【導(dǎo)讀】制插座的打開(kāi)、關(guān)閉，以達(dá)到控制用電設(shè)備工作，節(jié)省電能的效果。電器產(chǎn)品缺乏這些基本功能。因此這給生活和工作帶來(lái)很大的不便，同時(shí)長(zhǎng)。期的無(wú)用工作狀態(tài)也帶來(lái)了大量的電力資源的消耗。顯示屏對(duì)各種信息的顯示，從而以達(dá)到定時(shí)控制開(kāi)關(guān)插座電路的目的。該設(shè)計(jì)更具智能化和實(shí)用性。該設(shè)計(jì)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但能廣泛應(yīng)用于各個(gè)用。電控制的工作環(huán)境中，具有較強(qiáng)的適用性。

　　

【正文】 。 晶振電路 單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱(chēng)叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提第 4章 硬件設(shè)計(jì) 21 供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。 在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱(chēng)為壓控振蕩器（ VCO）。晶振用一種能把電能和 機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。 單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。 晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。 圖 43 晶振電路原理圖 STC89C51 使用外部的晶體振蕩器作為振蕩源，考慮到本次設(shè)計(jì)中對(duì)時(shí)間的精確性和指令執(zhí)行速度的要求，該設(shè) 計(jì)選用了 。由于單片機(jī)內(nèi)部有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容。具體電路如圖 43 所示。電容容量一般在 15pF 至 50pF 之間，根據(jù)實(shí)際使用效果該處選用了 30pF 的電容，有較高的振蕩穩(wěn)定性。 RS232 接口轉(zhuǎn) USB 接口電路 由于單片機(jī)誕生年代較早，而在當(dāng)時(shí)的工業(yè)控制領(lǐng)域大多采用了 RS232串行口通信協(xié)議，但其存在著傳輸速率低，傳輸距離有限和信號(hào)電平值較高燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 等問(wèn)題?，F(xiàn)在大多的 PC 設(shè)備基本改用了 USB 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的通信串口，故為了方便的燒錄程序，在常規(guī)單片機(jī)最小系統(tǒng)的基 礎(chǔ)之上，應(yīng)該設(shè)計(jì)必要的接口轉(zhuǎn)換電路。具體電路原理如圖 44 所示。 圖 44 RS232 轉(zhuǎn) USB 接口電路 該硬件系統(tǒng)由 4 部分組成： USB 接口、 CH341T、 MAX232 和 RS232接口。其中， USB 接口用于連接 USB 主機(jī)，在此選用 USB 總線接口的 A型連接頭； CH341T 用于完成 USB 接口轉(zhuǎn) RS232 接口的所有硬件功能；MAX232 用于完成 RS232 與 TLL/CMOS 的電平轉(zhuǎn)換； RS232 接口用于連接RS232 設(shè)備。根據(jù)實(shí)際需要，選擇目前廣泛應(yīng)用的 DB9 連接器。 USB 總線包括一對(duì) 5V電源線和一對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)線。 通常， +5V 電源線為紅色；接地線為黑色； D+信號(hào)線為綠色； D信號(hào)線為白色。 USB 總線提供的電源電流最大可以達(dá)到 500 mA， CH341T 芯片可以直接使用 USB 總線提供的 5V電源。 C3 和 C4 是高頻瓷片電容， C3 容量一般為 4700pF~ F，用于 CH341T 內(nèi)部電源節(jié)點(diǎn)的退耦； C4 容量為 F，用于外部電源的退耦。晶振 X電容 C1 和 C2 用于時(shí)鐘振蕩電路。 X1 的頻率是 12 MHz， C1和 C2 是容量為 15~30 pF 的高頻瓷片電容。 MAX232 提供電平轉(zhuǎn)換。 顯示電路設(shè)計(jì) 液晶顯示電路選用 了 LCD1602 模塊。從成本和適用性的方面考慮，選用了該集成模塊。具體的引腳功能與所采用的芯片資料都已經(jīng)在 節(jié)中做了第 4章 硬件設(shè)計(jì) 23 詳細(xì)介紹，在此只做以下電路說(shuō)明。 由于單片機(jī)的 IO 口資源極為有限，而對(duì)于這樣有較多引腳的外圍模塊，應(yīng)當(dāng)考慮未來(lái)是否有擴(kuò)展的需要，能否直接采用串口連接。對(duì)于有擴(kuò)展必要的設(shè)計(jì)，可采用相關(guān)的芯片進(jìn)行 IO 口擴(kuò)展。而此處作為設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔性與成本方面的考慮，其剩余單片機(jī)的端口在未來(lái)使用過(guò)程中，仍然有較大的空間。因此，該部分的設(shè)計(jì)就直接采用了較少使用的串口連接方式。其 7— 14 號(hào) 8個(gè)數(shù)據(jù)端口直接與單片機(jī)的 P0口相連， P0口可以外擴(kuò)存儲(chǔ)器作為地址總線，也可以外存儲(chǔ)器擴(kuò)作為數(shù)據(jù)總線，也可以不外擴(kuò)直接作為普通 IO 口，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻 ,作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻，因此，在與單片機(jī)相連是應(yīng)該再添加上拉電路。具體連接如圖 45所示。 圖 45 LCD1602連接 PO口的上拉電路圖 此外，該液晶模塊的第 3 腳為液晶對(duì)比度調(diào)整端，當(dāng)接電源時(shí)對(duì)比度最低，接地時(shí)對(duì)比度最高，但對(duì)比度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用該端口的功能是一般是通過(guò)串聯(lián)一個(gè) 10K 的滑動(dòng)變阻器進(jìn)行調(diào)節(jié)。但在此處，考慮到顯示畢竟只是一個(gè)輔助顯示時(shí)間設(shè)置信息的工具 ，而大部分運(yùn)行的時(shí)間，是沒(méi)有不斷調(diào)節(jié)顯示效果的需求的，因此，只在此說(shuō)明，并不做相應(yīng)設(shè)計(jì)。 綜上所述，該模塊功能雖然比較完備和強(qiáng)大，引腳相比于其他模塊也較燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 多，但各個(gè)引腳的功能分配比較合理，連接時(shí)能夠比較清晰的認(rèn)識(shí)該模塊的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，符合預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)所要求的原則。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)核心部分，它作為整個(gè)設(shè)計(jì)部分的時(shí)間信息的基準(zhǔn)，其設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與精確性就基本決定了該設(shè)計(jì)的精度與能應(yīng)用的環(huán)境，故其設(shè)計(jì)的重要性不言而喻。 本設(shè)計(jì)中選用了較為常用的 DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊 ，其性能屬性基本滿(mǎn)足了所需設(shè)計(jì)的要求。其共有 Vcc Vcc2 兩個(gè)電源引腳， GND 接地端， XX2 兩個(gè)振蕩源連接端， I/O 端在三線接口時(shí)為雙向串行數(shù)據(jù)線， SCLK 為串行時(shí)鐘端 ,此外，也自帶了 RST 復(fù)位端。具體的電路連接如下圖 46 所示。其連接的說(shuō)明如下。 首先 DS1302 的連個(gè)電源引腳中 Vcc1 為后備電源， VCC2 為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。 DS1302 由 Vcc1 或 Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng) Vcc2 大于 Vcc1+ 時(shí)， Vcc2 給 DS1302 供電。當(dāng) Vcc2 小于 Vcc1時(shí)， DS1302 由 Vcc1 供電。因此，在如圖所示的電源端連接中， Vcc2 直接連接了主板上的 5V 供電端，而 Vcc1 和紐扣型電磁相連，作為后備電源，保證了即使在主板斷電的情況下仍然能夠準(zhǔn)確的走時(shí)，避免了斷電后再次啟動(dòng)需再次設(shè)置時(shí)間起點(diǎn)，體現(xiàn)了其人性化的設(shè)計(jì)。 X X2 為振蕩源連接端口，根據(jù)技術(shù)手冊(cè)的說(shuō)明，此處應(yīng)當(dāng)外接 的晶振。但時(shí)鐘芯片要能正常較為精確的計(jì)時(shí)，則對(duì)于晶振的穩(wěn)定性要求極高，故在此處一般是外接兩個(gè) 6pF 的接地電容，能大大的提高其走時(shí)準(zhǔn)確性。但在此處選用了 的電容，在 實(shí)際的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)有一定的偏移。經(jīng)過(guò)查找原因，發(fā)現(xiàn) DS1302 是依靠外部晶振與其內(nèi)部的電容配合來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖的。 由于 DS1302 在芯片本身已經(jīng)集成了 6pF 的電容，所以， 為了獲得穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘，必須選用具有 6pF 負(fù)載電容的晶振。然而，在選用晶振時(shí)僅僅注意了晶振的額定頻率值，而忽視了晶振的負(fù)載電容大小，甚至連許多經(jīng)銷(xiāo)商也不能提供所售晶振的負(fù)載電容。所以即使在 使用中選用了符合 32768Hz 的晶振，但如果該晶振的負(fù)載電容與 DS1302 提供的 第 4章 硬件設(shè)計(jì) 25 6pF 不一致時(shí)，就會(huì)影響晶振的起振或?qū)е抡袷庮l率的偏 移，出現(xiàn)上述在應(yīng)用中的問(wèn)題。 I/O、 SCLK、 RST 三個(gè)端口構(gòu)成簡(jiǎn)單的 SPI 總線接口，是一般低速外圍器件與 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡湫徒涌?。在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信。 RST 輸入有兩種功能：首先， RST接通控制邏輯，允許地址 /命令序列送入移位寄存器 。其次， RST 提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng) RST 為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始 圖 46 DS1302電路圖 化，允許對(duì) DS1302 進(jìn)行操作。如果在傳送過(guò)程中 RST 置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送， I/O 引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。在此設(shè)計(jì)中，三個(gè)端口分別于與單片機(jī) 、 、 三個(gè)端口相連，十分方便。 紅外接收電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的中的“無(wú)線打開(kāi)關(guān)閉插座”的功能，采用紅外遙控的方式實(shí)現(xiàn)，其有效距離和有效接收角度均符合一般的應(yīng)用場(chǎng)景。 在發(fā)送端使用了較為常用的采用日本 NEC 編碼的一體化紅外遙控按鍵，其超低的發(fā)射功耗和豐富的按鍵資源，已經(jīng)足夠完成該設(shè)計(jì)目標(biāo)。其基本工作原理為利用不同的脈沖時(shí)間來(lái)編碼信號(hào)。 紅外接收電路使用的是紅外一體化接收管 VS1838B，它有 3個(gè)管腳，一個(gè)腳接地，還有一個(gè)腳接電源 ，另外一個(gè)腳接到單片機(jī)的 I/O 口，本次設(shè)計(jì)用的是 口，如圖 47 所示。通常，紅外遙控器將遙控信號(hào)（二進(jìn)制脈沖碼）調(diào)制在 40KHZ 的載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，產(chǎn)生紅燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 外信號(hào)發(fā)射出去。經(jīng)過(guò)空間的傳送被紅外接收管接收到，在接收過(guò)程中，脈沖通過(guò)光學(xué)濾波器和紅外接收管轉(zhuǎn)換為 40KHZ 的電信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，檢波，整形，解調(diào)，送到解碼與接口電路，從而完成相應(yīng)的遙控功能 圖 47紅外接收電路連接圖 需要說(shuō)明的是，在本設(shè)計(jì)中，為了實(shí)物產(chǎn)品的緊湊，節(jié)省空間資源。所以 DS1302 模塊和 VS1838B 紅外接收模塊是印制在同一塊 PCB 板上的。電路原理圖如圖 48所示。實(shí)物圖如圖 49所示。 圖 48 DS1302和 VS1838B整合電路原理圖 圖 49 DS1302和 VS1838B整合電路實(shí)物圖 第 4章 硬件設(shè)計(jì) 27 繼電器控制電路 該 部 分 電路 是 本電 路 的輸 出 部分 ， 所選 用的 繼 電器 型 號(hào) 為SRD05VDCSLC，按照技術(shù)手冊(cè)的說(shuō)明，其額定的驅(qū)動(dòng)電壓為 5V，而經(jīng)過(guò)測(cè)試單片機(jī)端口的實(shí)際電壓在 5V177。 的范圍內(nèi)，因此理論上是可以進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)的。但考慮上電路上如果再串聯(lián)一個(gè)用于開(kāi)關(guān)狀態(tài)指示的發(fā)光二極管，會(huì)有一定的壓降存在，同時(shí)也考慮到要保證被控電路的穩(wěn)定性，保證被控電路上的電器安全，所以在此不適用直接驅(qū)動(dòng)的連接方式，而是采用了一個(gè)三極管的放大電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以下作詳細(xì)說(shuō)明。 如圖 410 所示，由三極管組成共射極放大電路，二極管 D2 形成繼電器回路保護(hù)，其中，繼電器觸發(fā)信號(hào)有單片機(jī) 口直接產(chǎn)生，并串聯(lián)有LEDRED 發(fā)光二極管作為工作狀態(tài)指示燈。當(dāng) 口輸出高電平時(shí)，指示燈亮，繼電器吸合，被控電路導(dǎo)通；當(dāng) 口輸出低電平時(shí)，繼電器斷開(kāi)，指示燈熄滅，被控電路斷開(kāi)。此處，輸出功率由繼電器上所標(biāo)示的 接點(diǎn)容量決定的。 圖 410 繼電器控制電路 按鍵電路 由于本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)到時(shí)間設(shè)置，模式調(diào)整等眾多的信息輸入，故必然 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 需要較多的按鍵完成該功能。其按鍵本身為機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。且由于該設(shè)計(jì)中單片機(jī)的 I/O 口剩余較多，因此，按鍵直接與單片機(jī)的 I/O 口相連。但機(jī)械式按鍵最大的問(wèn)題是按鍵時(shí)存在嚴(yán)重的信號(hào)抖動(dòng)的問(wèn)題。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，可以直接利用數(shù)字電路器件進(jìn)行消除抖動(dòng)，也可用波形整形器件進(jìn) 圖 411 按鍵電路 行信號(hào)整形。以上二者均可以較好的消除問(wèn)題，但器件的增加無(wú)疑會(huì)帶來(lái)制造成本的增加和功 耗的增加，因此，通常的辦法是采用利用軟件編程進(jìn)行延時(shí)消抖，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，效果什么良好。連接圖如圖 411 所示。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)的闡述了硬件電路部分的設(shè)計(jì)過(guò)程，從電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、 RS232 轉(zhuǎn) USB 接口電路開(kāi)始搭建了單片機(jī)最小系統(tǒng)，接著完成了對(duì)顯示電路部分、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路部分、紅外接收電路部分、繼電器控制電路部分以及按鍵電路部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖詳盡的說(shuō)明了各個(gè)部分的設(shè)計(jì)的合理性以及各個(gè)部分所需完成的功能。經(jīng)過(guò)該章的說(shuō)明，本設(shè)計(jì)在硬件部分已經(jīng)完備，接下來(lái)只剩下驅(qū)動(dòng)其正常工作的軟 件設(shè)計(jì)部分。第 5章 軟件設(shè)計(jì) 29 第 5 章 軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為 LCD1602 顯示模塊、 DS1302 讀寫(xiě) 圖 51 主程序流程圖 模塊、紅外遙控模塊、按鍵處理模塊。通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)的可行性分析和軟件架構(gòu)的整體規(guī)劃，其主程序的流程圖大體如下圖 51 所示。 開(kāi) 始初 始 化 ， 開(kāi) I N T 0 中 斷 和 T 0 中 斷判 斷 是 否 有 設(shè) 置 模 式切 換 輸 入顯 示 當(dāng) 前 設(shè) 置 模 式N設(shè) 置