家庭安全用电控制系统设计毕业设计.docx
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家庭安全用电控制系统设计毕业设计
家庭安全用电控制系统设计
摘要
本设计是利用8051单片机芯片技术，结合8255可编程并行I/O接口扩展芯片和HD44780字符液晶显示模块及ISD2560语音芯片的家庭安全用电控制装置。
以电磁感应线圈和变压器的输出电压为检测用电发生漏电、过载、短路和超压故障时的电压信号，由TA7666电压比较集成电路把信号电压分为5个级别，利用8051单片机芯片进行电压PID控制，运用HD44780字符液晶显示模块和ISD2650语音芯片，使其具有字符显示和语音提示功能，在严重故障时又能自动提前跳闸。
该设计可实现家庭用电的安全状态监测，非安全状态下的字符和语音提示以及严重故障时自动提前跳闸的功能。
关键词：
8051单片机芯片；HD44780字符液晶显示模块；ISD2560语音芯片
Homesecuritytouseelectriccontrolsystemdesign
Abstract
Thisdesignistheuseofthe8051MCUtechnology,combinedwithHD44780characterLCDmoduleandtheISD2560speechchippowercontroldevicehomesecurity.Usesoutputvoltageoftheelectromagneticinductioncoilandtransform-erasvoltagesignaloftheexaminationfamilyhastheleakage,theoverload,theshortcircuitandpresseswhenthebreakdown,voltagecomparatorintegratedcir-cuitstotheTA7666isdividedintofivelevelsofsignalvoltage,through8051MCUcontrolling,utilizestheHD44780characterLCDmoduleandtheISD2560speechchip,enablesittopromptthecharacterandthevoice,whenseriousfailu-recanautomaticlyadvancetrip.Tochangetheunitaryfunctionofleakagepro-tectorandtheoverloadprotector,thebreakdownappearswhenshortcomingsandsoonanyprompt,makethefamilyelectricitysaferandreliabler.
Keywords：
8051MCUcontrolling;HD44780characterLCDmodule;ISD2560speechchip
目录
1绪论1
1.1安全用电控制系统的定义1
1.2家庭安全用电控制系统的介绍1
1.3传感器技术的应用、发展现状及本设计的意义2
1.3.1传感器技术的应用和发展现状2
1.3.2本设计的意义3
2家庭安全用电控制系统硬件设计3
2.1硬件组成及原理图3
2.1.18051单片机4
2.1.28255可编程接口扩展芯片5
2.1.3ISD2560语音芯片7
2.1.4HD44780字符液晶显示模块7
2.1.5磁感线圈9
2.2检测系统设计10
2.35V稳压电源10
2.4过载故障保护电路工作原理13
2.4.1升压变压器14
2.4.2电磁开关14
2.5超压保护电路工作原理15
3家庭安全用电控制电路设计16
3.1系统电路原理总图16
3.2语音芯片与8051相结合的设计与实现17
3.3HD44780与单片机的接口电路19
3.4电压信号的PID控制21
4软件设计21
4.1主程序设计总述21
4.2过载保护电压比较软件设计23
4.3超压保护电压比较软件设计24
结论25
参考文献26
谢辞27
1绪论
1.1安全用电控制系统的定义
安全用电控制系统是一种安装在家庭用电线路上，用来检测家庭用电的安全性，自动检测并控制的装置，是家庭用电的保护神。
它与家庭用电的电路配接在一起，从而可以起到检测安全隐患、自动控制断电，以达到保护电路的目的。
1.2家庭安全用电控制系统的介绍
对于电网短路和线路故障检测保护已有不少研究，市面上的电器短路、过载、超压的保护器功能单一，容易损坏，没有提示功能，不够人性化。
随着人们生活水平的不断提高，用电设备也不断增加，产生了盲目用电现象，这给人们造成极大的安全隐患。
其中危害性最大的用电故障有三种：
输入电压过高、室内线路严重过载、用电器短路。
本文设计的家庭安全用电控制系统的目的就是为了防止这三种故障带来的危害，并且克服了以往保护器功能单一的缺点，电气线路的常见故障有：
绝缘损坏、接触不良、过负荷、断线、间距不足、保护导体带电等，这些故障都有可能导致停电、触电、火灾等多种事故。
绝缘损坏后依据损坏程度的不同，可能出现短路、漏电这两种危害。
绝缘完全损坏将导致短路。
短路时，流过线路的电流增大为正常工作电流的数倍到数10倍，而导线的发热量又与电流的平方成正比，导致发热量急剧增加，短时间就可能起火燃烧；发生弧光放电，高温电弧可能灼伤附近的人员，也可能直接引起火灾；此外，在短路状态下，一些裸露导体将带有危险的故障电压，可能给人以致命的电击。
如绝缘未完全损坏，将导致漏电，漏电是电击事故最常见的原因。
此外，漏电处局部发热，局部温度过高可能直接导致火灾，也可能使绝缘进一步损坏，形成短路，引起火灾。
如果导体接地，由接地电流产生的热量和电弧，在接地处有可能导致起火燃烧。
接触不良造成连接处接触电阻增大，在电流的作用下产生热量，可以使金属变色甚至熔化，很容易成为火源，引发电气线路的绝缘层、附近的可燃物及积沉的可燃粉尘的燃烧。
过负荷时，由于电线的发热量与电流的平方成正比，发热量往往超过允许限度，轻则加速绝缘老化，重则会使绝缘层燃烧而引起火灾事故。
过载还会增大线路上的电压损失。
断线可能造成接地、混线及短路等多种事故，导线断落在地面或接地导体上，可能导致电击事故；导线断开或拉脱时产生的电火花以及架空线路导线摆动跳动时产生的电火花，均可引燃邻近的可燃物。
此外，三相线路断开一相将造成三相设备不对称运行，可能烧坏设备；中性线（工作零线）断开也可能造成负载三相电压不平衡，烧坏用电设备。
1.3传感器技术的应用、发展现状及本设计的意义
1.3.1传感器技术的应用和发展现状
传感器技术是实现测试和自动控制的重要环节。
它的主要特征是能准确地传递和检测出某一形态的信息，并将它转换成另一形态的信息。
随着科学技术的迅猛发展,其越来越广泛的应用于科学技术的各个领域。
传感器是一种检测装置，是实现自动检测和自动控制的首要环节。
它能感受到被测量的信息，将检测感受到的信息，并按照一定的规律转换成可用输出信号，来满足信息的传输、处理、存储、显示、记录以及控制等的要求。
随着人类探知领域的不断深入，各种信息的传递速度将越来越快，处理信息的能力也将越来越强，因此，就要求相对应的信息采集传感技术也要跟上发展的步伐，这也就决定了传感器将越来越被广泛运用、无处不在。
在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、检测技术以及车辆工程等诸多领域。
例如，军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高；美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度；国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥；同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器，如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。
我国在传感器技术研究方面，正在逐渐缩小与国外的差距，一批基于MEMS技术的新型传感器正在进入市场，在各领域中不断拓宽应用范围，设计技术、材料控制技术、生产技术、可靠性技术和测试技术不断发展成熟，量产能力逐步提高。
在市场竞争日趋激烈的条件下，我国生产的传统传感器，如力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器，产销形势稳中有升，不仅在国内市场的份额逐步增长，还同时满足了部分国外市场的需求。
在实际的工业生产中，在各个需要监控的指标点安装传感器可以更加方便的监控所需要的指标，并且通过中控系统来进行调节，在生产上实现自动化得目的。
在国内传感器产业中形成了一批骨干研发及生产单位。
同时，由于改革开放，国内巨大的传感器应用市场，引来了各国厂商，如西门子、日本横河公司、美国霍尼韦尔公司、日本欧姆龙公司、美国邦纳、芬兰维萨拉公司等，这些国外公司占据了中国传感器市场重要份额。
当前，我国传感器产业正处于由传统型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。
1.3.2本设计的意义
本设计避免了复杂的传感器，而选用了较为简单且方便处理的硬件集成传感器系统，其原理是在供电的电线旁安置两个串联的电磁感应线圈（形状为矩形）来获取由导线电流变化产生的信号电压。
该系统能较方便且灵敏的检测出电压变化，简单易行。
2家庭安全用电控制系统硬件设计
2.1硬件组成及原理图
家庭安全用电控制系统的硬件分别是：
由降压变压器、二个相互串联的感应线圈、升压变压器、电磁开关、5V稳压电源、超压过流信号获取比较电路、可编程接口扩展芯片8255、HD44780字符液晶显示模块、ISD2560语音芯片、扬声器和电容电阻等元器件组成，系统使用一片8051为控制芯片。
控制和提示系统的
基本电路如图2.1所示。
图2.1家庭安全用电控制系统原理
2.1.18051单片机
8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。
其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/O接口、定时/计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。
8051是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的8051是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
此外，8051设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0（ RXD）（串行输入口）
P3.1 （TXD）（串行输出口）
P3.2（ /INT0）（外部中断0）
P3.3（ /INT1）（外部中断1）
P3.4 （T0）（记时器0外部输入）
P3.5 （T1）（记时器1外部输入）
P3.6 （/WR）（外部数据存储器写选通）
P3.7 （/RD）（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出[11]。
2.1.28255可编程接口扩展芯片
8255是一种通用的可编程并行I/O接口芯片，它是为Intel系列微处理器设计的配套电路，也可用于其他微处理器系统中。
通过对它进行编程，芯片可以工作于不同的工作方式。
在微型计算机系统中，用8255作为接口时，通常不需要附加外部逻辑电路就可以直接为CPU与外设之间提供数据通道，因此它得到极为广泛的应用。
8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。
同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。
由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：
与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。
（1）一个并行输入/输出的LSI芯片，多功能的I/O器件，可作为CPU总线与外围的接口。
（2）具有24个可编程设置的I/O口，即3组8位的I/O口为PA口，PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口，A组包括A口及C口（高4位，PC4~PC7），B组包括B口及C口（低4位，PC0~PC3）.A组可设置为基本的I/O口，闪控（STROBE）的I/O闪控式，双向I/O3种模式；B组只能设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式，而这些操作模式完全由控制寄存器的控制字决定。
RESET:
复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。
CS:
芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时，8255无法与CPU做数据传输。
RD:
读信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/RD=0且/CS=0时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。
WR:
写入信号，当这个输入引脚为低电平时，即/WR=0且/CS=0时，允许CPU将数据或控制字写入8255。
D0～D7:
三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。
PA0～PA7:
端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。
PB0～PB7:
端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。
PC0～PC7:
端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。
端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。
'
A1,A0:
地址选择线，用来选择8255的PA口，PB口，PC口和控制寄存器。
当A1=0,A0=0时,PA口被选择；
当A1=0,A0=1时,PB口被选择；
当A1=1,A0=0时,PC口被选择；
当A1=1,A0=1时,控制寄存器被选择。
2.1.3ISD2560语音芯片
单片机系统可以实现输入输出、显示以及对外围设备的控制功能，然而这些方法使得人机交流并不够便利，在智能仪器仪表或自动控制设备中，增加语音功能能极大地提高人机界面的友好性，方便用户操作。
在许多场合，需要将语音系统和单片机结合在一起，解决上述问题。
目前语音服务行业越来越广，如电脑语音钟、语音型数字万用表、手机话费查询系统、排队机以及公共汽车报站器等。
美国ISD公司生产的ISD系列语音芯片采用模拟数据在半导体存储器直接存储的专利技术（DSAST），即将模拟语音数据直接写入单个存储单元，不需经过A/D或D/A转换，因此能够较好地真实再现语音的自然效果，避免了一般固体语音电路因为量化和压缩所造成的量化噪声和失真现象。
ISD2560具有28脚DIP封装形式，其基本功能如下：
（1）ISD系列具有抗断电、音质好、使用方便、无需专用的语音开发系统的特点。
（2）片内EEPROM容量480KB，所以录放时间长，录放时间为90s。
（3）有10个地址输入端，寻址能力可达1024位。
（4）语音最多能分600段，设有OVF溢出端，便于多个器件级联。
2.1.4HD44780字符液晶显示模块
本设计中，系统选用了HD44780字符液晶显示模块，HD44780有11条指令，单片机只需通过RS、R/W、DBO～DB7送入数据或指令便可显示其指定内容或显示方式，表2.1为HD44780的指令一览表。
表中的*为任意值，实际使用时通常取0。
液晶显示模块在各类测量及控制仪表中由于其功耗低、寿命长、价格低、接口控制方便等优点而被广泛的应用。
其中字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号的点阵式液晶显示模块。
以HD44780为主控制驱动电路及其扩展驱动电路HD44100的液晶显示模块是以若干个5×8或5×11点阵块组成的字符块集。
该字符块集中的每一个字符块为一个字符位，字符间的点距和行距均为一个点的宽度。
HD44780控制部分的时序发生电路主要用来产生计算机的响应时序、DDRAM和CGRAM的存取时序以及光标和闪烁的产生时序等，时钟频率范围为125k～350kHz，典型值为250kHz地址指针计数器AC是DDRAM和CGRAM共用的地址指针计数器，可用于指示当前DDRAM和CGRAM的地址；字符发生器包括CGROM已固化好的字模库（含有208种5×8点阵和32种5×11点阵字符字模数据）和可随时定义的字模库；80个字节的显示存储器DDRAM，可用于存储当前所要显示的字符代码；其地址由AC提供，并可通过单片机直接对DDRAM进行读写操作。
表2.1HD44780的指令一览表
指令名称
控制信号
控制代码
功能
RSR/W
D7D6D5D4D3D2D1D0
清屏
00
00000001
清DDRAM和AC值
归HOME位
00
0000001*
AC=0，光标画面归HOME位
输入方式设置
00
0000011/DS
I/D=1增量方式S=1移位
I/D=0增量方式S=0不移
显示状态设置
00
00001DCB
D:
显示开关.D=1开D=0关
C:
光标开关.C=1开C=0关
B:
闪烁开关.B=1开B=0关
光标画面滚动
00
0001S/CR/L**
S/C=1:
画面平移一个字符
S/C=0:
光标平移一个字符
R/L=1:
右移R/L=0:
左移
工作方式设置
00
001DLNF**
DL=1：
8位数据接口
DL=0：
4位数据接口
N=1：
两行显示
N=0：
一行显示
F=1：
5*10点阵
F=0：
5*7点阵
CGRAM地址
00
01A5A4A3A2A1A0
CGRAM地址：
A5-A0=00-3FH
DDRAM地址
00
1A6A5A4A3A2A1A0
一行显示A6-A0=00-4FH
两行显示A6-A0=40-67H
读BF和AC值
01
BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0
BF=1：
忙BF=0：
准备好
写数据
10
数据
读数据
11
数据
它的内部具有字符发生器ROM以及可显示192种字符和64个字节的自定义字符RAM,因而可自定义8个5×8点阵字符或4个5×11点阵字符。
而且模块的接口信号和操作指令具有广泛的兼容性，并能直接与单片机接口。
另外，它还具有专用指令，可方便地实现各种不同的操作。
2.1.5磁感线圈
电流流过线圈时，其磁力线将穿过线圈本身，因而给线圈提供了磁通。
如果电流随时间而变化，线圈中就会因磁通量变化而产生感生电动势，这种现象叫自感现象。
线圈中电流激发的穿过每匝的磁通近似相等，叫自感磁通。
线圈的自感电动势为：
令
，称为线圈的自感磁链，则：
根据毕萨定律：
写成等式：
比例系数叫做线圈的自感系数，简称自感，依赖线圈本身的形状、大小及介质的磁导率而与电流无关。
若回路几何形状、尺寸不变，周围介质的磁导率不变，则：
自感单位：
亨利。
两个邻近的线圈分别通有电流，当其中一个线圈的电流发生变化时，在另一个线圈中会产生感生电动势。
这种因两个载流线圈中的电流变化而相互在对方线圈中激起感应电动势的现象叫互感现象。
两线圈的形状、相互位置保持不变时，有：
式中
，称为两线圈的互感系数。
互感电动势为：
自感线圈的串联：
顺接等效的自感线圈的自感为：
逆接等效的自感线圈的自感为：
2.2检测系统设计
信号采集是利用通电
升级会员 