带时间控制的灯泡控制器.doc

摘 要 】
介绍无线数据传输系统的组成、AT89C51单片机串行口的工作方式及其与无线数字电台接口的软硬件设计与实现方法。
一般的数字采集系统，是通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号，经模/数转换器ADC采样、量化、编码后，为成数字信号，存入数据存储器，或送给微处理器，或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。无线数据传输系统就是一套利用无线手段，将采集的数据由测量站发送到主控站的设备。

【关键字】 无线数据传输 AT89C51单片机 模/数转换器 ADC采样 采集 信号

【Abstract】
Introduction of wireless data transmission system components, AT89C51 Serial port works and wireless digital radio interface with the hardware and software design and implementation.
Digital acquisition system in general, is to capture the scene through the sensor signal is converted to electrical signals by analog / digital converter ADC sampling, quantization, encoding, in order to digital signals into data memory, or sent to the microprocessor, or send the data wirelessly to the receiver for processing. Wireless data transmission system is kind of a use of wireless means, to collect the data sent by the stations to the master control station equipment.

【Key words】 Wireless data transmission AT89C51 Microcontroller A / D converter ADC sampling Collection Signal

1 引言

本设计采用STC单片机实现对红外线发射接收及继电器的控制，系统由STC单片机控制部分和红外遥控及液晶显示部分、 等组成。该系统由单片机作为主控机控制各个模块的运行，定位控制准确，响应及时，报警迅速并且还有人机界面，能够在电脑上实现控制各个家居电器的状态。除此以外，该系统还能够进行简单的单片机实验，包括程序下载、串口调试、液晶显示等。
从实际运行情况看，该系统工作稳定，定位控制准确、响应及时、编程灵活、功能齐全，比较理想的实现了设计指标的要求。

一 系统设计

1.1设计要求

（1）基本要求：能够实现用红外线或无线电控制家居电器的工作状态，家电可以用发光二极管仿真替代，具备家庭防盗报警功能。
（2）发挥部分：人机界面友好，能够通过网络控制家电。

二 总体设计方案

2.1设计思路

题目要求设计一个家居电器控制系统，能够实现用红外线或无线电控制家居电器的工作状态。设计中为了提高产品的稳定性，控制部分我们采用STC单片机完成，通过遥控器发射红外线控制继电器，从而间接去控制各个电器的状态。防盗报警部分，我们采用热释电传感器，预置报警电路工作时在检测到人体的红外信号后执行相应的报警动作。

2.2方案论证与比较

2.2.1 控制部分设计方案论证与选择

方案一、使用高端的ARM芯片和FPGA芯片作为主控芯片，可以轻松实现高速实时同步的功能，但是由于目前智能家居的实场竞争力相当大，若为了设计的简单而失掉了产品最重要的价格优势，那么我们的产品将永远对在实验室里。
方案二、采用性价比很高的STC单片机控制，既可实现稳定的系统设计，又可以使生产成本控制在很低的范围，所以，采用方案二。

2.2.2 显示部分设计方案论证与选择

方案一、采用两个四位七段数码管显示，控制简单易行，所占体积较小，但需要额外的驱动或扩展芯片，整体结构不够直观大方。
方案二、使用128X64LCD显示，感觉美观大方，显示清晰明了，所需的元件也较少。
综上所述，LCD电路简单，性价比高，又能很好完成驱动作用，选择方案二。
在方案二的基础上，我们还做了一个人机界面，能够更加直观方便的利用网络进行控制。

系统组成

本系统由PC主机和单片机客户端两大部分组成，两部分通过RS232协议通讯，实现实时同步数据的功能。
单片机客户端有以下部分主成：串口通信、PS2键盘控制、红外遥控控制、光电传感、热释电、温度传感、12864液晶模块显示、蜂鸣器报警、8路开关控制；
PC主机端自身拥有人机交流模块，用户也可在PC端通过键盘和鼠标实现8路开关的控制；同时PC主机端负责接收并处理来自单片机客户端的控制数据和防区数据，通过一定的算法实现单片机客户端与PC主机端的数据同步；PC主机端还负责同步系统时钟和显示温度数据的功能；PC端在处理防区数据时有辨别防区和记录最新防区报警时间的功能；其中实现实时同步的关键是数据交流和中断处理，以下在我们的系统总方框图中将给出我们的处理算法。
单片机客户端系统总方框图如图2.2.3-1所示。

图2-1 单片机客户端系统总方框图

PC机主机端系统总方框图如图2.2.3-2所示。

三 单元电路设计

3.1控制部分电路
如图3.1所示

图3.1 控制部分连接图

3.2 PS2部分电路

如图3.2所示：

图3.2 PS2接口硬件连接图

液晶显示部分电路图

显示部分电路如图3.3所示：

图3.3 12864串行通信电路图

温度传感器部分

温度传感器我们使用的是DS1820 单线数字温度计，DS1820数字温度计以9位数字量的形式反映器件的温度值。
DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根单线总线上，
这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。
DS1820依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立 ROM操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制器必须首先提供下面5个ROM操作命令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。这些命令对每个器件的激光ROM部分进行操作，在单线总线上挂有多个器件时，可以区分出单个器件，同时可以向总线控制器指明有多少器件或是什么型号的器件。成功执行完一条ROM操作序列后，即可进行存储器和控制操作，控制器可以提供6条存储器和控制操作指令中的任一条。
一条控制操作命令指示DS1820完成一次温度测量。测量结果放在DS1820的暂存器里，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出。温度报警触发器TH和TL各由一个EEPROM字节构成。如果没有对DS1820使用报警搜索命令，这些寄存器可以做为一般用途的用户存储器使用。可以用一条存储器操作命令对TH和TL进行写入，对这些寄存器的读出需要通过暂存器。所有数据都是以最低有效位在前的方式进行读写。

图2.7温度传感器控制电路

电源部分

本设计用到的电源主要为+5V
稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，如图2.8

图2.8 电源方框及波形图
a 整流和滤波电路：整流作用是将交流电压U2变换成脉动电压U3。滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U3中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U4。
b 稳压电路：由于得到的输出电压U4受负载、输入电 压 和 温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U0。
图2.9中电路提供+5V的电源；主要用于STC单片机、LCD显示、键盘;

图2.9电源部分

扬声器控制电路

在该智能打铃系统中，我们用的是交流蜂鸣器，由于一般I/O口的驱动能力有限，在此我们采用了三极管9013来驱动蜂鸣器，其硬件原理图如图3.0所示。Beep与P3.7口相连，当Beep输出高电平是蜂鸣器不响，而Beep输出低电平时蜂鸣器发出响声。我们只要控制Beep输出高低电平的时间和变化频率，就可以让蜂鸣器发出悦耳的音乐了。

图3.0扬声器原理图

红外遥控键盘控制部分

矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是4×4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。
先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法我们得到16个键的特征编码。
举例说明如何得到按键的特征编码：
假设“1”键被按下，找其按键的特征编码。
从P1口的高四位输出低电平，即P1.4－P1.7为输出口。低四位输出高电平，即P1.0－P1.3为输入口。读P1口的低四位状态为“ 1101”，其值为“0DH”。
再从P1口的高四位输出高电平，即P1.4－P1.7为输入口。低四位输出低电平，即P10－P13为输出口，读P1口的高四位状态为“1110”，其值为“E0H”。
将两次读出的P0口状态值进行逻辑或运算就得到其按键的特征编码为“EDH”。
用同样的方法可以得到其它15个按键的特征编码。

矩阵键盘电路如图3.1所示:

图3.1键盘控制原理图
红外遥控器整体电路图如图3.2所示
图3.2 红外遥控器整体电路图

3.8串口部分电路

串口调试原理图如图3.3所示：

图3.3 串口调试原理图

家居控制电路

家居控制电路如图3.4所示：

图3.4 家居电器控制电路图

四 .软件设计

单片机主控部分：
单片机部分采用C语言编写，共有9个模块；
PC机部分：
PC机部分采用VB编写，共有4个窗体；
数据在单片机端经过系统分析，简图如图4.1所示，从中找出了不希望的中断处理：
图3.5 多中断稳定性分析图
外
串

外
串
主
主
串
外

主
串

外
主
· ：表示该处产生的外部中断数据不能译出。
主 ：表示该处为主程序。
串 ：表示串口中断接收到数据的处理程序。
外 ：表示外部中断接收到数据的处理程序。

因此，最终采用了以下的算法实现了双机实时同步通信！
PS2模块：
第2套键扫码单键举例：

组合键举例：
通码和断码是以什么样的序列发送到计算机使得字符出现在你的字处理软件G里呢？
因为这是一个大写字母，需要发生这样的事件次序 ：按下键 -- 按下G 键 -- 释放G键 -- 释放 Shift键，因此，发送到你的计算机的数据应该是12h 34h F0h 34h F0h 12h 。
因此，我们的PS2键盘数据读取的算法如下表3.6所示：

图3.6 PS2算法流程图

第六节 时间控制

一、时间继电器
时间继电器也称为延时继电器，是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器。
时间继电器种类: 空气阻尼式、电动式、晶体管式及直流电磁式等几大类。
时间继电器按延时方式可分为：通电延时型和断电延时型两种。
通电延时型时间继电器在其感测部分接收信号后开始延时，一旦延时完毕，就通过执行部分输出信号以操纵控制电路，当输入信号消失时，继电器就立即恢复到动作前的状态（复位）。
断电延时型与通电延时型相反，它是在其感测部分接收输入信号后，执行部分立即动作，但当输入信号消失后，继电器必须经过一定的延时，才能恢复到原来（即动作前）的状态（复位），并且有信号输出。
1、外形结构

（a）外形图 （b）结构图
1—线圈 2—反力弹簧 3—衔铁 4—静铁心 5—弹簧片 6、8—微动开关
7—杠杆 9—调节螺钉 10—推杆 11—活塞杆 12—宝塔弹簧
空气阻尼式时间继电器的外形结构如图所示。

它由电磁系统，延时机构和工作触点三部分组成。将电磁机构翻转180°安装后，通电延时型可以改换成断电延时型，同样，断电延时型也可改换成通电延时型。

2、动作原理
通电延时时间继电器：通电时，电磁线圈1产生电磁，电磁力大于弹簧拉力，动铁心3被静铁心2吸引，推板5迅速顶到微动开关，触点进行动作，由于橡皮膜10内有空气，形成负压，弱弹簧9的移动受到空气阻尼作用，活塞杆6缓慢向上移动，到达设定的时间，杆杠7顶到触点微动开关15触点进行动作，微动开关15的动作相对于通电时间而言有一个延时，断电时，微动开关15及16迅速复位。

3、符号
时间继电器的符号分通电延时型和断电延时型两种，其文字符号为KT。
（a）通电延时线圈
（b）断电延时线圈
（d）断电延时断开触头
（c）通电延时闭合触头
（e）通电延时断开触头
（f）断电延时闭合触头

4、型号含义
J S —
结构设计改进代号
基本规格代号
设计序号
时间
断电器

二、通电延时型时间继电器控制线路

通电型时间继电器控制线路 断电型时间继电器控制线路

线路动作原理为：
按下起动按钮SB2，中间继电器KA与时间继电器KT同时通电，经过一定的延时后，时间继电器KT动作，接触器KM通电。即：

SB2±—— KA+ △t KT+ —— KM+

三、断电型时间继电器控制线路
图中时间继电KT为断电型时间继电器，其动合延时断开触点在KT线圈得电时闭合，KT线圈断电时，经延时后该触点断开。
线路动作原理为：
SB2± —KA+ — KT+ — KM+
SB1+ — KA- —— KT- —— KM

（延时）控制是以时间为参量进行的控制。

【参考文献】
[1] 楼然苗 光飞.《51系列单片机设计实例》， 北京：北京航空航天大学出版社 2003
[2] 涂时亮 友德.《单片微机控制技术》，上海：复旦大学出版社 1994
[3] 谭家玉. 《家用电器的微机控制及维修技术》， 北京：科学技术出版社 1996
[4] 田立 田清 代方震.《51单片机C语言程序设计快速入门》， 北京：人民邮电出版社 2007
[5] 戴佳 戴卫恒 . 《51单片机C语言应用程序设计实例精讲》. 北京：电子工业出版社 2006
[6] 李勋 耿德根. 《AVR单片机应用技术》， 北京：北京航空航天大学出版社 2002
[7] 吴炳胜 王桂梅.《80C51单片机原理与应用》.北京：冶金工业出版社 2001

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