福大电路与系统考研大纲.docx
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福大电路与系统考研大纲
基于单片机的定时开关控制器设计
电子与信息工程系电子信息工程专业
118542007035邱雪玲指导老师许丽贞
【摘要】
本设计主要由硬件电路和软件编程两大部分来实现,以STC89C52单片机为核心，配备显示模块、定时信息，能通过数码管进行显示计时。
备有四个按键，是用来设置需要定时的时间，可以精确到1S。
用户可以通过按键修改时间，以便达到用户所要实现的功能。
软件采用C语言程序设计实现程序控制和定点时间显示。
我们可以将它接在电饭煲上从而能够提前一段时间帮我们把饭做好，也可以将它接在电视机上，当到了我们喜欢看的球赛时，电视会自动打开，这样就不会误了时间。
总之定时电源开关能够给我们的生活带来很大的方便，尤其在当今生活节奏加快的社会里，更需要智能化的设计帮我们节约时间，少花费精力，所以这种电路是必不可少的。
关键词：
STC89C52，定时电源，数码管，C语言
目录
第1章绪论3
第2章设计原理3
2.1按键与显示3
2.2控制输出4
2.3电源控制电路4
第3章MCS-51单片机的结构4
3.1控制器4
3.1.1.超低功耗4
3.1.2.超强抗干扰4
3.2存储器的结构5
3.2.1程序存储器5
3.2.2数据存储器（内部数据存储器和外部数据存储器）5
3.2.3特殊功能寄存器5
3.3并行I/O口6
3.4单片机的应用领域7
第4章电路的硬件设计8
4.1复位电路8
4.2时钟电路8
4.3按键电路8
4.4数码管的工作原理9
4.5电源电路设计10
第5章电路的软件设计11
第6章系统仿真12
6.1PROTEUS软件介绍12
6.2定时电源开关PROTUES仿真13
第7章功能的调试14
6.1实物完成过程14
6.2出现的问题及解决14
致谢14
参考文献15
附录16
第1章绪论
定时开关，是指装有时段或时刻控制机构的开关装置。
定时开关中装配有定时装置，将定时功能加入到开关中并根据人们的需要设定时间。
连接的定时装置有一个频率稳定的振荡源，通过集成电路分频计数。
当将时间累加到预置数值时，或指示到预置的时刻处，定时器即发送信号控制执行机构。
开关可以根据指令自动断电，以达到节能、安全的目的。
定时开关在人们的生活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。
第2章设计原理
本电路主要是利用单片机STC89C52作为主控制原件，通过外围电路控制用电设备，以达到定时开、关机的目的。
主板电路包括STC89C52，按键与显示、输入与输出口、复位和电源滤波等电路组成。
2.1按键与显示
显示电路由U2（74LS47）、U3（74LS138）、Q1~Q7（三极管）和L1A、L2A（数码管）组成。
U2为BCD-7段译码器，通过单片机U1的P1.4~P1.7口将要显示字符的BCD码输入到U2的四个输入端，经U2译码后输出相应的笔段驱动LED数码管。
LED数码管显示采用动态扫描方式，即在某一时刻，只有一个数码管被点亮。
数码管的位选信号由单片机U1P3.3~P5.5输出，经U3（74HC138）控制Q1~Q7轮流导通和关断，驱动相应的数码管。
由于U2只能输出7段笔段码，而数码管除了七段笔段外，还要控制点亮，因此，小数点必须有另外的驱动电路来完成，在这里，通过Q7来驱动小数点。
当需要点亮小数点时，在U1的P1.3输出高电平即可。
按键电路跟显示电路一样，采用扫描方式，利用动态显示时的数码管驱动位置信号来判断相应按键的状态。
U1的P3.3~P3.5口输出的BCD码经U3译码后，相应的Y口呈低电平，而U1的P3.7口平时为高电平（由于R8上拉），当某一键按下时，P3.7被下拉为低电平，这时单片机利用程序查询P3.7是否为低电平，如果P3.7为低电平，就读回U1P3.3~P3.5口的值（从缓冲区读取），则可判断是哪个键按下，然后调用相应的处理程序进行处理。
2.2控制输出
单片机对控制的输出是通过P3.0~P3.2口完成的。
程序开始时这三个口的输出状态是低电平，单片机通过程序查询三路输出的ON或OFF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，就完成了对外部电路的控制。
滤波过后的+5V电压给U1和其他器件供电。
2.3电源控制电路
电源２２０V交流电通过变压器变为１５V交流电，再通过４个二极管全波整流变为直流电。
通过7812稳压到１２V再通过7805稳压5V给单片机供电。
12V给控制电路供电，三路控制电路用三个继电器，继电器旁的二极管为续流二极管，起保护继电器的作用，在继电器断开的瞬间，继电器线圈会产生一反向的电动势（电压），可能会对电路中的原件产生损坏,加一个二极管使此电压经二极管放电,从而保护电路元件。
当单片机送过来的信号为高电平时，三个三极管8050导通，继电器线圈通电，吸合，反之，断开。
第3章MCS-51单片机的结构
3.1控制器
本设计采用PDIP封装的STC89C52RC芯片为主控制器，如图3-1所示。
该芯片正常工作电压为5V，支持的最高时钟频率为80MHz，Flash程序存储器为8KB,RAM数据存储器为512B,内置看门狗电路，支持ISP/IAP[6]。
本单片机具有以下优点：
3.1.1.超低功耗
（1）掉电模式：
典型功耗为0.5uA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序。
（2）空闲模式：
典型功耗为2mA。
（3）正常工作模式：
典型功耗为4mA-7mA。
3.1.2.超强抗干扰
（1）I/O口、电源、时钟、看门狗、复位电路都是经过特殊处理。
（2）宽电压，不怕电源抖动，工作电压范围为3.4–6V。
（3）高抗静电（高ESD保护），轻松过2000V。
（4）快速冲干扰。
图3-1STC89C52RC芯片引脚图
控制部分是系统整机协调工作和智能化管理的核心部分，采用STC89C52RC单片机实现控制功能是其关键，采用单片机不但方便监控，并且大大减少硬件设计。
电路图如图2-2。
图3-2单片机控制部分
3.2存储器的结构
MCS-51的存储器可分为四类：
3.2.1程序存储器
一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外，还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人们预先编写的程序而执行之。
那么设计人员编写的程序就存放在微处理器的程序存储器中，俗称只读程序存储器（ROM）。
程序相当于给微处理器处理问题的一系列命令。
其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代码串。
只是程序代码则存放于程序存储器中。
3.2.2数据存储器（内部数据存储器和外部数据存储器）
数据存储器也称为随机存取数据存储器。
MCS-51单片机的数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间，一个是内部数据存储区和一个外部数据存储区。
MCS-51内部RAM有128或256个字节的用户数据存储（不同的型号有分别），它们是用于存放执行的中间结果和过程数据的。
MCS-51的数据存储器均可读写，部分单元还可以位寻址。
3.2.3特殊功能寄存器
特殊功能寄存器（SFR）也称为专用寄存器，特殊功能寄存器反映了MCS-51单片机的运行状态。
很多功能也通过特殊功能寄存器来定义和控制程序的执行。
MCS-51有21个特殊功能寄存器，它们被离散地分布在内部RAM的80H—FFH地址中，这些寄存的功能已作了专门的规定，用户不能修改其结构。
3.3并行I/O口
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
3.4单片机的应用领域
将微处理器（CPU）、存储器（ROM和RAM等）、输出/输入口（I/O口）、定时/计数器、中断系统等集成在一块集成电路芯片上。
称之为单片微型计算机，简称单片机（MCU）。
单片机的主要应用领域
由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。
单片机应用的主要领有：
1）智能化家用电器：
各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。
如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。
2）办公自动化设备：
现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。
如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。
3）商业营销设备：
在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。
4）工业自动化控制：
工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。
如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。
在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。
5）智能化仪表：
采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。
如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。
6）智能化通信产品：
最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。
7）汽车电子产品：
现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。
8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：
单片机的应用更是不言而喻。
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。
更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。
以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。
这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。
随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。
第4章电路的硬件设计
4.1复位电路
复位电路如图所示，C3和R25完成上电复位，S6为手动复位，按键输入干扰和抖动的预防是由软件完成的。
复位操作完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。
图4-1复位电路
4.2时钟电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式和外部振荡方式。
考虑到内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，本设计采用的是内部振荡方式：
在引脚XTAL1和XTAL2外接警惕振荡器。
电容器C1、C2起振荡频率、快速起振的作用。
电路图如图所示：
图4-2时钟电路
4.3按键电路
按键控制模块如图3-10所示。
本设计中，采用独立按键S1~S5对单片机核心芯片STC89C52RC进行输入控制。
各按键分别一端接译码器引脚，一端接电源。
实现功能：
按键S1开关设计的气动和倒计时的开始，S2右移位选，S3选定位的数值的减少，S4选定位数值的增加，S1左移位选。
电路图如图所示
图4-3按键电路
4.4数码管的工作原理
数码管显示器有静态显示和动态显示两种方式，考虑到静态显示占用口线资源太多这一缺点，本设计采用的是动态显示，选择的是3位一体的共阳数码管。
如图所示
图4-4数码管电路
其中位选和段选的驱动芯片采用的分别是74LS1383/8译码器和74LS47NBCD-7段译码器。
R17~R24为限流电阻。
电路图如图所示
图4-5数码管驱动电路
4.5电源电路设计
电源及控制电路如图所示，市电由B降压到15V、再经过整流二极管V整流，用U4（LM7812）稳压后，得到的12V电压后给电路供电及再经过U5（LM7805）稳压为+5V，+5V电压再经过C11~C14滤波后给主板和控制电路提供稳定的工作电源；主板送过来的三路控制信号通过Q12~Q14分别控制继电器J1、J2、J3，对外部电路实施直接控制。
图4-6电源电路
第5章电路的软件设计
程序设计主要有4个模块，分别是主程序模块、按键控制模块、数码管显示模块、定时中断模块，通过这四个模块，编写程序。
具体的流程图如下所示：
图5-1主程序流程图图5-2按键控制流程图
图5-3数码管显示流程图图5-4定时中断流程图
第6章系统仿真
6.1PROTEUS软件介绍
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：
multisim）的功能。
这些功能是：
（1）原理布图
（2）PCB自动或人工布线
（3）SPICE电路仿真
革命性的特点
（1）互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。
（2）仿真处理器及其外围电路
可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型
上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。
配合系统配置虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。
6.2定时电源开关PROTUES仿真
仿真_定时中的状态，用LED灯的亮，代替电源的导通。
此时，继电器吸合，LED等亮，控制电路导通。
仿真图如下所示：
图6-1proteus仿真_定时中
仿真_定时结束后的状态，用LED灯的熄灭，代替电源的断开。
此时，继电器断开，LED灯亮熄灭，控制电路断开，达到定时作用。
仿真图如下所示：
图6_2proteus仿真_定时结束后
第7章功能的调试
6.1实物完成过程
根据设计的思路，先用proteus进行仿真，仿真成功后，用DXP绘画电路图、对元器件进行封装、转PCB板，再用热转印纸打印、用PCB制板机进行热转印，转印成功后，用三氯化铁腐蚀，腐蚀完后，用电烙铁焊接上所有元器件，再把程序烧进STC89C52，做成了实物图。
6.2出现的问题及解决
1.电容接反：
接上电源，变压器和整流二极管发烫，指示灯一闪，灭了。
断开电源，跟原理图核对元器件的接线，发现4个二极管两个接反了。
拆下二极管，用新的二极管重新用正确方式接上。
2.电路虚焊：
电源接上去，电源灯会亮，数码管没反映。
用万用表检测电源模块供电压+5V的排针虚焊。
用电烙铁重新焊接排针。
3.可擦除存储器的次数太少：
以1s为单位，保存一次，发现次数100000次，只能用于27小时之内。
添加备用电池，当电源断电时，单片机存储当前状态，停止定时，等到来电时，继续之前的定时。
致谢
大学四年的学习生活即将结束了，这篇论文作为我在校期间学习的最后一份答卷，敬礼给各位老师。
在大学这四年的学习和生活，我不仅学到了丰富的专业知识，更学到了各位老师认真工作、爱岗敬业、为人师表的优良品质。
再次，谨向各位老师表示深深的敬意和谢意！
尤其感谢我的指导老师许丽贞，她在毕业设计过程中给予我极大的关系和帮助。
从硬件制作、调试以及论文的完成都投入了她大量的心血。
在课余时间还给我们讲解有关硬件和软件配合使用的重要知识，使我们在不仅掌握了自己的所涉及大学的同时，还对其他的知识有了更深的了解。
老师对待学生有如此的态度，令人敬佩。
同时也感谢在毕业设计过程中给予帮助和支持的同学，在我遇到困难时尽其所能地为我排忧解难。
感谢学校提供的实验环境，使我能全身心的投入到我的设计中。
当印制电路板生成后，感谢实验室老师的大力支持，借出各种调试工具，使系统在最短的时间里调试成功，使本系统能顺利实现。
参考文献
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高等教育出版社,2006
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高等教育出版社,2008.
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高等教育出版社，1999
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ABSTRACT
Thedesignofthemainhardwareandsoftwareprogrammingbythetwopartstoachieve,withSTC89C51microcontrollerasthecore,withdisplaymodule,timinginformation,throughthedigitalcontroltodisplaytime.Withfourbuttons,isusedtosetthetimerequiredtime,isaccurateto1S.Userscankeymodifiedtomeetuserfunctionalitytobeachieved.SoftwareusingClanguageprogrammingtargetedtoachieveprocesscontrolandtimedisplay.Itcanbeconnectedtotheelectriccookerwhichisaheadofrice.ItcanalsobeusedintheTV,whentheyreachedourtime,televisionwillopenautomatically.Itwillnotmistaketime.Inshort,TimerPowerSwitchcangiveusgreatconvenienceoflife,particularlytheacceleratedpaceoflifeintoday’ssociety.Intelligentdesignneedtohelpussavetimeandspendlessenergy,sothiscircuitisessential.
Keywords:
STC89C51，timerpower，LED，Clanguage
附录
原理图：
图1_1主板电路
图1-2电源电路
程序内容
#include"reg51.h"
#defineUCHARunsignedchar
#defineUINTunsignedint
#defineENTER0
#defineUP1
#defineDOWN2
#defineLEFT3
#defineRIGHT4
#defineTRUE1
#defineFALSE0
UCHARDisBuffer[6];
charFlag_Key;
charFlag_Flash;
charFlag_Press;
UCHARFlash_Count;
UCHARTime_Count;
bitTime_Out;
sbitP30=P3^0;
sbitP37=P3^7;
sbitP13=P1^3;
#define_FLASH_TIME15
voidDelay_ms（UINTk）
{
UCHARi;
while（k--）
for（i=0;i<124;i++）;
}
voidSystemInit（）
{
UCHARi;
TMOD=0x01;
ET0=1;
EA=1;
TH0=0x3c;
TL0=0xb0;
Flag_Key=-1;
Flag_Flash=-1;
Flag_Press=-1;
Flash_Count=0;
Time_Count=0;
Time_Out=0;
for（i=0;i<6;i++）
{
DisBuffer[i]
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