基于单片机的定时开关插座设计毕业论文

定时开关插座毕业论文

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基于单片机的定时开关插座设计

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摘 要

随着家用电器的越来越普及和人们生活节奏的加快，人们对电器的依赖性进一步提高，对电器的定时需求也进一步增大。定时开关插座可用于电饭煲、饮水机、电视机、电脑、电动车电池的充电、定时开关电热毯等需要定时供电的场合。定时开关插座的使用能够做到节能、安全、方便等。

本文介绍了一种基于AT89S52单片机的定时开关插座设计方案。该系统是通过AT89S52的定时器0和定时器1实现时钟的24小时制或者100小时制的时钟走时，并通过液晶12232显示出来。继电器的通、断通过比较继电器控制变量ray的值来确定。定时时间的开始或者停止是通过每分钟比较一次开始时间数组begin和结束数组end来确定，并在开始时对ray进行加1操作，在结束时对ray进行减1操作(ray的值不会出现负值)；当ray为0时继电器开关断开，非0时接通。通过控制继电器的通断可以达到控制插座通断的目的。

本文首先介绍定时开关插座设计要实现的功能，接着阐述系统电路的设计及原理说明，包括设计方案选择、关键元器件介绍、电路设计说明（包括电源电路、键盘、单片机控制电路、液晶12232显示、继电器工作电路）软件设计流程以及系统的测试。最后总结了定时开关插座设计完成的任务，分析系统的不足并提出了系统的应用展望。 关键词：定时开关；继电器；AT89S52单片机；液晶12232。

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为0到2200瓦，可以给大部分家用电器供电。 2.3 显示方式选择

在模拟电子和数字电子中,常用显示数据的有数码管和液晶显示器。

方案一：采用LED数码管显示。虽然功耗低，控制简单，但却只能显示数字和一些简单的字符，而且显示信息少，需要较多位的数码管，占用了较多的单片机I/O口，没有较好的人机界面。 2.4 时钟的实现及单片机的选择

时钟的实现可已通过使用时钟芯片或者单片机的定时器实现。下面简要介绍几种方案的特点。单片机仅用于控制继电器、键盘，实现时钟和定时，用51结构的有Atmel的AT89CXX系列、AT89SXX系列、AT89C20系列（20引脚）或STC的所有单片机都可以实现。根据在学校比较流行的学习单片机是AT89SXX系列，而且AT89S52单片机便宜，购买方便，故单片机选用AT89S52单片机。

方案一：时钟通过使用时钟芯片来实现，控制部分通过使用单片机来实现。时钟芯片种类非常多，有内置晶振及充电电池的，也有外置晶振的，现在流行的时钟芯片有DS1302、 DS1307、PCF8485、SB2068等。使用时钟芯片可以得到准确的时钟走时，可用简单的程序实现定时开关插座的定时功能。

方案二：时钟通过单片机的内部定时器来实现时钟。单片机的内部定时器可实现较为精确的时钟走时，定时50毫秒的误差率极小，可达到定时开关插座的使用要求。使用单片机内部定时器可简化硬件电路，可以节省开支，但是编程的难度有所提高。

本次设计的时钟走时用单片机定时器已经可以完全达到定时开关插座的使用要求，并可省去时钟芯片，节省开支。考虑到软件的难度增加可换来更好的性价比，所以选用方案二。

2.5 电源部分的选择

电源给单片机及继电器等使用5V直流电的器件提供电源，供系统正常工作。 使用交流电和干电池混合给系统供电。在交流电不失效的情况下由交流电转5V直流电供电，在交流电失效情况下由干电池供电。这样就能解决运行成本过高或者在交流电失效时丢失原先设置数据的问题。本方案对本设计最为合适。

综上所述，考虑到成本、实用性等问题，对定时开关插座系统供电方案四是最为合适的。

2.6 按键控制部分的实现

时钟时间和定时时间的设置功能可以通过按键来实现。按键的实现可以通过以下两种方案实现：

使用矩阵键盘实现。矩阵键盘可以用较少的I/O口实现多个按键功能，能节省更多的I/O口，利于系统扩展功能。

根据本定时开关插座的设置要求，要用到12个按键。通过两个方案的对比，方案

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二的实施办法更符合要求。

3 主要元器件原理及其应用

本次设计中主要器件有继电器、51系列单片机AT89S52、数码管、5V稳压芯片7805，在介绍系统的硬件设计之前，下面先简要介绍一下这些关键器件的原理及应用。 3.1继电器介绍

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。 3.1.1 继电器的继电特性

继电器的输入信号x从0连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx，继电器的输出信号立刻继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf，继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入-输出特性。

释放值xf与动作值xx的比值叫做反馈系数，即Kf=xf/xx。

触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即Kc=Pc/P0。

3.1.2 继电器工作原理及特性

（1）电磁继电器的工作原理和特性

电磁式继电器一般由铁芯、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）释放。这样吸合、释放，从而达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”。

（2）热敏干簧继电器的工作原理和特性

热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。

（3）固态继电器（SSR）的工作原理和特性

固态继电器是一种两个接线端为输入端，另外两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。

固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常

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闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，其中以光电隔离型最多。

（4）磁簧继电器

磁簧继电器是以线圈产生磁场将磁簧管发生动作的继电器，为一种线圈传感装置。因此磁簧继电器具有尺寸小、轻量、反应速度快、短跳动时间等特性。

当整块铁磁金属或者其它导磁物质与之靠近的时候发生动作，开通或者闭合电路。由永久磁铁和干簧管组成。永久磁铁、干簧管固定在一个不导磁也不带有磁性的支架上。以永久磁铁的南北极的连线为轴线，这个轴线应该与干簧管的轴线重合或者基本重合。由远及近的调整永久磁铁与干簧管之间的距离，当干簧管刚好发生动作（对于常开的干簧管，变为闭合；对于常闭的干簧管，变为断开）时，将磁铁的位置固定下来。这时，当有整块导磁材料，例如铁板同时靠近磁铁和干簧管时，干簧管会再次发生动作，恢复到没有磁场作用时的状态；当该铁板离开时，干簧管即发生相反方向的动作。磁簧继电器结构坚固，触点为密封状态，耐用性高，可以作为机械设备的位置限制开关，也可以用以探测铁制门、窗等是否在指定位置。

（5）光继电器

光继电器为AC/DC并用的半导体继电器，是发光器件和受光器件一体化的器件。输入侧和输出侧电气性绝缘，但信号可以通过光信号传输。

其特点为寿命为半永久性、微小电流驱动信号、高阻抗绝缘耐压、超小型、光传输、无接点等。主要应用于量测设备、通信设备、保全设备、医疗设备等。 3.1.3 继电器主要产品技术参数

（1）额定工作电压

额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压，也就是控制电路的控制电压，根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

（2）直流电阻

直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 （3）吸合电流

吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

（4）释放电流

释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

（5）触点切换电压和电流

触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

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3.1.4 继电器的选用

（1）先了解必要的条件

①控制电路的电源电压，能提供的最大电流； ②被控制电路中的电压和电流；

③被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。

（2）查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。

（3）注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。

通过上面的性能了解和比较，及考虑的器件的性价比，本设计选择电磁继电器。 3.2 单片机AT89S52介绍

AT89S52单片机片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间，支持最大64K外部存储扩展。根据不同的运行速度和功耗的要求，时钟频率可以设置在0～33M之间。片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。同时，该单片机支持计算机并口下载，简单的数字芯片就可以制成下载线。根据不同场合的要求，这款单片机提供了多种封装，本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况，使用双列直插DIP-40的封装，如图3.1所示。下面对定时开关系统中使用到的管脚进行简单说明。

图3.1 DIP-40封装89S52引脚图

P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序

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和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3 口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

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是单片机复位。 3.3 液晶LCD12232介绍

现在的字符型液晶模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件了。12232型LCD显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、价格便宜、性价比高等特点。下面介绍LCD12232的管脚功能、工作参数、电气特性。LCD12232的引脚说明见表3.1。

表3.1液晶12232引脚说明

PCB板引脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 12232/1 VDD GND VLCD RET CS1 CS2 R/W A0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 12232/2 VSS VDD V0 A0 CS1 CS2 CL(外振时钟) /RD /WR D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 12232/3 同12232-1引脚 同12232-1引脚

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17 18 19 20 VDD：逻辑电源正 GND(VSS)： 逻辑电源地

背光 背光 D7 res 背光 背光 VLCD(VEE,V0)：LCD驱动电源

RET：复位端,对于68系列MPU:上升沿(L-H)复位，且复位后电平须保持为高电平（H）； 对于80系列MPU:下降沿(H-L)复位，且复位后电平须保持为低电平（L）。 CS1：读写使能。对于68系列MPU，连接使能信号引脚，高电平有效； 对于80系列MPU，连接/RD引脚，低电平有效。 CS2：同E1引脚。

/RD：读允许，低电平有效。 /WR：写允许，低电平有效。

R/W：读写选择，对于68系列MPU，高电平时读数据，低电平时写数据； 对于80系列MPU，低电平时允许数据传输，上升沿时锁定数据。 A0：数据/指令选择。高电平：数据D0-D7将送入显示RAM； 低电平：数据D0-D7将送入指令执行器执行。 D0-D7：数据输入输出引脚。 工作参数

（1）逻辑工作电压：2.4～6.0V （2）LCD驱动电压：3.0～13.5V

（3）工作温度：0～55℃（常温）/ -20～70℃（宽温） （4）保存温度：-10～70℃ 电气特性

（1）输入高电平：3.5Vmin （2）输入低电平：0.55Vmax （3）输出高电平：3.75Vmin （4）输出低电平：1.0Vmax （5）工作电流：2.0mAmax

4 系统硬件电路设计

整个系统的硬件设计可以分为四个模块：电源电路、单片机最小系统及液晶显示、继电器工作电路、键盘电路。电源电路为整个系统供电，包括单片机AT89S52、继电器、键盘、LCD12232及其他外围电路。电源电路分两个部分：（1）由220V交流电经变压器和7805稳压电路转为5V直流电给系统供电；（2）由4节干电池作为储备电源，在交

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流电失效时给系统供电，以确保单片机的正常运行。在电源电路给系统供电时，绿色指示灯点亮，只是当前供电正常。单片机最小系统部分是整个系统的智能控制部分，也是整个系统的核心部分。单片机在实现时钟的同时，也负责键盘检测，驱动液晶显示，实现定时功能，并负责控制继电器的通、断，红色指示灯的亮、灭指示继电器的通、断状态。液晶在单片机的控制下显示时钟、定时组别及定时时间的信息。继电器在单片机的控制下实现通、断，从而达到控制插座通、断电的目的。 4.1 电源电路

整个系统的供电电源如图4.2所示。系统要提供稳定的直流5V供单片机及其所控制的外围电路（包括液晶、键盘、继电器等）和提供220交流电给插座。在电源的设计中，用220V交流电经过变压器降压后经7805稳压后给单片机控制系统供电。7805三端稳压集成芯片有很多种型号，但是标称最大输出电流均为1.5A，在实际应用中，该最大输出电流往往取决于两个方面：（1）足够大的散热面积；（2）在设计中，必须保证7805的输入电压Vi和输出电压Vo的压差大于2.5V，即Vi-Vo>=2.5V，否则会失去稳压能力。同时单片机控制系统还用6V干电池作为储备电源，当交流电源失电或者失效时，电压为6V的直流电源通过二极管投入作用，硅二极管的导通压降约为0.2V,因袭满足系统的电源要求。P25接的是经5W变压器降压后的交流电。D33二极管起到保护电路的作用。发光二级DS11是指示电源是否有电压输出。Header2所接的是（由干电池提供）6V直流电的输入接口，2接正，1接负。

X78xx系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为TO-220。它有一系列的稳固电压输出，应用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。 7805使用时应该注意的事项：

在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。

当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，是其中最大输出电流为N个1.5A，但应用时需要注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的流量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。7805稳压管如图4.1所示。

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图4.1 7805稳压管管脚说明

图4.2电源电路

4.2单片机最小系统及液晶显示

单片机控制电路是整个系统的核心，完成数据处理和控制任务。电路原理图如图4.3所示。

本次设计采用的单片机的型号为AT89S52。单片机晶振为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。

C1、C2叫负载电容。一般单片机的晶振工作于并联谐振状态，也可以理解为谐振电容的一部分。它是根据晶振厂家提供的晶振要求的负载电容选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差。也能保证温漂等误差。两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。P2是单片机的下载口，用于对单片机烧入程序。按键S及其外围电路是实现单片机的硬件复位功能。

变化。

4.3 继电器驱动电路

分之间用“：”隔开。第四行仅显示运行模式信息“mod：0”，数字部分可在0和1

是字母“stop：”，冒号后面显示的是当前定时结束的时（两位）、分（两位），时、

图4.3 单片机最小系统及液晶显示

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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。

P5的管脚与液晶12232的管脚相对应（即作为液晶的底座）。LCD12232可以显示

时、分、秒之间用“：”隔开。在时钟前面显示大写字母“T:0”，其中数字式从0到5

于一些大功率场合，比如继电器驱动，显然是不行的。所以就要有一个环节来衔接，这

图中三极管8050有两个作用：一个是起放大作用，一个是起开关作用（严格来讲

继电器的驱动电路如图4.4所示。这是典型的继电器驱动电路。单片机是一个弱电

时，三极管处于导通状态，并起放大作用，这样，继电器就能得到足够的驱动电流来正

是当前定时开始的时（两位）、分（两位），时、分之间用“：”隔开。第三行显示的

器件，一般情况下它们大多工作在5V甚至更低。。驱动电流在mA级以下。而要把它用

可变的，显示的是当前定时的组别。第二行显示的是字母“begin：”，冒号后面显示的

开关作用是放大作用的极限情况）。P1处连接的是单片机的P2.7口。P2.7口给出高电平

4行，所要显示的信息有：第一个行显示时钟的时（两位）、分（两位）、秒（两位），

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常工作。当P2.7口给出低电平时，三极管不工作，继电器因没电流通过而不工作。二极管4148起到保护作用。发光二极管LED0用于指示继电器是处于导通状态（灯亮）还是处于断开状态（灯灭）。

图4.4 继电器驱动电路

4.4键盘电路

键盘电路如图4.5所示。使用矩阵键盘能用较少的I/O口实现较多的按键功能。下面为按键实现举例：假设按下的是B/S键进行如下检测（4*4键盘）

先在P1口输出 P1 00001111 低四位行会有变化

Cord_h =00001111&00001110 =00001110 if (!=00001111) 延时20ms

Cord_h=00001110&00001111=00001110 if ( !=00001111) P1再输出11111110

P1=00001110|11110000=11111110 输出高四位

Cord_l=P1&0xf0 //此时P1口就是输入值01111110 而不是上面的11111110 Cord_l=01111110&11110000=01110000

Cord_h+cord_l=00001110+01110000=01111110=0x7e //此编码即为B/S的编码 通过此方法，就可以计算出其他的键值，从而实现矩阵键盘的按键功能。 下面介绍个个按键实现的功能：

B/S按键：用于实现继电器的开始、停止功能。

Mone：用于实现模式1的时钟是循环走时还是走时到99：59:59后停止。

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