基于单片机的定时插座.docx
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基于单片机的定时插座
泉州师范学院
毕业论文（设计）
题目基于单片机的定时插座
物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07级
学生姓名简春龙学号070303043
指导教师洪清泉职称教授
完成日期2011年4月
教务处制
基于单片机的定时插座
简春龙
物理与信息工程学院学院电子信息科学与技术专业070303043
指导教师 洪清泉教授
【摘要】本文主要描述了一个定时插座的设计与制作。
该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一天24小时内的任意开关定时时段和一个小时内的6组快速模式定时，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
Timingsocketbasedonmicrocontroller
Chunlong-Jian
TheCollegeofPhysicsandInformationEngineering;
Themajorofelectronicsinformationscienceandtechnology070303043
InstructorQingquan-HongProfessor【Abstract】Thispapermainlydescribesthedesignandproductionofatimingsocket.Thetimingsocketcouldcompensatefortheshortageofthecommonsocket.Italsocouldsetanytimdinginadayandsixgroudsoffasttimingbythekey.Atthesametime,itcouldalsoberemotlycontrolledthroughinfraredremotecontrolsothathomeapplianescouldworkaccordingtocertainrules.Inthisway,itcanachievethepurposeofbeingintelligentlycontrolledandwilllargelysavetheelectricenergy.
【KeyWords】STC89C52;Timing;Socket;Infrared;relay
目录
0．引言5
1．定时插座的相关介绍5
2．系统设计6
2.1系统设计任务6
2.2系统设计方案选择6
2.2.1单片机芯片的选择6
2.2.2显示模块选择6
2.2.3定时设置的选择6
2.2.4控制插座设备选择6
2.2.5按键的选择6
2.2.6电源选择方案6
2.2.8红外遥控控制方案选择7
3．硬件电路设计及工作原理7
3.1主控制器STC89C527
3.2稳压电源电路8
3.3DS1302计时电路9
3.4LCD1602显示电路10
3.5红外遥控电路11
3.6继电器电路12
3.7蜂鸣器电路14
3.8总体硬件电路及其工作原理15
4．软件设计17
4.1DS1302计时程序的编写18
4.2LCD1602显示电路程序编写19
4.3红外信号解码及按键处理程序编写20
4.4主程序的编写20
5．系统调试21
5.1电路设计前期工作21
5.2硬件电路部分的调试21
5.3软件部分的调试22
5.4设计结果23
5.5设计中存在的不足及其改进23
6．结束语23
致谢23
参考文献24
0．引言
随着经济的发展和人民生活水平的提高，能源损耗也愈是严重，因而智能节能设备越来越受到关注。
普通插座虽然方便了家庭生活等方面，但是由于其只有单一功能，实现开关和借用各种电器，只能满足人们普通的日常生活需要。
而定时插座不但可以实现对电器设备的智能定时控制，而且也可以达到节能的目的。
同时，配备无线红外遥控功能的插座也能给人们的日常生活带来更多方便。
本文就我如何设计制作定时插座进行了详细的阐述。
1．定时插座的相关介绍
通常人们日常生活中都会用到插座，这些插座基本只有简单的功能，就是实现开关及接通各种各样的电器，可是有时候人们需要对用电设备进行某时间段的控制。
因此，在这个时候，定时插座就能为你排忧解难了。
生活中，数码照相机、电动车、手机电池的寿命都是有限的，充电过久容易损坏电池，而且长时间的充电浪费电力，利用定时插座在夜间充电就可以节约电力，也可以防止由于充电过久而影响电池寿命减短。
上下班工作繁忙，而定时插座可以为你节省煮饭的时间，只要在出门前放洗好的米水，按下煮饭按钮后把插头插到定时插座上，设置好你要开启的时间，也可以设置关闭时间，当你回家就可以吃到煮好的饭，而不需要在工作劳累之后还要临时做饭，等待饭熟。
每天、隔天或偶尔出门，一回到家就想洗热水澡。
如果一直开着热水器会不停的加热保温，既不安全又浪费电。
电热水器的功率一般是1500W至2000W，如果您是在分时用电的地区，该定时插座可以帮你把电热水器设定在非用电高峰时间工作，在电费半价时段把水烧热，这样的话，一个月下来你家就可以节约几十元电费，既经济又环保。
你同样可以想让热水器几点开始加热都能办到，完全可以按照你的要求去实现。
众所周知，饮水机如果24小时连续地工作，由此产生的不良后果一是浪费电，二是使饮水机的使用寿命大为缩短。
另外多次烧开的水含有亚硝酸盐，可致癌、产生血管疾病等，对人体有害无益。
面对此问题，定时插座能给你最好的解决方案。
通过定时插座，有人在家时让饮水机开，无人在家时让饮水机关，这样既节约了电，又可以保护好饮水机，也能喝到健康的水。
养鱼的朋友们，你们是不是正在为你们自己的氧气机一直开机而烦恼呢？
那么现在有了定时插座，你就可以让你的氧气机根据你的定时设置有规律的开机充氧和关机了。
早上起床，你不用再被单调的闹钟叫醒，完全可以让音响放一首动听的歌曲，然后清新自然地起床。
中午回家，一开门就有一股冷空气扑面而来，因为定时插座已经为你开启了空调。
晚上下班，不用再担心黑灯瞎火，“超级管家”已经帮你开好了夜灯，等待你的归来。
定时插座是家电的良好伴侣，可对路灯、广告灯、电饭煲、饮水机、水族箱、电热水器、电热毯、抽水机排气扇空调机、防盗器、台灯等多数用电器进行定时控制，方便你的日常生活。
由于人们慢慢认识到了定时插座在日常生活中的实用性，市面上也不断出现了各种品牌的定时插座，其功能层出不穷。
定时插座可控的插座路数由一路到多路，可以设置的定时组也从单一的一组不断提高到九组甚至更多。
并且，随着人们生活上的需求不断的提高，在定时插座功能上仍然有很大的发展空间。
2．系统设计
2.1系统设计任务
设计一个以单片机STC89C52控制的定时开关插座，要求能控制一路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，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。
2.2系统设计方案选择
2.2.1单片机芯片的选择
本次设计采用的是STC89C52主控芯片。
用STC89C52代替AT89C52，功能更加强大，速度更快，寿命更长，价格也更低。
STC89C52可以完成ISP在线编程功能，利用伟福软件、Keil软件等可直接将编写好的程序下载到STC89C52中，MCU则可执行相应的功能，而且STC89C51芯片还可以反复的进行擦写，断电不丢失【1】。
2.2.2显示模块选择
采用LCD1602液晶显示。
LCD1602液晶能够同时显示16*02即32个字符，1602液晶显示模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等。
2.2.3定时设置的选择
采用DS1302时钟芯片实现计时。
DS1302芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，而且精度高,用于高速数据暂存的31*8RAM，工作电压在2.5V～5.5V范围内，2.5V时耗电小于300nA，采用这种专用时钟芯片可以更精确地实现定时插座的定时目的，定时准确又不占用太多系统资源。
2.2.4控制插座设备选择
采用SONGLESRD-05VDC-SL-C继电器。
该继电器最大可以耐压交流250V，最大可通过10A的交流电流。
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。
2.2.5按键的选择
采用独立式按键独立式按键每个键单独占一个I/O口，工作状态互不影响，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。
此次定时插座的制作，空留出的I/O口较多，且需要的按键不多，故本设计采用独立式按键。
2.2.6电源选择方案
采用5V稳压电源加在电路板上。
因为继电器等器件要求电压电流比较大，所以将12V电源通过78L05稳压芯片输出5V给单片机等外部设备供电。
实验调试时从电脑的USB电源取电给单片机供电。
2.2.8红外遥控控制方案选择
本系统采用已编码的38kHz红外遥控器发射接收模块，介于自制红外编码发送接收模块的设计复杂，成本也会增加不少，因而采用已编码完成的红外遥控器和红外接收管实现红外控制的目的。
3．硬件电路设计及工作原理
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。
红外遥控要实现的就是通过遥控器的电源键一键控制定时开关插座的开关状态，也可通过红外遥控器的六个数字按键分别实现一键设定从当前开始的固定模式的定时。
总体的硬件电路框图如下图所示：
图1硬件电路框图
3.1主控制器STC89C52
STC89C52是宏晶公司生产的40引脚双列直插芯片，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：
•8位CPU；
•振荡器和时钟电路；
•8k字节的程序存储器EPROM;
•256字节的数据存储器RAM；
•可寻址外部存储器和数据存储器各64字节；
•20多个特殊功能寄存器；
•32线并行I/O口；
•一个全双工串行I/O口；
•3个16位定时器/计时器；
•6个中断源，2个优先级，统计中断按优先顺序查询；
•具有较强功能的位处理能力【2】；
图2为单片机部分的电路原理图。
图2单片机部分的原理图
3.2稳压电源电路
这里用到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12V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【3】。
如图3，78L05具有以下特点特点
•最大输出电流为1.5A；
•输出电压为5V；
•热过载保护；
•短路保护；
•输出晶体管安全工作区保护；
图378L05
在系统设计时，由于需要获得稳定的5V电源，因而采用12V电源通过78L05稳压电路后获得5V稳定电源给单片机和外部器件供电。
图4为5V稳压电路。
图45V稳压电路
3.3DS1302计时电路
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）【4】。
图5为DS1302的芯片引脚图。
表1为DS1302各引脚的功能。
图5DS1302的芯片引脚图
表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32768Hz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
系统中的计时电路则如下图6所示，通过该电路可以很好地实现定时插座的各项定时设置，如任意时间定时和固定模式定时。
其中干电池的作用是使DS1302在断电后仍可以构成内部振荡电路继续计时，当系统再次开启时不需要重新调整时间。
图6DS1302计时电路
3.4LCD1602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【5】。
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2LCD1602引脚功能
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
DataI/O
5
R/W
读/写选择端
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
3.5红外遥控电路
这里使用的是已编码完成的红外遥控器如图7和对应的红外线接收管如图8所示。
图7红外遥控器图8红外接收管
图9红外遥控系统框图
如图9为红外遥控系统框图。
遥控器的每个按键都已经经过编码，当发射器拨键开关拨到ON档时，即有遥控码发出（可以发送任意数字暂定为发送0AAH（二进制：
10101010B），这种遥控码具有以下特征：
采用脉宽调制的串行码，刚开始发送38K码5ms来判定发射码开始标志，以脉宽为1.5ms、间隔0.5ms、周期为2ms的组合表示二进制的“1”；以脉宽为0.5ms、间隔1.5ms、周期为2ms的组合表示二进制的“0”。
解码的关键是如何识别“0”和“1”，从位的定义我们可以发现接收判定“0”、“1”就是判定每个周期开始时低电平（注意发射与接收码正好反相）出现时间的长短，如果接收到为0的时间为1.5ms则为1，如果接收到0的时间为0.5ms则接收到的值为0。
图10为红外接收管电路，通过红外遥控即可通过单片机解码红外信号得出对应的键码，执行相应的动作。
图10红外接收电路
3.6继电器电路
本设计采用的是如图11所示的SONGLESRD-05VDC-SL-C继电器，其参数如图所示。
图115V继电器
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【6】。
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。
同时，为了防止倒流，实验电路中加入了光电耦合器4N25。
4N25器件由砷化镓红外发光二极管和硅光电晶体管检测器光电耦合构成，是一种发光二极管与光电晶体管面对面得封装的单回路、内光路光电耦合器，也是一种晶体管输出6引脚DIP封装光电耦合器。
4N25光电耦合器具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰性能强等特点，因而是开关电路、逻辑电路、长线传书、模/数变换、微控制器的隔离电路、高压控制、过流保护、电平匹配、线性放大等领域中的首选芯片【7】。
其主要性能如下:
•经济型光电耦合器；
•晶体管输出光电耦合器；
•满足火超过左右JEDEC注册规格；
•输出集电极电流（Ip=10mA，Vce=10V）；
•C-E饱和电压（Ic=2mA，If=50mA）;0.15V（typ）;
•隔离电压（f=60Hz，t=1）；7500V（交流峰值）；
•隔离电阻（V=500V）；10²Ω（min）；
•隔离电容（V=0V，f=1MHz）；0.2pF（typ）。
其功能框图如图12所示，引脚图如图13所示。
图124N25功能框图图134N25引脚图
基于以上两个主要器件就可以构成控制外部插座的继电器电路，从而实现对外部插座开关的控制。
如图14所示，当给IO输入端输入1时光电耦合器导通构成回路，继电器部分处于非工作状态，而输入为0时，光电耦合器不工作，使得继电器部分处于工作状态。
由于单片机初始化是I/O输出为高电平，正好可以使外部继电器处于常开开关处，当通过按键或者红外定时到关闭时间时，I/O输出低电平即可让继电器处于常闭开关处，从而让外部插座可用，这样就能够实现定时设置的智能开关功能。
图14继电器电路
3.7蜂鸣器电路
图15蜂鸣器电路
设计中加入了蜂鸣器电路，如图15，一是为了检测是否收到红外信号，当收到红外信号时蜂鸣器发出轻微的鸣叫，二是为定时到达时发出短暂蜂鸣以提醒我们定时插座的开关状态改变了。
同时开关的开关状态也用一个红色LED灯反映插座的开关状态，当红灯亮时，插座处于工作状态，反之则不工作。
3.8总体硬件电路及其工作原理
整个定时插座系统由12V电源通过7805稳压模块输出5V电源供电。
系统可通过外设四个独立式按键设置两组24小时内的任意开关定时和六组一小时以内的模式定时，分别为10分钟，20分钟，30分钟，40分钟，50分钟，60分钟。
任意时间定时模式可以让定时插座在已设置的开启时间工作，而到达定时设置的关闭时间停止工作；模式定时则让插座在设置的模式定时开始时使定时插座工作，到达模式定时的时间，如十分钟时让定时插座停止工作。
同时，定时插座也可以通过红外遥控执行相应的设置，遥控的电源按键可以随时让定时插座工作与不工作，其数字键1~6按键也可以分别设置一小时内的模式定时，工作原理和通过外设按键设置的模式定时一致。
当未设置任何定时的时候显示器显示日历，当检测到有外设按键和红外遥控器按键按下时执行相应的定时任务。
定时插座的工作状态由红色LED显示，在切换工作状态的时刻，蜂鸣器也会发出短暂的响声。
系统电路由前文所述的各硬件电路整合而成如附录2的电路原理图所示，单片机由5V电源输入，开机时各模块分别初始化开始工作，插座的工作与否由继电器控制。
单片机从DS1302模块中读取计时参数，显示在LCD1602液晶显示器上，具体显示为年、月、日、周、时、分、秒，开始时继电器电路不工作，红色指示灯不亮，蜂鸣器也不响。
当单片机检测到外接的独立式按键有键按下而且进行了任意定时设置时，系统记录下定时时间并执行定时任务，当到达第一个定时时间时，单片机发出开启信号让继电器电路开始工作，同时红色指示灯亮，蜂鸣器发出短暂鸣叫，待到下一个定时时间时单片机发出一个关闭信号让继电器停止工作，红色指示灯熄灭，同时蜂鸣器再次发出短暂的鸣叫。
而当独立式按键所设置的是固定模式的定时的时候，单片机在定时设置完成时立刻发出开启信号给继电器电路，让继电器工作，指示灯亮，蜂鸣器鸣叫，同时记录下定时关闭的时间，待到计时到定时关闭时间比如20分钟后，单片机发出关闭信号给继电器关闭继电器，从而达到关闭插座的目的。
红外遥控处理方面，当红外遥控器上有键按下的时候，红外接收管接收红外编码信号，传送给单片机进行解码处理得到对应键码，单片机判断该键码为电源键时则发出控制信号控制继电器开启，当再次检测到电源键按下时，执行反动作即关闭继电器。
若单片机解码得到的键码为数字键1~6按键的任何一个时，立刻开启继电器并记录对应的定时参数，待到下一个定时时间时发送关闭信号，让继电器停止工作。
整体电路的实物连接图如图16，其中的排插右边两列插座的内部电路已经过线路改装，使得一列中的两个插座内部电路在同一条线路上，当接通其中一个插座后，另一个插座就构成了可用插座。
图16整体电路实物连接
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、独立式按键处理程序、红外遥控处理程序等。
由于定时设置是通过独立式按键或者红外遥控器的1~6按键进行设置的，程序在按键扫描部分和红外信号的解码部分相对重要。
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17为主程序的流程图。
图17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
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