毕业设计-智能插座控制系统的硬件设计.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 37 页 共 37 页1 引言本课题的题目是“智能插座控制系统的硬件设计” 。随着现代科学技术的发展,由于单片机具有优异的性能价格比，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，因此它的应用相当广泛，无论是工业部门、民用部门、事业部门和家用等领域，到处都有它的身影。而单片机在智能仪器仪表中的应用是便其中最多、最活跃的领域之一。在各种仪器仪表中引入单片机，不但使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，更能简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。单片微型计算机作为微型计算机的一个分支，它成为今天工业控制领域、通讯设备、信息处理以及日 常生活中最广泛使用的计算机。如：数控电梯、数控机床、交通灯管理系统、掌上电脑、手机、电子词典、各种智能医疗器械等；家用电器中常用产品如：微波炉、电磁炉、洗衣机、电视机等内均看到它的身影；游戏机、手提电话机等、就连一台微机系统中也嵌入了很多片的单片机。电子定时器可用一般数字电路搭建而成，一台四位数的定时器要用十多片数字电路组成，电路结构复杂、体积庞大，而且功能有一定的局限性。如用单片机制作定时器，外围电路简单，用其灵活的编程，使定时器可有更多的功能选择。2 课题研究背景2.1 智能插座的现状智能插座控制系统的设计：目前市场上的排插功能太简单，有时满足不了人们需要！比如我们经常遇到的就是电动车充电问题，电动车充电时间通常是8个小时左右，太长则容易损耗电池，太短则充不满，如果在晚上充电，又经常不想从家里出来到车库去给车充电，或者白天充电了，晚上不想下车库或者忘了拔电等等，造成很大的不方便。本着这一思想于是提出了本课题，第一利用单片机，直流控制交流继电器等部件实现排插的定时开关功能（比如，什么时候接通，接通多久时间后断开），第二提供语音服务功能，比如播放音乐，如使用这一排插控制电饭煲，则在作饭时还可以享受音乐的服务。智能插座控制系统的实现全部是基于单片机的设计。智能插座可以用于所有家庭电器，比如电动车，手机，电脑，等等。因此研究智能插座有很大的实用意义。智能插座已成为人们日常生活中必不可少的必需品，广泛用于个人家庭以及一些公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来极大的方便。由于单片机控制电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使智能插座具有定时准确、性能稳定、携带方便等优点。 2.2智能插座发展趋势随着现代科学技术的发展,由于单片机具有优异的性能价格比，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，成品价格的下降，越来越被广大群众所接受，这种新兴产业的发展，势必在日常生活中产生深远的影响。由单片机为核心的控制器控制现在排插其主要特点：1、具有定时。当前有的产品使用也相对方便，多个电器设备可以同时使用。但是在使用的过程中具有一定的局限性。现在生活水平的提高，城市人口的聚集，多数居住在高楼大厦，这给像电瓶车一样的较大需充电设备带来一定的麻烦。在车库充电完成需要下楼拔掉电源或因时间长久忘记切断电源等等，带来一些不便。智能插座则具有定时功能，根据充电需要自行设置充电时间。2、具有语音功能。可根据需要选择语音播放。3、采用数码管显示技术，准确显示定时时间，使用更加方便。 4、制作简单，成本低。采用单片机就可以实现功能，节约了大量线材和人工费用，也不用技术专家指导，普通用户可自行安装，一步到位。当我们只有充分了解了单片机的发展趋势，并掌握插座的知识，才能在这一行业更好更有力的发展。2.3 本设计的市场前景使用单片机技术完善现有插座功能，满足人们的需求，目前市场还没有出现这个产品，很有竞争力。据了解，目前市场上排插的功能单一，我们只要在现有的排插上安装一个由单片机控制的控制器就可以了。也就是说，第一利用单片机，直流控制交流继电器等部件实现排插的定时开关功能（比如，什么时候接通，接通多久时间后断开），另一个提供语音服务功能，比如播放音乐，如使用这一排插控制电饭煲，则在作饭时还可以享受音乐的服务。在设计时要注意的是电路控制模块要足够小，选择好相应的器件，以方便地进行安装。3 系统方案设计及分析3.1微机控制系统介绍微机控制系统或微机测控系统，即由微型机与其它器件和装置适当连接起来的所谓硬件，在软件的操作下协调运行执行预定的测量或控制任务。当今社会，由于电子技术和微型计算机的迅速发展，它促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用。可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门。国防技术、航空、航天、铁路、冶金、化工等产业自不必说，就连日常生活中也用上了微机控制的电梯、微波炉、电冰箱、电视机、电扇、智能照相机、玩具、模糊控制洗衣机、模糊控制空调机、携带式心脏监护器等，所有这些智能机电一体化产品的出现，无不是微机测控技术的成功应用。而由单片机实现控制系统正是其中相当重要的一项。3.2微机控制系统的组成微机控制系统包括硬件和软件两部分。硬件是微机控制系统的物质基础。它在软件的协调配合下运行，实现系统功能控制，完成控制任务。硬件包括:主机、外部设备、编码器和译码器、键盘按钮和执行机构、开关量输入和输出通道、接口电路和电源。控制系统的软件，指的是它的全部程序，包括系统软件和应用软件两大类。3.3系统设计方案根据设计的要求及性能以及考虑到使用的可能性，智能插座的主要功能是定时作用，使日常使用的需充电的电器设备在充电中更加方便。插座的功能即是在电器完成定时充电以后插座能自行切断电源。因此对于智能插座的设计可以理解为设计一个由单片机构成的定时器。硬件电路主要包括主控制器，定时与显示电路，键盘电路等。主控制器采用单片机at89c2051，显示电路采用共阳极led数码管显示时间。本设计采用at89c2051单片机的定时器计数器定时计数和计数原理，使其能精确定时。利用中断系统使其能实现开始暂停得功能。p0口输出断码数据，p1.0-p1.7口作为扫描输出。p3.1，p3.2 ,p3.3,p3.4 p3.5接5个按钮开关，分别实现计时，时调节，分调节，语音，暂停功能。电路的基本要求是正确性，其次是布局=合理，最后在这两点下要求美观。在设计时要注意的是电路控制模块要足够小，选择好相应的器件，以方便地进行安装。控制开关单 片 机数 码 管位 驱 动 图1.4 功能说明图4 基于单片机的智能插座的硬件设计部分4.1单片机的选择单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和i/o接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机经过1、2、3、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强i/o功能及较好的结构兼容性方向发展。其发展趋势不外乎以下几个方面：1、多功能 单片机中尽可能地把所需要的存储器和i/o口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。比如a/d、pwm、pca（可编程计数器阵列）、wdt（监视定时器-看家狗）、高速i/o口及计数器的捕获/比较逻辑等。有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。例如，有的芯片以51内核为核心，集成了usb控制器、smart card接口、mp3解码器、can或者i*i*c总线控制器等，led、lcd或vfd显示驱动器也开始集成在8位单片机中。2、高效率和高性能 为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用risc、流水线和dsp的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内rom（flash）和ram的容量都突破了以往的数量和限制。 由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如c语言）来开发单片机的程序。使用高级语言可以降低开发 难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。3、低电压和低功耗 单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。由于cmos等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2v或0.9v），功耗已经降低到ua级。这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。4、低价格 单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。下面大致介绍一下单片机的主要应用领域和特点。（1）家用电器领域 用单片机控制系统取代传统的模拟和数字控制电路，使家用电器（如洗衣机、空调、冰箱、微波炉、和电视机等）功能更完善，更加智能化和易于使用。（2）办公自动化领域 单片机作为嵌入式系统广泛应用于现代办公设备，如计算机的键盘、磁盘驱动、打印机、复印机、电话机和传真机等。（3）商业应用领域 商业应用系统部分与家用和办公应用系统相似，但更加注重设备的稳定性、可靠性和安全性。商用系统中广泛使用的电子计量仪器、收款机、条形码阅读器、安全监测系统、空气调节系统和冷冻保鲜系统等，都采用了单片机构成的专用系统。与通用计算机相比，这些系统由于比较封闭，可以更有效地防止病毒和电磁干扰等，可靠性更高。（4）工业自动化 在工业控制和机电一体化控制系统中，除了采用工控计算机外，很多都是以单片机为核心的单片机和多机系统。（5）智能仪表与集成智能传感器 目前在各种电气测量仪表中普遍采用了单片机应用系统来代替传统的测量系统，使得测量系统具有存储、数据处理、查询及联网等智能功能。将单片机和传感器相结合，可以构成新一代的智能传感器。它将传感器变换后的物理量作进一步的变化和处理，使其成为数字信号，可以远距离传输并与计算机接口。（6）现代交通与航空航天领域 通常应用于电子综合显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统、通信系统以及运行监视系统等。这些领域对体积、功耗、稳定性和实时性的要求往往比商用系统还要高，因此采用单片机系统更加重要。目前，我国生产很多型号的单片机，在此，我们采用型号为at89c2052的单片机。第一， atc89c2051单片机采用flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与mcs-51完全兼容。 第二， at89c2051片内含有2k字节的flash程序存储器，128字节的片内ram。第三， 允许工作的时钟为024mhz。第四， at89c2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它不需要ale、psen、ra、wr一类的引脚。第五， at89c2051共有20个引脚，它只继承了8031最重要的引脚，体积小巧。4.2单片机的基本性能及结构4.2.1 at89c2051主要性能 at89c2051是atmel公司生产的带2k字节闪速可编程可擦除只读存储器(eeprom)的8位单片机,它具有如下主要特性：和mcs-51产品的兼容2k字节可重编程闪速存储器耐久性：1,000写擦除周期2.7v6v的操作范围全静态操作：0hz24mhz两级加密程序存储器1288位内部ram15根可编程i/o引线两个16位定时器/计数器六个中断源可编程串行uart通道直接led驱动输出片内模拟比较器 低功耗空载和掉电方式4.2 .2 at89c2051芯片的20个引脚及功能 (rxd)p3.0 2vccr&t/vpp 1xtal2 4 (int0)p3.2 6(int1)p3.3 7(to)p3.4 8(t1)p3.5 9gnd10xtal1 5(txd)p3.1 3vcc20 vcc19 p1.718 p1.617 p1.516 p1.415 p1.314p1.211 p3.712 p1.0(ain2)13 p1.1(ain1) 图4.2.2 at89c2051的引脚图1. vcc：电源电压。2. gnd：地。3. p1口：p1口是一8位双向i/o口。口引脚p1.2p1.7提供内部上拉电阻。 p1.0和p1.1要求外部上拉电阻。p1.0和p1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(ain0)和反相输入（ain1)。p1口输出缓冲器可吸收20ma电流并能直接驱动led显示。当p1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。当引脚p1.2p1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流(iil)。p1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。4. p3口：p3口的p3.0p3.5、p3.7是带有内部上拉电阻的七个双向i/0引脚。p3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 i/o引脚而不可访问。p3口缓冲器可吸收20ma电流。当p3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。用作输入时,被外部拉低的 p3口引脚将用上拉电阻而流出电流(iil)。p3口还用于实现at89c2051的各种功能,如下表1所示。 p3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 5. rst：复位输入。rst一旦变成高电平,所有的i/o引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时,持续给出rst引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。6. xtal1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。7. xtal2：作为振荡器反相放大器的输出。 p3口的功能 表4.2.2p3口引脚 功能 p3.0 rxd(串行输入端口) p3.1 txd(串行输出端口) p3.2 int0(外中断0) p3.3 int1(外中断1) p3.4 to(定时器0外部输入) p3.5 t1(定时器1外部输入) 4.2.3 at89c2051内部结构 at89c2051是一带有2k字节闪速可编程可擦除只读存储体(eeprom)的低电压,高性能8位cmos微型计算机。如图1所示，它采用atmel的高密非易失存储技术制造并和工业标准mcs51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的cpl1和闪速存储器,atmel at89c2051是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。 p1.0p3.0p3.7.，。ram地址寄存器ar1288ramp1口p3口sp中断控制定时/计数器串行i/o口 锁存器锁存器数据指针dptr指令寄存器ir累加器a寄存器b2kbpferom缓冲器指令译码器id程序计数器pc暂存器2暂存器1定时与控制程序状态字pswalupc增1程序地址寄存器ar 图4.2.3 at89c2051内部结构图 此外,从at89c2051内部结构图也可看出,其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外）,引脚rst、xtal1、xtal2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致,但p1口、p3口有其独特之处。 at89c2051的引脚说明at89c2051是一个有20个引脚的芯片,引脚如图1所示,与8051内部结构进行对比可发现,at89c2051减少了两个对外端口（即p0、p2口）,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。 4.2.4 at89c2051的软硬件约束 at89c2051单片机由于引脚的限制，没有设置外部存储器的接口，所以，对于外部存储器的读/写指令如movx等不起作用。由于rom空间为2kb，所以，对于跳转指令要注意转移的目的地址范围（000h7ffh）,超出地址范围时，将产生不可遇见的错误结果。数据存储的范围是（00h7fh），堆栈操作时亦应加以注意。模拟比较器的输入信号经原来的p3.6引脚引入到单片机内，所以原来的p3.6脚已无法再外部使用。模拟比较器可以方便的比较两个模拟电压的大小，若外接一个d/a转换器并将其输出作为模拟比较器的一个输入，而由模拟比较器的另一个输入端引入被测电压，通过软件的方法也可以实现a/d转换。4.2.5 at89c2051的存储器编程at89c2051单片机提供有2kb的片内flash程序存储器，它允许在线修改或使用专用编程器编程。a flash存储器加密位 at89c2051单片机有2个加密位，可以编程（p）或不编程（u）以获得不同的加密功能。加密功能表如表4.2.5所示。表4.2.5（a） at89c2051单片机加密功能表lb2加密功能lb1无加密功能uu禁止对flash再编程up禁止对flash再编程，还禁止程序校验upp加密位内容的擦除只能通过片擦除操作来完成。bflash存储器的编程和程序校验（1）at89c2051单片机的片内flash存储器编程模式如表4.2.5（b）所示。表4.2.5（b） at89c2051单片机编程模式表p3.5p3.4p3.3p3.7p3.2/progreset模式lhhh12v写入代码数据llhhhh读出代码数据hhhh12v写加密位lb1llhh12v写加密位lb2lh12v芯片擦除lllhh读信号字节lll注：内部eprom的计数器在reset的上升沿复位到000h，并由xtal1，引脚正脉冲执行计数；片擦除需要10ms的prog脉冲；编程期间p3.1被拉低来指示rdy/bsy. c. at89c2051单片机的片内flash存储器编程步骤如下： 上电次序是在vcc、gnd引脚加工作电压，reset、xtal1引脚接到gnd,悬浮其它引脚，等待大于10ms以上时间；在reset、p3.2引脚加高电平；在p3.3、p3.4、p3.5、p3.7引脚加模式电平；经p1.0p1.7对000h单元加入数据字节；升高reset到12v激活编程；使p3.2跳变一次，编程一个字节或加密位；校验已被编程数据，使reset从12v降到逻辑电平“h”并设置p3.3p3.7为正确的电平，可以在p1口输出数据；进行下一地址单元的字节编程，在xtal1加一脉冲，使地址计数器加1，在p1口加入编程数据。重复步骤，完成整个2kb的编程。下电次序为：设置xtal1、reset为“l”,浮空其它i/o引脚，关闭vcc电源。(3)编程及校验电路如图4.2.5（c）4.2.5（d）所示。+5v+5vvccp3.1rdy/bsyp3.2vihpgm datapgm datap1p3.2progp1p3.4p3.3p3.4p3.3p3.5p3.7p3.5p3.7vih/vppresetxtal1gndresetxtal1vihgnd89c205189c2051图4.2.5（d） 校验电路图4.2.5（c） 编程电路说明几点：（1）编程期间p3.1被拉低来指示rdy/bsy；（2）单片擦除需要10ms的prog；（3）内部eeprom地址计数器在reset的上升沿复位到000h，并由xtal1引脚正脉冲执行计数。4.3智能插座的硬件系统设计4.3.1智能插座的硬件系统具体电路设计 at89c2051复位电路模块数码管显示模块ds1302实时时 钟 模 块图4.3.1 系统结构框图晶 振 电 路按 键 控 制扫 描 模 块本课题要运用at89c2051为核心芯片，同时选用ds1302为时钟芯片，74ls273构成触发电路驱动数码管的显示模块、键盘模块、继电器模块、复位电路模块、晶振电路模块等构成外围电路来完成智能插座控制系统的硬件设计，并协作软件设计实现课题所要求的功能。4.3.2 系统的复位电路设计单片机与其它微处理器一样，在启动时都需要复位，使cpu及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从rst引脚输入到芯片内部的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如rst引脚上有一个高电平并维持两个机器周期（由于一个机器周期包含6个状态，每个状态是2个振荡周期，所以也就是24个振荡周期），则cpu就可以响应并将系统复位。假如采用12mhz的晶振，那么复位时间大约是12s。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图5.1所示的手动复位电路可以实现上述基本功能。c2051单片机复位信号高电平有效图4.3.2 单片机复位电路4.3.3 系统的晶振电路设计图4.3.3 晶振电路at89c2051中有一个用于构成内部振荡器的高增益反响放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体或者陶瓷谐振器及电容c1,c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1,c2虽然没有严格要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性！因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12mhz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30f。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。4.3.4 系统的继电器电路设计继电器(relay)也是一种电门，但与一般开关不同，继电器并非以机械方式控制，而是一种以电磁力来控制切换方向的电门。当线圈通电后，会使中心的软铁核心产生磁性，将横向的摆臂吸下，而臂的右侧则迫使电门接点相接，使两接点形成通路。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。单片机是一个弱电器件,一般情况下它们大都工作在5v甚至更低.驱动电流在ma级以下.而要把它用于一些大功率场合 ,显然是不行的.所以,就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的功率驱动.继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节.在这里,继电器驱动含有两个意思:一是对继电器进行驱动,因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件;还有就是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱动中间继电器,可以直接驱动接触器,所以,继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口.首先里面的三极管很重要.三极管是电子电路里很重要的一个元件.简单的来说三极管有两个作用一个是放大作用,一个是开关作用.(严格来讲开关作用是放大作用的极限情况,不过没关系,把两者分开,更便于理解它的工作原理).在这里,我们只了解它跟本电路有关的开关作用.图4.3.4 继电器电路要理解这个电路,其实也比较容易。首先的,里面的三极管很重要。三极管是电子电路里很重要的一个元件，简单的来说三极管有两个作用：一个是放大作用,一个是开关作用(严格来讲开关作用是放大作用的极限情况,不过没关系,把两者分开,更便于理解它的工作原理)。在这里,我们只了解它跟本电路有关的开关作用。首先把三极管想成一个水龙头。上面的vcc就是水池,继电器是一个水轮机,下面的gnd是比水池低的任何一。刚才说过,三极管就是水龙头,它的把手就是那个带有电阻的引脚。现在,单片机的某一个需要控制这个继电器电路的输出引脚就是一只手,当单片机的这个引脚输出低电平的时候,就像手在打开三极管水龙头,水就从上往下流,继电器水轮机就开始转起来了。反之,如果是输出高电平,手就开始关水龙头,继电器水轮机因为没有水流下来,就会停止。这就是三极管的开关作用。简单的理解和记忆就是:三极管是一个开关器件,其实你真的可以将它看成是一个开关,只不过它不是用手来控制,而是用电压(电流)来控制的,因此,三极管有些时候也被称做电子开关(与机械开关相区别)。图上还有一个东西就是继电器线圈两端反相并联的二极管,起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管,只要是用三极管驱动继电器的场合,一般都有它的存在。需要特别注意的是它的接法:并联在继电器两端，阴极一定是接vcc。这里继电器由相应的s8050三极管来驱动，开机时，单片机初始化后的p3.7为高电平，5伏电源通过电阻使三极管导通，所以开机后继电器始终处于吸合状态，如果我们在程序中给单片机一条：clr p3.7的指令的话，相应三极管的基极就会被拉低到零伏左右，使相应的三极管截至，继电器就会断电释放，每个继电器都有一个常开转常闭的接点，便于在其他电路中使用。如图4.3.4所示：p3.7为单片机的i/o口，r为与单片机的i/o口相连的上拉电阻，lamp为接地端，和+5v组成电源电路为继电器的两个触点供电，三极管、二极管以及电阻构成了继电器线圈两端的控制电路，当p3.7端为低电平时，通过三极管的发射极接地，使得二极管截止，继电器的电磁铁的线圈不会通电，其触点不会接触在一起；p3.7端为高电平时，二极管被导通，继电器的电线圈会通电，其触点会接触在一起，于是就会形成通路。继电器部分电路的作用就是通过单片机的控制其通断，当光频转换器工作，即当外部有光照时，使单片机开始工作。当外部没有光照时，使得单片机停止对光信号的检测。提高了单片机的工作效率。同时，也降低了功耗。根据电路的需要和实际情况选择ds2y系列，型号为：ds2y-s-dc5v的继电器，其具体的参数如下：外形尺寸（mm）： 20.09.99.3mm（lwh）重 量 ： 2g触点参数：触点形式： 2c（dpdt）触点负载： 2a30vdc阻 抗： 50m额定电流： 2a电气寿命：10万回机械寿命：1亿回线圈参数：阻值(士10%)：45线圈功耗：200mw额定电压：dc 5v吸合电压：dc 3.5v释放电压：dc 0.5v工作温度：-40+85绝缘电阻：1000m线圈与触点间耐压：1000vac/1分钟触点与触点间耐压：1000vac/1分钟4.3.5 系统的键盘电路设计 （1）方案选择：方案一：矩阵键盘，其按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路交叉处，每当按下一个键时，通过该键将行、列母线相通。若在行、列母线中把行母线逐行置0，那么列母线就用来做信号输入线。方案二：独立键盘，如图4.3.5所示。每个键都有一根信号线与单片机电路相连，所有按键都有一个公共地或公共正端，每个键相互独立互不影响。当按下一个键时，无论其它键是否被按下，信号线由1变为0；当松开此键时，无论其它键是否被按下，信号线由0变为1。根据本次设计十几情况按键使用较少，所以采取方案二独立按键。 图4.3.5 键盘电路 （2） 独立式按键工作原理用io口线构成的单个按键电路，每个独立式按键单独占有一根io口线，每根io口线上按键的工作状态不会影响其他io口线的工作状态，即一个按键对应着个端口输入，每一个按键都有一个按键电路来判断其是否按下。4.3.6 时钟电路设计（1） 时钟芯片ds1302简介实时时钟电路ds1302是dallas公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768khz晶振。（2） 时钟芯片ds1302结构及工作原理1）ds1302 是美国dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带ram的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5v5.5v。采用三线接口与cpu进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或ram数据。ds1302内部有一个318的用于临时性存放数据的ram寄存器。ds1302是ds1202的升级产品，与ds1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。图4.3.6（a）所示出ds1302的引脚排列,其中vcc1为后备电源，vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。ds1302由vcc1或vcc2两者中的较大者供电。当vcc2大于vcc10.2v时，vcc2给ds1302供电。当vcc2小于vcc1时，ds1302由vcc1供电。x1和x2是振荡源，外接32.768khz晶振。rst是复位/片选线，通过把rst输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。rst输入有两种功能：首先，rst接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当rst为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对ds1302进行操作。如果在传送过程中rst置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o引脚变为高阻态。上电运行时，在vcc2.5v之前，rst必须保持低电平。只有在sclk为低电平时，才能将rst置为高电平。i/o为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。sclk始终是输入端。vcc1i/osclkvcc2x1gndrstx11 8 2 73 64 5图4.3.6（a） ds1302引脚图 图4.3.6(b) ds1302内部结构2）各引脚的功能为： vcc1：主电源；vcc2：备份电源。当vcc2vcc1+0.2v时，由vcc2向ds1302供电，当vcc2 vcc1时，由vcc1向ds1302供电。 sclk：串行时钟，输入； i/o：三线接口时的双向数据线； ce：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：第一，ce开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，ce提供结束单字节或多字节数据传输的方法。 3）ds1302有下列几组寄存器： ds1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器（读时81h8dh，写时80h8ch），存放的数据格式为bcd码形式，如表4.3.6（1）所示。读寄存器写寄存器bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0范围81h80hch10秒秒005983h82h10秒分005985h84h12/24010时时112/02am/pm87h86h0010日日13189h88h00010月月1128bh8ah00000周日178dh8ch10年年00998fh8ehwp0000000表 4.3.6（1）ds1302有关日历、时间的寄存器： 小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义ds1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，位5是，当为1时，表示pm。在24小时模式时，位5是第二个10小时位。 秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（ch）。当该位置为1时，时钟振荡器停止，ds1302处于低功耗状态；当该位置为0时，时钟开始运行。控制寄存器（8fh、8eh）的位7是写保护位（wp），其它7位均置为0。在任何的对时钟和ram的写操作之前，wp位必须为0。当wp位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作。 ds1302有关ram的地址 ds1302中附加31字节静态ram的地址如表4.3.6（2）所示。读地址写地址数据范围c1hc2h00-ffhc3hc4h00-ffhc5hc6h00-ffhfdhfch00-ffh 表 4.3.6（2） ds1302的工作模式寄存器所谓突发模式是指一次传送多个字节的时钟信号和ram数据。突发模式寄存器如表4.3.6(3)所示。工作模式寄存器读寄存器写寄存器时钟突发模式寄存器clock burstbfhbehram突发模式寄存器ram burstffhfeh 表 4.3.6(3)此外，ds1302还有充电寄存器等。4） 读写时序说明ds1302是spi总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与ds1302通信，首先要先了解ds1302的控制字。ds1302的控制字如表4.3.6（4）。7 6 5 4 3 2 1 01rama4a3a2a1a0rdc kwr表4.3.6（4）。（1）控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到ds1302中。（2）位6：如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取ram数据；（3）位5至位1（a4a0）：指示操作单元的地址；（4）位0（最低有效位）：如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个sclk时钟的上升沿时，数据被写入ds1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个sclk脉冲的下降沿，读出ds1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图4.3.6(5)。 图4.3.6(5) 数据读写时序图 （3） 时钟芯片ds1302控制电路 图4.3.6（c） ds1302时钟芯片连接电路在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768khz 的晶振即可。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。lcd还可以换成led，还可以使用北京卫信杰科技发展有限公司生产的10位多功能8段液晶显示模块lcm101，内含看门狗(wdt)/时钟发生器及两种频率的蜂鸣器驱动电路，并有内置显示ram，可显示任意字段笔划，具有34线串行接口，可与任何单片机、ic接口。功耗低，显示状态时电流为2a (典型值)，省电模式时小于1a，工作电压为2.4v3.3v，显示清晰。4.3.7 显示电路设计 （1） led动态显示选择方案一：显示电路通常采用液晶显示和数码管显示，对于一般的段式液晶屏需要专门的驱动电路，而且液晶作为一种被动显示，可视性差，不适合远距离观看，对于具有驱动电路和单片机借口的液晶显示模块一般采用并行接口。对单片机的接口要求较高，占用资源多。另外单片机没有专门的液晶驱动接口。方案二：数码管作为一种主动的显示器件，具有亮度高，相应速度快，防潮防湿性能好，温度特性极好价格便宜，易于购买等优点而且具有远距离显示效果，很适合夜间或远距离操作。因此本设计采用8段数码管作为显示介质。数码管显示可分为静态显示和动态显示两种。由于本设计采用五位数码管显示时间，如果采用静态显示则站用的接口线多，硬件电路复杂，所以采用动态显示。（2） led动态显示该模块主要由led数码管组成。其接口电路是把所有的led显示器的8个笔画段ag，dp的同名端连在一起，而每一个数码管的公共端com是各自独立的接受i/o线控制。cpu向字段输出口送出字型码时，所有显示器接受到相同的字型码，但究竟是哪个显示器亮取决于com端，而这一端是由i/o口控制的可以自行决定何时显示哪一位。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的com端，使各个显示器轮流点亮。 图4.3.7（a） led显示模块在轮流点亮扫描的过程中，每位显示管的点亮时间是极为短暂的，约1ms左右，但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。本设计显示部分采用共阳极led显示，数码管的引脚图以及接线图见图4.3.7（a）所示。（3） led驱动74ls273是带有清除端的8d触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚clk，采用上升沿锁存。1d8d为数据输入端，1q8q为数据输出端，正脉冲触发，低电平清除，常用作8位地址锁存器。由于at89c2051外部 15个i/o引脚， 即p1口和p3口， 单p3口的 p3.6是不引出的， 15个i/o口要直接驱动 8位led显然是不够的， 我们通过一片面 74ls273对地址进行锁存，用于驱动led的8位段码，8位led相应的ag段连在一起。 图4.3.7（a） led显示驱动（4 ）显示电路 图4.3.7（b） 显示电路动态显示电路由显示模快，字形码驱动模块。自位驱动模块三部分组成。图所示为本系统的6为led动态显示器接口电路。6个数码管8段选线的分别与驱动芯片接单片机p0的输出端相连，位控制也和另一驱动芯片接单片机p0的输出端相连。4.3.8 语音电路设计在很多的单片机系统中除了显示器件外经常还有发声器件。蜂鸣器一般用于一些要求不高的声音报警及按键操作提示音场合。蜂鸣器外形如图4.3.8（a）所示。图4.3.8（a） 蜂鸣器实物图蜂鸣器和普通扬声器相比，最重要的一个特点是只要按照极性要求加上合适的直流电压，就可以发出固有频率的声音，因此使用起来比扬声器简单。由此可知，蜂鸣器的控制和led的控制对单片机而言是没有区别的。 虽然蜂鸣器的控制和led的控制对于单片机是一样的，但在外围硬件电路上却有所不同，因为蜂鸣器是一个感性负载，一般不建议用单片机i/o口直接对它进行操作，所以最好加个驱动三极管，在要求较高的场合还会加上3保护二极管。硬件电路如图4.3.8（b）所示。图4.3.8（b） 蜂鸣器电路图5. 软件部分设计本系统由单片机c语言编写而成，采用模块化结构设计。主要实现的功能是：把单片机控制技术、键盘扫描与显示有机的结合起来，运用继电器、键盘按钮等完成基于单片机at89c2051的智能插座系统的设计, 实现的功能包括通过单片机控制电路实现定时功能并在显示电路中显示定时时间。其软件流程图如5-1所示。相 应 处 理主 程 序上 电 复 位轮 流 显 示预设时间到否有键按下判 断 键 值相 应 处 理图6-1 软件流程图秒脉冲发生器是由定时器t0和内存空间tt0配合完成的。t0工作于16位计数器模式，当t0向上计数由全1变为全0时产生中断，本程序中t0的初值为0dc00h，大约0.01s中断一次。这里使用的晶振频率为11.0592mhz，由此可计算出日误差约为0.78s。系统产生中断后， 首先保存acc和psw的值，然后为t0重装初值，判断中断次数是否小于100，是则转出中断服务，反之则为秒计数器加1，秒计数器如果大于59，则为分计数器加1， 同时秒计数器清0。 同样分计数器如大于59则为时计数器加1，同时分计数器清0，时计数器如大于23则清0并转出中断服务。t0中断100次的时间刚好为1秒钟。上电复位过程：首先p0p2口全部置1，p3口高5位置1，低3位置0。设置定时器t0工作于16位计数器模式，并赋初值th00dch，tl000h，关闭外部中断和串行口中断，时间计数器ts、tm、th清0，所有预置时间存储区全部赋值ffh，至此所有初始化工作完成。主程序工作过程：首先循环进行六个数码管扫描显示（disply段），然后比较所有预置时间（comp段）是否与当前时间相等，如相等则转向相应处理程序。在比较完成（或处理完成）后判断有无按键（pp2段），没有则返回继续显示、比较、判断；有按键则转向相应处理程序。按键转移采用偏移量加表格跳转转移法（key段），简单、明了。预置时间比较则采用逐一比较法， 即对每一个预置值进行比较， 如相等则做相应处理。具