基于单片机的自动定时开关插座的设计

基于单片机的自动定时开关插座的设计内容摘要：

ED数码管，普通液晶屏，带汉字字符显示的液晶屏幕，以及有触摸功能的屏幕等等可用的显示设备之后，鉴于 LCD1602 这款液晶屏较低的采购价格，较好的显示效果和显示字符数的规格均符合设计需求，故决定采用这款不带汉字字符字库和触摸功能液晶显示屏幕。 其能很好的满足时间信息，定时信息，和模式状态的显示。 最后，作为扩展功能的红外接收头和红外发射器，将主要以外部中断的方式进行对整个开关系统的闭合和关闭的控制，以期能达到方便应用于大多数较难手动按键控制的应用环境中。 综上所述，在整 个系统中，将以整个单片机为核心，而 DS1302 时钟芯片作为时钟基准，配合按键输入的时间控制信息和红外遥控装置的控制信息，以达到定时开关被控制电路的效果，是典型的以弱电的设备控制强电电路开关的应用。 燕山大学本科生毕业设计（论文） 6 本章小结 本章主要对整个系统的总体结构进行了大致的描述，给出了整个系统的框图，并对于选择该设计方案进行了简单的说明。 在此基础之上，对系统总体的结构中的各个部分分别进行了简单的原理阐述，明确了各个部分在系统中的承担的功能和作用。 第 3章 主控制器与外围器件 7 第 3 章 主控制器与外围器件 STC12C5A60S2 单片机 STC12C5A60S2 单片机是中国大陆企业宏晶科技生产的单时钟 /机器周期 (1T)的单片机，是一种高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代增强型 8051 单片机，它不但完全兼容传统 8051 指令代码和管脚功能，而且其片内具有FLASH 工艺的大容量程序存储器，该款单片机内部就自带高代 60K FLASH ROM，这种工艺的存储器用户可以用点的方式瞬间擦除、改写。 此外，片上也集成了 180 字节的 RAM。 而且 STC 系列单片机支持串口程序烧写。 显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也打打缩短。 写入单片机内的程序还可以进行 加密，又很好的保护了开发者的劳动成果。 其最大的特点是采用以单时钟周期作为机器周期进行指令的执行，大大的提高了指令的执行速度，其速度可快 812倍。 内部也集成了 MAX810 专用复位电路， 2 路 PWM， 8路高速 10 位 A/D 转换（ 250K/S），针对电机控制，强干扰场合。 此外，其 I/O 口在功能上与标准 8051 通用，复位后可设置成四种模式 :准双向口 /弱上拉，强推挽 /强上拉，仅为输入 /高阻，开漏。 每个 I/O 口驱动能力可达 20mA，但整个芯片不要超过 120mA。 整体来看，虽为弱电控制器件，但其外部驱动能力较强，对于大 多外围受控器件，无需再添加模拟放大电路进行驱动，很大程度上降低了开发和制造成本。 在定时器方面，共有 4个 16位定时器，两个与传统的 8051 兼容的定时器 /计数器， 16 位定时器 T0和 T1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通信的波特率发生器，再加上 2路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器。 在外部中断方面，外部中断 I/O 口 7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的 PCA 模块， Power Down 模式可由外部中断唤醒 . 其有多种的封装方式，较常用且也为本次设计所用的芯片如下图（图31）所 示，其采用 PDIP（ 塑料双列直插式封装 ）： 燕山大学本科生毕业设计（论文） 8 图 31 STC12C5A60S2 单片机封装引脚图 LCD1602 液晶显示模块 LCD1602 液晶显示器，是基于液晶显示技术的点阵式显示屏幕，通过电压对其显示区域进行控制，具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动，且具有低功耗的特点，也大大的降低了发热量。 而液晶的性能也很大部分是取决于其液晶对于各像素点输入信号的响应时间，显然在单片机这样的较低速的控制系统中， LCD1602 作为较为简单的液晶显示屏幕，也足以能满足其应用需求，只要注意使 用延时设置，基本不会有显示模糊和闪烁的情况发生。 具体上来说， 1602 液晶是一种专用的字符型液晶，它专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 它由若干个 5*7 或者 5*11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。 由于其内带字符发生器，通常使用 RAM 来存储相应字符的各个像素点的信息，因此，字符发生器的控制器在显示时只需要控制显示的行列号及找到需要显示字符的 RAM 对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。 字符型液晶显示器目前常用 16*1,16*2,20*2 和 40*2 等规格的模块，综合 本设计的实际需求和成本限制，故在此选择了 16*2 规格（即可以显示两行，每行 16 个字符）的 LC1602 模块。 市面上字符型液晶大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理也是完第 3章 主控制器与外围器件 9 全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用与市面上大部分的字符型液晶。 引脚功能说明 LCD1602 采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表 31 所示 : 表 31 引脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据 /命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读 /写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 第 1 脚： VSS 为地电源。 第 2 脚： VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚： VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，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。 第 4 脚： RS为寄存器选择，高电 平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚： R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执燕山大学本科生毕业设计（论文） 10 行命令。 第 7～ 14 脚： D0～ D7 为 8位双向数据线。 第 15脚：背光源正极。 第 16脚：背光源负极。 该设计所使用的液晶模块具体如下实物图（图 32）所示： 图 32 LCD1602液晶显示 模块实物图 DS1302 实时时钟模块 实时时钟模块采用以 DS1302 实时时钟芯片为核心的集成化模块，DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一款高性能、低功耗的实时时钟芯片，并附加 31 字节静态 RAM，采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和 RAM 数据。 低功耗时钟芯片 DS1302 可以对年、月、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。 DS1302 用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。 这种记录对 长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。 采用 DS1302 作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。 在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。 记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析及正常运行具第 3章 主控制器与外围器件 11 有重要的意义。 传统的数据记录方式是隔时采样或 定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。 而在系统中采用 DS1302 则能很好地解决这个问题。 DS1302 时钟芯片包括实时时钟 /日历和 31 字节的静态 RAM。 它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。 实时时钟 /日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。 对于小于 31 天的月和月末的日期自动进行调整，还包括闰年校正的功能。 时钟的运行可以采用 24h 或带 AM（上午） /PM（下午）的 12h格式。 采用三线接口与 CPU 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或 RAM 数据。 DS1302 有主电源 /后备电源双电源引脚： VCC1 在单电源与电池供电的系统中提供低电源，并提供低功率的电池备份； VCC2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中， VCC1 连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。 DS1302 由 VCC1 或VCC2 中较大者供电。 当 VCC2 大于 VCC1+ 时， VCC2 给 DS1302 供电；当VCC2 小于 VCC1 时， DS1302由 VCC1 供电。 DS1302 数据操作原理 DS1302 在任何数据传送时必须先初始化，把 RST 脚置为高电平，然后把 8位地址和命令字装入移位寄存器，数据在 SCLK 的上升沿被输入。 无论是读周期还是写周期，开始 8 位指定 40个寄存器中哪个被访问到。 在开始8 个时钟周期，把命令字节装入移位寄存器之后，另外的时钟周期在读操作时输出数据，在写操作时写入数据。 时钟脉冲的个数在单字节方式下为 8加 8，在多字节方式下为 8加字节数，最大可达 248 字节数。 V c c 21X12X23GND4 R ST 5I/O 6SC L K 7V c c 1 8D S1302U3 图 33 DS1302管脚图 燕山大学本科生毕业设计（论文） 12 如果在传送过程中置 RST 为低电平，则会终止 本次数据传送，并且 I/O引脚变为高阻态。 上电运行时，在 VCC = 之前， RST 脚必须保持低电平。 只有在 SCLK 为低电平时，才能将 RST 置为高电平。 DS1302 的管脚图如图 33所示，表 32 为各引脚的功能。 表 32 DS1302引脚功能表 引脚号 引脚名称 功能 1 VCC2 主电源 2， 3 X1， X2 振荡源，外接 32768HZ晶振 4 GND 地线 5 RST 复位 /片选线 6 I/O 串行数据输入 /输出端（双向） 7 SCLK 串行时钟输入端 8 VCC1 后备电源 DS1302 的控制字如图 34所示。 控制字节的最高有效位（位 7）必须是逻辑 1；如果它为逻辑 0，则不能把数据写入到 DS1302 中。 位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟数据；为 1 表示存取 RAM 数据。 位 5～ 1（ A4～ A0）指示操作单元的地址。 最低有效位（位 0）如为 0，表示要进行写操作；为 1表示进行读操作。 控制字节总是从最低位开始输入 /输出。 图 34 控制字节的含义 为了提高对 32 个地址的寻址能力（地址 /命令位 1～ 5＝逻辑 1），可以把时钟 /日历或 RAM 寄存器规定为多字节（ burst）方式。 位 6 规定时钟或RAM，而位 0 规定读或写。 在时钟 /日历寄存器中的地址 9～ 31 或 RAM 寄存器中的地址 31 不能存储数据。 在多字节方式中，读或写从地址 0的位 0 开始。 必须按数据传送的次序写最先的 8个寄存器。 但是，当以多字节方式写 RAM 时，为了传送数据不必写所有 31 字节。 不管是否写了全部 31 字节，所写的7 6 5 4 3 2 1 0 1 RAM CK A4 A3 A2 A1 A0 RD W 第 3章 主控制器与外围器件 13 每一字节都将传送至 RAM。 数据读写时序如图 35 所示。 图 35 数据读写时序图 DS1302。