用單片機制作的定時開關控制器

魏軍丞

定時開關控制器在各種場合都有著極為廣泛的用途。本文利用凱思迪公司的K-51A單片機實驗板設計的定時開關控制器具有簡單易制、價格低廉、控制點數多、控制時間可精確到秒等特點，供有興趣的朋友參考。

1．主板電路部分

本電路主要是利用單片機AT89C2051（-24PI）作為主控制元件，通過外圍電路控制用電設備的電源，以達到定時開、關機的目的。AT89C2051具有體積小、功能強大、運行速度快、價格低廉等優點，非常適合制作集成度較高的控制電路。圖1為主電路原理圖，圖2為按其制作的主板（雙面）大小只有95mm×70mm的器件位置圖。主板電路包括MCU AT89C2051、鍵盤與顯示、輸入與輸出口、復位和電源濾波等電路組成。

（1） 鍵盤與顯示 顯示電路由U2、U3、Q1～Q7和L1A、L2A組成。U2為BCD－7段譯碼器（74LS47），通過單片機U1的P1.4～P1.7口將要顯示字符的BCD碼輸出到U2的四個輸入端，經U2譯碼后輸出相應的筆段驅動LED數碼管（共陽）。LED數碼管顯示采用動態掃描方式，即在某一時刻，只有一個數碼管被點亮。數碼管的位選信號由單片機U1的P3.3～P3.5輸出，經U3（74HC138）譯碼后通過Q1～Q6放大，驅動相應的數碼管。R17～R24為限流電阻。

由于U2只能輸出7段筆段碼，而數碼管除了七段筆段外，還要控制點亮小數點，因此，小數點必須有另外的驅動電路來完成，在這里，通過Q7來驅動小數點。當需要點亮小數點時，在U1的P1.3輸出高電平即可。

鍵盤電路跟顯示電路一樣，采用掃描方式，利用動態顯示時的數碼管驅動位置信號來判斷相應按鍵的狀態。U1的P3.3～P3.5口輸出的BCD碼經U3譯碼后，相應Y口呈低電平，而U1的P3.7口平時為高電平（由于R8上拉），當某一鍵按下時， P3.7被下拉為低電平，這時MCU利用程序查詢P3.7是否為低電平，如果P3.7為低電平，就讀回U1 P3.3～P3.5口的值（從緩沖區讀取），則可判斷是哪個按鍵按下，然后調用相應的處理程序進行處理。

（2）控制輸出、復位與電源濾波電路 MCU對控制的輸出是通過P3.0～P3.2口完成的。程序開始時這三個口的輸出狀態是低電平，MCU通過程序查詢三路輸出的ON或OFF狀態預置時間是否已到，如果已到時間，則改變相應的輸出狀態，就完成了對外部電路的控制。復位電路如圖1左上角所示，C3和R25完成上電復位，S6為手動復位，按鍵輸入干擾和抖動的預防是由軟件完成的。＋5V電源由JP2輸入，經C4～C9濾波后給U1和其它器件供電。

2．電源與控制電路

電源及控制電路如圖3。其中，市電經總開關K后由B降壓、V1整流、C11～C14濾波、U4、U5穩壓后給主板和控制電路板提供穩定的工作電源；主板送過來的三路控制信號通過Q12～Q14分別控制繼電器J1、J2、J3，對外部電路實施直接控制。繼電器這里沒有給出具體型號，您可根據耐壓及通流大小選用相應的繼電器，如在大電流和強電磁場干擾的環境里工作，最好利用中間繼電器來間接控制。

3．程序軟件工作過程

（1）秒脈沖發生器 秒脈沖發生器是由定時器T0和內存空間TT0配合完成的。T0工作于16位計數器模式，當T0向上計數由全1變為全0時產生中斷，本程序中T0的初值為0DC00H，大約0.01s中斷一次。這里使用的晶振頻率為11.0592MHz，由此可計算出日誤差約為0.78s。

圖4為程序流程圖。系統產生中斷后，首先保存ACC和PSW的值，然后為T0重裝初值，判斷中斷次數是否小于100，是則轉出中斷服務，反之則為秒計數器加1，秒計數器如果大于59，則為分計數器加1，同時秒計數器清0。同樣分計數器如大于59則為時計數器加1，同時分計數器清0，時計數器如大于23則清0并轉出中斷服務。T0中斷100次的時間剛好為1秒鐘。

（2）主程序 上電復位過程：首先P0～P2口全部置1，P3口高5位置1，低3位置0。設置定時器T0工作于16位計數器模式，并賦初值TH0＝0DCH，TL0＝00H，關閉外部中斷和串行口中斷，時間計數器TS、TM、TH清0，所有預置時間存儲區全部賦值FFH，至此所有初始化工作完成。

主程序工作過程：首先循環進行六個數碼管掃描顯示（DISPLY段），然后比較所有預置時間（COMP段）是否與當前時間相等，如相等則轉向相應處理程序。在比較完成（或處理完成）后判斷有無按鍵（PP2段），沒有則返回繼續顯示、比較、判斷；有按鍵則轉向相應處理程序。按鍵轉移采用偏移量加表格跳轉轉移法（KEY段），簡單、明了。預置時間比較則采用逐一比較法，即對每一個預置值進行比較，如相等則做相應處理。具體比較時（COMP1段）先比較TH值，如不相等則直接轉出并置“時間到”標志CCB為0，如TH、TM、TS全部對應相等，則置該標志為1。

本程序在顯示及按鍵處理（設置過程）中巧妙使用R1寄存器作為公用地址寄存工具，對實時時間和預置時間的顯示和修改調用同一程序完成，使源代碼長度大大縮短，提高了程序的可讀性和運行效率。在本刊的網站（www.eleworld.com）上給出了源程序，供讀者參考。

4．制作與調試

（1）主板的制作與調試主板的制作稍微復雜一點。首先是制作印刷板，利用Protel99按照本文所示器件位置圖放置好元器件，然后手動布線（雙面），線寬為0.8mm左右，太寬做出的板子太大，太窄無法進行自制。繪好印制板圖后轉成BMP格式利用電腦刻字機鏤空（要用進口的即時貼紙，不然容易斷開），貼在雙面敷銅板上，就可以用FeCl3腐蝕了。具體的制作方法這里不再贅述，但最好在印制板布線時做個阻焊層，同時在即時貼上刻出來，當板子制好清洗干凈后敷在上面，用淺綠色油漆或清漆噴上薄薄的一層，好看又防腐蝕。

（2）元器件的選擇 如果按照本文所附器件位置圖布線的話，數碼管需選用圖示型號才能安裝（5361BH，一拖三數碼管），選用不同型號數碼管時可能需修改器件位置參數，然后再布線即可；晶振為11.0592MHz ；S1～S5選用黑色小型輕觸開關，S6則用紅色同類型開關；變壓器B選用15V、10W左右即可，V1硅堆應與B配合選用；控制繼電器根據需要選用適合的型號，如5、12、24V等，如果選用5V的，相應的B、V1可選小一點的，7812則不要。如選用24V的，那么B、V1、7812、7805都需同時根據實際情況來選用；交流220V輸出插座沒有特殊要求，其耐壓和通流符合受控器件要求即可。其它元器件選用通用的就行。

（3）焊接元器件元器件購回后應先進行預處理（引腳打磨、上焊錫），然后逐一焊接。在焊接MCU（當然2051要燒好程序后才能焊接）和其它集成電路時應使用有良好接地的烙鐵（斷電焊接也可），以免被擊穿。由于雙面印刷板存在一個穿孔問題，器件引腳穿過后，兩面都要點上焊錫；如只是過孔，可用細銅線穿過并在兩面焊接后剪掉即可。

在印刷板制作良好，連線沒有不應有的開路或短路，且焊接沒有虛焊的情況下，不用調試即可正常工作（本程序已制作成品并調試通過，不需再行調試）。如果您覺得自己制作的印刷板不夠漂亮或太麻煩可聯絡凱思迪郵購（焊接好的整板也有），本刊網站有與凱思迪公司網站的鏈接。

（4）電源與控制板的制作 可以將電源與控制板做在同一個板子上，也可分開制作，視所使用的情況而定，但JP1與JZ1之間的連線不宜太長。印刷板的制作同前所述，要注意的是在布線時對220V市電進入和輸出（包括中線）的線寬設計要寬一點（根據工作電流大小來定為好），還要注意市電與直流電源的隔離，以免在使用中造成觸電事故。

5．操作使用

本系統在加電后數碼管顯示“00.00.00”，輸出繼電器均不動作，此時可直接按S1、S2、S3鍵分別對時、分、秒進行調整，使當前時間與北京時間相符，時間設置過程中將停止計時，在設置好后按S4退出，時鐘即進入正常計時。如果要設置輸出控制的預置時間則先按S5，數碼管顯示“95.95.95”，此時可再按S1、S2、S3鍵分別對第一路輸出狀態ON的時、分、秒進行設置，設好后再按一次S5鍵，數碼管也顯示“95.95.95”，然后按S1、S2、S3鍵則分別對第一路輸出狀態OFF的時、分、秒進行設置，依此類推，按第七次時退出設定。任一路任一狀態被執行后其預置值即被清除，24小時后并不有效，如果需要每天循環執行則對程序進行簡單的修改即可（預置值不清除就可）。

6．改進與擴展

本文所述的AT89C2051在控制輸出時只使用了P3.0～P3.2三個口，所以只能控制三路六個狀態，如果把不用的P1.0～P1.2三個口用起來，則可控制六路十二個狀態，外圍電路相應增加三路繼電器，程序軟件只需稍事修改即可。當然如果需要控制更多路輸出狀態，那么在使用鎖存器、譯碼器、觸發器等后最多可以擴展到控制26＝64路128個狀態。在對控制輸出的路數要求不多，而顯示部分需要比較多的情況下，如還要顯示年月日、農歷、星期等，只要對其進行擴展就可實現：P1.4～P1.7不動，選通端用兩個138，輸出口用P3.2～P3.5就有24＝16個數碼顯示。這時仍然利用上述方法最多可擴展到控制25＝32路64個狀態。當然年月日、農歷、星期的計算（如大月小月、閏年、閏月等）分別匯編相應的子程序插入即可，這方面的資料很多報刊雜志都有介紹，這里不再贅述。