定时开关插座的设计与制作本科毕设论文Word文档格式.docx

定时开关插座的设计与制作本科毕设论文Word文档格式.docx

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Relays;

AT89S52SCM;

LCD12232.

引言

现如今，往往由于某些特殊原因给我们的生活或工作带来一些困扰和遗憾。

比如：

家中的水塔忘记抽水而造成生活的一时不便；

学校的起床广播因值班人员睡过头而推迟广播；

家中的鱼缸因太久没有供氧造成鱼儿缺氧死亡；

许多球迷或者新闻爱好者因为错过了开机时间而与精彩球赛或者新闻擦肩而过；

夏天里风扇的定时时间过短（一般为1个小时），不便于晚上分段定时使用等等。

而上面的这些问题都可以通过定时开关插座的定时功能得到解决。

随着电器产品待机能耗的迅速增长，家庭和社会付出了太多的代价，中国节能认证中心对家庭待机能耗做过的调查显示，待机能耗占到家庭电力消耗的10％左右，仅以电视机为例，平均每台电视机的待机能耗是8.07W，按每天待机2小时大约耗电0.016度。

定时开关插座能够实现定时给电器供电，在工作时间之外把电器的电源切断，这样就能解决电器的待机损耗，达到节约用电的目的。

定时开关插座是一款能在特定时间段内控制电器通、断电的开关插座。

能实现24小时制和100小时制两种时钟走时模式，在24小时制时钟模式，可以实现6组24小时内的任意定时，定时时间范围最小为1分钟；

在100小时制时钟模式，可以实现6组100小时内的任意定时，定时时间范围最小也是1分钟。

本文阐述了定时开关插座的硬件电路设计、软件算法设计,给出了自动开关插座的设计和定型方案,它可以对家中一些需要在特定时间对电器进行自动断、通电控制,而不需要拔掉插头，减少电器的待机损耗，解决生活中的一些烦恼。

1设计要求及构思

1.1设计要求

本次设计要求实现一个具有定时、按键设置及控制、定时时间显示等功能的定时开关插座，具体要求及指标如下：

（1）可以设定三组定时时间值。

（2）设定的定时时间调整范围为：

0～99分钟。

（3）具有开始/停止操作按键。

（4）具有定时时间显示和时钟显示。

1.2设计构思

根据题目和设计功能要求，系统的实施方案可以分为以下几个步骤：

首先，通过模式（模式0为24小时制，模式1为100小时制）选定时钟的走时方式，作为定时时间的判断标准。

然后通过按键设置定时时间分别存储在定时开始数组begin和结束数组end，通过数组的值与时钟的值进行比较，时间在定时数组时间范围内则继电器接通，否则断开。

用一个红色发光二极管的亮、灭来指示继电器的通、断的状态。

定时开关插座的显示则用液晶来实现。

用液晶的第一行显示时钟及目前所定时的组别；

第二行则显示定时开始时间；

第三行则显示定时的结束时间；

第四行显示目前所运行的模式。

电源部分用220V转换为直流5V给定时开关系统供电，并用干电池做储备电源，防止220V交流电断电了单片机控制部分就停止工作，失去作用。

用4*3键盘实现时钟、定时的设置及开始/停止等按键设置功能。

基于以上的设计构思，系统每个模块可以有几种不同的实施方案，经过反复比较论证，确定了系统的最终实施方案。

各个设计方案的分析和选择将在第二章进行详细介绍。

鉴于以上的构思，定时开关可以实现功能扩展，具体实现的功能指标如下：

（1）可以设定六组定时时间值。

（2）设定的定时时间调整范围分为两种情况：

①模式0状态时可设定的定时时间调整范围为：

0～24小时；

②模式1状态时可设定的定时时间调整范围为：

0～100小时。

（4）具有定时时间显示和时钟显示，具有显示模式、显示目前定时组别、定时时间设置等功能。

（5）在220V交流电断电的情况下，干电池仍能保证单片机的定时状态及时钟走时正常工作；

待交流电通电后干电池停止供电，转换为220V交流电转为5V直流电供电。

（6）具有时钟设置功能，具有液晶节能模式（即在30秒内都没有按键按下的话，就关闭液晶背景灯光）。

2设计方案分析确定

2.1系统框图

通过查找资料进行方案论证和选择，可以确定出定时开关插座系统的整体构成，本系统的系统框图如图2.1所示。

本设计是以AT89S52单片机为核心，以设置键盘设置时钟时间、定时时间、模式选择、开始、停止等功能。

单片机控制继电器来控制电器插座的通、断，以达到控制电器的通、断。

定时时间范围内导通电器插座，实现给电器供电，其他时间则断开。

电源提供给单片机5V直流电，有交流220V转为直流5V供电和干电池供电两部分，可对系统实现不间断供电。

液晶显示模块，在设置键盘没有输入时，显示时钟、模式、定时时间、定时组别等信息；

当键盘设置开始时，显示出当前设置的变化。

复位能实现系统的硬件复位。

图2.1系统设置框图

2.2开关的选择

现代自动控制设备中，都存在一个电子电路——电气电路的互相连接的问题，一方面要是电子电路的控制信号能够控制电气电路的执行元件（电动机、电灯、热水器等），另一方面又要为电子线路的电器电路提供良好的电隔离，以保护电子电路和人身的安全。

电子继电器和光耦合器便能起到这一桥梁的作用。

下面简要介绍各个方案的特点。

方案一：

采用继电器作为控制220V通、断的开关。

固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。

SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。

选用SRD-05VCD-SL-C继电器最大电路可达到10A，即继电器的正常工作范围为0到2200瓦，可以给大部分家用电器供电。

方案二：

采用光耦合器实现单片机控制开关。

耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。

光耦合器以光为媒介传输电信号。

它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。

目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

本次设计开关部分可以用继电器也可以用光耦合器。

考虑到本设计继电器足以满足设计要求，而且继电器比光耦合器便宜，故选用继电器。

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。

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。

采用LCD液晶显示，可以显示所有字符及自定义字符，并能同时显示多组数据、汉字，字符清晰。

由于自身具有控制器，不但可以减轻主单片机的负担，而且可以实现菜单驱动方式的显示效果，达到友好的人机介面。

LCD显示能解决LED只能显示数字等几个简单字符的缺点，性能好，效果多，控制方便，显示方式多，且能耗也较少。

这次设计中不仅要显示相应的时钟、定时组别、目前运行的模式，而且还要显示出相应的定时开始时间和结束时间，需要显示的信息较多，所以采用方案二，用LCD显示结果。

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。

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。

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。

使用开关电源将220V交流电转为5V直流电给系统供电。

开关电源的体积小，重量轻。

但由于需要耐压不小于220V的电容等特殊的元器件，日常生活中较难找全器件，开关电源的散热比较差，不适宜长时间工作。

故此方案不适宜。

用变压器降压经整流桥整流和7805稳压后给系统供电。

变压器相对比较重，但他的电路稳定，适宜长时间供电。

能做到交流电供电正常时就能给系统正常供电。

但在交流电失电时系统会停止工作，这时的时钟也会停止走时。

在重新供电时系统会重启，从而造成原先设置的数据丢失。

故此方案存在漏洞，不适宜使用。

方案三：

使用干电池给系统供电。

干电池供电能让系统稳定的工作，时钟的走时不受交流电的影响。

干电池的价格相对交流电而言较贵，用干电池单独供电会造成使用成本提高的问题，此方案也存在不合理性。

方案四：

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：

单片机的每一个I/O口与一个按键相连，这样就可以根据扫描I/O口的电平变化实现相关功能。

这样可以很简单的实现按键的功能，但是会占用较多的I/O口，可能会出现I/O口不够用的情况，而且系统的可扩展性也会大大降低。

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、LCD12232液晶显示模块、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。

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3.1DIP-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。

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。

RST——复位输入。

当振荡器工作时，