公用路灯用电量分配系统的设计毕业论文.doc

公用路灯用电量分配系统的设计毕业论文目 录1 概 述12 课题研究背景与意义22.1 课题研究背景22.2 课题研究意义23单片机简介33.1 单片机的简单介绍33.2 单片机的工作过程63.3 单片机的发展与社会需求64公用路灯用电量分配系统工作原理与用途74.1 用电量的分配原理74.2 系统总体方案的确定85公用路灯用电量分配系统的硬件设计115.1 主系统设计及其分析115.2 AT89C2051介绍115.3 AT89C2051的振荡器和时钟电路125.4执行分配的继电器电路设计及其分析135.5系统供电电源电路设计及其分析145.6双电压比较器集成电路145.7看门狗电路165.8长期运行须考虑的安全性问题196 公用路灯用电量分配系统的软件设计及调试196.1程序运行死机及相应政策216.2电源故障及相应对策236.3程序设计思想247 结 束 语24致 谢26参考文献27附 录28附录1程序清单28附录2 主系统电路原理图3211 概 述 本课题的设计目标是利用单片机基础知识、汇编语言等技术设计出用电量分配装置能快速准确的使楼道内的路灯用电的电费能自动的分摊到用户的电表中去，以便解决用户安装路灯后费用收缴不方便的难题。本设计只有采用智能化才能满足（成本因素、功能因素、性能因素等）功能要求。为此，本设计选择了ATMEL 51系列单片机89C2051作为控制核心，它的掉电运行模式能满足低功耗的要求。该系统的设计要点为：a.系统时钟为1MHZ，目的是减少系统功能。因为系统对运行速度要求很低，均为ms级以上。b.环境照度检测电路采用单电源比较器LM393实现。当环境照度变低，使得光敏电阻的阻值大于100千欧时, 比较器LM393翻转,1脚输出为低电平送入单片机引脚P30。单片机根据此引脚电平状态决定是否可以使用路灯。c.路灯点亮按钮电路。当任何一个楼层住户门口的路灯按钮按下时，均会通过光电耦合器TLP521-2，使得单片机P32引脚产生一个负跳变，从而触发外中断INTO，唤醒单片机，控制继电器电路动作，点亮路灯。当然，路灯能否点亮首先取决于P30的状态。 d.看门狗及复位电路由MAX813L实现。MAX813L本身具有上电复位、手动复位功能，同时利用内含的看门狗电路，保证系统能自动从死机状态恢复正常工作。P33为喂狗信号输出引脚。只要保证能及时喂狗，就能避免系统复位。e.继电器接口电路均采用光电隔离，以提高系统的抗干扰能力，实现强、弱电系统的隔离。为了降低功耗，采用工作电压为12V的小型封装继电器。因为5V继电器的驱动电流大，功耗也会提高。f.继电器电路动作设计的关键是继电器触点合、断的延时时间，必须考虑继电器的动作有一定时滞，否则，会出现上个继电器尚未彻底断开，下一个继电器已经动合的现象，使得系统分配精度出现较大误差，甚至不能正常分配。g.主系统采用+5V电源。为了降低成本，采用“变压器降压-整流-滤波-稳压”的线性电源。这里选用了78M05 3端稳压器。变压器尽管与继电器工作电源所需的变压器为同一变压器，但绕组副边独立，减小相互影响。h.继电器工作电压为+12V，考虑到继电器对电压要求不是很高的特点，这里采用“变压器-降压-整流”的方式，没有稳压，同时也没有大容量电容滤波。这是在实际开发过程中，发现如果有大容量电容滤波，会出现继电器动作失常的现象。原因是：大容量电容储存的电能使得继电器关断时间延长。虽然已经考虑到继电器动作存在延时的问题，但还导致上一个继电器没有关断，下一个继电器已经动合的现象。本设计的主要任务是实现单片机对用电量分配装置的智能化控制。要实现以下几个目标：a.电费的自动分摊；b.保证系统死机后的自恢复；c.保证系统长年累月的进行；d.保证装置本身的安全性。本文针对以上几方面，对住宅公用路灯用电量分配装置设计了一些可行性方案，并对这些方案进行了分析。2 课题研究背景与意义 公用路灯用电量分配系统广泛应用于现代化的单元住宅楼，解决商品住宅楼内公用路灯的收缴费用问题。2.1 课题研究背景本文主要研究的是住宅小区中公用路灯用电量的分配装置。随着人民生活水平的提高和住房制度改革的深入，越来越多的居民买了商品房，住进了商品住宅楼。住宅小区的建设水平也在日益提高，不仅规划设计合理、功能齐全、配套完善，而且环境优美，深受城市居民的喜爱，其中住宅小区的路灯对小区作用尤其是夜间照明的作用越来越受到人们的重视。随之而来的问题是，原来单位住宅楼是由单位安装路灯并由单位负责缴费的，楼内居住的单位职工不用担心没路灯和收缴费用的问题；而商品楼内的住户来自不同的单位，要不要安装路灯？装了路灯后费用如何收取？这就出现了所谓的路灯问题。为什么呢？因为首先安装路灯不便利，其次安装路灯后费用收缴不方便。很多城市已经普及了1户1表，小区的路灯用电从哪里来？对于以上的问题，目前往往采用以下两个办法解决：其一是为每个楼道路灯接一个电表，但此方法需要根据电表度数人工分摊，有人上门挨户定期收费，十分不方便；二是把楼道路灯接入楼道内某住户电表，大概估算后由各住户协商出资，但此方法容易引起纠纷。2.2 课题研究意义鉴于以上情况,楼道路灯问题正日益成为住房商品化后的一大难题。住宅公用路灯用电量分配装置正是为了彻底解决楼道路灯的费用分担问题而设计的。采用该装置后，楼道路灯的电费能自动分摊到住户各自的电表内，解决了住户的后顾之忧，给生活带来了便利。本电量分配器在绝大多数时间里处于非正常工作状态，只有在使用路灯或进行点灯时间的调整时通过按键才能被唤醒，进入正常工作状态。另外，由于看门狗的作用，可在系统死机自动恢复正常。因此，它不仅具有较高的稳定性、可靠性和安全性，而且还具有低成本的特点，具有一定的市场推广应用价值。3单片机简介3.1 单片机的简单介绍单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成在复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、定时器、I/0（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。虽然单片机只是一个芯片，但从组合和功能上看，它已具有微型计算机系统的含义。单片机把微型计算机的各主要部分集成在一块芯片上，大大缩短了系统内信号传送距离，从而提高了系统的可靠性及运行速度。因而在工业测控领域中，单片机系统是最理想的控制系统。所以，单片机是典型的嵌入式系统，是嵌入式系统低端应用的最佳选择。由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要有如下特点： a.有优异的性能价格比。b.集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 c.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。 d.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 e.外部总线增加了I C（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 f.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 由此来看，单片机有着一般微处理器（CPU）芯片所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。然而单片机又不同于单板机（一种将微处理器芯片、存储器芯片、输入输出接口芯片安装在同一块印制电路板上的微型计算机），单片机芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果对它进行应用开发，它便是一个小型的微型计算机控制系统，但它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别。不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同：a.硬件硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。b.软件软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。尽管目前单片机的品种很多，但其中最具有代表性的当属INTEL公司的MCS-51系列的单片机，MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强；此外它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此，应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。MCS-51单片机的典型芯片是8031、8051、8751。8051内部有4KB ROM，8751内部有4KB EPROM，8031内部无ROM；除此之外，三者的内部结构及引脚完全相同。MCS-51单片机内部的各个部件分别是中央处理器（CPU）、内部数据存储器、内部程序存储器、定时器/计数器、并行I/O口、串行口、中断控制系统、时钟电路、位处理器、总线。下面分别对单片机的内部存储器和程序存储器以及五个中断源地址区做一些介绍：A.内部数据存储器a.内部数据存储器的低128单元，它包括了寄存器区、位寻址区、用户RAM区。b.内部数据存储器高128单元，这是为专用寄存器提供的，地址范围为80HFFH。所谓专用寄存器是区别于通用寄存器而言的，即这些寄存器的功能或用途已作了专门的规定，用于存放单片机相应部件的控制命令、状态或数据等。B.内部程序存储器80C51芯片内有4K ROM存储单元，其地址为0000H0FFFH，这就是我们所说的内部程序存储器（或简称“内部ROM”）。无论是片内或是片外存储器（对于无片内ROM的单片机），在程序存储器中有一组特殊的保留单元0000H002AH。C.五个中断源地址区五个中断源的中断地址区是：0003H002AH。0003H000AH 外部中断0中断地址区。000BH0012H 定时器/计数器0中断地址区。0013H001AH 外部中断1中断地址区。001BH0022H 定时器/计数器1中断地址区。0023H002AH 串行中断地址区。中断响应后，系统能按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序。因此在中断地址区中本应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中断服务程序，因此一般也是从中断地址区的首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址去。 单片机的存储器结构有以下两个重要的特点：a.一是把数据存储器和程序存储器截然分开；b.二是存储器有内外之分。总的来说，由芯片内存储器和芯片外扩展存储器构成了单片机应用系统的整个存储器系统。MCS-51单片机还有重要的四个物理空间（片内RAM、片内ROM、片外RAM、片外ROM），三个独立的逻辑空间（片内RAM空间：00HFFH、片内外统一编址的ROM空间：0000HFFFFH、片外RAM空间：0000HFFFFH）。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（IO口），还会包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及AD转换器等电路集成到一块单块芯片上构成一个最小而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。由此看来，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机的最大特征。3.2 单片机的工作过程程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在程序中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。 3.3 单片机的发展与社会需求1946年第一台电子计算机诞生至今，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管-晶体管-集成电路-大规模集成电路，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工农业，科研，教育，国防和航空航天领域获得了广泛的应用，计算机技术已经是一个国家现代科技水平的重要标志。20世纪70午代，微电子技术正处于发展阶段，集成电路属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM有的还包括了一些简单的I/O口集成到芯片上。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，在MCS-48探索成功的基础上很快推出了完善的、典型的单片机系列MCS-5l。MCS-51系列单片机的推出，标志Single Chip Microcomputer体系结构的完善。虽然它仍是8位的单片机，但是其功能却有很大的增强。不但拥有完善的总线结构（8位数据总线、16位地址总线及相应的控制总线，通信总线，扩展总线）还有完善的指令系统。8位单片机之后，16位单片机也有很大的发展，如1983年Intel公司推出的MCS96单片机，将一些用于测控系统的模数转换器(ADC)、程序运行监视器(WDT)、脉宽调制器(PWM)、高速I/O口纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。90年代的至今, 单片机呈现全面发展的阶段。单片机已成为工业控制领域中普遍采用的智能化控制工具，小到玩具、家电行业，大到车载、舰船电子系统，遍及计量测试、工业过程控制、机械电子、金融电子、商用电子、办公自动化、工业机器人、军事和航空航天等众多领域。为满足不同的要求，出现了高速、大寻址范围、强运算能力和多机通信能力的16位、32位、64位通用型单片机，小型廉价型、外围系统集成的专用型单片机，以及形形色色各具特色的现代单片机。漫步在繁华的现代化的大都市的大街上，随时都可以看到街上有很多ATM自动柜员机，十字路口的交通灯。我们的手机，家里的数码电视机、数码音响、遥控器、空调、智能玩具等等。这些“高科技”看上去如此神秘，它到底是怎样构成的？它是通过怎样的程序和怎样的方式来完成这一系列指令的呢？其实这些都是用单片机来控制的，单片机在我们的生活中触手可及，单片机给我们的生活带来了便利。诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。科技越发达，智能化的东西就越多，使用的单片机就越多。单片机的学习是社会发展的需要。4公用路灯用电量分配系统工作原理与用途4.1 用电量的分配原理住宅公用路灯用电量分装置主要解决电费的自动分摊问题，而电费的分摊是如何实现的呢，下面讨论电费的分摊（分配）原理。众所周知，电费是按照用电度数每度单位电费计算的。因此，在某种意义上说，电费即用电量（度数），而用电量即电能=功率小时数（即时间），所以在电器功率一定的前提下，电费的分配就是时间的分配问题，也就是说，每户承担一定时间的路灯供电任务。住宅公用路灯用电量分配装置的电费分配就是用电量的分配，其原理如图4-1所示。只要分时依次控制开关S1、S2Sn接通，即可实现所有路灯用电量的分摊。这里关键是各开关的控制问题，要求每次上个开关断开后，下个开关接通，并且在任何时刻只允许有一个开关处于接通状态。假设电费用F表示，电价用J表示，用电度数用W表示，路灯功率用P表示（KW），点灯总时间用t表示（h）, 则各物理量之间的关系为：F=WJ， W=Pt如果有n住户分摊电费，则每户所承担的电费可表示为：Fi =Fn=WJn=PtJn=P（tn）J电表 2电表 n电表 1路灯1路灯nS1Sn各开关依次分时闭合相线零线表1用户侧用电量分配装置图4-1 用电量分配原理图4.2 系统总体方案的确定按照用电量分配原理和分配装置的用途，在确定系统方案时至少要考虑以下一些因素：A.成本因素普通电表或各种电子计算电表的价格相对较低，每个楼道必须安装一个电表分配装置，因此，必须考虑住户的心理接受倾向，生产成本不能太高，最好与普通电表接近。这样才能为住户所认可，也才有市场推广价值。B.功能因素 显然，本分装置的主要功能是楼道路灯用电量的自动分摊，但同时也必须考虑其他一些附加功能，例如，为了节约用电，必须具有根据环境照度控制路灯使用的功能。C.性能因素性能因素至少有这样一些方面：a.可靠性。必须能可靠实现用电量的分配，同时必须确保不会因为外界干扰引起误动作等。b.安全性。主要是指装置本身的安全运行和路灯使用者的安全两方面，即装置本身不会出现过热烧毁等问题以及使用者不会触电等。c.低功耗。因为该装置接在公用电网中，作为一个电子装置本身一定要耗能，但功耗过高，则电力部门每年承担的电力损失就会非常大，也会影响产品应用。基于上述原因，确立以下两种方案：方案一：智能化设计显然，只有采用智能化设计才能满足功能要求。为此，选择了ATMEL 51系列单片机89C2051作为控制核心，它的掉电运行模式能满足低功耗的要求。ATMEL公司生产的此型号单片机是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器芯片。片内带有2KB的闪烁可编程及可擦除只读存储器，与工业标准的80C2051指令集相兼容，DIP20封装。片上的EPROM允许在线对程序存储器重新编程，也可用常规的非易挥发存储芯片编程器编程。AT89C2051是一带有2KB FLASH可编程、可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压、高性能8位CMOS微型计算机，它的特点可归纳为：a.与MCS-51产品兼容，低功耗的闲置与掉电模式；b.2KB的在线可重复编程闪烁存储器寿命：1000次写/擦除周期，数据保存期：10年；c.宽工作电压范围：Vcc=2.76V；d.全静态工作方式：024MHz；e.2级程序存储器锁定； f.1288位内部RAM；g.15条可编程IO口线；h.2个16位定时计数器；i.5个两级中断源；j.可编程串行中断。在AT89系列的单片机中，除了并行IO端口数较少之外，其他部件结构基本与AT89C51类似。之所以被称为低档，是因为其引脚只有20条，比标准型的40条引脚少得多。典型的低档型单片机有AT89C1051和AT89C2051两种型号。AT89C2051的FLASH存储器只有2KB；RAM只有128字节；保密锁定位有2位。正因为他们的功能比标准型AT89C51要弱，所以他们处于低档位置。方案二：低功耗设计用电量分配装置只有在使用路灯时，才处于正常工作状态，此外绝大多数时间，处于待机状态，因此，必须采用掉电模式睡眠待机、通过按键唤醒投入正常工作的运行模式。数据的掉电模式：外部扩展RAM单元采用CMOS工艺的6264芯片，目的是配合系统功耗要求，适应电池供电的需要；而且，该芯片也充分考虑了掉电保护的需要，具有双片选结构。此系统的掉电保护比较特殊，当采样周期开关打在“9”档时，则表示不采样数据，系统转入掉电保护状态。A.数据掉电保护的实质所谓数据掉电保护，指的是单片机应用系统存储RAM中的数据在系统主电源失效或撤消的情况下，能有效地保存下来，以便主电源恢复后使用的一种措施。RAM介质数据掉电保护的实质是，在主电源失效的全过程中和失效期间使数据不被改写并维持下来。具体地说有以下两个方面：a.封锁失效过程和失效期间的写操作；b.维持系统主电源失效后RAM介质的电源，以保存数据不被挥发。B.数据掉电保护的几种实现方式目前单片机应用系统的数据掉电保护经常采用的方法有：a.采用EEPROM介质或FLASH介质等新型介质，作为数据的存储介质，代替单片机应用系统原来采用的传统的RAM介质。b.仍然采用传统RAM介质，但采用新型的掉电保护电路，实现数据的掉电保护。一般来说，常采用电源监视芯片来实现，如MAXIM公司的MAX813L或IMP公司的IMP805L等。c.直接采用封装的不挥发掉电保护芯片代替“RAM+掉电保护电路”。本系统采用了第二种方法。看门狗电路选用了MAX813L,这种电源监视器件的功耗很低。住宅公用路灯用电量分配装置的应用示例如图4-2所示。用户1电表分配装置SW-PBSW-PBSW-PB相线路灯进侧线住户12电表相线12公用零线路灯按钮光敏电阻装置供电相线1图4-2 应用示例图5公用路灯用电量分配系统的硬件设计5.1 主系统设计及其分析按照上述方案设计的主系统电路原理图见附录2。现对该系统的设计要点做简单分析。a.系统时钟为1MHZ，目的是减少系统功能。因为系统对运行速度要求很低，外围继电器的动作时间和路灯按键的响应时间，均为ms级以上。b.环境照度检测电路采用单电源比较器LM393实现。附录2中的R6为光敏电阻，当环境照度变低，使得该电阻的阻值大于100千欧时, 比较器LM393翻转,1脚输出为低电平送入单片机引脚P30。单片机根据此引脚电平状态决定是否可以使用路灯。c.路灯点亮按钮电路。附录2中的S1Sn为分布于各楼层住户门口的路灯按钮。当任何一个按下时，均会通过光电耦合器TLP521-2，使得单片机P32引脚产生一个负跳变，从而触发外中断INTO，唤醒单片机，控制继电器电路动作，点亮路灯。当然，路灯能否点亮首先取决于P30的状态（即环境照度）。 d.看门狗及复位电路由MAX813L实现。MAX813L本身具有上电复位、手动复位功能，同时利用内含的看门狗电路，保证系统能自动从死机状态恢复正常工作。P33为喂狗信号输出引脚。只要保证能及时喂狗，就能避免系统复位。e.继电器接口电路均采用光电隔离，以提高系统的抗干扰能力，实现强、弱电系统的隔离。为了降低功耗，采用工作电压为12V的小型封装继电器。因为5V继电器的驱动电流大，功耗也会提高。5.2 AT89C2051介绍AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛应用。AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微处理器。它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。通过在单块芯片上组合通用的CPLI和闪速存储器，ATMEL的AT89C2051是一强劲的微型处理器，它对许多嵌入式控制应用提供一定高度灵活和成本低的解决办法。 AT89C2051提供以下标准功能：2K字节闪速存储器，128字节RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选 的软件节电工作方式。空闲方停止CPU工作但允许RAM、定时器/计数器、串行工作口和中断系统继续工作。掉电方式保存RAM内容但振荡器停止工作并禁止有其它部件的工作到下一个硬件复位。 AT89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。 AT89C2051可以采用下面两种方法开发应用系统。 a.由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。但是做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。 b.将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。 AT89C2051的主要性能如下：a.和MCS-51产品兼容； b.2KB可重编程FLASH存储器（10000次）； c.2.7-6V电压范围； d.全静态工作：0Hz-24MHz； e.2级程序存储器保密锁定； f.128*8位内部RAM； g.15条可编程I/O线； h.两个16位定时器/计数器； i.6个中断源； j.可编程串行通道； k.高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）； l.直接驱动LED的输出端口。5.3 AT89C2051的振荡器和时钟电路要给单片机提供指令时序就需要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。AT89C2051单片机内部有一个反向放大器用于构成振荡器，但是要形成时钟，外部还需要附加电路。反向放大器的输入端为XTAL1（即AT89C2051的19引脚），输出端为XTAL2（即AT89C2051的18引脚）。利用芯片内部的振荡器，在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体以及两个电容，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，如图5-1所示。图5-1 内部振荡电路电路中对外接电容Cl、C2 虽然没有十分严格的要求，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。因为本课题中使用石英晶体，所以电路中电容使用30pF10pF。5.4执行分配的继电器电路设计及其分析本装置设计的楼道住户为12户，符合国内大多数住宅楼每个楼道12户（62）的要求。因此，分别由12路继电器担当各住户分时供电的切换功能。继电器线圈分别由US1US12驱动，继电器动合触点的一端接上每个住户的用户侧相线L1L12，另一侧并接，作为路灯的相线LINE。设计的电原理图如图5-2所示。继电器电路动作设计的关键是继电器触点合、断的延时时间，必须考虑继电器的动作有一定时滞，否则，会出现上个继电器尚未彻底断开，下一个继电器动合的现象，使得系统分配精度出现较大误差，甚至不能正常分配。L2L1D12J12D11J11D9J9D10J10D8J8D7J7D5J5D6J6D4J4D3J3D1J1D2J2US11L11US9L9US7L7US12L12US10L10US8L8US6L6US5L5US3L3US4L4US2US1Vss图5-2执行分配的继电器电路图继电器中的线圈为感性负载，在电路分断时，电感存储的能量会使电路分断困难，所产生的电火花的剧烈变化向空间辐射电磁波，从而可能改变单片机的I/O口电平，造成单片机输出的不正常变化。为此，本设计在继电器的常开触头并联了阻容吸收电路，以减少触头间电火花能量，减少误动作的概率。5.5系统供电电源电路设计及其分析系统电源电路原理图参见图5-3。a.主系统电源电路主系统采用+5V电源。为了降低成本，采用“变压器降压-整流-滤波-稳压”的线性电源。这里选用了78M05 3端稳压器。变压器尽管与继电器工作电源所需的变压器为同一变压器，但绕组副边独立，减小相互影响。b.继电器工作电源继电器工作电压为+12V，考虑到继电器对电压要求不是很高的特点，这里采用“变压器-降压-整流”的方式，没有稳压，同时也没有大容量电容滤波。这是在实际开发过程中，发现如果有大容量电容滤波，会出现继电器动作失常的现象。原因是：大容量电容储存的电能使得继电器关断时间延长。虽然已经考虑到继电器动作存在延时的问题，但还导致上个继电器没有关断，下一个继电器动合的现象。上述电源中所用的电源变压器功率为10W。必须选用空载功耗小的变压器；否则，功耗大大增加，而且变压器自身发热严重，根本无法适合长期运行。220VB2B1C21000uFT1VinVoutGNDV178M059V12V+12VVss1230.1uFC41000uFC31000uFC1+5VGND图5-3 系统电源电路图5.6双电压比较器集成电路该电路的特点如下：a.工作电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源：118V；b.消耗电流小，Icc=0.8mA；c.输入失调电压小，VIO= 2mV；d.共模输入电压范围宽，Vic=0 1.5V；e.输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；f.输出可以用开路集电极连接“或”门；g.采用双列直插8 脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8 脚塑料封装（SOP8）。LM393是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙。电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入和输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后，否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入和输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。比较器的所有没有用的引脚必须接地。 LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围 2.030V无关。 通常电源不需要加旁路电容。差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件。保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V。LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供或OR ing功能。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 Vcc端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当负载电阻没被运用)，输出部分的线电流被可能得到的驱动和器件的值所限制。当达到极限电流(16mA)时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的SAT限制。当负载电流很小时，输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许输出箝位在零电平。图5-4 LM393电路图表5-1 LM393引脚功能排列表引出端序号功能符号引出端序号功能符号1输出端1 OUT15正向输入端21N+(2)2反向输入端1 1N-(1)6反向输入端21N-(2) 3正向输入端11N+(1)7 输出端2OUT24地GND8电源VCC 表5-2 LM393主要参数表参数名称符号数值单位电源电压VCC18 或36V差模输入电压VID36V共模输入电压VI-0.3VCCV功耗Pd570mW工作环境温度Topr0 to +70贮存温度Tstg-65 to 150表5-3电特性（除非特别说明，VCC=5.0V， Tamb=25）参数名称符号测试条件最小典型最大单位输入失调电压VIOVCM=0 to VCC-1.5 VO(P)=1.4V, Rs=0-1.05.0mV输入失调电流IIO-550nA输入偏置电流Ib-65250nA共模输入电压VIC-0-VCC-1.5V静态电流ICCQRL=-0.61.0mARL=,Vcc=30V-0.82.5mA电压增益AVVCC=15V, RL15k-200-V/mV灌电流lsinkVi(-)1V, Vi(+)=0V, Vo(p)1.5V616-mA输出漏电流IOLEVi(-)=0V, Vi(+)=1V, VO=5V-0.1-nA5.7 看门狗电路该系统用在长期连续工作且无人监控的状态下，因此必须十分重视系统的可靠性问题。在本装置的设计中，主要考虑了这些方面：a.系统死机后的自恢复问题；b.系统能不能保证长年累月的运行。为了解决这些问题，设计中是通过系统的监视定时器（即看门狗电路“WDT”）以及元器件的合理选用等方面来实现的。看门狗电路选用了MAX813L，也可选用IMP813L。这2种电源监视器件的功耗都很低，主要功能有3个：a.复位；b.电源电压监视；c.看门狗定时器。其特性如下：a.加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200ms;b.独立的看门狗输出，看门狗输入为1.6S；c.1.25V门限值检测器，用于电源故障报警、电池低电压检测或+5V以外的电源监控内未被触发，其输出将变为高电平；d.低电平有效的手动复位输入；e.8引脚DIP封装。MAX813L芯片及其工作原理A.芯片特点生活中的干扰大多是以窄脉冲的形式出现，而最终造成微机系统故障的多数现象为“死机”。究其原因是CPU在执行某条指令时，受干扰的冲击，使它的操作码或地址码发生改变，致使该条指令出错。这时，CPU执行随机拼写的指令，甚至将操作数作为操作码执行，导致程序“跑飞”或进入“死循环”。为使这种“跑飞”或进入“死循环”的程序自动恢复，重新正常工作，一种有效的办法是采用硬件“看门狗”技术。用看门狗监视程序的运行。若程序发生“死机”，则看门狗产生复位信号，引导单片机程序重新进入正常运行。加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200 ms。B.MAX813L的引脚及功能MAX813L芯片引脚排列见图5-5。VCCGNDPFIWDIMAX813LPFOWDOMR8RST7654321图55 MAX813L芯片各引脚功能及工作原理如下：a.手动复位输入端（/MR）：当该端输入低电平保持140 ms以上，MAX813L就输出复位信号.该输入端的最小输入脉宽要求可以有效地消除开关的抖动。/MR与TTL/CMOS兼容。b.工作电源端（VCC）：接+5V电源。c.电源接地端（GND）：接0 V参考电平。d.电源故障输入端（PFI）：当该端输入电压低于125 V时，5号引脚输出端的信号由高电平变为低电平。e.电源故障输出端（/PFO）：电源正常时，保持高电平，电源电压变低或掉电时，输出由高电平变为低电平。f.看门狗信号输入端（WDI）：程序正常运行时，必须在小于1.6s时间间隔内向该输入端发送一个脉冲信号，以清除芯片内部的看门狗定时器。若超过1.6s，该输入端收不到脉冲信号，则内部定时器溢出，8号引脚由高电平变为低电平。g.复位信号输出端（RST）：上电时，自动产生200 ms的复位脉冲；手动复位端输入低电平时，该端也产生复位信号输出。h.看门狗信号输出端（/WDO）：正常工作时输出保持高电平，看门狗输出时，该端输出信号由高电平变为低电平。C.电路设计 图56给出了MAX813L在本系统中的电路图。此电路可以实现上电、瞬时掉电以及程序运行出现“死机”时的自动复位和随时的手动复位；并且可以实时地监视电源故障，以便及时地保存数据。C127pFC227pF4148R210KR110KS0/MR12X11MHz+5V46783215121X1P35P15P12P11P14P30P31P32P17P13P10P37RSTP33X2P34P16191715127591134816181314USER3USER6USER7USER11USER8USER9USER1USER1USER5USER4USER1INT0+5VU3RST/MR/WDOWDI/PFOPFIVssVccMAX813AT89205USER2图56 MAX813L在AT89C2051单片机系统中的应用连接电路图本电路巧妙地利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞而引起程序“死机”，/WDO端电平由高到低，当 /WDO变低超过140 ms，将引起MAX813L产生一个200 ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使 /WDO引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲/MR端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效地消除开关抖动。该电路可以实时地监视电源故障（掉电、电压降低等）。5.8长期运行须考虑的安全性问题由于该装置长期运行状况，因此必须考虑装置本身的安全性问题和装置安全性引发的其它诸如人身安全性、住宅楼安全性等问题。这里的关键是要保证装置本身的安全性。以下从几个方面进行简要阐述：a.功耗和散热问题装置的功耗和散热问题是连在一起的，只有降低功耗，才能减少装置的发热，也才能从根本上解决散热问题。关于功耗问题，前面已经作了专门讨论，这里只说明一点：三端稳压器和变压器均紧贴在装置的金属外壳上，以金属外壳作为一个大散热体。由于此装置一般安装在配电箱内，而配电箱一般又是金属外壳，这样又可促进散热，从外界解决了散热问题。b.装置故障引起的过流问题由于装置本身的元件失效导致系统过流，引发电力火灾等，这个问题比较容易解决。只要在装置的电源进线上串接快速熔断器，就足以保证避免此类现象的发生。c.电压过高而造成器件损坏问题有些时候市电的波动会比较大，可能因为电压过高而造成器件的损坏，如果在器件外面添加过电压保护电路，就能使器件得到保护。本装置采用了过电压保护电路来实现对器件的保护。在正常的情况下，通过互感器L1和L2的电流大小相等，方向相反，合成磁场为0。所以L3上无感生电流，晶闸管上没有触发电流而截止；如果过压或者发生漏电，L1与L2之间的电流就不平衡，于是合磁场就不为0，L3就产生感生电流。产生的感生电流经过电阻Rw流入晶闸管而使其导通，接触器线圈得电使其常闭触点断开，达到过压保护。即保护了器件的目的，也可以保障人身的安全。6 公用路灯用电量分配系统的软件设计及调试软件设计的关键是继电器电路的切换。为了降低功耗，继电器组的切换是由外中断INT0唤醒CPU实现的，切换的前提条件是环境光的照度。图6-1，图6-2是该分配装置的软件结构图。需要说明的是，按照本文设计的分配装置的路灯点亮时间是固定的；如需能自由调节，则由于2051单片机的口线已用完，设置调节时间所需