可遥控带保护插排的制作要点.docx
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可遥控带保护插排的制作要点
论文题目：
可遥控带保护插排的制作
年级：
2013级电子1班
院系：
电子信息工程学院
学生姓名：
吕晓涛
指导教师：
孙惠芹
2016年6月
目录
第一章绪论1
1.1智能插排的简介1
1.2智能插排的主要用途1
1.3智能插排的发展趋势1
1.4智能插排的分类1
1.5设计任务及设计目标1
1.5.1设计任务1
1.5.2设计目标1
第二章可遥控智能插排的概述2
2.1选题的目的与体系2
2.2本课题在国内外的发展现状及趋势2
第三章可遥控智能插排的组成3
3.1主控芯片3
3.2红外线遥控系统4
3.2.1红外线接收端4
3.2.2红外发射端5
3.3继电器模块电路5
3.4实时时钟模块电路5
第四章可遥控智能插排的设计7
4.1可遥控智能插排方案的提出及论证7
4.1.1总体方案7
4.1.2控制算法论证7
4.1.3传感器的选择7
4.2系统理论分析与计算8
4.2.1红外遥控的基本原理8
4.2.2红外遥控的载波波形8
4.3红外编码方式与解码原理8
4.3.1红外编码方式8
4.3.2红外解码原理9
4.4可遥控智能插排的控制器模块（STC89C52）组成的数控部分10
4.4.1主控制器模块10
4.4.2主控板供电电路10
4.4.3液晶模块电路11
4.4.4数字输入模块电路11
4.4.5继电器模块电路12
4.4.6报警电路12
4.4.7红外接收电路13
4.4.8时钟电路13
第五章软件设计15
5.1LCD显示15
5.2红外键码值采集16
5.3键盘读取17
总结18
致谢19
参考文献20
外文资料21
中文资料24
附录一26
附录二28
摘要
在生活和生产过程中，插排的安全性是众多生活和生产的前提保障。
目前我国绝大部分厂家生产的插排多为即插即用,虽然使用起来很方便，但其存在以下两方面的问题，一是安全隐患对于我们的经济发展有着致命的打击，二是对于家用用电有着很大的浪费；本文中可遥控带保护的插排以STC89C52单片机作为主控芯片，通过HS0038B红外一体化接收头，接收红外遥控器发出的38Khz的载波信号，实现插排的通断，并可以设置预定的时间，从而实现插排在预定的时间实现通断，使得家用用电得到更好的利用，并可以动态显示插排的通断，时间等。
关键词：
STC89C52继电器红外遥控高效精准
Abstract
Inthelifeandproductionprocess,safetysocketisthepremiseofmanylivesandproduction.Atpresent,mostofChina'smanufacturersfortheplugandsocket,althoughitisconvenienttouse,buttherearethefollowingtwoproblems,oneissecurityhasafatalblowtooureconomythedevelopmentofthetwoisforhouseholdelectricityhasagreatwaste;theprotectionoftheremotecontrolsockettoSTC89C52microcontrollerasthemaincontrolchipthroughtheinfraredreceivingheadHS0038Bintegration,acarriersignalreceivinginfraredremotecontrol38Khz,realizetheon-offsocket,andcanbesettoapredeterminedtime,soastorealizethesocketachieveoffatthescheduledtime,makebetteruseofhouseholdelectricity,andcandynamicallydisplaythesocketofftime.
Keywords:
STC89C52ElectricRelayInfraredRemoteControl
EfficientAndAccurate
第一章绪论
1.1智能插排的简介
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比较广泛，但是技术上还有待于进步。
有的高档节能插座不但节电,还能保护电器,说它保护电器,主要是从它有清除电力垃圾的功能,有的还加入防雷击、防短路、防过载、防漏电的功能，消除电源或电器时产生电脉冲等功能。
1.2智能插排的主要用途
由于智能插排本身就是一个计算机系统，因此，只要在智能插排的外围适当加一些必要的扩展电路及通道接口，就可以构成各种应用系统，如工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、检测监视系统、智能仪表、功能模块等。
智能插排的应用领域十分广泛，智能插排的应用已经深入到工业、农业、国防、科研、机关、教育、商业以及家电、生活、娱乐、玩具等各个领域中。
1.3智能插排的发展趋势
随着单片机技术的不断发展，智能插座的功能也在不断的更新。
由于单片机具有优异的性能性价比，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，以及单片机控制电路技术的发展使智能插座具有定时准确、性能稳定、携带方便等优点。
因此智能可编程开关插座发展迅速，得到了很广泛的应用。
所以，智能插座会朝着微型化、低功耗、无线遥控、语音控制等更加智能数字化的方向发展，让人们的生活更加便捷。
再具体说，以后智能插座的发展，在节能的基础上，质量要稳定，插座本身耗能要小，这是发展的必要趋势。
1.4智能插排的分类
智能插排按电路结构分，可分为以下几种：
Wi-Fi智能插座、机械插座、POLYHOME智能插座、无线蓝牙插座。
1.5设计任务及设计目标
1.5.1设计任务
1 设计并制作一个可遥控智能插排。
2 使用HS0038B红外一体化接收头接收红外遥控发送的键码。
3 使用按键功能，可以设置预定时间，从而可以实现插排的通断。
4 使用继电器控制插排的通断。
5 LCD1602液晶显示。
6 能用按键和彩电遥控器进行设定和控制。
1.5.2设计目标
1 输出电压：
220V
2 输入电压：
AC220V10%60Hz/50HzDC5V
3 效率：
85%
4 通信速率：
9600bps
第2章可遥控智能插排的概述
2.1选题的目的与体系
现实的生活和实验中，常常要用到各种各样的家用电器，安全和节能是重要前提。
如何设计一个远程遥控，计时中断，成了电子技术应用的热点。
在市面上，各种插座产品各式各样，有可遥控关断的和固定的。
但是普遍存在一些问题，不能满足某些用电器的要求。
针对以上问题，本文的可遥控智能插排系统以STC89C52单片机作为主控芯片，通过HS0038B红外一体接收头来接收红外遥控发来的键码值，经主控芯片38Khz后，实时反馈32位2进制数字信号，主控芯片通过继电器模块进而控制插排的通断，以控制家用电器的运行状态，实现闭环控制。
通过键盘预设时间，同时在LCD显示屏上实时显示系统开始时间、关闭时间和插排断电。
提高了电能的有限利用，并且方便使用者操作，实现了基于单片机的可遥控智能插排。
2.2本课题在国内外的发展现状及趋势
本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能强大的单片机定时控制插座系统的设计与开发。
包括硬件电路和主要的软件设计。
本课题详细分析系统的硬件设计和软件设计，给出电路原理图，以及主要程序设计的流程图和程序。
主要采用51单片机为核心单元，利用单片机的定时器，I/O等功能设计的一款具有定时和红外遥控的单片机时控插座。
第三章可遥控智能插排的组成
本可遥控智能插排,采用STC89C52单片机实现对继电器模块的定时通断的开关插座，能控制一路220V/10A的插座，使其可以在24小时内能预先设定定时范围，每天周而复始地控制用电器具的自动开启和关闭，可以通过时钟芯片来定时，还能通过红外遥控随时控制插座的开关，从而达到方便、智能、节电的目的。
如图3-1所示。
系统主要包括三大部分:
主控芯片、红外线遥控系统和继电器模块电路等组成。
图3-1可遥控智能插排的系统框图
3.1主控芯片
主控芯片采取使用了STC89C52是宏晶公司生产的40引脚双列直插芯片，如图3-2，单片机片内集成512字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间支持最大64K外部存储扩展。
根据不同的运行速度和功耗的要求,时钟频率可以设置在0-33M之间。
片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。
可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
图3-2主控芯片
3.2红外线遥控系统
3.2.1红外线接收端
红外接收端采用了远程控制系统的HS0038B。
红外接收电路通常被集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。
内部电路包括红外监测二极管，放大器，限幅器，带通滤波器，积分电路，比较器等。
如图3-3，红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。
交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。
注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。
图3-3红外接收一体头内部电路
3.2.2红外发射端
红外线遥控器就是红外线的发射端，如图3.4所示，其结构方框图如图3.5所示。
图3-5红外线发射器结构方框图
图3-4红外线遥控器
红外遥控器主要包括键盘、编码和调制模块、红外线发射LED。
当按下某一个按键后，遥控器上的编码和调制模块进行编码，并结合载波电路的载波信号而成为合成信号，再经过红外线发射二极管将红外线信号发射出去。
3.3继电器模块电路
继电器是当输入量（本设计中是时间）达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。
它可以分为电气量（如电流、电压、频率、功率等）继电器及非电气量（如温度、压力、速度等）继电器两大类。
继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。
3.4实时时钟模块电路
系统采用DS1302作为计时器，如图3-6，从而实现定时插座能在24小时内实现任意时间的可变定时和一小时内的固定模式定时。
这样可以使得定时准确，方便，节约系统资源，同时程序编写上也能相对简单。
DS1302是高性能时钟芯片，具有以下特性：
1 实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月进行计数；
2 用于高速数据暂存的31*8RAM；
3 最少引脚的串行I/O；
4 2.5-5.5V满肚工作范围；
5 2.5V时耗电小于300nA；
6 用于时钟或数据读/写的单字节或多字节数据传送；
7 8引脚DIP或可选的用于表面的8引脚SOIC封装；
8 简单的3线接口；
9 TTL兼容（VCC=5V）；
图3-6DS1302的芯片引脚图
第四章可遥控智能插排的设计
以下将从两大部分介绍可遥控智能插排的设计，一是可遥控智能插排的系统方案论证。
二是可遥控智能插排的控制器模块（STC89C52）组成的数控部分设计部分。
4.1可遥控智能插排方案的提出及论证
4.1.1总体方案
方案一：
采用硬件方式实现智能插排的通断，设计一个定时开关，通过拨码开关预置一个时间，再通过计数器倒计时方式进行计数，当到达某一个时间时，发出一个信号，进而来控制电器的工作。
具体原理是由555组成秒脉冲发生器，再由CD40192构成一个倒计时的计时器，通过一个拨码开关预设时间，最后数码管显示，蜂鸣器报警，但由于硬件实现插排的通断较为复杂，且达不到系统预定的精度，无法实现系统设计要求。
方案二：
主控芯片采用STC公司的8位单片机89C51，共有32个I/O口，电源电压为+5V；继电器采用JQC-3F型号继电器，工作在5V/1.1A，因其超小型体积，功耗低，触点负载大，高灵敏度等特点，所以可以很好实现控制220V交流插排的通断，定时功能可采用DS1302时钟芯片，进而可以更加准确的进行插排的通断，同时还能通过红外遥控随时控制插排的开关状态，从而实现了精准的系统设计要求。
方案三：
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
方案选择：
综上所述，选择方案二实现风板控制装置。
4.1.2控制算法论证
方案一：
采用最优控制算法。
最优控制算法是将控制要求转化成某个性能指标，使其达到最优的一种算法。
对于可遥控智能插排而言，最优控制算法可以使系统在准确的时间段实现插排的通断，从而实现电能的节约。
但最优控制算法对过程的最优控制的一个重要前提就是最优化系统中的数学模型是完全正确的，而且其运算量较大，单片机很难满足要求。
方案二：
采用PID控制算法。
PID控制算法是运用反馈求和后的误差信号的比例（0阶位置项）、积分（误差累积项）、微分（1阶速度项）进行系统矫正的一种控制算法。
可用于被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确数学模型的情况。
当采用定点运算时，其运算量较小，但系统控制器的结构和参数必须依靠经验和反复调试来确定。
方案选择：
综上所述，选择方案二做为可遥控智能插排的算法。
4.1.3传感器的选择
方案一：
使用无线蓝牙。
利用无线蓝牙串口通讯模块使其工作在自动连接工作模式下，可以实现远程控制继电器的闭合与断开。
无线蓝牙模块动态响应能力强，可以实现较远距离的控制，但考虑到要去除零漂的影响，使用无线蓝牙模块算法复杂，而且外围滤波电路和电源的稳定性的要求很高。
方案二：
红卫遥控按键和红外一体接收头。
红外遥控是将信号或数据进行解调、调制，通过NEC协议变为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。
对于可遥控智能插排而言，利用红外遥控可以把红外一体头的光信号转换成电信号，供单片机处理。
其编程简单，易于实现，故可以很好的实现系统的要求。
方案选择：
综上所述，选择方案二做为远程遥控。
4.2系统理论分析与计算
4.2.1红外遥控的基本原理
红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。
如图4-1，红外发射装置由键盘电路、红外编码芯片、电源和应用电路组成。
通常为了使信号能够更好的被传输发送端将基带二进制信号调制为脉冲串信号，通过红外发射管发射，常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种发法。
可遥控智能插排则是利用脉冲宽度来实现远程遥控继电器的通断。
图4-1红外遥控组成
4.2.2红外遥控的载波波形
使用455KHz晶体，经内部分频电路，信号被调制在37.91KHz，占空比为3分之一。
调制频率（晶振使用455KHz时）
FCAR=1/Tc=fosc/12=38KHz
FOSC是晶振频率
占空比=T1/Tc=1/3
图4-2载波波形
4.3红外编码方式与解码原理
红外线遥控器的编码与所使用的编码芯片有关，不同的芯片，编码有所不同，但基本原理相似。
可遥控智能插排选用的是MN6013芯片。
4.3.1红外编码方式
MN6013芯片的C5D6编码格式每帧数据由引导码、5位自定义码、6位数据码、5位自定义反码和6位数据反码组成。
解码时可以根据引导码来判断数据帧是否开始被接收，反码则可以和自定码数据码作比较来判断当前数据帧是否被正确接收。
如图4-3.
图4-3红外线发射码格式
引导码由4.5ms的高电平脉冲和4.5ms的低电平脉冲组成。
八位的用户编码被连续发送两次，八位的键数据码也被发送两次，第一次发送的是键数据码的原码，第二次发送的是键数据码的反码，所以整个数据编码占用32位
4.3.2红外解码原理
数据编码方式是通过脉宽调制来实现的，以脉宽为0.56ms，间隔为0.56ms，周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.56ms，间隔为1.69ms，周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其接受端波形如图4-4和图4-5
图4-4遥控码“0”波形图图4-5遥控码“1”的波形图
单片机解码的关键是如何识别“0”和“1”。
从遥控码“0”和“1”的波形图中可以发现，“0”、“1”均分别以0.56ms的低电平开始，不同的高电平的宽度不同，“0”为0.56ms，若读到的电平为低，说明该位为“0”；反之则为“1”。
也可以设计一个精确延时时间。
4.4可遥控智能插排的控制器模块（STC89C52）组成的数控部分
4.4.1主控制器模块
如图4-6所示，STC89C52是40引脚双列直插芯片，单片机片内集成512字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间支持最大64K外部存储扩展。
根据不同的运行速度和功耗的要求,时钟频率可以设置在0-33M之间。
片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。
可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。
图4-6控制器模块
4.4.2主控板供电电路
如图4-7所示，主控板供电采用USB的供电模式，可以更好的利用电能。
图4-7主控板供电电路
4.4.3液晶模块电路
如图4-8所示，液晶显示模块采用LCD1602的液晶，Q0~Q7为数据输入端，RS、RW、EN为控制读写使能端，VEE用来调节液晶对比度。
该液晶在同一屏幕下可以显示16个字符。
图4-8液晶模块电路
4.4.4数字输入模块电路
如图4-9（a）所示，键盘使用独立按键键盘的排列方法，每个按键的具体功能如图4-9（a）中所示。
S1是选择键，可以对时间进行设置，S2是按键增加键，可以对时间进行增加，S3是减小键，可以对选定的时间进行减小，S4是确认键。
红外遥控按键可以单独对时间进行设置，并且可以远程关断插排，如图4-9（b）。
图4-9（a）
如图4-9（b）所示，红外遥控按键采用红外键盘模式，按键16可以选择计时模式的切换，19可以实现远程遥控，0d到4A可以实现起始时间和停止时间的更改。
图4-9（b）
4.4.5继电器模块电路
如图4-10所示，继电器模块电路采用的是JQC-3F继电器，5V/1A电压，可以很好的控制插排的通断，起到了弱点控制强电的功能。
当起始时间和终止时间一致是，或当主控制器接收到红外遥控传来的指示后，做出相应的闭合和断开,D4为续流二极管主要用来继电器，防止继电器在通电的瞬间因为感性负载的原因产生反向电流将继电器烧毁。
图4-10继电器模块
4.4.6报警电路
如图4-11所示，报警电路采用有源蜂鸣器，通电时发出“嘀”长响，主要采样PNP三极管Q1驱动，当BEEP低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出声音，D2为续流二极管主要用来保护三极管，防止蜂鸣器在断电的瞬间因为感性负载的原因产生反向电流将三极管击穿，D2则是提供了反向电流的通路，有效保护了三极管。
在电源中蜂鸣器主要有两个作用，一是按键提示音；二是插排断电告知。
图4-11报警电路
4.4.7红外接收电路
如图4-12所示，红外接收电路主要用来接收红外遥控按键传来的键码值，并送人主控制器，采用H0C38B，工作电压：
2.4V～5.5V，低功耗，抗干扰能力强。
图4-12红外接收电路
4.4.8时钟电路
如图4-13所示，时钟电路采用高性能实时时钟DS1302,是常用的时钟芯片，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。
能实现定时插座能在24小时内实现任意时间的可变定时和一小时内的固定模式定时。
这样可以使得定时准确，方便，节约系统资源，同时程序编写上也能相对简单。
图4-13时钟电路
第五章软件设计
可遥控带保护插排软件设计分为五个部分，LCD显示、红外键码值采集、键盘读取。
5.1LCD显示
如图5-1，LCD显示分为固定显示和动态显示两大部分，固定显示只执行一次，动态显示用来显示定时时间。
图5-1LCD显示
5.2红外键码值采集
如图5-2，红外按键经初始化后，等待开始时间和终止时间匹配如果匹配后，继电器断开，如果不匹配，则继续动态显示时间。
图5-2红外键码采集
5.3键盘读取
如图5-3，键盘读取采用中断的方式，当有任意按键按下时，下降沿触发中断，进行下一步键值的读取，再根据键值执行相应的功能函数。
没有中断时不执行该部分。
图5-3键盘读取
总结
本次设计的定时插座虽然可以实现定时控制一路插座的功能，设计的定时插座已经可以实现预期功能。
该定时插座可以控制一路220V/10A的插座，但是可定时的路数和定时组数仍然不够。
现实生活中，随着人们的生活水平不断的提高，家电等用电器具越来越多，单一的一路控制明显不能满足要求。
因而，如果在设计时多加入几路的插座控制，而且各路控制互不干扰，各司其职的话，用户只需要将要定时控制的用电器具都插在定时插座上，通过各自的定时设置，就可以使各电器按照人们的习惯有规律地工作，很大程度上方便人们的日常生活。
同时，可以给定时插座加上保护措施，如漏电保护开关等，达到安全的目的。
另外，本次设计中所使用的红外遥控器基本只能在同一室内控制插座，如果采用无线电遥控器等更加先进的遥控器的话，人们或许就可以在室内的任何地方随时控制家电的开关状态了。
再者，设计中的定时插座开关状态变换只是用单一红色指示灯体现，如果可以加入扬声器等反应更加明显的指示，甚至是自动语音指示等比较能引起人们注意的外部设备，会让定时插座变得更加人性化，实用性也更高。
再者通过本次可遥控智能插排的设计，进一步巩固了课本理论知识，熟练掌握了STC89C52RC软件的编程、可遥控智能插排的设计方法。
培养了所学理论知识在实际中的应用能力。
再次学习和掌握了单片机编程的方法。
对其内部结构和程序代码的编写有了更进一步的认识，掌握了可遥控插排的设计方法。
同时培养了查阅图书资料、工具书的能力和工程绘图、书写技术报告的能力。
致谢
本次设计是在孙惠芹老师的指导下顺利完成的。
在此衷心感谢在这次毕业设计中老师的大力支持和帮助，才得以顺利完成毕业课程设计任务。
同时，这次设计业也离不开其他同学的帮助，在硬件软件设计方面给我提供了不少建议和帮助，让我在设计过程中少走了不少弯路，更好得完成了设计。
在此谨向他们表示衷心的感谢。
参考文献
【1】张金.电子设计与制作100例.北京：
电子工业出版社，2012.
【2】贾海瀛.传感器技术与应用.北京：
清华大学出版社，2011.
【3】李莉.模拟电子技术.北京：
中国电力出版社，
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