它主要的特点是内嵌Zigbee无线接收模块，可以对它进行无线遥控，智能控制一些家用电器，比如开关空调、开关电饭煲等，也可以与普通插座互换。
对于比较先进的博联智能插座，它是基于Wi-Fi通讯，可实现任何时间、任何地点通过智能手机随心所欲的控制家中、办公室的电器。
随着单片机技术的不断发展，智能插座的功能也在不断的更新。
由于单片机具有优异的性能性价比，集成度高、体积小、可靠性高，控制功能强，低电压、低功耗等特点，以及单片机控制电路技术的发展使智能插座具有定时准确、性能稳定、携带方便等优点。
因此智能可编程开关插座发展迅速，得到了很广泛的应用。
所以，智能插座会朝着微型化、低功耗、无线遥控、语音控制等更加智能数字化的方向发展，让人们的生活更加便捷。
再具体说，以后智能插座的发展，在节能的基础上，质量要稳定，插座本身耗能要小，这是发展的必要趋势。
同时可加上其他一些功能，像USB接口，这样一来，手机，MP3等电器充电机会更加方便；语音功能，让操作更加方便；也可加上温度测量显示功能，让这个插座实现更多的功能，使得智能插座体积小但功能更强大，携带也更加方便。
而目前智能插座的实现方法有机械式定时插座、基于单片机的定时器功能实现插座的智能定时、还有采用现成的智能芯片。
机械式定时插座是通过转动刻度盘，来设定定时时间，比如科德TW-A07的22小时倒时定时器；而基于单片机的智能插座是通过用单片机控制继电器的通断来控制插座的开关，即通过单片机编程实现智能定时；而采用智能芯片的节能插座是通过芯片直接感应来实现智能通断电，从而达到消除待机功耗的目的；还有一种比较先进的，基于Wi-Fi通讯，只要家中有无线路由器，插座就会自动寻找网路，用户只需输入上网密码即完成配置，通过智能手机在全球任何地点都可以控制。
智能插座有效地解决了待机能耗的问题，从而提高终端用电设备的使用寿命，促进我国节电降耗产品领域的发展。
也消除了生活中的很多安全隐患。
可达到适用于彩电、电脑、空调等用电领域的较高技术指标与节电能力。
而随着技术的不断发展，对智能插座的承受功率不断地增高完善，智能插座除了广泛应用于家用电器外，还会更多的应用到工业领域。
1.3本文主要研究内容
在本次设计中我们就要对家庭中普通的插座进行更加智能化的设计，我们利用单片机对继电器的控制来达到控制插座通断的目的，并可以通过外设键盘和红外遥控对插座进行定时设置和温度设置，使其可以按照我们的意愿定时通断。
在定时定温功能的基础上，加上了过载保护和防雷模块。
2.方案的提出及论证
2.1方案的提出
方案一：
设计一个以单片机STC89C52控制的定时开关插座，能控制一路220V/10A的插座，使其可以在24小时内能预先设定定时范围，每天周而复始地控制用电器具的自动开启和关闭，因为是通过时钟芯片来定时，所以更加准确。
同时还能通过红外遥控随时控制插座的开关，从而达到方便、智能、节电的目的。
其系统框图如图2.1所示：
STC89C52
7805稳压电源模块
继电器模块
DS18b20模块
DS1302计时模块
LCD显示模块
按键模块
图2.1基于单片机的智能插座框图
方案二：
设计一个定时开关，通过拨码开关预置一个时间，再通过计数器倒计时方式进行计数，当到达某一个时间时，发出一个信号，进而来控制电器的工作。
具体原理是由555组成秒脉冲发生器，再由CD40192构成一个倒计时的计时器，通过一个拨码开关预设时间，最后数码管显示，蜂鸣器报警。
其设计框图如图2.2所示：
秒脉冲发生器
报警电路
控制电路
译码器
定时器
图2.2数字式定时开关
2.2方案的比较
方案一和方案二均可实现插座的定时。
若用数字电路完成，所设计的电路相对复杂，需要更多的数字集成块，其功能也主要依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现，其精度也不如单片机和时钟芯片配合的准确，由于元件较多，焊接过程也会比较复杂，成本也高。
而单片机控制更加灵活，功能更加强大，可编程性也更高，因为用单片机主要是软件编程来完成，那么就降低了硬件电路的复杂性，而且其成本也相对降低。
2.3方案的确定
通过上述方案的比较，用单片机进行定时插座的设计比数字电路更加准确灵活，功能更加强大，成本相对更低，硬件复杂性也更小，所以，综合各方面因素，本设计采用方案一。
3.硬件电路设计
定时插座系统在未设置任何定时的时候显示界面显示时间，通过按键设置可设置在24小时内的两组定时开关时间和六组一小时内的固定模式定时，分别控制插座的开关，从而控制外部电器的工作与否。
LCD显示模块
DS18b20模块
继电器模块
按键模块
DS1302计时模块
7805稳压电源模块
STC89C52
总体的硬件电路框图如图3.1所示：
图3.1硬件电路框图
3.1主控制器及最小系统
STC89C52是宏晶公司生产的40引脚双列直插芯片，单片机片内集成512字节程序运行空间、8K字节Flash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0-33M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。
具有许多独特的优点，即体积小、重量轻、单一电源、低功耗、功能强、价格低廉、运算速度快、抗干扰能力强、可靠性高等，所以特别适用于实时测控系统，应用领域很广，已成为传统工业技术改造，各类产品跟新换代，实现自动化智能化的理想模型。
其内部包含以下功能部件：
a.8位CPU；b.振荡器和时钟电路；c.8k字节的程序存储器EPROM;d.256字节的数据存储器RAM；e.可寻址外部存储器和数据存储器各64字节；f.20多个特殊功能寄存器；g.32线并行I/O口；h.一个全双工串行I/O口；i.3个16位定时器/计时器；
图3.2DIP-40封装STC89C52引脚图
P0口：
P0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。
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，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。
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。
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。
单片机最小系统如图3.3所示：
图3.3单片机最小系统仿真图
最小系统中包括晶振电路和复位电路，其中复位电路采用手动按键复位，来应对系统在运行过程中发生程序跑飞的情况。
复位电路通常分为两种：
上电复位（图3.4）和手动复位（图3.5）。
图3.4上电复位图3.5手动复位
3.2稳压电源模块
本设计用到78L05稳压芯片。
设计中的继电器是比较耗电的器件，而且如果电量不足会使得继电器无法工作，因为通过78L05稳压芯片把9V电源稳压输出5V给单片机供电。
78LXX系列是三端正电源稳压电路，封装形式为TO-220。
它具有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。
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，使它基本不会损坏。
如果能提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。
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。
如图3.6，78L05具有以下特点：
a.最大输出电流为1.5A；
b.输出电压为5V；
c.热过载保护；
d.短路保护；
e.输出晶体管安全工作区保护；
1脚：
输入2脚：
接地3脚：
输出
图3.678L05
具体的5V电源电路如下图3.7所示：
图3.7电源电路
3.3时钟电路
系统采用DS1302作为计时器，从而实现定时插座能在24小时内实现任意时间的可变定时和一小时内的固定模式定时。
这样可以使得定时准确，方便，节约系统资源，同时程序编写上也能相对简单。
DS1302是高性能时钟芯片，具有以下特性：
实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月、以及带闰年补偿的年进行计数；
用于高速数据暂存的31*8RAM；
最少引脚的串行I/O；
2.5-5.5V满肚工作范围；
2.5V时耗电小于300nA；
用于时钟或数据读/写的单字节或多字节数据传送；
8引脚DIP或可选的用于表面的8引脚SOIC封装；
简单的3线接口；
TTL兼容（VCC=5V）；
可选的工业温度范围-40℃至+85℃；
在DS1202基础上增加的特点：
——可选的慢速充电的能力；
——用于主电源和备份电源的双电源引脚；
——备份电源引脚可用作电池或超容量电容器的输入端；
——附加的告诉暂存存储器（7字节）。
图3.8为DS1302的芯片引脚图。
表3.1为DS1302各引脚的功能。
图3.3.1DS1302的芯片引脚图
图3.8DS1302的芯片引脚图
DS1302各个引脚的功能可以通过表3.1表示，其中有主电源、备用电池、振荡器、数据输入/输出端口、复位端口和串行时钟端口。
图3.9为本设计中时钟芯片和单片机的连接电路，5、6、7引脚分别接在了单片机的P05、P06、P07口。
备用电池采用了3v的纽扣电池。
表3.1DS1302引脚功能
引脚号
引脚名称
功能
1
VCC2
主电源
2、3
X1、X2
振荡器，外接32.768HZ晶振
4
GND
电源地
5
RST
复位
6
I/O
数据输入/输出（双向）
7
SCLK
串行时钟
8
VCC1
后备电源
图3.9DS1302电路图
3.4显示电路
本设计采用的是LCD1602字符型液晶显示器。
LCD液晶显示器是一种低功耗的显示器件，它广泛应用于工业控制、消费电子及便携式电子产品中。
它不进省电，而且能够显示大量的信息，如文字、曲线、图形、动画等，其功能比数码管强大得多。
LCD1602液晶显示模块可同时显示16*2即32个字符，内部含有的字符发生存储器里面存储了160个不同的点阵字符图形，包括阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文的片假名等，每个字符都有一个固定的代码，比如大小写英文字母的A的代码是01000001B（41H），显示模块在显示A时就把地址41H中的点阵字符图像显示出来，我们就能看到屏幕显示字母A了。
表3.2为LCD1602引脚定义：
表3.2LCD1602引脚定义
引脚号
引脚名
电平
输入/输出
作用
1
Vss
电源地
2
Vcc
电源（+5V）
3
Vee
对比调整电压
4
RS
0/1
输入
0=输入指令
1=输入数据
5
R/W
0/1
输入
0=向LCD写入指令或数据
1=从LCD读取信息
6
E
1,1→0
输入
使能信号，1时读取信息，
1→0（下降沿）执行命令
7
DB0
0/1
输入/输出
数据总线line0（最低位）
8
DB1
0/1
输入/输出
数据总线line1
9
DB2
0/1
输入/输出
数据总线line2
10
DB3
0/1
输入/输出
数据总线line3
11
DB4
0/1
输入/输出
数据总线line4
12
DB5
0/1
输入/输出
数据总线line5
13
DB6
0/1
输入/输出
数据总线line6
14
DB7
0/1
输入/输出
数据总线line7（最高位）
15
A
+Vcc
LCD背光电源正极
16
K
接地
LCD背光电源负极
3.5控制模块
本设计采用的是型号为SONGLESRD-05VDC-SL-C的继电器，5V继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，实现小电压控制大电压的目的。
在本系统中，主要是用于控制插座的开关状态，通过单片机I/O输出信号控制继电器的工作已否从而达到控制插座开关的目的。
3.6温度采集模块
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单、体积小、低功耗、高精度、抗干扰能力强等特点的数字温度传感器。
DS1820数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。
信息经过单线接口送入DS1820或从DS1820送出，因此从主机CPU到DS1820仅需一条线（和地线）、DS1820的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。
因为每一个DS1820在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS1820可以存放在同一条单线总线上。
这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。
DSI820的测量范围从一55℃到+125℃增量值为0.5℃，可在1s（典型值）内把温度变换成数字每一个DS1820包括一个唯一的64位长的序号，该序号值存放在DS1820内部的ROM（只读存贮器）中。
开始8位是产品类型编码（DS1820编码均为10H）、接着的48位是每个器件唯一的序号、最后8位是前面56位的CRC（循环冗余校验）码。
DS1820中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器FAM编号为0号和1号。
1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负（℃）.则1号存贮器8位全为1，否则全为0。
0号存贮器用于存放温度值的补码，LSB（最低位）的“1"表示0.5℃。
将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度（-550℃一125℃）.DS1820的引脚如图3.10所示、每只DS1820都可以设置成两种供电方式.即数据总线供电方式和外部供电方式。
采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长，采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快。
1.GND：
地；
2.DQ：
数字输入/输出；
3.VDD：
可选的+5V电源。
图3.10DS18B20的引脚图
4.软件设计
本设计中用到的单片机是STC89C52，为了使编写的程序更加简单明了，采用C语言进行编程，用Keil软件进行编译，STC—ISP软件进行下载。
软件设计部分包括液晶显示程序、DS1302计时程序、DS18B20测温程序，独立式按键处理程序等。
由于定时设置是通过独立式按键进行设置的，程序在按键扫描部分相对重要。
在检测到被设置了定时任务时，系统要检测是否到达定时时间，执行相应的动作。
图4.1为主程序流程图：
图4.1主程序流程图
4.1DS1302计时程序的编写
DS1302串行时钟芯片的主要组成部分：
移位寄存器控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM。
为了初始化任何的数据传送，把RST置为高电平且把提供地址和命令信息的8位装入到移位寄存器中。
数据在SCLK的上升沿串行输入。
无论是读周期还是写周期发生，也无论传送方式是单字节传送还是多字节传送，开始8位指定的40个字节中的那个将被访问。
在开始8个时钟周期把命令字装入移位寄存器之后，另外的时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据。
时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加最大可达248的数。
DS1302总共有12个寄存器，其中的7个寄存器分别与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式。
表3为它的日历、时间寄存器及控制字，其中奇数为读操作，偶数为写操作。
表4.1为寄存器地址和内容：
表4.1寄存器地址和内容
写寄存器
读寄存器
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
秒
80H
81H
CH
10秒
秒
分
82H
83H
0
10分
分
小时
84H
85H
12/2
4
0
10
A/P
时
时
日
86H
87H
0
0
10日
日
月
88H
89H
0
0
0
10月
月
星期
8AH
8BH
0
0
0
0
0
星期
年
8CH
8DH
10年
年
控制
8EH
8FH
WP
0
0
0
0
0
0
0
如图4.2为DS1302的命令字节，每一数据传送由命令字节初始化。
最高位有效位MSB必须为1。
如果它是零，禁止写DS1302，位6为逻辑0指定时钟日历数据；逻辑1指定RAM数据。
位1和5指定进行输入或输出的特定寄存器。
最低位LSB为逻辑0指定进行写操作；逻辑1指定进行读操作，命令字节总是从最低有效为LSB开始输入。
76543210
1
RAM/CK
A4
A3
A2
A1
A0
RD/W
图4.2DS1302的命令字节
如图4.3为1302的程序流程图：
图4.3DS1302实时时间流程图
4.2LCD1602显示电路程序编写
这部分的显示过程主要是显示从DS1302读取的日历和时钟数值，从DS18B20读取温度值，同时当检测到独立式按键有键按下时，显示相应的设置菜单等。
基本操作时序：
读状态：
输入：
RS=L,RW=H,E=H输出：
DO~D7=状
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