基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易智能定時(shí)電源開(kāi)關(guān)

文/劉艷竹

智能家居是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和硬件服務(wù)協(xié)同合作，將電子產(chǎn)品接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的自定義操作。智能設(shè)備是常見(jiàn)設(shè)備安裝了更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)提供更多功能。有線寬帶、DSL、藍(lán)牙和無(wú)線技術(shù)提供了一種接入方法使家庭聯(lián)網(wǎng)，并使設(shè)備能夠相互通信以及接入互聯(lián)網(wǎng)，這些技術(shù)為智能家居的運(yùn)營(yíng)奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于家電而言，可以通過(guò)智能供電達(dá)到一定的智能管理。例如，家庭的空調(diào)若可以獨(dú)立來(lái)設(shè)置開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)間，便可大幅減少用電量、節(jié)約電能。智能電源定時(shí)開(kāi)關(guān)不僅可以廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器儀表、航空航天、醫(yī)用設(shè)備、專用設(shè)備的智能化管理以及過(guò)程控制等多個(gè)領(lǐng)域。此外，還為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，其不僅體積小、重量輕，且電源效率較高，效率甚至可達(dá)90%以上。

智能電源定時(shí)開(kāi)關(guān)的高效率不僅節(jié)省了大量材料且還節(jié)省了電能，給人們的生活帶來(lái)了便利。因此，高效率的定時(shí)開(kāi)關(guān)電源成為了各種設(shè)備可靠工作的重要保障。

1 系統(tǒng)分析與框架設(shè)計(jì)

1.1 研究目標(biāo)

智能定時(shí)電源開(kāi)關(guān)是智能家居控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，同時(shí)也是高效能源利用網(wǎng)絡(luò)的組成部分之一。在家庭設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控、控制和數(shù)據(jù)采集上，通過(guò)對(duì)電路系統(tǒng)中部分組件供電電源進(jìn)行智能開(kāi)合控制，是對(duì)家庭設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能控制的一種簡(jiǎn)易部署方式。

（2）照明設(shè)備、取暖設(shè)備、制冷設(shè)備的個(gè)性化控制，讓?xiě)糁鬟M(jìn)屋之后減少等待時(shí)間。

（3）起居室幕簾的自動(dòng)控制，伴隨著主人以及當(dāng)?shù)厝照盏男畔?，智能打開(kāi)/關(guān)閉幕簾。

可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)智能家居的定時(shí)管理，智能供電是其中較為基礎(chǔ)的模塊與實(shí)現(xiàn)方法。因此，本文圍繞此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的定時(shí)電源開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有自動(dòng)復(fù)位和多點(diǎn)中斷等特性，同時(shí)還提供多種定時(shí)模式：設(shè)置間隔時(shí)間和設(shè)置定點(diǎn)循環(huán)。

1.2 基本內(nèi)容

本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是，智能定時(shí)電源開(kāi)關(guān)的定時(shí)功能。

對(duì)于硬件電路主要由以下部件構(gòu)成：STC8952系列單片機(jī)、74HC573鎖存器、數(shù)碼管、8550三極管、繼電器。單片機(jī)在定時(shí)終端點(diǎn)，觸發(fā)中斷信號(hào)。在單片機(jī)引腳輸出的電壓基礎(chǔ)下，導(dǎo)通8550三極管。三極管輸出大電壓，驅(qū)動(dòng)繼電器完成吸合操作。在繼電器工作時(shí)，通過(guò)繼電器的吸合將電路導(dǎo)通或者斷開(kāi)，完成對(duì)電路電源的智能化控制，在電路設(shè)計(jì)中，數(shù)碼管用來(lái)顯示時(shí)間。

同時(shí)，系統(tǒng)具有自動(dòng)復(fù)位特性，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)限循環(huán)倒計(jì)時(shí)的功能。根據(jù)用戶指定的定時(shí)模式，系統(tǒng)將用戶指定的時(shí)間轉(zhuǎn)化為距離到此刻時(shí)間的秒數(shù)，然后將此數(shù)值設(shè)定為倒計(jì)時(shí)初始時(shí)間。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)時(shí)刻到10 s時(shí)，電路進(jìn)入觸發(fā)準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)?shù)竭_(dá)0 s時(shí)關(guān)閉，然后再繼續(xù)下一輪的倒計(jì)時(shí)。

模板工程為保證工程實(shí)施的有效性，完成工程施工后需及時(shí)拆卸模板。構(gòu)建模板時(shí)應(yīng)選用簡(jiǎn)單易拆的材料，在進(jìn)行模板設(shè)計(jì)前應(yīng)明確施工技術(shù)，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行安裝。采用機(jī)械安裝的方式可加強(qiáng)模板的穩(wěn)固性。各部分材料形成完整的平面，以便模板自由安裝組合。

1.3 設(shè)計(jì)框架

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2：系統(tǒng)主程序圖

圖3：數(shù)碼管顯示電路

根據(jù)慣例采用STC89C52RC單片機(jī)芯片，通過(guò)+5 V標(biāo)準(zhǔn)電源電壓為系統(tǒng)提供供電支持，同時(shí)利用單片機(jī)的其他管腳設(shè)計(jì)外圍擴(kuò)展電路。對(duì)于端口連接上，一方面8550三極管與繼電器構(gòu)成一個(gè)端口的連接電路；另一端通過(guò)74HC573鎖存器與數(shù)碼管相連，通過(guò)數(shù)碼管顯示時(shí)間完成可視化操作。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)周期結(jié)束，繼電器斷電，電路物理斷開(kāi)以達(dá)到節(jié)能的目的。此外，為了可以快速展示本次設(shè)計(jì)的效果，本設(shè)計(jì)采用了60 s倒計(jì)時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)還進(jìn)行了電路的仿真，通過(guò)Proteus畫(huà)出了硬件電路連接圖。最終，根據(jù)設(shè)計(jì)方案來(lái)做出相應(yīng)實(shí)物。

圖4：繼電器控制電路

圖5：晶振電路

圖6：芯片型號(hào)的選擇

圖7：源程序的輸入

圖8：編譯生成hex文件

圖9：定時(shí)55秒仿真圖

智能定時(shí)電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的硬件電路的核心芯片是一個(gè)STC89C52RC單片機(jī)，其模塊數(shù)碼管是60s循環(huán)倒計(jì)時(shí)顯示。繼電器控制電路是含源時(shí)間顯示電路，其中使用的數(shù)碼管為兩位一體共陰極數(shù)碼管，數(shù)碼管由兩個(gè)相同的74HC573鎖存器來(lái)驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，電路采用PNP型三極管作為繼電器的驅(qū)動(dòng)部件。

在本次軟件設(shè)計(jì)中，主程序是在單片機(jī)的操控下進(jìn)行60s循環(huán)倒計(jì)時(shí)。當(dāng)時(shí)間倒計(jì)時(shí)達(dá)到10s時(shí)，此時(shí)繼電器有電流流過(guò)接著接通被控電源電路。被控電路指示燈亮，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)達(dá)到0s時(shí)，繼電器沒(méi)有電流流過(guò)接著斷開(kāi)被控電源電路，被控電路指示燈熄滅。此時(shí)，時(shí)間又開(kāi)始從60s倒計(jì)時(shí)，電路進(jìn)行自動(dòng)觸發(fā)和歸位循環(huán)操作。

本文采用STC89C52RC為核心的單片機(jī)控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

智能定時(shí)電源開(kāi)關(guān)的主程序圖，如圖2所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件模塊設(shè)計(jì)

數(shù)碼管顯示電路，如圖3所示包括：兩個(gè)573鎖存器的IO口連接P0.0～P0.7對(duì)應(yīng)鎖存器D0～D7；數(shù)碼管的段ABCDEFGH對(duì)應(yīng)著74HC573-1芯片；數(shù)碼管的兩個(gè)位選端對(duì)應(yīng)著74HC573-2芯片；P2.6端接74HC573-1控制段選信號(hào)；P2.7端接74HC573-2控制位選信號(hào)。

數(shù)碼管顯示電路根據(jù)用戶選擇的定時(shí)模式，轉(zhuǎn)換生成需要定時(shí)的時(shí)間間隔，然后對(duì)電路計(jì)時(shí)進(jìn)行可視化顯示。在每一次電路定時(shí)完成之后，復(fù)位電路會(huì)重新對(duì)時(shí)間計(jì)算，將新的顯示數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示電路。

繼電器控制電路，如圖4所示。包括PNP數(shù)碼管用于驅(qū)動(dòng)繼電器控制外接含電源電路，這是明顯的繼電器驅(qū)動(dòng)電路。圖4中三極管8550有兩個(gè)作用，一是利用方法器的極限情況，充當(dāng)開(kāi)關(guān)的功能；另一個(gè)則是放大作用，電路中基極處接的是單片機(jī)的P3.2口。當(dāng)該口給出高電平時(shí)，三極管起到了放大的作用，并處于導(dǎo)通狀態(tài)。電路導(dǎo)通之后，繼電器獲取到足夠的電力供應(yīng)便可正常工作。當(dāng)給出低電平時(shí)，繼電器因沒(méi)有電流流過(guò)而不工作，三極管處于不停滯狀態(tài)。燈泡則用來(lái)指示繼電器是處于導(dǎo)通（燈亮）狀態(tài)還是處于斷開(kāi)狀態(tài)（燈滅）。

繼電器電路在本系統(tǒng)中，通過(guò)與單片機(jī)中斷聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)定時(shí)信號(hào)的響應(yīng)。繼電器工作需要大電壓驅(qū)動(dòng)，因此單片機(jī)直接控制的是繼電器的驅(qū)動(dòng)三極管。通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)三極管的控制，完成對(duì)繼電器的控制。

晶振電路，如圖5所示，包括：在單片機(jī)系統(tǒng)中，晶振的作用較大。單片機(jī)運(yùn)行速度與晶振頻率成正比，由于單片機(jī)執(zhí)行的一切指令基本上均是建立在晶振所提供的晶振頻率基礎(chǔ)之上的，因此單片機(jī)的晶振幾乎相當(dāng)于微型系統(tǒng)的心臟，為系統(tǒng)提供了基本的時(shí)鐘信號(hào)。而確定的時(shí)鐘信號(hào)，有利于各部分保持時(shí)序同步。

晶振電路提供系統(tǒng)的最小時(shí)間單元。在計(jì)時(shí)電路中，保證最小時(shí)間單元的穩(wěn)定，是計(jì)時(shí)電路穩(wěn)定工作的前提先決條件。在本電路中，采用12 MHz晶振，將固定的機(jī)器周期與時(shí)鐘周期進(jìn)行換算，可以得到穩(wěn)定的最小時(shí)間間隔輸出。單片機(jī)的定時(shí)，實(shí)質(zhì)就是對(duì)定時(shí)的時(shí)間除以最小時(shí)間隔，得到一個(gè)計(jì)數(shù)值。在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)滿足計(jì)數(shù)值時(shí)，進(jìn)行電路觸發(fā)，完成中斷操作。

2.2 軟件模塊設(shè)計(jì)

（1）KEIL工程的建立。如下操作在KEIL中完成，打開(kāi)文件選擇按鈕，選擇相應(yīng)的單片機(jī)型號(hào)，可以看到如圖6所示。

（2）源程序的輸入。在文本編輯器中輸入源程序，如圖7所示。

選擇設(shè)置好的工程后，進(jìn)行程序編輯，軟件會(huì)編譯生成Hex的文件。通過(guò)串口傳輸該文件到芯片中，芯片便可執(zhí)行指定的功能，如圖8所示。

（3）硬件電路的仿真圖，如圖9所示。

（4）系統(tǒng)測(cè)試分析。系統(tǒng)調(diào)試：為了安全起見(jiàn)，首先要進(jìn)行斷電測(cè)試，用萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)系統(tǒng)是否存在短路現(xiàn)象，然后檢查原理是否正確。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，原理無(wú)誤且沒(méi)有短路現(xiàn)象。隨后再在電路板上按照電路原理圖將控制電路的部分進(jìn)行連接，首先確定電路板、導(dǎo)線能否正常使用。測(cè)試每個(gè)電阻的阻值是否符合設(shè)計(jì)方案的最初要求，最后測(cè)試所有的晶體管與二極管的導(dǎo)通性能。

在確定了所有的器件能夠正常工作使用時(shí)，再根據(jù)電路原理圖將其連接起來(lái)。連接完電路之后，再用萬(wàn)用表測(cè)量與地相連的部分是否可以導(dǎo)通，以及每個(gè)部分電路的連接是否正確。當(dāng)確定連接正常后，再打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)。將已經(jīng)編好的程序下載到STC89C52RC單片機(jī)中，進(jìn)行逐句測(cè)試語(yǔ)句。在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試中遇到的問(wèn)題，進(jìn)行逐一修改。且對(duì)程序邏輯進(jìn)行調(diào)整，節(jié)省單片機(jī)內(nèi)存。此次設(shè)計(jì)的電源用的是電池盒電源，加入兩節(jié)五號(hào)電池，用插頭插入電路板中的插座，本系統(tǒng)便可自動(dòng)復(fù)位。

3 結(jié)束語(yǔ)

本智能定時(shí)電源開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中，基本滿足簡(jiǎn)易的電器智能控制要求。

系統(tǒng)采用了STC52系列單片機(jī)來(lái)控制電路，實(shí)現(xiàn)了能定時(shí)給電器供電或斷電的相應(yīng)功能。整個(gè)編程語(yǔ)言上，采用高效的C語(yǔ)言編程，并沒(méi)有采用可讀性差的匯編。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了可擴(kuò)展性和可靠性。但本系統(tǒng)仍存在如下的不足：

系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單沒(méi)有考慮復(fù)雜的外設(shè)保護(hù)電路；

系統(tǒng)控制模擬采用簡(jiǎn)單的52系列單片機(jī)，控制能力較弱；

因此在后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮保護(hù)電路或者直接采用第三方功能模塊加強(qiáng)對(duì)外圍電路的保護(hù)；另外，在控制電路的核心模塊上，可以考慮采用ARM系列或者FPAG完成電路邏輯的編程控制。