单片机的智能插座设计
目 录
一、引言 1
（一） 智能定时开关插座的发展概况 1
（二） 项目主要研究内容 1
（三） 设计任务及要求 2
二、总体方案设计 2
（一）主控芯片的选择 2
（二）AT89C51单片机介绍 3
（三）LCD1602液晶显示器模块 6
三、 智能插座硬件设计 8
（一） 原理图设计 8
（二）51单片机最小系统 8
（三）LCD1602液晶显示器模块设计 9
（四） 按键模块设计 10
（五） 继电器模块 11
四、 智能插座软件设计 11
（一）主程序流程图 11
（二）LCD1602液晶屏显示子程序流程 12
（三）继电器驱动子程序流程图 13
（四）计时子程序流程图 14
（五）蜂鸣器报警子程序流程图 14
（六）A/D转换模块程序流程图 15
总结 16
参考文献 16
致谢 17
附录 原理图 18
附录 PCB图 19
附录 元件清单 21
附录 程序 22
一、引言
（一）智能定时开关插座的发展概况
随着经济的发展与电子技术的进步，智能家居已经被越来越多的人们所关注。智能家居结合了综合布线技术、医疗电子技术、网络通讯技术以及计算机技术等先进科学技术，融入了个性的需求以及满足人体工程学的原理，把家居生活中主要的以及常见的如灯光控制、煤气阀控制、地板 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
采暖、窗帘控制、场景联动、健康保健、安防保安、卫生防疫以及信息家电等子系统合理的整合在一个主系统中，我们可以通过这种网络化的智能管理和控制，展现给用户一种新的生活体验。
智能家居是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，他能够使生活变得更加舒适、节能、智能、安全和便利。其将网络通信技术、综合布线技术、自动控制技术、音视频技术以及智能家居-系统设计方案安全防范技术高密度地集成，以提升家庭日程事务和住宅设施管理系统的高效性为首要目标，实现一种安全舒适并且优雅高调的家居生活，其对节能环保的概念也有阐述。
本文设计的智能插座也是属于智能家居的一部分，因为它融入了控制系统，能够实时地对家用电源进行管理。目前国外对智能插座的研究已经非常深入，大多采用多传感器的智能感控技术，将各种功能的小型传感器安装在智能插座的表面或者内部，通过对环境中的光照强度、温度、湿度以及供电电源的电压、波纹以及频率等相关参数进行采集，将数据传给嵌入在保护仪内部的微处理机进行处理，从而实现对插座的实时管理，对电器的保护起到重要作用。而在国内，对于智能插座的研究也渗入了各个高等院校，由于单片机以及智能技术在中国的普及，对于设计一种简单有效的智能插座已经不是难事。
（二）项目主要研究内容
本文主要设计一款基于51单片机作为控制核心的智能插座。由于我国的家用电器对供电电压都有要求，通常为220V左右，因此如果当供电不正常时，比如电压过高时，很容易损坏电器；而电压过低时，电器几乎很难正常工作，所以本文设计的这款智能插座能够实时地对供电电压进行监测，当电压高于280V或者低于180V时，控制系统能够立即将插座断电，从而实现对家用电器的实时保护。另外，本智能插座还融入了定时管理功能，可以再无人干预的情况下，插座在控制芯片的管理下能够定时完成启闭动作，这节省了大量的人为劳动，从而为家居生活带来了便利。本系统能够在220V电压下工作，也可以直接由两节干电池供电，因此其功耗非常低。
（三）设计任务及要求
设计一款具有过压欠压保护并且具有定时功能的智能插座，实现下列功能：
1.基本要求：当供电电压超过280V或者低于180V时能够立即切断插座电源，并且通过蜂鸣器进行报警。
2.能够通过液晶显示器对插座电压及插座工作状态进行显示。
3.具有定时功能，可根据用户要求自行设定插座启闭时间。
二、总体方案设计
（一）主控芯片的选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，DSP处理器顾名思义就是处理数字信号的处理器，它主要是将信号从模拟域变换到数字域后，通过一系列的算法将信号进行处理，处理之后在进过DA模块将数字信号变换回模拟信号，这就是DSP处理器工作的基本流程。TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。另外其开发资料片目前较少，不利于系统的开发。
方案二：采用FPGA或者CPLD芯片作为控制核心，FPGA就是可编程现场门阵列的英文名称，它是随着超大规模集成电路技术发展的一个产物，内部集成了上百万门逻辑器件，通常用VHDL或者Verilog语言对他进行描述，它是一种硬件电路。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的智能插座控制系统对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
方案三：采用51单片机作为控制核心，配合片外结合LCD1602液晶显示器、AD0809模数转换器、继电器模块、振荡电路模块以及复位电路模块等部分而构成本智能插座控制系统，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述三个方案的分析，可以发现采用DSP作为主控芯片时有一种大材小用的感觉，不但其高速地处理速度得不到应用，并且其内部丰富的资源也将被浪费；而采用FPGA或者CPLD时，其上百M的主频无疑会使得保护仪的稳定性下降；而51单片机不但性能稳定，其成本也是本次设计所能接受的，因此本次设计采用方案三作为智能插座控制系统的最终设计方案。
（二）AT89C51单片机介绍
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器 的单片机，它是一种能在低电压场合工作的高性能CMOS类型的8位处理器。它内部集成的只读存储器具有高达1000多次的可擦除性，这样好的性能使得它非常适合学生做实验。另外这种类型的单片机已经采用了高密度的非易失储存器的制造技术，AT89C51单片机的通用IO管脚能够和工业上广泛采用的MCS-51类型的指令集能够完美兼容。ATMEL公司研发的这种高效率的微控制器将FLASH和性能强大的8位CPU集成在一个芯片里使得它在嵌入式领域有着广泛的应用。常用的AT89C2051型单片机是AT89C51单片机的精简版本。基于上述的特点，在很多嵌入式场合，AT89C51单片机正在发挥着越来越多的作用。DIP-40封装类型AT89C51单片机的芯片引脚图如图1所示：
一、引言 1
（一） 智能定时开关插座的发展概况 1
（二） 项目主要研究内容 1
（三） 设计任务及要求 2
二、总体方案设计 2
（一）主控芯片的选择 2
（二）AT89C51单片机介绍 3
（三）LCD1602液晶显示器模块 6
三、 智能插座硬件设计 8
（一） 原理图设计 8
（二）51单片机最小系统 8
（三）LCD1602液晶显示器模块设计 9
（四） 按键模块设计 10
（五） 继电器模块 11
四、 智能插座软件设计 11
（一）主程序流程图 11
（二）LCD1602液晶屏显示子程序流程 12
（三）继电器驱动子程序流程图 13
（四）计时子程序流程图 14
（五）蜂鸣器报警子程序流程图 14
（六）A/D转换模块程序流程图 15
总结 16
参考文献 16
致谢 17
附录 原理图 18
附录 PCB图 19
附录 元件清单 21
附录 程序 22
一、引言
（一）智能定时开关插座的发展概况
随着经济的发展与电子技术的进步，智能家居已经被越来越多的人们所关注。智能家居结合了综合布线技术、医疗电子技术、网络通讯技术
采暖、窗帘控制、场景联动、健康保健、安防保安、卫生防疫以及信息家电等子系统合理的整合在一个主系统中，我们可以通过这种网络化的智能管理和控制，展现给用户一种新的生活体验。
智能家居是以住宅为平台安装有智能家居系统
本文设计的智能插座也是属于智能家居的一部分，因为它融入了控制系统，能够实时地对家用电源进行管理。目前国外对智能插座的研究已经非常深入，大多采用多传感器的智能感控技术，将各种功能的小型传感器安装在智能插座的表面或者内部，通过对环境中的光照强度、温度、湿度以及供电电源的电压、波纹以及频率等相关参数进行采集，将数据传给嵌入在保护仪内部的微处理机进行处理，从而实现对插座的实时管理，对电器的保护起到重要作用。而在国内，对于智能插座的研究也渗入了各个高等院校，由于单片机以及智能技术在中国的普及，对于设计一种简单有效的智能插座已经不是难事。
（二）项目主要研究内容
本文主要设计一款基于51单片机作为控制核心的智能插座。由于我国的家用电器对供电电压都有要求，通常为220V左右，因此如果当供电不正常时，比如电压过高时，很容易损坏电器；而电压过低时，电器几乎很难正常工作，所以本文设计的这款智能插座能够实时地对供电电压进行监测，当电压高于280V或者低于180V时，控制系统能够立即将插座断电，从而实现对家用电器的实时保护。另外，本智能插座还融入了定时管理功能，可以再无人干预的情况下，插座在控制芯片的管理下能够定时完成启闭动作，这节省了大量的人为劳动，从而为家居生活带来了便利。本系统能够在220V电压下工作，也可以直接由两节干电池供电，因此其功耗非常低。
（三）设计任务及要求
设计一款具有过压欠压保护并且具有定时功能的智能插座，实现下列功能：
1.基本要求：当供电电压超过280V或者低于180V时能够立即切断插座电源，并且通过蜂鸣器进行报警。
2.能够通过液晶显示器对插座电压及插座工作状态进行显示。
3.具有定时功能，可根据用户要求自行设定插座启闭时间。
二、总体方案设计
（一）主控芯片的选择
方案一：采用DSP芯片作为控制核心，DSP处理器顾名思义就是处理数字信号的处理器，它主要是将信号从模拟域变换到数字域后，通过一系列的算法将信号进行处理，处理之后在进过DA模块将数字信号变换回模拟信号，这就是DSP处理器工作的基本流程。TI公司生产的TMS320F28335芯片性能优良，片内集成了大量的常用模块，如16路AD采样通道以及高精准的PWM输出，是工控领域的新型宠儿，然而其成本较高，对于此次的设计来说，无疑增加额外的负担，并且TMS320F28335的优秀性能用在本次设计中时大材小用。另外其开发资料片目前较少，不利于系统的开发。
方案二：采用FPGA或者CPLD芯片作为控制核心，FPGA就是可编程现场门阵列的英文名称，它是随着超大规模集成电路技术发展的一个产物，内部集成了上百万门逻辑器件，通常用VHDL或者Verilog语言对他进行描述，它是一种硬件电路。FPGA的显著特点是速度远高于单片机，其主频动辄上百M的速度，是数字信号处理的首选，然而本次设计的智能插座控制系统对于处理速度没有过高的要求，并且考虑到过高的数字信号会给整体系统带来不稳定性，使最终的设计可靠性得不到保障。
方案三：采用51单片机作为控制核心，配合片外结合LCD1602液晶显示器、AD0809模数转换器、继电器模块、振荡电路模块以及复位电路模块等部分而构成本智能插座控制系统，由于51单片机再业界内已经具备了相当成熟的开发技术并且开发资料丰富，对于完成本次毕业设计是绝对有利的，另外该方案成本低廉，模块分明并且稳定性强。
综合上述三个方案的分析，可以发现采用DSP作为主控芯片时有一种大材小用的感觉，不但其高速地处理速度得不到应用，并且其内部丰富的资源也将被浪费；而采用FPGA或者CPLD时，其上百M的主频无疑会使得保护仪的稳定性下降；而51单片机不但性能稳定，其成本也是本次设计所能接受的，因此本次设计采用方案三作为智能插座控制系统的最终设计方案。
（二）AT89C51单片机介绍
ATMEL公司出产的AT89C51是一种带4K字节
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