基于單片機的簡易智能定時電源開關

文/劉艷竹

智能家居是通過網絡技術和硬件服務協(xié)同合作，將電子產品接入互聯(lián)網，實現(xiàn)個性化的自定義操作。智能設備是常見設備安裝了更復雜的計算機處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)提供更多功能。有線寬帶、DSL、藍牙和無線技術提供了一種接入方法使家庭聯(lián)網，并使設備能夠相互通信以及接入互聯(lián)網，這些技術為智能家居的運營奠定了基礎。對于家電而言，可以通過智能供電達到一定的智能管理。例如，家庭的空調若可以獨立來設置開啟和關閉的時間，便可大幅減少用電量、節(jié)約電能。智能電源定時開關不僅可以廣泛應用于家用電器、儀器儀表、航空航天、醫(yī)用設備、專用設備的智能化管理以及過程控制等多個領域。此外，還為各個領域的發(fā)展做出了貢獻，其不僅體積小、重量輕，且電源效率較高，效率甚至可達90%以上。

智能電源定時開關的高效率不僅節(jié)省了大量材料且還節(jié)省了電能，給人們的生活帶來了便利。因此，高效率的定時開關電源成為了各種設備可靠工作的重要保障。

1 系統(tǒng)分析與框架設計

1.1 研究目標

智能定時電源開關是智能家居控制系統(tǒng)的基礎組成部分，同時也是高效能源利用網絡的組成部分之一。在家庭設備的自動監(jiān)控、控制和數(shù)據采集上，通過對電路系統(tǒng)中部分組件供電電源進行智能開合控制，是對家庭設備實現(xiàn)智能控制的一種簡易部署方式。

（2）照明設備、取暖設備、制冷設備的個性化控制，讓戶主進屋之后減少等待時間。

（3）起居室幕簾的自動控制，伴隨著主人以及當?shù)厝照盏男畔?，智能打開/關閉幕簾。

可以發(fā)現(xiàn)，針對智能家居的定時管理，智能供電是其中較為基礎的模塊與實現(xiàn)方法。因此，本文圍繞此設計簡易的定時電源開關系統(tǒng)。所設計的系統(tǒng)具有自動復位和多點中斷等特性，同時還提供多種定時模式：設置間隔時間和設置定點循環(huán)。

1.2 基本內容

本設計研究的主要內容是，智能定時電源開關的定時功能。

對于硬件電路主要由以下部件構成：STC8952系列單片機、74HC573鎖存器、數(shù)碼管、8550三極管、繼電器。單片機在定時終端點，觸發(fā)中斷信號。在單片機引腳輸出的電壓基礎下，導通8550三極管。三極管輸出大電壓，驅動繼電器完成吸合操作。在繼電器工作時，通過繼電器的吸合將電路導通或者斷開，完成對電路電源的智能化控制，在電路設計中，數(shù)碼管用來顯示時間。

同時，系統(tǒng)具有自動復位特性，用于實現(xiàn)無限循環(huán)倒計時的功能。根據用戶指定的定時模式，系統(tǒng)將用戶指定的時間轉化為距離到此刻時間的秒數(shù)，然后將此數(shù)值設定為倒計時初始時間。當?shù)褂嫊r時刻到10 s時，電路進入觸發(fā)準備狀態(tài)。當?shù)竭_0 s時關閉，然后再繼續(xù)下一輪的倒計時。

模板工程為保證工程實施的有效性，完成工程施工后需及時拆卸模板。構建模板時應選用簡單易拆的材料，在進行模板設計前應明確施工技術，嚴格按照施工方案進行安裝。采用機械安裝的方式可加強模板的穩(wěn)固性。各部分材料形成完整的平面，以便模板自由安裝組合。

1.3 設計框架

圖1：系統(tǒng)結構圖

圖2：系統(tǒng)主程序圖

圖3：數(shù)碼管顯示電路

根據慣例采用STC89C52RC單片機芯片，通過+5 V標準電源電壓為系統(tǒng)提供供電支持，同時利用單片機的其他管腳設計外圍擴展電路。對于端口連接上，一方面8550三極管與繼電器構成一個端口的連接電路；另一端通過74HC573鎖存器與數(shù)碼管相連，通過數(shù)碼管顯示時間完成可視化操作。當?shù)褂嫊r周期結束，繼電器斷電，電路物理斷開以達到節(jié)能的目的。此外，為了可以快速展示本次設計的效果，本設計采用了60 s倒計時為標準。同時還進行了電路的仿真，通過Proteus畫出了硬件電路連接圖。最終，根據設計方案來做出相應實物。

圖4：繼電器控制電路

圖5：晶振電路

圖6：芯片型號的選擇

圖7：源程序的輸入

圖8：編譯生成hex文件

圖9：定時55秒仿真圖

智能定時電源開關設計的硬件電路的核心芯片是一個STC89C52RC單片機，其模塊數(shù)碼管是60s循環(huán)倒計時顯示。繼電器控制電路是含源時間顯示電路，其中使用的數(shù)碼管為兩位一體共陰極數(shù)碼管，數(shù)碼管由兩個相同的74HC573鎖存器來驅動。同時，電路采用PNP型三極管作為繼電器的驅動部件。

在本次軟件設計中，主程序是在單片機的操控下進行60s循環(huán)倒計時。當時間倒計時達到10s時，此時繼電器有電流流過接著接通被控電源電路。被控電路指示燈亮，同時蜂鳴器報警。當?shù)褂嫊r達到0s時，繼電器沒有電流流過接著斷開被控電源電路，被控電路指示燈熄滅。此時，時間又開始從60s倒計時，電路進行自動觸發(fā)和歸位循環(huán)操作。

本文采用STC89C52RC為核心的單片機控制方案系統(tǒng)結構圖，如圖1所示。

智能定時電源開關的主程序圖，如圖2所示。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件模塊設計

數(shù)碼管顯示電路，如圖3所示包括：兩個573鎖存器的IO口連接P0.0～P0.7對應鎖存器D0～D7；數(shù)碼管的段ABCDEFGH對應著74HC573-1芯片；數(shù)碼管的兩個位選端對應著74HC573-2芯片；P2.6端接74HC573-1控制段選信號；P2.7端接74HC573-2控制位選信號。

數(shù)碼管顯示電路根據用戶選擇的定時模式，轉換生成需要定時的時間間隔，然后對電路計時進行可視化顯示。在每一次電路定時完成之后，復位電路會重新對時間計算，將新的顯示數(shù)據發(fā)送給顯示電路。

繼電器控制電路，如圖4所示。包括PNP數(shù)碼管用于驅動繼電器控制外接含電源電路，這是明顯的繼電器驅動電路。圖4中三極管8550有兩個作用，一是利用方法器的極限情況，充當開關的功能；另一個則是放大作用，電路中基極處接的是單片機的P3.2口。當該口給出高電平時，三極管起到了放大的作用，并處于導通狀態(tài)。電路導通之后，繼電器獲取到足夠的電力供應便可正常工作。當給出低電平時，繼電器因沒有電流流過而不工作，三極管處于不停滯狀態(tài)。燈泡則用來指示繼電器是處于導通（燈亮）狀態(tài)還是處于斷開狀態(tài)（燈滅）。

繼電器電路在本系統(tǒng)中，通過與單片機中斷聯(lián)合，實現(xiàn)對定時信號的響應。繼電器工作需要大電壓驅動，因此單片機直接控制的是繼電器的驅動三極管。通過對驅動三極管的控制，完成對繼電器的控制。

晶振電路，如圖5所示，包括：在單片機系統(tǒng)中，晶振的作用較大。單片機運行速度與晶振頻率成正比，由于單片機執(zhí)行的一切指令基本上均是建立在晶振所提供的晶振頻率基礎之上的，因此單片機的晶振幾乎相當于微型系統(tǒng)的心臟，為系統(tǒng)提供了基本的時鐘信號。而確定的時鐘信號，有利于各部分保持時序同步。

晶振電路提供系統(tǒng)的最小時間單元。在計時電路中，保證最小時間單元的穩(wěn)定，是計時電路穩(wěn)定工作的前提先決條件。在本電路中，采用12 MHz晶振，將固定的機器周期與時鐘周期進行換算，可以得到穩(wěn)定的最小時間間隔輸出。單片機的定時，實質就是對定時的時間除以最小時間隔，得到一個計數(shù)值。在每個時鐘周期內單片機進行計數(shù)，在計數(shù)滿足計數(shù)值時，進行電路觸發(fā)，完成中斷操作。

2.2 軟件模塊設計

（1）KEIL工程的建立。如下操作在KEIL中完成，打開文件選擇按鈕，選擇相應的單片機型號，可以看到如圖6所示。

（2）源程序的輸入。在文本編輯器中輸入源程序，如圖7所示。

選擇設置好的工程后，進行程序編輯，軟件會編譯生成Hex的文件。通過串口傳輸該文件到芯片中，芯片便可執(zhí)行指定的功能，如圖8所示。

（3）硬件電路的仿真圖，如圖9所示。

（4）系統(tǒng)測試分析。系統(tǒng)調試：為了安全起見，首先要進行斷電測試，用萬用表來檢測系統(tǒng)是否存在短路現(xiàn)象，然后檢查原理是否正確。經過檢驗，原理無誤且沒有短路現(xiàn)象。隨后再在電路板上按照電路原理圖將控制電路的部分進行連接，首先確定電路板、導線能否正常使用。測試每個電阻的阻值是否符合設計方案的最初要求，最后測試所有的晶體管與二極管的導通性能。

在確定了所有的器件能夠正常工作使用時，再根據電路原理圖將其連接起來。連接完電路之后，再用萬用表測量與地相連的部分是否可以導通，以及每個部分電路的連接是否正確。當確定連接正常后，再打開電源開關。將已經編好的程序下載到STC89C52RC單片機中，進行逐句測試語句。在測試過程中，根據測試中遇到的問題，進行逐一修改。且對程序邏輯進行調整，節(jié)省單片機內存。此次設計的電源用的是電池盒電源，加入兩節(jié)五號電池，用插頭插入電路板中的插座，本系統(tǒng)便可自動復位。

3 結束語

本智能定時電源開關的設計，在實際應用測試中，基本滿足簡易的電器智能控制要求。

系統(tǒng)采用了STC52系列單片機來控制電路，實現(xiàn)了能定時給電器供電或斷電的相應功能。整個編程語言上，采用高效的C語言編程，并沒有采用可讀性差的匯編。同時在設計中采用了模塊化的結構設計，提高了可擴展性和可靠性。但本系統(tǒng)仍存在如下的不足：

系統(tǒng)電路設計簡單沒有考慮復雜的外設保護電路；

系統(tǒng)控制模擬采用簡單的52系列單片機，控制能力較弱；

因此在后續(xù)的改進設計中，應考慮保護電路或者直接采用第三方功能模塊加強對外圍電路的保護；另外，在控制電路的核心模塊上，可以考慮采用ARM系列或者FPAG完成電路邏輯的編程控制。