基于单片机的多功能定时器设计与实现.docx

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基于单片机的多功能定时器设计与实现

1.引言

随着电子技术和电源技术的发展，开关电源以体积小、重量轻、功率密度大、集成度高、输出组合便利等优点而成为电子电路电源的首选。

定时开关电源插座，即可以定时打开或关掉电源的插座，这样既能省电又方便用户的个性化使用。

实现定时开关电源插座的关键是如何实现定时，人类最早使用的定时工具是沙漏或水漏，但在钟表诞生发展成熟之后，人们开始尝试使用这种全新的计时工具来改进定时器，达到准确控制时间的目的。

于今定时器得到广泛应用，现在的不少家用电器都安装了定时器来控制开关或工作时间；工业控制中常需要定时的装置，输出和采集信号；在军事方面制成了定时炸弹，定时雷管。

当酷暑或严寒难耐时，人们需要合理的定时控制空调来节省有限的电能；如此等等。

因此，我们拟从这些方向作进一步的研究探索。

定时器有机械和电子两种，国外和国内都有非常大的市场。

机械式采用同步电机计时，成本低，但走时精度差、寿命短；电子式采用液晶显示，时间精度高、寿命长，但操作复杂、成本高。

特别是精度要求高的控制系统和数据采集系统，更要求精确的定时操作。

马来西亚产的新一代HT高精密可编程电子定时开关插座由一体化可编程时钟集成电路和大功率继电控制电路组成，它可实现对各种没有定时装置的电器的定时控制。

国内的这类定时开关插座的产品有由杭州菱洋节能设备有限公司生产的菱洋可编程多功能电子定时插座，它是一个以单片微处理器为核心配合电子电路等组成的一个电源开关控制装置。

我国是一个人口大国，能源更是宝贵，而能源分析家和经济学家认为，中国已成为全球浪费电力的大户。

我国正在建设节约型社会，节约能源应该成为这一重大举措的重中之重。

基于此，本设计采用单片机定时功能应用在插座开关上，主要从单片机和可控开关，来设计实现开关电源定时系统，使其准确显示定时指示灯的亮灭，且能显示时钟精确到时分。

该系统简单实用，操作简单，且定时器不用时可以当普通电源插座用，既具备传统的电源插座的功能，又能达到节省能源、优化资源的目的。

以电热水器为例，我们所使用的电热水器，许多家庭为了方便使用热水，让热水器24小时通电，其中很大部分电能将消耗在电热水器的反复加热上。

50升（1500瓦）的普通电热水器每3小时自动加热30分钟，每天加热时间是240分钟，耗电6度，其中4度电是属于有效电耗，剩下的就是在反复加热中耗去的电，属无效耗电。

如果把电热水器的电源插头连接到自动开关插座上只需用前通电，可实现节电2度，而且可以使热水在最高温度状态下投入使用，大大提高了能量使用效率。

2概述

2.1定时开关电源插座系统概述

本文设计的定时开关电源插座电路系统[1]主要是利用单片机P89V51RD2FN作为主控制元件，通过外围电路控制可控开关的通断以达到定时开、关的目的。

P89V51具有体积小、功能强大、运行速度快、价格低廉等优点，非常适合制作集成度较高的控制电路。

通过键盘键入程序控制可控开关和译码器来实现数码管的显示。

主板电路包括MCUP89V51、键盘与显示、输入与输出口、可控开关和稳压等电路组成。

2.2本设计方案思路

本设计实现通过定时电路来控制电源插座开关的通断，和时钟电路的显示为主要目的；以时钟信号的检测，信号控制，信号译码和数据显示为主要设计内容。

定时器是本设计系统中的重点，时间控制器（即定时器）既可以通过纯硬件实现，也可以通过软硬件结合实现，根据时间控制器的核心部件—秒信号的产生原理，通常有四种形式，如下所述。

（1）采用石英钟专用芯片的实现形式

采用石英钟专用芯片的实现的时间控制器，具有实现简单、计时精度高的特点。

石英计时芯片比较多，常用的型号有STP5512F、SM5546A和D60400等。

如结合利用5512F的2秒输出信号作为秒信号电路的计数脉冲，可实现电子时钟。

（2）采用NE555时基电路的实现形式

采用NE555时基电路或其他振荡电路产生秒脉冲信号，作为秒加法电路的时钟信号或微处理器的外部中断输入信号，可构成时间控制器。

由555构成的秒脉冲发生器电路[2]如图1-1所示。

输出的脉冲信号Vo的频率f=1.443/（Ra+2Rb）*C，可以通过调节这3个参数，使输出Vo的频率为精确的1HZ。

但这类定时器精度低，脉冲周期由外接的电阻和电容决定，常用于旋转灯光控制等。

（3）采用单片机常用的时钟芯片

以前，通常采用并行的实时时钟芯片计时、EEPROM作为存储器，但对一些微小型智能控制设备而言，并行实时时钟芯片封装形式大，再加上EEPROM，占用扩展线多，使电路结构很难进一步简化。

Dallas公司生产的串行实时时钟芯片DS1302[3]具有实时时钟和静态RAM，采用串行通信，可方便地与单片机接口。

除了在工业控制中使用外，还可以应用到一般的时钟计数上。

（4）用软件来实现定时

通常利用单片机或多媒体或PLC内部的定时器，编写大量的源程序来设计，常称为软件定时器。

电子定时器[4]可用一般数字电路搭建而成，一台四位数的定时器要用十多片数字电路组成，电路结构复杂、体积庞大，而且功能有一定的局限性。

在进行定时电路设计时,如果需要定时的时间不是很精确且时间较短的话,往往采用555定时集成电路来实现。

然而，若需要定时的时间较长（如1小时以上）则采用专用的集成电路定时器比较方便[5]，而且使用定时器专用集成电路所设计的应用电路比较简单，同时调试也比较容易。

本设计采用单片机作为主硬件电路，外围电路简单，配合软件设计，使用其灵活的编程实现定时，译码和时间显示等，使定时器插座可有更多的扩展功能选择。

2.3研发方向和技术关键

（1）合理选取定时器方案，提高系统的精度；

（2）交直流电压转换；

（3）多路优先译码器的选取及扩展；

（4）与微机连接进行程序的汇编输入，实现对定时功能的调试；

（5）显示部分中数码管的四位一体共阴接法。

2.4主要技术指标

（1）具有电子钟功能，显示为四位数

（2）可设定定时起动（开始）时间与定时结束（关断）时间

（3）定时开始，指示灯亮；定时结束，指示灯灭

（4）定时范围可以选择

（5）开关次数：

≥2次/天

（6）时钟日差：

≤±2秒/天

（7）工作温度范围：

-10º～50º

（8）工作条件：

AC220V，10A，50Hz

（9）使用范围：

办公室电源开关、实验室电源开关等

（10）插头插座孔型：

插头国标三扁型

3总体设计

单片机虽然种类繁多，但每片单片机内部结构都大同小异，均由控制器、运算器、存储器、输入端口、输出端口等组成。

各个厂商制成了多种型号的单片机。

任何一种单片机不论功能如何强大，都是通过其I/O口来发辉作用的，用户可根据所需来选择单片机的型号，引脚最少从8脚到近百脚的都有。

本设计用单片机设计的体积小巧的定时器来控制电源开关插座的通电和断电，并还能作为一台数字钟使用实现时间显示。

根据需要选用了一片40条引脚的P89V512FN单片机[6]，属于飞利浦80C51系列单片机，带64KB闪存和1024字节RAM。

并且P89V51系列单片机内部包含64位FLASH的ISP（在线可编程系统）和IAP（在应用编程）。

其设计的几个基本模块如下图3－1，包括：

插头插座（孔型），控制开关，电平转换器，单片机系统，显示电路部分。

图3－1定时开关电源插座的设计原理框图

3.1可控开关设计的选择

本设计中的定时操作是通过可控开关收到外部电路的控制信号后延时通断的。

其中延时实现方式分类一般按常规可分为以下几种：

a、通电延时；b、接通延时；c、断电延时；d、断开延时；e、（间隔）定时；f、往复延时；g、星三角启动延时；h、程序式延时。

3.1.1方案一

选用普通晶闸管又叫可控硅，一种以硅单晶为基本材料P1N1P2N2四层三端器件，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。

又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。

在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。

它只有导通和关断两种状态普通可控硅在电路中最基本的用途就是可控整流。

大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。

如果把二极管换成可控硅，就可以构成可控整流电路。

3.1.2方案二

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。

它是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。

其中电磁继电器是在输入电路内电流的作用下，由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。

电磁继电器的工作原理和特性如下：

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

还可选用时间继电器，时间继电器是一种利用电磁原理和机械原理实现延时控制的控制电器，一般可分为通电延时型和断电延时型两种类型。

断电延时时间继电器里有延时常开接点、延时常闭接点、瞬时常开接点和瞬时常闭接点。

其原理如下：

当断电延时时间继电器的“线圈”断电开接点—时，延时常开接点——经过设定时间后断开；延时常闭接点——经过设定时间后接通；瞬时常开接点——立刻断开；瞬时常闭接点——立刻接通。

3.1.3方案选取

可控硅优点如下：

无触点，开断无涌流，开端速度快，可以控制过零开断。

缺点：

成本高，控制相对复杂，容量小，功耗大，发热严重；继电器优点：

技术成熟可靠，触点容量相对较大，成本低，几乎零功耗，发热量小。

缺点：

开断时会产生涌流，由于反应稍慢，无法用于很精细开断控制电路中，如移向调压等。

综合考虑两种可控开关各自的优缺点，在本设计中最终是采用电磁继电器通断主电路，主要是考虑到继电器结构简单，消耗电能少体积小，成本低,且控制时动作快、可靠性好。

这类继电器在制成电灯定时节电开关或电风扇的定时并调速开关或电热器的定时并调温开关，或电灯的定时并调光开关或通用的定时并调压插座都有广泛的应用。

3.2时钟信号的实现

在单片机的内部RAM中，需要设置显示缓冲区，显示的时分秒值是从显示缓冲区中取出的，在RAM中设置四个单元作为显示缓冲区，分别是7AH、7BH、7CH。

为使电路和原理叙述方便，我们这里不显示秒值，秒的进位我们通过闪烁分值实现。

这样我们一共有四位LED分别显示时和分值，同时时钟都需要校准的。

在程序中还需设置显示码表，要显示的数值通过查表指令将显示用的真正码值送到LED上。

我们用单片机P89V51RD2FN[7]的P1.5，P3.6和P3.7这三个I/O口外接微动开关来实现时和分的校正，其中P1.5实现每按一次小时或分值加1，连续按下数值累计下去，实现时钟的校准。

时钟的最小计时单位是秒，但使用单片机定时器来进行计时，若使用6.0MHz的晶振，即使按工作方式1工作，最大的计时时间也只能到131ms，所以我们可把每个定时时间取125ms，这样定时器溢出8次（125ms×8=1000ms）就得到最小的计时单位秒。

而要实现8次计数用软件方法实现是轻而易举的。

我们使用定时器1，以工作方式1工作，定时器进行125ms定时。

采用中断方法进行溢出次数的累计，当计满8次即得到1秒的计时。

一个时钟的计时累加，要实现分、时的进位，要用到多种进制，秒、分、时