智能开关系统.docx

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智能开关系统

目录

摘要2

Abstract3

1前言4

1、开关的介绍4

2、课题的意义4

3、国内外研究现状及发展趋势5

2智能控制开关的设计5

2.1智能控制开关概述6

2.2本设计任务6

3智能控制开关硬件设计6

3.1系统的硬件构成及功能6

3.2AT89C51单片机及其引脚说明7

3.3键盘控制和实时显示电路10

3.4时间掉电存储电路11

3.5电源电路12

3.6开关控制电路12

4统的软件设计13

4.1系统设计要求13

4.2系统程序流程13

5系统调试与测试结果分析13

5.1使用的仪器仪表13

5.2系统调试14

5.3软件调试14

5.4系统仿真14

5.5仿真结果15

15

图5-5仿真原理图15

5.6附实物图16

注释17

参考文献18

摘要

随着科技的发展，单片机凭借着微小的体积和较低的成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

而其在家居智能化中的应用，更是成为当今科技发展的又一主流，伴随着生活水平的提高、社会节奏的加快，能够拥有一个安全，方便，舒适的生活环境，已经成为现阶段人们的迫切要求，各种智能开关就是在这样的环境下开始出现的。

在自动测控系统中，特别是长时间无人值守的测控系统中，经常需要进行长达几小时的定时操作。

若采用专门的计时芯片设计，一方面控制复杂，占用硬件资源，另一方面也不经济，一般的时钟芯片价格都比较贵。

由于单片机内部有定时器，因此，可以基于单片机设计一款智能控制开关。

智能开关在人们的生活中扮演着重要的角色，给人们的生活带来极大的便利。

主要使用在提醒，计划或者规律化生活、工作上。

智能开关的历史十分悠久，用途也很广泛。

此智能控制开关是由单片机89C51控制电路、按键与LCD显示电路和掉电存储电路以及电源电路组成，电路十分的简单，主要由51芯片编程实现，功能十分的强大，时间精度非常高，是一款比较实用的智能开关，同时也是一件有欣赏价值的工艺艺术品。

关键词：

定时；智能开关；单片机；继电器开关；89C51;LCD;

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,MicrocontrollerWithtinysizeandlowcost,canbeembeddedinbroader,suchastoys,householdappliances,instrumentation,industrialcontrolunits,officeautomationequipment,electronicsystemsbecomethemostimportantintelligenttools.Anditsapplicationinintelligenthome,butalsobecomethemainstreamofscientificandtechnologicaldevelopmentofanother,accompaniedbyimprovementoflivingstandards,socialpace,tohaveasafe,convenientandcomfortablelivingenvironment,peoplehavebecomeatthisstagetheurgentrequirementsofavarietyofintelligentswitchisinsuchanenvironmentbegantoemerge.

Intheautomaticcontrolsystem,especiallyinalongtimeunattendedmonitoringandcontrolsystems,oftenrequirelonghoursofregularoperation.Theuseofaspecializedchipdesigntime,ontheonehandcontrolofcomplexhardwareresourcesoccupied,ontheotherhandisnoteconomic,theclockchippricesaregenerallymoreexpensive.AstheMCUinternaltimer,soyoucandesignamicrocontroller-basedintelligentcontrolswitch.

Intelligentswitchinpeople'slivesplayanimportantroleinpeople'slivesbringgreatconvenience.Mainlyusedtoremind,planorrulesoflifeandwork.Longhistoryofintelligentswitch,useisalsoverywide.

Thisintelligentcontrolswitchiscontrolledbythe89C51microcontrollercircuit,buttonsandLCDdisplaycircuitandpower-downmemorycircuitandpowercircuit,thecircuitisverysimple,mainlybythe51-chipprogramming,functionisverypowerful,veryhightimeresolutionisaMorepracticalmodelsofintelligentswitches,butalsoonehastoappreciatethevalueoftheprocessofart.

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Keywords:

Timing;Switch ;MCU;relayswitch;89C51;LCD;

1前言

1、开关的介绍

智能定时开关，是指装有时段或时刻控制机构的开关装置。

智能开关中装配有定时装置，将定时功能加入到开关中并根据人们的需要设定时间。

连接的定时装置有一个频率稳定的振荡源，通过齿轮传动或集成电路分频计数。

当将时间累加到预置数值时，或指示到预置的时刻处，定时器即发送信号控制执行机构。

开关可以根据指令自动断电，以达到节能、安全的目的。

定时开关主要是应用到有集成电路的电子产品中，只要是有电路板的电子产品，只要有需要，都可以设定。

像最普遍的电子闹钟也有定时功能，又如电脑！

　　智能开关在人们的生活中扮演着重要的角色，给人们的生活带来极大的便利。

主要使用在提醒，计划或者规律化生活、工作上。

智能开关的历史十分悠久，用途也很广泛。

　　从古代的某些建筑、计时器（如滴水计时，当水滴到一定量时会引发机关进行报时），到近代的定时炸弹，已及今日的电脑定时开关机等，都采用了定时开关。

　　例子：

学校的课铃就是采用定时器进行定时，当条件满足（即达到时间设定的点）时，电源就会接通，使电铃打开从而达到发出铃声的目的。

2、课题的意义

随着科技水平的提高，智能化，自动化已经渐渐走入人们的家庭。

全自动的家居环境可以让我们的生活焕然一新。

20世纪人类最伟大的发明之一就是以计算机为代表的智能化技术的产生。

计算机的出现有力地推动了社会的进步与发展，并以其为核心导致信息时代的巨大进步。

计算机技术的发展不仅可见于科学计算和军事应用等领域，在家庭生活中，计算机应用也日新月异，智能电器、家庭办公、财务管理等，所有这些都让人们感受到明显的智能化特征。

智能化和进一步嵌入式的新技术，可以给我们的日常生活和工作带来很大的方便，对我们的生活产生深远的影响。

舒适温馨的生活环境是人们共同的期望和追求，而多功能智能开关的出现便是给我们带来方便的智能化成果之一。

基于以上考虑，本文从经济实用的角度出发，采用AT89C51单片机，研制了一款具有语音定时提醒，环境温度测量及温度上限语音报警、自动调节温度、误动作复位、显示及驱动报警功能的智能开关。

并采用了数字温度传感器技术和继电器开关控制量技术等，极大的节省了硬件资源。

该智能开关与以往的开关相比，使我们告别了过去一个开关只能控制一个灯的现象，智能开关的出现不仅解决了传统开关因类似于关灯不方便，关灯不及时而浪废电力，不能满足人们的使用要求等问题。

而且凭借着设计方法合理，简单易行，成本低，功能齐全符合住宅和办公环境的使用要求等特征，必然会为人们的生活方式带来前所未有的改变，从而具有广阔的市场推广价值。

在自动测控系统中，特别是长时间无人值守的测控系统中，经常需要进行长达几小时的定时操作。

若采用专门的计时芯片设计，一方面控制复杂，占用硬件资源，另一方面也不经济，一般的时钟芯片价格都比较贵。

由于单片机内部有定时器，因此，可以基于单片机设计一款智能控制开关。

3、国内外研究现状及发展趋势

科技智能化的实现和人们高速运转的生活节奏，家庭自动化也将是未来发展的必然趋势。

未来家庭中的电器将是"智能的"，大多数的设备都互连在一起，并且由一台或数台中央计算机集中进行控制，这是家庭中的电子中枢。

这意味着空调可自动按照当日气温自动调节室内温度，吸尘器将按照地面的干净度打扫房间等，甚至远方的主人可以随时开关家中电器，这些都是自动化和智能化发展的标志。

一个开关控制一个灯已经成为过去，随着人们生活质量和生活品位的不断提高，在很多方都存在着譬如功能单一；不易清洁；稳定性差容易被干扰等缺点的传统开关，已

经远远达不到人们的使用要求了。

家居智能从开关开始，智能开关应运而生，同时给机械开关的更新换代也提供了契机。

目前，国外的开关市场，家庭智能照明开关的种类繁多，已有上百种，智能化程度高，安全性高，维修方便，性价比高，技术含量高等特点，其智能化的水平都是有目共睹的。

近些年国内的智能开关虽然发展速度也很快，且其品牌还在源源不断的增加，技术上也克服了机械开关易磨损、不易清洁等缺点，具有安装简单，操作简单的特点。

但与国外的智能化水平相比还存在着差距，首先是技术不够成熟成本偏高；使用寿命短；产品型号杂；价格差距相当悬殊；有很多智能开关的稳定性和安全性都达不到要求。

基于51单片机的多功能智能开关是在已有的智能温度计系统基础上诞生的，它是新一代的智能开关系统，是具有结构简单，使用方便安全，抗干扰强，性能稳定可靠，集多种功能于一身的智能化产品。

开关智能化，必然会成为将来家居自动化、智能化发展的主流。

2智能控制开关的设计

2.1智能控制开关概述

智能定时开关，是指装有时段或时刻控制机构的开关装置。

智能开关中装配有定时装置，将定时功能加入到开关中并根据人们的需要设定时间。

连接的定时装置有一个频率稳定的振荡源，通过齿轮传动或集成电路分频计数。

当将时间累加到预置数值时，或指示到预置的时刻处，定时器即发送信号控制执行机构。

开关可以根据指令自动断电，以达到节能、安全的目的。

定时开关主要是应用到有集成电路的电子产品中，只要是有电路板的电子产品，只要有需要，都可以设定。

像最普遍的电子闹钟也有定时功能，又如电脑！

　　智能开关在人们的生活中扮演着重要的角色，给人们的生活带来极大的便利。

主要使用在提醒，计划或者规律化生活、工作上。

智能开关的历史十分悠久，用途也很广泛。

　　从古代的某些建筑、计时器（如滴水计时，当水滴到一定量时会引发机关进行报时），到近代的定时炸弹，已及今日的电脑定时开关机等，都采用了定时开关。

　　例子：

学校的课铃就是采用定时器进行定时，当条件满足（即达到时间设定的点）时，电源就会接通，使电铃打开从而达到发出铃声的目的。

该智能控制开关是由单片机89C51控制电路、按键与LCD显示电路和掉电存储电路以及电源电路组成，电路十分的简单，主要由51芯片编程实现，功能十分的强大，时间精度非常高，是一款比较实用的智能开关，同时也是一件有欣赏价值的工艺艺术品。

2.2本设计任务

要求：

（1）实时显示和定时控制显示；

（2）定时断电保护；

（3）准时对开关进行控制（开和关）；

（4）写出详细的设计报告；

（5）给出全部电路和源程序。

3智能控制开关硬件设计

3.1系统的硬件构成及功能

智能开关控制的原理框图如图2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89C51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。

图3-1智能开关控制系统原理框图

3.2AT89C51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CMOS8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、效率高的微控制系统，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。

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3-1AT89C51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“1”。

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）。

 P0口：

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：

8位双向I/O口。

引脚P1.2～P1.7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。

P1.0和P1.1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：

引脚P3.0～P3.7为带内部上拉的双向I/0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

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器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）

3.3键盘控制和实时显示电路

由于采用软定时器计时，长时间运行会产生一些误差，就要通过按键修改实时时间，根据定时需要只要能够调整小时和分钟即可。

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3-2所示。

图3-2行列式键盘原理图

实时控制和显示分别采用了89C51和1602LCD液晶。

首先设计实时时钟，系统利用定时器产生实时时钟，采用中断子程序实现实时时钟的功能，采用软定时的方式产生实时时钟，由定时器T0工作在50ms定时模式，采用中断的响应方式，对50ms中断计数，每20次为1秒，秒计数单元的值加1，每60秒分钟单元计数单元加“1”，同理，完成小时计数单元的改变，从而实现时钟功能。

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，它具有经济、方便、编程容易等优点，设计中显示的数据较少。

1602液晶一共可以显示两行，每行可以显示16个字符。

设计中，1602的第一行显示实时时间，第二行显示定时的时间，显示通过编程实现，液晶的外面要接10K

的可调电阻，用来调节液晶显示的对比度。

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3-3为实时控制和显示电路原理图。

图3-3实时控制和显示电路原理图

3.4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，因此为了保护时间，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。

AT24C02在单片机应用中，作为EEPROM储存器用，与单片机通过I2C通信。

优点是掉电后仍可以保存数据。

比如单片机运行时，手动设置了一些参数，可以用它保存起来。

该存储电路如图5所示。

图3-4时间掉电存储电路

3.5电源电路

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8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定性能。

图3-5电源原理图

3.6开关控制电路

该电路采用5V继电器进行隔离控制，JDQ继电器耐压为300V，它的输出级由一个常开开关构成，它控制着主电路的导通与关断，原理图如下图2-6所示。

图3-6开关控制电路

4统的软件设计

4.1系统设计要求

本系统的软件系统主要完成修改时间、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1所示

4.2系统程序流程

图4-1程序流程图

5系统调试与测试结果分析

5.1使用的仪器仪表

数字万用表　　　　　　　　DT9203

单片机仿真器　　　　　　　WAVE6000

烧写器GF2100

双踪稳压稳流电源　　　　　DH1718E-5

数字示波器　　　　　TDS1002

5.2系统调试

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调。

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。

5.3软件调试

在程序编写的过程中，出现了很多问题，包括键盘扫描处理、PWM信号发生电路的控制、以及单片机控制直流电机的转动方向等问题，虽然问题不是很大，但是也让我研究了好长时间，在解决这些问题的时候，我不断向老师和同学请教，希望能通过大家一块的努力把软件编写的更完整，让系统的功能更完备。

经过多天的努力探索，也经过老师的指导，大部分问题都已经解决，就是程序还是不能实现应该实现的功能，这让我很着急。

后来经过一点一点的调试，并认真总结，发现了问题其实在编写中断处理程序时出现了错误，修改后即可实现直流电机调速的目的。

总结这次软件调试，让我认识到了做软件调试的基本方法与流程：

（1）认真检查源代码，看是否有文字或语法错误

（2）逐段子程序进行设计，找出错误出现的部分，重点排查

（3）找到合适的方法，仔细检查程序，分步调试直到运行成功

5.4系统仿真

仿真软件选择Proteus，在Proteus中画出系统电路图，当程序在KeilC中调试通过后，会生成以hex为扩展名的文件，这就是使系统能够在Proteus中成功进行仿真的文件。

将些文件加载到单片机仿真系统中，验证是否能完成对直流电机的速度调节。

若不成功，则重新回到软件调试步骤，进行软件调试。

找出错误所在，更正后重新运行系统。

硬件仿真电路的设计完全按照论文设计方案进行。

在仿真的过程中也遇到了很多问题，比如元件选择、电路设计等，在元件选择方面，有的芯片是我以前学习的时候所没有遇到过的，所以在寻找和使用的过程中也遇到很多麻烦，但经过自己的努力，并借鉴从互联网上找到的资料，我逐渐掌握这些元件的使用方法和原理，为系统设计和仿真提供了良出的基础。

另外，在进行仿真的时候，也经常出现程序没有错误了，但是仿真通不过的情况，这些大部分原因是在管脚定义上，很多系统仿真的问题都出在这。

经过这段时间的努力，使我对仿真软件以及系统设计电路有了更深一步的认识，也为系统的成功奠定了基础。

5.5仿真结果

图5-5仿真原理图

5.6附实物图

图5-6实物图

注释

上述智能开关，无论在外观上还是功能上都实现了较为完善的设计。

由于在画原理图时每个集成芯片的电源脚都有一个旁路电容连到地，从而巧妙地抑制了电磁干扰。

本系统在编写软件时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。

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