节能时控器设计 学位论文Word格式文档下载.docx
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众所周知，现阶段我国的能源缺口很大，而人们的生产及生活又少不了能源。
以电力供求为例，有些家用电器的耗电量是很大，如家庭取暖器﹑冷暖式空调等。
有些工厂是名副其实的耗电大户，如电解铝﹑电解铜生产厂﹑炼钢厂等。
如能采取一些合理化的用电方式，则可能较大幅度地节能或节支。
其中一个较好的方法就是分时控制作业。
现阶段，不仅工业用电而且生活用电均采取分时计费的方法。
如果能将白天用电高峰期开动的一些设备改在夜晚用电低谷时期使用，则不仅可以大大减轻电网的负担，而且还可有效减少用户的用电费用。
本设计是通过自己设计电路图以单片机为主，将电器、控制模块、报警模块、显示模块相结合，在焊接的电路板上实现出来。
首先使用Proteus99SE软件进行绘制硬件电路图，用编译软件进行编程与调试，最终生成hex文件，传入单片机内部，从而实现仿真效果。
2节能时控器硬件方案论证
2.1基本模块设计方案论证
本设计要求能与本地时间一直，即为可设置时间，有显示装置显示。
可设置闹钟，即定时时间到有报警装置报警。
当断电时，有备用电源供电，使节能时控器持续运作。
而本设计最重要的一点是当用电高峰和低谷时，可自动开/关，实现节能这一特点。
根据节能时控器系统的功能要求，该设计要分为6个模块：
显示器模块﹑控制器模块﹑电源模块﹑输出控制模块﹑蜂鸣器模块，按键输入模块。
如图2.1
图2.1节能时控器模块图
2.2控制器方案论证
方案一：
用PLC做控制器，PLC模块上也可以集成定时，显示电路等。
PLC开发周期短，使用容易，开发成本低，批量成本高，但本人对PLC的掌握程度不是很深，对它的软件梯形图编程使用也不是很熟练，故不能选择PLC做控制器。
方案二：
采用单片机技术中的STC89C52型号单片机做控制器，由于单片机设计电路简单，便于焊接。
基于上述比较，采用方案二
2.3显示模块方案论证
显示模块要把定时器的时间通过显示器显示出来，以方便人去观看。
在这里我提出两种方案。
采用LED数码管做显示器。
LED数码管亮度高，醒目，电路设计简单，占用资源少且信息量少，只需用驱动电路驱动即可。
采用LCD液晶显示器。
LCD具有明显的优点，工作电流低，故器件功耗很低，尺寸小，虽然字迹美观，但字迹看起来不是很清晰，没有LED表现出来的那么好。
基于上述描述，采用方案一。
2.4输出控制模块设计方案论证
交流控制接口电路实现弱电控制强电，我首选两种方案实现控制。
可控硅控制，无触点，开断无涌流，开端速度快，可以控制过零开断。
缺点：
成本高，控制相对复杂，容量小，功耗大，发热严重，价钱高。
继电器控制：
技术成熟可靠，触点容量相对较大，成本低，几乎零功耗，发热量小。
寄予从学习角度考虑我选择价钱便宜的继电器。
2.5键盘电路模块设计方案论证
键盘接口电路实现控制功能，我首选两种方案实现控制。
独立键盘控制，每个按键单独占用一个I/O口线，每根I/O的按键工作状态不会影响其他的I/O接口线上的工作状态。
但是在按键较多的时候电路复杂，I/O端口浪费。
用于按键少的系统。
矩阵式键盘控制，就是用I/O口线组成行、列结构，用于多个按键系统的电路。
根据电路设计由于只用4个按键，我选用第一个方案。
基于上述可以确定模块即图2.2。
图2.2节能时控器具体模块图
3节能时控器的需求分析
3.1可行性分析
可行性分析主要在技术可行性、经济可行性、时间可行性、硬件和软件的需求可行性上做一个概括的分析，分析节能时控器并实现其功能。
3.2技术可行性分析
节能时控器系统的设计主要需要单片机技术、LED数码管显示技术、键盘输入技术、报警技术。
这些技术已经成熟，获得广泛的应用，单片机方面，在学校期间学习过51系列单片机，并能进行编程、调试等对其有一定的操作能力，实现单片机控制没有问题。
数码管显示部分，选择用7段数码管做显示器显示很简单。
在驱动数码管显示方面，我选用了7段数码管。
报警器部分，我用普通的报警器就可，只需要用一个三极管做驱动就可以。
在技术方面可以实现电子定时器设计与实现。
3.3经济分析
1.器件的经济分析：
设计节能时控器需要STC89C52单片机芯片市场价格6元，7段数码管市场价格4元。
电容、电阻、数码管、导线等等需要10元。
由于本产品的开发是在学校内进行的，软硬件设备都以具备，因此节省了一些花费。
在这里只需花费设备的磨损费用按30元算。
2.资料的经济分析：
购买资料书籍需要50元，上网查阅资料网费需要20元。
3.个人的经济分析：
个人在比设期间需要生活费用，电费用，坐车费用等，合计100元。
根据上述所述做毕业设计的经济费用合计需要220元，本人可以接受。
3.4时间可行性
实现本系统设计要四阶段，第一阶段需要对节能时控器部分的知识有所深刻的了解及能达到应用效果，对7段数码管的使用要明确，查阅资料需要两个星期的时间：
第二阶段硬件电路设计部分将单片机技术、报警器报警技术，键盘输入控制技术，数码管显示技术结合起来实现单片机通过键盘，进行时间进行定时，定时控制其他设备的电源。
这电路设计部分非常重要，也是本设计的重点在这方面需要花费一个半月的时间。
通过单片机的引脚，将这时间这些信号送给LED数码管进行显示定时时间，在通过报警器报警申明定时到点，然后再用继电器控制LED功率灯。
第三阶段就是软件部分，通过编程调试实现电子定时器能够准确的定时，软件部分需要花费两个星期的时间。
第四阶段毕业设计的论文部分及毕业设计答辩，毕业设计论文需要多次的修改，才能达到要求，答辩也需要一些时间准备，我需要半个月的时间来完成。
4硬件设计
4.1STC89S52简介
STC89S52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
STC89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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。
STC89C52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，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程（S系列的才支持在线编程）。
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。
STC89S52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
主要功能特性：
兼容MCS51指令系统·
8k可反复擦写（>
1000次）FlashROM
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6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
STC89S52各引脚功能及管脚电压概述：
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的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。
P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定，在本设计中，P0端口（32~39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。
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。
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），参见表1。
Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。
表4.1为P1.0和P1.1的第二功能。
表4.1引脚功能
引脚号
功能特性
P1.0
T2，时钟输出
P1.1
T2EX（定时/计数器2）
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。
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。
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。
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。
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。
EA/VPP：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），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。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
器0和定时器1：
STC89S52的定时器0和定时器1的工作方式与AT89C51相同。
定时器2：
定时器2是一个16位定时/计数器。
它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON（如表3）的C/T2位选择。
定时器2有三种工作方式：
捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON的控制位来选择。
定时器2由两个8位寄存器TH2和TL2组成，在定时器工作方式中，每个机器周期TL2寄存器的值加1，由于一个机器周期由12个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的1/12。
在计数工作方式时，当T2引脚上外部输入信号产生由1至0的下降沿时，寄存器的值加1，在这种工作方式下，每个机器周期的5SP2期间，对外部输入进行采样。
若在第一个机器周期中采到的值为1，而在下一个机器周期中采到的值为0，则在紧跟着的下一个周期的S3P1期间寄存器加1。
由于识别1至0的跳变需要2个机器周期（24个振荡周期），因此，最高计数速率为振荡频率的1/24。
为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。
捕获方式：
在捕获方式下，通过T2CON控制位EXEN2来选择两种方式。
如果EXEN2=0，定时器2是一个16位定时器或计数器，计数溢出时，对T2CON的溢出标志TF2置位，同时激活中断。
如果EXEN2=1，定时器2完成相同的操作，而当T2EX引脚外部输入信号发生1至0负跳变时，也出现TH2和TL2中的值分别被捕获到RCAP2H和RCAP2L中。
另外，T2EX引脚信号的跳变使得T2CON中的EXF2置位，与TF2相仿，EXF2也会激活中断。
捕获方式如图4.1所示。
自动重装载（向上或向下计数器）方式：
当定时器2工作于16位自动重装载方式时，能对其编程为向上或向下计数方式，这个功能可通过特殊功能寄存器T2CON（见表5）的DCEN位（允许向下计数）来选择的。
复位时，DCEN位置“0”，定时器2默认设置为向上计数。
当DCEN置位时，定时器2既可向上计数也可向下计数，这取决于T2EX引脚的值，参见图5，当DCEN=0时，定时器2自动设置为向上计数，在这种方式下，T2CON中的EXEN2控制位有两种选择，若EXEN2=0，定时器2为向上计数至0FFFFH溢出，置位TF2激活中断，同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载，RCAP2H和RCAP2L的值可由软件预置。
若EXEN2=1，定时器2的16位重装载由溢出或外部输入端T2EX从1至0的下降沿触发。
这个脉冲使EXF2置位，如果中断允许，同样产生中断。
定时器2的中断入口地址是：
002BH——0032H。
当DCEN=1时，允许定时器2向上或向下计数，如图4.2所示。
这种方式下，T2EX引脚控制计数器方向。
T2EX引脚为逻辑“1”时，定时器向上计数，当计数0FFFFH向上溢出时，置位TF2，同时把16位计数寄存器RCAP2H和RCAP2L重装载到TH2和TL2中。
T2EX引脚为逻辑“0”时，定时器2向下计数，当TH2和TL2中的数值等于RCAP2H和RCAP2L中的值时，计数溢出，置位TF2，同时将0FFFFH数值重新装入定时寄存器中。
当定时/计数器2向上溢出或向下溢出时，置位EXF2位。
根据主机系统的芯片选择和引脚说明，可以画出主机系统的电路图，如下图所示。
图4.1单片机电路图
STC89S52的P0口既做地址线也做数据线，使用片内振荡器接法，外接一个6MHZ的晶振。
根据本题目要求结合实际，所以使用STC89S52单片机，已达到目的。
4.2数码管显示器显示原理
在单片机系统中，经常用LED（发光二极管）显示器来显示单片机系统的工作状态，运算结果等各种信息。
LED数码管显示器是单片机与人对话的一种重要输出设备。
本设计中LED只需要显示出0～9数字即可。
4.2.1LED数码管显示器的构造及特点
图4.2是LED数码管显示器的构造。
图4.3和图4.4分别是共阳极显示和共阴极显示。
图4.2它实际是由8个发光二极管LED组成，其中的7个发光二极管排列成“8”字形的笔画段，另一个发光二极管为圆点形状，安装在显示器的右下角作为小数点使用。
通过发光二极管位选和段选的不同组合，从而可显示出0-9的阿拉伯数字以及其它能由这些笔画段构成的各种字符。
8个LED分别为a,b,c,d,e,f,g,dp,每一个LED称之为一个字段，dp为小数点。
LED数码管显示器的内部结构分为共阴极和共阳极两种显示方式。
共阳极显示器，其内部电路如图4.3所示，即8个发光二极管的正极全部连接在一起组成公共端，负极则各自独立引出。
使用时公共阳极接+5V，这时阴极接低电平的发光二极管就导通点亮，接高电平的则不亮。
另一种是共阴极显示器，其内部电路图如图4.4所示，即8个发光二极管的负极全部连接在一起组成公共端，正极则各自独立引出。
使用时公共阴极接地，这时阳极接高电平的发光二极管就导通点亮，接低电平的则不亮。
图4.2LED数码管显示器构造
图4.3共阳极显示图4.4共阴极显示
从尺寸上分，LED数码管显示器的种类很多，常用的有0.3﹑0.5﹑0.8﹑1.1﹑1.2﹑1.5﹑1.8﹑2.3﹑3.0﹑3.0﹑5.0寸等。
一般小于1.0寸的为单管芯，1.2~1.5寸为双管芯，1.8寸以上的为3个以上的管，因而它们的供电电压不同，一般每个管芯的压降为2V左右。
通常，0.8寸以下采用5V供电，1.0～2.3寸采用12V供电，3.0以上的选择更高电压供电。
驱动电路中的限流电阻R通常根据LED的工作电流计算得到。
R=（
-
）/
式中，
为电源电压（+5V），
为LED压降（一般取2V左右），
为工作电流（可取1～20mA）。
R通常取几百Ω。
如果把7段数码管的每一字段都等效成发光二极管的正负两个极，共阴极把a,b,c,d,e,f,g的7个发光二极管的负极连接在一起并接地，正极接到7段译码驱动电路相对应的驱动上。
共阳极是把a,b,c,d,e,f,g的7个发光二极管的正极连接在一起并接到5V的电源上，其余的7个负极接到相应的输出端上。
7段显示数码管电路限流限阻计算公式：
限流电阻=5V电源电压—发光二极管的工作电压/10～15mA
发光二极管的工作电压一般在1.8～2.2V之间，为了计算方便，通常选取2V。
发光二极管的工作电流选取10～25mA之间即可，电流过小，7段数码管不亮，过大数码管容易烧坏。
本设计采用的是共阴极的接法。
4.2.2LED数码管显示器的
升级会员 