基于单片机的定时开关控制器的设计与实现(编辑修改稿)

基于单片机的定时开关控制器的设计与实现(编辑修改稿)内容摘要：

出只有一个低电平，也就是可以用来用灌电流的方式进行驱动 LED，工作电压 Vcc=5V，输出可以直接连接 LED，没有带来不稳定因素，当然实际中应该串接保护电阻，估计常用的 200300 欧姆都可以。 8 图 LED动态扫描电路 图 74LS138的管脚分布图 从总的设计可以看出，单片机的控制输出是通过 ～ 口完成的。 当程序开始时，这三个口的输出状态都是低电平， AT89C2051 通过程序查询三路输出的 ON或 OFF状态预置时间是否已到， 若时间到，则改变相应的输出状态，以完成对外部电路的控制。 方案二 ： 软件译码 即上面的三大显示模块和显示段码完全由软件设计实现。 对于硬件译码来说，扩展多片的外部程序存储器采用多片的 ROM 扩展时，其片选信号 CS 的处理方法若采用全硬件实现，优点是扩展的各个 EPROM 的地址空间可以是连续的，能得到 64K 的完整空间；缺点是电路结构复杂，需附加译码器电路，常用的如上面提到的 74138。 由于单片机本身具有较强的逻辑控制能力，采用软件译码并不复杂。 其译码逻辑可以随意编程设定，不受硬件逻辑限制，同时还能简化硬件电路结构。 因 此，在单片机应用系统中使用非常广泛。 综上，本设计 LED 译码和显示模块就是采用软件译码实现，程序编写用 C 语言。 作为一种结构化的程序设计语言， C 语言的特点就是可以使你尽量少地对硬件进行操作，具有很强的功能性、结构性和可移植性，常常被优选作为单片机系统的编程语言。 用 C 编 9 写程序比汇编更符合人们的思考习惯，开发者可以摆脱与硬件无必要的接触，更专心的考虑功能和算法而不是考虑一些细节问题，这样就减少了开发和调试的时间。 C 语言具有良好的程序结构 ,适用于模块化程序设计，因此采用 C 语言设计单片机应用系统程序时，首先要尽可能 地采用结构化的程序设计方法，将功能模块化，由不同的模块完成不同的功能，这样可使整个应用系统程序结构清晰，易于调试和维护。 不同的功能模块，分别指定相应的入口参数和出口参数，对于一些要重复调用的程序一般把其编成函数，这样可以减少程序代码的长度，又便于整个程序的管理，还可增强可读性和移植性。 3 硬件设计 本设计的硬件电路包括单片机 P89V512FN 电路、键盘输入与数码显示输出、信号输入与输出口、三孔扁平插座，可控开关和稳压器等电路组成。 具体主要有三个模块：单片机控制数码显示模块；插座串接继电器模块； AC/DC5V输出稳压模块（如下图 ）。 随着外加 220V/50HZ 的交流电加到插座的同时， AC/DC 实现电压交直流的转换，把 220V的交流电变为 5V 的直流电用于 SRD 电磁继电器的工作电压。 可控开关装置中的 电磁继电器 [8]收到单片机高低脉冲电平的变化相应做出吸合或断开的指令控制，从而控制插座电源的通断。 而 单片机软件编程通过串口输入和 USB接口主要实现键盘、 LED显示等各模块的功能，采用 C 语言编程，来控制译码器译码以及数码管显示。 本设计硬件部分电路图见 附录 1。 其中本系统的核心单片机 MCU P89V512FN 为 40脚 600MIL 封装，是 CMOS 型飞利浦80C51 系列单片机，带有 2KB 闪存 E2PROM 型。 该单片机除了少了两个并口外，能兼容MCS51 系列单片机的所有功能，且具备体积小、功能强、运行速度快等特点。 该电路可通过单片机的 P3． 7 口连接一个键盘电路来实现对参数的人工自由设定，同时可通过串口连接 4 位 LED 数码管，以分别显示小时、分钟和秒。 系统定时启动是通过 P3． 0口完成的。 程序开始时这三个口的输出状态都是低电平， P89V512FN 通过程序查询 P3． 0口输出 ON 或 OFF的状态预置时间是否已到，如果已到时间，则改变相应 的输出状态，从而完成对外部电路的控制。 P89V51RD2 的典型特性是它的 X2 方式选项。 利用该特性，设计者可使应用程序以传统的 80C51 时钟频率（每个 机器周期 包含 12个时钟）或 X2 方式（每个机器周期包含 6个时钟）的时钟频率运行，选择 X2 方式可在相同时钟频率下获得 2倍的吞吐量。 从该特性获益的另一种方法是将 时钟频率 减半来保持特性不变，这 样可以极大地降低 EMI。 Flash 程序存储器 支持并行和串行 在系统编程 （ ISP）， ISP允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。 应用 固件 的 产生 /更新能力实现了 ISP 的大范围应用。 5V 的工作电压，操作频率为 0～ 40MHz。 10 图 大模块 如 附录 1，上半部分是数码管显示电路；下半部分是由桥式整流二极管和 LM7805组成的 AC/DC 稳压电路，将 220V 的交流电压整流，滤波后输出直流 5V 电压用于单片机的工作电压；中间部分是由四个按扭开关和单片机相应管脚（ ， ， ， ）连接，分别对应 LED 时间显示模式控制 (开关 SW1)、操作控制（ SW5）、执行加键（开关SW2），执行减键（开关 SW3）。 此外还有单片机外接热敏电阻，复位键（开关 SW4）以及蜂鸣器可以用来实现温度测量和自动温度报警。 可控开关电路 图 继电器结构图 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。 本设计中选用继电器型号为 SRD05VDCSLC， 5接脚，如上图。 其中一边的两脚工作状态分别为衔铁动静触点闭合或断开（低压控制电路时 )；额定工作电压，即继电器正常工作时线圈所需要的电压，本设计中选用的继电器的额定工作电压为 5V 直流电压。 利用直流电流触发并控制延时， 在延时过程中可不影响主电路而延时递增。 在本次设计过程中，将继电器与普通电源插座串接起来，三接点中间的那个脚脚 4单片机控制 LED模块 AC/DC 稳压模块 插座串接 继电器模块 220V输 入 信号号 220V 5V输出供电 11 接电源插座的火线，另外两接脚中接脚 3接单片机的控制信号引出脚，另一接脚 5和控制信号引出脚连共地端。 特别需要注意的是，在焊接继电器前要用万用电表测试其五个管脚以确保正确连接。 当接脚 3 和接脚 5 之间加 5V 电压时，接脚 4 和接脚 2 导通，电源插座开关可正常工作；当接脚 3 和接脚 5之间电压为 0时，接脚 4 和接脚 1 导通，电源插座开关不工作，从插座正常工作到不工作的这段时间即为定时操作，可通过软件编程设置定时（闹铃）程 序实现。 电平转换电路 LM7805 稳压电路 在不同的数字系统中，其电平标准是不同的。 该系统中就包括了 220V 交流输入和5V 的 TTL 电平标准，要实现两个标准的正常通信，必须进行电平转换。 该系统采用使用简单的 LM7805 芯片。 如图 所示电路为输出电压 +5V、输出电流 的稳压电源。 它由电源变压器 B，桥式整流电路 D1～ D4，滤波电容 C C3，防止自激电容 C C3 和一只固定式三端稳压器 7805 极为简捷方便地搭成的。 图 LM7805稳压电路 220V 交流市电通过电 源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路 D1～ D4和滤波电容 C1 的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压 (该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化 )。 此直流电压经过 LM7805 的稳压和 C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源。 三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应 用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。 注意问题： （ 1） 7905 的引脚定义，－ 5V输出电压上电容的方向（不过本设计只取＋ 5V 即可）； （ 2） 7905 空载时测量输出在 6V左右。 加上负载，输出正常； 12 （ 3） 7805 驱动电流可达 1A。 实际测量时运行时电流 200～ 300mA， 7805 会发热，温度有 50 度左右，布线时该器件的摆放应考虑散热。 RS232 电平转换电路 由于本设计中的单片机电路要用到串口输入，而电脑串口 RS232 电平是 10V， +10V，P89V51 单片机应用系统的信号电压是 TTL 电平 0， +5V，故需进行电平转换。 本设计采用 MAX232EPE[9]进行电平转换，该产品是由德州仪器公司（ TI）推出的一款兼容 RS232 标准的芯片。 该器件包含 2驱动器、 2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA232F 电平。 该器件符合 TIA/EIA232F 标准，每一个接收器将 TIA/EIA232F电平转换成 5V TTL/CMOS 电平；每一个发送器将 TTL/CMOS 电平转换成 TIA/EIA232F电平。 该芯片单 5V电源工作，特点是低电源电流，典型值是 8mA。 单片机系统电路 单片机 P89V51 简介 单片微型计算机作为微型计算机的一个分支，于今它已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。 应用方面，本设计中涉及的电子定时器也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。 但如用单片机制作定时器 [10]，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。 本设计中的单片机芯片 P89V51RD2FN 是由飞利浦公司生产的，属于 80C51 系列单片机的一类。 它为 40管脚，工作电压为 5V，片内 有振荡器和时钟电路 ,时钟电路的频率范围从 0 兆赫至 40 兆赫， 4 个 8 位并行 I / O 口， 3个 16 位定时器 /计数器， 8 个中断源与四个优先级， 1个全双工串行口（ SIO/UART），内置 1个布尔处理器和 1个布尔累加器（ Cy），内含 64KB 的单晶片 Flash 的 ISP（在线可编程系统）和 IAP（在应用编程），可应用于设计可编程看门狗定时器。 P89V51RD2 的典型特性是它的 X2 方式选项。 利用该特性，设计者可使应用程序以传统的 80C51 时钟频率（每个 机器周期 包含 12个时钟）或 X2 方式（每个机器周期包含 6个时钟）的时钟频率运行，选择 X2 方式可在相同时钟频率下获得 2倍的吞吐量。 从该特性获益的另一种方法是将 时钟频率 减半来保持特性不变，这 样可以极大地降低 EMI。 Flash 程序存储器 支持并行和串行 在系统编程 （ ISP），ISP 允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。 应用 固件 的 产生 /更新能力实现了 ISP 的大范围应用。 5V 的工作电压，操作频率为 0～ 40MHz。 芯片管脚图见下图。 P0 口是一个 8位开漏双向 I/O 口。 写入‘ 1’时 P0 口悬浮，可用作高阻态输入。 P1口是一个带内部上拉的 8 位双向口。 写入‘ 1’时 P1口被内部上拉拉高，可用作输入。 T2：定时器 /计数器 2 的外部计数输入或时钟输出。 T2EX：定时器 /计数器 2 捕获 /重装 13 触发和方向控制。 ECI:外部时 钟输入。 PCA 的外部时钟输入。 CEXO:PCA 模块 0 的捕获 /比较外部 I/O 口。 SS:SPI 随机选择输入。 图 P89V51RD2FN信号引脚图 CEX1： PCA 模块 1的捕获 /比较外部 I/O 口。 SCK： SPI主机输出从机输入端。 CEX4：PCA 模块 4 的捕获 /比较外部 I/O 口。 P2 口是一个带内部上拉的 8位双向口。 写入‘ 1’时 P2 口被内部上拉拉高，可用作输入。 用作输入时，由于内部上拉的存在， P2 口被外部器件拉低时将吸收电流（ ILI）。 在取指外部程序存储器或访问 16位地址（ MOVX @DPTR）的外部数据存储器时， P2 口发送高位地址。 应用中 P2 口利用强内部上拉来发送‘ 1’。 在外部主机模式编程和校验中， P2 口可接收一些控制信号和部分高地址位。 P3 口： P3口是一个带内部上拉的 8 位双向口。 写入‘ 1’时。