畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）題 目 基于單片機(jī)的智能插座的設(shè)計(jì) 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日基于單片機(jī)的智能插座的設(shè)計(jì) 摘要：本文主要描述了一個(gè)定時(shí)插座的設(shè)計(jì)與制作。定時(shí)插座可以彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)生活中普通插座功能的不足，能夠通過外設(shè)按鍵設(shè)置兩組開關(guān)定時(shí)時(shí)段和6組倒計(jì)時(shí)定時(shí)，同時(shí)也能夠通過紅外遙控進(jìn)行無線控制，使外接電器可以按照一定規(guī)律工作，既可以達(dá)到智能控制的目的，又在很大程度上起到節(jié)能的作用。 關(guān)鍵詞：STC89C52;定時(shí);插座;紅外;繼電器The design of timing socket based on microcontrollerAuthor: ( )Tutor: Abstract: This paper mainly describes the design and production of a timing socket. The timing socket could compensate for the shortage of the common socket .It also could set any timing in a day and six groups of fast timing by the key. At the same time, it could also be remotely controlled by infrared controller, so that home appliances could work on rules. In this way, it can achieve the purpose of being intelligently controlled and will largely save the electric energy.Keywords: STC89C52; Timing; Socket; Infrared; Relay目 錄1.緒論11.1 課題研究的背景及意義11.2 課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)11.3 本文主要研究內(nèi)容32.方案的提出及論證42.1方案的提出42.2方案的比較52.3方案的確定53.硬件電路設(shè)計(jì)63.1主控制器及最小系統(tǒng)63.2穩(wěn)壓電源模塊93.3時(shí)鐘電路103.4顯示電路123.5控制模塊143.6 溫度采集模塊144.軟件設(shè)計(jì)164.1 DS1302計(jì)時(shí)程序174.2 LCD1602顯示電路程序194.3 DS18B20測(cè)溫電路程序205.仿真與調(diào)試215.1 硬件調(diào)試245.2 軟件調(diào)試245.3 小結(jié)256.結(jié)束語27參考文獻(xiàn)28致謝29附錄A 外文文獻(xiàn)及翻譯附錄B 源程序附錄C 硬件連接圖附錄D 實(shí)物圖 II 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文1緒論1.1 課題研究的背景及意義隨著社會(huì)科技的不斷進(jìn)步，各式各樣的電子產(chǎn)品已經(jīng)慢慢融入到了我們的生活，這也就意味著我們需要更多的能源來維持我們的生活正常的進(jìn)行，但是，這個(gè)社會(huì)是一個(gè)能源逐漸枯竭的社會(huì)，節(jié)約能源又成為了這個(gè)社會(huì)的主題。所以，為了解決這樣一對(duì)矛盾，我們了解到，越來越多的產(chǎn)品有了待機(jī)功能，如電視機(jī)，電腦，冰箱，空調(diào)等家用電器。據(jù)調(diào)查，我國城市家庭的平均待機(jī)能耗，相當(dāng)于每個(gè)家庭每天都在亮著一盞15瓦到30瓦的長明燈。據(jù)測(cè)算，家電待機(jī)能耗占到中國家庭電力消耗的10%以上。而正是由于這種長期的待機(jī)狀態(tài)，使得插座的負(fù)荷也越來越大，帶來了非常嚴(yán)重的安全隱患。除此之外，也使得電器的壽命大大縮短。因此，在本次設(shè)計(jì)中我們就要對(duì)家庭中普通的插座進(jìn)行更加智能化的設(shè)計(jì)，我們利用單片機(jī)對(duì)繼電器的控制來達(dá)到控制插座通斷的目的，并可以通過外設(shè)鍵盤對(duì)插座進(jìn)行定時(shí)設(shè)置，使其可以按照我們的意愿定時(shí)通斷。在定時(shí)功能的基礎(chǔ)上，加上了測(cè)溫模塊、過載保護(hù)和防雷模塊。所以此次的設(shè)計(jì)具有以下意義：1） 節(jié)約能源；2） 消除安全隱患；3） 延長家用電器的使用壽命；4） 使人們的生活更加方便，簡單。1.2 課題研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)在市場(chǎng)上的220V移動(dòng)式電源插座大部分功能單一，只能簡單的實(shí)現(xiàn)電源的通斷，小部分可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)，但大都是機(jī)械式的，而不能根據(jù)使用者的意愿編程設(shè)定時(shí)間自動(dòng)通斷，有時(shí)滿足不了人們的需求。智能可編程開關(guān)插座則可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)可編程，通過編程定時(shí)，自動(dòng)接通和斷開，給人們生活帶來很大方便，得到了廣泛應(yīng)用。目前市場(chǎng)上比較好的智能插座有小管家智能插座、科德牌智能插座、POLYHOME智能插座、博聯(lián)智能插座等等。其中，小管家智能插座采用智能芯片系統(tǒng)及其相關(guān)的程序控制軟件對(duì)電器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，智能關(guān)機(jī)，將待機(jī)能耗降為零，以達(dá)到安全節(jié)能的目的。它可以在電器遙控關(guān)機(jī)后自動(dòng)切斷電源，遙控開機(jī)時(shí)，能自動(dòng)接通電源，從而達(dá)到安全、節(jié)電的效果。它還具有消除待機(jī)能耗、智能化保護(hù)功能、避免電磁波輻射、有效防雷擊沖擊的特點(diǎn)?？频耇W-L12采用大屏液晶顯示，可以進(jìn)行定時(shí)設(shè)定，最小設(shè)定時(shí)間為1分鐘，每天最多可設(shè)置20組開與關(guān)，每周可設(shè)置140組。并且具有模式功能，隨時(shí)可切換到長通或定時(shí)狀態(tài)。而POLYHOME智能插座是北京博力恒昌科技有限公司生產(chǎn)的智能家居產(chǎn)品之一。它主要的特點(diǎn)是內(nèi)嵌Zigbee無線接收模塊，可以對(duì)它進(jìn)行無線遙控，智能控制一些家用電器，比如開關(guān)空調(diào)、開關(guān)電飯煲等，也可以與普通插座互換。對(duì)于比較先進(jìn)的博聯(lián)智能插座，它是基于Wi-Fi通訊，可實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)通過智能手機(jī)隨心所欲的控制家中、辦公室的電器。隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能插座的功能也在不斷的更新。由于單片機(jī)具有優(yōu)異的性能性價(jià)比，集成度高、體積小、可靠性高，控制功能強(qiáng)，低電壓、低功耗等特點(diǎn)，以及單片機(jī)控制電路技術(shù)的發(fā)展使智能插座具有定時(shí)準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。因此智能可編程開關(guān)插座發(fā)展迅速，得到了很廣泛的應(yīng)用。所以，智能插座會(huì)朝著微型化、低功耗、無線遙控、語音控制等更加智能數(shù)字化的方向發(fā)展，讓人們的生活更加便捷。再具體說，以后智能插座的發(fā)展，在節(jié)能的基礎(chǔ)上，質(zhì)量要穩(wěn)定，插座本身耗能要小，這是發(fā)展的必要趨勢(shì)。同時(shí)可加上其他一些功能，像USB接口，這樣一來，手機(jī)，MP3等電器充電機(jī)會(huì)更加方便；語音功能，讓操作更加方便；也可加上溫度測(cè)量顯示功能，讓這個(gè)插座實(shí)現(xiàn)更多的功能，使得智能插座體積小但功能更強(qiáng)大，攜帶也更加方便。而目前智能插座的實(shí)現(xiàn)方法有機(jī)械式定時(shí)插座、基于單片機(jī)的定時(shí)器功能實(shí)現(xiàn)插座的智能定時(shí)、還有采用現(xiàn)成的智能芯片。機(jī)械式定時(shí)插座是通過轉(zhuǎn)動(dòng)刻度盤，來設(shè)定定時(shí)時(shí)間，比如科德TW-A07的22小時(shí)倒時(shí)定時(shí)器；而基于單片機(jī)的智能插座是通過用單片機(jī)控制繼電器的通斷來控制插座的開關(guān)，即通過單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)智能定時(shí)；而采用智能芯片的節(jié)能插座是通過芯片直接感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)智能通斷電，從而達(dá)到消除待機(jī)功耗的目的；還有一種比較先進(jìn)的，基于Wi-Fi通訊，只要家中有無線路由器，插座就會(huì)自動(dòng)尋找網(wǎng)路，用戶只需輸入上網(wǎng)密碼即完成配置，通過智能手機(jī)在全球任何地點(diǎn)都可以控制。智能插座有效地解決了待機(jī)能耗的問題，從而提高終端用電設(shè)備的使用壽命，促進(jìn)我國節(jié)電降耗產(chǎn)品領(lǐng)域的發(fā)展。也消除了生活中的很多安全隱患。可達(dá)到適用于彩電、電腦、空調(diào)等用電領(lǐng)域的較高技術(shù)指標(biāo)與節(jié)電能力。而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)智能插座的承受功率不斷地增高完善，智能插座除了廣泛應(yīng)用于家用電器外，還會(huì)更多的應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域。1.3 本文主要研究內(nèi)容在本次設(shè)計(jì)中我們就要對(duì)家庭中普通的插座進(jìn)行更加智能化的設(shè)計(jì)，我們利用單片機(jī)對(duì)繼電器的控制來達(dá)到控制插座通斷的目的，并可以通過外設(shè)鍵盤和紅外遙控對(duì)插座進(jìn)行定時(shí)設(shè)置和溫度設(shè)置，使其可以按照我們的意愿定時(shí)通斷。在定時(shí)定溫功能的基礎(chǔ)上，加上了過載保護(hù)和防雷模塊。2.方案的提出及論證2.1方案的提出方案一：設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)STC89C52控制的定時(shí)開關(guān)插座，能控制一路220V/10A的插座，使其可以在24小時(shí)內(nèi)能預(yù)先設(shè)定定時(shí)范圍，每天周而復(fù)始地控制用電器具的自動(dòng)開啟和關(guān)閉，因?yàn)槭峭ㄟ^時(shí)鐘芯片來定時(shí)，所以更加準(zhǔn)確。同時(shí)還能通過紅外遙控隨時(shí)控制插座的開關(guān)，從而達(dá)到方便、智能、節(jié)電的目的。其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示：STC89C527805穩(wěn)壓電源模塊繼電器模塊DS18b20模塊DS1302計(jì)時(shí)模塊LCD顯示模塊按鍵模塊圖2.1 基于單片機(jī)的智能插座框圖方案二：設(shè)計(jì)一個(gè)定時(shí)開關(guān)，通過撥碼開關(guān)預(yù)置一個(gè)時(shí)間，再通過計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)方式進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一個(gè)時(shí)間時(shí)，發(fā)出一個(gè)信號(hào)，進(jìn)而來控制電器的工作。具體原理是由555組成秒脈沖發(fā)生器，再由CD40192構(gòu)成一個(gè)倒計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)器，通過一個(gè)撥碼開關(guān)預(yù)設(shè)時(shí)間，最后數(shù)碼管顯示，蜂鳴器報(bào)警。其設(shè)計(jì)框圖如圖2.2所示：秒脈沖發(fā)生器報(bào)警電路控制電路譯碼器定時(shí)器圖2.2 數(shù)字式定時(shí)開關(guān)2.2方案的比較方案一和方案二均可實(shí)現(xiàn)插座的定時(shí)。若用數(shù)字電路完成，所設(shè)計(jì)的電路相對(duì)復(fù)雜，需要更多的數(shù)字集成塊，其功能也主要依賴于數(shù)字電路的各功能模塊的組合來實(shí)現(xiàn)，其精度也不如單片機(jī)和時(shí)鐘芯片配合的準(zhǔn)確，由于元件較多，焊接過程也會(huì)比較復(fù)雜，成本也高。而單片機(jī)控制更加靈活，功能更加強(qiáng)大，可編程性也更高，因?yàn)橛脝纹瑱C(jī)主要是軟件編程來完成，那么就降低了硬件電路的復(fù)雜性，而且其成本也相對(duì)降低。2.3方案的確定通過上述方案的比較，用單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)插座的設(shè)計(jì)比數(shù)字電路更加準(zhǔn)確靈活，功能更加強(qiáng)大，成本相對(duì)更低，硬件復(fù)雜性也更小，所以，綜合各方面因素，本設(shè)計(jì)采用方案一。3.硬件電路設(shè)計(jì)定時(shí)插座系統(tǒng)在未設(shè)置任何定時(shí)的時(shí)候顯示界面顯示時(shí)間，通過按鍵設(shè)置可設(shè)置在24小時(shí)內(nèi)的兩組定時(shí)開關(guān)時(shí)間和六組一小時(shí)內(nèi)的固定模式定時(shí)，分別控制插座的開關(guān)，從而控制外部電器的工作與否。LCD顯示模塊DS18b20模塊繼電器模塊按鍵模塊DS1302計(jì)時(shí)模塊7805穩(wěn)壓電源模塊STC89C52總體的硬件電路框圖如圖3.1所示：圖3.1 硬件電路框圖3.1主控制器及最小系統(tǒng)STC89C52是宏晶公司生產(chǎn)的40引腳雙列直插芯片，單片機(jī)片內(nèi)集成512字節(jié)程序運(yùn)行空間、8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)空間支持最大64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要求,時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口、3個(gè)定時(shí)器、8個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(hù)?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，即體積小、重量輕、單一電源、低功耗、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉、運(yùn)算速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等，所以特別適用于實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)，應(yīng)用領(lǐng)域很廣，已成為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造，各類產(chǎn)品跟新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化的理想模型。其內(nèi)部包含以下功能部件：a.8位CPU； b.振蕩器和時(shí)鐘電路； c.8k字節(jié)的程序存儲(chǔ)器EPROM; d.256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM； e.可尋址外部存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各64字節(jié)； f.20多個(gè)特殊功能寄存器； g.32線并行I/O口； h.一個(gè)全雙工串行I/O口； i.3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器；圖3.2 DIP-40封裝STC89C52引腳圖P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入口使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。P3 口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3.3所示：圖3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)仿真圖最小系統(tǒng)中包括晶振電路和復(fù)位電路，其中復(fù)位電路采用手動(dòng)按鍵復(fù)位，來應(yīng)對(duì)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生程序跑飛的情況。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位（圖3.4）和手動(dòng)復(fù)位（圖3.5）。 圖3.4 上電復(fù)位 圖3.5 手動(dòng)復(fù)位3.2穩(wěn)壓電源模塊本設(shè)計(jì)用到78L05穩(wěn)壓芯片。設(shè)計(jì)中的繼電器是比較耗電的器件，而且如果電量不足會(huì)使得繼電器無法工作，因?yàn)橥ㄟ^78L05穩(wěn)壓芯片把9V電源穩(wěn)壓輸出5V給單片機(jī)供電。78LXX系列是三端正電源穩(wěn)壓電路，封裝形式為TO-220。 它具有一系列固定的電壓輸出，應(yīng)用非常廣泛。每種類型由于內(nèi)部電流的限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，使它基本不會(huì)損壞。如果能提供足夠的散熱片，它們就能夠提供大于1.5A的輸出電流。當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷缶湍塬@得各種不同的電壓和電流。如圖3.6，78L05具有以下特點(diǎn)：a. 最大輸出電流為1.5A；b.輸出電壓為5V；c.熱過載保護(hù)； d.短路保護(hù)；e.輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)；1腳：輸入 2腳：接地 3腳：輸出 圖3.6 78L05具體的5V電源電路如下圖3.7所示：圖3.7 電源電路3.3時(shí)鐘電路系統(tǒng)采用DS1302作為計(jì)時(shí)器，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)插座能在24小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間的可變定時(shí)和一小時(shí)內(nèi)的固定模式定時(shí)。這樣可以使得定時(shí)準(zhǔn)確，方便，節(jié)約系統(tǒng)資源，同時(shí)程序編寫上也能相對(duì)簡單。DS1302 是高性能時(shí)鐘芯片，具有以下特性：實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月、以及帶閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計(jì)數(shù)；用于高速數(shù)據(jù)暫存的31*8RAM； 最少引腳的串行I/O； 2.5-5.5V滿肚工作范圍； 2.5V時(shí)耗電小于300nA； 用于時(shí)鐘或數(shù)據(jù)讀/寫的單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)傳送； 8引腳DIP或可選的用于表面的8引腳SOIC封裝； 簡單的3線接口； TTL兼容（VCC=5V）； 可選的工業(yè)溫度范圍-40至+85； 在DS1202基礎(chǔ)上增加的特點(diǎn)：可選的慢速充電的能力； 用于主電源和備份電源的雙電源引腳； 備份電源引腳可用作電池或超容量電容器的輸入端； 附加的告訴暫存存儲(chǔ)器（7字節(jié)）。圖3.8為DS1302的芯片引腳圖。表3.1為DS1302各引腳的功能。圖3.3.1 DS1302的芯片引腳圖圖3.8 DS1302的芯片引腳圖DS1302各個(gè)引腳的功能可以通過表3.1表示，其中有主電源、備用電池、振蕩器、數(shù)據(jù)輸入/輸出端口、復(fù)位端口和串行時(shí)鐘端口。圖3.9為本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘芯片和單片機(jī)的連接電路，5、6、7引腳分別接在了單片機(jī)的P05、P06、P07口。備用電池采用了3v的紐扣電池。表3.1 DS1302引腳功能引腳號(hào)引腳名稱功能1VCC2主電源2、3X1、X2振蕩器，外接32.768HZ晶振4GND電源地5RST復(fù)位6I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出（雙向）7SCLK串行時(shí)鐘8VCC1后備電源圖3.9 DS1302電路圖3.4顯示電路本設(shè)計(jì)采用的是LCD1602字符型液晶顯示器。LCD液晶顯示器是一種低功耗的顯示器件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子及便攜式電子產(chǎn)品中。它不進(jìn)省電，而且能夠顯示大量的信息，如文字、曲線、圖形、動(dòng)畫等，其功能比數(shù)碼管強(qiáng)大得多。 LCD1602液晶顯示模塊可同時(shí)顯示16*2即32個(gè)字符，內(nèi)部含有的字符發(fā)生存儲(chǔ)器里面存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，包括阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)和日文的片假名等，每個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大小寫英文字母的A的代碼是01000001B（41H），顯示模塊在顯示A時(shí)就把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖像顯示出來，我們就能看到屏幕顯示字母A了。表3.2為LCD1602引腳定義：表3.2 LCD1602引腳定義引腳號(hào)引腳名電平輸入/輸出作用1Vss電源地2Vcc電源（+5V）3Vee對(duì)比調(diào)整電壓4RS0/1輸入0=輸入指令1=輸入數(shù)據(jù)5R/W0/1輸入0=向LCD寫入指令或數(shù)據(jù)1=從LCD讀取信息6E1,10輸入使能信號(hào)，1時(shí)讀取信息，10（下降沿）執(zhí)行命令7DB00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line0(最低位)8DB10/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line19DB20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line210DB30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line311DB40/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line412DB50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line513DB60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line614DB70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線line7（最高位）15A+VccLCD背光電源正極16K接地LCD背光電源負(fù)極3.5控制模塊本設(shè)計(jì)采用的是型號(hào)為SONGLE SRD-05VDC-SL-C的繼電器，5V繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用，實(shí)現(xiàn)小電壓控制大電壓的目的。在本系統(tǒng)中，主要是用于控制插座的開關(guān)狀態(tài)，通過單片機(jī)I/O輸出信號(hào)控制繼電器的工作已否從而達(dá)到控制插座開關(guān)的目的。3.6 溫度采集模塊DS18B20數(shù)字溫度計(jì)是DALLAS公司生產(chǎn)的1-Wire，即單總線器件，具有線路簡單、體積小、低功耗、高精度、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)的數(shù)字溫度傳感器。DS1820數(shù)字溫度計(jì)提供9位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。信息經(jīng)過單線接口送入DS1820或從DS1820送出，因此從主機(jī)CPU到DS1820僅需一條線(和地線)、DS1820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源。因?yàn)槊恳粋€(gè)DS1820在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào)，因此任意多個(gè)DS1820可以存放在同一條單線總線上。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DSI820的測(cè)量范圍從一55到+125增量值為0.5，可在1s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字每一個(gè)DS1820包括一個(gè)唯一的64位長的序號(hào)，該序號(hào)值存放在DS1820內(nèi)部的ROM(只讀存貯器)中。開始8位是產(chǎn)品類型編碼(DS1820編碼均為10H)、接著的48位是每個(gè)器件唯一的序號(hào)、最后8位是前面56位的CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))碼。DS1820中還有用于貯存測(cè)得的溫度值的兩個(gè)8位存貯器FAM編號(hào)為0號(hào)和1號(hào)。1號(hào)存貯器存放溫度值的符號(hào)，如果溫度為負(fù)().則1號(hào)存貯器8位全為1，否則全為0。0號(hào)存貯器用于存放溫度值的補(bǔ)碼，LSB(最低位)的“1表示0.5。將存貯器中的二進(jìn)制數(shù)求補(bǔ)再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)并除以2就得到被測(cè)溫度(-550一125). DS1820的引腳如圖3.10所示、每只DS1820都可以設(shè)置成兩種供電方式.即數(shù)據(jù)總線供電方式和外部供電方式。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線，但完成溫度測(cè)量的時(shí)間較長，采取外部供電方式則多用一根導(dǎo)線，但測(cè)量速度較快。1.GND：地；2.DQ：數(shù)字輸入/輸出；3.VDD：可選的+5V電源。圖3.10 DS18B20的引腳圖4.軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中用到的單片機(jī)是STC89C52，為了使編寫的程序更加簡單明了，采用C語言進(jìn)行編程，用Keil軟件進(jìn)行編譯，STCISP軟件進(jìn)行下載。 軟件設(shè)計(jì)部分包括液晶顯示程序、DS1302計(jì)時(shí)程序、DS18B20測(cè)溫程序，獨(dú)立式按鍵處理程序等。由于定時(shí)設(shè)置是通過獨(dú)立式按鍵進(jìn)行設(shè)置的，程序在按鍵掃描部分相對(duì)重要。在檢測(cè)到被設(shè)置了定時(shí)任務(wù)時(shí)，系統(tǒng)要檢測(cè)是否到達(dá)定時(shí)時(shí)間，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。圖4.1為主程序流程圖：圖4.1 主程序流程圖4.1 DS1302計(jì)時(shí)程序的編寫DS1302串行時(shí)鐘芯片的主要組成部分：移位寄存器控制邏輯、振蕩器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘以及RAM。為了初始化任何的數(shù)據(jù)傳送，把RST置為高電平且把提供地址和命令信息的8位裝入到移位寄存器中。數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿串行輸入。無論是讀周期還是寫周期發(fā)生，也無論傳送方式是單字節(jié)傳送還是多字節(jié)傳送，開始8位指定的40個(gè)字節(jié)中的那個(gè)將被訪問。在開始8個(gè)時(shí)鐘周期把命令字裝入移位寄存器之后，另外的時(shí)鐘在讀操作時(shí)輸出數(shù)據(jù)，在寫操作時(shí)輸入數(shù)據(jù)。時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)在單字節(jié)方式下為8加8，在多字節(jié)方式下為8加最大可達(dá)248的數(shù)。DS1302總共有12個(gè)寄存器，其中的7個(gè)寄存器分別與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式。表3為它的日歷、時(shí)間寄存器及控制字，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作。表4.1為寄存器地址和內(nèi)容：表4.1 寄存器地址和內(nèi)容寫寄存器讀寄存器Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0秒80H81HCH10秒秒分82H83H010分分小時(shí)84H85H12/24010A/P時(shí)時(shí)日86H87H0010日日月88H89H00010月月星期8AH8BH00000星期年8CH8DH10年年控制8EH8FHWP0000000如圖4.2為DS1302的命令字節(jié)，每一數(shù)據(jù)傳送由命令字節(jié)初始化。最高位有效位MSB必須為1。如果它是零，禁止寫DS1302，位6為邏輯0指定時(shí)鐘日歷數(shù)據(jù)；邏輯1指定RAM數(shù)據(jù)。位1和5指定進(jìn)行輸入或輸出的特定寄存器。最低位LSB 為邏輯0指定進(jìn)行寫操作；邏輯1指定進(jìn)行讀操作，命令字節(jié)總是從最低有效為LSB開始輸入。765432101RAM/CKA4A3A2A1A0RD/W圖4.2 DS1302的命令字節(jié)如圖4.3為1302的程序流程圖：圖4.3 DS1302實(shí)時(shí)時(shí)間流程圖4.2 LCD1602顯示電路程序編寫這部分的顯示過程主要是顯示從DS1302讀取的日歷和時(shí)鐘數(shù)值，從DS18B20讀取溫度值，同時(shí)當(dāng)檢測(cè)到獨(dú)立式按鍵有鍵按下時(shí)，顯示相應(yīng)的設(shè)置菜單等?；静僮鲿r(shí)序： 讀狀態(tài)：輸入：RS=L,RW=H,E=H 輸出：DOD7=狀態(tài)字 寫狀態(tài)：輸入：RS=L,RW=L,D0D7=指令碼,E=高脈沖 輸出：無 讀數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=H,E=H 輸出：DOD7=數(shù)據(jù) 寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H,RW=L,D0D7=數(shù)據(jù),E=高脈沖 輸出：無1602顯示流程圖如圖4.4所示：開始初始化讀狀態(tài)寫命令讀數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)顯示 圖4.4 1602顯示流程圖4.3 DS18B20顯示電路程序編寫DS18B20是在一根I/O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機(jī)主動(dòng)啟動(dòng)寫時(shí)序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。其設(shè)計(jì)流程圖如圖4.5所示。圖4.5 溫度采集子程序流程圖5仿真與調(diào)試5.1系統(tǒng)的仿真本次設(shè)計(jì)仿真調(diào)試所用的軟件是keil和protues.其中，keil用來編寫和調(diào)試程序，protues用來搭建原理圖并進(jìn)行仿真。在使用這兩個(gè)軟件時(shí)，都遇到了一些問題，例如在使用protues進(jìn)行原理圖繪制的時(shí)候，有些器件很難找到，這就會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，所以，最后在網(wǎng)上下載了一個(gè)protues元件對(duì)照表，這個(gè)問題就得到了解決。在使用keil編程的時(shí)候，問題主要出在編譯時(shí)，因?yàn)檫@次設(shè)計(jì)程序代碼比較長，所以在開始編譯時(shí)，會(huì)出錯(cuò)，提示是因?yàn)榇a太長，開始不知道該怎么辦，最后通過百度后才知道是因?yàn)榘惭b的keil軟件沒有破解，破解后問題迎刃而解。 圖5.1 kell軟件應(yīng)用圖（1）點(diǎn)擊project，設(shè)置一些軟件目標(biāo)選項(xiàng)：圖5.2 生成工程項(xiàng)目點(diǎn)擊“Project-New project”菜單，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框，要求給將要建立的工程起一個(gè)名字，你可以在編緝框中輸入一個(gè)名字,點(diǎn)擊“保存”按鈕，出現(xiàn)第二個(gè)對(duì)話框，按要求選擇目標(biāo)器件片。建立新文件并增加到組。分別設(shè)置“target1”中的“Target,output,debug”各項(xiàng)，使程序匯編后產(chǎn)生HEX文件。（2）編譯，調(diào)試系統(tǒng)程序Keil 單片機(jī)模擬調(diào)試軟件內(nèi)集成了一個(gè)文本編輯器，用該文本編輯器可以編輯源程序。在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“File New.”、單擊對(duì)應(yīng)的工具按鈕或者快捷鍵Ctrl +N 將打開一個(gè)新的文本編輯窗口，完成C語言源文件的輸入，并且完成源程序向當(dāng)前工程的添加。然后在集成開發(fā)環(huán)境中選擇菜單“FileSave As.”可以完成文件的第一次存儲(chǔ)。注意，C語言源文件的擴(kuò)展名應(yīng)該是“.c”，它應(yīng)該與工程文件存儲(chǔ)在同一文件夾之內(nèi)。在完成文件的第一次存儲(chǔ)以后，當(dāng)對(duì)C語言源文件又進(jìn)行了修改，再次存儲(chǔ)文件則應(yīng)該選擇菜單“FileSave”、單擊對(duì)應(yīng)的工具按鈕或者快捷鍵Ctrl +S 實(shí)現(xiàn)文件的保存。接著的工作需要把C語言源文件加入工程之中。選擇工程管理器窗口的子目“Source Group 1”，再單擊鼠標(biāo)右鍵打開快捷菜單。在快捷菜單中選擇“Add File to Group Source Group 1”，加入文件對(duì)話框被打開。在這個(gè)對(duì)話框的“查找范圍（I）”下拉列表框中選擇存儲(chǔ)C語言源文件的文件夾，在“文件類型（T）” 下拉列表框選擇“C Source file（*.a*；*.src）”，這時(shí)存儲(chǔ)的C語言源文件將顯示出來。雙擊要加入的文件名或者選擇要加入的文件名再單擊“Add”按鈕即可完成把C語言源文件加入工程。文件加入以后，加入文件對(duì)話框并不消失，更多的文件也可以利用它加入工程。如果不需要加入其它文件，單擊“Close”按鈕可以關(guān)閉加入文件對(duì)話框。這時(shí)工程管理窗口的文件選項(xiàng)卡中子目錄“Source Group 1”下出現(xiàn)一個(gè)C語言源文件。 需要注意，當(dāng)把C語言源文件加入工程但還沒有關(guān)閉加入文件對(duì)話框，這時(shí)有可能被誤認(rèn)為文件沒有成功地加入工程而再次進(jìn)行加入操作，系統(tǒng)將顯示所需的文件已經(jīng)加入的提示。在這種情況下，單擊提示框中的“確定”按鈕，再單擊“Close”按鈕可以關(guān)閉加入文件對(duì)話框。(3) 編譯源程序，出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，返回上一級(jí)對(duì)錯(cuò)誤更改后重新編譯，直到?jīng)]有錯(cuò)誤為止。其中需要注意是一些設(shè)置：單片機(jī)設(shè)置：圖5.3 單片機(jī)屬性設(shè)置圖其中是需要導(dǎo)入由KEIL軟件生成的*.hex文件，再是時(shí)鐘頻率為12MHZ。電源的設(shè)置：點(diǎn)擊Design出現(xiàn)選項(xiàng)點(diǎn)擊Configure Power Rails如下圖所示的對(duì)話框：圖5.4 電源設(shè)置設(shè)置電源為5V。5.1 硬件調(diào)試開始時(shí)是從面包板上搭接硬件電路，一切順利，當(dāng)用洞洞板焊接完成后，1602沒有顯示時(shí)間和溫度，檢查了很長時(shí)間才發(fā)現(xiàn)問題，因?yàn)槭褂门拍?，?8b20插在上面，所以，在插的時(shí)候插反了。而時(shí)鐘也沒有顯示，所以檢查1302是否有問題，檢查完才發(fā)現(xiàn)1302忘了接地。通過不斷地查找問題，然后一個(gè)一個(gè)解決，最終終于正常工作。繼電器部分的電路檢查時(shí)開始用3節(jié)干電池給單片機(jī)供電，發(fā)現(xiàn)繼電器無法工作，檢查原因后才知道繼電器的供電電壓不足，因而用12V轉(zhuǎn)5V的穩(wěn)壓電源時(shí)工作正常。5.2 軟件調(diào)試在軟件設(shè)計(jì)前，先把大致的程序流程理清，然后再分模塊調(diào)試，將各模塊部分的程序先調(diào)試可行后再整合到一起，編寫主程序。首先是LCD1602顯示程序，通過編寫過的程序掌握了1602的顯示原理及其顯示過程用到的指令如清屏，開關(guān)顯示等。初步設(shè)計(jì)了顯示器需要顯示的顯示菜單。然后通過獨(dú)立式按鍵設(shè)置顯示菜單，執(zhí)行相應(yīng)的功能。因?yàn)樗械脑O(shè)置在獨(dú)立式按鍵處理上都要實(shí)現(xiàn)，使得按鍵處理程序必須有條不紊的編寫，先列好按鍵處理的大致流程，需要設(shè)置的的顯示菜單和各個(gè)按鍵按下后必須實(shí)現(xiàn)的菜單選項(xiàng)等。有了這些流程后才能在編程過程中減少一些不必要的麻煩。在控制定時(shí)方面，開始只是讓系統(tǒng)可以通過獨(dú)立式按鍵設(shè)置一組定時(shí)開關(guān)時(shí)間，后面意識(shí)到可設(shè)置的定時(shí)組數(shù)太少，功能過于簡單，就再加入了一組定時(shí)設(shè)置，使系統(tǒng)可以通過獨(dú)立式按鍵設(shè)置兩組定時(shí)開關(guān)時(shí)間。后來再經(jīng)過多番考慮后發(fā)現(xiàn)。定時(shí)插座設(shè)置時(shí)間有時(shí)候需要快速定時(shí)，如果通過按鍵設(shè)置一定時(shí)間段的定時(shí)可能比較耗時(shí)，于是就加入了固定定時(shí)模式，可以在簡單的操作中設(shè)置一個(gè)小時(shí)內(nèi)的6組固定模式定時(shí)。因?yàn)榘存I處理這塊加入了大部分的設(shè)置功能，所以編寫過程比較費(fèi)力，通過反復(fù)調(diào)試，系統(tǒng)已經(jīng)可以達(dá)到預(yù)期的效果。5.3 小結(jié)通過一番努力，終于在此次設(shè)計(jì)中完成了預(yù)期設(shè)計(jì)任務(wù)。所設(shè)計(jì)的定時(shí)插座已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。該定時(shí)插座可以控制一路220V/10A的插座，可以設(shè)置在一天24小時(shí)內(nèi)的兩組任意定時(shí)開關(guān)時(shí)間和6組一小時(shí)內(nèi)的固定模式定時(shí)；還可以通過溫度上下限的設(shè)置，控制繼電器稍的工作狀態(tài)。定時(shí)插座工作時(shí)紅色指示燈亮，不工作時(shí)指示燈不亮。本次設(shè)計(jì)的定時(shí)插座雖然可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制一路插座的功能，但是可定時(shí)的路數(shù)和定時(shí)組數(shù)仍然不夠?，F(xiàn)實(shí)生活中，隨著人們的生活水平不斷的提高，家電等用電器具越來越多，單一的一路控制明顯不能滿足要求。因而，如果在設(shè)計(jì)時(shí)多加入幾路的插座控制，而且各路控制互不干擾，各司其職的話，用戶只需要將要定時(shí)控制的用電器具都插在定時(shí)插座上，通過各自的定時(shí)設(shè)置，就可以使各電器按照人們的習(xí)慣有規(guī)律地工作，很大程度上方便人們的日常生活。同時(shí)，可以給定時(shí)插座加上保護(hù)措施，如漏電保護(hù)開關(guān)等，達(dá)到安全的目的。另外，本次設(shè)計(jì)中所使用的紅外遙控器基本只能在同一室內(nèi)控制插座，如果采用無線電遙控器等更加先進(jìn)的遙控器的話，人們或許就可以在室內(nèi)的任何地方隨時(shí)控制家電的開關(guān)狀態(tài)了。再者，設(shè)計(jì)中的定時(shí)插座開關(guān)狀態(tài)變換只是用單一紅色指示燈體現(xiàn)，如果可以加入揚(yáng)聲器等反應(yīng)更加明顯的指示，甚至是自動(dòng)語音指示等比較能引起人們注意的外部設(shè)備，會(huì)讓定時(shí)插座變得更加人性化，實(shí)用性也更高。6.結(jié)束語本次畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的定時(shí)插座到此就告一段落了，所設(shè)計(jì)的硬件和軟件都可以正常工作，各項(xiàng)設(shè)計(jì)均達(dá)到了設(shè)計(jì)任務(wù)的要求。定時(shí)插座已經(jīng)可以完成一天24小時(shí)內(nèi)的兩組定時(shí)開關(guān)設(shè)置和六組一小時(shí)內(nèi)的固定模式定時(shí)，還可以通過溫度上下限的設(shè)置，控制繼電器稍的工作狀態(tài)。同時(shí)也可以通過紅外遙控一鍵控制插座開關(guān)和設(shè)置固定模式定時(shí)。設(shè)計(jì)過程中有喜有憂，但是經(jīng)過多次反復(fù)的問題分析和系統(tǒng)調(diào)試，還是解決了各個(gè)難題，也使我在設(shè)計(jì)電路及分析電路問題上學(xué)到了很多。而在編程上，通過這次設(shè)計(jì)，我對(duì)C語言編程有了進(jìn)一步的熟悉,鞏固了所學(xué)知識(shí)。但是，在這過程中，我也發(fā)現(xiàn)了自己所學(xué)知識(shí)的不足，在今后仍需不斷努力學(xué)習(xí)。參考文獻(xiàn)1徐偉.智能插座在智能家居系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用J.中國儀器儀表，2010，(10) 2黃界.基于AVR的智能節(jié)能插座的設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010,(12) 3王嘯東.智能避雷定時(shí)插座的設(shè)計(jì)J.電工電氣，2010，(05) 4張凱.新型數(shù)字節(jié)能功率分配型智能插座的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)J.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2009，(07) 5溫鐵鈍 , 孫鍵國, 張?zhí)旌? 無線遙控智能插座的設(shè)計(jì)J. 測(cè)控技術(shù) , 2003,(10) 6方佩敏. 智能插座DS1213BJ. 今日電子 , 1996,(Z1) 7王宏. 智能節(jié)電插座 省電就是省錢J. 現(xiàn)代營銷(創(chuàng)富信息版) , 2008,(07) 8楊妤. 打破行業(yè)格局 紐曼自創(chuàng)“節(jié)電插座”J. 中國品牌與防偽 , 2007,(10) 9高全.節(jié)能插座J.生意通，2005，(10) 10張運(yùn)波，劉淑榮.工廠電氣控制技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2004. 11燕慶明.電路分析教程M.北京:高等教育出版社,2007. 12姚文軒.多功能智能插座設(shè)計(jì)J.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2010,(11) 13張毅剛，彭喜元，彭宇.單片機(jī)原理及應(yīng)用M. 北京: 高等教育出版社, 2010. 14譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)M.北京:清華大學(xué)出版社，2005. 15殷志堅(jiān).電子工藝實(shí)訓(xùn)教程M.北京:北京大學(xué)出版社，2007.9 16 AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999.dec17 Rhee W.Design of high-performance CMOS charge pumps inphase-locked loops. IEEE International Symposium on Cir-cuits and Systems. 1999致謝本次設(shè)計(jì)是在老師的細(xì)心指導(dǎo)和關(guān)懷下順利完成的。在此期間，老師定期召集同組人員開會(huì)指導(dǎo)工作，在整個(gè)設(shè)計(jì)中不斷給予我們良好的建議，使我們的設(shè)計(jì)更加順利。同時(shí)，這次設(shè)計(jì)業(yè)也離不開其他同學(xué)和老師的幫助，在硬件軟件設(shè)計(jì)方面給我提供了不少建議和幫助，讓我在設(shè)計(jì)過程中少走了不少彎路，更好得完成了設(shè)計(jì)。在此謹(jǐn)向他們表示衷心的感謝。第 30頁 共29頁附錄A 外文文獻(xiàn)及翻譯智能家居的無線電源插座系統(tǒng)宋光明，丁飛，張薇娟和宋愛國，電機(jī)及電子學(xué)工程師聯(lián)合會(huì)會(huì)員摘要本文提出的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)于家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的無線可控的電源插座系統(tǒng)的實(shí)施。所提出的電源插座集成了一個(gè)ZigBee無線模塊納入其體系結(jié)構(gòu)。它充當(dāng)作為家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中的執(zhí)行節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。一個(gè)電源插座的樣本模型已經(jīng)隨著所提出的框架被完成。一個(gè)用于驗(yàn)證電源插座模塊基本功能的簡單的家庭化自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試平臺(tái)也已經(jīng)被建立。演示實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，所提出的電源插座模塊可以通過小型基礎(chǔ)設(shè)施方便，靈活的控制各種家電。它可以幫助我們?cè)诩彝キh(huán)境中迅速的添加更多的智能化。索引詞智能家居，家庭自動(dòng)化，電源插座，無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)。1.簡介由于智能家居變得越來越受歡迎，人們需要更多的家庭自動(dòng)化設(shè)備，以提升自己的生活空間和享受高科技的生活。他們想用更多的傳感器和執(zhí)行器裝備他們的房子，以獲得最佳的方便，安全和娛樂。當(dāng)家里環(huán)境變得更智能，老人也可以住在自己的房子，以保持獨(dú)立和隱私，盡可能避免太早進(jìn)入養(yǎng)老院。在最近幾年，許多新的無線通信技術(shù)的快速發(fā)展導(dǎo)致了家庭自動(dòng)化設(shè)備的翻新。實(shí)際應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)很好的例子。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最初是出于軍事應(yīng)用如戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在用在許多其他應(yīng)用領(lǐng)域，包括環(huán)境監(jiān)測(cè)，醫(yī)療保健，家居自動(dòng)化，交通控制。隨著現(xiàn)已新發(fā)布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，我們被賦予了更多的機(jī)會(huì)，建立無線控制和監(jiān)測(cè)的應(yīng)用程序，以至于可以保證低成本，低功耗，范圍廣和高可靠性。電源插座可能是在現(xiàn)代家居環(huán)境中最常用的電器設(shè)備。如果我們想建立一個(gè)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，這些設(shè)備是實(shí)現(xiàn)電氣連接，甚至開關(guān)功能必要的模塊。通過無線傳送到所連接的插座來開關(guān)電開關(guān)控制家電，這不是一個(gè)新的想法。許多可以提供遠(yuǎn)程控制功能的電源插座產(chǎn)品在商業(yè)市場(chǎng)都有供應(yīng)。但應(yīng)該指出的是，這些產(chǎn)品大多只能支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通信。每一個(gè)電源插座必須配有遙控器的遙控器操作。當(dāng)你不得不同時(shí)處理許多遠(yuǎn)程控制網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，是非常不方便來控制電源的。ZigBee技術(shù)已被應(yīng)用于建筑家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線接入監(jiān)控和控制應(yīng)用。一些研究人員已經(jīng)提出了一種基于ZigBee的通用遙控器控制單元和一個(gè)ZigBee紅外轉(zhuǎn)換模塊用于控制多種傳統(tǒng)的消費(fèi)類電子設(shè)備。這是非常難以被與這么多的廠商從不同的IR代碼兼容的。同時(shí)，由于成本和其他非技術(shù)原因，他也很難說服家電廠家集成這些模塊到他們的產(chǎn)品中。在大多數(shù)情況下，我們只需要開啟/關(guān)閉家用電器然后讓這些設(shè)備在那工作。因此，把無線傳輸控制功能集成到電源插座是一個(gè)好主意。一個(gè)基于藍(lán)牙的無線可控電源插座模塊已經(jīng)被提出了。由于藍(lán)牙的限制協(xié)議，那種模塊將低效的形成大型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和雙向的數(shù)據(jù)通信。添加太多的其他通信接口到終端設(shè)備，也大大增加了系統(tǒng)的的復(fù)雜性和成本。而作為一個(gè)結(jié)果，它會(huì)阻止這種器件被廣泛部署在家庭環(huán)境中的。本文提出了基于ZigBee的無線控制家庭自動(dòng)化建設(shè)的電源插座架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。所提出的電源插座模塊集成了一個(gè)ZigBee無線電到它的體系結(jié)構(gòu)。它在家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制操作中作為一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)的無線電力插座模塊和演示實(shí)驗(yàn)將在第II-IV討論。2. 系統(tǒng)概述輕松控制各種家電是智能家居的一個(gè)特點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這些遠(yuǎn)程控制功能，我們通常在一個(gè)新的房子施工過程中需要添加控制線，而且必須在室內(nèi)裝飾安裝之前完成。電源插座的無線設(shè)備提供了一個(gè)更靈活的方式來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。有了這些設(shè)備，你不再需要破壞原有的室內(nèi)裝飾來進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或維護(hù)。這些設(shè)備對(duì)于原來的那些沒有安裝家庭自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施的老房子更有用。如圖1所示，家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的提出其實(shí)是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)。家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)是由幾個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，多個(gè)無線電源插座模塊和一個(gè)基站組成的。每個(gè)電源插座模塊被設(shè)計(jì)成執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)添加到家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中。傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)部署在家庭環(huán)境和他們自主地形成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。該基站可以提供多個(gè)接口網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的本地用戶交互和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理。圖1 在家庭環(huán)境中的無線電源插座系統(tǒng)。3.無線電源插座模塊提出的電源插座系統(tǒng)的核心部件是無線電源插座模塊。它在可靈活控制的家電產(chǎn)品中起著重要的作用。它被設(shè)計(jì)作為一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)來執(zhí)行遠(yuǎn)程控制的功能。圖2顯示出提出的電源插座模塊結(jié)構(gòu)的分解圖。它是由一個(gè)符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，主板和電源變壓器組成，所有這些都安裝在一個(gè)塑料殼中。RF收發(fā)器由一個(gè)擴(kuò)展連接器與主板連接。它工作在2.4 GHz頻段并建立與其他的無線通信信道范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)。主板使用的是低成本MCU實(shí)現(xiàn)控制邏輯和一個(gè)特定的芯片來驅(qū)動(dòng)繼電器。所提出電源插座模塊的原型是如圖3所示。該原型的尺寸是196毫米163毫米60mm。有6個(gè)插口，其中每個(gè)單獨(dú)控制。圖4顯示出了該電源插座模塊的軟件控制流程。它首先需要在其上電后搜索附近其他工作節(jié)點(diǎn)。它通過收聽周圍的交通廣播，建立了附近的信息表。電源插座模塊根據(jù)它們之間的通信能源成本從附近信息表中選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為它的父級(jí)。具有最低通信的能源成本的鄰居節(jié)點(diǎn)將被選為父級(jí)。路由信息也將定期在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中廣播告訴其他父節(jié)點(diǎn)的信息。當(dāng)這些動(dòng)作完成，電源插座模塊將成功加入家庭網(wǎng)絡(luò)，并開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包。當(dāng)一個(gè)消息被接收時(shí)，電源插座模塊首先通過分析數(shù)據(jù)包報(bào)頭判斷，它到底是命令消息還是路由信息。路由信息將被直接發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)作為下一個(gè)目的地。該命令消息將被進(jìn)一步分析，以獲得特定的操作命令。圖2 提出的電源插座模塊的結(jié)構(gòu)分解。圖3 無線電源插座模塊的原型。圖4 控制流電源插座模塊。圖5 演示實(shí)驗(yàn)的測(cè)試平臺(tái)設(shè)置。4.系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)A.測(cè)試平臺(tái)設(shè)置一個(gè)為了驗(yàn)證提出的電源插座的基本功能的簡單的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)的模塊在我們的實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)被創(chuàng)建。如圖5所示，測(cè)試平臺(tái)包括一個(gè)電源插座模塊，熱電紅外線傳感器模塊，基站，手持式終端，以及一些一般使用交流電源的家電。電源插座模塊，PIR傳感器模塊和基站彼此之間的無線通信時(shí)通過Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。手持式裝置，如掌上電腦和智能手機(jī)，可以用作便攜式用戶終端來控制家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該終端通過與基站建立藍(lán)牙連接來與家庭網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。用戶可以方便地使用這些移動(dòng)終端來控制家庭網(wǎng)絡(luò)里的每一個(gè)設(shè)備。圖6顯示了電源插座系統(tǒng)運(yùn)行在不同的移動(dòng)終端的圖形用戶界面。我們?cè)O(shè)計(jì)了掌上電腦和智能手機(jī)上的GUI來分別滿足各種終端用戶的需要。掌上電腦有一個(gè)更快的處理器和更大的觸摸屏。因此，我們可以在它上面更友好的實(shí)現(xiàn)用戶交互。該智能手機(jī)雖然沒有觸摸屏，但可以只用一只手按壓搖桿按鈕和鍵盤來靈活操作。該圖形用戶界面顯示每個(gè)電源插座和PIR傳感器模塊的實(shí)時(shí)狀態(tài)。如果我們要開啟或關(guān)閉其中一個(gè)插座，從列表中選擇相應(yīng)的項(xiàng)目，并按下，該命令將被發(fā)送到電源插座模塊。B.演示實(shí)驗(yàn)為了測(cè)試無線電源插座模塊的功能，一個(gè)主動(dòng)的照明實(shí)驗(yàn)已經(jīng)制定并在測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行。如圖7是實(shí)驗(yàn)的過程。PIR傳感器模塊被放置在桌子的邊緣，來監(jiān)控任何通過走廊的人。電源插座模塊和基站被放置在桌子的角落。當(dāng)PIR傳感器模塊檢測(cè)人體的存在時(shí)，將向上面的基站立即發(fā)送狀態(tài)的變化信息。然后，該基站將像下屬的電源插座模塊發(fā)送命令來打開燈和電扇在該人進(jìn)入下一個(gè)區(qū)域之前。這是一個(gè)全自動(dòng)過程并預(yù)定義的例程。我們也可以使用上述描述的移動(dòng)終端手動(dòng)控制過程。它在日常家庭生活中是非常有用的，當(dāng)我們?cè)谕砩蠌囊粋€(gè)房間移動(dòng)到另一個(gè)房間。如果有更多的PIR傳感器模塊和更多的電源插座模塊，我們可以設(shè)計(jì)更多智能化的算法來預(yù)見人打算訪問的下一個(gè)目的地了。(a) (b)圖6 運(yùn)行在手持終端的圖形用戶界面。 （a）在智能手機(jī)。 （b）掌上電腦。(a) 0s (b) 1s(c) 2s (d)3s圖7 主動(dòng)照明實(shí)驗(yàn)。5.結(jié)論Alpha我們已經(jīng)提出了一個(gè)無線電源插座系統(tǒng)來遠(yuǎn)程控制家電。所提出的插座模塊加入了ZigBee無線電到它的架構(gòu)，所以具有了網(wǎng)狀組網(wǎng)能力。傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的行程可以通過部署電源插座模塊連同其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入家庭環(huán)境。電源插座模塊的基本功能已經(jīng)在測(cè)試平臺(tái)上通過執(zhí)行照明的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的電源插座模塊成功的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制各種很少家電的基礎(chǔ)設(shè)施。它提供了更快，更靈活的方式建設(shè)和部署家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。參考文獻(xiàn)1 C. 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