智能插座毕业设计.docx
《智能插座毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能插座毕业设计.docx（63页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能插座毕业设计
（2015届）
本科毕业设计（论文）资料
题目名称：
智能插座
学院（部）：
理学院
专业：
电子信息科学与技术
学生姓名：
班级：
学号：
指导教师：
职称：
讲师
最终评定成绩：
工业大学教务处
工业大学
本科毕业论文（设计）
诚信声明
本人重声明：
所呈交的毕业论文（设计），题目《基于单片机的智能插座的设计》是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文章以明确方式注明。
除此之外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
本人完全意识到本声明应承担的责任。
作者签名：
日期：
年
摘要
家电长期的待机不仅引起巨大的能源浪费，而且使得排插的负荷越来越大，带来了非常严重的安全隐患。
同时，电器的使用寿命大大缩短。
本设计制作了具有定时及智能感应功能的插座。
其不仅你不了现实生活中普通插座功能的不足，还为人们的生活带来了极大的便捷。
本系统由单片机最小系统、QC12864B液晶屏、HC-SR501及继电器等几个模块组成。
通过外设键盘对与继电器相连的排插进行定时、延时设置，使其可以按照我们的意愿在相应的时间通断。
或由HC-SR501热释电红外传感器模块，当感应到生物发出的红外线而输出电信号进而触发SCT89C51单片机的外部中断引脚，自动控制排插的通断。
由LED指示灯指示工作模式并将工作数据通过LCD液晶屏显示。
软件设计使用keiluvision4，各个功能的选择菜单界面通过QC12864B液晶屏显示，配合按键实现多各个功能之间的选择与切换，使该系统能够有个友好的界面。
根据需要实现的功能用C语言完成底层驱动和各子系统程序的编写和调试。
使外接继电器可以按照一定的规律工作，即可以达到智能控制的目的，又在很大程度上起到节能的作用。
关键词：
STC89C52;排插;SH-RF501;DS1302
ABSTRACT
Electricalappliancesonstandbyforalongtimenotonlycausehugewasteofenergy,andmakethestriploadmoreandmorebig,hasbroughttheserioussecurityhiddendanger.Atthesametime,greatlyreducestheservicelifeoftheappliance.Thisdesignwhichhasthefunctionoftimingandintelligentinductionsocket.Itsnotonlyyouarenotthereallifeofordinarysocketfunctionisinsufficient,alsobroughtgreatconvenienceforpeople'slife.
Thissystembysinglechipmicrocomputerminimumsystem,QC12864BLCDscreen,HC-SR501andrelayofseveralmodules.Byaperipheralkeyboardconnectedtotherelayplatooninserttiming,delayset,canmakeitaccordingtoourwishesinthecorrespondingtimeonandoff.OrbytheHC-SR501pyroelectricinfraredsensormodule,whensensinginfraredandoutputelectricsignalfromthebiologicaltriggerstheSCT89C51MCUexternalinterruptpin,automaticcontrolstriponandoff.WorkingmodeanddirectedbytheLEDindicatorlightwillworkdatathroughtheLCDscreendisplay.
Softwaredesignusingkeiluvision4,eachfunctionselectionmenuinterfacebyQC12864BLCDscreendisplay,cooperatewiththekeystoachievemorechoiceandswitchbetweeneachfunction,makesthesystemhasafriendlyinterface.AccordingtothefunctionoftheneedtoimplementinClanguagetocompletetheunderlyingdriveandeachsubsystemwritinganddebuggingoftheprogram.Makeexternalrelayscanworkaccordingtocertainrules,whichcanachievethegoalofintelligentcontrol,andtoagreatextent,havetheeffectofenergysaving.
Keywords:
SCTC89C52；socket；SH-RF501；DS1302
第1章绪论
1.1设计的目的和意义
随着人口的增长、科技的迅猛发展，人们生活水平不断的提高，对于电子产品的需求和要求也不断增加，各式各样的电子产品应用于我们的生活中。
在为人类带来便捷的同时，也意味着我们使用的产品消耗的能源同等的增加以维持我们生活的正常进行。
可是，我们生活的星球能开发利用的能源是有限的并且正在不断的消耗殆尽，所以，节约能源又成为了我们必须要解决的问题，同时其也是这个社会的主题。
所以，这样一对矛盾应尽快得到调解，在调查中我们发现，大部分市面上的电子产品都具有待机功能，比如电视机，电脑，冰箱，空调等家用电器。
如此，就我国而言，无意识的家电或电子产品的能耗基于一个十几亿人口的大国，那是一个非常巨大的能源浪费。
据测算，家电待机能耗占到中国家庭电力消耗的10%以上。
而正是由于这种长期的待机状态，使得排插的负荷也越来越大，带来了非常严重的安全隐患。
除此之外，也使得电器的寿命大大缩短[1]。
所以，本系统对家庭中普通的排插进行了更加智能化的设计，我们利用单片机对继电器的控制来达到控制排插通断的目的，并可以通过外设键盘对排插进行定时设置，使其可以按照我们的意愿定时通断，在定时功能的基础上，增加了人体感应模块。
基于此种思维设计，其不仅能节约能源消耗，减轻地球的负担；增加家电的使用寿命；还能让我们的生活变得更加的便捷、舒适。
重要的是可以防止不必要的安全事故的发生。
1.2国外研究现状
目前市场上使用的绝大多数移动电源排插只可以实现简单的电源机械式通断电，单一的功能并不能满足我们未来生活的需要，智能排插可编程开关排插可根据使用者的意愿，对其进行功能设置实现电源的自动通断电，是人们的生活带来极大的方便之余又能应和这个社会节能的主题。
现阶段市场上出现的智能插座有小管家智能插座、科德牌智能插座、POLYHOME智能插座、博联智能插座等等。
这几款插座中小管家插座使用智能芯片系统和相应程序软件对继电器进行编程控制，使得插座待机能耗降至零，达到节能安全的目的。
利用遥控功能关机后自动切断电源，遥控开机时，能自动接通电源。
并且具有消除待机能耗、智能化保护功能、避免电磁波辐射、有效防雷击冲击的特点。
科德智能插座，可以进行定时设定，精确值时间为1分钟，每天最多可设置多组开与关。
并且具有模式功能，随时可切换到长通或定时状态。
目前智能排插的实现方法有机械式定时排插、基于单片机的定时器功能实现排插的智能定时、以及采用现成的智能芯片。
机械式定时排插通过转动刻度盘，进行定时时间设置；而基于单片机的智能排插则是通过用单片机控制继电器的通断来控制排插的开关，即通过单片机编程实现智能定时；智能芯片排插则是通过芯片直接感应来实现智能通断电，从而达到消除待机功耗的目的；较为高级的当属无线控制智能排插，基于Wi-Fi通讯，只要家中有无线路由器，排插就会自动寻找网路，用户只需输入上网密码即完成配置，通过智能手机在全球任何地点都可以控制。
智能排插有效地解决了待机能耗的问题，从而提高终端用电设备的使用寿命，促进我国节电降耗产品领域的发展。
也消除了生活中的很多安全隐患。
可达到适用于彩电、电脑、空调等用电领域的较高技术指标与节电能力。
而随着技术的不断发展，对智能排插的承受功率不断地增高完善，智能排插除了广泛应用于家用电器外，还会更多的应用到工业领域。
1.3论文主要容与思路
本系统设计了基于单片机对继电器的控制来达到智能控制排插通断的目的，并可以通过外设键盘和红外感应对排插进行定时设置和感应通断，使其可以按照我们的意愿自动通断。
论文各章主要容如下：
第一章是绪论，介绍了本研究的目的和意义，国外研究现状以及本论文的章节结构。
第二章总体方案设计，在论述系统的设计结构的基础上，详细说明系统的主要设计功能。
第三章是硬件系统构架，首先介绍系统的工作原理，然后介绍单片机的主要性能参数，接着是对每个电路模块进行分析，并给出原理图。
第四章介绍系统的软件设计，并对每个模块进行说明。
第五章介绍实物调试过程，并对相应结果进行了详细的说明。
第六章是本文的总结与展望，并提出进一部完善的工作。
第2章总体方案
本系统的设计主要由感应控制系统和按键控制系统组成，硬件电路由STC89C52单片机为核心控制器，通过C语言编写文件系统实现各路控制功能。
在感应控制系统中，单片机通过HC-SR501人体感应模块触发外部中断进而控制与排插插孔相连的继电器来控制插孔的关断。
此外，插孔的关断还可以通过手动按键来操控，通过单片机配合时钟芯片DS1302对排插进行定时开关或延时开关等操作，由LED指示灯指示当前工作状态并由QC12864B液晶屏作为人机交互界面进行显示，使系统能够有一个良好的界面。
总体的系统框图如图2.1所示。
图2.1系统框图
（1）智能排插的核心控制电路
STC89C52单片机是本设计的核心器件，配合各个模块实现排插的控制，STC89C52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，。
该最小系统主要由复位电路，晶振电路构成。
（2）QC12864B液晶显示部分
QC12864B是带中文字库的汉字图形点阵液晶显示模块，可显示4×8行16×16的点阵汉字及分辨率为128×64的图形。
同时，光标显示、画面移动、自定义字符、睡眠模式等功能可实现最直接的人机交互。
（3）DS1302模块
本系统采用DS1302作为时钟计时器，从而实现排插在24小时任意时间的可变定时和一小时的固定模式定时。
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。
（4）HC-SR501模块
HC-SR501是建立在BISS0001红外热释电处理芯片上的自动控制模块，其使用LHI778型探头进行设计，具有高灵敏度，功耗低，可靠性强等特点。
广泛应用于各类自动感应电气设备，且其是干电池供电的自动控制产品。
（5）继电器模块
本设计采用的是型号为SONGLESRD-05VDC-SL-C的继电器，5V继电器是一种电子控制器件，具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），可用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
（6）按键模块
系统采用轻触按键设计4*4式矩阵按键，充分利用单片机I/O口控制实现按键功能。
第3章硬件电路设计
3.1智能插座的工作原理
本系统由单片机最小系统、QC12864B液晶屏、HC-SR501、继电器等几个模块组成。
通过外设键盘对与继电器相连的排插进行定时、延时设置，使其可以按照我们的意愿在相应的时间通断。
或由HC-SR501热释电红外传感器模块，当感应到生物发出的红外线而输出电信号进而触发SCT89C51单片机的外部中断引脚，自动控制排插的通断。
由LED指示灯指示工作模式并将工作数据通过LCD液晶屏显示。
3.2硬件简介
3.2.1STC89C52单片机
STC89C52单片机是一款低功耗、高性能的8位微控制器芯片，部集成8K字节Flash，512字节RAM，4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，2个外部中断，一个通信一步通信口（UART），一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口，32位的I/O口线，看门狗定时器。
另外STC89C52可降至0MHz静态逻辑操作，支持2种可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，、片振荡器停止工作，从而单片机的一切工作全部停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
可以在4V到5.5V宽电压围正常工作。
具有许多独特的优点，即体积小、重量轻、单一电源、低功耗、功能强、价格低廉、运算速度快、抗干扰能力强、可靠性高等[4-6]。
其部包含以下功能部件：
a.8位CPU；
b.振荡器和时钟电路；
c.8k字节的程序存储器EPROM;
d.256字节的数据存储器RAM；
e.可寻址外部存储器和数据存储器各64字节；
f.20多个特殊功能寄存器；
g.32线并行I/O口；
h.一个全双工串行I/O口；
i.3个16位定时器/计时器；
STC89C52引脚图如图3.1所示。
图3.1DIP-40封装STC89C52引脚图
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的准双向I/O口。
当作为输出口时，输出级为漏极开路电路，应外接一个上拉电阻来提供输出高电平时的驱动电流。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当CPU访问片外存储器时，由部硬件自动使控制线为“1”。
这时，P0口可作为低8位地址/数据总线分时使用。
在这种模式下，P0不具有部上拉电阻[4-6]。
P1口：
P1口是一个带有部上拉电阻的8位准双向口，作为通用的I/O端口使用。
P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
当P1口用做输出口输出“1”时，输出线由部上拉电阻拉成高电平；作为输入使用时，CPU必须将“1”写入锁存器，使T1截止，把该端口线由部上拉电阻拉成高电平[6]。
P2口：
P2口是一个带有部上拉电阻的8位准双向I/O口。
P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
当CPU对P2端口写入“1”时，其部的上拉电阻把该端口拉为高电平，此时，P2口可作为输入端口来使用。
作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流[4-6]。
P3口：
P3口是带有部上拉电阻的8位准双向I/O口，并且还是一个双功能端口。
其作为通用的I/O口使用时，工作原理同P1、P2端口相似。
对P3端口写“1”时，输出引脚由部上拉电阻拉成高电平；作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流[4-6]。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位[4-6]。
3.2.2QC12864B液晶显示屏
QC12864B是一款具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式的带中文字库以及部含有国标体中文字库的点阵图形的液晶显示器；其具有128×64的分辨率,8192个16*16点汉字以及128个16*8点的ASCII字符集，且具有光标显示、画面移位、睡眠模式等多种功能。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
其引脚图如图3.2所示。
如表3.1为QC12864B引脚定义表[7]。
图3.2QC12864B引脚图
表3.1QC12864B引脚定义
管脚号
管脚名称
电平
管脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0+5V
电源正
3
V0
-
对比度（亮度）调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
H/L
使能信号
7
DB0
H/L
三态数据线
8
DB1
H/L
三态数据线
9
DB2
H/L
三态数据线
10
DB3
H/L
三态数据线
11
DB4
H/L
三态数据线
12
DB5
H/L
三态数据线
13
DB6
H/L
三态数据线
14
DB7
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H：
8位或4位并口方式，L：
串口方式
16
NC
-
空脚
17
/RESET
H/L
复位端，低电平有效
18
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端（+5V）
20
K
VSS
背光源负端
3.2.3DS1302时钟芯片
DS1302是高性能时钟芯片，具有以下特性：
实时时钟，可对秒、分、时、日、周、月、以及带闰年补偿的年进行计数；
用于高速数据暂存的31*8RAM；
最少引脚的串行I/O；
2.5-5.5V满肚工作围；
2.5V时耗电小于300nA；
用于时钟或数据读/写的单字节或多字节数据传送；
8引脚的双排直列封装（DIP）或用于表面的8引脚贴片封装（SOIC）；
简单的3线接口；
TTL兼容（VCC=5V）；
可选的工业温度围-40℃至+85℃；
在DS1202基础上增加的特点：
——可选的慢速充电的能力；
——用于主电源和备份电源的双电源引脚；
——备份电源引脚可用作电池或超容量电容器的输入端；
——附加的告诉暂存存储器（7字节）。
图3.3为DS1302的芯片引脚图所示。
如表3.2所示为DS1302各引脚的功能表[8]。
图3.3DS1302的芯片引脚图
表3.2DS1302引脚功能
引脚号
引脚名称
功能
1
VCC2
主电源
2、3
X1、X2
振荡器，外接32.768KHZ晶振
4
GND
电源地
5
RST
复位
6
I/O
数据输入/输出（双向）
7
SCLK
串行时钟
8
VCC1
后备电源
3.2.4BISS0001红外热释电处理芯片
BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成芯片，由热释电红外传感器以及外围连接元器件组成的被动式热释电红外开关模块。
其可自动快速有效的控制各式照明灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等等家用电器的关断，普遍应用在宾馆、酒店、公司、商场及家庭等过道或走廊等敏感区域，以及安全区域的灯光、照明和报警系统。
引脚原理图如图3.4所示。
其引脚功能如表3.3所示[9]。
图3.4BISS0001引脚图
表3.3BISS0001引脚功能
引脚号
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发
2
VO
O
Vo上升沿时为有效触发。
在输出时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平。
3
RR1
--
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
--
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
--
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
--
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
--
工作电源负端
8
VRF
I
参考电压及复位输入端。
9
VC
I
触发禁止端。
当VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
--
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
--
工作电源正端
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
第一级运算放大器的输出端
3.2.5继电器模块
本系统使用的继电器是型号为SONGLESRD-05VDC-SL-C的继电器，该继电器是一种电子控制器件，工作电压5伏，具有两个控制系统分别是输入回路和被控输出回路，利用较小的电流驱动去控制大电流的一种“自动开关”。
因此在电路中起着安全保护、自动调节及电路转换等作用，可实现弱电控制强电的目的，常用在自动控制电路中。
3.2.6按键模块
采用普通轻触按键设计矩阵式按键控制，给单片机引脚输入电信号。
由于与人体感应模块中用到的外部中断脚P3.2重合，故在设计按键的时候将此引脚除去。
3.3系统的硬件电路设计原理图
3.3.1STC89C52最小系统电路图
STC89C52为核心的最小系统由复位电路和晶振电路组成，复位电路由按键一个1K电阻和一个10K电阻以及一个10uf的电解电容构成，晶振电路由12M晶振和两个30PF电容组成，单片机最小系统如图3.5所示。
图3.5单片机最小系统仿真图
3.3.2QC12864B液晶显示电路
QC12864B带字库型液晶显示模块，部存有16X16点阵的中文汉字8192个、8X16点阵的字符128个以及64X256点阵的图形显示RAM（GDRAM）。
其电路连接图如图3.6所示。
图3.6QC12864B电路连接图
3.3.3DS1302时钟电路
DS1302引脚电路中Vcc1为后备电源接一个干电源电池，Vcc2为主电源。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHZ晶振。
电路连接图如图3.7所示[10]。
图3.7DS1302电路原理图
3.3.4HC-SR501模块电路
BISS0001是一款高性能的传感信号处理集成电路，由运算放大器、状态控制器、电压比较器、封锁时间定时器以及延迟时间定时器等构成的数模混合集成电路。
并配以热释电红外传感器和外围元器件构成被动式的热释电红外开关。
该模块有两种模式：
分别是可重复触发方式和不可重复触发方式。
通过Q脚电信号的变化，触发单片机外部中断达到控制继电器工作效果。
本系统采用不可重复触发方式，当感应到有人体在其围活动则Q脚输出高电平，否则输出低电平，而单片机外部中断为低电平触发，故在模块输出端加一反相器。
其电路原理图如图3.8所示，其中PIR为HC-SR501模块[10]。
图3.8HS-SR501模块电路原理图
3.3.5继电器电路
本系统
升级会员 