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基于单片机的智能插座控制系统设计

發布時間：2024/8/1 40 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了基于单片机的智能插座控制系统设计小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

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目? 錄

摘要---------------------------------------------------------------- Ⅰ

ABSTRACT------------------------------------------------------------ Ⅱ

1? 緒論-------------------------------------------------------------- 1

1.1? 研究背景---------------------------------------------------- 1

1.2? 研究現狀及趨勢---------------------------------------------- 1

1.3? 研究內容---------------------------------------------------- 2

2? 系統總體方案------------------------------------------------------ 3

3? 系統硬件電路設計-------------------------------------------------- 4

3.1? 主控制器及最小系統------------------------------------------ 4

3.2? 溫度采集模塊------------------------------------------------ 5

3.3? 顯示模塊---------------------------------------------------- 6

3.4? 按鍵模塊---------------------------------------------------- 8

3.5? 定時模塊---------------------------------------------------- 9

3.6? 報警模塊--------------------------------------------------- 11

3.7? 整體電路設計----------------------------------------------- 12

4? 系統軟件設計----------------------------------------------------- 14

4.1? DS1302計時程序設計----------------------------------------- 14

4.2? LCD1602顯示程序設計---------------------------------------- 16

4.3? DS18B20測溫程序設計---------------------------------------- 18

5? 仿真與調試------------------------------------------------------- 20

5.1? 系統軟件電路調試------------------------------------------- 20

5.2? 系統硬件電路仿真------------------------------------------- 22

6? 總結與展望------------------------------------------------------- 23

6.1? 總結------------------------------------------------------- 23

6.2? 展望------------------------------------------------------- 23

參考文獻------------------------------------------------------------ 24

致謝----------------------------------------------------------------- 26

附錄---------------------------------------------------------------- 27

摘? 要

隨著科技的不斷進步，越來越多的電子設備涌現在人們的生活中，這些電器使我們生活便利的同時，也產生了很多問題，......。

為了降低能源的浪費，很多電器產品都有待機功能，然而待機并不能完全解決能源消耗問題。在待機時，電器只是對某個或幾個部件停止供電，實則仍然在工作，消耗電量并損耗電器壽命，......。

為了解決這些問題，設計了一款智能插座控制系統。此系統用STC89C52單片機作為主要的控制單元，采用DS1302時鐘芯片來精確計時，可以依據用戶需求通過外設按鍵對同一插座上的5組開關單獨進行定時設置，使外接電器可以按照一定規律穩定運行，既達到智能控制的目的，又在很大程度上起到節能的作用。為方便用戶日常使用，系統增加LCD1602顯示屏來實時顯示溫度、時間和系統狀態。另外通過DS18B20溫度傳感器對環境溫度進行檢測，若溫度大于設置的上限時，蜂鳴器發出警報并控制繼電器切斷電源，降低安全隱患。

關鍵詞：STC89C52? 定時? 測溫? 插座

ABSTRACT

With the continuous progress of science and technology, more and more electronic devices emerge in people's lives. These electrical appliances make our lives ......

In order to reduce the waste of energy, many electrical products have standby function, but standby can not completely solve the problem of energy consumption. In standby, the electrical appliance only stops supplying power to one or several components, but it still works, consuming electricity and losing the life of the electrical appliance.......

In order to solve these problems, a smart plug control system is designed. In this system, STC89C52 single chip microcomputer is used as the main control unit, and DS1302 clock chip is used for accurate timing. according to the user's needs, five groups of s......

Keywords: STC89C52? Timing? Temperature measurement? Socket

?1??緒論

1.1??研究背景

隨著社會的進步，人們的生活條件越來越好，大屏幕彩色電視、雙開門冰箱、洗衣機、空調、電腦等等一應俱全。這些電器在給我們帶來方便的同時，問題也接踵而來，其中首要問題就是.....

電器處于待機狀態下時，不僅會消耗大量的電能，還會給家庭埋下安全隱患。根據《安全科學與應急管理研究》上記載的山東省政府消防部門官方數據顯示，到2020年1月20日為止，過去一年山東省全省共接到火災報警1.61萬起，......

這些簡單的數據闡述著血淋淋的事實，電器長期處于待機狀態不僅會增加發生電氣事故的概率還會縮短電器的使用壽命......

1.2??研究現狀及趨勢

目前普通家庭日常用的插座都是只能手動通斷電，無任何附加功能。通過淘寶、京東等商業平臺查詢，很多商家店鋪里都有智能插座的相關產品。其中以具有紅外線遙控功能的插座賣況最好，在系統中安裝紅外接收頭，以此接受遠程遙控的信號，但這種插座需要配備專用的遙控器......

因此，本身具有定時和保護功能的智能插座發展前景十分廣闊。況且現在的科技日新月異，相信單片機以后能做的越來越小，功能卻越來越全面。到那時智能插座不僅能定時、測溫，還能語音識別、運用大數據技術或根據用戶生活習慣自動調整電器工作時間......

1.3??研究內容

基于單片機的智能插座控制系統是以普通插座為基礎，增加了定時、顯示、測溫等功能，使之更智能化。智能插座擁有可編程定時功能,使用者可以根據自己意愿對同一插座上的5組開關單獨進行定時設置，滿足不同電器的控制需求，減少電器在不使用時依然耗電的情況，......

2??系統總體方案

本系統設計了一個以STC89C52單片機控制的智能插座。插座可以實現定時功能，能通過控制按鍵對同一插座上的五組定時開關單獨進行設置。系統裝有時鐘芯片，時間計算更加精準；配備LCD顯示模塊，直觀顯示時間、溫度等信息；溫度采集模塊檢測電器所在環境溫度并與預設的溫度上限比較，當測量的溫度超過預設的溫度上限，蜂鳴器發出報警的同時控制繼電器關閉電源，起到保護控制設備的功能。

圖2-1??智能插座系統框圖

3??系統硬件電路設計

系統硬件電路分為單片機控制模塊、溫度采集模塊、顯示模塊、按鍵模塊、定時模塊和報警模塊。智能插座控制系統在未設置定時時間時，界面顯示溫度......

3.1??主控制器及最小系統

系統選用STC89C52單片機，片內集成8K字節Flash存儲空間、512字節RAM，支持64K外部最大存儲擴展，片內資源有3個定時器、4組I/O接口、8個中斷、......如表3-1所示。

表3-1? STC89C52引腳及功能

引腳名稱	引腳功能
P1.0-P1.7	8位準雙向I/O端口
RST	復位端
RXD	串行口輸入端
TXD	串行口輸出端
INT0	外部中斷0輸入端
INT1	外部中斷1輸入端
T0	計時器/定時器0外部輸入端
T1	計時器/定時器1外部輸入端
WR	片外數據存貯器寫選通信號輸出端
RD	片外數據存貯器讀選通信號輸出端
XTAL2	接外部晶體振蕩器的一端，片內是一個振蕩電路反相放大器的輸出端
XTAL1	接外部晶體振蕩器的另一端。片內是一個振蕩電路反相放大器的輸入端
VSS	接地
P2.0-P2.7	8位準雙向I/O端口
PSEN	程序儲存允許輸出
ALE/PROG	地址鎖存允許
EA	外部訪問允許
P0.0-P0.7	8位漏極開關型雙向I/O端口

單片機最小系統由電源、晶振和復位組成。系統采用上電自動復位和手動按鍵復位兩種方式。最小系統電路如圖3-1所示。

圖3-1? 最小系統電路圖

3.2??溫度采集模塊

溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式，按傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶兩類[5]。系統采用接觸式，......圖3-2所示。

圖3-2? DS18B20引腳和封裝圖

DS18B20溫度傳感器由美國DALLAS公司生產的單總線器件，具有體積小，抗干擾能力強，集成性高、低功耗等特點，而且接線簡單，廣泛應用與各種測溫電路。傳感器與單片機接口電路如圖3-3所示。

圖3-3? DS18B20與單片機接口電路

3.3??顯示模塊

本設計選用LCD1602液晶顯示器，其由字符型液晶顯示屏、控制驅動主電路HD44780和擴展驅動電路HD44100，及少量電阻、......實物圖如圖3-4所示。

圖3-4? LCD1602字符型液晶顯示屏實物圖

LCD1602是一種專門用來顯示字母、數字、符號的點陣型液晶模塊，可同時顯示16*2個字符，廣泛應用于工業控制、便攜式電子產品中。具有......如表3-2所示。

表3-2? LCD1602字符型液晶顯示屏引腳及功能

引腳號	引腳名稱	功能
1	VSS	接地
2	VCC	+5V電源
3	VL	液晶顯示器對比度調整端
4	RS	寄存器選擇
5	R/W	讀寫信號線
6	E	使能端
7~14	D0~D7	8位雙向數據端
15	BLA	背光源正極
16	BLK	背光源負極

LCD1602顯示原理：

點陣圖形式液晶顯示屏由M*N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節的8位，即每行由16字節，共16*8=128個點組成。顯示屏上64*16個......3-5所示。

圖3-5? LCD1602與單片機接口電路

3.4??按鍵模塊

本設計有四個按鍵，四個按鍵直接與單片機的P3.3至P3.6引腳相連，實......

四個按鍵的功能各不相同，從上向下分別是減鍵、加鍵、選擇鍵、設置鍵。按下設置鍵進入設置界面，選擇鍵控制光標的移動，加鍵和減鍵控制數值的加減，......如圖3-6所示。

圖3-6? 按鍵與單片機接口電路

3.5??定時模塊

本系統采用DS1302時鐘芯片計時......實物圖如圖3-7所示。

圖3-7? DS1302芯片實物圖

DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，......如表3-3所示。

表3-3? DS1302各引腳及功能

引腳號	引腳名稱	功能
1	VCC2	主電源
2、3	X1、X2	振蕩器，外接32.768KHz晶振
4	GND	接地
5	RST	復位
6	I/O	數據輸入/輸出
7	SCLK	串行時鐘
8	VCC1	后備電源

DS1302可以用于數據記錄，特別是對某些具有特殊意義數據點的記錄，能對數據與出現該數據的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續測控系統結果分析.....如圖3-8所示。

圖3-8? DS1302與單片機接口電路

3.6??報警模塊

系統采用的是內部沒有震蕩源，需外部驅動電路......，實物如圖3-9所示，長腳是正極，短腳是負極。

圖3-9? 蜂鳴器實物圖

通過三極管放大電流，驅動蜂鳴器發聲報警，另外在蜂鳴器電路中串聯有LED燈，用來區分繼電器是否閉合，當繼電器閉合時，LED燈長時間點亮，否則熄滅。蜂鳴器在系統開機、......如圖3-10所示。

圖3-10? 蜂鳴器與單片機接口電路

3.7? 整體電路設計

本設計以STC89C52單片機為主控制器，DS18B20溫度采集模塊、LCD1602顯示模塊、DS1302定時模塊、按鍵模塊、蜂鳴器報警模塊協同工作，組成智能插座控制系統。......如圖3-11所示。

圖3-11? 系統原理圖

4??系統軟件設計

系統軟件電路設計分為顯示程序、DS1302時鐘程序、DS18B20測溫程序。程序編寫采用C語言，通過Keil軟件進行軟件調試。具體程序詳見附錄。主程序流程圖如圖4-1所示。

圖4-1? 主程序流程圖

4.1? DS1302定時程序設計

芯片程序的讀和寫通過單片機來完成。因此主要問題就是時鐘電路怎樣讀寫。平時看到的日期時間等數值在單片機眼中都是一個個地址，地址參照表4-1。參......

表4-1? DS1302寄存器地址及內容

	寫寄存器	讀寄存器	Bit7	Bit6	Bit5	Bit4	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0	范圍
秒	80H	81H	CH	10秒			秒				00-59
分	82H	83H	0	10分			分				00-59
小時	84H	85H	12/24	0	10	時	小時				1-12/0-23
小時	84H	85H	12/24	0	A/P	時	小時				1-12/0-23
日	86H	87H	0	0	10日		日				1-31
月	88H	89H	0	0	0	10月	月				1-12
星期	8AH	8BH	0	0	0	0	0	星期			1-7
年	8CH	8DH	10年				年				00-99
控制	8EH	8FH	WP	0	0	0	0	0	0	0	---

此時鐘芯片具有存儲數據的優點，適合長時間監控系統，但也不是完美的，依然有受外界環境影響，易出現時鐘混亂的缺點。DS1302流程圖如圖4-2所示。

圖4-2? DS1302流程圖

4.2? LCD1602顯示程序設計

LCD1602需要顯示內容包括：從時鐘電路中讀取的年、月、日、星期、時、分、秒等時序信息﹐從溫度檢測模塊讀取控制器件的溫度值，......

顯示屏正常顯示，需掌握：

......

確定顯示的位置。

該位置要顯示的內容。

LCD1602液晶顯示屏能顯示16*2的字符數，......，讀寫操作、顯示屏和光標的操作都是通過指令編程來實現的。指令詳見表4-2。具體程序詳見附錄。

表4-2? LCD1602控制指令

序號	指令	RS	R/W	D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
1	清屏	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
2	光標復原	0	0	0	0	0	0	0	0	1	x
3	輸入方式設置	0	0	0	0	0	0	0	1	I/D	S
4	顯示開關控制	0	0	0	0	0	0	1	D	C	B
5	光標或字符移位控制	0	0	0	0	0	1	S/C	R/L	x	x
6	功能設置	0	0	0	0	1	DL	N	F	x	x
7	字符發生存儲器地址設置	0	0	0	1	字符發生存儲器地址
8	數據存儲器地址設置	0	0	1	顯示數據存儲器地址
9	讀忙標志或地址	0	1	BF	計數器地址
10	寫入數據至CGRAM或DDRAM	1	0	要寫入的數據內容
11	從CGRAM或DDRAM中讀取數據	1	1	讀取的數據內容

當按鍵電路的按鍵信號傳來時顯示模塊會做出相應指令，......流程圖如圖4-3所示。

圖4-3? LCD1602流程圖

4.3? DS18B20測溫程序設計

系統采用數字溫度芯片DS18B20測量實際溫度，輸出信號全數字化。便于單片機處理及控制，省去傳統測溫方法的很多外圍電路。DS18B20的最大特點之一采用了單總線的數據傳輸......圖如4-4所示。

圖4-4? DS18B20流程圖

5??仿真與調試

5.1??系統軟件電路調試

系統的軟件設計有定時子程序的編寫、顯示電路子程序的編寫和測溫電路子程序的編寫，程序調試用的軟件是Keil4。Keil是一款兼容單片機C語言軟件開發系統，......

顯示程序需要先編寫開機初始化設置和寄存器信號選擇，除此之外還需要延時函數，寫命令函數，寫數據函數......如圖5-1所示。

圖5-1? LCD1602顯示程序運行結果

時鐘電路的程序需要寫明將一個數據寫到對應的地址里，相應的，還要有從對應的地址里將一個數據提取出來的詳細編碼，例如把此時的年月日讀取出來，把設置的年月日計入等等。.....如圖5-2所示。

圖5-2? DS1302計時程序運行結果

DS18B20數字溫度傳感器能直接讀出被測溫度并通過編程實現9-12位的數字值讀取方式，芯片內部共有8字節的寄存器，其中地址編號0,1為溫度寄存器，......如圖5-3所示。

圖5-3? DS18B20測溫程序運行結果

5.2??系統硬件電路仿真

系統硬件仿真，我用的軟件是proteus8。根據電路原理圖連接無誤后，運行正常。能夠實現通過按鍵設置年月日、溫度上限和定時開關時間，并能根據設置參數控制繼電器閉合、斷開......系統仿真如圖5-4所示。

圖5-4? 系統電路仿真圖

完成系統仿真后，開始實物的制作。根據原理圖選擇合適規格的元器件進行有序的連接，然后設計硬件測試方案，首先對制作的電路進行檢查，......硬件連接如圖5-5所示。

圖5-5? 硬件連接

6??總結與展望

6.1??總結

本次設計的智能插座可實現根據用戶實際需求對同一插座上的五組定時單獨進行設......，系統控制繼電器打開電源，相應的，當時間與預設電器閉合的時間一致時，繼電器關閉電源。也可設置手動模式，此模式狀態下加鍵對應開關的開，減鍵控制開關的關。.......

6.2??展望

產品雖然可以實現定時、測溫、電源自動通斷，但依然有不足之處。首先是供電問題，本設計采用USB接口供電，家用插座基本都沒有設有USB接口......。

現在智能插座還未普及，功能還待完善，相信智能插座會越做越小，功能越來越全面，甚至能夠直接安裝在家庭墻壁上，......

致? 謝

逝者如斯夫，不舍晝夜。轉眼又到了一年一度的畢業季，回想過去三年多的大學生活，軍訓、同學聚餐、社團活動……

身為本科生，我的經驗匱乏，知識儲備不足，有很多地方考慮不周，如果沒有指導老師的幫助，很難完成這個畢業設計......

其次，我要感謝我的同學們。在我有高等數學，復變函數等方面不懂的問題時，是他們給我耐心的解答；在我proteus仿真有問題時，......

最后感謝母校的栽培......

這幾個月的經歷讓我感受到寫......

附錄

程序部分

DS1302程序

#ifndef _DS1302_H_

#define _DS1302_H_

sbit clk = P1^3;?? ? //ds1302時鐘線定義

sbit io =? P1^4;? ? //數據線

sbit rst = P1^5;??? ? //復位線

????????????????????????????????????????? //秒? 分?? 時?? 日?? 月? 年?? 星期 ?

uchar code write_add[]={0x80,0x82,0x84,0x86,0x88,0x8c,0x8a};?? //寫地址

uchar code read_add[] ={0x81,0x83,0x85,0x87,0x89,0x8d,0x8b};?? //讀地址

uchar miao,fen,shi,ri,yue,week,nian;

uchar i;

/*************寫一個數據到對應的地址里***************/