基于51单片机节能控制器的设计与实现机电设备维修与管理本科论文.docx
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基于51单片机节能控制器的设计与实现机电设备维修与管理本科论文
xx环境保护工程职业学院
毕业设计（论文）
题目：
基于51单片机节能控制器的设计与实现
系：
机电工程系
专业：
机电设备维修与管理
班级：
xx机电设备维修与管理xx班
姓名：
xx
指导教师：
完成时间：
2016年4月17日
摘要
随着现代工业的飞速发展，整个世界对能源的需求越来越大，而我们知道世界能源的总量是一定的，针对能源的日益匮乏，节能产品的开发成功迅速成为人们的首选。
本课题设计节能控制器就是基于节能、节支的理念，以AT89C51O为核心设计的一种节能装置。
其核心实际是一台基于单片机的可控时钟，用1602点阵的液晶显示，时间控制点可通过按键来实现电器的工作时间的可调性。
同时其体积小、成本低，不仅适合嵌入到各种能耗大的工控设备中进行控制，也适合居民的家用电器节能控制。
体现了实用价值高、应用前景广泛等特点。
关键词：
节能节支；芯片AT89C51；单片机；可调性；液晶显示器
目录
1前言1
2系统开发软硬件概述2
2.1 单片机最小系统2
2.2 Proteus仿真软件简介3
2.3 Keil编译及调试软件简介3
3 设计方案概述4
3.1 本课题的设计要求4
3.2 单片机的选择4
3.3 本设计的方案简图5
4 系统硬件设计6
4.1 最小系统6
4.2 电源的设计7
4.3 键盘电路8
4.4 液晶显示电路9
4.5 看门狗芯片10
4.6 PCF8563日历时钟芯片的使用方法11
4.7 声光报警电路11
4.8 继电器控制电路12
5 软件设计及仿真13
5.1 软件设计分析13
5.2 Main函数流程图13
5.3 显示特定数字子程序14
5.4 键盘程序设计15
5.5 其他子程序17
5.6 调节时间的仿真18
5.7 系统设定工作时间到，系统报警19
6 总结20
7 参考文献21
1前言
随着我国经济高速发展，人民生活水平日益提高，能源和资源变得日益紧张，电力短缺已成为制约国民经济发展的突出矛盾。
目前我国照明消耗的电能约占电力生产总量的10％～20％，而城市公共照明则在照明耗电中占30％，并且近几年随着让城市亮起来的口号的提出，全国路灯的数量仍在迅猛地增长。
公共路灯节能的口号便由此而提出。
通常的节能途径有两个：
一个是采用节能光源；二是采用合理的控制线路。
本文在使用节能光源的情况下采用合理的控制线路来实现路灯节能。
在供电系统中，为避免送电过程中的线路损耗和用电高峰时造成末端电压过低，供电部门均采用较高电压进行传输。
因此路灯承受电压多高于灯具的额定电压。
然而据调查我国小型城市晚上21：
00后，大中城市00：
00以后道路上几乎空无一人。
从而造成了“人少车稀灯更亮”的不合理情况。
为了避免这种情况，大多数城市和地区均采用了发达国家早已淘汰了的隔盏关灯的原始路灯控制方法。
这种方法不仅导致路面照度分布不均，而且会减少路灯使用寿命。
本文采用“全年分三季，一季分时段”的分时控制思想实现节能的目的。
在不同的时段投入不同的供电电压运行，在保证路灯正常照明的前提下，兼顾到了用电低谷期节能的效果。
2系统开发软硬件概述
2.1 单片机最小系统
单片机最小系统，或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
下面给出一个51单片机的最小系统电路图（图2-1）：
图2-1
详细说明如下：
（1）复位电路:
由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般教科书推荐C 取10u，R取10K。
原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。
（2）晶振电路：
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作），在本电路中，取12M。
（3）单片机：
一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。
对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。
ＡＴ８９Ｃ５１单片机的共40个引脚功总共40个脚，电源用2个（Vcc和GND），晶振用2个，复位1个，EA/Vpp用1个，剩下还有34个。
29脚PSEN，30脚ALE为外扩数据/程序存储器时才有特定用处，一般情况下不用考虑，这样，就只剩下32个引脚，它们是：
P0端口P0.0-P0.7共8个；
P1端口P1.0-P1.7共8个；
P2端口P2.0-P2.7共8个；
P3端口P3.0-P3.7共8个；
2.2Proteus仿真软件简介
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件[9]。
它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合②支持主流单片机系统的仿真。
③提供软件调试功能。
④具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。
2.3 Keil编译及调试软件简介
目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程，其6.0以上的版本将编译和仿真软件统一为μVision（通常称为μV2）。
Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，由以下几部分组成：
μVisionIDE集成开发环境（包括工程管理器、源程序编辑器、程序调试器）、C51编译器、A51汇编器、LIB51库管理器、BL51连接/定位器、OH51目标文件生成器以及Monitor-51、RTX51实时操作系统。
3 设计方案概述
3.1 本课题的设计要求
由单片机的定时器定时，用1602液晶作显示终端（1602是字符型液晶，它是16*2的显示的。
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。
）；
时间可以通过按键调节；
通过对继电器的控制来实现电路的通断；
工作时间完成，声光报警；
方案论证与对比。
3.2 单片机的选择
单片机选用美国Atmel公司生产的AT89C52芯片，AT系列单片机是当今世界
上新型的电擦写8位单片机，该产品和Intel的MC-51系列单片机完全兼容，内部含有Flash存储器，有超强的加密功能，完全替代8751/52和87C51/52，低电压，
低电流，低功耗，有DIP，PLCC，QRP封装形式，有民用级，工业级，汽车级，军品级等多种产品规格。
它的特性表现在如下几个方面：
（1）内部含Flash存储器
由于内部含Flash存储器，编程错误亦无废品产生，因此在应用系统的开发过程中可以十分容易地进行程序的修改，大大缩短了应用程序的开发周期。
（2）与80C51引脚兼容
AT89系列单片机的引脚与80C51是一样的，所以当用AT89系列单片机取代80C51时，可以直接代换。
（3）可反复进行系统试验
每次试验可以编入不同的程序，从而使设计不断优化，而且随应用系统的变化，还可以方便地进行程序升级。
（4）价格低廉性能稳定相对于英特尔公司的MCS-51系列产品有更高的性价比。
结合本课题的实际情况：
芯片须有一定的内部ROM区以保存单片机程序；芯片中程序的读写必须方便，当调试中发现程序存在问题时便于改正和重写；鉴于Atmel单片机具有集成度高、系统结构简单、工艺特性好，可靠性和处理功能强、速度快等优点，可以满足本课题的需要，故本电路以AT89C52芯片为核心构成控制单元。
3.3 本设计的方案简图
该方案的系统由单片机、液晶、键盘扫描和继电器4部分组成。
单片机是整个系统的核心，其定时器的设置是实现所有功能的关键。
整个系统的运行方式如：
产生精确时钟及定时，LCD显示器输出扫描显示，同时控制继电器的工作与停止。
一旦有中断响应就立刻进行键盘扫描，通过按键重置继电器的工作时段。
中断返回后即按照设定的模式进入工作状态。
框图如图3-1所示：
SHAPE \*MERGEFORMAT
图3-1
4 系统硬件设计
本设计的硬件电路主要包括最小系统、控制电路、显示电路、驱动电路四大部分组成。
最小系统主要是为了使单片机正常工作；控制电路主要由开关和按键组成，由操作者根据相应的工作需求进行操作；显示电路主要是为了显示电机的工作状态和转速；驱动电路主要是对单片机输出的脉冲进行功率放大，从而驱动电机转动。
4.1 最小系统
图4-1
单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:
单片机、复位电路、晶振电路。
1）复位电路
由电容串联电阻构成，由图并结合"电容电压不能突变"的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。
典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。
一般教科书推荐C 取10u，R取10K。
原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。
至于如何具体定量计算，可以参考电路分析相关书籍。
2） 晶振电路
典型的晶振取11.0592MHz（因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率,用于有串口通讯的场合）/12MHz（产生精确的uS级时歇,方便定时操作），在本电路中，取12M。
3） 单片机IO口简介
单片机：
一片AT89S51/52或其他51系列兼容单片机。
对于31脚（EA/Vpp），当接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行;当接低电平时,复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。
4.2 电源的设计
4.2.1电源系统框图
图4-2
4.2.2 电源原理图
图4-3
4.2.3 电源原理简述
本系统设计为5V直流稳压电源给系统供电，AC220市电经220V～9V变压器变压，然后经桥式整流电路，再经电容滤波电路，经7805稳压管稳压，再进行二次滤波，输出较稳定的5V电压，给本系统供电。
本系统在实际仿真过程中，为简化设计流程,就直接用系统中自带的5V电源，代替了电源的制作。
4.3 键盘电路
4.3.1 键盘原理图示
图4-4
键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。
（1）去抖动:
每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。
抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5—20mm。
所谓抖动是指在识别被按键是必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识别正确无误。
去抖问题可通过软件延时或硬件电路解决。
（2）防串键：
防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新的按键按下时产生的问题。
常用的方法有双键锁定和N键轮回两种方法。
双键锁定，是当有两个或两个以上的按键按下时，只把最后释放的键当作有效键并产生相应的键码。
N键轮回，是当检测到有多个键被按下时，能根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。
（3）被按键识别：
如何识别被按键是接口解决的主要问题，一般可通过软硬结合的方法完成。
常用的方法有行扫描法和线反转法两种。
行扫描法的基本思想是，由程序对键盘扫描，通过检测到的列输出状态来确定闭合键。
4.3.2 按键定义及时间设置方法
（1）键码产生：
P2.4对应K1，SET（设置键），P2.5对应K2（移动光标键），P2.6对应K3（减键），P2.7对应K4（加键）。
（2）按键方法，按SET键，进入时间设置模式，按K2，可以移动光标，K3，K4可以加减当前的时间值
4.4 液晶显示电路
4.4.1 电路图示
图4-5
4.4.2 602字符型LCD的接口定义
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线
VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中：
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
低4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
低4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
低4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表4-6
4.5 看门狗芯片
为了监控检测模块工作正常，看门狗电路和芯片是单片机开发系统必不可少的部分，采用的X25054看门狗芯片主要功能有监控电源，防止运行程序跑飞，扩充控制芯片存储空间等。
4.6 PCF8563日历时钟芯片的使用方法
按I2C协议规约，PCF8563具有惟一的设备地址0A2H.本文重点研究PCF8563时、分、秒数据的读取方法，在此用到的内部寄存器包括控制/状态寄存器1（地址为00H）、秒寄存器（地址为02H）、分寄存器（地址为03H）、小时寄存器（地址为04H）。
由于寄存器中以BCD格式存储时、分、秒数据，所以各时间时间寄存器的高位无效。
为使PCF8563工作于普通模式，需要将控制/状态寄存器1置为00H,同时为了存储正确的时间数据，需要将读到的数据中无效的高位进行屏蔽。
若需要校对时间，只需对时、分、秒寄存器进行写操作即可。
4.7 声光报警电路
当控制时间结束,系统停止工作，并声光报警。
图4-7
4.8 继电器控制电路
利用三极管饱和导通和截止的的特性，本身就可以实现接通和断开的功能，但由于它的带载功率有限，所以需配继电器扩流，并且可以扩充触点的数量，该电路是PNP三极管，所以采用集电极接低电平方式输出，P37为上拉电阻，当基极没有输入脉冲或电压时，基极为高电平，因为这是反极性三极管，所以平时是截止的，只有基极输入低电平，降低基极电压，这时三极管导通，继电器线圈得电吸合，原常闭触点断开，常开触点吸合，完成设备的接通与断开功能。
图中二极管反向接在线圈两端，是保护线圈不受反峰电压的冲击，对继电器起到保护作用。
图示如下：
图4-8
5 软件设计及仿真
5.1 软件设计分析
系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。
程序是采用keilc51软件编写的,可以使液晶显示屏对特定数字、英文字母以及汉字组成的句子进行显示，并通过按键对显示内容实现控制、转换等功能。
主程序主要起到一个导向和决策功能，决定液晶显示屏该显示什么内容，该如何显示。
液晶显示屏各种功能的实现主要通过调用具体的子程序。
5.2 Main函数流程图
SHAPE \*MERGEFORMAT
图5-1
5.3 显示特定数字子程序
根据特定内容所要的显示地址，单片机对其进行划分地址模块，依次进行扫描，从而使其显示在液晶显示屏上。
显示特定数字的流程图如图所示。
SHAPE \*MERGEFORMAT
图5-2
5.4 键盘程序设计
5.4.1 键连击现象的克服和处理
当我们按下某个键时，对应的功能便会通过键盘分析程序得以执行，如果在操作者释放之前，对应的功能多次执行，如同操作者在连续不断的操作该键一样，这种现象就称为连击。
连击先可用图4-2-3所示流程图的软件方法来解决：
当某个键按下时，首先进行软件去抖处理，确认键被按下后，便执行与该键相对应的功能，执行完后不是立即返回，而是等待键释放之后再返回，使每一次按键只被响应一次，从而达到避免连击的目的。
如果把连击现象加以利用，有时会给操作者带来便利。
例如在某些仪器中。
因设计的按键很少，没有安排0～9数字键，只设置了一个调整键，这时需要采用加1（或者减1）的方法来调整有关参数，但当调整量较大时就需要多次按键，使操作者很不方便。
如果允许存在连击现象，我们只要按住键不放，参数就会不停的加1（或者减1），会让操作比较方便、快捷。
具体实现流程图如图4-2-3所示，其中加入的延时环节是为了控制连击的速度。
SHAPE \*MERGEFORMAT
图5-3 图5-4
5.4.2 键盘扫描子程序
根据键盘的当前状态，通过单片机对其进行扫描、处理。
键盘扫描程序的流程图如图1-6所示。
SHAPE \*MERGEFORMAT
图5-5
5.5 其他子程序
1） 延时子程序完成延时功能。
2） 位子程序对液晶显示屏的接口时序类型进行选择，从而实现对其的复位功能。
3） 写指令子程序完成对指令的写入功能。
4） 数据子程序完成对数据的写入功能。
5） 关、开屏子程序完成对液晶显示屏的关、开功能。
6） 起始行设置子程序完成对初始化行位置的设置。
7） 设置指令输入地址子程序完成对内容显示位置的不同设置。
8） 清屏子程序实现对液晶显示屏的清除。
9） LCD初始化子程序实现对液晶显示屏初始化的功能。
10） 变量初始化子程序完成对中英文内容状态值、按键状态等初始化设置。
5.6 调节时间的仿真
图5-6
5.7 系统设定工作时间到，系统报警
图5-7
6 总结
这次毕业论文能够得以顺利完成，是所有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。
我要在这里对他们表示深深的谢意！
首先，要特别感谢我的指导老师。
在我毕业论文的撰写过程中，给我提供了极大的帮助和指导。
从开始选题到中期修正，再到最终定稿，陈老师给我提供了许多宝贵建议。
老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。
不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。
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附件
附件1整机原理图
附录2系统仿真图
升级会员 