(毕业设计)智能插座控制系统的硬件设计

1引言
本课题的题目是“智能插座控制系统的硬件设计”。

随着现代科学技术的发展,由于单片机具有优异的性能价格比，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，到处都有它的身影。

而单片机在智能仪器仪表中的应用是便其中最多、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。

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入了很多片的单片机。

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 智能插座的现状
智能插座控制系统的设计：目前市场上的排插功能太简单，有时满足不了人们需要！比如我们经常遇到的就是电动车充电问题，电动车充电时间通常是8个小时左右，太长则容易损耗电池，太短则充不满，如果在晚上充电，又经常不想从家里出来到车库去给车充电，或者白天充电了，晚上不想下车库或者忘了拔电等等，造成很大的不方便。

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，则在作饭时还可以享受音乐的服务。

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生活中必不可少的必需品，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、娱乐带来极大的方便。

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，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其主要特点：
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、采用数码管显示技术，准确显示定时时间，使用更加方便。

4、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（比如，什么时候接通，接通多久时间后断开），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，则在作饭时还可以享受音乐的服务。

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 系统方案设计及分析
3.1 微机控制系统介绍
微机控制系统或微机测控系统，即由微型机与其它器件和装置适当连接起来的所谓硬件，在软件的操作下协调运行执行预定的测量或控制任务。

当今社会，由于电子技术和微型计算机的迅速发展，它促进了微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用。

可以说，微机测控技术的应用已渗透到国民经济的各个部门。

国防技术、航空、航天、铁路、冶金、化工等产业自不必说，就连日常生活中也用上了微机控制的电梯、微波炉、电冰箱、电视机、电扇、智能照相机、玩具、模糊控制洗衣机、模糊控制空调机、携带式心脏监护器等，所有这些智能机电一体化产品的出现，无不是微机测控技术的成功应用。

而由单片机实现控制系统正是其中相当重要的一项。

3.2 微机控制系统的组成
微机控制系统包括硬件和软件两部分。

硬件是微机控制系统的物质基础。

它在软件的协调配合下运行，实现系统功能控制，完成控制任务。

硬件包括:主机、外部设备、编码器和译码器、键盘按钮和执行机构、开关量输入和输出通道、接口电路和电源。

控制系统的软件，指的是它的全部程序，包括系统软件和应用软件两大类。

3.3 系统设计方案
根据设计的要求及性能以及考虑到使用的可能性，智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。

因此对于智能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器定时计数和计数原理，使其能精确定时。

利用中断系统使其能实现开始暂停得功能。

P0口输出断码数据，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，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，选择好相应的器件，以方便地进行安装。

图1.4 功能说明图
4基于单片机的智能插座的硬件设计部分
4.1单片机的选择
单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。

单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。

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、存储器和I/O接口电路等。

因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。

单片机经过1、2、3、3代的发展，正朝着多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性方向发展。

其发展趋势不外乎以下几个方面：
1、多功能
单片机中尽可能地把所需要的存储器和I/O口都集成在一块芯片上，使得单片机可以实现更多的功能。

比如A/D、PWM、PCA（可编程计数器阵列）、WDT（监视定时器---看家狗）、高速I/O口及计数器的捕获/比较逻辑等。

有的单片机针对某一个应用领域，集成了相关的控制设备，以减少应用系统的芯片数量。

例如，有的芯片以51内核为核心，集成了USB控制器、SMART CARD接口、MP3解码器、CAN或者I*I*C总线控制器等，LED、LCD或VFD显示驱动器也开始集成在8位单片机中。

2、高效率和高性能
为了提高执行速度和执行效率，单片机开始使用RISC、流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能有了明显的提高，表现为：单片机的时钟频率得到提高；同样频率的单片机运行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，单片机的寻址能力、片内ROM （FLASH）和RAM的容量都突破了以往的数量和限制。

由于系统资源和系统复杂程度的增加，开始使用高级语言（如C语言）来开发单片机的程序。

使用高级语言可以降低开发难度，缩短开发周期，增强软件的可读性和可移植性，便于改进和扩充功能。

3、低电压和低功耗
单片机的嵌入式应用决定了低电压和低功耗的特性十分重要。

由于CMOS等工艺的大量采用，很多单片机可以在更低的电压下工作（1.2V或0.9V），功耗已经降低到uA 级。

这些特性使得单片机系统可以在更小电源的支持下工作更长的时间。

4、低价格
单片机应用面广，使用数量大，带来的直接好处就是成本的降低。

目前世界各大公司为了提高竞争力，在提高单片机性能的同时，十分注意降低其产品的价格。

下面大致介绍一下单片机的主要应用领域和特点。

（1）家用电器领域
用单片机控制系统取代传统的模拟和数字控制电路，使家用电器（如洗衣机、空调、冰箱、微波炉、和电视机等）功能更完善，更加智能化和易于使用。

（2）办公自动化领域
单片机作为嵌入式系统广泛应用于现代办公设备，如计算机的键盘、磁盘驱动、打印机、复印机、电话机和传真机等。

（3）商业应用领域
商业应用系统部分与家用和办公应用系统相似，但更加注重设备的稳定性、可靠性和安全性。

商用系统中广泛使用的电子计量仪器、收款机、条形码阅读器、安全监测系统、空气调节系统和冷冻保鲜系统等，都采用了单片机构成的专用系统。

与通用计算机相比，这些系统由于比较封闭，可以更有效地防止病毒和电磁干扰等，可靠性更高。

（4）工业自动化
在工业控制和机电一体化控制系统中，除了采用工控计算机外，很多都是以单片机为核心的单片机和多机系统。

（5）智能仪表与集成智能传感器
目前在各种电气测量仪表中普遍采用了单片机应用系统来代替传统的测量系统，使得测量系统具有存储、数据处理、查询及联网等智能功能。

将单片机和传感器相结合，可以构成新一代的智能传感器。

它将传感器变换后的物理量作进一步的变化和处理，使其成为数字信号，可以远距离传输并与计算机接口。

（6）现代交通与航空航天领域
通常应用于电子综合显示系统、动力监控系统、自动驾驶系统、通信系统以及运行监视系统等。

这些领域对体积、功耗、稳定性和实时性的要求往往比商用系统还要高，因此采用单片机系统更加重要。

目前，我国生产很多型号的单片机，在此，我们采用型号为AT89C2052的单片机。

第一，ATC89C2051单片机采用Flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容。

第二，AT89C2051片内含有2K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM。

第三，允许工作的时钟为0—24MHz。

第四，AT89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它不需要ALE、PSEN、RA、WR一类的引脚。

第五， AT89C2051共有20个引脚，它只继承了8031最重要的引脚，体积小巧。

4.2单片机的基本性能及结构
4.2.1 AT89C2051主要性能
AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(EEPROM)的8位单片机,它具有如下主要特性：
·和MCS-51产品的兼容
·2K字节可重编程闪速存储器
·耐久性：1,000写／擦除周期
·2.7V～6V的操作范围
·全静态操作：0Hz～24MHz
·两级加密程序存储器
·128×8位内部RAM
·15根可编程I/O引线
·两个16位定时器/计数器
·六个中断源
·可编程串行UART通道
·直接LED驱动输出
·片内模拟比较器
·低功耗空载和掉电方式
4.2.2 AT89C2051芯片的20个引脚及功能
图A T89C2051的引脚图
1. Vcc：电源电压。

2. GND：地。

3. P1口：P1口是一8位双向I/O口。

口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。

P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)和反相输入（AIN1)。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。

当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流(IIL)。

P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。

4. P3口：P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时,被外部拉低的 P3口引脚将用上拉电阻而流出电流(IIL)。

P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表1所示。

P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

5. RST：复位输入。

RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。

当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

6. XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。

7. XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。

P3口的功能 表
4.2.3 AT89C2051内部结构
AT89C2051是一带有2K 字节闪速可编程可擦除只读存储体(EEPROM)的低电压,高性能8位CMOS 微型计算机。

如图1所示，它采用ATMEL 的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS —51指令集和引脚结构兼容。

通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速
存储器,ATMEL AT89C2051
是一强劲的微型计算机,它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。

图A T89C2051内部结构图
此外,从AT89C2051内部结构图也可看出,其内部结构与8051内部结构基本一致（除模拟比较器外）,引脚RST、XTAL1、XTAL2的特性和外部连接电路也完全与51系列单片机相应引脚一致,但P1口、P3口有其独特之处。

AT89C2051的引脚说明
AT89C2051是一个有20个引脚的芯片,引脚如图1所示,与8051内部结构进行对比可发现,AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口）,使它最大可能地减少了对外引脚,因而芯片尺寸有所减少。

4.2.4 AT89C2051的软硬件约束
AT89C2051单片机由于引脚的限制，没有设置外部存储器的接口，所以，对于外部存储器的读/写指令如MOVX等不起作用。

由于ROM空间为2KB，所以，对于跳转指令要注意转移的目的地址范围（000H—7FFH）,超出地址范围时，将产生不可遇见的错误结果。

数据存储的范围是（00H—7FH），堆栈操作时亦应加以注意。

模拟比较器的输入信号经原来的P3.6引脚引入到单片机内，所以原来的P3.6脚已无法再外部使用。

模拟比较器可以方便的比较两个模拟电压的大小，若外接一个D/A转换器并将其输出作为模拟比较器的一个输入，而由模拟比较器的另一个输入端引入被
测电压，通过软件的方法也可以实现A/D 转换。

4.2.5 AT89C2051的存储器编程
AT89C2051单片机提供有2KB 的片内Flash 程序存储器，它允许在线修改或使用专用编程器编程。

a ．Flash 存储器加密位
AT89C2051单片机有2个加密位，可以编程（P ）或不编程（U ）以获得不同的加密功能。

加密功能表如表4.2.5所示。

表4.2.5（a ） AT89C2051单片机加密功能表
加密位内容的擦除只能通过片擦除操作来完成。

b ．Flash 存储器的编程和程序校验
（1）AT89C2051单片机的片内Flash 存储器编程模式如表4.2.5（b ）所示。

表4.2.5（b ） AT89C2051单片机编程模式表
注：①内部EPROM 的计数器在RESET 的上升沿复位到000H ，并由XTAL1，引脚正脉冲执行计数；
②片擦除需要10ms 的PROG 脉冲； ③编程期间P3.1被拉低来指示RDY/BSY.
c. AT89C2051单片机的片内Flash 存储器编程步骤如下：
①上电次序是在VCC 、GND 引脚加工作电压，RESET 、XTAL1引脚接到GND,悬浮其它引脚，等待大于10ms 以上时间；
LB1
U
P U U P
P
LB2 加密功能 无加密功能 禁止对Flash 再编程
禁止对Flash 再编程，还禁止程序校验
模式 写入代码数据 读出代码数据 写加密位LB1 写加密位LB2
芯片擦除 读信号字节 RESET 12V 12V 12V 12V H
H P3.2/PROG
P3.3 P3.4 P3.5 P3.7 H H
H H H
H H H H H H H H H L
L L
L L L
L L L
L L L
②在RESET 、P3.2引脚加高电平；
③在P3.3、P3.4、P3.5、P3.7引脚加模式电平； ④经P1.0—P1.7对000H 单元加入数据字节； ⑤升高RESET 到12V 激活编程；
⑥使P3.2跳变一次，编程一个字节或加密位；
⑦校验已被编程数据，使RESET 从12V 降到逻辑电平“H ”并设置P3.3—P3.7为正确的电平，可以在P1口输出数据；
⑧进行下一地址单元的字节编程，在XTAL1加一脉冲，使地址计数器加1，在P1口加入编程数据。

重复步骤①—⑧，完成整个2KB 的编程。

下电次序为：设置XTAL1、RESET 为“L ”,浮空其它I/O 引脚，关闭VCC 电源。

(3)编程及校验电路如图4.2.5（c ）4.2.5（d ）所示。

说明几点：
（1）编程期间P3.1被拉低来指示RDY/BSY ； （2）单片擦除需要
10ms 的PROG ；
（3）内部EEPROM 地址计数器在RESET 的上升沿复位到000H ，并由XTAL1引脚正脉冲执行计数。

4.3 智能插座的硬件系统设计
4.3.1 智能插座的硬件系统具体电路设计
PGM DATA
+5V
PGM DATA VIH
+5V
VIH 图4.2.5（c ） 编程电路 图4.2.5（d ） 校验电路
本课题要运用AT89C2051为核心芯片，同时选用DS1302为时钟芯片，74LS273构成触发电路驱动数码管的显示模块、键盘模块、继电器模块、复位电路模块、晶振电路模块等构成外围电路来完成智能插座控制系统的硬件设计，并协作软件设计实现课题所要求的功能。

系统的复位电路设计
单片机与其它微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内部的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如RST 引脚上有一个高电平并维持两个机器周期（由于一个机器周期包含6个状态，每个状态是2个振荡周期，所以也就是24个振荡周期），则CPU就可以响应并将系统复位。

假如采用12MHZ的晶振，那么复位时间大约是12μS。

复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

图5.1所示的手动复位电路可以实现上述基本功能。

C2051单片机复位信号高电平有效
图单片机复位电路
系统的晶振电路设计
图晶振电路
AT89C2051中有一个用于构成内部振荡器的高增益反响放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。

外接石英晶体或者陶瓷谐振器及电容C1,C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1,C2虽然没有严格要求，但电
容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性！因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30μF。

在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。

系统的继电器电路设计
继电器(relay)也是一种电门，但与一般开关不同，继电器并非以机械方式控制，而是一种以电磁力来控制切换方向的电门。

当线圈通电后，会使中心的软铁核心产生磁性，将横向的摆臂吸下，而臂的右侧则迫使电门接点相接，使两接点形成通路。

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。

单片机是一个弱电器件,一般情况下它们大都工作在5V甚至更低.驱动电流在mA级以下.而要把它用于一些大功率场合 ,显然是不行的.所以,就要有一个环节来衔接,这个环节就是所谓的"功率驱动".继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节.在这里,继电器驱动含有两个意思:一是对继电器进行驱动,因为继电器本身对于单片机来说就是一个功率器件;还有就是继电器去驱动其他负载,比如继电器可以驱动中间继电器,可以直接驱动接触器,所以,继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口.首先里面的三极管很重要.三极管是电子电路里很重要的一个元件.简单的来说三极管有两个作用一个是放大作用,一个是开关作用.(严格来讲开关作用是放大作用的极限情况,不过没关系,把两者分开,更便于理解它的工作原理).在这里,我们只了解它跟本电路有关的开关作用.
图4.3.4 继电器电路
要理解这个电路,其实也比较容易。

首先的,里面的三极管很重要。

三极管是电子电路里很重要的一个元件，简单的来说三极管有两个作用：一个是放大作用,一个是开关作用(严格来讲开关作用是放大作用的极限情况,不过没关系,把两者分开,更便于理解它的工作原理)。

在这里,我们只了解它跟本电路有关的开关作用。

首先把三极管想成一个水龙头。

上面的Vcc就是水池,继电器是一个水轮机,下面的GND是比水池低的任何一。

刚才说过,三极管就是水龙头,它的把手就是那个带有电阻的引脚。

现在,单片机的某一个需要控制这个继电器电路的输出引脚就是一只"手",当单片机的这个引脚输出低电平的时候,就像"手"在打开三极管"水龙头",水就从上往下流,继电器"水轮机"就开始转起来了。

反之,如果是输出高电平,"手"就开始关"水龙头",继电器"水轮机"因为没有水流下来,就会停止。

这就是三极管的开关作用。

简单的理解和记忆就是:三极管是一个开关器件,其实你真的可以将它看成是一个开关,只不过它不是用手来控制,而是用电压(电流)来控制的,因此,三极管有些时候也被称做电子开关(与机械开关相区别)。

图上还有一个东西就是继电器线圈两端反相并联的二极管,起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管,只要是用三极管驱动继电器的场合,一般都有它的存在。

需要特别注意的是它的接法:并联在继电器两端，阴极一定是接Vcc。