住宅公用路灯用电量分配装置毕业设计

目录 摘要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 单片机的概念 . 1 1.2 单片机的工作过程. 2 1.3 单片机的发展 . 3 1.4 本文研究的内容及意义. 3 1.5 设计指标. 4 1.6 本课题的主要工作 . 4 第 2 章 路灯用电分配装置的硬件设计 . 5 2.1 用电量的分配原理. 5 2.2 方案的选择与论证. 6 2.3 主控单片机芯片的选择和介绍. 7 2.3.1 AT89C52 的概述及功能特性 . 8 2.3.2 时钟电路. 11 2.3. 3 芯片擦除. 12 2.3.4 复位电路. 12 2. 4 路灯按钮电路的设计 . 13 2.5 光耦合隔离电路 . 14 2.6 执行分配的继电器电路的设计. 15 2.7 数码管显示电路设计 . 15 2.8 系统可靠性问题的设计. 16 2.8.1 长期运行需要考虑的安全性问题 . 16 2.8.2 看门狗电路设计 . 17 第 3 章 软件设计 . 19 3.1 主程序流程图及分析. 19 3.2 中断子程序流程图及分析. 20 3.2.1 定时器子程序流程图及分析 . 20 3.2.2 外部中断子程序流程图及程序 . 22 3.2.3 数码管显示子程序及分析 . 24 3.3 总程序. 24 第 4 章抗干扰设计 . 29 4.1 干扰产生的原因 . 29 4.1.1 干扰源. 29 4.1.2 干扰传输途径 . 29 4.2 抗干扰设计 . 30 结 论 . 32 参考文献 . 33 致 谢 . 34 附录 B 程序清单. 35 摘要 随着住房制度改革的深入，越来越多的居民买了商品房，原来的单位住宅楼的公用路 灯费用是由单位出资的，而商品住宅楼内的居民来自不同的单位，要不要安装路灯？安装 路灯后费用如何解决？“住宅公用路灯用电量分配装置”是为了解决商品住宅楼内公用 路灯的收缴费用问题。住宅小区的建设水平日益提高，需要规划设计合理、功能齐全、配 套完善，而且环境优美，这样会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。此装置的设计包括系统硬件框图结构，部分主要功能模块（单 片机芯片 AT89C52， 复位及看门狗电路 MAX813L， 继电器接口电路,数码管显示电路等组成） 和单元电路，软件编程思想及设计中应考虑和解决的几个主要问题。系统以 AT89C52 单片 机为核心，利用其指令来实现对住宅公用路灯用电量的自动分配 .住宅公用路灯用电量 分配装置具有低功耗；可靠性；安全性；低成本等特点。该设计解决了楼道路灯电费收缴 的难题，有较好的实用价值。 关键词：单片机；看门狗；继电器电路 I AbstractAbstract With the developing of the house system , more and more people have bought the commodity apartment, the cost of street lamp was pay by the unit in the past, but the people in the commodity are coming from different places. Do they need the street lamp and how to pay the cost for everyone ? the power consumption of public street lamp of the house distributes the device can solve all of them . The design includes the systematic hardware block diagram structure, some main function module (the AT89C2051 microcomputer and watchdog timer MAX813L, relay interface circuit,etc.) and unit circuit, the software programming thought and the problems in the designning. The system takes AT89C2051 monolithic integrated circuit as a key, using its instruction to get the public street light electricity consumption of the houses automatic assignment. And with the illuminance examination system in the street light start button electric circuit,it can act according to the environment brightness to control whether to use the street light. Assign the device to have low consumption in power consumption of public street lamp of the house; dependability; securities; safe, and low cost. Thus the problem of collecting stairway lam electricity cost will be settled well. KeyWords:KeyWords:microcomputermicrocomputer；watchdog timerwatchdog timer ；relay interface circuitrelay interface circuit II 第 1 章 绪 论 1.1 单片机的概念 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， 更容易集成进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。它的体积小、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，单片机是典型的嵌人式系统，是嵌入式系统低端应用的最佳选择2。 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： （1）有优异的性能价格比。 （2）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。 （3）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。 （4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 （5）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。 2 （6）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2。 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，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。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。 1.2 单片机的工作过程 单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程， 即一条条 执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下 来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单 片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系 统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指 令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为 程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单 元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单 元里， 单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号 一样， 每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址， 这样只要知道了存储单元的地址， 就可以找到这个存储单元， 其中存储的指令就可以 被取出，然后再被执行。 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 2 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。 1.3 单片机的发展 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1。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6。 1.4 本文研究的内容及意义 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 2 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 2 个办法解决：其一是为每个 楼道路灯接一电表，但次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；另外一是把楼道路灯接入楼到内某住户电表，大概估算后由各住户协商出资，但 此方法容易引起纠纷。 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 3。 1.5 设计指标 设计住宅小区公用路灯用电量分配装置的技术指标如下: 1系统采用单片机作为控制器； 2装置能够解决电费自动分摊到住户各自电表中； 3. 根据环境照度控制是否需要路灯； 4. 要求系统在死机状态下能自动复位,恢复正常工作。 1.6 本课题的主要工作 详细分析课题任务，对单片机在用电量分配原理应用这方面进行深入的研究，结合所 学的知识根据课题任务设计出实现公用路灯的硬件原理图和软件，达到设计的要求。全文 将分为四章。 第一章绪论，先简要介绍单片机的概况及住宅公用路灯分配装置的现状，再介绍本文 的主要工作。 第二章硬件设计部分，主要介绍了系统硬件设计的基本结构和各部分器件的说明。 第三章软件设计，分为 2 个部分，一部分是分析流程，一部分是软件编程。 第四章是抗干扰设计，介绍了采用硬件和软件结合的方式尽可能降低干扰。 最后是结论、参考文献、致谢及目录。 2 第 2 章 路灯用电分配装置的硬件设计 2.1 用电量的分配原理 住宅公用路灯用电量分配装置主要解决电费自动分摊问题,下面讨论电费分配原理。 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（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，其原理图如图 2.1 所示。只要分时 依次控制开关 S1、S2 Sn 接通，即可实现所有的路灯用电量的分摊。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 F1=F/n=WJ/n=PtJ/n=P（t/n） J3 相线 图 2.1用电量分配原理图 电表 n 各开关依次分时闭合 Sn 电表 2 电表 1 零线 表 1 用户侧 S1 路灯 1 用电量分配装置 零线 路灯 n 2 2.2 方案的选择与论证 方案一： 采用单片机为主的设计方案。 该方案主要由四部分构成： ； 一是单片机 AT89C52 系统，这是整个系统的核心部分，用户轮流承担路灯点亮的任务由单片机的指令来实现完 成。二是继电器接口电路，电量通过此电路平均分摊到各用户电表中。三是看门狗电路， 它作用是使单片机进入复位状态，使之从故障中解脱出来8。四是数码管显示电路。它作 用是使每个用户轮流供电时间显示出来。系统原理框图如下图 2.2 图 2.2 方案一的原理框图 方案二:采用 PLC 为主要控制器的设计方案,原理图如下图 2.3 所示。 以 PLC 控制器为主,辅以光电传感器,放大器,A/D 转换器组成,整个电路工作原理是: 由光电传感器检测光线亮度从而决定是否使用路灯,亮度模拟信号经放大器放大和 A/D 转 换成数字信号传给 PLC,最后由 PLC 将用电量平均分配到用户电表15。 光线光电传感器放大器A/D 转换器PLC 路灯 电表 图 2.3 方案二的原理框图 按照用电量分配原理和分配装置的用途，在设计系统方案时至少要考虑以下一些因 素: 2 功能因素。本分配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 其它一些附加功能。 成本因素。普通电表或者各种电子计量电表的价格相对较低，每个楼道必须安装一个 此分配装置，因此，必须要考虑住户的心里接受倾向，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，才有市场推广价值。 性能因素：1）可靠性，必须能可靠实现电量的分配，同时必须确保不会因为外界干 扰引起误动作等；2）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方面， 即装置本身不会出现过热烧毁等问题及使用者不会触电等； 3)实用性,装置的选取需是常 见的元件器材，在发生故障时维修起来也比较方便；4)低功耗,因为该装置在公用电网中， 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11。 从节省能源这方面来看，方案二的 PLC 要一直处与工作状态，消耗大量的电能来时刻 监视系统的运行，而方案一采用的单片机系统自带了待机功能，在使用的时候才处于正常 工作状态，此外大多数时间是待机状态，消耗的电能极少，可以说是低功耗系统。从实现 功能来说，两个方案都能达到基本的功能，但是采用 PLC 控制器的系统实现的功能多，然 而本设计主要是达到基本的功能就行，其它功能可以省略，没必要多花钱去增加额外的功 能。从成本方面来比较，方案二的投资较大，相比下方案一采用单片机控制的系统投资成 本小。住宅小区的用户来自不同单位的人，如果公用设备投资过高，会给用户带来经济方 面的压力，公用设备应尽量采用信价比高的元件，所以在考虑成本这方面，方案一的可行 度高。从操作性来说，PLC 控制需要有人在旁边操作和输入程序，而单片机几乎实现全自 动化，无须有关人员操作。采用单片机的系统维护起来也比 PLC 控制系统方便和便宜。基 于上述原因，最终确定采用方案一。 2.3 主控单片机芯片的选择和介绍 单片机的选型从以下几个方面考虑： 1.单片机的系统适应性。适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以 下几个方面体现： （1）单片机的 CPU 是否有合适的处理能力。 （2）单片机是否有系统所需要的 I/O 端口数。 （3）单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。 （4）单片机片内是否有系统所需的外接口。 （5）单片机的极限性能是否能够满足要求。 2 2. 单片机的市场供应情况。 3. 单片机的可开发性9。 本方案最大特点在于核心控制芯片的选择，采用 AT89C52 单片机，利用 AT89C52 的掉 电工作方式， 构成高可靠、 低功耗系统方法。 AT89C52 的采用有很多方面的优势。 用 AT89C52 作为控制核心的设计大多在性能上要求很高。原因在于，在一些应用场合，单片机并不是 每时每刻都在工作，而是多数时间处于守候状态 。为使单片机系统工作更省电、更可靠， 我们可以使单片机在不工作时处于掉电工作方式，其工作状态被冻结，如 AT89C52 处于掉 电工作方式时耗电仅十几微安。此外，AT89C52 设有稳态逻辑，支持两种软件可选的掉电 模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍工作。 在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬 件复位为止。另外考虑到在调试过程中实验器材的现实情况，该系统选选用 AT89C52 单片 机为主控芯片。 2.3.1 AT89C52 的概述及功能特性 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 COMS 8 位单片机，片内含 8K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256 bytes 的随机存取数据存储器（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，功能强大的 AT89C52 适用在许多高性价比的 场合，可灵活应用于各种控制领域6。 主要性能参数： 与 MCS51 产品指令系统完全兼容 8k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 256x8bit 内部 RAM； 32 个可编程 I/O 口线 3 个 16 位可编程定时 /计数器中断； 2 个外部中断源，共8 个中断源； 2 个串行中断，可编程UART 串行通道； 低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能 功能特性概述： AT89C2051 提供以下标准功能：兼容 MCS51 指令系统 , 8k 可反复擦写 (大于 1000 次）Flash ROM,32 个双向 I/O 口,256x8bit 内部 RAM,3 个 16 位可编程定时 /计数器中 断,时钟频率 0-24MHz,2 个串行中断，可编程UART 串行通道 ,2 个外部中断源，共8 2 个中断源 ,2 个读写中断口线，3 级加密位 ,低功耗空闲和掉电模式 ,软件设置睡眠和唤 醒功能,有 PDIP、PQFP、TQFP 及 PLCC 等几种封装形式，以适应不同产品的需求18。 引脚功能说明：图 2.4 是 AT89C2051 的引脚结构图,有双列直插封装(DIP)方式和方行封 装方式。下面介绍这些引脚。 图 2.4AT89C52 引脚图 准的 C51 内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会 聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据 RAM 及外部接口等功 能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR 的接收解码及 与主板 CPU 通信等。主要管脚有： XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）为振荡器输入 输出端口，外接 12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成 的复位电路。 VCC（40 脚）和 VSS（20 脚）为供电端口，分别接 +5V 电源的正负端。 P0P3 为可编程通用 I/O 脚，其功能用途由软件定义， 在本设计中， P0 端口（3239 脚）被定义为 N1 功能控制端口，分别与N1 的相应功能管脚相连接， 13 脚定义为 IR 输入端， 10 脚和 11 脚定义为 I2C 总线控制端口，分别连接N1 的 SDAS（18 脚） 和 SCLS（19 脚）端口， 12 脚、27 脚及 28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板 CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 (1)P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口， 也即地址 /数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个 TTL 逻辑门电路，对端口P0 写 “1”时，可作为高阻抗输入端用 .在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线 分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 2 编程时， P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接 上拉电阻。 (2)P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把 端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个 引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 与 AT89C51不同之处是，P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时 /计数器 2 的外部计数输入（ P1.0/T2 ）和输入（ P1.1/T2EX ）， (3)P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电 阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL). 在访问外部程序存储器或16 位 地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR指令）时， P2 口送出高 8 位地址数 据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时， P2 口输出 P2 锁存器的内容 .Flash 编程或校验时， P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 (4)P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流） 4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上 拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流 （IIL）.P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能 .P3 口 还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 (5)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使单 片机复位。 (6)ALE/PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用 于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下， ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的 脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据 存储器时将跳过一个ALE 脉冲.对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程 脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位 置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激 活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 2 (7)PSEN 程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C52 由 外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉 冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN 信号。 (8)EA/VPP 外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部 会锁存 EA 端状态.如 EA 端为高电平（接 Vcc 端），CPU 则执行内部程序存储器中的 指令.Flash 存储器编程时，该引脚加上 +12V 的编程允许电源 Vpp，当然这必须是该 器件是使用 12V 编程电压 Vpp。 (9)XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 (10)XTAL2 振荡器反相放大器的输出端。 (11)Vcc：电源电压 (12)GND：接地端 2.3.2 时钟电路 振荡电路和单片机内部的时钟电路共同构成了单片机的时钟方式。AT89C52 内部有一 个用于构成振荡器的高增益反相放大器，单片机引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入 和输出端。放大器与作为反馈组件的片外晶体或陶瓷谐振器一切构成一个自激振荡器。 单片机的时钟产生方法有两种，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。设计 中选用的是内部时钟方式。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成的并联谐振 电路。单片机片内振荡器的时钟电路如图 2.5 所示。 图 2.5 中选择 12MHz 的振荡晶体，两只电容器取值 27PF。则单片机的 4 个周期的具体 数值分别是： 振荡周期=1/12 s； 时钟周期=1/6 s； 机器周期=1 s； 指令周期=14 s。 片内时钟电路在设计时应注意晶体和电容器应尽可能地靠近单片机芯片，以减少寄生 电容，保证振荡器稳定可靠的工作。 2 图 2.5主控芯片设计图 2.3. 3 芯片擦除 整个 EPROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚 处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节 被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C52 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件 可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断 系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能， 直到下一个硬件复位为止。 2.3.4 复位电路 单片机应用系统工作时，会经常要求进入复位工作状态，所以复位电路要求能准确可 靠地工作，而且单片机的复位状态与应用系统的复位状态是密切相关的。单片机的复位都 是靠外部电路实现的。 在时钟电路工作后，只要在单片机的 RST 脚上出现 24 个时钟振荡脉冲以上的高电平， 单片机便可实现初始化状态复位。为了保证系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使 RST 引脚保持 10ms 以上的高电平。只要RST 保持高电平，单片机就循环复位；当RST 从高 电平变为低电平以后，单片机就从 0000H 地址开始执行程序。在单片机复位的有效期间， ALE、PSEN 引脚输出高电平。 单片机的通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。设计中选用上电自动复位方 式，由“看门狗”电路实现。如图 2.6 看门狗电路。 2 图 2.6 看门狗电路 2. 4 路灯按钮电路的设计 是为了方便物业控制供电，每个用户的供电时间由物业操纵，如果没有此电路，将会 带来很多不便，并且不会实现均摊供电的效果。 按钮共有 3 个，一个是“上”按钮，一个是“下”按钮，还有一个是“确定”按钮。 假设每个用户供电 10S 的时间，当按下“上”操作按钮时，每个用户轮流的供电时间增加， 当达到了需要的轮流时间时，按下“确定”按钮；当按下“下”操作按钮时，每个用户轮 流供电时间减少，当达到了需要的轮流时间时，按下“确定”按钮，这样每个用户的供电 时间就会得到相应的改变。如图 2.7 所示。 2 图 2.7 按键电路图 2.5 光耦合隔离电路 光耦合器 TLP521-2 是一个光电耦合器件，它是把发光把发光器件(如发光二极管)和 光敏器件(如光敏三极管)组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器 件。TLP521-2 芯片的内部结构图如下图 2.8 所示。当电信号送入光电耦合器的输入端时, 发光二极管通过电流而发光,光敏器件受到光照后产生电流导通,当输入无信号时,发光二 极管不两,光敏电阻截止。使用光电耦合器时，输入部分和输出部分必须分别采用独立的 电源，如果两端共用一个电源，则光电耦合器件的隔离将失去意义。 图 2.8TLP521-2 内部结构图 光电耦合器主要是用来隔离输入输出的，主要是隔离输入信号。因为在各种应用电路 中，往往有一些信号需要传输到控制器，但如果将这些信号接到单片机上，会有以下问题： 信号不匹配，输入信号可能是交流信号、高压信号、按键等干接点信号；比较长的接连线 路容易引进干扰、雷电、感应电磁等。不经常过隔离不可靠，所以信号需要光耦进行隔离 接入单片机。 选用 TLP521-2 的原因是因为这芯片便宜而且功能达到我们设计的要求。图 2 2.6 执行分配的继电器电路的设计 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 路继电器担当个住户分时供电的切换功能。继电器线圈分别由US1 US12 驱动，继电器动合触电的一端接每个住户的用户侧相线 L1L12，另一侧并接作为路 灯的相线 LINE16。设计电路如图 2.9 所示。 U S 1 2 L I N E 1 2 U S 1 0 L I N E 1 0 U S 4 L I N E 1 2 U S 8 U S 6 L I N E 8 L I N E 6 U S 1 D12 D10 D8D6D4 D1 J12 J10 J8J6J4 J1 Vss LINE D11 D9D7 D5D3 D2 J11 L I N E 1 1 U S E 1 1 J9 L I N E 9 J7 L I N E 7 U S E 5 J5 L I N E 5 J3 L I N E 3 J2 L I N E 2 U S E 9 U S E 7 U S E 3 U S E 2 L I N E 1 图2.9执行分配继电器电路设计图 继电器电路动作设计的关键是继电器触电合、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的误差，甚至不能正常分配。 Titl e A 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 SizeNumberRevision B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 3 Date: File: 22-May-2008 D: tu1.ddb Sheet of Drawn By: 触头间电火花能量，减少误动作的概率。 456 2.7 数码管显示电路设计 数码管是一种常用的显示设备终端,具有成本低,设计简单的优点,因此被广泛的应用 在数字系统设计中 .此处使用的是共阳的数码管显示 ,显示出的是每个用户轮流供电的时 间.如图 2.10 所示。 2 图 2.10 数码管显示电路设计图 2.8 系统可靠性问题的设计 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。 在本设计中， 主要考虑了系统死机后的自恢复问题和系统能不能保持长年累月的运行。 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。 2.8.1 长期运行需要考虑的安全性问题 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。 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。 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。 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 2 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 2L2 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3与 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。 2.8.2 看门狗电路设计 看门狗电路主要选用了 MAX813L。这种电源监视器件的功耗很低，主要功能有 3 个： 复位；电源电压监视；看门狗定时器17。设计原理如图 2.11 所示 So MAX813L 1 +5V MR WDO PFO RST WDI 2 Vcc 3 Vss 4 PFI 8 5 7 6 图 2.11 看门狗电路设计图 MAX813L 实质上是一个可使微处理器复位或者产生中断请求的定时器，使其输出端与 单片机的复位端（RESET）相连