单片机的继电器控制研究与设计开发.docx

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单片机的继电器控制研究与设计开发

基于单片机的继电器控制设计

Designof relaycontrol basedon MCU

学生姓名

所在专业

所在班级

申请学位

指导教师

职称

答辩时间

2015年5月30日

设计总说明I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1课题背景及其意义1

1.2遥控技术的发展与现状1

1.3单片机的概念与发展2

1.4研究的目标及内容2

第2章系统硬件部分设计4

2.1系统硬件设计原理及要求4

2.1.1系统工作原理4

2.1.2红外遥控的基本原理5

2.1.3遥控发射器及其编码6

2.1.4红外解码思路7

2.2相关器件简介8

2.2.1单片机STC89C528

2.2.2红外接收头PC83810

2.2.31602液晶11

2.2.4USB接口14

2.2.5电磁继电器15

2.3硬件系统相关电路图16

2.3.1系统整体原理图17

2.3.2USB电源系统供电电路17

2.3.3单片机控制系统电路17

2.3.4继电器触控电路18

2.3.5温度传感器接口电路19

第3章系统软件部分设计20

3.1程序的基本思路及模块化程序编写介绍20

3.1.1主程序流程20

3.1.2模块化程序简介20

3.2相关程序代码21

3.2.1主程序模块21

3.2.2红外解码程序22

3.2.3温度控制程序24

3.2.4所用相关延时程序28

结论29

鸣谢30

参考文献31

附录32

设计总说明

单片机已经渗入到生活的各个领域，它是很难找到哪些领域没有单片机的痕迹。

导弹的导航装置，在飞机上控制各种仪器，计算机网络通信和数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理。

该微控制器被广泛用于在该领域的智能管理和过程控制，仪器仪表，家电产品，医疗设备，航空航天，专门的设备。

近年来，随着电子信息产业的快速发展，作为继电器的基本组成部分，广泛应用于家电，通讯，汽车，仪器仪表，机械设备，航空航天自动化和控制领域。

最近的统计数据显示，继电器已经成为第一大产品在电子元件产品之中。

单片机控制继电器的电路在生活中随处可见，小的元件但是作用无穷。

本文基于容易实现，方便操作，贴近生活使用的设计理念，采用STC89C52单片机为控制核心，为控制终端，并采用包括按键、1602界面显示、以及通过LABVIEW开发的上位机控制界面等在内的多个控制源来控制继电器，从而达到控制其他家用电器。

关键词：

单片机；红外接收头；DS18B20；继电器；LCD1602

ABSTRACT

SCM haspenetratedinto allareasoflife, itisverydifficulttofind whichareasnotracesofsingle-chipmicrocomputer. Missilenavigationequipment, variousinstruments ontheaircraft control, computernetwork communicationsanddatatransmission, real-timecontrolanddataprocessing ofindustrialautomation process. Themicrocontroller iswidelyusedin intelligentmanagement andprocesscontrol inthefieldofinstrumentation, electricalappliances, medicalequipment, aerospace, specialequipment. Inrecentyears, withtherapiddevelopmentofelectronicinformation industry, asabasicpartof therelay, widelyusedinhomeappliances,communications,automotive,instrumentation,mechanicalequipment, aerospace, automationand controlfield. Thelateststatistics show, therelay hasbecomethefirstmajor productsinthe electroniccomponent products. MCU controlrelaycircuitcanbeseeneverywhereinlife, small but infinite element. Thispaperisbasedonthe easy, convenientoperation, closetothe designphilosophyof life, usingSTC89C52 microcontrollerasthecontrolcore, anduses asacontrolterminal,including buttons, 1602 interfacedisplay, and throughthe LABVIEWdevelopmentof PCcontrolinterface, apluralityofcontrol source tocontroltherelay tocontrolthe otherhouseholdelectricalappliances.

Keywords:

singlechip。

infraredreceiver。

DS18B20。

Relay。

LCD1602

第1章绪论

1.1课题背景及其意义

现代的自动控制装置，存在电路的电子电路的电连接到彼此的问题，一方面，如果控制信号的电子电路，能够控制执行电路部件（电机，电磁铁，照明灯等），在另一方面也为电子线路的电器电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身安全。

电子继电器将是作为一个桥梁，能够发挥这种作用。

采用单片机进行遥控开关的设计，具有编程灵活多样，操作个数可以随意设定等优点，并且能以弱点控制强电，方便运用。

而红外遥控不影响周边环境、不干扰电气设备；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控，在室内近距离遥控中得到了广泛的应用；目前，市场上一般设备系统均采用专用的遥控编码及解码集成电路，但是由于功能受到特定的限制，只适合于某一专用电器产品的应用，应用范围受到限制。

本设计正是应用红外遥控系统，实现了对多路开关的控制。

1.2遥控技术的发展与现状

遥控技术是在自动控制技术和通信技术基础上发展起来的。

遥控系统既可传送离散的控制信息（例如开关的通断），也可传送连续的控制信息（例如汽车油门的大小）。

最早的遥控器之一，是一个叫尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）（1856—1943）的发明家在1898年时开发出来的（美国专利613809号）。

到了六十年代初，一些发达国家开始研究民用产品的遥控技术，但由于当时技术条件限制，遥控技术发展很缓慢。

七十年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术才得到快速发展。

在遥控方式上大体经历了从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用总线的微机红外遥控这样几个阶段。

无论采用何种方式，准确无误地传输信号，最终达到满意的控制效果是非常重要的，最初的无线遥控装置采用的是电磁波传输信号，由于电磁波容易产生干扰，也容易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介来传输信号。

与红外线相比，超声波传感器频带窄，所能携带的信息量少，易受干扰而引起误动作，较为理想的是光控制方式，采用红外线的遥控方式逐渐取代了超声波遥控方式，出现了红外线多功能遥控器，并且成为当今时代的主流。

而从各国将遥控技术在航天、工业等方面得到广泛应用和发展后，遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。

尤其是红外遥控技术在这十年得到了迅猛发展，在家电和其他电子领域都得到了广泛应用，随着生活水平的提高，人们对产品的追求是使用更方便、更智能化，红外线遥控技术正是一个重点发展方向。

1.3单片机的概念与发展

单片机在一块半导体硅片上集成了计算机的所有基本功能部件，包括中央处理器、存储器、输入输出接口电路、中断系统、定时器计数器和串行通信接口电路等，因此，单片机只需要与适当的软件及适当的外部设备相结合，就可以构成一个完整的计算机应用系统。

单片机诞生于20世纪70年代，作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：

（1）第一阶段（1976-1978）：

单片机探索阶段

（2）第二阶段（1978-1982）：

单片机完善阶段

（3）第三阶段（1982-1990）：

微控制器形成阶段

（4）第四阶段（1990至今）：

微控制器全面发展阶段

随着单片机的各个领域全面深入的发展和应用，导致单片机的发展趋势是向CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

1.4研究的目标及内容

由于在工业、航空以及仪器仪表等红外控制当中通常需要使用专用的配对编、解码芯片,组成红外发射和接收电路,完成对设备或电器的远程控制。

使用专用的配对编、解码芯片来组成红外发射电路和红外接收电路,在控制路数较少时矛盾并不突出。

但是当控制路数较多时,其接口的设计和实现就显得比较繁琐。

此外编、解码芯片通常是专用配对使用的,即某种解码芯片只能识别某种编码芯片的编码,对其他型号的编码芯片的编码则不能识别。

因此,不同的编、解码芯片几乎没有互换性。

为了解决上述专用编解码芯片配对的局限性，本文意在研究一种基于基于单片机的红外解码控制系统，实现对红线外解码并完成后置继电器电路的开关控制功能。

设计一个多路红外遥控开关，利用市售遥控器发送遥控器键盘数字信号，通过以STC89C52单片机为核心的控制器接受数字信号并解码，然后通过控制器控制相应的继电器通断，使得后置电路工作并实现各自相关功能，本文所涉及研究内容如下：

（1）红外解码思路及红外解码原理的分析。

（2）设计相关控制电路、接收电路、以及被控功能电路。

（3）采用C程序语言进行相关程序的模块化编程并调试。

（4）通过电路设计图进行实物焊接并调试，实现红外开关控制功能。

第2章系统硬件部分设计

2.1系统硬件设计原理及要求

在进行系统硬件设计时，首先需要保证的便是整个系统的功能性与稳定性，将各个硬件电路模块进行认真仔细的分析，在通电之前，需要排除断路与短路现象的存在，以保证系统调试安全性，避免上述问题造成的硬件系统损坏等的不良结果，同时还需考虑到成本的客观因素，以使本设计简单易懂而又经济实用。

2.1.1系统工作原理

功能一：

遥控器发出的红外遥控信号经红外接收器接收转化成TTL信号后送给STC89C52的中断口1，单片机采集到这些数据后产生外部中断，进入解码程序，对其进行红外解码处理并获得对后置电路所需的控制信息，这些控制信息可直接从I/O口输出，当I/O输出高电平是，使得本设计电路中的三极管9013导通，继电器线圈导通形成磁场，吸住弹片，常闭断开，常开闭合，连通后置电路中的供电电源。

系统框图如图2.1所示：

图2.1

功能二：

温度传感器DS18B20接受到当前环境温度，默认上限温度为38度，当环境温度低于38度的时候，继电器关闭，超过38度，继电器打开，可通过按键进行温度上下限的调整，实现了利用温度来控制继电器的开关，系统框图如图2.2所示

图2.2

功能三：

利用近距离继电器控制，使用3位独立键盘进行继电器近距离开关，控制原理与红外遥控相似，区别在于远距离与近距离，因此功能简单，这里不做详细介绍。

总体系统框架原理图如图：

图2.3系统框架原理图

2.1.2红外遥控的基本原理

红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波，红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。

发射机一般由指令键（或操作杆）、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。

当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。

接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路（机构）等几部分组成。

接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。

指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制（机构）。

如图2.4所示发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器，接收部分包括光电转换放大、解调、解码电路，而整个接收部分将完全由上述的PC838红外一体化收头来完成，本设计的发射部分采用成品遥控器来发送控制信号。

图2.4红外遥控系统框图

2.1.3遥控发射器及其编码

遥控发射器专用芯片很多，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以WD6122遥控发射器专用芯片组成发射电路为例说明编码原理，该芯片类型的遥控发射器成品键码值如图2.5所示。

图2.5本设计使用的成品遥控器键码图

当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。

这种遥控码具有以下特征：

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图2.6所示。

图2.6遥控编码的“0”和“1”

上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。

然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。

WD6122产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，所发射的一帧码含有一个引导码，16位用户编码和八位数据编码，数据编码的反码也同时被传送，编码结构如图2.7所示：

图2.7遥控器发射的32位码组图

引导码由一个9ms的载波波形和一个4.5ms的关断时间构成，它作为随后发射码的引导码，这样当接收系统是由微处理器构成的时候，能更有效的处理码的接受与检测及其他各项控制之间的时序关系。

编码采用脉冲位置调制方式（PPM），利用脉冲之间的时间间隔来区分“0”和“1”。

每次8位的码被传送之后，他的反码也被传送，减少了系统的误码率，这也为后续的解码程序的编写提供了自行检测是否误码的手段。

2.1.4红外解码思路

遥控器将按键信息进行编码后调制到红外线的某个频率通过发光二极管发射出去，红外接收管接收到发射管发出的红外信号后对该信号进行解调原始编码信息，红外遥控接收头解调出的编码是串行二进制码，包含着遥控按键信息，但它还不便于CPU读取识别，因此需要先对这些二进制码进行解码。

当遥控器上任意一个按键按下超过36ms时，控制芯片的振荡器使芯片激活，将发射一个特定的同步码头，对于接收端而言就是一个9ms的低电平,和一个4.5ms的高电平，这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接收数据。

解码的关键是如何识别“0”和“1”，从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，“0”为0.56ms,“1”为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。

如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如果该位为“0”，读到的已是下一位的高电平，因此取（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最为可靠，一般取0.84ms左右即可。

根据红外编码的格式，程序应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。

单片机把解码所得的二进制存入相应的存储单元，这样就完成了某一按键的红外解码操作，同样地，按此可以实现其它按键的红外解码，最后形成遥控器按键相应的键值表。

就这样单片机程序就可以识别遥控器相应的功能键，通过遥控器向单片机发出相应的命令，单片机接收到命令后通过驱动电路使继电器动作从而实现用电设备的开关。

2.2相关器件简介

本章将对设计中所涉及到的单片机STC89C52、红外遥控接收头PC838、MAX232、USB接口线以及电磁继电器进行简单介绍。

2.2.1单片机STC89C52

STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代超/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。

（1）STC89C52的特点

增强型12时钟/机器周期8051CPU；

工作电压：

5.5V-3.8V（5V单片机）；

工作频率范围：

0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz；

用户应用程序空间61K；

片上集成1280字节RAM；

通用I/O口32个，复位后为:

P1/P2/P3是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；

ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3-5秒即可完成一片；

EEPROM功能；

看门狗；

内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体12M以下时，可省外部复位电路，复位脚可直接接地；

共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；

外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；

工作温度范围：

0-75℃（商业级）；

（2）STC89C52的DIP封装40引脚分布

STC89C52单片机的DIP封装拥有40个引脚，其中P0\P1\P2\P3四组I/0口，总共32个I/O口引脚，另外包括一个电源VCC引脚，两个晶振引脚一个接地端引脚，一个复位引脚，以及EA引脚、ALE引脚、PSEN引脚，总共40个引脚，引脚分布如图2.8所示。

图2.8单片机STC89C52DIP封装引脚图

2.2.2红外接收头PC838

红外接收电路一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用。

在本设计中采用红外一体化接收头PC838，在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达15m。

它能与TTL、COMS电路兼容，接收红外信号频率为38kHz,同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号。

三个管脚分别是地（GND）、＋5V电源（VCC）、解调信号输出端（接单片机外部中断）。

红外一体化接收头的测试：

可以在PC838的电源端与信号输出端之间接上一只二极管及一只发光二极管后，再配上规定的工作电源（为＋5V），当手拿遥控器对着接收头按任意键时，发光二极管会闪烁，说明红外接收头和遥控器工作都正常；如果发光二极管不闪烁发光，说明红外接收头和遥控器至少有一个损坏。

只要确保遥控器工作正常，很容易判断红外接收头的优劣。

由于供电电源存在干扰，应该对电源端进行滤波处理，处理方法为：

电源端与接地端之间连接一个100Ω左右的电阻以及一个47uF左右的电容，本设计采用0.1uF电容滤波同样能够满足设计要求。

PC838的经典应用原理图如图2.9所示：

OUTPUT单片机I/O口

GNDC1

VCC（+5V）

R2

图2.9PC838的经典应用电路

2.2.31602液晶

在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：

发光管、LED数码管、液晶显示器。

发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在前面章节已经介绍过，在此不作介绍，本章重点介绍字符型液晶显示器的应用。

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

1、显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

2、数字式接口

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

3、体积小、重量轻

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

4、功耗低

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

一、液晶显示简介

1、液晶显示原理

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

2、液晶显示器的分类

液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。

3、液晶显示器各种图形的显示原理:

①线段的显示

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理。

②字符的显示

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使