基于AVR單片機(jī)的時(shí)間繼電器的設(shè)計(jì)

陳 星，武麗芳，王福明

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以各種微處理器為控制核心的新型控制裝置全面取代了原有的繼電器。在現(xiàn)代自動(dòng)控制設(shè)備中，都存在一個(gè)電子電路和電氣電路的互相連接問題，一方面要電子電路的控制信號(hào)能夠控制電氣電路的執(zhí)行元件，另一方面又要為電子線路的電氣電路提供良好的電隔離，以保護(hù)電子電路和人身的安全，時(shí)間繼電器便能起到這一橋梁作用。時(shí)間繼電器是一種將電子定時(shí)電路與繼電器組合在一起的延時(shí)控制裝置，在電子設(shè)備的自動(dòng)控制中使用較多，通過它可以定時(shí)控制電路的換接，具有使用方便、定時(shí)可調(diào)、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的時(shí)間繼電器外圍包括如下幾部分:電源部分、鍵盤部分、LCD液晶屏顯示部分、繼電器、狀態(tài)指示和報(bào)警等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)的要求和現(xiàn)實(shí)考慮，選用ATMEL公司的AT-mega128單片機(jī)，ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 AVR單片機(jī)特點(diǎn)

由ATMEL公司挪威設(shè)計(jì)中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR。相對(duì)于出現(xiàn)較早也較為成熟的51系列單片機(jī)，AVR系列單片機(jī)片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強(qiáng)大，同時(shí)由于其價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，在很多場(chǎng)合可以替代51系列單片機(jī)。本設(shè)計(jì)是基于AVR單片機(jī)而設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)。

·高性能、低功耗的AVR?8位微處理器

·先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)

·非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

· JTAG接口（與IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)兼容）

AVR單片機(jī)如圖2所示。

圖2 AVR單片機(jī)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件電路可分為以下部分:電源部分、LCD液晶屏顯示部分、鍵盤部分、AVR單片機(jī)、繼電器部分、狀態(tài)指示和報(bào)警、數(shù)碼管顯示電路。電源電路采用將220 V的交流電經(jīng)過變壓器和橋式整流后通過LM7805轉(zhuǎn)換成+5 V直流電源。提供系統(tǒng)供電和充電電池充電，無源情況下可以由電池供電。按鍵部分采用4×4矩陣式接法可實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵，比獨(dú)立式接法（8個(gè)按鍵）多出一倍。本設(shè)計(jì)中用了其中的8個(gè)按鍵，剩下的8個(gè)按鍵作為備用鍵，方便以后的系統(tǒng)升級(jí)。顯示部分采用LCD1602液晶顯示屏，可以利用LCD中的字符集顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等，與用LED數(shù)碼管相比顯示更加豐富和人性化。

3.1 電源電路

電源輸入交流電AC220 V經(jīng)過變壓器降壓為AC9 V，再經(jīng)過整流橋轉(zhuǎn)變成直流電壓，經(jīng)過電容濾波通過LM7805后成為+5 V電壓。配以充電電池在電源部分加上了充電電路，在有交流電的時(shí)候直接利用外部電源同時(shí)給充電電池充電，去掉交流電以后利用充電電池做電源，為了使該時(shí)間繼電器能夠在有源和無源模式下工作，采用如圖3所示的電源電路。

濾波電容C1必須比C2大否則在電容放電時(shí)會(huì)引起反向充電損壞穩(wěn)壓芯片。

圖3 電源部分電路原理圖

3.2 繼電器電路

由于該設(shè)計(jì)主要是利用單片機(jī)來控制繼電器工作，從而達(dá)到控制要求的，因此繼電器在此電路中是相當(dāng)重要的部件。繼電器電路如圖4所示。

該電路是利用NPN三極管和5 V繼電器配合I/O口PC來控制其電路的工作。通過設(shè)置好NPN三極管的偏置電路使三極管工作。NPN三極管基極電壓為高時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，從而達(dá)到控制。即當(dāng)PC6=0時(shí)，NPN基極為低電平，由于NPN是高電平才導(dǎo)通，所以三極管不能導(dǎo)通［1］，繼電器線圈不能得電，所以繼電器開關(guān)處于斷開狀態(tài);當(dāng)PC6=1時(shí)，NPN基極為高電平，NPN導(dǎo)通，繼電器線圈得電，繼電器工作，開關(guān)吸合，從而其他電路也工作。圖中的D11是繼電器指示燈，當(dāng)繼電器開啟的時(shí)候指示燈亮。

圖4 繼電器電路

3.3 LCD液晶屏顯示部分

顯示方式采用LCD1602液晶顯示器，顯示選擇的模式、延時(shí)的時(shí)間和開關(guān)的狀態(tài)。LCD1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。

LCD液晶屏顯示部分如圖5所示。

圖5 LCD液晶屏顯示電路

LCD1602具有讀狀態(tài)，寫指令，讀數(shù)據(jù)，寫數(shù)據(jù)的操作控制，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有:阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼。由于1602識(shí)別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，1602通過D0～D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)一上電，默認(rèn)為設(shè)置時(shí)間，時(shí)間、模式設(shè)置好后通過判斷按鍵來執(zhí)行相應(yīng)的操作。如果用戶不設(shè)置時(shí)間則可手動(dòng)控制繼電器的開和關(guān)。系統(tǒng)主程序框圖如圖6所示。對(duì)于延時(shí)開模式和延時(shí)關(guān)模式，通過利用定時(shí)/計(jì)數(shù)器的溢出中斷來實(shí)現(xiàn)。［C］.中國(guó)電子學(xué)會(huì).第七次全國(guó)繼電器學(xué)術(shù)交流會(huì)會(huì)議論文集.貴陽:中國(guó)電子學(xué)會(huì)，2003:57-61.

圖6 系統(tǒng)總體流程圖

［2］張義和.Altium Designer完全電路設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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本程序中需要用到的操作指令如下:

DDRC=0xFF;//LCD控制端和繼電器輸出控制

DDRE=0xFF;//狀態(tài)指示燈

PORTE|=（1＜＜4）;//模式一指示燈亮

PORTE＆=～（1＜＜5）;//模式二指示燈滅

write_numbmp（MODE_START_ADDR，0，voltage_mode1，4）;//顯示更新

5 結(jié)束語

未來越來越多的新技術(shù)會(huì)在自動(dòng)控制，智能電器等得到廣泛的應(yīng)用。在時(shí)間繼電器中應(yīng)用單片機(jī)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可靠性高，功能易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。利用微機(jī)控制結(jié)合繼電器，互聯(lián)網(wǎng)等開發(fā)出新型電子電器，如智能洗衣機(jī)，智能電飯煲，智能空調(diào)等現(xiàn)代化智能電器。可以讓你隨心所欲設(shè)定電器開啟和關(guān)閉的時(shí)間。

［1］馮小林.單片機(jī)在混合式延時(shí)繼電器中的應(yīng)用研究