基于單片機的定時插座設計

本科畢業(yè)設計（論文）題 目 基于單片機的時控插座設計 專業(yè)班級 學 號 學生姓名 指導教師 設計所在單位 基于單片機的時控插座設計摘要：隨著家用電器的越來越普及和人們生活節(jié)奏的加快，人們對電器的依賴性進一步提高，對電器的定時需求也進一步增大。定時開關插座可用于電飯煲、飲水機、電視機、電腦等需要定時供電的場合。定時開關插座的使用能夠做到節(jié)能、安全、方便等。本文介紹了一種基于STC89C51RC單片機的定時開關插座設計方案。本文首先介紹定時開關插座設計要實現(xiàn)的功能，接著闡述系統(tǒng)電路的設計及原理說明，包括設計方案選擇、關鍵元器件介紹、電路設計說明（包括電源電路、鍵盤、單片機控制電路、液晶1602顯示、繼電器工作電路）軟件設計流程以及系統(tǒng)的測試。最后總結了定時開關插座設計完成的任務，分析系統(tǒng)的不足并提出了系統(tǒng)的應用展望。關鍵詞：STC89C51RC；定時插座；1602液晶；鍵盤 Design of Control Outlet Based on SCMAbstract：With the increasing popularity of home appliances and the People living rhythm speeding up, the dependence of people on electrical appliances further to improve, the demand of timing also become further increasing. Socket timer switch can be used in the occasions where need for regular supply such as rice cookers, water dispenser, TV, computer, timer switch electric blankets. The use of socket timer switch can be energy saving, safe, healthy, and convenient and so on.This article presents a timer switch socket design which is based on the AT89S52 microcontroller.This paper introduces the function what the timer switch socket design should achieve first of all, and then describes the circuit design and principles of the system description, including design choices, concerning component description, circuit design description (including the power circuit, keyboard, single chip control circuit, LCD 1602 display ,the relay operating circuit), software design and testing of the system. Finally, it will sum up the timer switch socket design the tasks should be completed, analyze systems deficiencies and propose the systems application prospect.Key words：STC89C51RC,Timer switch,LCD 1602,Keyboard目錄第一章 緒論11.1 選題的目的與意義11.2本課題在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢11.3 本課題要解決的主要問題2第二章 系統(tǒng)設計方案32.1 系統(tǒng)結構與功能32.2 方案框圖32.2.1 方案132.2.2 方案232.3 開關的選擇42.4 顯示方式選擇42.5 時鐘的實現(xiàn)及單片機的選擇52.6 按鍵控制部分的實現(xiàn)5第三章 主要元器件原理及其應用73.1 單片機STC89C51簡介73.1.1 主要特性73.1.2 引腳功能說明83.2 1602工業(yè)字符型液晶簡介103.2.1 主要特性103.3 繼電器介紹113.3.1 繼電器的繼電特性113.3.2 繼電器工作原理及特性113.3.3 繼電器主要產品技術參數(shù)123.3.4 繼電器的選用13第四章 硬件電路的設計144.1 電源電路144.2 單片機最小系統(tǒng)154.3 液晶顯示174.4 繼電器驅動電路184.5 鍵盤電路194.6 插座電源控制電路194.7 報警電路20第五章 系統(tǒng)軟件設計215.1 開發(fā)環(huán)境215.2 各模塊程序設計215.2.1 主程序流程圖215.2.2 時鐘程序設計285.2.3 人機界面程序設計29第六章 系統(tǒng)制作及調試316.1 硬件制作316.2 硬件電路調試316.2.1 獨立元件的檢測316.2.2 電源電路的調試316.2.3 單片機最小系統(tǒng)的調試326.2.4 顯示模塊的調試326.2.5 鍵盤模塊的調試326.2.6 繼電器電路的調試326.3 軟件調試326.3.1 顯示模塊調試326.3.2 時鐘模塊調試326.3.3 鍵盤模塊調試326.3.4 人機界面模塊調試33結束語34致謝35參考文獻36附錄一 系統(tǒng)原理圖37附錄二 程序清單38附錄三 英文文獻翻譯49第一章 緒論1.1 選題的目的與意義現(xiàn)如今，生活水平提高，生活節(jié)奏加快，市面上的插座往往由于其功能過于單一而不能滿足我們的需求。比如：電動車充電通常是8小時左右，太長則容易損耗電池，太滿則充不滿，如果晚上充電，又經常不想從家里出來到車庫去給車充電。白天充電又忘記拔電源；家中的水塔忘記抽水而造成生活的一時不便；學校的起床廣播因值班人員睡過頭而推遲廣播；家中的魚缸因太久沒有供氧造成魚兒缺氧死亡；許多球迷或者新聞愛好者因為錯過了開機時間而與精彩球賽或者新聞擦肩而過；夏天里風扇的定時時間過短（一般為1個小時），不便于晚上分段定時使用等等。隨著電器產品待機能耗的迅速增長，家庭和社會付出了太多的代價，中國節(jié)能認證中心對家庭待機能耗做過的調查顯示，待機能耗占到家庭電力消耗的10左右，僅以電視機為例，平均每臺電視機的待機能耗是8.07W，按每天待機2小時大約耗電0.016度。除此之外，長期通電會使家用電器電路老化，降低了電器的使用壽命，還容易漏電引發(fā)火災。據公安和消防部門有關資料顯示，全過平均每天發(fā)生火災358起，其中電器火災占30%以上，其主要原因是超負荷、短路、電弧等。大多數(shù)情況下并不是我們不去關閉電源，而是由于忘記了切斷電源。綜合以上原因考慮，我們急需要一款智能插座。此插座能夠實現(xiàn)定時給電器供電，在工作時間之外把電器的電源切斷，這樣就能解決電器的待機損耗，達到節(jié)約用電的目的，還能消除安全隱患，最終使我們的生活更加方便化、智能化。時控插座是一款能在特定時間段內控制電器通、斷電的開關插座。能實現(xiàn)24小時制時鐘走時模式，定時時間范圍最小為1分鐘。本文闡述了定時開關插座的硬件電路設計、軟件算法設計, 給出了自動開關插座的設計和定型方案,它可以對家中一些需要在特定時間對電器進行自動斷、通電控制,而不需要拔掉插頭，減少電器的待機損耗，解決生活中的一些煩惱。1.2本課題在國內外的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢目前，在市面上，時間控制器技術相對先進，種類齊全，時間控制器被廣泛應用于各類電器中，通過對時間的控制是人們的生活更加簡單化、智能化。在智能插座的領域卻還處于剛剛發(fā)展的階段，智能插座也僅僅限制于旋鈕定時器，或者計數(shù)器芯片設計的體積較大的時控插座。這種插座定時時間單一，功能單一，定時準確性低，很難真正滿足我們日常生活的需求。現(xiàn)在急需將一種功能強大的時控插座來滿足市場需求，改善我們的生活。隨著現(xiàn)代電子科學技術的發(fā)展，由于單片機具有優(yōu)異的性價比、集成度高、體積小、可靠性高、控制功能強、低電壓、低功耗等特點，成品價格下降，越來越被廣泛應用。這種新興產業(yè)的發(fā)展，勢必在日常生活中產生深遠的影響。由單片機實現(xiàn)對插座的定時控制正符合這一發(fā)展規(guī)律。以單片機為核心的時控插座具有一下特點：1、定時功能。2、采用1602液晶顯示技術，準確的顯示現(xiàn)實時間、定時時間。3、具有鬧鈴提示功能，可以用于提醒定時時間結束。隨著科技的發(fā)展，以后的時控插座已經不足夠滿足人們的需求。比如：對家中家用電器的集中管理；燈的開關、光強，窗簾的控制；回到家中可以設計模式、休閑模式、睡眠模式等；還有家中的安全問題，門窗監(jiān)控、視頻監(jiān)控、煤氣和溫度監(jiān)控等等。將這些統(tǒng)一放在一起管理，就方便了我們的生活。于是智能家居就誕生了。智能家居是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，實施智能家居系統(tǒng)的過程就稱為智能家居集成。智能家居集成是利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成。由于智能家居采用的技術標準與協(xié)議的不同，大多數(shù)智能家居系統(tǒng)都采用綜合布線方式，但少數(shù)系統(tǒng)可能并不采用綜合布線技術，如電力載波，不論哪一種情況，都一定有對應的網絡通信技術來完成所需的信號傳輸任務，因此網絡通信技術是智能家居集成中關鍵的技術之一。安全防范技術是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術，在小區(qū)及戶內可視對講、家庭監(jiān)控、家庭防盜報警、與家庭有關的小區(qū)一卡通等領域都有廣泛應用。自動控制技術是智能家居系統(tǒng)中必不可少的技術，廣泛應用在智能家居控制中心、家居設備自動控制模塊中，對于家庭能源的科學管理、家庭設備的日程管理都有十分重要的作用。音視頻技術是實現(xiàn)家庭環(huán)境舒適性、藝術性的重要技術，體現(xiàn)在音視頻集中分配、背景音樂、家庭影院等方面。通過智能家居我們能更方便的生活。冬天時，在回家之前打開家中的電暖器或者空調、電飯煲，等回到家中，能感到久違的溫暖。夏天時，回家之前打開空調，回到家中體驗涼爽。睡覺時，按下睡眠模式，監(jiān)控設備打開，燈光控制系統(tǒng)關閉光源，窗簾自動拉上，再體驗輕松睡眠的同時也保證了家中的安全。周末了，在家中也可以體驗一把電影院的樂趣，按下影院模式，窗簾拉上，家庭影院打開，投影儀開啟，投影幕落下。科技改變生活，隨著科技的發(fā)展，智能家居智能生活已不是個夢想。1.3 本課題要解決的主要問題本論文主要是完成一種低成本、低價格、功能強大的單片機定時控制插座系統(tǒng)的設計與開發(fā)。包括硬件電路和主要的軟件設計。本課題詳細分析系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計，給出電路原理圖，以及主要程序設計的流程圖和程序。主要采用51單片機為核心單元，利用單片機的定時器，I/O等功能設計的一款具有定時和記憶的單片機時控插座。第二章 系統(tǒng)設計方案本章主要討論了系統(tǒng)的總體方案以及各模塊的設計方案，包括了控制核心、開關、顯示模塊、時鐘電路以及鍵盤電路方案。2.1 系統(tǒng)結構與功能系統(tǒng)總體設計主要實現(xiàn)以下功能：（1）人機交互界面：通過1602液晶顯示屏，與獨立按鍵建立起一套完善的人機交互界面?？梢杂糜谠O置定時的參數(shù)。查看定時參數(shù)，現(xiàn)實時間。（2）設置定時時間：用戶通過人機交互界面，查找到設定時間界面，設置對應的每一組的設置時間。（3）設置現(xiàn)實時間：由于各種外界因素會導致系統(tǒng)現(xiàn)實時間與實際現(xiàn)實時間相異，系統(tǒng)支持修改系統(tǒng)現(xiàn)實時間。用戶通過人機交互界面，查找到設定時間界面，設置系統(tǒng)現(xiàn)實時間。（4）報警：當用戶設定時間結束時會出現(xiàn)報警提示。2.2 方案框圖2.2.1 方案1采用數(shù)字電路控制。用以74LS161計數(shù)器構成的定時器電路做為智能插座的核心控制，用撥碼開關做為用戶設置按鍵，其中包括了定時時間設定，系統(tǒng)時間初始化設定，開始停止控制時間的設定。通過555定時電路為計數(shù)器提供時鐘，通過級聯(lián)74LS161做為倒計時電路，通過與輸出時間比較控制觸發(fā)器從而控制電路的開關。采用數(shù)字電路設計的方案需要大量的74LS161芯片以提供較長的定時時間（若定時時鐘為1Hz，定時10小時需要36000S，需要四片74LS161），系統(tǒng)結構復雜，成本較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，定時時間調整不靈活。故不采用此方案。2.2.2 方案2采用一種以STC89C51為核心的單片機控制方案。選用單片機AT89S51 作為本設計的核心元件，利用單片機靈活的編程設計和豐富的IO端口，及其控制的準確性，實現(xiàn)基本的定時控制功能。在單片機的外圍電路外接輸入鍵盤及1602液晶用于構造人機交互界面以設置各個參數(shù)。其原理如下圖2.1所示：圖2.1 單片機控制密碼鎖原理圖由此可以看出方案二控制靈活、節(jié)約成本和穩(wěn)定性強的特點，此外還具有擴展功能，根據現(xiàn)實生活的需要此次設計采用此方案。2.3 開關的選擇現(xiàn)代自動控制設備中，都存在一個電子電路電氣電路的互相連接的問題，一方面要是電子電路的控制信號能夠控制電氣電路的執(zhí)行元件（電動機、電燈、熱水器等），另一方面又要為電子線路的電器電路提供良好的電隔離，以保護電子電路和人身的安全。電子繼電器和光耦合器便能起到這一橋梁的作用。下面簡要介紹各個方案的特點。方案一：采用繼電器作為控制220V通、斷的開關。固態(tài)繼電器(SSR)與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質上相同的功能。SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的點，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單項可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。選用SRD-05VCD-SL-C繼電器最大電路可達到10A，即繼電器的正常工作范圍為0到2200瓦，可以給大部分家用電器供電。方案二：采用光耦合器實現(xiàn)單片機控制開關。耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。本次設計開關部分可以用繼電器也可以用光耦合器。考慮到本設計繼電器足以滿足設計要求，而且繼電器比光耦合器便宜，故選用繼電器。2.4 顯示方式選擇在模擬電子和數(shù)字電子中,常用顯示數(shù)據的有數(shù)碼管和液晶顯示器。方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。雖然功耗低，控制簡單，但卻只能顯示數(shù)字和一些簡單的字符，而且顯示信息少，需要較多位的數(shù)碼管，占用了較多的單片機I/O口，沒有較好的人機界面。方案二：采用LCD液晶顯示，可以顯示所有字符及自定義字符，并能同時顯示多組數(shù)據、漢字，字符清晰。由于自身具有控制器，不但可以減輕主單片機的負擔，而且可以實現(xiàn)菜單驅動方式的顯示效果，達到友好的人機介面。LCD顯示能解決LED只能顯示數(shù)字等幾個簡單字符的缺點，性能好，效果多，控制方便，顯示方式多，且能耗也較少。這次設計中不僅要顯示相應的時鐘、定時組別、目前運行的模式，而且還要顯示出相應的定時開始時間和結束時間，需要顯示的信息較多，所以采用方案二，用LCD顯示結果。2.5 時鐘的實現(xiàn)及單片機的選擇時鐘的實現(xiàn)可已通過使用時鐘芯片或者單片機的定時器實現(xiàn)。下面簡要介紹幾種方案的特點。單片機僅用于控制繼電器、鍵盤，實現(xiàn)時鐘和定時，用51結構的有Atmel的AT89CXX系列、AT89SXX系列、AT89C20系列（20引腳）或STC的所有單片機都可以實現(xiàn)。根據在學校比較流行的學習單片機是STC89C51系列，而且STC89C51單片機便宜，購買方便，下載方便，故單片機選用STC89C51單片機。方案一：時鐘通過使用時鐘芯片來實現(xiàn)，控制部分通過使用單片機來實現(xiàn)。時鐘芯片種類非常多，有內置晶振及充電電池的，也有外置晶振的，現(xiàn)在流行的時鐘芯片有DS1302、 DS1307、PCF8485、SB2068等。使用時鐘芯片可以得到準確的時鐘走時，可用簡單的程序實現(xiàn)定時開關插座的定時功能。方案二：時鐘通過單片機的內部定時器來實現(xiàn)時鐘。單片機的內部定時器可實現(xiàn)較為精確的時鐘走時，定時50毫秒的誤差率極小，可達到定時開關插座的使用要求。使用單片機內部定時器可簡化硬件電路，可以節(jié)省開支，但是編程的難度有所提高。本次設計的時鐘走時用單片機定時器已經可以完全達到定時開關插座的使用要求，并可省去時鐘芯片，節(jié)省開支?？紤]到軟件的難度增加可換來更好的性價比，所以選用方案二。2.6 按鍵控制部分的實現(xiàn)時鐘時間和定時時間的設置功能可以通過按鍵來實現(xiàn)。按鍵的實現(xiàn)可以通過以下兩種方案實現(xiàn)：方案一：單片機的每一個I/O口與一個按鍵相連，這樣就可以根據掃描I/O口的電平變化實現(xiàn)相關功能。這樣可以很簡單的實現(xiàn)按鍵的功能。方案二：使用矩陣鍵盤實現(xiàn)。矩陣鍵盤可以用較少的I/O口實現(xiàn)多個按鍵功能，能節(jié)省更多的I/O口，利于系統(tǒng)擴展功能。但是編程復雜。根據本定時開關插座的設置要求，用到4個按鍵。通過兩個方案的對比，方案一的實施辦法更符合要求。第三章 主要元器件原理及其應用本章主要討論了各模塊元器件的選擇以及元器件的工作原理。3.1 單片機STC89C51簡介主CPU電路選用STC89C51RC系列單片機，STC89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內含8K Bytes的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。STC89C51RC系列單片機是單時鐘/ 機器周期(1T)的兼容8051 內核單片機，是高速/ 低功耗的新一代8051 單片機，全新的流水線/ 精簡指令集結構,內部集成MAX810 專用復位電路。3.1.1 主要特性(1)增強型1T流水線/精簡指令集結構8051CPU(2)工作電壓：3.4V-5.5V（5V 單片機）/2.0V-3.8V（3V 單片機）(3)工作頻率范圍：0-35MHz，相當于普通8051的0420MHz.實際工作頻率可達48MHz.(4)用戶應用程序空間12K/10K/8K/6K/4K/2K字節(jié)(5)片上集成512字節(jié)RAM(6)通用I/O口（27/23個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不得超過55mA(7)ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片(8)EEPROM功能(9)看門狗(10)內部集成MAX810專用復位電路（外部晶體20M以下時，可省外部復位電路）(11)時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器。用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C 振蕩器還是外部晶體/時鐘。常溫下內部R/C振蕩器頻率為：5.2MHz6.8MHz。精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，因為有溫漂，請選4MHz 8MHz(12)有2個16位定時器/計數(shù)器(13)外部中斷2路,下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒(14)PWM(4路）/PCA（可編程計數(shù)器陣列），也可用來再實現(xiàn)4個定時器或4個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可支持)(15)STC89Cc516AD具有ADC功能。10位精度ADC，共8路 (16)通用異步串行口(UART)(17)SPI同步通信口，主模式/從模式 (18)工作溫度范圍：0-75/-40-+85 (19)封裝：PDIP-28，SOP-28，PDIP-20，SOP-20，PLCC-32,TSSOP-20(超小封狀，定貨)3.1.2 引腳功能說明管腳圖如3.1所示。圖3.1 STC89C51管腳圖P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個 TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5 MOSI（在線系統(tǒng)編程用）P1.6 MISO（在線系統(tǒng)編程用）P1.7 SCK（在線系統(tǒng)編程用）P2口：P2口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口：P3 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸出口)P3.2 INTO(外中斷0)P3.3 INT1(外中斷1)P3.4 TO(定時/計數(shù)器0)P3.5 T1(定時/計數(shù)器1)P3.6 WR(外部數(shù)據存儲器寫選通)P3.7 RD(外部數(shù)據存儲器讀選通)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復位。ALE/PROG當訪問外部程序存儲器或數(shù)據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當STC89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。3.2 1602工業(yè)字符型液晶簡介3.2.1 主要特性工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）。1602液晶管腳圖如圖3.2所示。圖3.2 1602液晶管腳圖1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控制原理與14腳的LCD完全一樣。1602管腳說明表如表3.1所示。表3.1 1602液晶管腳說明引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度）。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。6EE(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 1位9DB2低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 2位10DB3低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據總線 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負極3.3 繼電器介紹繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。3.3.1 繼電器的繼電特性繼電器的輸入信號x從0連續(xù)增加達到銜鐵開始吸合時的動作值xx，繼電器的輸出信號立刻繼續(xù)增大，輸出信號y將不再起變化。當輸入量x從某一大于xx值下降到xf，繼電器開始釋放，常開觸點斷開。我們把繼電器的這種特性叫做繼電特性，也叫繼電器的輸入-輸出特性。釋放值xf與動作值xx的比值叫做反饋系數(shù)，即Kf=xf/xx。觸點上輸出的控制功率Pc與線圈吸收的最小功率P0之比叫做繼電器的控制系數(shù)，即Kc=Pc/P0。3.3.2 繼電器工作原理及特性（1）電磁繼電器的工作原理和特性電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。（2）熱敏干簧繼電器的工作原理和特性熱敏干簧繼電器是一種利用熱敏磁性材料檢測和控制溫度的新型熱敏開關。它由感溫磁環(huán)、恒磁環(huán)、干簧管、導熱安裝片、塑料襯底及其他一些附件組成。熱敏干簧繼電器不用線圈勵磁，而由恒磁環(huán)產生的磁力驅動開關動作。恒磁環(huán)能否向干簧管提供磁力是由感溫磁環(huán)的溫控特性決定的。（3）固態(tài)繼電器（SSR）的工作原理和特性固態(tài)繼電器是一種兩個接線端為輸入端，另外兩個接線端為輸出端的四端器件，中間采用隔離器件實現(xiàn)輸入輸出的電隔離。 固態(tài)繼電器按負載電源類型可分為交流型和直流型。按開關型式可分為常開型和常閉型。按隔離型式可分為混合型、變壓器隔離型和光電隔離型，其中以光電隔離型最多。（4）磁簧繼電器磁簧繼電器是以線圈產生磁場將磁簧管發(fā)生動作的繼電器，為一種線圈傳感裝置。因此磁簧繼電器具有尺寸小、輕量、反應速度快、短跳動時間等特性。 當整塊鐵磁金屬或者其它導磁物質與之靠近的時候發(fā)生動作，開通或者閉合電路。由永久磁鐵和干簧管組成。永久磁鐵、干簧管固定在一個不導磁也不帶有磁性的支架上。以永久磁鐵的南北極的連線為軸線，這個軸線應該與干簧管的軸線重合或者基本重合。由遠及近的調整永久磁鐵與干簧管之間的距離，當干簧管剛好發(fā)生動作（對于常開的干簧管，變?yōu)殚]合；對于常閉的干簧管，變?yōu)閿嚅_）時，將磁鐵的位置固定下來。這時，當有整塊導磁材料，例如鐵板同時靠近磁鐵和干簧管時，干簧管會再次發(fā)生動作，恢復到沒有磁場作用時的狀態(tài)；當該鐵板離開時，干簧管即發(fā)生相反方向的動作。磁簧繼電器結構堅固，觸點為密封狀態(tài)，耐用性高，可以作為機械設備的位置限制開關，也可以用以探測鐵制門、窗等是否在指定位置。（5）光繼電器光繼電器為AC/DC并用的半導體繼電器，是發(fā)光器件和受光器件一體化的器件。輸入側和輸出側電氣性絕緣，但信號可以通過光信號傳輸。 其特點為壽命為半永久性、微小電流驅動信號、高阻抗絕緣耐壓、超小型、光傳輸、無接點等。主要應用于量測設備、通信設備、保全設備、醫(yī)療設備等。3.3.3 繼電器主要產品技術參數(shù)（1）額定工作電壓額定工作電壓是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓，也就是控制電路的控制電壓，根據繼電器的型號不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。（2）直流電阻直流電阻是指繼電器中線圈的直流電阻，可以通過萬能表測量。 （3）吸合電流吸合電流是指繼電器能夠產生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產生較大的電流而把線圈燒毀。 （4）釋放電流釋放電流是指繼電器產生釋放動作的最大電流。當繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時，繼電器就會恢復到未通電的釋放狀態(tài)。這時的電流遠遠小于吸合電流。 （5）觸點切換電壓和電流觸點切換電壓和電流是指繼電器允許加載的電壓和電流。它決定了繼電器能控制電壓和電流的大小，使用時不能超過此值，否則很容易損壞繼電器的觸點。3.3.4 繼電器的選用（1）先了解必要的條件 控制電路的電源電壓，能提供的最大電流；被控制電路中的電壓和電流； 被控電路需要幾組、什么形式的觸點。選用繼電器時，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據?？刂齐娐窇芙o繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。 （2）查閱有關資料確定使用條件后，可查找相關資料，找出需要的繼電器的型號和規(guī)格號。若手頭已有繼電器，可依據資料核對是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。（3）注意器具的容積。若是用于一般用電器，除考慮機箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。對于小型電器，如玩具、遙控裝置則應選用超小型繼電器產品。通過上面的性能了解和比較，及考慮的器件的性價比，本設計選擇電磁繼電器。第四章 硬件電路的設計本章節(jié)詳細討論了各個模塊的具體電路的設計，包括電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊、繼電器驅動模塊以及鍵盤模塊。4.1 電源電路系統(tǒng)要提供穩(wěn)定的直流5V供單片機及其所控制的外圍電路（包括液晶、鍵盤、繼電器等）和提供220交流電給插座。在電源的設計中，用220V交流電經過變壓器降壓后經7805穩(wěn)壓后給單片機控制系統(tǒng)供電。7805三端穩(wěn)壓集成芯片有很多種型號，但是標稱最大輸出電流均為1.5A，在實際應用中，該最大輸出電流往往取決于兩個方面：（1）足夠大的散熱面積；（2）在設計中，必須保證7805的輸入電壓Vi和輸出電壓Vo的壓差大于2.5V，即Vi-Vo=2.5V，否則會失去穩(wěn)壓能力。同時單片機控制系統(tǒng)還用6V干電池作為儲備電源，當交流電源失電或者失效時，電壓為6V的直流電源通過二極管投入作用，硅二極管的導通壓降約為0.2V,因襲滿足系統(tǒng)的電源要求。P25接的是經5W變壓器降壓后的交流電。D33二極管起到保護電路的作用。發(fā)光二級DS11是指示電源是否有電壓輸出。Header2所接的是（由干電池提供）6V直流電的輸入接口，2接正，1接負。X78xx系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，它的封裝形式為TO-220。它有一系列的穩(wěn)固電壓輸出，應用非常的廣泛。每種類型由于內部電流的限制，以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護，使它基本上不會損壞。如果能夠提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。雖然是按照固定電壓值來設計的，但是當接入適當?shù)耐獠科骷?，就能獲得各種不同的電壓和電流。7805使用時應該注意的事項：在實際應用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，是其中最大輸出電流為N個1.5A，但應用時需要注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應采用同一廠家、同一批號的產品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的流量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導致其他電路的連鎖燒毀。7805穩(wěn)壓管如圖4.1所示。圖4.1 7805穩(wěn)壓管管腳說明電源電路如圖4.2所示。圖4.2 電源電路4.2 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)由復位電路、時鐘電路和單片機STC89C51組成，如圖4.3所示。圖4.3 單片機最小系統(tǒng)電路(1)時鐘電路模塊由于系統(tǒng)需要計算精確時間，所以該模塊使用了一個12MHz的晶振。時鐘電路用于產生單片機工作所需要的時鐘信號，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按照時序工作。時鐘電路圖如圖4.4所示。圖4.4 時鐘電路(2)復位電路模塊復位是單片機的初始化操作，單片機啟動運行時，都必須復位。復位電路包括了上電復位于手動復位兩個部分。單片機復位信號為高電平復位。商店復位工作原理：上電時對電容充電，使復位管腳電平拉高單片機復位，沖完后電容隔斷電源于復位管腳由下拉電阻拉至第電平單片機正常工作。手動復位原理：按下按鈕復位管腳電平被拉高單片機復位，松開按鈕復位管腳電平拉低單片機正常工作。它的作用是使CPU和系統(tǒng)中其他的部件處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。一般，51系列單片機本身是不能自動復位的，必須配合相應的外部電路才能實現(xiàn)。當程序和電路都要回到最初的狀態(tài)時使用此電路。復位電路圖如圖4.5所示。圖4.5 復位電路(3)單片機STC89C51宏晶公司的89C51單片機是低功耗的具有4KB在線可編程Flash存儲器的單片機。片內的Flash可允許在線重新編程，也可使用通用非易失性存儲器編程。它將通用CPU和在線可編程Flash集成在一個芯片上，形成了功能強大、使用靈活和具有較高性能價格比的微控制器。4.3 液晶顯示本設計選用的1602液晶為16管腳液晶，即帶背光液晶。與單片機接口設計如下：714：連接P0端口4： 連接P2.25： 連接P2.16： 連接P2.01602液晶顯示電路圖如圖4.6所示。圖4.6 1602液晶顯示電路4.4 繼電器驅動電路繼電器的驅動電路如圖4.4所示。這是典型的繼電器驅動電路。單片機是一個弱電器件，一般情況下它們大多工作在5V甚至更低。驅動電流在mA級以下。而要把它用于一些大功率場合，比如繼電器驅動，顯然是不行的。所以就要有一個環(huán)節(jié)來銜接，這個環(huán)節(jié)就是所謂的“功率驅動”。繼電器驅動就是一個典型的、簡單的功率驅動環(huán)節(jié)。圖中三極管8050有兩個作用：一個是起放大作用，一個是起開關作用（嚴格來講開關作用是放大作用的極限情況）。P1處連接的是單片機的P2.7口。P2.7口給出高電平時，三極管處于導通狀態(tài)，并起放大作用，這樣，繼電器就能得到足夠的驅動電流來正常工作。當P2.7口給出低電平時，三極管不工作，繼電器因沒電流通過而不工作。二極管4148起到保護作用。發(fā)光二極管LED0用于指示繼電器是處于導通狀態(tài)（燈亮）還是處于斷開狀態(tài)（燈滅）。繼電器驅動電路如圖4.7所示。圖4.7 繼電器驅動電路4.5 鍵盤電路本設計采用了獨立鍵盤設計，只是用了5個獨立案件與單片機IO口連接，利用簡單的邏輯方式實現(xiàn)了人機交互界面。該界面操作簡單，便于控制。人機界面在軟件設計板塊中將詳細介紹。獨立鍵盤電路如圖4.8所示。圖4.8 鍵盤電路4.6 插座電源控制電路由于電源的通斷并不頻繁所以本設計才用了價格相對較低的繼電器做為插座電源的控制電路器件。由單片機的一個I/O口經過三極管控制繼電器的通斷，從而控制插座的通斷電。插座電源控制電路如圖4.9所示。圖4.9 插座電源控制電路4.7 報警電路本設計報警電路由單片機I/O口經三極管控制蜂鳴器進行報警。報警電路如圖4.10。圖4.10 報警電路第五章 系統(tǒng)軟件設計本章詳細介紹了各個模塊的軟件設計流程以及部分源代碼，包括了時鐘程序、人機界面以及主程序。5.1 開發(fā)環(huán)境STC89C51單片機軟件開發(fā)平臺為Keil uvision4 C51，仿真環(huán)境為Protues，下載軟件為STC_ISP。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。Protues軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產品的完整設計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即將增加Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯。STC-ISP 是一款單片機下載編程燒錄軟件，是針對STC系列單片機而設計的，可下載STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC單片機，使用簡便，現(xiàn)