畢業(yè)設(shè)計基于51單片機節(jié)能控制器的設(shè)計與實現(xiàn)何衛(wèi)民

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題目： 基于51單片機節(jié)能控制器的設(shè)計與實現(xiàn)系： 機電工程系 專 業(yè)： 機電設(shè)備維修與管理 班 級： 13機電設(shè)備維修與管理3班 姓 名： 何衛(wèi)民 指導教師： 完成時間： 2016年4月17日 專心-專注-專業(yè)摘要隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，整個世界對能源的需求越來越大，而我們知道世界能源的總量是一定的，針對能源的日益匱乏，節(jié)能產(chǎn)品的開發(fā)成功迅速成為人們的首選。本課題設(shè)計節(jié)能控制器就是基于節(jié)能、節(jié)支的理念，以AT89C51O 為核心設(shè)計的一種節(jié)能裝置。其核心實際是一臺基于單片機的可控時鐘，用1602點陣的液晶顯示，時間控制點

2、可通過按鍵來實現(xiàn)電器的工作時間的可調(diào)性。同時其體積小、成本低，不僅適合嵌入到各種能耗大的工控設(shè)備中進行控制，也適合居民的家用電器節(jié)能控制。體現(xiàn)了實用價值高、應用前景廣泛等特點。 關(guān)鍵詞：節(jié)能節(jié)支；芯片AT89C51；單片機；可調(diào)性；液晶顯示器 目錄1前言隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，人民生活水平日益提高，能源和資源變得日益緊張，電力短缺已成為制約國民經(jīng)濟發(fā)展的突出矛盾。目前我國照明消耗的電能約占電力生產(chǎn)總量的1020，而城市公共照明則在照明耗電中占30，并且近幾年隨著讓城市亮起來的口號的提出，全國路燈的數(shù)量仍在迅猛地增長。公共路燈節(jié)能的口號便由此而提出。通常的節(jié)能途徑有兩個：一個是采用節(jié)能光源；二是采

3、用合理的控制線路。本文在使用節(jié)能光源的情況下采用合理的控制線路來實現(xiàn)路燈節(jié)能。在供電系統(tǒng)中，為避免送電過程中的線路損耗和用電高峰時造成末端電壓過低，供電部門均采用較高電壓進行傳輸。因此路燈承受電壓多高于燈具的額定電壓。然而據(jù)調(diào)查我國小型城市晚上21：00后，大中城市00：00以后道路上幾乎空無一人。從而造成了“人少車稀燈更亮”的不合理情況。為了避免這種情況，大多數(shù)城市和地區(qū)均采用了發(fā)達國家早已淘汰了的隔盞關(guān)燈的原始路燈控制方法。這種方法不僅導致路面照度分布不均，而且會減少路燈使用壽命。本文采用“全年分三季，一季分時段”的分時控制思想實現(xiàn)節(jié)能的目的。在不同的時段投入不同的供電電壓運行，在保證路燈

4、正常照明的前提下，兼顧到了用電低谷期節(jié)能的效果。2 系統(tǒng)開發(fā)軟硬件概述2.1 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。下面給出一個51單片機的最小系統(tǒng)電路圖（圖2-1）：圖2-1詳細說明如下：（1）復位電路:由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì)，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。典型的51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合R

5、C的取值就可以保證可靠的復位。一般教科書推薦C 取10u，R取10K。原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個機周期的高電平。至于如何具體定量計算，可以參考電路分析相關(guān)書籍。（2） 晶振電路：典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級時歇,方便定時操作)，在本電路中，取12M。（3） 單片機：一片AT89S51/52或其他51系列兼容單片機。對于31腳(EA/Vpp)，當接高電平時，單片機在復位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行;當接低電平時,復位后直接從外部ROM的0000H開

6、始執(zhí)行。單片機的共40個引腳功總共40個腳，電源用2個(Vcc和GND)，晶振用2個，復位1個，EA/Vpp用1個，剩下還有34個。29腳PSEN，30腳ALE為外擴數(shù)據(jù)/程序存儲器時才有特定用處，一般情況下不用考慮，這樣，就只剩下32個引腳，它們是： P0端口P0.0 - P0.7共8個； P1端口P1.0 - P1.7共8個； P2端口P2.0 - P2.7共8個； P3端口P3.0 - P3.7共8個；2.2 Proteus仿真軟件簡介Proteus ISIS是英國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件9。它運行于Windows操作系統(tǒng)

7、上，可以仿真、分析(SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是：實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。提供軟件調(diào)試功能。具有強大的原理圖繪制功能?？傊撥浖且豢罴瘑纹瑱C和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。2.3    Keil編譯及調(diào)試軟件簡介目前流行的51系列單片機開發(fā)軟件是德國Keil公司推出的Keil C51軟件，它是一個基于32位Windows環(huán)境的應用程序，支持C語言和匯編語言編程，其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為Vision（通常稱為V2）。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和

8、一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，由以下幾部分組成：Vision IDE集成開發(fā)環(huán)境（包括工程管理器、源程序編輯器、程序調(diào)試器）、C51編譯器、A51匯編器、LIB51庫管理器、BL51連接/定位器、OH51目標文件生成器以及Monitor-51、RTX51實時操作系統(tǒng)。3 設(shè)計方案概述3.1 本課題的設(shè)計要求由單片機的定時器定時，用1602液晶作顯示終端(1602是字符型液晶，它是16*2的顯示的。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。

9、)；時間可以通過按鍵調(diào)節(jié)；通過對繼電器的控制來實現(xiàn)電路的通斷；工作時間完成，聲光報警；方案論證與對比。3.2 單片機的選擇單片機選用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89C52芯片，AT系列單片機是當今世界上新型的電擦寫8位單片機，該產(chǎn)品和Intel的MC-51系列單片機完全兼容，內(nèi)部含有Flash存儲器，有超強的加密功能，完全替代8751/52和87C51/52，低電壓，低電流，低功耗，有DIP，PLCC，QRP封裝形式，有民用級，工業(yè)級，汽車級，軍品級等多種產(chǎn)品規(guī)格。它的特性表現(xiàn)在如下幾個方面：（1）內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲器由于內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲器，編程錯誤亦無廢品產(chǎn)生，因此在應用系統(tǒng)

10、的開發(fā)過程中可以十分容易地進行程序的修改，大大縮短了應用程序的開發(fā)周期。（2）與80C51引腳兼容AT89系列單片機的引腳與80C51是一樣的，所以當用AT89系列單片機取代80C51時，可以直接代換。（3）可反復進行系統(tǒng)試驗每次試驗可以編入不同的程序，從而使設(shè)計不斷優(yōu)化，而且隨應用系統(tǒng)的變化，還可以方便地進行程序升級。（4）價格低廉性能穩(wěn)定相對于英特爾公司的MCS-51系列產(chǎn)品有更高的性價比。結(jié)合本課題的實際情況：芯片須有一定的內(nèi)部ROM區(qū)以保存單片機程序；芯片中程序的讀寫必須方便，當調(diào)試中發(fā)現(xiàn)程序存在問題時便于改正和重寫；鑒于Atmel單片機具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、工藝特性好，可靠性和

11、處理功能強、速度快等優(yōu)點，可以滿足本課題的需要，故本電路以AT89C52芯片為核心構(gòu)成控制單元。3.3  本設(shè)計的方案簡圖該方案的系統(tǒng)由單片機、液晶、鍵盤掃描和繼電器4部分組成。單片機是整個系統(tǒng)的核心，其定時器的設(shè)置是實現(xiàn)所有功能的關(guān)鍵。整個系統(tǒng)的運行方式如：產(chǎn)生精確時鐘及定時，LCD顯示器輸出掃描顯示，同時控制繼電器的工作與停止。一旦有中斷響應就立刻進行鍵盤掃描，通過按鍵重置繼電器的工作時段。中斷返回后即按照設(shè)定的模式進入工作狀態(tài)?？驁D如圖3-1所示：SHAPE  * MERGEFORMAT圖 3-1  4 系統(tǒng)硬件設(shè)計本設(shè)計的硬件電路主要包括最小系統(tǒng)

12、、控制電路、顯示電路、驅(qū)動電路四大部分組成。最小系統(tǒng)主要是為了使單片機正常工作；控制電路主要由開關(guān)和按鍵組成，由操作者根據(jù)相應的工作需求進行操作；顯示電路主要是為了顯示電機的工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)速；驅(qū)動電路主要是對單片機輸出的脈沖進行功率放大，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。4.1  最小系統(tǒng)圖4-1單片機最小系統(tǒng),或者稱為最小應用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說,最小系統(tǒng)一般應該包括:單片機、復位電路、晶振電路。1) 復位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由圖并結(jié)合"電容電壓不能突變"的性質(zhì)，可以知道，當系統(tǒng)一上電，RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且，

13、這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。典型的51單片機當RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。一般教科書推薦C 取10u，R取10K。原則就是要讓RC組合可以在RST腳上產(chǎn)生不少于2個機周期的高電平。至于如何具體定量計算，可以參考電路分析相關(guān)書籍。2)  晶振電路典型的晶振取11.0592MHz(因為可以準確地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通訊的場合)/12MHz(產(chǎn)生精確的uS級時歇,方便定時操作)，在本電路中，取12M。3)  單片機IO口簡介單片機：一片AT89S51/52或其他51

14、系列兼容單片機。對于31腳(EA/Vpp)，當接高電平時，單片機在復位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行;當接低電平時,復位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。4.2 電源的設(shè)計 4.2.1 電源系統(tǒng)框圖圖4-24.2.2 電源原理圖圖4-34.2.3 電源原理簡述本系統(tǒng)設(shè)計為5V直流穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電，AC220市電經(jīng)220V9V變壓器變壓，然后經(jīng)橋式整流電路，再經(jīng)電容濾波電路，經(jīng)7805穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，再進行二次濾波，輸出較穩(wěn)定的5V電壓，給本系統(tǒng)供電。本系統(tǒng)在實際仿真過程中，為簡化設(shè)計流程,就直接用系統(tǒng)中自帶的5V電源，代替了電源的制作。4.3 鍵

15、盤電路4.3.1 鍵盤原理圖示圖4-4鍵盤接口必須具有去抖動、防串鍵、按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生4個基本功能。 （1）去抖動:每個按鍵在按下或松開時，都會產(chǎn)生短時間的抖動。抖動的持續(xù)時間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為520mm。所謂抖動是指在識別被按鍵是必須避開抖動狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開狀態(tài)才能保證識別正確無誤。去抖問題可通過軟件延時或硬件電路解決。  （2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個鍵同時按下或者前一按鍵沒有釋放又有新的按鍵按下時產(chǎn)生的問題。常用的方法有雙鍵鎖定和N鍵輪回兩種方法。雙鍵鎖定，是當有兩個或兩個以上的按鍵按下時，只把最后釋放的鍵當作有效鍵并產(chǎn)生相應的鍵碼

16、。N鍵輪回，是當檢測到有多個鍵被按下時，能根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序依次產(chǎn)生相應鍵的鍵碼。 （3）被按鍵識別：如何識別被按鍵是接口解決的主要問題，一般可通過軟硬結(jié)合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。行掃描法的基本思想是，由程序?qū)︽I盤掃描，通過檢測到的列輸出狀態(tài)來確定閉合鍵。4.3.2 按鍵定義及時間設(shè)置方法（1）鍵碼產(chǎn)生：P2.4對應K1，SET(設(shè)置鍵)，P2.5對應K2（移動光標鍵），P2.6對應K3（減鍵），P2.7對應K4（加鍵）。（2）按鍵方法，按SET鍵，進入時間設(shè)置模式，按K2，可以移動光標，K3，K4可以加減當前的時間值4.4   

17、   液晶顯示電路4.4.1   電路圖示圖4-54.4.2   602字符型LCD的接口定義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，其中：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(diào)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(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度）。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存

18、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(jù)總線 0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 1位9DB2低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 2位10DB3低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線 7位（最高位）（也是busy flag）15BLA背光電源正極16BLK背光 電源負極表4-64.5 看門狗芯片為

19、了監(jiān)控檢測模塊工作正常，看門狗電路和芯片是單片機開發(fā)系統(tǒng)必不可少的部分，采用的X25054看門狗芯片主要功能有監(jiān)控電源，防止運行程序跑飛，擴充控制芯片存儲空間等。4.6 PCF8563日歷時鐘芯片的使用方法按I2C協(xié)議規(guī)約，PCF8563具有惟一的設(shè)備地址0A2H.本文重點研究PCF8563時、分、秒數(shù)據(jù)的讀取方法，在此用到的內(nèi)部寄存器包括控制/狀態(tài)寄存器1（地址為00H）、秒寄存器（地址為02H）、分寄存器（地址為03H）、小時寄存器（地址為04H）。由于寄存器中以BCD格式存儲時、分、秒數(shù)據(jù)，所以各時間時間寄存器的高位無效。為使PCF8563工作于普通模式，需要將控制/狀態(tài)寄存器

20、1置為00H,同時為了存儲正確的時間數(shù)據(jù)，需要將讀到的數(shù)據(jù)中無效的高位進行屏蔽。若需要校對時間，只需對時、分、秒寄存器進行寫操作即可。4.7 聲光報警電路當控制時間結(jié)束,系統(tǒng)停止工作，并聲光報警。圖4-74.8 繼電器控制電路利用三極管飽和導通和截止的的特性，本身就可以實現(xiàn)接通和斷開的功能，但由于它的帶載功率有限，所以需配繼電器擴流，并且可以擴充觸點的數(shù)量，該電路是PNP三極管，所以采用集電極接低電平方式輸出，P37為上拉電阻，當基極沒有輸入脈沖或電壓時，基極為高電平，因為這是反極性三極管，所以平時是截止的，只有基極輸入低電平，降低基極電壓，這時三極管導通，繼電器線圈得電吸

21、合，原常閉觸點斷開，常開觸點吸合，完成設(shè)備的接通與斷開功能。圖中二極管反向接在線圈兩端，是保護線圈不受反峰電壓的沖擊，對繼電器起到保護作用。               圖示如下：圖4-85  軟件設(shè)計及仿真 5.1 軟件設(shè)計分析系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用C語言，對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。程序是采用keil c51軟件編寫的,可以使液晶顯示屏對特定數(shù)字、英文字母以及漢字組成的句子進行顯示，并通過按鍵對顯示內(nèi)容實現(xiàn)控制、轉(zhuǎn)換等功能。

22、主程序主要起到一個導向和決策功能，決定液晶顯示屏該顯示什么內(nèi)容，該如何顯示。液晶顯示屏各種功能的實現(xiàn)主要通過調(diào)用具體的子程序。5.2 Main函數(shù)流程圖 SHAPE  * MERGEFORMAT 圖5-15.3 顯示特定數(shù)字子程序根據(jù)特定內(nèi)容所要的顯示地址，單片機對其進行劃分地址模塊，依次進行掃描，從而使其顯示在液晶顯示屏上。顯示特定數(shù)字的流程圖如圖所示。 SHAPE  * MERGEFORMAT 圖5-25.4 鍵盤程序設(shè)計5.4.1 鍵連擊現(xiàn)象的克服和處理當我們按下某個鍵時，對應的功能便會通

23、過鍵盤分析程序得以執(zhí)行，如果在操作者釋放之前，對應的功能多次執(zhí)行，如同操作者在連續(xù)不斷的操作該鍵一樣，這種現(xiàn)象就稱為連擊。連擊先可用圖4-2-3所示流程圖的軟件方法來解決：當某個鍵按下時，首先進行軟件去抖處理，確認鍵被按下后，便執(zhí)行與該鍵相對應的功能，執(zhí)行完后不是立即返回，而是等待鍵釋放之后再返回，使每一次按鍵只被響應一次，從而達到避免連擊的目的。如果把連擊現(xiàn)象加以利用，有時會給操作者帶來便利。例如在某些儀器中。因設(shè)計的按鍵很少，沒有安排09數(shù)字鍵，只設(shè)置了一個調(diào)整鍵，這時需要采用加1（或者減1）的方法來調(diào)整有關(guān)參數(shù)，但當調(diào)整量較大時就需要多次按鍵，使操作者很不方便。如果允許存在連擊現(xiàn)象，我們

24、只要按住鍵不放，參數(shù)就會不停的加1（或者減1），會讓操作比較方便、快捷。具體實現(xiàn)流程圖如圖4-2-3所示，其中加入的延時環(huán)節(jié)是為了控制連擊的速度。 SHAPE  * MERGEFORMAT  圖5-3      圖5-45.4.2   鍵盤掃描子程序  根據(jù)鍵盤的當前狀態(tài)，通過單片機對其進行掃描、處理。鍵盤掃描程序的流程圖如圖1-6所示。 SHAPE  * MERGEFORMAT 圖5-55.5 其他子程序1) 延時子程序完成延時功能。

25、2) 位子程序?qū)σ壕э@示屏的接口時序類型進行選擇，從而實現(xiàn)對其的復位功能。3) 寫指令子程序完成對指令的寫入功能。4) 數(shù)據(jù)子程序完成對數(shù)據(jù)的寫入功能。5) 關(guān)、開屏子程序完成對液晶顯示屏的關(guān)、開功能。6) 起始行設(shè)置子程序完成對初始化行位置的設(shè)置。7) 設(shè)置指令輸入地址子程序完成對內(nèi)容顯示位置的不同設(shè)置。8) 清屏子程序?qū)崿F(xiàn)對液晶顯示屏的清除。9) LCD初始化子程序?qū)崿F(xiàn)對液晶顯示屏初始化的功能。10) 變量初始化子程序完成對中英文內(nèi)容狀態(tài)值、按鍵狀態(tài)等初始化設(shè)置。5.6 調(diào)節(jié)時間的仿真圖5-65.7 系統(tǒng)設(shè)定工作時間到，系統(tǒng)報警圖5-76 總結(jié)這次畢業(yè)論文能夠得以順利完成，是所有曾經(jīng)指導過我的老師，幫助過我的同學，一直支