【正文】 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 1 頁(yè) 共 36 頁(yè) 1 引言 本課題的題目是“智能插座控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)” 。 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,由于單片機(jī)具有優(yōu)異的性能價(jià)格比，集成度高、體積小、可靠性高，控制功能強(qiáng)，低電壓、低功耗等特點(diǎn)，因此它的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，無(wú)論是工業(yè)部門(mén)、民用部門(mén)、事業(yè)部門(mén)和家用等領(lǐng)域，到處都有它的身影。而單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用是便其中最多、最活躍的領(lǐng)域之一。在各種儀器儀表中引入單片機(jī)，不但使儀器儀表智能化，提高測(cè)試的自動(dòng)化程度和精度，更能簡(jiǎn)化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價(jià)格比。 單片微型計(jì)算機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支，它成為今天工業(yè)控制領(lǐng)域 、通訊設(shè)備、信息處理以及日 常生活中最廣泛使用的計(jì)算機(jī)。如：數(shù)控電梯、數(shù)控機(jī)床、交通燈管理系統(tǒng)、掌上電腦、手機(jī)、電子詞典、各種智能醫(yī)療器械等；家用電器中常用產(chǎn)品如：微波爐、電磁爐、洗衣機(jī)、電視機(jī)等內(nèi)均看到它的身影；游戲機(jī)、手提電話(huà)機(jī)等、就連一臺(tái)微機(jī)系統(tǒng)中也嵌入了很多片的單片機(jī)。電子定時(shí)器可用一般數(shù)字電路搭建而成，一臺(tái)四位數(shù)的定時(shí)器要用十多片數(shù)字電路組成，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，而且功能有一定的局限性。如用單片機(jī)制作定時(shí)器，外圍電路簡(jiǎn)單，用其靈活的編程，使定時(shí)器可有更多的功能選擇。 2 課題研究背景 智能插座的現(xiàn)狀 智能插座控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：目前市場(chǎng)上的排插功能太簡(jiǎn)單，有時(shí)滿(mǎn)足不了人們需要！比如我們經(jīng)常遇到的就是電動(dòng)車(chē)充電問(wèn)題，電動(dòng)車(chē)充電時(shí)間通常是 8個(gè)小時(shí)左右，太長(zhǎng)則容易損耗電池，太短則充不滿(mǎn)，如果在晚上充電，又經(jīng)常不想從家里出來(lái)到車(chē)庫(kù)去給車(chē)充電，或者白天充電了，晚上不想下車(chē)庫(kù)或者忘了拔電等等，造成很大的不方便。本著這一思想于是提出了本課題， 第一 利用單片機(jī)，直流控制交流繼電器等部件實(shí)現(xiàn)排插的定時(shí)開(kāi)關(guān)功能（比如，什么時(shí)候接通，接通多久時(shí)間后斷開(kāi)）， 第二 提供語(yǔ)音服務(wù)功能，比如播放音樂(lè)，如使用這一排插控制電飯 煲，則在作飯時(shí)還可以享受音樂(lè)的服務(wù)。 智能插座控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)全部是基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)。 智能插座可以用于所有家庭電器，比如電動(dòng)車(chē)，手機(jī)，電腦，等等。因此研究智能插座有很大的實(shí)用意義。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 2 頁(yè) 共 36 頁(yè) 智能插座已成為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚谋匦杵?，廣泛用于個(gè)人家庭以及一些公共場(chǎng)所，給人們的生活、學(xué)習(xí)、工作、娛樂(lè)帶來(lái)極大的方便。由于 單片機(jī)控制 電路技術(shù)的發(fā)展和采用了先進(jìn)的石英技術(shù)，使智能插座具有定時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。 智能插座 發(fā)展趨勢(shì) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ,由于單片機(jī)具有優(yōu)異的性能價(jià)格比，集成度高、體積小、可 靠性高，控制功能強(qiáng)，低電壓、低功耗等特點(diǎn)， 成品價(jià)格的下降，越來(lái)越被廣大群眾所接受，這種新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，勢(shì)必在 日常 生活中產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 由單片機(jī)為核心的控制器控制現(xiàn)在排插 其主要 特點(diǎn) ： 具有定時(shí) 。當(dāng)前有的產(chǎn)品 使用也相對(duì)方便，多個(gè)電器設(shè)備可以同時(shí)使用。但是在使用的過(guò)程中具有一定的局限性?，F(xiàn)在生活水平的提高，城市人口的聚集，多數(shù)居住在高樓大廈，這給像電瓶車(chē)一樣的較大需充電設(shè)備帶來(lái)一定的麻煩。在車(chē)庫(kù)充電完成需要下樓拔掉電源或因時(shí)間長(zhǎng)久忘記切斷電源等等，帶來(lái)一些不便。智能插座則具有定時(shí)功能，根據(jù)充電需要自行設(shè)置充電 時(shí)間。 具有語(yǔ)音功能 。 可根據(jù)需要選擇語(yǔ)音播放。 采用數(shù)碼管顯示技術(shù)，準(zhǔn)確顯示定時(shí)時(shí)間，使用更加方便 。 制作簡(jiǎn)單 ， 成本低。 采用單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)功能， 節(jié)約了大量線(xiàn)材和人工費(fèi)用，也不用技術(shù)專(zhuān)家指導(dǎo)，普通用戶(hù)可自行安裝， 一步到位。 當(dāng)我們只有充分了解了 單片機(jī) 的發(fā)展趨勢(shì)，并掌握 插座 的知識(shí)，才能在這一行業(yè)更好更有力的發(fā)展。 本設(shè)計(jì)的市場(chǎng)前景 使用 單片機(jī)技術(shù)完善現(xiàn)有插座功能 ，滿(mǎn)足人 們 的需求，目前市場(chǎng)還沒(méi)有出現(xiàn)這個(gè)產(chǎn)品，很有競(jìng)爭(zhēng)力。 據(jù)了解，目前 市場(chǎng)上排插的功能單一 ， 我們只要在現(xiàn)有的排插上安裝一個(gè)由 單片機(jī)控制的控制器就可以了。 也就是說(shuō)， 第一利用單片機(jī)，直流控制交流繼電器等部件實(shí)現(xiàn)排插的定時(shí)開(kāi)關(guān)功能（比如，什么時(shí)候接通，接通多久時(shí)間后斷開(kāi)），另一個(gè)提供語(yǔ)音服務(wù)功能，比如播放音樂(lè)，如使用這一排插控制電飯煲，則在作飯時(shí)還可以享受音樂(lè)的服務(wù)。 在設(shè)計(jì)時(shí)要注意的是電路控制模塊要足夠小，選擇好相應(yīng)的器件，以方便地進(jìn)行安裝。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 3 頁(yè) 共 36 頁(yè) 3 系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì)及分析 微機(jī)控制系統(tǒng)介紹 微機(jī)控制系統(tǒng)或微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，即由微型機(jī)與其它器件和裝置適當(dāng)連接起來(lái)的所謂硬件，在軟件的操作下協(xié)調(diào)運(yùn)行執(zhí)行預(yù)定的測(cè)量或控制任務(wù)。 當(dāng)今社會(huì)，由 于電子技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，它促進(jìn)了微型計(jì)算機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)。國(guó)防技術(shù)、航空、航天、鐵路、冶金、化工等產(chǎn)業(yè)自不必說(shuō)，就連日常生活中也用上了微機(jī)控制的電梯、微波爐、電冰箱、電視機(jī)、電扇、智能照相機(jī)、玩具、模糊控制洗衣機(jī)、模糊控制空調(diào)機(jī)、攜帶式心臟監(jiān)護(hù)器等，所有這些智能機(jī)電一體化產(chǎn)品的出現(xiàn)，無(wú)不是微機(jī)測(cè)控技術(shù)的成功應(yīng)用。而由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)正是其中相當(dāng)重要的一項(xiàng)。 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 微機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。 硬 件是微機(jī)控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。它在軟件的協(xié)調(diào) 配合 下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)功能控制，完成 控制任務(wù)。硬件包括 :主機(jī)、外部設(shè)備、編碼器和譯碼器、鍵盤(pán)按鈕和執(zhí)行機(jī)構(gòu) 、開(kāi)關(guān)量輸入和輸出通道、接口電路和電源?？刂葡到y(tǒng)的軟件，指的是它的全部程序，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類(lèi)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 根據(jù)設(shè)計(jì)的要求及性能以及考慮到使用的可能性，智能插座的主要功能是定時(shí)作用，使日常使用的需充電的電器設(shè)備在充電中更加方便。插座的功能即是在電器完成定時(shí)充電以后插座能自行切斷電源。因此對(duì)于智能插座的設(shè)計(jì)可以理解為設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)構(gòu)成的定時(shí)器 。 硬件電路主要包括主控制器， 定時(shí) 與顯示電路 ，鍵盤(pán)電路 等 。主控制器采用單片機(jī) AT89C2051，顯示電路采用共陽(yáng)極 LED數(shù)碼管顯示時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用 AT89C2051單片機(jī)的定時(shí)器計(jì)數(shù)器定時(shí)計(jì)數(shù)和計(jì)數(shù)原理，使其能精確 定時(shí) 。利用中斷系統(tǒng)使其能實(shí)現(xiàn)開(kāi)始暫停得功能。 P0口輸出斷碼數(shù)據(jù)， 。， , 5個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，分別實(shí)現(xiàn) 計(jì)時(shí) ， 時(shí)調(diào)節(jié)，分調(diào)節(jié)，語(yǔ)音，暫停 功能。電路的基本要求是正確性，其次是布局 =合理，最后在這兩點(diǎn)下要求美觀。 在設(shè)計(jì)時(shí)要注意的是電路控 制模塊要足夠小，選擇好相應(yīng)的器件，以方便地進(jìn)行安裝。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 4 頁(yè) 共 36 頁(yè) 圖 功能說(shuō)明圖 4 基于單片機(jī)的智能 插座 的硬件設(shè)計(jì)部分 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn) 稱(chēng)單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱(chēng)為微控制器。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、存儲(chǔ)器和 I/O接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖?外部設(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 單片機(jī)經(jīng)過(guò) 3代的發(fā)展， 正朝著多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價(jià)格、大存儲(chǔ)容量、強(qiáng) I/O功能及較好的結(jié)構(gòu)兼容性方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)不外乎以下幾個(gè)方面： 多功能 單片機(jī)中盡可能地把所需要的存儲(chǔ)器和 I/O口都集成在一塊芯片上，使得單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)更多的功能。比如 A/D、 PWM、 PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）、 WDT（監(jiān)視定時(shí)器看家狗）、高速 I/O口及計(jì)數(shù)器的捕獲 /比較邏輯等。 有的單片機(jī)針對(duì)某一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，集成了相關(guān)的控制設(shè)備，以減少應(yīng) 用系統(tǒng)的芯片數(shù)量。例如，有的芯片以 51內(nèi)核為核心，集成了 USB控制器、 SMART CARD 接口、MP3解碼器、 CAN或者 I*I*C總線(xiàn)控制器等， LED、 LCD或 VFD顯示驅(qū)動(dòng)器也開(kāi)始集成在 8位單片機(jī)中。 高效率和高性能 控制開(kāi)關(guān) 單 片 機(jī) 數(shù) 碼 管 位 驅(qū) 動(dòng) 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 5 頁(yè) 共 36 頁(yè) 為了提高執(zhí)行速度和執(zhí)行效率，單片機(jī)開(kāi)始使用 RISC、流水線(xiàn)和 DSP的設(shè)計(jì)技術(shù)，使單片機(jī)的性能有了明顯的提高，表現(xiàn)為：?jiǎn)纹瑱C(jī)的時(shí)鐘頻率得到提高；同樣頻率的單片機(jī)運(yùn)行效率也有了很大的提升；由于集成度的提高，單片機(jī)的尋址能力、片內(nèi) ROM（ FLASH）和 RAM的容量都突破了以往的數(shù)量和限制。 由于系統(tǒng)資源和系統(tǒng)復(fù)雜程度的增加，開(kāi)始使用高級(jí)語(yǔ)言（如 C語(yǔ)言）來(lái)開(kāi)發(fā)單片機(jī)的程序。使用高級(jí)語(yǔ)言可以降低開(kāi)發(fā) 難度，縮短開(kāi)發(fā)周期，增強(qiáng)軟件的可讀性和可移植性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充功能。 低電壓和低功耗 單片機(jī)的嵌入式應(yīng)用決定了低電壓和低功耗的特性十分重要。由于 CMOS等工藝的大量采用，很多單片機(jī)可以在更低的電壓下工作（ ），功耗已經(jīng)降低到uA級(jí)。這些特性使得單片機(jī)系統(tǒng)可以在更小電源的支持下工作更長(zhǎng)的時(shí)間。 低價(jià)格 單片機(jī)應(yīng)用面廣，使用數(shù)量大，帶來(lái)的直接好處就是成本的降低。目前世 界各大公司為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，在提高單片機(jī)性能的同時(shí)，十分注意降低其產(chǎn)品的價(jià)格。 下面大致介紹一下單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域和特點(diǎn)。 （ 1）家用電器領(lǐng)域 用單片機(jī)控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的模擬和數(shù)字控制電路，使家用電器（如洗衣機(jī)、空調(diào)、冰箱、微波爐、和電視機(jī)等）功能更完善，更加智能化和易于使用。 （ 2）辦公自動(dòng)化領(lǐng)域 單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代辦公設(shè)備，如計(jì)算機(jī)的鍵盤(pán)、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、電話(huà)機(jī)和傳真機(jī)等。 （ 3）商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域 商業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)部分與家用和辦公應(yīng)用系統(tǒng)相似，但更加注重設(shè)備的穩(wěn)定性、可 靠性和安全性。商用系統(tǒng)中廣泛使用的電子計(jì)量?jī)x器、收款機(jī)、條形碼閱讀器、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和冷凍保鮮系統(tǒng)等，都采用了單片機(jī)構(gòu)成的專(zhuān)用系統(tǒng)。與通用計(jì)算機(jī)相比，這些系統(tǒng)由于比較封閉，可以更有效地防止病毒和電磁干擾等，可靠性更高。 （ 4）工業(yè)自動(dòng)化 在工業(yè)控制和機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中，除了采用工控計(jì)算機(jī)外，很多都是以單片機(jī)為核心的單片機(jī)和多機(jī)系統(tǒng)。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 6 頁(yè) 共 36 頁(yè) （ 5）智能儀表與集成智能傳感器 目前在各種電氣測(cè)量?jī)x表中普遍采用了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)，使得測(cè)量系統(tǒng)具有存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、查詢(xún)及聯(lián)網(wǎng)等智能功能 。將單片機(jī)和傳感器相結(jié)合，可以構(gòu)成新一代的智能傳感器。它將傳感器變換后的物理量作進(jìn)一步的變化和處理，使其成為數(shù)字信號(hào)，可以遠(yuǎn)距離傳輸并與計(jì)算機(jī)接口。 （ 6）現(xiàn)代交通與航空航天領(lǐng)域 通常應(yīng)用于電子綜合顯示系統(tǒng)、動(dòng)力監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及運(yùn)行監(jiān)視系統(tǒng)等。這些領(lǐng)域?qū)w積、功耗、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性的要求往往比商用系統(tǒng)還要高，因此采用單片機(jī)系統(tǒng)更加重要。 目前，我國(guó)生產(chǎn)很多型號(hào)的單片機(jī)，在此，我們采用型號(hào)為 AT89C2052 的單片機(jī)。 第一， ATC89C2051 單片機(jī)采用 Flash存儲(chǔ)器技術(shù)，降低了制造成本， 其軟件、硬件與MCS51完全兼容。 第二， AT89C2051 片內(nèi)含有 2K字節(jié)的 Flash 程序存儲(chǔ)器， 128字節(jié)的片內(nèi) RAM。 第三， 允許工作的時(shí)鐘為 0— 24MHz。 第四， AT89C2051 不允許構(gòu)造外部總線(xiàn)來(lái)擴(kuò)充程序 /數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，所以它不需要 ALE、PSEN、 RA、 WR一類(lèi)的引腳。 第五 ， AT89C2051 共有 20個(gè)引腳，它只繼承了 8031最重要的引腳，體積小巧。 單片機(jī)的基本 性能及結(jié)構(gòu) AT89C2051 主要性能 AT89C2051是 ATMEL公司生產(chǎn)的帶 2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 (EEPROM)的 8位單片機(jī) ,它具有如下主要特性： 和 MCS51產(chǎn)品的兼容 2K 字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器 耐久性： 1,000 寫(xiě)／擦除周期 ～ 6V的操作范圍 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 24MHz 兩級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 1288 位內(nèi)部 RAM 15 根可編程 I/O 引線(xiàn) 兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 7 頁(yè) 共 36 頁(yè) 六個(gè)中斷源 可編程串行 UART 通道 直接 LED驅(qū)動(dòng)輸出 片內(nèi)模擬比較器 低功耗空載和掉電方式 AT89C2051 芯片的 20 個(gè)引腳 及功能 圖 AT89C2051 的引腳圖 1. Vcc：電源電壓。 2. GND：地。 3. P1口： P1口是一 8位雙向 I/O口?？谝_ ～ 。 和 。 (AIN0)和反相輸入（ AIN1)。 P1口輸出緩沖器可吸收 20mA電流并能直接驅(qū)動(dòng) LED顯示。當(dāng) P1口引腳寫(xiě)入 “1” 時(shí) ,其可用作輸入端。當(dāng)引腳 ～ 低時(shí) ,它們將 因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流 (IIL)。 P1口還在閃速編程和程序校驗(yàn)期間接收代碼數(shù)據(jù)。 4