基于51單片機的定時插座設(shè)計

張 強，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)展和社會的進步，傳統(tǒng)的插座已經(jīng)無法滿足人們的使用需求，具有時鐘顯示、定時控制、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系列單片機是目前應(yīng)用最為廣泛的一類微處理器，它以強大的功能和低廉的價格，受到廣大電子愛好者的青睞。本文以51單片機為主控芯片，設(shè)計了一套定時插座的控制系統(tǒng)，并進行了仿真分析和驗證。相比現(xiàn)有的定時插座而言，該方案具有定時精確、周期定時、造價低廉、功能易于擴充等優(yōu)點。

1 定時插座的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，市面上的定時插座主要有機械式和電子式兩大類。其中，機械式主要是利用發(fā)條的原理來進行定時，這類定時插座的造價低廉、定時連續(xù)可調(diào)，但定時誤差大、功能單一、操作麻煩，尤其只能進行單次定時。比較而言，電子式定時插座主要是基于電子時控技術(shù)來進行定時，例如利用一些時鐘電路或者延時電路等。這類定時插座的特點是功能多樣、定時精準(zhǔn)，但缺點是價格昂貴。如下圖1和圖2所示，分別為某廠家生產(chǎn)的機械式和電子式定時插座，其中圖1產(chǎn)品的市面售價約為36元，而圖2產(chǎn)品的市面售價約為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、打洞等先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套智能插座控制系統(tǒng)，并利用手機APP實現(xiàn)了在局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)環(huán)境下，對插座的參數(shù)設(shè)置和智能控制。賈玉鳳等[5]設(shè)計了一種可紅外遙控并通過按鍵進行參數(shù)設(shè)置的智能插座。王克權(quán)等[6]以STC89C51RC單片機為控制芯片，綜合利用傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)，設(shè)計了一種新型的家用遙控節(jié)能定時插座，主要特點是可以進行溫度監(jiān)控和多端口數(shù)據(jù)的回傳。

圖1 機械式定時插座

圖2 電子式定時插座

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，然而功能的不斷擴充無疑使成本大量增加，從而制約了定時插座的銷量。基于此，本文從成本的角度出發(fā)，選用價格低廉的 51單片機作為主控芯片，配合DS1302以及LM016L等芯片設(shè)計了一套定時插座系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)手動設(shè)置、循環(huán)定時、實時時鐘等核心功能。

2 定時插座的硬件系統(tǒng)設(shè)計

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

圖3 定時插座的系統(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)各項參數(shù)的輸入，主要包括時間參數(shù)和功能參數(shù)兩個部分。其中時間參數(shù)主要涉及到時、分、秒等參數(shù)，主要用于修改當(dāng)前時間和設(shè)置定時時間。功能參數(shù)主要涉及到完成時間參數(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)置在時鐘模式和定時模式兩種工作狀態(tài)下。在時鐘模式下，系統(tǒng)的功能類似于一個實時時鐘。在定時模式下，系統(tǒng)則具備定時功能。

圖4 輸入模塊的電路原理圖

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

圖5 時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)進行顯示，主要包括實時時鐘數(shù)據(jù)和定時時鐘數(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)對家用電路進行開斷。本文選用繼電器作為執(zhí)行器件，通過單片機的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)置了一個指示燈D2以便對繼電器的通斷狀態(tài)進行指示。當(dāng)繼電器接通時，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單片機和相應(yīng)的時鐘電路和復(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 定時插座的軟件系統(tǒng)設(shè)計

定時插座的軟件系統(tǒng)分為兩部分，一部分是系統(tǒng)的主進程，負(fù)責(zé)管理顯示模塊、時鐘模塊和執(zhí)行器的工作；另一部分則負(fù)責(zé)對內(nèi)部的參數(shù)進行修改，主要包含當(dāng)前的時間參數(shù)和欲定時的時間參數(shù)。由于這兩部分任務(wù)都具有實時性，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)的流程相對比較簡單，主要完成各硬件模塊的初始化，同時不斷讀取時鐘模塊的參數(shù)并進行判斷，在定時時間到的情況下控制繼電器斷開。其C語言版的代碼如下：

如圖10所示，中斷服務(wù)程序的流程相對比較復(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)部的時鐘參數(shù)和定時參數(shù)。對于時鐘參數(shù)而言，中斷服務(wù)程序需將其作為初值寫入時鐘模塊，以完成對時間的更改。限于篇幅，此處對中斷服務(wù)程序的C語言版代碼不再詳述。

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軟件強大的軟、硬件仿真功能[8-9]，可以很好地檢驗系統(tǒng)各項功能的正確性。如圖 11所示，在啟動系統(tǒng)的初始時刻，時鐘初值默認(rèn)設(shè)置為22時34分56秒，定時初值默認(rèn)設(shè)置為00時00分00秒。在模式開關(guān)斷開的情況下，系統(tǒng)處于時鐘模式，此時定時功能無效，系統(tǒng)只相當(dāng)于一個時鐘。在時鐘模式下，可以通過操作其他功能按鍵實現(xiàn)對當(dāng)前的時鐘值進行修改。如圖12所示，此時光標(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)初始啟動時的效果

圖12 時鐘設(shè)置的功能仿真

圖13 定時設(shè)置的功能仿真

圖14 定時斷電的功能仿真

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

為了進一步驗證系統(tǒng)的定時功能，選擇三個目標(biāo)定時時間，在定時模式下，分別記錄下各次定時完成的實際時間，如下表1所示。從表中可知，每次實際定時的時間均與目標(biāo)定時時間相符，故系統(tǒng)的定時功能正常，且誤差小于1s。

表1 定時功能實驗記錄

5 結(jié)論

本文以51單片機為主控芯片設(shè)計了一套定時插座的控制系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)上，該系統(tǒng)由主控芯片、時鐘模塊、輸入模塊、顯示模塊和執(zhí)行器件五個部分組成。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軟件中的仿真實驗，驗證了系統(tǒng)的各項功能。

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