基于MCS-51单片机的智能控制开关的设计

题目：基于MCS-51单片机的智能控制开关的设计

目录

摘要…………………………………………………………………………………I Abstract………………………………………………………………………………II

1 绪论 (1)

2 设计原理和方法 (2)

2.1 系统的硬件构成及功能 (2)

2.2 AT89C51单片机及其引脚说明 (2)

2.3 键盘控制电路 (3)

2.4 实时显示电路 (3)

2.5 电源电路 (5)

2.6开关控制电路 (6)

3系统的设计 (7)

3.1 总电路设计 (7)

3.2 系统的软件设计 (7)

4 系统各模块的仿真 (8)

4.1 键盘控制模块仿真 (8)

4.2掉电储存电路的仿真 (8)

5 心得体会 (10)

参考文献 (11)

附录一 (12)

附录二 (13)

摘要

单片机发展到今天已经是一项很成熟的技术，使用单片机控制能实现长达几小时的定时操作，有较好的市场发展前景和技术应用价值。针对自动测控系统的要求，设计了一种基于MCS-51单片机控制的智能控制开关, 可以满足长时间无人值守的测控系统的要求。设计电路主要由单片机89C51控制电路、掉电存储电路、按键与LCD显示电路以及电源电路组成。系统能实现实时显示和定时控制显示、定时断电保护、准时对开关进行控制等的功能，是一款比较实用的智能开关。

关键词：智能控制；开关；单片机；定时

Abstract

SCM has been developed to a very mature technology, using SCM to achieve up to a few hours of regular operation, there are good prospects for market development and technology application. The requirements for the automatic control system, designed based on MCS-51 MCU intelligent control switch, to meet long unattended measurement and control systems. Circuit design is composed of 89C51 control circuit, power-down memory circuit, buttons and LCD display circuit and power circuit. System that can display real-time display and timing control, timing power-off protection time of the switch control function, is a more practical intelligent switch.

Key words: Intelligent Control; Switch; SCM; Timing

1 绪论

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。若采用专门的计时芯片设计，一方面控制复杂，占用硬件资源，另一方面也不经济，一般的时钟芯片价格都比较贵。由于单片机内部有定时器，因此，可以基于单片机设计一款智能控制开关。

由于使用了单片机来控制，因此使得该系统具有很强的灵活性和智能性。单片机发展到今天已经是一项很成熟的技术了，采用单片机控制的产品也比比皆是，虽然单片机的价格比较便宜，但是功能却很强大，因此选择单片机来控制是绰绰有余的！人性化的显示设计更是该系统一大特色，能实时显示当前开关的工作状况。

2 设计原理和方法

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2-1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LCD1602，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89C51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。

图2-1 智能开关控制系统原理框图

2.2 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（FPEROM —Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压、高性能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，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件进行扩展。

AT89C51

键盘输入

开关控制

电 源

LCD1602显示

EEPROM 存储器

2.3 键盘控制电路

由于采用软定时器计时，长时间运行会产生一些误差，就要通过按键修改实时时间，根据定时需要只要能够调整小时和分钟即可。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2-2所示。

图2-2 行列式键盘原理图

2.4 实时显示电路

实时控制和显示分别采用了89C51和1602LCD 液晶。首先设计实时时钟，系统利用定时器产生实时时钟，采用中断子程序实现实时时钟的功能，采用软定时的方式产生实时时钟，由定时器T0工作在50ms 定时模式，采用中断的响应方式，对50ms 中断计数，每20次为1秒，秒计数单元的值加1，每60秒分钟单元计数单元加“1”，同理，完成小时计数单元的改变，从而实现时钟功能。

为了减小整个系统的功耗，不采用数码管作为显示器件，而用1602LCD 作为来显示时间和要定时的时间，1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A ”的代码是01000001B （41H ），显示时模块把地址41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A ”。它具有经济、方便、编程容易等优点，设计中显示的数据较少。

1

2PW1

1

2PW2

1

2PW3

1

2

PW4

1

2PW51

2PW6

1

2PW7

1

2

PW8

1

2PW9

1

2PW10

1

2PW11

1

2

PW12

1

2PW131

2PW14

1

2PW15

1

2

PW16

PW1

PW2PW3PW4

PW5PW6

PW7

PW8

1602液晶一共可以显示两行，每行可以显示16个字符。设计中，1602的第一行显示实时时间，第二行显示定时的时间，显示通过编程实现，液晶的外面要接10K的可调电阻，用来调节液晶显示的对比度。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2-3为实时控制和显示电路原理图。

图2-3 实时控制和显示电路原理图

2.5 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，因此为了保护时间，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。AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节，CATAL YST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个16字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。

AT24C02在单片机应用中，作为EEPROM 储存器用，与单片机通过I2C 通信。优点是掉电后仍可以保存数据。比如单片机运行时，手动设置了一些参数，可以用它保存起来。该存储电路如图2-4所示。

图2-4 时间掉电存储电路

2.5 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2-5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2-5 电源电路原理图

VCC GND

A1 A2 A3 WP

SCL SDA

+5V

SDA R10 R11 10K

I2C U3 10K

SCL 1

23

4

B1

1N4007*4

C40.3

C11000PF

C2334

LED1LED3

Vin 1

G N D

2

+5V

3

J1

LM 7805CT

R11k

T1

TRANS3

VCC C3100u

220V ~

2.6开关控制电路

该电路采用5V 继电器进行隔离控制，JDQ 继电器耐压为300V ，它的输出级由一个常开开关构成，它控制着主电路的导通与关断，原理图如下图2-6所示。

图2-6 开关控制电路

继电器

开关

+5V

beep

JDQ

Q1

NPN

3系统的设计

3.1 总电路设计

本系统的软件系统主要完成修改时间、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。系统流程图如图3-1所示。总电路图见附录一。

图3-1 程序流程图

3.2 系统的软件设计

在本次电路设计中，电源及按键控制电路均为硬件设计，实时显示电路由1602LCD 液晶显示器完成，1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，只需使用单片机对其进行控制，所以本次设计之中的软件设计均为单片机系统的软件设计，软件设计采用汇编语言，程序见附录二。

开 始

系统初始化

时间与定时时间显示

开关接通，放电

开关断开，不通电

修改时间子程序

修改定时时间子程序

修改定时时间

修改时间

定时时间到否

N

Y Y Y

N

N

4 系统各模块的仿真

4.1 键盘控制模块仿真

本次设计中的键盘采用矩阵键盘，其仿真图形如图4-1所示。

图4-1 矩阵键盘仿真图

在仿真过程中，将pw1,pw2,pw3,pw4依次分别接+5V ，pw5,pw6,pw7,pw8依次分别接地，如当pw1接+5V ，pw6接地时，分别按下各个开关，通过观察8个引脚的高低电平情况（高显示红，低显示绿）可验证按键pw5导通，并且其他按键无短路情况。

4.2掉电储存电路的仿真

掉电储存电路仿真图如图4-2所示。

图4-2 掉电电路仿真图

由于本次设计采用AT24C02芯片进行掉电电路数据储存，所以只需对照其引脚功能图进行相应仿真即可，其引脚功能如表4-1所示。

VCC GND

A1 A2 A3 WP

SCL SDA

+5V

SDA

R10 R11 10K I2C U3 10K

SCL

管脚名称功能

A0 A1 A2 期间地址选择

SDA 串行数据/地址

SCL 串行时钟

WP 写保护

Vcc 电压

Vss 地

表4-1 AT24C02管脚功能表

在对芯片进行断电、上电后，其内部储存数据不变。

5 心得体会

在此次课设过程中，本人经历了电路的设计、仿真，回顾了以前学的C语言、模电、数电知识，并且能综合起来运用单片机的知识。做完课设后，作者对很多知识的记忆都加深了。亲身感觉到仿真在设计电路中的作用，运用软件的仿真，能够不断纠正本人在构思中所疏忽的一些软件或者硬件问题。在仿真过程中，经常遇到一些问题，譬如疏忽了仿真软件中管脚的接线特点，在连线时某根线连错或者未接上，还有限流电阻阻值多大等等。

在仿真结束后，自己对Protues和Keil软件的应用变得更加熟练了，而且对硬件设计中需要注意的问题也有了初步的了解，这对于以后电子线路的设计与制作是很有帮助的。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！

参考文献

[1]徐爱钧《单片机原理实用教程:基于Proteus虚拟仿真》电子工业出版社2008.7

[2]郭天祥《51单片机C语言教程》电子工业出版社2009.1

[3]邹振春《单片机原理及接口技术》机械工业出版社2005.1

[4]于晓东主编《80C51单片机原理、开发与应用实例》中国电力出版社2008.10

[5]伍时和主编《数字电子技术基础》清华大学出版社2009.4

[6]谭浩强《C语言设计》清华大学出版社2005.7

附录一总电路图：

附录二

单片机程序

FM BIT 20H ;分钟到的标志，由中断子程序产生

RING BIT P1.0 ;开关接通标志，由比较子程序产生

PLUS BIT P3.5

MINUS BIT P3.4

STP BIT P3.3

PWR BIT P2.7

MS EQU 7FH

SECN EQU 7EH

MINU EQU 7DH

HOUR EQU 7CH

BCDH EQU 7BH ;伪指令定义压缩BCD码的小时表示，用于比较BCDM EQU 7AH ;伪指令定义压缩BCD码的分钟表示，用于比较NUMB EQU 6

BUFF EQU 60H

TT EQU 20 ;伪指令设定开关接通的时间长度，设为20秒

ORG 0000H ;程序起始地址

LJMP START

ORG 000BH

LJMP INTT0

START: LCALL CLEAR

LCALL INIT

MAIN: LCALL BTBCD

LCALL DISP

JBC FM, MAINA

LCALL KEY

JNB RING, MAIN

MOV A, SECN

SUBB A, #TT

JC MAIN

CLR RING

SETB PWR

LJMP MAIN

MAINA: LCALL BTBCD

LCALL COMP

LJMP MAIN

-------------------------------------------------------------------- 清零子程序CLEAR: MOV R0,#7FH

MOV R7,#20H

CLEA1: MOV @R0, #0H ;全部清零

DEC R0

DJNZ R7, CLEA1

RET

-------------------------------------------------------------------- 初始化子程序INIT: MOV TMOD, #01H

MOV TH0, #3CH

MOV TL0, #0B0H

MOV MS, #20;

SETB TR0

SETB EA

SETB ET0

MOV SP, #30H

RET

-------------------------------------------------------------------- 数码转换子程序BTBCD: MOV A, SECN

MOV B, #10

DIV AB

MOV BUFF, B

MOV BUFF+1, A

MOV A, MINU

MOV B, #10

DIV AB

MOV BUFF+2, B

MOV BUFF+3, A

SW AP A

ORL A, B

MOV BCDM, A

MOV A, HOUR

MOV B, #10

DIV AB

MOV BUFF+4, B

MOV BUFF+5, A

SW AP A

ORL A, B

MOV BCDH, A

RET

-------------------------------------------------------------------- 按键扫描子程序KEY: MOV B, MINU

INC B

INC B

SETB STP

JNB STP, KEY11

SETB PLUS

JB PLUS, KEY2A

LCALL BTBCD

LCALL DDISP

SETB PLUS

JNB PLUS, KEY22 ;加一分钟

KEY2A: SETB MINUS

JB MINUS, KEYDD ;减一分钟

LCALL DDISP

LCALL BTBCD

LCALL DDISP

SETB MINUS

JNB MINUS, KEY33

KEYDD: LJMP KEYD

KEY11: LCALL DDISP

LCALL DDISP

SETB STP

JNB STP, KEY1

SJMP KEYDD

KEY22: LJMP KEY2

KEY33: LJMP KEY3

KEY1: LCALL DDISP

LCALL BTBCD

MOV BUFF+2, #11H

MOV BUFF+3, #11H

MOV BUFF, #11H

MOV BUFF+1, #11H

SETB PLUS

JNB PLUS, KEY5 ;判断小时+

SETB MINUS

JNB MINUS, KEY4 ;判断小时-

SETB STP

JB STP, KEY1

LCALL DDISP

LCALL BTBCD

SETB STP

JB STP, KEY1

KEY6: LCALL DDISP

LCALL BTBCD

SETB STP

JNB STP, KEY6

LJMP KEYD

KEY5: LCALL DDISP

LCALL DDISP

SETB PLUS

JB PLUS, KEY1

INC HOUR

CLR C

SUBB A, #24

JC KEY1

MOV HOUR, #00

LJMP KEY1

KEY4: LCALL DDISP

LCALL DDISP

SETB MINUS

JB MINUS, KEY1

DEC HOUR;

MOV A, HOUR

CLR C

SUBB A, #24

JC KEY1

MOV HOUR, #23

LJMP KEY1

KEY2: LCALL DDISP

SETB PLUS

JB PLUS, KEYD

INC MINU

MOV A, MINU

CLR C

SUBB A, #60

JC KEYD

MOV MINU, #00

LJMP KEYD

KEY3: LCALL DDISP

SETB MINUS

JB MINUS, KEYD

DEC MINU

MOV A, MINU

CLR C

SUBB A, #60

JC KEYD

MOV MINU, #59

KEYD: RET

-------------------------------------------------------------------- 比较子程序

COMP: PUSH DPH

PUSH DPL

PUSH ACC

MOV DPTR, #ALARM