基于單片機的簡易智能插座設(shè)計

摘 要：文章提出一種基于8位8051內(nèi)核單片機的智能插座設(shè)計方案，以單片機STC89C51RC作為智能插座系統(tǒng)的主控芯片，將LCD1602作為人機交互介質(zhì)，實時顯示當(dāng)前時間和目標(biāo)時間，從而通過單片機對電磁繼電器的控制實現(xiàn)了以弱電控制強電，自動導(dǎo)通或斷開電路的目的。

關(guān)鍵詞：智能插座；STC89C51RC；單片機；LCD1602

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能家居正在逐漸步入尋常百姓的日常家庭生活之中。智能家居系統(tǒng)在兼具傳統(tǒng)普通家居的一些功能的同時也在逐步地讓人們享受著作為智能家居所給生活帶來的安全性、舒適性以及便利性，特別是自身所具有的節(jié)能環(huán)保的一些獨特優(yōu)勢。智能插座是智能家居構(gòu)成系統(tǒng)中最基本同時也是必不可缺少的設(shè)備之一，它具有自主提前定時，自動通斷電從而實現(xiàn)節(jié)能省電的特點，用戶可以根據(jù)家庭實際需要隨意提前設(shè)定智能插座的通電時間或斷電時間從而滿足自己的生活需要。在本設(shè)計中選取基于8位8051內(nèi)核的STC89C51RC單片機作為主控芯片，以LCD1602作為人機交互的可視介質(zhì)，實現(xiàn)了單組定時功能，并且可通過對繼電器的控制達到自動導(dǎo)通或斷開電路的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路共分為單片機最小系統(tǒng)模塊、LCD1602顯示模塊、按鍵輸入模塊和繼電器控制模塊四個部分。其中，單片機最小系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制外圍數(shù)字電路或模擬器件；LCD1602顯示模塊用來實時顯示當(dāng)前時間和目標(biāo)時間；按鍵輸入模塊用來設(shè)定當(dāng)前時間和目標(biāo)時間；繼電器控制模塊是整個智能插座系統(tǒng)設(shè)計中最終的受控單元，相當(dāng)于一個電路開關(guān)，用來實現(xiàn)導(dǎo)通或斷開電路。

1.1 單片機最小系統(tǒng)模塊

單片機是單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）的簡稱，就是把組成微型計算機的各個部件，比如中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、可編程存儲器EPROM、并行及串行輸入輸出I/O接口電路、定時器/計數(shù)器、中斷控制器等集成在一塊半導(dǎo)體芯片上而構(gòu)成的一個微型計算機系統(tǒng)[1]。一片單片機外接上時鐘電路和復(fù)位電路就是一個單片機系統(tǒng)，通常我們稱之為單片機最小系統(tǒng)。

本設(shè)計所采用的單片機型號為STC89C51RC，它是一款基于8051內(nèi)核，采用CMOS工藝生產(chǎn)，具有低功耗特點的8位單片機。STC89C51RC擁有4個8位并行輸入輸出I/O接口：P0口、P1口、P2口和P3口，2個16位定時器/計數(shù)器、6級中斷系統(tǒng)和21個特殊功能寄存器SFR等。

單片機的定時功能是通過內(nèi)置的時鐘電路和定時電路而實現(xiàn)的，我們采用內(nèi)部時鐘方式來產(chǎn)生時鐘，將單片機片內(nèi)的高增益反相放大器通過XTAL1和XTAL2外接片外晶體振蕩器與瓷片電容組成的并聯(lián)諧振回路所構(gòu)成的自激振蕩器來提供振蕩時鐘。我們在該時鐘電路中采用12MHZ的石英晶振，單片機時鐘頻率為12MHZ，12個時鐘周期為一個機器周期，那么此時單片機的機器周期就是1μs。

1.2 LCD1602顯示模塊

液晶顯示器簡稱為LCD，它的工作原理一般是通過電流刺激液晶分子并配合液晶屏背光來形成畫面。目前市面常見的各種型號液晶顯示器通常是按照液晶最大能顯示字符的行列數(shù)來命名的，例如LCD1602每行最多可以顯示16個字符，一共可以顯示2行。

本設(shè)計使用的LCD1602采用5V直流電壓驅(qū)動，內(nèi)置了128個字符的ASCII字符集字庫，只能顯示ASCII字符而不能顯示漢字，如果希望顯示漢字則可以選擇LCD12864。設(shè)計中我們將單片機P0端口作為LCD1602的8位數(shù)據(jù)接口，通過并行方式操作，P2^5端口作為LCD1602的數(shù)據(jù)/命令選擇接口（H/L），P2^6端口作為LCD1602的讀/寫選擇接口（H/L），P2^7端口作為LCD1602的使能接口，高電平有效。

1.3 按鍵輸入模塊

我們采用四個小彈性按鍵作為單片機的外圍輸入控制器件，用來設(shè)定當(dāng)前時間和智能插座導(dǎo)通/斷開的目標(biāo)時間。本設(shè)計中我們把四個按鍵的一端接地，另一端分別與單片機的P2^0、P2^1、P2^2、P2^3相連并接入電路，確保單片機P2^0、P2^1、P2^2、P2^3四個I/O端口被賦予高電平狀態(tài)，我們讓單片機不斷的循環(huán)檢測這四個I/O端口是否變?yōu)榈碗娖剑?dāng)按鍵閉合時，即表示該I/O端口通過按鍵與地相連，變成低電平，程序一旦檢測到I/O端口變?yōu)榈碗娖骄驼f明該端口與之對應(yīng)的按鍵被按下，那么單片機執(zhí)行相應(yīng)的程序指令。

1.4 繼電器控制模塊

繼電器是當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）達到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開的電器。繼電器具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點，通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種自動開關(guān)[2]。

我們所采用的繼電器又名電磁繼電器，由鐵芯、線圈、銜鐵和觸點簧片等組成。電磁繼電器的工作原理是繼電器線圈在通過電流時會通過電磁感應(yīng)而產(chǎn)生磁場，銜鐵在電磁力的作用下克服簧片拉力而吸向鐵芯與繼電器的常開觸點吸合，當(dāng)線圈斷電后，磁場消失，銜鐵在彈力的作用下返回初始位置。

本設(shè)計中我們采用單片機控制雙極型三極管的導(dǎo)通與否來實現(xiàn)控制繼電器線圈上電流的導(dǎo)通與斷開。從雙極型三極管的結(jié)構(gòu)看，有NPN和PNP兩種類型。但是，無論哪一種類型，管子內(nèi)部都有三個區(qū)、兩個PN結(jié)，并引出三個電極。三個區(qū)——發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)；兩個PN結(jié)——發(fā)射結(jié)和集電結(jié)；三個電極——發(fā)射極e、基極b和集電極c[3]。我們將繼電器線圈一端外接5V直流電源正極，另一端串聯(lián)一個PNP三極管的發(fā)射極e，該三極管的集電極c接地，基極b接單片機P1^4端口，當(dāng)P1^4置為低電平時三極管導(dǎo)通，此時繼電器線圈通電，當(dāng)P1^4置為高電平時三極管不導(dǎo)通，此時繼電器線圈斷電。

2 系統(tǒng)程序設(shè)計

整個系統(tǒng)程序設(shè)計的原理就是通過單片機內(nèi)置的定時器，每50ms觸發(fā)一次定時器中斷，在定時器中斷函數(shù)中累計觸發(fā)定時器中斷的次數(shù)，那么每當(dāng)定時器中斷觸發(fā)次數(shù)累計到20次的時候就表示經(jīng)歷了1s的時間間隔，此時通過單片機計算出當(dāng)前的時間，然后與目標(biāo)時間進行對比，如果當(dāng)前時間與目標(biāo)時間相等（或者超越目標(biāo)時間）則說明目標(biāo)時間已經(jīng)到達，單片機發(fā)出信號控制繼電器動作即可達到導(dǎo)通/斷開電路的目的。

單片機STC89C51RC內(nèi)置有兩個16位可編程定時器/計數(shù)器，即定時器T0和定時器T1，它們同時具有定時和計數(shù)功能，通過設(shè)置相關(guān)的特殊功能寄存器就可以選擇啟用定時或計數(shù)功能。單片機一旦開啟定時功能后，定時器就會在外部石英晶振的作用下自動開始計時，當(dāng)定時器的計數(shù)器計滿后會觸發(fā)定時器中斷。

定時器/計數(shù)器的本質(zhì)是一個16位的加1計數(shù)器，由高8位和低8位兩個寄存器組成，單片機在使用定時器或計數(shù)器功能時，需要設(shè)置兩個與定時器有關(guān)的寄存器：定時器/計數(shù)器工作方式寄存器TMOD和定時器/計數(shù)器控制寄存器TCON。本設(shè)計中我們使用的是工作在工作方式1（16位定時器/計數(shù)器）下的定時器T0，需要設(shè)置TMOD=0X01。在1.1節(jié)中我們已經(jīng)提到單片機的機器周期是1μs，那么為了獲得50ms的定時間隔，我們需要在定時器T0的高8位寄存器TH0和低8位寄存器TL0中分別裝入大小為（65536-50000）/256和（65536-50000）%256的初始值，也就是分別設(shè)置寄存器TH0=（65536-50000）/256和寄存器TL0=（65536-50000）%256。除此之外，我們需要在定時器T0計滿時觸發(fā)定時器中斷，所以我們需要依次開總中斷，開定時器T0中斷，然后啟動定時器T0開始計數(shù)，即依次設(shè)置EA=1，ET0=1，TR0=1。

定時器T0一旦啟動便會開始計數(shù)，當(dāng)計數(shù)溢出時，自動進入中斷服務(wù)程序執(zhí)行代碼，執(zhí)行完中斷程序后再回到原來處繼續(xù)執(zhí)行。為了確保定時器T0每次中斷的時間間隔都是50ms，我們需要在中斷函數(shù)中每次為寄存器TH0和TL0重新裝入初始值，每進入一次中斷需要的時間是50ms，每當(dāng)中斷程序進入了20次，也就是時間累計了1s，此時我們需要將最新的時間數(shù)據(jù)刷新顯示到LCD1602上。

整個程序中，判斷是否需要單片機發(fā)送信號控制繼電器動作的標(biāo)志就是當(dāng)前時間是否到達或超越目標(biāo)時間，我們需要在主程序中不斷循環(huán)判斷這一標(biāo)志是否達成，當(dāng)達成這一標(biāo)志時，我們會讓單片機發(fā)送信號給繼電器，控制繼電器線圈電流的通斷，從而控制繼電器電路的導(dǎo)通/斷開。

3 結(jié)束語

綜上所述，在文章中我們基于8051內(nèi)核單片機設(shè)計的該款簡易智能插座，不僅硬件電路設(shè)計簡潔可靠，而且成本低廉投入少，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)智能家居中定時開關(guān)電路的功能，同時與目前市場上已有的各種智能插座產(chǎn)品比較，也會發(fā)現(xiàn)我們設(shè)計的智能插座在功能上仍有很大的擴展空間，在后面的工作中上我們將會考慮將多組定時、WIFI網(wǎng)絡(luò)控制、微信控制等實用功能引入。

參考文獻

[1]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

[2]郭天祥.新概念51單片機C語言教程——入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.