智能控制开关课设.docx
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智能控制开关课设
长春工业大学
课程设计说明书
课程设计名称单片机原理课程设计（）
专
业
电气工程及其自动化
班
级
100308
学
生姓名
闫富裕
指
导教师
侯云海
2013年1月7日
课程设计任务书
课程设计题目：
智能控制开关
■
起止日期：
.
设计地点：
单片机原理实验室
设计任务及日程安排:
着重提高学生在单片机应用方面的实践技能，树立严谨的科学作风，培养学生综合运用理论知识解决实际问题的能力。
学生通过单片机和硬件和软件设计、安装、调试、整理资料等环节，初步掌握工程设计方法和组织实践的基本技能，逐步熟悉开展科学实践的程序和方法。
设计要求：
1）根据应用系统的要求，初步掌握总体结构设计的方法和构思，从中选择一种最佳设计方案；
2）根据应用系统结构规模的要求，掌握单片机外部扩充系统硬件设计的基本过程；
3）根据任务要求和硬件设计要求，首先画出程序的总体流程图，然后进行各控制模块的程序设计；
4）掌握如何应用单片机仿真器来开发应用系统及仿真调试的过程。
参考资料：
1.《单片机原理及应用》张毅刚等编，髙等教育出版社，2004年1月。
2.《单片机原理课程设计》实验指导书，林志奇，校内印刷，2012年12月。
日程安排：
2013.1.7上午
动员/布置任务/分组/查资料。
2013.1.7下午一2013.1.9
进行理论设计和形成设计报告。
2013.1.10—2011.1.10
进行实验和完成实验报告。
2013.1.11
分组进行考核。
设计报告的总体要求：
每人独立完成设计内容，并提交一份课程设计报告。
报告内容包括：
设计题目/设计要求/设计方案/硬件电路/软件流程图/程序/工作原理阐述/系统性能分析和心得体会等。
考核办法：
1）出勤20%；
<
2）实验结果30%；
3）报告20%；
4）答辩30%。
智能控制开关的设计
1.设计内容
智能化开关电源的主要功率变换电路仍然采用与传统开关电源相同的拓扑结构，但其反馈控制环路不采用传统的模拟控制方式，而是采用数字控制方式，即误差采样,脉冲宽度调制（PWM）的调制信号的计算、生成，遥感信号的接收、处理等控制部分电路均使用数字控制技术。
通过智能化的数字控制技术，力求解决环路的稳定性、抗干扰性、电源远程控制性等问题。
本开关电源主要技术指标:
①交流输入电压85〜265VAC宽范围输入;②直流输出电压5〜15V连续可调;③输出电压调整率W%；④具有输出短路控制;⑤具有电压显示功能及故障报警指示。
双控开关又叫双联开关，分为一位、二位或多位，其中两位或多位的双控开关内部由两组或多组一位双控开关组成。
一位双控开关实际上是一个单刀双掷开关,每一只开关分别控制相应的灯组。
如图1所示两地控制开关电路。
图中的两只开关（S1和S2）均为一位双联开关，两只开关都能单独地、任意地控制照明电路的通和断。
从线路中，不难看出，无论电路初始状态如何，只要改动任一只开关状态，照明电路将由断电状态变为通电状态或者相反。
并由此电路图可看出，整个电路比较安全，符合安全规范，且线路简单明了，检修容易。
2.设计要求
>
1•密码保护和设置；2.实时显示和定时控制显示；
3.密码和定时断电保护；4.准时对开关进行控制（开和关）。
3.设计方案
时间显示采用LCD1602,以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。
时间控制电路和键盘输入以及掉电存储都通过89C2051的I/O口控制。
电源部分：
电源部分由整流、滤波和集成稳压器组成，以保证系统稳定工作。
如图2T所示。
EEPROM存储器
AT89C51
4
LCD1602显示
1
1
DS12887时钟
键盘输入
开关控制
电源
-
图2-1智能开关控制系统原理框图
以单片机作为中央控制单元，机在预先编制好的指令（即软件程序）的驱动下,控制整个硬件电路工作，完成系统各项功能。
具有当地无线通讯口，能对下位机进行控制；同时也具备远程数据接口。
键盘用于修改和设定定值，电压上下限、电流上限值等;LCD用于显示定值及各种运行状态。
单片机获得电压、电流、相角值后进行分析计算出功率因数、三相不平衡参数等，判断是否正常。
并通过周期值和设定值，控制开关的闭合与关断。
4.系统硬件设计
智能开关控制的原理框图如3-1所示。
它由以下几个部件组成：
单片机89C51、电源电路、掉电存储电路、开关控制、键盘输入和显示以及电源电路组成。
时间显示采用LCD1602,以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。
时间控制电路和键盘输入以及掉电存储都通过89C2051的I/O口控制。
电源部分：
电源部分由整流、滤波和集成稳压器组成，以保证系统稳定工作。
该产品的原理图如图1所示，AT89c51单片机作为本电路的核心，采用上电复位，时钟电路中晶振髙达12MHz以满足从串口输出数据。
为了向CPU提供准确的时钟，我们采用DS12887作为时钟芯片oDS12887是美国达拉斯半导体公司（Dallas）生产的并行接口实时时钟/日历芯片，它内置晶振和锂电池，并带有128字节RAM,其中14字节用作时钟和控制寄存器，114字节可被用户当作非易失性RAM使用。
初始化后，可自动获得相应的年月日星期时分秒，且断电后数据不丢失，可继续工作，充电一次可供内部使用10年，以便对被控设备进行分时间段的处理。
系统利用独立式键盘输入修改值，采用串行口输出显示数据。
输出时外接八位锁存存储芯片74LS164,然后连接7段LED数码管作为显示器。
此方式具有低功耗、高亮度的特点，可满足设计要求。
初始加电时，系统将执行初始程序所设置的时间及初始断、送电时间，用户可根据实际所需通过键盘重新设置（需输入正确的密码）参数，默认密码为88，修改密码后断电不丢失。
操作方便，可靠性高。
图3-1智能开关控制系统原理框图
（1）AT89C51单片机及其引脚说明
AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，内部自带4K字节可编程FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CM0S8位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C51构成的单片机系统是具有结构简单、造价低廉、效率髙的微控制系统，减少了硬件开销，节省了成本，提髙了系统的性价比。
AT89C51是一个有40个引脚的芯片，引脚配置如图3-2所示。
与8031相比，AT89C51自带4K的ROM和128B的RAM,因此编写中小型系统就无需任何硬件进行扩展。
图3-2AT89C51引脚配置
AT89C51芯片的40个引脚功能为：
VCC：
电源电压。
[
GND：
接地。
RST：
复位输入。
当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至T。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡放大器的输出。
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，该引脚被略微拉髙。
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（OOOOH-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）o
P0口：
8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL11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外部必须被拉髙。
P1口：
8位双向I/O口。
引脚〜提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的缘故。
和需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1）,P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1”后，可用作输入。
在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。
P2口：
带內部上拉电阻的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：
引脚〜为带内部上拉的双向I/O引脚。
P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入°P3口也可用作特殊功能口，其功能见表3-1。
P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。
表3-1P3口特殊功能
P3口引脚
特殊功能
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
INTO（外部中断0）
INT1（外部中断1）
T0（定时器0外部输入）
T1（定时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/RD（外部数据存储器读选通）
（2）DS12887时钟芯片及引脚说明
DS12887如下图3-3所示，它可直接替换IBMAT计算机的时钟/日历与MC146818B和DS1287管脚兼容在掉电方式下持续工作十年以上内部包含锂电池,时钟和辅助电路系统记量秒、分、小时、星期、日期、月、年和润年直到2100年用二进制或BCD码表示时间，日历和闹钟12或24小时方式，有上下午的12小时方式夏时制方式可选择使用Motorola或Intel总线时序。
地址、数据管脚复用128字节RAM空间，14字节用于时间和控制寄存器，114字节用于普通用途可编程方波输出信号总线兼容的中断信号（IRQ）可分别通过软件屏蔽的三个中断：
1、闹钟、每秒或每天
2、122ms"500ms周期性中断
3、时钟更新周期结束
MOT
]1
24[
Vcc
NC
12
23[
SQW
NC
]3
22[
jNC
ADO
]4
21[
RCLR
AD1r
15
20[
jNC
AD2
]6
19[
jIRQ
AD3
]7
18C
1RESET
AD4
J8
171
iDS
AD5
]9
16[
iNC
AD6
]10
15E
RW
AD7
]11
141
AS
GND
]12
13[
CS
图3-3DS12887引脚配置图
GND,VCC：
直流电源+5V电压。
当5V电压在正常范围内时，数据可读写；当VCC低于，读写被禁止，计时功能仍继续；当VCC下降到3V以下时，RAM和计时器被切换到内部锂电池。
MOT（模式选择）:
MOT管脚接到VCC时，选择MOTOROLA时序，当接到GFND时,选择INTEL时序。
SQW（方波信号同）：
SQW管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。
ADO〜AD7（双向地址/数据复用线）：
总线接口,可与MOTOROLA微机系列和INTEL微机系列接口。
AS（地址选通输入）：
用于实现信号分离，在AD/ALE的下降沿把地址锁入DS12887。
DS（数据选通或读输入）：
DS/RD客脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTOROLA时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总的时刻，在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。
选择INTEL时序时，DS称作（RD）,RD与典型存贮器的允许信号（0E）的定义相同。
R/W（读/写输入）:
R/W管脚也有两种操作模式。
选MOTOROLA时序时，R/W是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DSO为高电平时，R/W高电平指示读周期，R/W低电平指示写周期；选INTEL时序，R/W信号是一低电平信号，称为WRO在此模式下，R/W管脚与通用RAM的写允许信号（WE）的含义相同。
CS（片选输入）：
在访问DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。
IRQ（中断申请输入）：
低电平有效，可作微处理的中断输入。
没有中断条件满
足时，IRQ处于高阻态。
IRQ线是漏极开路输入，要求外接上接电阻。
（3）.键盘控制和实时显示电路
采用独立按键占用了单片机I/O口，因此在设计该系统时，为了减少单片机
I/O口的使用，采用了行列式键盘，如下图3-4所示。
图3-4为行列式键盘原理图
为了达到设计的要求，本系统采用市场流行易买的AT89c51作为核心芯片，外部扩展DS12887作为日历芯片，利用串口驱动发送显示数据。
利用外部中断0进入调时状态,P117作为加一输入,P115作为减一输入,P113作为移位操作。
首先修改年的低两位，依次向后的是月日星期时分秒保存退出。
修改日历时问指示灯LEDI、LED2不亮，当修改断电时间时丄EDI亮LED2不亮，修改送电时间时丄EDI不亮LED2亮。
具体操作是当P217的状态为高电平时，修改的是日历时间。
当P217的状态是低电平时，若按调时则显示器只显示时分秒，默认是22：
00：
00,LEDI亮，此时可通过修改键盘修改参数，修改秒后再移位自动进入修改送电状态，默认时间是07：
00：
00。
LEDI灭LED2亮，修改原理同上，再移位两指示灯都灭保存退出。
受控电路通过固态继电器来实现控制。
当日历时间与所设置的断、送电时间相等时，则由P215输出高电平或低电平，来控制固态继电器截止或导通，从而控制受控设备的电源。
而方式选择开关由P110控制。
当此位为高电平时，则系统工作于自由开放状态。
当此位为低电平时，系统工作于受
控状态。
电源电路由电源变压器、桥式整流器、三端稳压器及电容组成，可为整个电路提供稳定的+5V直流工作电压。
实时控制和显示分别采用了DS12887时钟芯片和1602LCD液晶，DS12887时钟芯片可直接替换IBMAT计算机的时钟/日历与MC146818B和DS1287管脚兼容，在掉电方式下持续工作十年以上，内部包含锂电池，时钟和辅助电路系统，记量秒、分、小时、星期、日期、月、年和润年直到2100年，可用二进制或BCD码表示时间，日历和闹钟，12或24小时方式，有上下午的12小时方式等功能；为了减小整个系统的功耗，不采用数码管作为显示器件，而用1602LCD作为来显示时间和要定时的时间，并且这两个芯片接通电源可以直接用单片机编程对它进行操作。
下图3-5为实时控制和显示电路原理图。
图3-5实时控制和显示电路原理图
（4）密码、时间掉电存储电路
由于系统要显示的内容比较简单，但是定时的时间设置好了，断电了之后什么都没了，再一个进入系统需要密码，并且该密码可以人为通过键盘设置，但是设置好了，断了电和设置好的时间一样会丢失，因此为了保护时间和密码，该系
统就需要有断电存储电路，由于显示量不多•所以选用I2C器件AT24C02。
该存
为了给该数据采集系统提供一个比较稳定的工作环境，就此为该系统设计了一个稳压电源模块，电路原理如下图3-7所示，该电源模块5V固定输出，采用了稳压模块7805,该系列集成稳压模块具有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防止过载而损坏。
对于整个系统的工作而言，增加了电路的可靠性能和稳
（6）开关控制电路
该电路采用光电耦合器件（M0C3041）进行隔离控制,M0C3041是耐压为400V
的光耦器件，它的输出级由过零触发器的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通与关断。
100Q电阻与电容组成双向可控硅保护电路，原理图如下图3-8所示。
图3-8开关控制电路
此电路的优点是具有失压保护功能，如果以主电路为中心，各处开关只需引三根线，并可向平面或空间的任意方向进行辐射；缺点是控制电路中每处开关需引去三根线导线显得略为多了一些而且开关要有两个按钮组合也略显繁杂和使用不方便等。
5.软件设计及流程图
软件设计流程图
本系统的软件系统主要完成修改时间、修改密码、定时通断电等功能。
在程序设计过程中,加强了部分软件抗干扰措施，以达到按键的灵活性，确保整个系统的正常运行。
系统流程图如下图4T所示。
图3-1程序流程图
6.程序清单
设计程序如下：
ORG0000H
AJMPSTART
START：
MOV30H,#00H;数码管显示初值
MOV31H,#00H
MOV40H,#00H;显示增量
MOV41H,#01H
STL1：
ACALLLED；LED显示
ACALL
ACALLBCDADD
MOVA.30H
ANLA,#OFOH
JNZSTART；判断是不是超过999
AJMPSTL1
BCDADD：
CLRC
MOVA.31H
Y
ADDCA,41H
DAA
MOV31H.A
MOVA.30H
ADDCA,4OH
DAA
MOV30H.A
RET
LED：
MOVA.30H
ANLA,#0FH
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVPO.A
MOVA,31H
ANLA,#OFOH
SWAPA
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVPl,A
MOVA.31H
ANLA,#OFH
MOVDPTR,#TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP2,A
RET
:
MOVR6,#200
SL1：
MOVR5,#250
SL2：
NOP
DJNZR5,SL2
DJNZR6.SL1
RET
TAB：
DBOCOH；O
DB0F9H；1
DB0A4H；2
DBOBOH；3
DB099H；4
DB092H；5
DB082H；6
DB0F8H；7
DB080H；8
DB090H；9
DB088H；A
DB083H；B
DB0C6H；C
DBOA1H；D
DB086H；E
DB08EH；F
END
7.系统工作过程
智能控制开关由单片机AT89C51控制电路、掉电存储电路、按键与LCD显示电路以及电源电路组成。
在正常工作时，电源电路给单片机AT89C51.EEPROM存储器、LCD1602显示黠提供电能。
当输入电信号加到输入端发光器件LED上，LED发光，光接受器件接受光信号并转换成电信号，然后将电信号直接输出，或者将电信号放大处理成标准数字电平输出，这样就实现了“电一光一电”的转换及传输，或当定时时间到达时通过AT89C51控制电路使开关闭合。
当整个电路没有电源供电时即掉电存储电路工作时直接通过AT89C51对开关进行闭合和断开的控制。
根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：
硬件调试，软件调试和软硬件联系，由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试。
8•功能实现分析
本次课程设计实现了对开关的智能控制，对其控制有两种方法：
1在有电源供电时，通过AT89C51对开关实行控制。
2在无电源供电时，通过掉电存储电路对AT89C51实行控制即控制开关的闭合与断开。
无论在外观上还是功能上都实现了较为完善的设计。
还用了各种延迟程序来设置了按键的灵活性。
因而此产品可广泛应用于家庭中，系统可靠，工作方便。
9.设计心得
通过这次做课程设计的锻炼，使我学到了许多书本中没有的东西！
从选题到构思设计方案，尤其是在确立设计方案的过程中了解到了很多东西！
特别是在芯片的选择上，了解到了许多平时很少接触的芯片的功能及优缺点！
通过这次锻炼也给自己树立起了信心！
同时也深刻体会到了'‘遇到困难，解决困难！
”这句话的含义，只有这样才能真正提高自己的水平，真正的把学到的知识应用到实际中去！
真正做到学以至用！
参考文献
[1]谢自美，《电子线路设计•实验•测试》。
华中理工大学出版社
[2]张毅坤陈善久裘雪红，《单片微型计算机原理及应用》，
西安电子科技大学出版社
[3]沈任元吴勇，《常用电子元器件手册》，机核工业出版社
[4]吴金戌沈庆阳郭庭吉，《8051单片机实践与应用》，清华大学出版社
[5]吕国芳张玉华.AT24C02在电压控制系统中的应用，
国外电子测量技术#2004年增刊
[6]陈世同，梁辉，张成，毛泽安，AT24C02在光纤陀螺测试中的应用.
第32卷第12期应用科技
[7]王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京：
北京航空航天大学出版社,2000.
[8]曾繁泰，陈美金.VHDL程序设计[M].北京:
清华大学出版社,2000.
[9]李现勇.VisualC++串口通信技术与工程实践[M].北京:
人民邮电出版社,2002.
[10]闫胜利,DS12887功能简介以及在LED显示屏中的应用，长春工程学院学报（自然科学版）2001年第2卷第2期.
[11]李及.MCS-96系列单片机原理与应用[M].长春：
吉林科学出版社,1996.
[12]何立民•单片机应用技术选编[M].北京：
北京航空航天大学出版社，1997.
[13]王福瑞•单片微机测控系统设计大全[M].北京：
北京航空航天大学出版社,1999.
[15]孙涵芳.Intell6位单片机[M].北京：
北京航空航天大学出版社,1995.
[15]佟云峰，时钟芯片!
"#$%%&在单片机系统中的应用，昆明冶金高等专科学校学报.
[16]刘红，韩太林，实时日历时钟芯片DS12887与MCU-51单片机的接口技术，第20卷第二期，长春光学精密机械学院学报.
附录
附录1电路原理图
附录2智能开关使用说明
（1）当你按下复位键的时候，系统开始初始化，这个按键在使用的时候最好不要去按它，除非死机了才按这个按键。
若是按了
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