基于51單片機(jī)的定時(shí)插座設(shè)計(jì)

張 強(qiáng)，張南慶，劉曉宇，曲祥君

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

插座作為一種線纜的連接器件，廣泛應(yīng)用于日常生活中。但是隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的插座已經(jīng)無法滿足人們的使用需求，具有時(shí)鐘顯示、定時(shí)控制、記憶和學(xué)習(xí)等功能的新型插座開始逐漸產(chǎn)生與發(fā)展[1-8]。

51系列單片機(jī)是目前應(yīng)用最為廣泛的一類微處理器，它以強(qiáng)大的功能和低廉的價(jià)格，受到廣大電子愛好者的青睞。本文以51單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)了一套定時(shí)插座的控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真分析和驗(yàn)證。相比現(xiàn)有的定時(shí)插座而言，該方案具有定時(shí)精確、周期定時(shí)、造價(jià)低廉、功能易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。

1 定時(shí)插座的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，市面上的定時(shí)插座主要有機(jī)械式和電子式兩大類。其中，機(jī)械式主要是利用發(fā)條的原理來進(jìn)行定時(shí)，這類定時(shí)插座的造價(jià)低廉、定時(shí)連續(xù)可調(diào)，但定時(shí)誤差大、功能單一、操作麻煩，尤其只能進(jìn)行單次定時(shí)。比較而言，電子式定時(shí)插座主要是基于電子時(shí)控技術(shù)來進(jìn)行定時(shí)，例如利用一些時(shí)鐘電路或者延時(shí)電路等。這類定時(shí)插座的特點(diǎn)是功能多樣、定時(shí)精準(zhǔn)，但缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。如下圖1和圖2所示，分別為某廠家生產(chǎn)的機(jī)械式和電子式定時(shí)插座，其中圖1產(chǎn)品的市面售價(jià)約為36元，而圖2產(chǎn)品的市面售價(jià)約為64元。

近年來，隨著家用電器的智能化發(fā)展，插座也逐漸向多功能和智能化方向發(fā)展。劉繼中[4]在綜合WiFi無線通信、Android、嵌入式、多線程、打洞等先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套智能插座控制系統(tǒng)，并利用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)了在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境下，對(duì)插座的參數(shù)設(shè)置和智能控制。賈玉鳳等[5]設(shè)計(jì)了一種可紅外遙控并通過按鍵進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的智能插座。王克權(quán)等[6]以STC89C51RC單片機(jī)為控制芯片，綜合利用傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的家用遙控節(jié)能定時(shí)插座，主要特點(diǎn)是可以進(jìn)行溫度監(jiān)控和多端口數(shù)據(jù)的回傳。

圖1 機(jī)械式定時(shí)插座

圖2 電子式定時(shí)插座

綜合而言，在智能家居的大背景下，插座向智能化、多功能化等方面發(fā)展已成為一種必然趨勢(shì)，然而功能的不斷擴(kuò)充無疑使成本大量增加，從而制約了定時(shí)插座的銷量?；诖?，本文從成本的角度出發(fā)，選用價(jià)格低廉的 51單片機(jī)作為主控芯片，配合DS1302以及LM016L等芯片設(shè)計(jì)了一套定時(shí)插座系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)手動(dòng)設(shè)置、循環(huán)定時(shí)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等核心功能。

2 定時(shí)插座的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有定時(shí)插座大多只能進(jìn)行單次定時(shí)，這一特性往往不適用于一些固定時(shí)段的定時(shí)場(chǎng)合，如熱水器、飲水機(jī)、電視機(jī)、路由器的夜間定時(shí)斷電等。因此，本文在綜合單片機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一套可周期定時(shí)的定時(shí)插座系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圖3 定時(shí)插座的系統(tǒng)組成框圖

輸入模塊的硬件電路如圖4所示，其功能主要是負(fù)責(zé)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)的輸入，主要包括時(shí)間參數(shù)和功能參數(shù)兩個(gè)部分。其中時(shí)間參數(shù)主要涉及到時(shí)、分、秒等參數(shù)，主要用于修改當(dāng)前時(shí)間和設(shè)置定時(shí)時(shí)間。功能參數(shù)主要涉及到完成時(shí)間參數(shù)輸入所需的一些輔助功能，如模式選擇、設(shè)置、確定、取消、光標(biāo)左移、右移等。通過模式選擇，可將系統(tǒng)分別設(shè)置在時(shí)鐘模式和定時(shí)模式兩種工作狀態(tài)下。在時(shí)鐘模式下，系統(tǒng)的功能類似于一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。在定時(shí)模式下，系統(tǒng)則具備定時(shí)功能。

圖4 輸入模塊的電路原理圖

時(shí)鐘模塊的硬件電路如圖5所示，其功能是產(chǎn)生精準(zhǔn)的時(shí)鐘數(shù)據(jù)。本文采用芯片作為獨(dú)立的時(shí)鐘信號(hào)，一方面減少主控芯片的負(fù)擔(dān)，另一方面也可保證時(shí)鐘數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。

圖5 時(shí)鐘模塊的電路原理圖

顯示模塊的硬件電路如圖6所示，其功能是將系統(tǒng)內(nèi)部重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，主要包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)和定時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)兩部分。

圖6 顯示模塊的電路原理圖

執(zhí)行器件的硬件電路如圖7所示，其功能主要是負(fù)責(zé)對(duì)家用電路進(jìn)行開斷。本文選用繼電器作為執(zhí)行器件，通過單片機(jī)的TTL電平來控制220V家用電路的通斷。出于安全考慮，在電路中設(shè)置了一個(gè)指示燈D2以便對(duì)繼電器的通斷狀態(tài)進(jìn)行指示。當(dāng)繼電器接通時(shí)，D2發(fā)光，反之D2不亮。

圖7 執(zhí)行器件的電路原理圖

主控芯片的電路如圖8所示，其由AT89C51單片機(jī)和相應(yīng)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成。主控芯片的功能主要是負(fù)責(zé)接受輸入模塊和時(shí)鐘模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，處理后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送給時(shí)鐘模塊、顯示模塊和執(zhí)行器件。

圖8 主控芯片的電路原理圖

3 定時(shí)插座的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

定時(shí)插座的軟件系統(tǒng)分為兩部分，一部分是系統(tǒng)的主進(jìn)程，負(fù)責(zé)管理顯示模塊、時(shí)鐘模塊和執(zhí)行器的工作；另一部分則負(fù)責(zé)對(duì)內(nèi)部的參數(shù)進(jìn)行修改，主要包含當(dāng)前的時(shí)間參數(shù)和欲定時(shí)的時(shí)間參數(shù)。由于這兩部分任務(wù)都具有實(shí)時(shí)性，因此將第一部分任務(wù)交由主控芯片的主函數(shù)去完成，而將第二部分任務(wù)交由主控芯片的中斷系統(tǒng)去完成。兩者的程序流程分別如圖9和圖10所示：

圖9 主函數(shù)的程序流程圖

如圖9所示，主函數(shù)的流程相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要完成各硬件模塊的初始化，同時(shí)不斷讀取時(shí)鐘模塊的參數(shù)并進(jìn)行判斷，在定時(shí)時(shí)間到的情況下控制繼電器斷開。其C語(yǔ)言版的代碼如下：

如圖10所示，中斷服務(wù)程序的流程相對(duì)比較復(fù)雜，主要涉及到各種結(jié)構(gòu)的嵌套。在功能上，中斷服務(wù)程序主要是依據(jù)外部按鍵輸入的值來更新內(nèi)部的時(shí)鐘參數(shù)和定時(shí)參數(shù)。對(duì)于時(shí)鐘參數(shù)而言，中斷服務(wù)程序需將其作為初值寫入時(shí)鐘模塊，以完成對(duì)時(shí)間的更改。限于篇幅，此處對(duì)中斷服務(wù)程序的C語(yǔ)言版代碼不再詳述。

4 基于Proteus的系統(tǒng)仿真

圖10 中斷服務(wù)程序的流程圖

借助于Proteus軟件強(qiáng)大的軟、硬件仿真功能[8-9]，可以很好地檢驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)功能的正確性。如圖 11所示，在啟動(dòng)系統(tǒng)的初始時(shí)刻，時(shí)鐘初值默認(rèn)設(shè)置為22時(shí)34分56秒，定時(shí)初值默認(rèn)設(shè)置為00時(shí)00分00秒。在模式開關(guān)斷開的情況下，系統(tǒng)處于時(shí)鐘模式，此時(shí)定時(shí)功能無效，系統(tǒng)只相當(dāng)于一個(gè)時(shí)鐘。在時(shí)鐘模式下，可以通過操作其他功能按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前的時(shí)鐘值進(jìn)行修改。如圖12所示，此時(shí)光標(biāo)處于分鐘數(shù)的第一位，可以通過加減按鍵修改當(dāng)前的值。

圖11 系統(tǒng)初始啟動(dòng)時(shí)的效果

圖12 時(shí)鐘設(shè)置的功能仿真

圖13 定時(shí)設(shè)置的功能仿真

圖14 定時(shí)斷電的功能仿真

當(dāng)模式開關(guān)閉合時(shí)，系統(tǒng)工作于定時(shí)模式，此時(shí)可通過操作其他功能按鍵對(duì)欲定時(shí)的時(shí)間值進(jìn)行修改，如圖13所示。當(dāng)系統(tǒng)的時(shí)間運(yùn)行到所定時(shí)的時(shí)間時(shí)，將由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)促使繼電器斷開，從而切斷家用電路。所以，如圖14所示，當(dāng)系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，家用電路中的燈會(huì)由原來的點(diǎn)亮狀態(tài)變?yōu)橄鐮顟B(tài)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的定時(shí)功能，選擇三個(gè)目標(biāo)定時(shí)時(shí)間，在定時(shí)模式下，分別記錄下各次定時(shí)完成的實(shí)際時(shí)間，如下表1所示。從表中可知，每次實(shí)際定時(shí)的時(shí)間均與目標(biāo)定時(shí)時(shí)間相符，故系統(tǒng)的定時(shí)功能正常，且誤差小于1s。

表1 定時(shí)功能實(shí)驗(yàn)記錄

5 結(jié)論

本文以51單片機(jī)為主控芯片設(shè)計(jì)了一套定時(shí)插座的控制系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)由主控芯片、時(shí)鐘模塊、輸入模塊、顯示模塊和執(zhí)行器件五個(gè)部分組成。軟件結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)由主程序和中斷服務(wù)程序兩部分組成。最后，通過Proteus軟件中的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

相比現(xiàn)有的一些的定時(shí)插座而言，本文所述系統(tǒng)具有成本低、可固定循環(huán)定時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)家中一些固定時(shí)段使用的用電設(shè)備進(jìn)行定時(shí)，如路由器、魚缸供氧機(jī)等。