基于單片機的定時插座設計與制作

徐尚輝

（廣東省佛山市高明區高級技工學校，廣東佛山，528500）

0 引言

目前，技工院校機電一體化、電氣自動化設備安裝與維修、工業機器人應用與維護等專業都開設了《單片機技術》這門課程，很多同學畢業設計也選擇了基于單片機控制的設計項目。本文介紹的這個設計項目，具有思路明確，定時時間長，功能實用，制作容易等特點。學生通過運用所學的專業知識，用單片機語言編程實現插座定時通斷電功能，完成好這個項目，對學生系統掌握單片機技術有非常大的幫助，因此，設計和制作這個定時插座是一個很不錯的畢業設計項目。

1 定時插座總體設計

本插座以STC89C52單片機為控制核心，內含數碼管、按鍵、蜂鳴器、繼電器等，兩組4位數碼管分別顯示兩個定時時間：預約時間和通電時間，最小時間為00.00，最大為99.60（即100小時），4個功能按鍵完成時間的設定。通過用C語言對單片機編程實現插座的定時通斷電功能。

使用操作：插座加電后，預約時間和通電時間數碼管均顯示0.0。按面板“設置”鍵，預約時間中“小時”數碼管閃動，此時可按“增加”或“減少”鍵來設置預約時間的小時數，設置量從0至99小時；再次按“設置”鍵，此時預約時間中的“分鐘”數碼管閃動，同樣再按“增加”或“減少”鍵來設置預約時間的分鐘數，設置量從0-60分鐘；依此類推，設置好通電時間中的“小時”和“分鐘”數后第五次按“設置”鍵，預約時間和通電時間就都設置完成。此時，按“啟動”鍵，預約時間進行倒計時，達到零后，繼電器接通，同時通電時間也開始倒計時，它到達零后，繼電器關閉。當插座按“啟動”鍵啟動后，“設置”、“增加”、“減小”三個鍵被鎖住，按動無效。如果中途需要暫停或修改時間，可再次按“啟動”鍵，此時倒計時停止，接通的繼電器也會斷開，這時就可重新設置時間，完成后再次按“啟動”鍵繼續工作。當我們按動按鍵時蜂鳴器會短鳴一聲，預約時間或通電時間倒計時為零時，蜂鳴器會長鳴一聲。另外，當倒計時，相應的數碼管小時與分鐘數之間的小數點會按秒閃動。插座面板圖如圖1所示。

圖1 插座面板圖

2 硬件設計

■2.1 電路組成

本定時插座電路包含有：一片STC89C52單片機用作主控；兩片74HC595芯片用于驅動數碼管；兩塊4位共陰數碼管用于時間顯示；一個繼電器用于控制插座的通斷電；一個蜂鳴器用作按鍵響應及時間終了響應；四個輕觸按鍵用于時間設置等；一個DC5V電源供控制板使用。控制電路圖如圖2所示。

■2.2 單片機

本插座對單片機要求不高，采用廉價的國產宏晶公司的STC89C52普通單片機芯片，晶振選用12MHz。其中10k電阻和10μF電容兩個元件完成單片機上電復位。單片機最小系統見圖3。

■2.3 顯示部分

本裝置顯示部分選用兩塊4位共陰數碼管，由兩片74HC595芯片驅動，分別顯示預約時間和通電時間的小時數和分鐘數。

74HC595是一個8位串行輸入、并行輸出的位移緩存器：并行輸出為三態輸出。在SCK 的上升沿，串行數據由SDL輸入到內部的8位位移緩存器，并由Q7’輸出，而并行輸出則是在LCK的上升沿將在8位位移緩存器的數據存入到8位并行輸出緩存器。當串行數據輸入端OE的控制信號為低使能時，并行輸出端的輸出值等于并行輸出緩存器所存儲的值。而當OE為高電位，也就是輸出關閉時，并行輸出端會維持在高阻抗狀態。74HC595常用于驅動數碼管或點陣顯示屏。

圖2 控制電路圖

圖3 單片機最小系統

74HC595使用方法：

（1）<74HC595的數據端：

Q0--Q7：八位并行輸出端，可以直接控制數碼管的8個段或位。

Q7’：級聯輸出端。將它接下一個595的DS端。

DS：串行數據輸入端，級聯的話接上一級的Q7。

（2）<74HC595的控制端說明：

/MR（10腳）：低電平時將移位寄存器的數據清零，通常將它接Vcc。

SH_CP（11腳）：上升沿時數據寄存器的數據移位。Q0-->Q1-->Q2-->Q3-->...-->Q7;下降沿移位寄存器數據不變。

圖4 顯示電路

ST_CP（12腳）：上升沿時移位寄存器的數據進入數據存儲寄存器，下降沿時存儲寄存器數據不變。通常我們將ST_CP置為低電平，當移位結束后，在ST_CP端產生一個正脈沖，更新顯示數據。

本顯示電路采用兩片74HC595芯片,一片驅動8個數碼管的段碼，另一片驅動8個數碼管的位碼。與單片機連接只需要三個端口，此處與單片機P3.4、P3.5、P3.6口連接。

■2.4 插座通斷電控制電路

插座通斷電控制采用5V繼電器控制，由單片機P2.7端口控制,如圖5所示。

圖5 插座通斷電控制電路

■2.5 蜂鳴器控制電路

為了響應按鍵操作及時間終了，本插座設計有蜂鳴器控制電路。采用有源蜂鳴器，由單片機P2.6端口控制。按鍵操作響應采用一聲短鳴聲，時間終了響應采用一聲長鳴聲。

圖6 蜂鳴器控制電路

■2.6 按鍵電路

本插座需要用到4個功能按鍵，分別是S1設置鍵，S2增加鍵，S3減小鍵，S4啟動或停止鍵。選用單片機的P2.0-P2.3四個端口來控制信號的輸入，所以把按鍵開關和P2.0-P2.3口連接起來，當按下相應開關時，相當于給對應的I/O口一個低電平，然后通過單片機實現相應的操作，如圖7所示。

■2.7 直流5V電源電路

電源電路采用傳統的變壓器降壓、橋堆整流、電容濾波電路，再利用三端穩壓芯片LM7805得到5V電源電壓，提供給單片機等相關電路。

圖7 按鍵電路

圖8 直流5V電源電路

3 軟件設計

本插座軟件系統采用模塊化編程，主要包括按鍵掃描程序、74HC595驅動程序、數碼管顯示程序、按鍵處理程序、定時器T0中斷程序及倒計時程序等，其中按鍵掃描程序、倒計時程序及74HC595驅動程序放入定時器T0中斷程序中，定時器T0設置為每500微秒產生一次中斷。主程序中包含按鍵處理程序及數碼管顯示程序。程序流程圖如圖9所示。

圖9 程序流程圖

（1）按鍵掃描程序的主要任務：每500微秒掃描判斷是否有鍵按下，如果有鍵按下，判斷是哪個鍵按下。

（2）倒計時程序的主要任務：對時間進行累加，對分鐘和小時數進行倒計時處理。

（3）74HC595驅動程序的主要任務：每500微秒，單片機通過74HC595芯片把數碼管顯示的段碼和位碼數據傳過去，同時完成數碼管的掃描顯示。

（4）按鍵處理程序的主要任務：當某個鍵按下后，完成相應按鍵所對應功能的處理。

（5）數碼管顯示程序的主要任務：實時更新數碼管顯示數據。

4 結論

本定時插座采用兩組數碼管實時顯示時間，通過4個按鍵實現了所有操控，功能簡單實用。而且定時時間長，方便給需要長時間定時控制的用戶。技工院校學生通過完成這個項目的設計與制作，能極大提升自身專業技能。