基于单片机的自动定时开关插座的设计

1、本科毕业设计（论文）自动定时开关插座的设计燕 山 大 学 2014年6月 本科毕业设计（论文）自动定时开关插座的设计学 院： 专 业： 学生 姓名： 学 号： 指导 教师： 答辩 日期： 2014年6月26日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 系级教学单位： 学号学生姓名专 业班 级题目题目名称自动定时开关插座的设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ） 自选题目（ ） 主要内容以单片机为

2、核心，设计智能定时开关插座，该系统可以实现自动按时控制插座的打开、关闭，以达到控制用电设备工作，节省电能的效果。基本要求1、独立完成系统软、硬件设计，并搭电路验证。2、实现至少十六个时间点。3、无线打开关闭插座。参考资料MCS-51单片机应用设计 张毅刚等编 哈尔滨工业大学出版社 1992.4单片机原理及系统设计 胡汉才编著 清华大学出版社 2002周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容收集资料熟悉课题内容设计思路电路设计程序设计程序设计搭电路调试改进同前论文撰写课题总结答辩指导教师： 职称：副教授 2014年3月4日系级教学单位审批： 2014 年 3月 6 日摘要随着近

3、年来各个家庭的家用电器的增多，以及各种公共用电设备的增加，各种智能化控制的功能被附加于产品之内，但不可忽视的是较为老旧的电器产品缺乏这些基本功能。因此这给生活和工作带来很大的不便，同时长期的无用工作状态也带来了大量的电力资源的消耗。本文介绍了一种基于51系列单片机的系统设计，通过以实时时钟芯片的时间信息为基准，配合单片机内部扩展RAM存储的时间设定值，以及液晶显示屏对各种信息的显示，从而以达到定时控制开关插座电路的目的。此外，在该设计基础之上，再添加红外遥控打开/关闭插座的功能，以进一步使得该设计更具智能化和实用性。该设计虽然结构简单，但能广泛应用于各个用电控制的工作环境中，具有较强的适用性。

4、关键词单片机；自动定时开关；DS1302；VS1838BAbstractAs household appliances households increased in recent years, a variety of intelligent control functions has been added to the various public electrical equipment.But what can not be ignored is that the older electrical products lack of these basic functions. Ther

5、efore, this bring a lot of inconvenience to our life and work.At the same time, the useless work state has also brought a lot of power consumption.Therefore, this paper will introduce a kind of system design based on the 51 Series MCU, by taking the time information of real-time clock chip as the be

6、nchmark, with the time setting value in the single-chip internal expansion RAM storage and all kinds of information displayed by the LCD, so as to achieve timing control circuit of the switch socket. In addition, in order to make the design more intelligent and practicability, it also adds the remot

7、e control function to open/close the socket with the infrared controller based on the foundation of the design.The design has simple structure, but is widely applied to various work environment of electric control.So it has a strong sense of design.KeywordsMCU;the Automatic Timing Switch Socket;DS13

8、02;VS1838B目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 当前国内外研究现状11.3 定时开关的应用11.4 设计的主要内容和章节安排2第2章 系统总体设计42.1 总体结构42.2 总体结构的工作原理52.3 本章小结6第3章 主控制器与外围器件73.1 STC12C5A60S2单片机73.2 LCD1602液晶显示模块83.3 DS1302实时时钟模块103.4 红外接收模块143.4.1 遥控发射器及其编码143.4.2 遥控信号的接收163.5继电器控制模块163.6 本章小结17第4章 硬件设计184.1 单片机最小系统设计184.1.1 单片机18

9、4.1.2 电源电路184.1.3 复位电路194.1.4 晶振电路204.1.5 RS232接口转USB接口电路214.2 显示电路设计224.3 时钟电路设计244.4 红外接收电路设计254.5 继电器控制电路274.6 按键电路274.7本章小结28第5章 软件设计295.1 主程序设计295.2 LCD1602显示程序设计305.3 DS1302实时时钟程序设计315.4 VS1838B中断程序设计345.5 系统测试355.6 本章小结36结论38参考文献39致谢41附录142附录246附录351附录456附录578附录679第1章 绪论1.1 课题背景自单片机诞生以来，其高可靠性

10、，低功耗以及很强和工作运行环境适应能力，以广泛应用于各个生产生活的管理控制领域。而目前基于单片机的自动控制开关的产品依然未进入大规模应用的阶段，其不成熟的产品设计以及普通大众对于该类产品的易用性与安全性仍存在一定的忧虑。因此，该课题将着眼于当前市场实际需求和具体设计平台性能，力求将该设计做到创新与实用的结合。1.2 当前国内外研究现状 智能定时开关目前已经大规模的应用与汽车、工业生产和仓储管理等无人监控的领域；同时，虽然目前已有部分的新推出的家用电器也已具备该功能了，但相对于目前数量更大的传统旧款的家用电器和老式的公共照明设施来说，仍停留在机械式的开关和简单的电子式定时开关。但无论以上两者的性

11、能如何，它们都存在易磨损，安全性较差，需要大量手动操作，且在某些工作环境中还存在难以接触操作的问题。 因此，虽然市场上都有各式各样的替代产品，但就目前来说，这些产品的功能都还存在很多不完善之处。在经过对该课题背景下的充分的产品需求的调研和仔细的可行性分析，该课题存在很大的改进和创新的空间。1.3 定时开关的应用定时开关可用于各种需要按时自动开启和关闭的电器设备。广泛适用于企事业单位和家庭，尤其是对人体伤害环境，如医院，幼儿园,餐饮等单位的紫外线消毒间，化工场所，及含辐射区域，避免人员直接进入内部开启和关闭开关，频繁遭受伤害。同时定时开关还特别适合各种养殖场，孵化间，鱼塘供养，座位浇灌，鱼缸等场

12、所。一次操作，可每天自动循环保证灯光照射及其投喂饲料的时间和次数，减少了大量人力，且避免因人为失误而导致的损失。定时开关对于学校，军营尤其需要。每天多个规定的时间，电铃、军号自动响起，学生、军人按要求上课、出操、熄灯，不需要管理者疲劳操作。定时开关还适用于家庭，每天早上太阳升起，窗帘自动缓缓打开，催醒睡梦中的你； 夜幕降临，窗帘又自动拉合，一个智能温馨而又奇妙的家全天侯拥抱着你。定时开关为充电电池必备。尤其是电动车电池在整辆车中价值比例非常高，长时间充电会大大减少电池寿命。配上本产品，则即保证了满额充电，也不会在电池充满电之后仍然处于通电状态，对电池的保护起到了极大地作用。定时开关在人们的生活

13、中扮演着重要的角色，给人们的生活带来极大的便利。主要使用在提醒，计划或者规律化生活、工作上。定时开关的历史十分悠久，用途也很广泛。从古代的某些建筑、计时器（如滴水计时，当水滴到一定量时会引发机关进行报时），到近代的定时炸弹，已及今日的电脑定时开关机等，都采用了定时开关。例子：学校的课铃就是采用定时器进行定时，当条件满足（即达到时间设定的点）时，电源就会接通，使电铃打开从而达到发出铃声的目的。1.4 设计的主要内容和章节安排综合该领域的研究现状与现目前单片机应用的性能，该设计课题将主要围绕以下内容展开：一、首先，作为课题设计的第一步，应首先完成对该课题的前期调研，确定其应用需求以及对该课题可行性

14、的分析，以求能更好的了解各个设计细节，解决用户所需求的问题；二、定时的开关控制是该设计的主要内容，因此应该在先设计出能作为时间基准的时钟模块，然后在此基础之上，完成对定时时间设定，时钟校时以及模式切换等功能或模块的设计。至此，已初步的完成定时时钟的功能，为后续功能完善做好基础；三、在前一步的基础之上，再完成受控电路的设计，根据定时时钟的开关判断结果，单片机在端口给出控制信号电平，对外围的受控电路进行控制。此处，要注意的是，由于可能会存在单片机IO口的电平低于外围的模拟器件的驱动电平的问题，因此，对受控期间进行电平上拉是一个必须注意的问题。四、在以上基本的功能以后，应该说该设计已初具雏形，可进行

15、对一些人性化需求的扩展设计，故此处规划了对该开关进行红外遥控控制的扩展。以期能达到该设计能应用于以往的替代产品无法应用的应用环境中去，体现其产品的差异化。五、最后，在完成了以上各个步骤以后，各个模块也已大部分完成了最后的定型。但仍需要对程序在实际的硬件上运行的效果进行调试，对于显示和按键反应速度，蜂鸣器提示声音等问题进行最后的完善。在本文在章节安排方面，将在第2章对整个系统的构思和设想进行阐述；在接着的第3章对方案中所使用的器件进行必要的介绍说明；后续在第4章中将对各个器件模块的硬件电路进行详细的设计说明；在完成硬件电路设计以后，将在第5章中完成对软件的构想流程进行阐述；最后，在第6章中本文将

16、对所设计的软硬件进行运行测试，给出实验效果。在文章结束时得出结论。第2章 系统总体设计2.1 总体结构 在综合了各种设计方案的情况下，考虑了现有产品的缺陷之处的情况之后，最终确定了一STC12C5A60S2单片机为核心，DS1302实时时钟芯片、LCD1602液晶显示、TL1838红外收发模块、数字式继电器等外围器件构成的模块电路。这些功能器件不仅具有较好的抗干扰性能和高可靠能力，更由于其大都已经大规模的应用于各个应用产品中，开发成本较低，如若进入规模化生产，将进一步的降低生产成本，提高市场的可接受度。由于这些器件已有成熟的应用，故以下图（图2-1）的总体设计结构为蓝本，进行具体的系统集成和功

17、能细化。按键输入模块实时时钟模块DS1302继电器受控模块单片机核心STC12C5A60S2液晶显示模块LCD1602红外接收电路VS1838B图2-1 系统总体结构图此外，在核心板的基础之上只有红外的接收模块，而要完成红外的收发控制，在此之外还需有红外的发射装置，在此未节省成本，选用了集成的红外遥控器，采用电池供电，具有超低功耗，超出待机的特点，十分符合设计要求。其整个红外收发的大致原理结构图如下图（图2-2）所示。一体化红外接收头VS1838B红外发射端（遥控器）单片机核心板图2-2 红外收发模块工作原理图总体的系统模块就如上述两图所示，整体结构简单明晰，各个模块的功能和特性应该更够较为全

18、面的满足本课题的设计要求，故选用该方案。2.2 总体结构的工作原理由于各个模块的具体工作原理较为复杂，且对于该设计课题没有实际的意义，故不在此赘述。现只将该方案的大体工作的流程以及结构做以概述，以便更清新的阐述该课题。首先，单片机为本次设计的核心设备，它将起着对各个指令的执行和对外围模块的控制的作用，在逻辑功能上相当于中央控制和调度的作用，本次将选择STC12C5A60S2承担该功能。其次，作为定时开关插座的设计，DS1302实时时钟芯片将承担对时间信息的记录和输出，同时作为时间基准与设定的开关时间做比对，以达到辅助控制的作用。然后，作为一个交互式的单片机设计课题，在以单片机为核心的基础之上，

19、应当配合一定的输入输出控制设备。在此设计中，按键将作为对校时，定时，以及模式切换等功能的输入设备,辅助DS1302时钟芯片完成其对时间信息操控的功能。再者，数字式时钟必然要求时间信息的显示效果。因此在比较了LED数码管，普通液晶屏，带汉字字符显示的液晶屏幕，以及有触摸功能的屏幕等等可用的显示设备之后，鉴于LCD1602这款液晶屏较低的采购价格，较好的显示效果和显示字符数的规格均符合设计需求，故决定采用这款不带汉字字符字库和触摸功能液晶显示屏幕。其能很好的满足时间信息，定时信息，和模式状态的显示。最后，作为扩展功能的红外接收头和红外发射器，将主要以外部中断的方式进行对整个开关系统的闭合和关闭的控

20、制，以期能达到方便应用于大多数较难手动按键控制的应用环境中。综上所述，在整个系统中，将以整个单片机为核心，而DS1302时钟芯片作为时钟基准，配合按键输入的时间控制信息和红外遥控装置的控制信息，以达到定时开关被控制电路的效果，是典型的以弱电的设备控制强电电路开关的应用。2.3 本章小结本章主要对整个系统的总体结构进行了大致的描述，给出了整个系统的框图，并对于选择该设计方案进行了简单的说明。在此基础之上，对系统总体的结构中的各个部分分别进行了简单的原理阐述，明确了各个部分在系统中的承担的功能和作用。第3章 主控制器与外围器件3.1 STC12C5A60S2单片机 STC12C5A60S2单片机是

21、中国大陆企业宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是一种高速/低功耗/超强抗干扰的新一代增强型8051单片机，它不但完全兼容传统8051指令代码和管脚功能，而且其片内具有FLASH工艺的大容量程序存储器，该款单片机内部就自带高代60K FLASH ROM，这种工艺的存储器用户可以用点的方式瞬间擦除、改写。此外，片上也集成了180字节的RAM。而且STC系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也打打缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，又很好的保护了开发者的劳动成果。其最大的特点是采用以单时钟周期作为机器周期进行指令的执行，大大的提高了指令的执行

22、速度，其速度可快8-12倍。内部也集成了MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。此外，其I/O口在功能上与标准8051通用，复位后可设置成四种模式:准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力可达20mA，但整个芯片不要超过120mA。整体来看，虽为弱电控制器件，但其外部驱动能力较强，对于大多外围受控器件，无需再添加模拟放大电路进行驱动，很大程度上降低了开发和制造成本。在定时器方面，共有4个16位定时器，两个与传统的8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率

23、发生器做串行通信的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。在外部中断方面，外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒.其有多种的封装方式，较常用且也为本次设计所用的芯片如下图（图3-1）所示，其采用PDIP（塑料双列直插式封装）：图3-1 STC12C5A60S2单片机封装引脚图3.2 LCD1602液晶显示模块LCD1602液晶显示器，是基于液晶显示技术的点阵式显示屏幕，通过电压对其显示区域进行控制，具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动，且具有低功耗的特点，也大大的降低了发热量。而

24、液晶的性能也很大部分是取决于其液晶对于各像素点输入信号的响应时间，显然在单片机这样的较低速的控制系统中，LCD1602作为较为简单的液晶显示屏幕，也足以能满足其应用需求，只要注意使用延时设置，基本不会有显示模糊和闪烁的情况发生。具体上来说，1602液晶是一种专用的字符型液晶，它专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。由于其内带字符发生器，通常使用RAM来存储相应字符的各个像素点的信息，因此，字符发生器的控制器在显示时只需要控制显示的行列号及找到需要显示字符的RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代

25、码即可。字符型液晶显示器目前常用16*1,16*2,20*2和40*2等规格的模块，综合本设计的实际需求和成本限制，故在此选择了16*2规格（即可以显示两行，每行16个字符）的LC1602模块。市面上字符型液晶大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理也是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用与市面上大部分的字符型液晶。引脚功能说明LCD1602采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3-1所示:表3-1 引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS

26、数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W

27、为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。该设计所使用的液晶模块具体如下实物图（图3-2）所示：图3-2 LCD1602液晶显示模块实物图3.3 DS1302实时时钟模块实时时钟模块采用以DS1302实时时钟芯片为核心的集成化模块，DS1302是美国DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，并附加31字节静态RAM，采用SPI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和RAM数据。低功耗时钟芯片DS1302可以对年、月

28、、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据

29、，对测控系统的性能分析及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。DS1302时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月和月末的日期自动进行调整，还包括闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24h或带AM（上午）/P

30、M（下午）的12h格式。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有主电源/后备电源双电源引脚：VCC1 在单电源与电池供电的系统中提供低电源，并提供低功率的电池备份；VCC2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中，VCC1 连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由VCC1或VCC2中较大者供电。当VCC2大于VCC1+0.2V时，VCC2给DS1302供电；当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。DS1302数据操作原理DS1302在任何数据传送时必须先初始化，把RST脚置为高

31、电平，然后把8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在SCLK的上升沿被输入。无论是读周期还是写周期，开始8位指定40个寄存器中哪个被访问到。在开始8个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器之后，另外的时钟周期在读操作时输出数据，在写操作时写入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加字节数，最大可达248字节数。图3-3 DS1302管脚图如果在传送过程中置RST为低电平，则会终止本次数据传送，并且I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC =2.5V之前，RST脚必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。DS1302的管脚图如图3-3所示，表3-2为各

32、引脚的功能。表3-2 DS1302引脚功能表引脚号引脚名称功能1VCC2主电源2，3X1，X2振荡源，外接32768HZ晶振4GND地线5RST复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端（双向）7SCLK串行时钟输入端8VCC1后备电源DS1302的控制字如图3-4所示。控制字节的最高有效位（位7）必须是逻辑1；如果它为逻辑0，则不能把数据写入到DS1302中。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。位51（A4A0）指示操作单元的地址。最低有效位（位0）如为0，表示要进行写操作；为1表示进行读操作。控制字节总是从最低位开始输入/输出。RD7 6 5 4 3 2 1 0RA

33、MWA0A1A2A3A4CK1图3-4 控制字节的含义为了提高对32个地址的寻址能力（地址/命令位15逻辑1），可以把时钟/日历或RAM寄存器规定为多字节（burst）方式。位6规定时钟或RAM，而位0规定读或写。在时钟/日历寄存器中的地址931或RAM寄存器中的地址31不能存储数据。在多字节方式中，读或写从地址0的位0开始。必须按数据传送的次序写最先的8个寄存器。但是，当以多字节方式写RAM 时，为了传送数据不必写所有31字节。不管是否写了全部31字节，所写的每一字节都将传送至RAM。数据读写时序如图3-5所示。RSTSCLKKI/O571357210246046R/CA2A3A0A1R/W

34、A41DATAI/OBYTEDATAI/OBYTE 图3-5 数据读写时序图DS1302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式，其日历、时间寄存器及其控制字见表3-3，其中奇数为读操作，偶数为写操作。表3-3 片内时钟数据寄存器寄存器命令码数据范围寄存器中各位的内容名称地址写读76543210秒00H80H81H0059CH秒数据分01H82H83H00590分数据时02H84H85H0112或002312/24010/AP时数据日03H86H87H0128，2930，3100日数据月04H88H89H0112000月数据星期05H9AH8BH01070

35、0000星期数据年06H8CH8DH0099年数据多字节读写BEHBFH3.4 红外接收模块单片机解码执行部分红外一体化接收头遥控按键集成编码红外遥控器发射管红外传输图3-6 红外收发工作流程图红外遥控系统是集光、电于一体的系统，。其工作原理是用户按键信号单片机编码处理后转化为脉冲信号，经由红外发射头发射出去；接收端由红外一体化接收头实现对信号的放大解调并还原数据流，经由单片机解码后对相关I/O口进行操作，从而完成整个遥控操作。整个工作流程图如图3-6所示。红外控制模块主要分为两个部分:红外发射端和红外接收端。而二者之间进行通信的基础是其共用的编码方式。3.4.1 遥控发射器及其编码红外遥控早

36、已进入商用和开发领域多年，故遥控发射器的专用芯片很多。根据编码的格式可以分为两大类：NEC码和RC码，本设计以运用比较广泛，解码比较容易的日本NEC编码方式为开发的基础。现以日本NEC公司的Upd6121G组成的发射电路为例说明编码原理。当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所安的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图3-7所示。数据0参数图数据1参数图图3-7 Upd6121G的遥

37、控码图3-8遥控信号编码波形图图3-7所示遥控码的“0”和“1”（注：所有波形为接收端的与发射相反），这些“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线像空间发射，如图3-8所示。108ms108ms连发码32位数据码引导码引导码 图3-9 红外遥控发射波形图UPD6121G产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电路设备，以防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户识别码固定为十六进制01H；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。UPD6121G最多128种不同组

38、合的编码。遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制编码，周期约为108ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45 63ms之间，图3-9为发射波形图。2.25ms9ms当一个按键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这108ms发射代码由一个引导码（9ms）、一个结果码（4.5ms）、低八位地址码（918ms）、高八位地址码（918ms）、8为数据码（918ms）和这8位数据的反码（918ms）组成。如果按键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.25ms）组成。

39、引导码和连发码的格式分别如图3-10所示和图3-11所示。9ms4.5ms图3-10 引导码 图3-11 连发码3.4.2 遥控信号的接收接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何的外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。接收器对外只有3个引脚：OUT、GND、Vcc与单片机接口非常方便；其中，脉冲信号输出直接接单片机的IO口、GND接系统的底线（0V）、Vcc接系统的电源正极（+5V）；3.5继电器控制模块继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回

40、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，是一种典型的弱电器件控制强电电路的应用。电磁式继电器的工作原理和特性较为简单，一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达

41、到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。本次设计中采用的继电器为SRD-05VDC-SL-C，继电器电气图如图3-12所示。由于继电器的开启和关闭需要一定的机械运动，因此一般的继电器仍需要较高的驱动电压。首先，应该查阅继电器的技术说明，查明其额定的驱动电压值，看单片机的端口能否直接将其驱动，如若不能直接驱动或者要串联其他期间，应当考虑在外围构建放大电路，此继电器由于其额定的驱动电压值为5V，而该款STC单片机的端口电压值在5V左右，在没有特殊要求的情况下亦可不

42、必外接放大电路；其次，在设计过程中应当充分的考虑到被控制电路的电压范围和最大电流，避免因超过额定值而造成安全隐患。图3-12 继电器电气图 3.6 本章小结 本章十分详细的介绍了实际方案中所用到的STC12C5A60S2单片机、LCD1602液晶显示模块、DS1302实时时钟模块、继电器控制模块等外围模块，对它们各自的功能和性能参数都有了一个详尽的了解，保证了后面方案中的硬件设计和软件设计的顺利进行。第4章 硬件设计4.1 单片机最小系统设计基于单片机的硬件设计，首先应当考虑的是如何构建起支撑单片机顺利运行的单片机最小系统。单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以

43、工作的系统。对于各式各样的单片机在外围电路方面有一定的差异，而针对本设计所用的STC12C5A60S2单片机属于51系列单片机，其最小系统一般都应该包括：单片机、电源电路、复位电路、晶振电路；此外，针对烧录程序时所有的接口，本设计中还添加了RS232转USB接口的电路设计。4.1.1 单片机本次设计采用的这款单片机为STC12C5A60S2，属于增强型的51系列单片机。其功能属性及指标都已在第二章中有过介绍了，故在此不作详细介绍了。以下将主要从其余三个电路部分进行阐述。4.1.2 电源电路首先，对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行

44、的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中电源模块的此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。具体电路原理图如图4-1所示。虽然通用的外部变压器和USB的稳压性能一般均能满足单片机的运行需要，但仍考虑到可能运用到的极端环境中去，可能存在电磁干扰以及电源本身的扰动，故在此并联了一个47uF和一个0.1uF的滤波电容。经实际调试

45、试验，其中电容值较大的电容可以很好的过滤掉低频的杂波，而电容值较小电容可以较好的过滤掉高频的杂波。经此电源退耦电路，Vcc端可以有一个较为平稳的供电电源。符合大多数应用环境，符合本设计的要求。图4-1 电源供电电路4.1.3 复位电路单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

46、具体数值可以由RC电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。如图4-2所示。上电复位：STC89系列单片及为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。图4-2 复位电路原理图此外，STC89C51系列单片机自带有“看门狗”电路。由于单

47、片机的工作有可能会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，从而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统便无法继续工作，这样会造成整个系统陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了“看门狗”电路。其工作过程如下：看门狗芯片和单片机的一个I/O引脚相连，该I/O引脚通过单片机的程序控制，使它定时地往看门狗芯片的这个引脚上送入高电平(或低电平)，这一程序语句是分散地放在单片机其他控制语句中间的，一旦单片机由于干扰造成程序跑飞后而陷入某一程序段进入死循环状态时，给看门狗引脚送电平的程序便不能被执行到，这时，看门狗电路就会由于得不到单片机送来的信

48、号，便将它和单片机复位引脚相连的引脚上送出一个复位信号，使单片机发生复位，从而单片机将从程序存储器的起始位置重新开始执行程序，这样便实现了单片机的自动复位。从而，“看门狗”电路很好的弥补了上述复位电路的缺陷，大大的增强了整个系统的可靠性与稳定性。4.1.4 晶振电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定

49、范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。图4-3 晶振电路原理图STC89C51使用外部的晶体振荡器作为振荡源，考虑到本次设计中对时间的精确性和指令执行速度的要求，该设计选用了22.1184MHz的振荡晶体。由

50、于单片机内部有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容。具体电路如图4-3所示。电容容量一般在15pF至50pF之间，根据实际使用效果该处选用了30pF的电容，有较高的振荡稳定性。4.1.5 RS232接口转USB接口电路由于单片机诞生年代较早，而在当时的工业控制领域大多采用了RS232串行口通信协议，但其存在着传输速率低，传输距离有限和信号电平值较高等问题。现在大多的PC设备基本改用了USB标准协议的通信串口，故为了方便的烧录程序，在常规单片机最小系统的基础之上，应该设计必要的接口转换电路。具体电路原理如图4-4所示。图4-4 RS232转USB接口电路该硬件系统由4部分组成：USB接口

51、、CH341T、MAX232和RS232接口。其中，USB接口用于连接USB主机，在此选用USB总线接口的A型连接头；CH341T用于完成USB接口转RS232接口的所有硬件功能；MAX232用于完成RS232与TLL/CMOS的电平转换；RS232接口用于连接RS232设备。根据实际需要，选择目前广泛应用的DB9连接器。USB总线包括一对5V电源线和一对数据信号线。通常，+5V电源线为红色；接地线为黑色；D+信号线为绿色；D-信号线为白色。USB总线提供的电源电流最大可以达到500 mA，CH341T芯片可以直接使用USB总线提供的5V电源。C3和C4是高频瓷片电容，C3容量一般为4700p

52、F0.02F，用于CH341T内部电源节点的退耦；C4容量为0.1F，用于外部电源的退耦。晶振X1、电容C1和C2用于时钟振荡电路。X1的频率是12 MHz，C1和C2是容量为1530 pF的高频瓷片电容。MAX232提供电平转换。4.2 显示电路设计液晶显示电路选用了LCD1602模块。从成本和适用性的方面考虑，选用了该集成模块。具体的引脚功能与所采用的芯片资料都已经在3.2节中做了详细介绍，在此只做以下电路说明。由于单片机的IO口资源极为有限，而对于这样有较多引脚的外围模块，应当考虑未来是否有扩展的需要，能否直接采用串口连接。对于有扩展必要的设计，可采用相关的芯片进行IO口扩展。而此处作为

53、设计简洁性与成本方面的考虑，其剩余单片机的端口在未来使用过程中，仍然有较大的空间。因此，该部分的设计就直接采用了较少使用的串口连接方式。其714号8个数据端口直接与单片机的P0口相连，P0口可以外扩存储器作为地址总线，也可以外存储器扩作为数据总线，也可以不外扩直接作为普通IO口，但内部无上拉电阻,作为输入或输出时应在外部接上拉电阻，因此，在与单片机相连是应该再添加上拉电路。具体连接如图4-5所示。图4-5 LCD1602连接PO口的上拉电路图此外，该液晶模块的第3脚为液晶对比度调整端，当接电源时对比度最低，接地时对比度最高，但对比度过高会产生“鬼影”，使用该端口的功能是一般是通过串联一个10K的滑动变阻器进行调节。但在此处，考虑到显示毕竟只是一个辅助显示时间设置信息的工具，而大部分运行的时间，是没有不断调节显示效果的需求的，因此，只在此说明，并不做相应设计。综上所述，该模块功能虽然比较完备和强大，引脚相比于其他模块也较多，但各个引脚的功能分配比较合理，连接时能够比较清晰的认识该模块的基本结构和工作原理，符合预期设计目标所要求的原则。4.3 时钟电路设计 实时时钟功能是本次设计的一个核心部分，它作为整个设计部分的时间信息的基准，其设计的稳定性与精确性就基本决定了该设计的精度与能应用的环境，故其设计的重要性不言而喻。 本设计中选用了较为常用的DS1302实时时钟模块，其性能属性