基于STC89C51单片机定时插座的设计与实现报告1

基于STC89C51单片机定时插座的设计与实现报告学校：贵州民族大学学院：理学院班级：2010级应用物理课程名称：普通物理实验小组成员：xx xx学号：201010020xx201010020xx目录前言 (3)1 设计要求及构思 (4)1.1 设计要求 (4)2 设计方案分析确定 (4)2.1 系统框图 (4)2.2 开关的选择 (5)2.3 显示方式选择 (6)2.4 单片机的选择 (6)2.5 电源部分的选择 (6)2.6 按键控制部分的实现 (6)3 主要元器件原理及其应用 (7)3.1继电器介绍 (7)3.1.1 继电器的继电特性 (7)3.1.2 继电器工作原理及特性 (7)3.1.3 继电器主要产品技术参数 (8)3.1.4 继电器的选用 (9)3.2 单片机STC89C51介绍 (10)4 系统硬件电路设计 (11)4.2单片机最小系统及数码管显示 (12)4.3 继电器驱动电路 (13)4.4键盘电路 (14)4.5 数码管驱动 (14)5 结束语 (17)附录1： (18)附录2： (19)摘要随着家用电器的越来越普及和人们生活节奏的加快，人们对电器的依赖性进一步提高，对电器的定时需求也进一步增大。

定时开关插座可用于电饭煲、饮水机、电视机、电脑、电动车电池的充电、定时开关电热毯等需要定时供电的场合。

定时开关插座的使用能够做到节能、安全、方便等。

本文介绍了一种基于STC89C51单片机的定时开关插座设计方案。

该系统是通过STC89C51的定时器0和定时器1实现时钟的24小时制或者100小时制的时钟走时，并通过数码管显示出来。

继电器的通、断通过比较继电器控制变量ray的值来确定。

定时时间的开始或者停止是通过每分钟比较一次开始时间数组begin和结束数组end 来确定，并在开始时对ray进行加1操作，在结束时对ray进行减1操作(ray的值不会出现负值)；当ray为0时继电器开关断开，非0时接通。

通过控制继电器的通断可以达到控制插座通断的目的。

本文首先介绍定时开关插座设计要实现的功能，接着阐述系统电路的设计及原理说明，包括设计方案选择、关键元器件介绍、电路设计说明（包括电源电路、键盘、单片机控制电路、数码管显示、继电器工作电路）软件设计流程以及系统的测试。

最后总结了定时开关插座设计完成的任务，分析系统的不足并提出了系统的应用展望。

关键词：定时开关；继电器；STC89C51单片机；数码管。

前言现如今，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100小时制时钟走时模式，可以实现100小时内的任意定时，定时时间范围最小为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。

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STC89C51单片机为核心，以设置键盘设置时钟时间、定时时间、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。

数码管显示模块，在设置键盘没有输入时，显示时间等信息；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（optical coupler ，英文缩写为OC ）亦称光电隔离器，简称光耦。

光耦合器以数码管显示 晶振 复位 电源 设置键盘 继电器 电器插座 受控电器STC89C51 单 片 机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。

本实验采用数码管显示方案，数码管与液晶相比，虽然液晶能显示更多的信息，但成本过高，考虑制作成本因素，所以采用数码管显示的方法。

2.4 单片机的选择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STC89C51单片机便宜，购买方便，故单片机选用STC89C51单片机。

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。

本试验中，采用220V交流电源经过变压器变压之后，采用三端稳压管7805获得单片机及其他单元电路所需要的5V直流电源。

2.6 按键控制部分的实现由于本实验设计中，只用了4个按键，所以采用了按键与单片机直接相连的方式，这样可以节省下一些不必要的元器件。

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、数码管显示模块、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。