基于單片機(jī)的定時(shí)插座設(shè)計(jì)與制作

徐尚輝

（廣東省佛山市高明區(qū)高級(jí)技工學(xué)校，廣東佛山，528500）

0 引言

目前，技工院校機(jī)電一體化、電氣自動(dòng)化設(shè)備安裝與維修、工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用與維護(hù)等專業(yè)都開設(shè)了《單片機(jī)技術(shù)》這門課程，很多同學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)也選擇了基于單片機(jī)控制的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。本文介紹的這個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，具有思路明確，定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，功能實(shí)用，制作容易等特點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，用單片機(jī)語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)插座定時(shí)通斷電功能，完成好這個(gè)項(xiàng)目，對(duì)學(xué)生系統(tǒng)掌握單片機(jī)技術(shù)有非常大的幫助，因此，設(shè)計(jì)和制作這個(gè)定時(shí)插座是一個(gè)很不錯(cuò)的畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

1 定時(shí)插座總體設(shè)計(jì)

本插座以STC89C52單片機(jī)為控制核心，內(nèi)含數(shù)碼管、按鍵、蜂鳴器、繼電器等，兩組4位數(shù)碼管分別顯示兩個(gè)定時(shí)時(shí)間：預(yù)約時(shí)間和通電時(shí)間，最小時(shí)間為00.00，最大為99.60（即100小時(shí)），4個(gè)功能按鍵完成時(shí)間的設(shè)定。通過(guò)用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)插座的定時(shí)通斷電功能。

使用操作：插座加電后，預(yù)約時(shí)間和通電時(shí)間數(shù)碼管均顯示0.0。按面板“設(shè)置”鍵，預(yù)約時(shí)間中“小時(shí)”數(shù)碼管閃動(dòng)，此時(shí)可按“增加”或“減少”鍵來(lái)設(shè)置預(yù)約時(shí)間的小時(shí)數(shù)，設(shè)置量從0至99小時(shí)；再次按“設(shè)置”鍵，此時(shí)預(yù)約時(shí)間中的“分鐘”數(shù)碼管閃動(dòng)，同樣再按“增加”或“減少”鍵來(lái)設(shè)置預(yù)約時(shí)間的分鐘數(shù)，設(shè)置量從0-60分鐘；依此類推，設(shè)置好通電時(shí)間中的“小時(shí)”和“分鐘”數(shù)后第五次按“設(shè)置”鍵，預(yù)約時(shí)間和通電時(shí)間就都設(shè)置完成。此時(shí)，按“啟動(dòng)”鍵，預(yù)約時(shí)間進(jìn)行倒計(jì)時(shí)，達(dá)到零后，繼電器接通，同時(shí)通電時(shí)間也開始倒計(jì)時(shí)，它到達(dá)零后，繼電器關(guān)閉。當(dāng)插座按“啟動(dòng)”鍵啟動(dòng)后，“設(shè)置”、“增加”、“減小”三個(gè)鍵被鎖住，按動(dòng)無(wú)效。如果中途需要暫停或修改時(shí)間，可再次按“啟動(dòng)”鍵，此時(shí)倒計(jì)時(shí)停止，接通的繼電器也會(huì)斷開，這時(shí)就可重新設(shè)置時(shí)間，完成后再次按“啟動(dòng)”鍵繼續(xù)工作。當(dāng)我們按動(dòng)按鍵時(shí)蜂鳴器會(huì)短鳴一聲，預(yù)約時(shí)間或通電時(shí)間倒計(jì)時(shí)為零時(shí)，蜂鳴器會(huì)長(zhǎng)鳴一聲。另外，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)，相應(yīng)的數(shù)碼管小時(shí)與分鐘數(shù)之間的小數(shù)點(diǎn)會(huì)按秒閃動(dòng)。插座面板圖如圖1所示。

圖1 插座面板圖

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 電路組成

本定時(shí)插座電路包含有：一片STC89C52單片機(jī)用作主控；兩片74HC595芯片用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管；兩塊4位共陰數(shù)碼管用于時(shí)間顯示；一個(gè)繼電器用于控制插座的通斷電；一個(gè)蜂鳴器用作按鍵響應(yīng)及時(shí)間終了響應(yīng)；四個(gè)輕觸按鍵用于時(shí)間設(shè)置等；一個(gè)DC5V電源供控制板使用。控制電路圖如圖2所示。

■2.2 單片機(jī)

本插座對(duì)單片機(jī)要求不高，采用廉價(jià)的國(guó)產(chǎn)宏晶公司的STC89C52普通單片機(jī)芯片，晶振選用12MHz。其中10k電阻和10μF電容兩個(gè)元件完成單片機(jī)上電復(fù)位。單片機(jī)最小系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

■2.3 顯示部分

本裝置顯示部分選用兩塊4位共陰數(shù)碼管，由兩片74HC595芯片驅(qū)動(dòng)，分別顯示預(yù)約時(shí)間和通電時(shí)間的小時(shí)數(shù)和分鐘數(shù)。

74HC595是一個(gè)8位串行輸入、并行輸出的位移緩存器：并行輸出為三態(tài)輸出。在SCK 的上升沿，串行數(shù)據(jù)由SDL輸入到內(nèi)部的8位位移緩存器，并由Q7’輸出，而并行輸出則是在LCK的上升沿將在8位位移緩存器的數(shù)據(jù)存入到8位并行輸出緩存器。當(dāng)串行數(shù)據(jù)輸入端OE的控制信號(hào)為低使能時(shí)，并行輸出端的輸出值等于并行輸出緩存器所存儲(chǔ)的值。而當(dāng)OE為高電位，也就是輸出關(guān)閉時(shí)，并行輸出端會(huì)維持在高阻抗?fàn)顟B(tài)。74HC595常用于驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管或點(diǎn)陣顯示屏。

圖2 控制電路圖

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

74HC595使用方法：

（1）<74HC595的數(shù)據(jù)端：

Q0--Q7：八位并行輸出端，可以直接控制數(shù)碼管的8個(gè)段或位。

Q7’：級(jí)聯(lián)輸出端。將它接下一個(gè)595的DS端。

DS：串行數(shù)據(jù)輸入端，級(jí)聯(lián)的話接上一級(jí)的Q7。

（2）<74HC595的控制端說(shuō)明：

/MR（10腳）：低電平時(shí)將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零，通常將它接Vcc。

SH_CP（11腳）：上升沿時(shí)數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)移位。Q0-->Q1-->Q2-->Q3-->...-->Q7;下降沿移位寄存器數(shù)據(jù)不變。

圖4 顯示電路

ST_CP（12腳）：上升沿時(shí)移位寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄存器，下降沿時(shí)存儲(chǔ)寄存器數(shù)據(jù)不變。通常我們將ST_CP置為低電平，當(dāng)移位結(jié)束后，在ST_CP端產(chǎn)生一個(gè)正脈沖，更新顯示數(shù)據(jù)。

本顯示電路采用兩片74HC595芯片,一片驅(qū)動(dòng)8個(gè)數(shù)碼管的段碼，另一片驅(qū)動(dòng)8個(gè)數(shù)碼管的位碼。與單片機(jī)連接只需要三個(gè)端口，此處與單片機(jī)P3.4、P3.5、P3.6口連接。

■2.4 插座通斷電控制電路

插座通斷電控制采用5V繼電器控制，由單片機(jī)P2.7端口控制,如圖5所示。

圖5 插座通斷電控制電路

■2.5 蜂鳴器控制電路

為了響應(yīng)按鍵操作及時(shí)間終了，本插座設(shè)計(jì)有蜂鳴器控制電路。采用有源蜂鳴器，由單片機(jī)P2.6端口控制。按鍵操作響應(yīng)采用一聲短鳴聲，時(shí)間終了響應(yīng)采用一聲長(zhǎng)鳴聲。

圖6 蜂鳴器控制電路

■2.6 按鍵電路

本插座需要用到4個(gè)功能按鍵，分別是S1設(shè)置鍵，S2增加鍵，S3減小鍵，S4啟動(dòng)或停止鍵。選用單片機(jī)的P2.0-P2.3四個(gè)端口來(lái)控制信號(hào)的輸入，所以把按鍵開關(guān)和P2.0-P2.3口連接起來(lái)，當(dāng)按下相應(yīng)開關(guān)時(shí)，相當(dāng)于給對(duì)應(yīng)的I/O口一個(gè)低電平，然后通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，如圖7所示。

■2.7 直流5V電源電路

電源電路采用傳統(tǒng)的變壓器降壓、橋堆整流、電容濾波電路，再利用三端穩(wěn)壓芯片LM7805得到5V電源電壓，提供給單片機(jī)等相關(guān)電路。

圖7 按鍵電路

圖8 直流5V電源電路

3 軟件設(shè)計(jì)

本插座軟件系統(tǒng)采用模塊化編程，主要包括按鍵掃描程序、74HC595驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)碼管顯示程序、按鍵處理程序、定時(shí)器T0中斷程序及倒計(jì)時(shí)程序等，其中按鍵掃描程序、倒計(jì)時(shí)程序及74HC595驅(qū)動(dòng)程序放入定時(shí)器T0中斷程序中，定時(shí)器T0設(shè)置為每500微秒產(chǎn)生一次中斷。主程序中包含按鍵處理程序及數(shù)碼管顯示程序。程序流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖

（1）按鍵掃描程序的主要任務(wù)：每500微秒掃描判斷是否有鍵按下，如果有鍵按下，判斷是哪個(gè)鍵按下。

（2）倒計(jì)時(shí)程序的主要任務(wù)：對(duì)時(shí)間進(jìn)行累加，對(duì)分鐘和小時(shí)數(shù)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)處理。

（3）74HC595驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)：每500微秒，單片機(jī)通過(guò)74HC595芯片把數(shù)碼管顯示的段碼和位碼數(shù)據(jù)傳過(guò)去，同時(shí)完成數(shù)碼管的掃描顯示。

（4）按鍵處理程序的主要任務(wù)：當(dāng)某個(gè)鍵按下后，完成相應(yīng)按鍵所對(duì)應(yīng)功能的處理。

（5）數(shù)碼管顯示程序的主要任務(wù)：實(shí)時(shí)更新數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本定時(shí)插座采用兩組數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示時(shí)間，通過(guò)4個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)了所有操控，功能簡(jiǎn)單實(shí)用。而且定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，方便給需要長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)控制的用戶。技工院校學(xué)生通過(guò)完成這個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與制作，能極大提升自身專業(yè)技能。