2022年李浩然智能控制开关设计方案 .pdf

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1、数理与信息工程学院单片机原理及应用期末课程设计题目：智能控制开关的设计专业：电子信息工程班级：电信 041 班姓名：李 浩 然学号： 04610116 指导老师：余 水 宝成绩：15 格式规范 , 属于自己的东西少 ( 2007.1 ) 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 17 页目 录第1节引言1 1.1 智能控制开关概述11.2 本设计任务1第2节智能控制开关硬件设计3 2.1 系统的硬件构成及功能 3 2.2 AT89C51单片机及其引脚说明3 2.3 DS12887时钟芯片及引脚说明4 2.4 键盘控制和实时显示电路

2、. 5 2.5密码、时间设置掉电存储电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 17 页路7 2.6 电源电路8 2.7开关控制电路8 第3节系统软件设计9 3.1系统主程序设计9 第4节系统调试与测试结果分析12 4.1使用的仪器仪表124.2系统调试13 结束语14 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 17 页参考文献15 附录16 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 17 页智能控制开关

3、的设计数理与信息工程学院电信041 李浩然指导老师：余水宝第 1 节引言在自动测控系统中，特别是长时间无人值守的测控系统中，经常需要进行长达几小时的定时操作。若采用单片机设计时，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。由于DS12887 时钟芯片能很好地解决以上问题，因此，我们基于该芯片设计了一款智能控制开关。1.1 智能控制开关概述卧们所设计的智能控制开关是由单片机89C51 控制电路、按键与LCD显示电路和掉电存储电路以及电源电路组成，电路十分的简单，主要由51 芯片编程实现，功能十分的强大，时间精度非常高，是一款

4、比较实用的智能开关，同时也是一件有欣赏价值的工艺艺术品。1.2本设计任务要求：（1） 密码保护和设置；（2） 实时显示和定时控制显示；（3） 密码和定时断电保护；（4） 准时对开关进行控制（开和关）；（5） 写出详细的设计报告；（6） 给出全部电路和源程序。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 17 页第 2 节 智能控制开关硬件设计2.1 系统的硬件构成及功能智能开关控制的原理框图如图2 所示。它由以下几个部件组成：单片机89C51 、电源电路、掉电存储电路、开关控制、键盘输入和显示以及电源电路组成。时间显示采用LCD160

5、2 ，以降低对单片机端口数的要求，同时也降低系统的功耗。时间控制电路和键盘输入以及掉电存储都通过89C2051 的 I/O口控制。电源部分：电源部分由整流、滤波和集成稳压器组成，以保证系统稳定工作。EEPROM 存储器AT89C51电源DS12887时钟LCD1602 显示键盘输入开关控制图 2-1 智能开关控制系统原理框图22 AT89C51 单片机及其引脚说明AT89C51单片机是51 系列单片机的一个成员，内部自带4K 字节可编程FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能

6、CMOS8 位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C51构成的单片机系统是具有结构简单、造价低廉、效率高的微控制系统，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。AT89C51是一个有40 个引脚的芯片，引脚配置如图3 所示。与8031 相比，AT89C51自带 4K的 ROM 和 128B的 RAM ，因此编写中小型系统就无需任何硬精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 17 页件进行扩展。图 2-2 AT89C51引脚配置

7、AT89C51芯片的 40 个引脚功能为：VCC ：电源电压。GND ：接地。RST ：复位输入。当 RST变为高电平并保持2 个机器周期时，所有I/O 引脚复位至“ 1”。XTAL1 ：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 ：来自反向振荡放大器的输出。ALE/PROG ：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6 。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁

8、止ALE的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN ：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 17 页FFFFH ），不管是否有内部程序存储器。注意加密

9、方式1 时，/EA 将内部锁定为RESET ；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（ VPP ）。P0 口：8 位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 / 地址的第八位。在FIASH 编程时， P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时， P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：8 位双向 I/O 口。引脚 P1.2P1.7 提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这是因内部上拉的

10、缘故。P1.0 和 P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1 口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器； P1口引脚写入“ 1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1 口也可接收编码数据。P2口：带内部上拉电阻的8 位双向 I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出4 个TTL 门电流，当P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高

11、八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3 口：引脚 P3.0P3.7 为带内部上拉的双向I/0引脚。 P3 口的输出缓冲器能接收 20mA的灌电流； P3口写入“ 1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见表1。P3 口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号。表 2-1 P3口特殊功能P3口引脚特殊功能P3.0RXD （串行输入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2（外部中断 0）P3.3（外部中断 1）精选学习资料

12、 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 17 页P3.4T0（定时器 0 外部输入）P3.5T1（定时器 1 外部输入）P3.6/WR （外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）23 DS12887时钟芯片及引脚说明DS12887 如下图4 所示，它可直接替换IBM AT 计算机的时钟/ 日历与MC146818B和 DS1287 管脚兼容在掉电方式下持续工作十年以上内部包含锂电池，时钟和辅助电路系统记量秒、分、小时、星期、日期、月、年和润年直到2100 年用二进制或 BCD码表示时间，日历和闹钟12 或 24 小时方式，

13、有上下午的 12 小时方式夏时制方式可选择使用Motorola 或 Intel总线时序。地址、数据管脚复用 128 字节 RAM 空间， 14 字节用于时间和控制寄存器，114 字节用于普通用途可编程方波输出信号总线兼容的中断信号（IRQ）可分别通过软件屏蔽的三个中断：1、闹钟、每秒或每天2、122ms500ms 周期性中断3、时钟更新周期结束图 2-3DS12887 引脚配置GND ，VCC ：直流电源 +5V电压。当 5V 电压在正常范围内时，数据可读写；当 VCC 低于 4.25V，读写被禁止，计时功能仍继续；当VCC下降到 3V以下时，RAM 和计时器被切换到内部锂电池。MOT( 模式

14、选择 )：MOT 管脚接到 VCC时，选择 MOTOROLA时序，当接到 GFND时，选择 INTEL时序。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 17 页SQW( 方波信号同 ) ：SQW 管脚能从实时时钟内部15 级分频器的 13 个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。AD0 AD7(双向地址 / 数据复用线 ) ：总线接口，可与MOTOROLA微机系列和INTEL微机系列接口。AS(地址选通输入 ) ：用于实现信号分离，在AD/ALE 的下降沿把地址锁入DS12887 。DS(数据选通或读输入

15、) ：DS/RD客脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTOROLA时序时， DS 是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示 DS12887驱动双向总的时刻，在写周期，DS的后沿使 DS12887锁存写数据。选择INTEL时序时， DS称作(RD)，RD与典型存贮器的允许信号 (OE)的定义相同。R/W(读/ 写输入) ：R/W 管脚也有两种操作模式。选MOTOROLA时序时， R/W是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DSO为高电平时， R/W高电平指示读周期， R/W低电平指示写周期；选INTEL 时序， R/W信号是一低电平信号，称为 WR 。

16、在此模式下， R/W管脚与通用 RAM 的写允许信号 (WE)的含义相同。 CS(片选输入 ) ：在访问 DS12887的总线周期内，片选信号必须保持为低。IRQ(中断申请输入 ) ：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断条件满足时， IRQ处于高阻态。 IRQ线是漏极开路输入，要求外接上接电阻。24 键盘控制和实时显示电路采用独立按键占用了单片机I/O口，因此在设计该系统时，为了减少单片机 I/O 口的使用，采用了行列式键盘，如下图5 所示。图 2-4 为行列式键盘原理图S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14S15S16S1S2S3S4P2.5P2.6P2.7P2.2P2.0

17、P2.1P2.3P2.4精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 17 页实时控制和显示分别采用了DS12887时钟芯片和 1602LCD 液晶， DS12887时钟芯片可直接替换IBM AT 计算机的时钟 / 日历与 MC146818B 和 DS1287管脚兼容，在掉电方式下持续工作十年以上，内部包含锂电池，时钟和辅助电路系统，记量秒、分、小时、星期、日期、月、年和润年直到2100 年，可用二进制或 BCD 码表示时间，日历和闹钟，12 或 24 小时方式，有上下午的12 小时方式等功能；为了减小整个系统的功耗，不采用数码管作

18、为显示器件，而用1602LCD作为来显示时间和要定时的时间，并且这两个芯片接通电源可以直接用单片机编程对它进行操作。下图6 为实时控制和显示电路原理图。图 2-5 实时控制和显示电路原理图2.5 密码、时间掉电存储电路由于系统要显示的内容比较简单，但是定时的时间设置好了，断电了之后什么都没了，再一个进入系统需要密码，并且该密码可以人为通过键盘设置，但是设置好了，断了电和设置好的时间一样会丢失，因此为了保护时间和密码，该系统就需要有断电存储电路，由于显示量不多, 所以选用I2C 器件AT24C02 。该存储电路如图7 所示。图 2-6 密码、时间掉电存储电路UOT1NC2NC3AD04AD15A

19、D26AD37AD48AD59AD610AD711VSS12/CS13A514R/W15NC16RS17/RST18/VR019NC20NC21NC22SQW23VCC24j8DS12C887GND1Vcc2VL3RS4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714LED+15LED-16j6LCD162VCCVCCVCCC7CAPC8CAPY1CRYSTALR9RES2VCCC6CAPRXD10TXD11ALE30/PSEN29/WR16/RD17P2.728P2.627P2.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021P0.73

20、2P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40GND20/EA31XTAL119XTAL218RESET9/INT012/INT113T014T115P1.78P1.67P1.56P1.45P1.34P1.23P1.12P1.01j789C51P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7A01A12A23A34VCC8WP7SCL6SDA5j5AT 24C02VCCR74.7k /5.1kR84.7k/5.1kVCCP3.4P3.5精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第

21、11 页，共 17 页2.6 电源电路为了给该数据采集系统提供一个比较稳定的工作环境，就此为该系统设计了一个稳压电源模块，电路原理如下图8 所示，该电源模块5V固定输出，采用了稳压模块7805，该系列集成稳压模块具有过流、过热和调整管安全工作区保护，以防止过载而损坏。对于整个系统的工作而言，增加了电路的可靠性能和稳定性能。图 2-7 电源原理图2.7 开关控制电路该电路采用光电耦合器件（MOC3041）进行隔离控制， MOC3041 是耐压为 400V 的光耦器件，它的输出级由过零触发器的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通与关断。100电阻与 0.01uF 电容组成双向可控硅保护电

22、路，原理图如下图9所示。图 2-8 开关控制电路1234B11N4007*4C40.3C11000PFC2334LED1LED3Vin1GND2+5V3J1LM7805CTR11kT1TRANS3VCCC3100u220V 112233665544J2MOC3041C50.01/630VLDE2LED312U1ANORR21kR3300/2wR4300R539/2WR6RES2Q1TRIACVCC12J3 CON212J4CON2P2.7VCC精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 17 页第 3 节系统的软件设计本系统的软件

23、系统主要完成修改时间、修改密码、定时通断电等功能。在程序设计过程中，加强了部分软件抗干扰措施，以达到按键的灵活性，确保整个系统的正常运行。系统流程图如下图所示图 3-1 程序流程图开始系统初始化显示时间修改时间修改密码放电时间到否开关断开，不通电修改时间子程序修改密码子程序开关接通，放电YYYNNN精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 17 页第 4 节 系统调试与测试结果分析4.1 使用的仪器仪表数字万用表DT9203单片机仿真器WAVE6000烧写器GF2100双踪稳压稳流电源DH1718E-5数字示波器TDS1002

24、4.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 17 页结 束 语上述智能开关，无论在外观上还是功能上都实现了较为完善的设计。特别值得一提的是本系统在精度上的设计，由于采用的是DS12887 时钟芯片，在断电情况下能运行十年，不丢失数据，从而在断电后无须再校时，有效地降低了时间误差。由于在画原理图时每个集成芯片的电源脚都有一个旁路电容连到地，从而巧妙地抑制了电磁干扰。本系统

25、在编写软件时还用了各种延迟程序来设置了按键的灵活性。因而此产品可广泛应用于家庭中，系统可靠，工作方便。通过这次做课程设计的锻炼，使我学到了许多书本中没有的东西！从选题到构思设计方案，尤其是在确立设计方案的过程中了解到了很多东西！特别是在芯片的选择上，了解到了许多平时很少接触的芯片的功能及优缺点！通过这次锻炼也给自己树立起了信心！同时也深刻体会到了“遇到困难，解决困难！”这句话的含义，只有这样才能真正提高自己的水平，真正的把学到的知识应用到实际中去！真正做到学以至用！精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 17 页附录1系统实物

26、图2. 电路原理图3. 智能开关使用说明(1) 当你按下复位键的时候，系统开始初始化，这个按键在使用的时候最好不要去按它，除非死机了才按这个按键。若是按了这个键，那必然要重新调整当前的时间值。(2) 当你按下修改密码按钮的时候， LCD 液晶显示屏上显示输入原密码，密码输入正确后再修改密码，待确认后，此时密码就变为新的密码。(3) 若你按下修改时间按钮的时候，LCD液晶显示屏上显示输入密码，待输入正确密码后方可修改时间。此时系统按修改后的时间进行定时通断电。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页，共 17 页参考文献1 谢自美，电

27、子线路设计实验测试。华中理工大学出版社2 张毅坤 陈善久 裘雪红，单片微型计算机原理及应用，西安电子科技大学出版社3 沈任元 吴勇，常用电子元器件手册，机械工业出版社4 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉， 8051 单片机实践与应用，清华大学出版社5 吕国芳 张玉华 , AT24C02 在电压控制系统中的应用，国外电子测量技术 #2004 年增刊6 陈世同 , 梁 辉, 张 成, 毛泽安 , AT24C02 在光纤陀螺测试中的应用 , 第 32 卷第 12期应用科技7 王念旭 .DSP基础与应用系统设计 M. 北京: 北京航空航天大学出版社 ,2000. 8 曾繁泰 , 陈美金 .VHDL程序设计 M.

28、 北京: 清华大学出版社 ,2000. 9 李 现 勇 .VisualC+ 串 口 通 信 技 术 与 工 程 实 践 M. 北 京 : 人民 邮电 出版社,2002. 10 闫胜利 ,DS12887功能简介以及在 LED显示屏中的应用 ,长春工程学院学报 ( 自然科学版 )2001 年第 2 卷第 2 期11 http:/ 12 李及.MCS-96系列单片机原理与应用 M. 长春: 吉林科学出版社 ,1996. 13 何立民. 单片机应用技术选编 M. 北京: 北京航空航天大学出版社 ,1997. 14 王福瑞 . 单片微机测控系统设计大全M. 北京 : 北京航空航天大学出版社,1999. 15 孙涵芳.Intel16位单片机 M. 北京: 北京航空航天大学出版社,1995. 16 佟云峰 , 时钟芯片 !#$%& 在单片机系统中的应用 , 昆明冶金高等专科学校学报17 刘红，韩太林，实时日历时钟芯片DS12887与 MCU-51单片机的接口技术，第 20卷第二期，长春光学精密机械学院学报精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 17 页