智能化电子系统课程设计报告基于单片机的定时插座

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1、西华大学电气信息学院智能化电子系统设计报告 1前言 本课题的题目是“基于单片机的定时插座” ，随着现代科学技术的发展，由于单片机具有优异的性能和价格比，集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强，低电压、低功耗等特点，因此它的应用相当广泛，无论是工业部门、民用部门、事业部门和家用等领域都有它的身影。而单片机在智能仪器仪表中的应用便是其中最多、最活跃的领域之一。在各种仪器仪表中引入单片机。不但使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，更能简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 单片微型计算机作为微型计算机的一个分支，它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，

2、如：数控电梯、数控机床、交通灯管理系统、掌上电脑、手机、电子词典、各种智能医疗器械等;家用电器中常用产品如：微波炉、电磁炉、洗衣机、电视机等内均看到它的身影；游戏机、手提电话机等、就连一台微机系统中也嵌如了很多片的单片机。电子定时器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。如果用单片机制作定时器，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。2 课题研究背景2.1单片机定时插座的现状 单片机定时插座即智能插座控制系统的设计：目前市场上的排插功能太简单，有时满足不了人们的需求。比如我们经常遇到的就是电瓶车充电问

3、题，电瓶车充电时间通常是8个小时左右，太长则容易损耗电池，太短则充布满，如果再晚上充电，又不想从家里出来到车库给车充电，或者白天充电了，晚上不想下车库或者忘了拔电等等，造成很多的不方便。本着这一思想于是提出了本课题，第一利用单片机，直流控制交流继电器等部件实现排插的定时开关功能（比如，什么时候接通，接通多久时间后断开），第二提供报警功能，比如播放音乐，如使用这一排插控制电饭煲，则在电饭煲时间到后自动断电并通过音乐声告诉人们饭已经好了。智能插座控制系统的实现全部是基于单片机的设计。智能插座可以用于所有家庭电器，比如电动车，手机，电脑等等。因此研究智能插座有很大的实用意义。 智能插座已成为人们日常

4、生活中必不可少的物品，广泛用于个人家庭以及一些公共场所，给人们的生活、学习、工作、娱乐带来方便。由于单片机控制电路技术的发展和采用了先进的石英技术，使智能插座具有定时准确、性能稳定、携带方便等优点。2.2 智能插座发展的趋势 随着现代科学技术的发展，由于单片机具有优异的性能性价比，集成度高、体积小、可靠性高，控制功能强，低电压、低功耗等特点，成品价格的下降，越来越被广大群众所接受，这种新兴产业的发展，势必在日常生活中产生深远的影响。由单片机为核心的控制器控制现在排插的主要特点：1.具有定时。当前有的产品使用也相对方便，多个电器设备可以同时使用。但是在使用的过程中具有一定的局限性。现在生活水平的

5、提高，城市人口的聚集，多数居住在高楼大厦，这给像电瓶车一样的较大需充电设备带来一定的麻烦。在车库充电完成需要下楼拔掉电源或因时间长久忘记切断电源等等，带来一些不便。智能插座则具有定时功能，根据充电需要自行设置充电时间。2. 具有语音功能。可根据需要选择语音播放。3. 制作简单，成本低。采用单片机就可以实现功能，节约了大量线材和人工费用，也不用技术专家指导，普通用户可自行安装，一步到位。当我们只有充分了解了单片机的发展趋势，并掌握插座的知识，才能在这一行业更好更有力的发展。2.3 本设计的市场前景使用单片机技术完善现有插座功能，满足人们的需求，目前市场还没有出现这个产品，很有竞争力。据了解，目前

6、市场上排插的功能单一，我们只要在现有的排插上安装一个由单片机控制的控制器就可以了。也就是说，第一利用单片机，直流控制交流继电器等部件实现排插的定时开关功能，另一个提供语音服务功能，比如播放音乐，如使用这一排插控制电饭煲，则饭做好了断电后播放音乐提醒用户。在设计时要注意的是电路控制模块要足够小，选择好相应的器件，以方便地进行安装。3 总体方案设计3.1 设计内容 设计一个基于单片机的定时插座，能设置定时时间（1秒到24小时）；具有倒计时、显示剩余时间功能；计时间隔1秒；计时时间到 ，自动通过继电器断开插座开关，发出声光报警信号；并能解除报警信号。3.2 设计方案 根据设计的要求及性能以及考虑到使

7、用的可能性，只能插座的主要功能是定时作用，使日常使用的需充电的电器设备在充电中更加方便。插座的功能即是在电器完成定时充电以后插座能自行切断电源。因此对于定时插座的设计可以理解为设计一个由单片机构成的定时器。硬件电路主要包括主控制器，定时与显示电路，键盘电路等。主控制器采用单片机AT89C2051，显示电路采用共阳极LED数码管显示时间。本设计采用AT89C2051单片机的定时器计数和计数原理，使其能精确定时。利用中断系统使其能实现开始暂停等功能。PO口输出数码管数据，P1.0-P1.7口作为扫描输出。P3.1，P3.2，P3.3,P3.4，P3.5接5个按钮开关，分别实现计时，时调节， 分调节

8、，语音，暂停功能。电路的基本要求是正确性，其次是布局合理，最后在这两点下要求美观。在设计时要注意的是电路控制模块要足够小，选择号相应的器件，以方便地进行安装。 图3.2 系统组成框图4. 单元模块电路简介与设计4.1 单片机主芯片电路通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器、储存器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件和外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大储存量、强I/O功能及较好的兼容性方向发展。芯片STC89C52是带2K字节快闪存储器的8位单片机。P0-

9、P3口都是并行I/O口，都可用于数据的输入和输出，但P0口和P2口除了可进行数据的输入和输出外，通常都用来构建系统的数据总线和地址总线。在这4个口中只有P0口是一个真正双向的口，P1-P3这3个口都是准双向口。P3口的口线具有第二功能，为系统提供一些控制信号。电路图如图4.1。 图3.1 单片机芯片STC89C52的电路图4.2显示电路模块方案一：采用液晶显示来实现。采用液晶显示的最大优点是液晶显示可以显示各种不同的字符和数字，对于用户来说就更加人性化，可以很方便的就从液晶显示器上了解大量的插座的工作状态。而且在软件设计方面不需要进行不断的扫描工作，硬件电路上由于液晶显示器的节电和模块化产品设

10、计可以简化不少驱动和扫描用的电路设计。但是，由于液晶显示器的价格较高，所以系统成本将会提升很多，而且液晶显示器比较娇贵，对于电压、电流的质量要求比较高，且较易损坏这是其缺点。 方案二：采用传统的多位LED动态显示来实现。采用多位LED显示的优点在于其价格便宜，性能可靠，而且对于使用环境要求较低。不过LED所能显示的字符和数字有限，必须在智能插座的使用说明书中向用户详细说明才能使用户了解插座使用方法。而且比较液晶显示器而言，LED的耗电量偏大，需要附加驱动电路和便于动态显示的片选电路，还有要在软件设计方便增加一个动态扫描的程序，加大了软件设计的难度。 从成本上的考虑，计算LED与液晶显示（包括其

11、外围电路）的成本差别大约在3倍左右，另外LED动态显示比液晶显示器在本设计中更加适应其低质量电压电流的电路环境，可以发挥更稳定的使用效果，而且在软件上的难度加大也有利于提高学生学习兴趣，所以选择方案二，电路如图4.2 。 图4.2 显示电路模块电路图4.3 继电器输出电路 继电器输出一般都是弱电控制的强电，普通继电器相当于一个单刀双掷开关，控制外部电路的有三个管脚，不通控制电流时（默认状态）中间管脚接通一个左边管脚，通入控制电流时中间管脚接通右边管脚，继电器的吸合是要电流作用于电磁铁，由于这个电流不小，所以单靠单片机I/O口是不足以使继电器吸合的，应该加一个驱动（起功率放大作用，给继电器提供足

12、够的电流），再单片机用I/0口来控制驱动，再由驱动电路（驱动芯片如UM2003)输出足够的电流使继电器吸合。电路图如4.3 4.3 继电器输出电路4.4 特殊器件的介绍AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B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，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。其主要工作特性是：片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为10

13、00次；片内数据存储器内含256字节的RAM；具有32根可编程I/O口线；具有3个可编程定时器；中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；串行口是具有一个全双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式；具有可编程的3级程序锁定位；AT89C52工作电源电压为5（1+0.2）V，且典型值为5V；AT89C52最高工作频率为24MHz。功能特性描述: AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容

14、。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准器件： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡

15、器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器8K 字节在系统可编程AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和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单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口

16、，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。4.5 电源电路模块 电源电路主要是为系统提供电源，在本设计中，为了使电路简单，我们直接用USB接口提供5V直流电源为电路供电，电路如图4.4。 4.5 电源电路模块4.6 原理图元件展示 本设计基于单片机的定时插座主要由STC89C52，LED显示电路模块,继电器输出，电源电路模块，以及键盘，片选译码器，RS232接口，发光二极管显示，蜂鸣器等9大模块组成，元件展示图如4.6. 4.6 原理图元件展示5. 软件设计5.

17、1.软件设计电路图5.2 程序6 系统调试及调试记录1.按照上面的PCB焊接电路注意问题电容的正负极不要焊接错误，否则会引起电容爆炸。芯片的正确插拔。2.电路板调试首先，检查线路是否存在断路、短路情况，可以用数字万用表的短路检测功能来检查线路。如果听到蜂鸣声，线路就是通的。然后，检查芯片插槽引脚是否有连接错误的情况。 最后，在确定电路连接无误的前提下，插上芯片，接通电源，查看数码管上是否存在乱码的情况。时间显示是否是真实的时间。3.调试记录对于PCB电路板，焊接元器件比较简单，一般不容易出错。万一出现错误，绝大多数情况下是由于焊接不牢，出现虚焊现象。对于数码管出现乱码的现象一般是由于制PCB板

18、时，腐蚀不完全，该断开的地方没有断开。本次实验调试一次性成功的。下图是我们用proteus软件时的仿真图： 6.1 仿真图 7.结论 本设计为基于单片机的定时插座，由AT89C2051单片机，时钟芯片，复位电路，数码管显示电路、报警电路、键盘控制以及晶振电路组成。可以实现对插座的定时控制及断电报警功能，使人们在使用中更加方便智能化，不用担心电器设备在充电过程中会因没有及时切掉电源而损坏充电设备。控制8个八段LED显示器和4个按键实现定时控制功能及显示功能。但因为自身水平有限，系统尚不完善，还有很多改进的空间。希望在以后的设计工作中进一步完善。 8、总结与体会这次课程设计让我学到了很多新的知识，

19、不仅拓宽了知识面，还强化了自己的综合性、实际性。通过实验使自己掌握了应用单片机的基本技能，培养了动手能力，观察能力，分析和解决实际问题的能力，巩固、加深理论课知识，增加感性认识，进一步加深对单片机应用的理解，提高对单片机的应用能力和编程设，提高对常见单片机设计及电路故障的分析和判断能力；培养了严肃认真、实事求是的科学态度，理论联系实际的工作作风和辩证思维能力认识，进一步加深对单片机应用的理解，提高对单片机的应用能力和编程设计。经过四星期的努力，我们终于成功的完成了本次课程设计。再设计过程中我们又很多收获当然也遇到很多困难。譬如说不能把书本上的知识与实践相结合。还有当我们第一次把硬件电路做出来以

20、后就在调试时发现红外对管不工作，原来使我们把电路焊错了电源和地焊反了，当我们修改过后就能正常工作了。在这次设计的软件部分是用C语言来编程的。由于C语言是近年来在国内外得到迅速推广应用的一种语言。C语言功能丰富，表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好，既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点。通过这次C语言程序设计我们更加了解了C语言。在C语言程序设计的过程中我们知道了以前学的很多不足，有些地方看不懂也不知道怎么去设计，但是在设计过程中也学习了很多，掌握了自己以前没有学好的知识，不过这也给自己敲响了警钟，在学习中不可以浮于表面，要想学好每一门课程就必须踏实。本次设计

21、增强了我们查阅资料的方法和技巧，更是大大的提高了我们自学的能力，同时也增强了我们的动手能力。通过本次课程设计，我们在对这门技术上有了更深刻的认识，也从实践中去感受到了技术给我们设计带来的改变与进步。我们不仅基本掌握了软件的使用，还对电子设计的思路有了更多的认识。 本次课程设计论文在李天倩老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，极大地提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，单片机领域这对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助，以及在常用编程设计思路技巧（特别是汇编语言）的掌握方面都能向前迈了一大步。9. 致谢 本次课程设计我们遇到了许多问题，在老师的指

22、导下，我们小组同学积极思考和讨论，完成了此次课程设计。在这四个星期的课程设计过程中，我们三个人一起查资料、一起讨论、一起交流，这些都培养了我们的团结合作精神，这次设计让我们受益匪浅。通过这次设计我们受益匪浅，学到了很多东西。在此我们要感谢学院提供了这次课程设计的机会；感谢在设计中给予我许多帮助的老师，特别要感谢阳小明和李天倩两位老师，在我们的设计过程中，他们至始至终地给予我们悉心的指导，从而使我们的设计顺利完成。同时也要感谢小组内的各位同学，感谢全组同学能够做到互相学习、团结一致共同战胜难点。十、参考文献：1 张洪润,蓝清华. 单片机应用技术教程M . 北京:清华大学出版社,1997.2 张俊

23、谟.单片机中级教程原理与应用M. 北京:北京航空航天大学出版社,2006.3 常斗南,等. 可编程序控制器原理、应用、实验M . 北京:机械工业出版社,1998.4 于海生,等. 微型计算机控制技术M . 北京:清华大学出版社,1999.5 王福瑞,等. 单片机微机测控系统设计大全M . 北京:北京航空航天大学出版 社,1998.6 刘国荣. 单片微型计算机技术M . 北京:机械工业出版社,1996.7 何立民. 单片机应用技术选编M . 北京:北京航空航天大学出版社,1993.8 谢自美 主编电子线路设计.实验.测试（第二版）M华中理工大学出版社，20059 王为青，邱文勋. 51单片机开发案例精选J.人民邮电出版社，2001，(5)：45-4710边海龙，孙永奎. 单片机开发与典型工程项目实例详解J.电子工业出版社，2008 11康光华、邹寿彬.电子技术基础数字部分（第五版）M. 北京：高等教育出版社，200612谢维成，刘勇.微机原理与接口技术M.华中科技大学出版社，2009附录一：相关设计图 第 页