无线遥控定时开关插座设计.docx
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无线遥控定时开关插座设计
无线遥控定时开关插座设计
DesignofTimingSwitchSocketusingWirelessRemoteControlTechnology
学院：
信息科学与工程学院
专业班级：
测控技术与仪器1204班
学号：
120401412
学生姓名：
鞠闯
指导教师：
许会（教授）
2016年06月
毕业设计（论文）指导教师审阅意见
题目：
无线遥控定时开关插座设计
评语：
指导教师：
（签字）
年月日
毕业设计（论文）评阅教师审阅意见
题目：
无线遥控定时开关插座设计
评语：
评阅教师：
（签字）
年月日
毕业设计（论文）成绩评定
专业毕业设计（论文）第答辩委员会于
年月日审阅了班级同学的毕业设计（论文），听取了该生的报告，并进行了答辩。
毕业设计（论文）题目：
毕业设计（论文）答辩委员会意见：
经答辩委员会无记名投票表决，通过同学本科毕业设计（论文）答辩。
根据学校相关规定，经答辩委员会认定，该生的毕业设计（论文）成绩为。
专业毕业设计（论文）答辩委员会
主任委员（签字）
年月日
摘要
随着家用电器的越来越普及和人们生活节奏的加快，人们对电器的依赖性进一步提高，对电器的定时需求也进一步增大。
定时开关插座可用于电饭煲、饮水机、电视机、电脑、电动车电池的充电、定时开关电热毯等需要定时供电的场合。
定时开关插座的使用能够做到节能、安全、方便等。
本文设计了一种基于STC89C52单片机的定时开关插座设计方案。
设计一款以STC89C52单片机、DS1302、LCD1602液晶显示、38kHz红外遥控发射接收器为主体，可以工作在预设时间段的远程定时开关。
本设计可以利用红外线对开关进行远程控制，总的系统分为红外遥控发射端和接收端，中间涉及到进行红外的编码与解码，矩阵键盘，电源电路，液晶屏显示的设计。
发射端和接收端都是采用STC89C52单片机作为核心芯片。
程序采用C语言编写，具有更好的移植性和可读性，便于修改和增减功能。
该遥控定时开关可以通过红外按键设置一天内5组任意开关定时时间段。
该系统的时间正确可靠，可扩展性强，既能达到远程智能控制的目的，又在很大程度上降低能源的消耗。
同时借助EDA仿真可以有效地提高开发效率，结合具体硬件电路及程序设计，将理论知识用计算机仿真表现出来。
关键词：
单片机；定时开关；红外遥控；节能设备
Abstract
WiththeincreasingpopularityofhomeappliancesandthePeoplelivingrhythmspeedingup,thedependenceofpeopleonelectricalappliancesfurthertoimprove,thedemandoftimingalsobe.efurtherincreasing.Sockettimerswitchcanbeusedintheoccasionswhereneedforregularsupplysuchasricecookers,waterdispenser,TV,.puter,electricvehiclebatterycharging,timerswitchelectricblankets.Theuseofsockettimerswitchcanbeenergysaving,safe,healthy,andconvenientandsoon.
IdesignatimerswitchsocketdesignwhichisbasedontheSTC89C52microcontrollerinthispaper.Therealizationprocessofaremotecontroltimerswitchthathasthefunctionsoftimeregulation,timesetting（startingtimeandworkingduration）andisbasedontheICmicrocontrollerSTC89C52,DS1302andLCD1602and38kHzIRremotecontroller’stransceiverisintroduced.
Thisdesignistheequivalentinfraredremotecontrolswitch,thetotalsystemisdividedintoinfraredremotecontroltransmitterandreceiver,themiddleinfraredinvolvesencodinganddecoding,matrixkeyboard,powersupplycircuits,anddigitaldisplaydesign.TransmitterandreceiverisusedSTC89C52microcontrollerasthecorechip.
Itis.piledwithClanguage,soitisconvenienttomodifyandaddfunctions.Thistimerswitchiscontrolledviawirelessinfraredremotekeys.Andcansetupfive-groupanyperiodswitchtimingwithinadayviainfraredkeys.Therefore,itcanmakeexternalelectricequipmentsworkregularly.Itcanachievethepurposesofremoteintelligentcontrolandreduceenergyconsumptiontoalargeextent.AtthesametimeitcanimprovetheefficiencyofdevelopmentefficiencywiththehelpofEDAsimulation.Anditshowsthetheoreticalknowledgewith.putersimulation.binedwiththespecifichardwarecircuitandtheprogram.
Keywords:
SCM;timeswitch;infraredremotecontrol;energyconservationequipment
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.2国内外发展现状1
1.3课题研究的主要任务和预期目标2
1.3.1主要任务及要求2
1.3.2预期目标3
第2章设计方案分析确定4
2.1设计思想4
2.2开关的选择4
2.3显示方式选择5
2.4时钟的实现及单片机的选择5
2.5电源部分的选择6
2.6按键控制部分的实现6
2.7设计方案的确定6
第3章系统硬件电路设计8
3.1DS1302计时电路8
3.2LCD1602显示电路9
3.3蜂鸣器电路10
3.4按键电路11
3.5红外接收电路12
3.6继电器控制电路13
3.6.1继电器工作原理及特性13
3.6.2继电器主要产品技术参数14
3.7红外发射电路15
第4章系统软件程序设计17
第5章系统软硬件的制作与调试19
5.1硬件的制作19
5.2调试方案19
5.3硬件电路调试20
5.3.1独立元件的检测20
5.3.2电源电路的调试20
5.3.3单片机最小系统的调试20
5.3.4显示模块的调试21
5.3.5键盘模块的调试21
5.3.6继电器电路的调试21
5.4软件调试21
5.5整体系统调试22
5.6实物图23
第6章结论25
参考文献27
致谢28
附录A：
电路原理图29
附录B：
系统仿真设计图31
附录C：
系统PCB版图33
附录D：
程序清单35
第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
现如今，生活水平提高，生活节奏加快，市面上的插座往往由于其功能过于单一而不能满足我们的需求。
比如：
电动车充电通常是8h左右，太长则容易损耗电池，太短则充不满，如果晚上充电，又经常不想从家里出来到车库去给车充电。
白天充电又忘记拔电源；家中的水塔忘记抽水而造成生活的一时不便；学校的起床广播因值班人员睡过头而推迟广播；家中的鱼缸因太久没有供氧造成鱼儿缺氧死亡；许多球迷或者新闻爱好者因为错过了开机时间而与精彩球赛或者新闻擦肩而过；夏天里风扇的定时时间过短（一般为1h），不便于晚上分段定时使用等等。
各种各样的电器产品在待机的过程中使我国能源消耗逐渐增多，给可持续发展社会带来了巨大的负担[1]，通过查询中国节能认证中心对家用电器能耗做的调查，我们发现了大概家庭电力的10％都被家用电器以待机的形式浪费了，拿家庭TV来说，大约8.07W是一台家庭TV一天的平均消耗，如果一天待机2h将达到0.016kw-h的消耗。
定时开关插座能够使电器在预设的时间段内工作，在设置的时间段外停止供电，这样就减少了电器的待机时间，起到节能的效果。
综合以上原因考虑，我们急需要一款智能开关。
此开关插座能够在预设的时间内提供电源给电器，在设置的时间段外停止供电，这样既减少了电器的待机时间，又起到了节能的效果，还能消除安全隐患，最终使我们的生活更加方便化、智能化[2]。
1.2国内外发展现状
目前，在市面上，时间控制器技术相对先进，种类齐全，时间控制器被广泛应用于各类电器中，通过对时间的控制是人们的生活更加简单化、智能化。
在智能插座的领域却还处于刚刚发展的阶段，智能插座也仅仅限制于旋钮定时器，或者计数器芯片设计的体积较大的时控插座。
这种插座定时时间单一，功能单一，定时准确性低，很难真正满足我们日常生活的需求。
现在急需将一种功能强大的时控插座来满足市场需求，改善我们的生活。
随着现代电子科学技术的发展，由于单片机具有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗等特点，成品价格下降，越来越被广泛应用[3]。
这种新兴产业的发展，势必在日常生活中产生深远的影响。
由单片机实现对插座的定时控制正符合这一发展规律。
智能插座是新兴的电气产品，是物联网和智能家居的概念伴随发展的产品。
智能硬件是IT行业与传统的硬件设备行业相结合的一个跨界的新领域，比较常见的智能硬件有智能插座、智能手环、智能路由器等。
智能插座通俗的说是节约用电量的一种插座，节能插座的理念很早之前就已经生成，到目前为止已经发展的电视双插。
比较广泛，但是技术上还有待于进步。
有的高端节能插座可以在保护电器的同时起到省电的功用,它可以“打扫”电力垃圾以起到保护电器的作用,部分插座还可以防雷、漏电、短路、过载等危险[4]。
随着科学技术的进步,我国的电力电子技术和电子器件都有了很大的发展.智能开关插座技术的发展,从根本上解决了传统电器启动的额定电流高，使传统电器易造成过热引起高温而加速绝缘老化、电压降过大而影响正常运转以及大的冲击力缩短设备的使用寿命等各种弊端。
为此充分利用现有的技术、人才和资源优势，加强国际合作和技术交流，争取国内外各方面的有利因素，提高家庭的生活质量，减少不必要的人生伤害，增强人类的节能意识。
定时智能开关插座在国内外都已经成熟，给生活中带来许多的方便，比如家中的鱼缸你可以设置供养的时间、或者对家中的饮水机也可以进行设置时间，以免长时间的滚水造成饮水不健康等；全面集成远程控制、定时控制等智能和家电控制功能；即插即用，轻松实现家庭智能。
1.3课题研究的主要任务和预期目标
1.3.1主要任务及要求
（1）分析了解题目相关技术国内外现状；设定插座通断工作程序；
（2）可人为干预设定好的工作程序；
（3）实现无线遥控控制；
（4）了解题目相关的国家标准与规范；进行方案论证与整体方案的设计；
（5）设计系统的总体框图及总体电路图；
（6）以单片机为测量系统的核心，进行传感器及测量电路设计。
重点在大功率用电器开关控制；
（7）绘制电路图、编制相关流程图及软件程序等；
（8）实验数据获取及处理。
1.3.2预期目标
完成全部设计内容，进行硬件制作和软件设计
（1）DS1302时钟芯片，准确计时，自带3V纽扣电池，当系统掉电后，纽扣电池供电给时钟芯片继续工作，再次上电无需重新设置时间；
（2）LCD1602液晶可以显示时、分、秒、星期、年、月、日；
（3）可以设置5个开关开的时间和5个开关关的时间，每一个时间都可以单独设置成是否工作有效，设定的时间并具有掉电保存功能，保存在STC单片机的内部，上电无需重新设置；
（4）继电器吸合指示灯亮实现开关开，继电器断开指示灯灭实现开关关，继电器可以外接其他的家用电器；
（5）具有自动模式和手动模式，手动模式下按加、减键就可以实现开关的开和关；
（6）开机默认是自动模式，当现在的时间和设置开的时间一致时，继电器工作打开开关，当现在的时候和设置关的时间一致时继电器断开关闭开关；
（7）开关的开和关蜂鸣器的提示声不同，当开关开时，蜂鸣器会发出滴滴的提示声，开关关时，蜂鸣器会长鸣一声；
（8）具有红外遥控功能。
第2章设计方案分析确定
2.1设计思想
根据设计功能和预期目标的要求，系统的实施方案可以分为以下几个步骤：
首先，选定时钟的走时方式为24h，作为定时时间的判断标准。
然后通过按键设置定时时间分别存储在定时开始数组begin和结束数组end，通过数组的值与时钟的值进行比较，时间在定时数组时间范围内则继电器接通，否则断开。
用一个红色发光二极管的亮、灭来指示继电器的通、断的状态。
定时开关插座的显示则用LCD1602液晶屏来实现。
电源部分用220V转换为直流5V或用3节5号电池给定时开关系统供电，并用3V纽扣电池做时钟芯片储备电源，防止220V交流电断电了单片机时钟芯片就停止工作，失去定时作用。
用4个按钮实现时钟、定时的设置等功能。
2.2开关的选择
（1）先了解必要的条件；
1）主回路电源的实际电压以及它提供电流的范围；
2）次回路中的电压及电流；
3）次回路共有几组、触点采用何种方式。
主回路电源的实际电压可以作为选取继电器的参照。
次回路中的电流应使继电器正常工作，相反，继电器无法顺利工作。
（2）选取继电器的型号通过查阅相关资料，确定继电器型号、规格后，再进行进一步的核对，是否达到了预期的效果。
采用继电器作为控制220V通、断的开关。
SSR是不具备机械活动，零使动部件的继电器，但它可以实现的功能与其他继电器无异。
SSR由全部固态电子元件组成，无触点是SSR独有的设计，该设计利用元器件的点、磁和光特性完成输入与输出的隔离，再用三极管、场效应管、单双项可控硅等器件的特性，最终达到无触点、无火花地通断电路的效果。
选用SRD-05VDC-SL-C继电器最大电路可达到10A，即继电器的正常工作范围为0~2200W，可以给大部分家用电器供电。
2.3显示方式选择
在模拟电子和数字电子中,常用显示数据的有数码管和液晶显示器。
方案一：
采用LED数码管显示。
虽然功耗低，控制简单，但却只能显示数字和一些简单的字符，而且显示信息少，需要较多位的数码管，占用了较多的单片机I/O口，没有较好的人机界面。
方案二：
具有功耗低、体积小、显示内容丰富等优点的液晶显示器在各类系统中得到广泛采用。
一方面，参照显示内容的不同分为字符型和图形液晶。
另一方面，参照显示容量又可以分为单行16字、2行16字、2行20字等。
本设计采用的是2行16字的字符型液晶。
该模块应用广泛，相比于数码管具有以下优势：
（1）显示位数可以达到32位之多，而32个数码管将占据相当大的空间，不利于设计；
（2）具有相当大的显示内容，数字和大、小写字母都含括其中；
（3）易于编程，如果采用数码管，显示的刷新将占有相当长的时间，而1602自动完成刷新功能。
所以本设计采用字符型液晶芯片。
2.4时钟的实现及单片机的选择
时钟的实现可已通过使用时钟芯片或者单片机的定时器实现。
下面简要介绍几种方案的特点。
单片机仅用于控制继电器、键盘，实现时钟和定时。
STC89C51、AT89C51、AT89S51、STC89C52、AT89C52，以上几种单片机均是51系列单片机，都可以满足设计要求。
只是52单片机比51单片机内存大4K，且购买方便，故单片机选用STC89C52单片机。
方案一：
时钟通过使用时钟芯片来实现，控制部分通过使用单片机来实现。
时钟芯片种类非常多，有内置晶振及充电电池的，也有外置晶振的，现在流行的时钟芯片有DS1302、DS1307、PCF8485、SB2068等。
使用时钟芯片可以得到准确的时钟走时，可用简单的程序实现定时开关插座的定时功能[5]。
方案二：
时钟通过单片机的内部定时器来实现时钟。
单片机的内部定时器可实现较为精确的时钟走时，定时50ms的误差率极小，可达到定时开关插座的使用要求。
使用单片机内部定时器可简化硬件电路，可以节省开支，但是编程的难度有所提高。
为了减小编程难度，本设计选用方案一。
2.5电源部分的选择
电源给单片机及继电器等使用5V直流电的器件提供电源，供系统正常工作。
使用交流电和干电池混合给系统供电。
在交流电不失效的情况下由交流电转5V直流电供电，在交流电失效情况下由干电池供电。
这样就能解决运行成本过高或者在交流电失效时丢失原先设置数据的问题。
综上所述，考虑到成本、实用性等问题，对定时开关插座系统供电方案采用交流电转5V直流电是较为合适的。
2.6按键控制部分的实现
时钟时间和定时时间的设置功能可以通过按键来实现。
根据本定时开关插座的设置要求，要用到至少10个按键。
其中开关和遥控器分别需要5个按键。
2.7设计方案的确定
红外发射和红外接收两个部分的电路组成了本设计的硬件部分[6,7]。
系统软件部分的设计就是在红外发射端对信号进行编码，在接收端进行解码，要求编译显影的功能程序执行各自操作，最终达到远程控制硬件电路的效果。
键盘扫描程序、38kHz载波及编码脉冲发射程序、遥控接收及处理程序、延迟子程序等组成了本设计的软件部分。
系统组成框图如图2-1所示[8]。
系统由发射部分和接收部分组成。
发射部分采用脉冲个数编码，将待发射信号调制成38kHz的载波信号，由红外发射管进行发射。
接收部分由红外接收管进行解码接收，单片机通过对所接收信号的分析，输出相应的控制信号，由发光二极管和LCD1602液晶屏指示出发射部分按下的按键号。
液晶屏显示
STC89C52单片机
红
外
接
收
电
路
红
外
发
射
电
路
STC89C52
单片机
按
键
模块
继电器
接收部分
发射部分
图2-1系统组成框图
第3章系统硬件电路设计
系统硬件框图如图3-1所示，STC89C52控制芯片、晶振模块、复位模块、电源模块、蜂鸣器模块、按键模块、DS1302计时模块、显示模块、红外接收模块、继电器模块等10个模块组成了本设计的硬件电路。
定时开关的硬件工作系统由以上10个模块构成。
3.1DS1302计时电路
DS1302计时电路如图3-2所示，DS1302可以计算的最小时间单位是秒，它的工作电压范围为2.5~5.5V。
Vcc和Vcc2中压强大的供电给电路，主电源是Vcc2，后备电源为Vcc，在突发情况下如果主电源发生故障，后备电源继续维持计时电路的正常运行。
X1，X2外接12kHz晶振，CE是复位选线，当CE收到高电平信号时，系统将初始化所有数据的传送，开放对DS1302进行操作的权限，使数据得以传送，当CE收到低电平信号时就会终止数据传送。
STC89C52
计时模块
按键模块
显示模块
蜂鸣器模块
电源模块
复位模块
晶振模块
受控电器
图3-1系统硬件框图
图3-2DS1302计时电路
时钟模块采用DS1302时钟芯片实现计时。
DS1302芯片是具备较高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、日、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，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。
选取该芯片是为了更准确的实现定时，更好的实现定时开关插座的功能[9]。
3.2LCD1602显示电路
本设计采用LCD1602作为显示屏幕[10]。
LCD1602能够显示16×2个字符。
LCD1602显示模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，包括阿拉伯数字、大小写英文字母等。
工作参数：
（1）逻辑工作电压：
2.4~6.0V
（2）LCD驱动电压：
3.0~13.5V
（3）工作温度：
0~55℃（常温）/-20~70℃（宽温）
（4）保存温度：
-10~70℃
电气特性：
（1）输入高电平：
3.5Vmin
（2）输入低电平：
0.55Vmax
（3）输出高电平：
3.75Vmin
（4）输出低电平：
1.0Vmax
（5）工作电流：
2.0mAmax
液晶3脚连接的电阻是可调电阻，因为经过查阅液晶芯片资料得知，液晶3脚是灰度调节引脚，灰度正常时是0.5~1V左右，在给系统通电后可以调整滑动变阻R2的阻值使液晶压强在0.5~1V之间变化，从而起到调节液晶显示屏亮度的作用。
LCD1602显示电路如图3-3所示，Vcc接5V电源正极，RS为寄存器选择位，与P1.0口相连，高电平1是选择数据寄存器，低电平0时选择指令寄存器；RW为读/写信号线，与P1.1口相连，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作；E端为使能端，高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。
D0~D7与单片机的P0口相连作为8位双向数据端。
图3-3LCD1602显示电路
3.3蜂鸣器电路
蜂鸣器和继电器的驱动三极管选用的都是PNP型的9012三极管，因为单片机刚一上电的时候所有的I/O口会有一个短暂的高电平。
如果选用PNP型的，即使程序上将I/O口拉低，蜂鸣器或继电器也会响一小下或吸合一下，为了避免这种情况发生，就选用PNP型的。
因为我们想控制蜂鸣器或继电器工作单片机的I/O口要低电平，这样就避免了，因为我们不可能刚一通电就让蜂鸣器响或继电器吸合。
避免了不必要的麻烦。
蜂鸣器电路如图3-4所示，遥控定时开关中设计了蜂鸣报警电路。
其中蜂鸣器的基极连接到了单片机的P3.7端口，当P3.7端口输出为低电平时有电流流过蜂鸣器，此时蜂鸣器发出声音，如果P3.7输出为高电平，没有电流流过蜂鸣器，此时蜂鸣器不发音。
图3-4蜂鸣器电路
3.4按键电路
本设计使用的I/O口较少，所以STC89C52芯片有很多I/O口可供选择作为按键接口，所以在本设计中采用独立按键的模式。
独立式按键电路有很多优势，利于编程
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