基于单片机的智能插座设计毕业论文
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1 整体方案设计及选择 (1)
2 元件介绍 (2)
2.1 STC15F408AD单片机 (2)
2.2 DS1302时钟芯片 (3)
2.3 BT136晶闸管 (6)
2.4 光耦MOC3022 (7)
2.5 电流互感器 (8)
3 硬件电路设计 (9)
3.1 显示模块设计 (9)
3.2 时钟模块设计 (10)
3.3 按键模块设计 (11)
3.4 电流检测模块设计 (12)
3.5 晶闸管控制模块设计 (13)
3.6 电源模块设计 (14)
4 软件设计 (16)
4.1 主程序设计 (16)
4.2 显示子程序设计 (17)
4.3 时钟子程序设计 (18)
4.4 按键子程序设计 (19)
4.5 电流检测子程序设计 (20)
5 Protel DXP电路板制作 (22)
6 系统调试 (22)
6.1 硬件电路部分调试 (23)
6.2 软件部分调试 (23)
6.3 调试结果 (24)
结论 (25)
结束语 (26)
致谢 (28)
参考文献 (29)
附录1 实物照片 (30)
附录2 原理图 (31)
附录3 PCB图 (32)
附录4 源程序 (75)
附录5 元器件清单 (33)
前言
随着人们生活水平的提高，生活节奏的加快，传统的插座往往由于其功能过于单一而不能满足人们的需求。比如：电动车充电通常是8小时左右，太长容易损耗电池，太短则充不满，如果晚上充电，不方便从家里出来到车库去给车充电。白天充电又忘记拔电源；学校的起床广播因值班人员睡过头而推迟广播；家中的鱼缸因太久没有供氧造成鱼儿缺氧死亡；许多球迷或者新闻爱好者因为错过了开机时间而与精彩球赛或者新闻擦肩而过；夏天里风扇的定时时间过短（一般为1个小时），不便于晚上分段定时使用等等。
电子产品的增加，产品所带来的待机能量损失也越来越不可忽视，家庭和社会为此都付出了很大的代价。中国的节能认证中心对此进行了一个普查活动，测得的家庭用电器的待机能耗在家庭电力能耗的百分之十左右。仅仅举一个电视机的例子，大约电视的平局待机的能耗至少为8瓦。如果每天的待机时间为2个小时，那么电视机一天的电能损失约为0.016度。除此之外，家电的长期通电会使电器电路老化，降低其使用寿命，甚至容易漏电引发火灾。据公安和消防部门有关资料显示，全国平均每天发生火灾358起，其中电器火灾占30%以上，其主要原因是插座的超负荷、短路、电弧等。大多数情况下并不是我们不去关闭电源，而是忘记了切断电源。
综合以上原因考虑，我们急需要一款智能插座。此插座能够实现定时给电器供电，在工作时间之外把电器的电源切断，这样就能解决电器的待机损耗问题，达到节约用电的目的，还能消除安全隐患，最终使我们的生活更加方便化、智能化。
智能插座是一款能在特定时间段内控制电器通、断电的开关插座。能实现24小时制时钟走时模式，定时时间范围最小为1分钟。
本文阐述了定时开关插座的硬件电路设计、软件设计，给出了智能插座的设计和定型方案，它可以对家中一些需要在特定时间对电器进行自动断、通电控制，而不需要拔掉插头，减少电器的待机损耗，解决生活中的一些烦恼。
目前，在市面上，时间控制器技术相对先进，种类齐全，时间控制器被广泛应用于各类电器中，通过对时间的控制使人们的生活更加简单化、智能化。在智能插座的领域却还处于刚刚发展的阶段，智能插座也仅仅限制于旋钮定时器，或者计数器芯片设计的体积较大的时控插座。这种插座定时时间单一、功能单一、定时准确性低，很难真正满足我们日常生活的需求。现在急需将一种功能强大的时控插座来满足市场需求，改善我们的生活。
随着现代电子科学技术的发展，单片机以其优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗等优点，越来越被广泛应用。这种新兴产业的发展，势必在日常生活中产生深远的影响。而基于单片机的智能插座的设计可谓应运而生。以单片机为核心的时控插座具有一下特点：（1）、定时功能。（2）采用LED显示技术，准确的显示现实时间、定时时间。（3）、具有倒计时提示功能，可以用于提醒定时时间结束。
随着科技的发展，传统的时控插座已经不足以满足人们的需求。比如：对家中家用电器的集中管理；灯的开关、光强控制，窗帘的控制；回到家中可以设计休闲模式、睡眠模式等；还有家中的安全问题：门窗监控、视频监控、煤气和温度监控等等。将这些统一放在一起管理，就方便了我们的生活。而智能家居的诞生填补了这方面的空白。智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。插座作为家用电器的一种。它的智能化也将为生活提供巨大的方便。现在的插座已经不能够满足人们的日常使用需求。比如：对家中家用电器的集中管理。电池充电时间控制、电饭煲的定时开启、鱼缸的间断通电等；回到家中当一切需要控制的电器都按照你设定好的程序运行的时候，你会真正的感受到科技给生活带来的方便。
智能插座的使用能使我们的生活更加方便。冬天时，在回家之前打开家中的电暖器或者空调、电饭煲，等回到家中，能感到久违的温暖和吃到热乎乎的饭菜。夏天时，回家之前打开空调，回到家中体验凉爽。鱼缸的间断供氧，给鱼提供良好的生活环境。科技改变生活，随着科技的发展，智能生活已不是个梦想。
本课题主要是完成一种低成本、功能强大、性能稳定的单片机智能插座系统的设计，其中包括硬件电路设计和软件设计。
本课题详细分析了系统的硬件设计和软件设计，给出电路原理图、程序以及其设计流程图。该设计主要采用单片机为控制核心，利用DS1302作为计时芯片，通过控制I/O口实现一款具有时间控制功能的单片机智能插座。该插座主要解决生活电器中需要时间控制的难题。例如：倒计时功能、时间段控制、间断控制等。
随着现代电子科学技术的发展，单片机以其优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗等优点，越来越被广泛应用。这种新兴产业的发展，势必在日常生活中产生深远的影响。而基于单片机的智能插座的设计可谓应运而生。
1 整体方案设计及选择
基于本设计的实用性要求，联系所学知识，利用单片机的可编程性为一体，实现了插座的智能控制。所以在整体方案设计中利用单片机为整个设计的控制核心。显示模块的增加更便于人们的观察。在弱电控制强电方面也的有相应的控制元件。电流的测量同样离不开电流检测模块。因此在整体方案中有单片机、控制模块、显示模块、按键、电流转换模块等。
本次设计中考虑了三种设计方案，三种设计方案中主要区别在于硬件电路和软件设计的不同，对于本设计三种方案均能够实现，最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了基于STC15F408AD单片机，时钟芯片DS1302，可控硅BT136，数码管和电流互感器构成的集控制、计时、开关、检测、显示与一体的智能插座。现在一一介绍论证如下：
方案一、利用STC89C52单片机作为控制核心，用ADC0809作为电流测量的转换器，利用继电器作为控制电源开断的控制器，利用电流互感器感应实际电流并转化为可测量的小电流，显示部分利用液晶1602，用单片机定时器计时。
方案二、利用STC带有AD的单片机作为控制核心，利用继电器作为控制电源开断的控制器，利用电流互感器感应实际电流并转化为可测量的小电流，显示部分利用液晶1602，用单片机定时器计时。
方案三、利用STC15F408AD的单片机作为控制核心，时钟芯片DS1302进行计时，利用可控硅BT136作为开关，数码管进行显示，利用电流互感器进行实际电流的测量，用LED数码管进行显示。
方案论证：方案一中利用ADC0809接线电路复杂，利用单片机的定时器计时不准并且在断电自动复位。故方案一不符合设计要求。在方案二中虽然在接线方面简单但是在显示和计时上仍有不足。利用1602只能显示字母数字并且体积较大，制作成品后造成体积庞大，LCD是玻璃材质，而插座是一个需要拖动特别方便的常用电器，玻璃材质易碎的缺点不符合插座设计要求。方案三集成了方案一和方案二的优点摒弃了缺点因此毕业设采取方案三。
2 元件介绍
2.1 STC15F408AD单片机
STC15F408AD系列单片机是STC生产的单机器周期的单片机，是高速、高可靠、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第八代加密技术，超级加密，指令代码完全兼容传统8051，但速度要比8051快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟(±0.3%)，在-40℃~+85℃温度范围内温飘为±1%，常温下温飘±0.6%，5MHz~35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部晶振电路和外部复位电路。3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D转换(30万次/秒)，1组高速异步串行通信口，1组高速同步串行通信端口SPI，针对串行口通信、电机控制、强干扰场合。
图2.1 STC15F408AD单片机引脚图
STC15F408AD系列单片机中包含中央处理器程序存储器、数据存储器、定时器/计数器、掉电唤醒专用定时器、I/O口、高速A/D转换(30万次/秒)、看门狗、高速异步串行通信端口UART、CCP/PWM/PCA、高速同步串行端口SPI，片内高精度R/C时钟及高可靠复位等模块。STC15F408AD系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需要的所有单元模块。
STC15系列单片机的A/D转换口在P1口(P1.7-P1.0)，有8路10位高速A/D 转换器，速度可达到300KHz(30万次/秒)。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，
可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的P1口可继续作为I/O口使用。需作为A/D使用的口需先将P1ASF特殊功能寄存器中的相应位置为‘1’，将相应的口设置为模拟功能。
表2.1 P1ASF寄存器
SFR NAME ADDRESS
P1ASF 9DH
P1ASF[7-0] P1.X的功能
P1ASF0=1 P1.0作为模拟功能AD使用
P1ASF1=1 P1.1作为模拟功能AD使用
P1ASF2=1 P1.2作为模拟功能AD使用
P1ASF3=1 P1.3作为模拟功能AD使用
P1ASF4=1 P1.4作为模拟功能AD使用
P1ASF5=1 P1.5作为模拟功能AD使用
P1ASF6=1 P1.6作为模拟功能AD使用
P1ASF7=1 P1.7作为模拟功能AD使用
2.2 DS1302时钟芯片
DS1302是美国DALLA公司推出的一种高性能、低功耗实时时钟芯片，附加31字节RAM，采用的是SPI三线接口和CPU进行同步的通信，而且还可采用突发方式一次性传送多个字节的时钟信号或RAM数据。实时时钟可以提供秒、分、时、日、星期、年和月，匀月可以自动调整，且具有闰年补偿的功能。工作电压宽可达2.5～5.5V。
该芯片可采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源的充电方式，提供对后背电源进行涓细电流充电的功能。DS1302可用于数据记录，特
别是在对某些具有特殊意义的数据的记录上，能实现数据和出现该数据的时间同时记录[1]。
DS1302有关日历、时间的寄存器总共有12个，其中7个寄存器（读81h～8Dh，写80h～8Ch），存放的数据格式是BCD码形式。小时寄存器地址是（85h、84h）的前位7用于定义DS1302是运行于12小时模式还是24小时模式。当为高的时候，选择12小时模式。当为1的时候，表示PM。在24小时模式的时候，位5是第二个10小时位。
图2.2 DS1302的引脚图
表2.2 DS1302引脚功能
引脚号引脚名称功能
1 VCC
2 主电源
2、3 X1、X2 振荡器，外接32768Hz晶振
4 GND 电源地
5 RST 复位
6 I/O 数据输入/输出（双向）
7 SCLK 串行时钟
8 VCC1 后备电源
秒寄存器（地址是81h）的位7定义是时钟暂停标志（CH）。当该位为1时，时钟振荡器就停止，DS1302就处于低功耗状态；当该位置0时，时钟开始运行。
图2.3 DS1302的内部结构
控制寄存器（地址是8Fh）位7是写保护位（WP），其它的7位均置为0。在任何对时钟和RAM写操作之前，WP位必须得先为0。当WP位为1时，写保护位防止对任何一个寄存器的写操作。
表2.3 DS1302中附加31字节静态RAM的地址
读地址写地址数据范围
C1H C0H 00-FFH
C3H C2H 00-FFH
………………
FDH FCH 00-FFH
控制字的最高有效位（位7）必须是1，如果它是0，就不能把数据写入到DS1302中。控制字都是从最低位开始输出。在输入控制字指令后的下一个CLK时钟的上升沿时，数据就被写入DS1302，数据从最低位输入（0位）开始。同样，
在紧跟的8位的控制字指令后的下一个CLK脉冲下降沿，读出DS1302数据，读出数据也是从最低位到最高位。
图2.4 DS1302的读写时序
DS1302与单片机的连接需要3条线：CE引脚、CLK串行时钟引脚、I/O 串行数据引脚，Vcc2为备用电源，外接32.768kHz的晶振，给芯片提供计时脉冲。
2.3 BT136晶闸管
可控硅又可称为晶闸管（SCR）。自从问世以来就已经发展成了一个很大的家族，它的主要成员分别有单向晶闸管、快速晶闸管、光控晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸、管逆导晶闸管等。
可控硅器件是一种非常重要的大功率器件，可用来做高压和高电流的控制。可控硅器件主要用途是在开关方面，使用器件时从关闭或是阻断状态转变为开启或者是导通状态，反之亦然。可控硅与双极型的晶体管具有密切的关系，二者的传导过程都牵涉到电子和空穴，但是可控硅的开关机制与双极晶体管是不同的，并且因为器件结构不同，可控硅器件有非常宽广范围的电流、电压控制功能。现如今的可控硅器件的额定电流已经可以从几毫安到5000A以上，额定电压可以到达10000V。
在设计中所用到的是BT136晶闸管，其工作电流可达到10A，并且耐压400V。BT136在该设计中作为控制插板开关的一个主控器件。它的工作情况对该设计起着非常重要的作用。
2.4 光耦MOC3022
光耦合器的优点是单向的传送信号，输入端口与输出端口完全的实现了电气隔离，并且抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛的用于电平的转换、信号的隔离、级间的隔离、开关电路、仪器仪表远距离信号的传输、通信设备脉冲放大、固态继电器(SSR）及微机接口中。由于光耦合器的输入阻抗与干扰源的阻抗相比很小，因此在光电耦合器的输入端的干扰电压也较小，它能提供的电流并不太大，不易使用半导体二极管发光；由于光耦合器的外壳是密封的，所以它不受外部光的影响；光耦合器的隔离电阻很大（大约1012Ω）、而隔离电容却很小（约几个pF）所以它能阻止电路耦合产生的电磁干扰。线性方式工作的光耦合器是在光耦的输入端加入控制电压，在输出端成比例的产生一个用于近一步控制下一级电路的电压。线性光电耦合器由发光二极管与光敏三极管组成，当发光二极管接通发光时，光敏三级管导通，光耦是电流驱动型，需要足够大电流才能使发光二极管导通，如果输入信号很小，发光二极管久不会导通，它的输出信号将会失真。在开关电源中，尤其是数字开关电源中采用一只光敏三极管的光耦合器[2]。
在设计中，单片机作为低压器件，不可与可控硅直接相连，因此必须得使用隔离器件，同时市电控制对隔离器件也有一个非常高的要求，隔离所用的光耦必须得耐压很高，而传统的光耦是不能满足这一条件。因此我选择了耐高压的光耦MOC3022。
2.5 电流互感器
图2.5 电流互感器原理图
在发电、输电、变电、配电和用电的线路中电流的大小悬殊很大，从几安到几万安都是有的。为了便于测量、保护和控制的需要并转换为比较统一的电流，另外在线路上的电压一般都是比较高如果直接测量是非常危险的。电流互感器就起可以起到电流变换和电气隔离的作用。
电流互感器与变压器是类似的也是根据电磁感应的原理工作，变压器变换的是电压信号而电流互感器变换的是电流。电流互感器接在被测电流的绕组上（匝数为N1）称为一次绕组（原边绕组或初级绕组）。测量仪表的绕组（匝数为N2）称为二次绕组（或副边绕组或次级绕组）。
电流互感器的一次绕组电流I1与二次绕组的I2的电流之比，叫着实际电流比K。电流互感器在额定电流下的工作时的电流比叫做电流互感额定电流比，用Kn表示[3]。
Kn=I1n/I2n （3.1）在该设计中我所用到的互感器的比值是200：1的，所以互感器感应出的电流时实际电流的1/200。
3 硬件电路设计
方案的确定，为硬件设计打下了良好的基础，硬件电路的设计是在正确方案的基础上进行的。为此我先制定了硬件电路原理框图。在框图确定好的基础上选择元件类型分析设计每个模块的电路。
图3.1 电路整体框图
本设计中以STC15F408AD 单片机为主控模块。STC15F408AD 单片机在最小系统设计中省去了的复位电路和晶振电路。该单片机集成有AD 转换，晶振和复位电路，执行速度是普通单片机的5-12倍。为智能插座的高速稳定执行提供了有力的保障。因此在主控模块的设计中选择了STC15F408AD 单片机，它的实用方法和普通的89C51单片机区别并无太大区别。
3.1 显示模块设计
LED 数码管的驱动显示电流在10mA-15mA ，而STC15F408AD 单片机的输出电流仅有几毫安。毫安级的电流不能驱动LED 数码管正常显示，因此要点亮数码管必须有足够大的驱动电流。而驱动数码管点必须得用到有一定驱动能力的芯片或元件。（1）驱动数码管可用74HC573锁存器，在锁存的同时还能驱动数码管显示。（2）利用三极管的开关性质来驱动LED 数码管进行显示。考虑到设计成本以及插板体积的要求，最后选用三极管作为数码管的驱动器件。对于STC89C51单片机来说，它的驱动电流在10maA-20mA 。而STC15F408AD 的驱动电流在10mA 以下，然而它的灌电流单个管脚可达到20mA ，但是整个8显示模块 控制模块
STC15F408AD 按键模块 时钟模块
电源模块 电流检测模块
位IO口的电流和不能超过60mA。由于单片机灌电流能力强因此三极管必须得用NPN型三极管，最后选择8050三极管来驱动数码管。
数码管分为共阴和共阳两种，按位数可分为一位两位三位四位数码管。考虑到单片机单个IO口灌电流大可达20mA，这对数码管型号的选择起了关键作用，数码管点亮的正常与否是以单片机的灌流特性为基础的，所以设计中采用共阳极数码管。
由于数码管的结构可等效为多个LED组成的字符，因此它的实质也就是LED，然而LED的工作电压是有一个严格的规范，单片机的工作电压是5V，在显示模块中的三极管主要是利用其开关特性，因此如果当三极管处于导通状态就相当于在LED上直接加上5V电源，显然这样的操作会对数码管造成不可挽回的损坏，该做法是不可取的。因此数码管的正常工作必须有电阻进行分压，这样一来由公式R=V/I就可以求出限流电阻的值，在显示模块电路设计中电压V=5v，I=10mA因此R=5V/10mA=500欧姆。在标准电阻中是没有500欧姆阻值的电阻，因此选择的限流电阻是470欧姆。
3.2 时钟模块设计
在硬件电路设计中时钟模块设计是该设计的重要组成部分。首先，智能插座的定时功能必须得有一个时间基准，基准的准确与否决定了该设计的成败。
市场上的时钟芯片很多，价格也参差不齐，从几毛钱到二十几元的都有。但是就功能而言都是大同小异。有的芯片里面加入了微型电子，也就是说在没有外围供电电路时钟芯片照样走时精准。但是其价格相对而言是不菲的。对于该设计应用非常成熟的DS1302已经足以满足了我们的设计要求。
时钟模块设计是电路的重要组成部分，因此在这部分电路的设计中必须严格分析计算。首先是了解DS1302基本信息，熟悉DS1302的功能和特性，查阅翻看DS1302的相关历程，然后根据自己掌握的资料开始时钟模块的电路设计。
DS1302的官方资料里在晶振的两边是有电容的，但是在所查阅到的好多历程中都没有电容，所以必须在彻底明白了晶振与电容的配合原理之后才能接着
做下一步的工作。DS1302的电容是有必要的，它就像单片机晶振两边的电容一样，目的是让晶振能更好的起震。以保证晶振震荡的准确性。
图3.2 时钟模块电路图
3.3 按键模块设计
图3.3 按键模块电路图
在按键模块设计前先说明按键检测的原理：单片机IO只能识别高低电平，单片机复位IO口默认为高电平，单片机识别按键就是外部有高低电平变化。当按键按下将IO口电平拉低单片机就认为有按键按下，这时就可执行程序设定的按键功能，当按键松开IO又变成高电平，当检测到高电平证明按键松开。最简单的按键电路设计就是将按键一端直接连接单片机另一端直接接地，这样的设计硬件设计简单很容易想到，但是如果用多个按键，运用到的IO管脚会比较多。
在这里还有一个用一个管脚就能判别出多个按键的按键电路设计，原理就是利用电阻分压。利用单片机的AD转换端口，检测各各电阻的分压值，按键
只是选通某一个电阻值而已。这样的设计相当于是串行检测，而上面的设计则是一个并行设计的一种方法。
图3.4 按键模块电路图
根据上面两种电路最后选择了第一种并行的按键，因为这种电路设计方便编程相对简单，并且由于所选用的单片机STC15F408AD管脚相对较多，所以用这种设计方法很方便。
3.4 电流检测模块设计
图3.5 电流检测模块电路图
由于单片机检测的模拟信号只能是小信号的直流量，然而要检测插座的工作电流必须得将所测电流进行缩小，变换成5V以下的小信号供单片机检测。因此该部分电路中必须存在一个转换器件——电流互感器。然而电流互感器的感应出的电流是交流量所以必须得将交流量转换成直流量，对该部分交/直流量的转换采用的是整流桥电路。经过整流桥转换过后的直流量仍然存在波动现象，
为了使单片机检测更为准确灵敏就必须对信号进行滤波处理，整流滤波后信号已经变成单片机可准确测量的没有波动的直流信号。
3.5 晶闸管控制模块设计
图3.6 晶闸管控制原理图
在整体方案设计中传统方式是采用继电器来作为控制模块，但是由于继电器的动作是由机械控制，这样出现的错误率会比较高，另一方面继电器的体积比较大，特别是大功率的控制继电器。继电器的一个致命的缺点是它的使用次数少，开关特性慢。一个继电器的使用次数一般在两万次，如果插座工作在间歇通电状态必须的要频繁的开关。显然选择继电器已经不太合适。
图3.7 晶闸管控制模块电路图
在电力电子课程中经常讲到的就是晶闸管，它的性能优越，控制方便使用寿命长，开关特性比继电器要强很多。但是在晶闸管的控制电路中所使用到的是弱电，为了安全起见必须要把强电和弱电进行分离，在控制模块中利用光耦将强电和弱电进行隔离从而达到弱电控制强电的目的。
可控硅在某些性子上和三极管差不多。三极管作为开关器件使用的时候是控制直流的，并且通过基极进行控制开关。但是可控硅却没有像三极管那样容易控制，可控硅具有以下特性：
（1）必须有正向电压，在正向电压的基础上必须有开启电流，这样可控硅才能导通。
（2）可控硅一旦导通通过断掉开启电流的方法已经是不可能了。
关断可控硅的方法有：
①断电
②电源反接
③有过零点
只有满足这三个中的一个才能将可控硅关掉。可控硅是控制高电压大电流的器件，因此要想用单片机来控制可控硅就必须将可控硅与低压原件进行隔离，所以必须用到隔离元件，这种隔离原件是工作在市电环境下，所选型号的光耦必须具有耐高压特性。
3.6 电源模块设计
图3.8 阻容降压电路图
插座的正常工作电流在100mA左右，而用阻容降压的原理来实现插座的供电是减小电源体积的一种方法。在阻容降压电路中，阻容降压的供电电流过小，其稳定定性也相对较低，当电流波动非常大的时候，电压就会有一个较大的波动，引起单片机复位，导致设定的值失，所以阻容降压的方法是不可取的。因此必须重新设计电源电路。