基于单片机的电源控制系统设计
基于单片机的电源控制系统设计[20191215142019]
摘 要
在银行自助服务系统中对各设备的工作时间要求各不相同，有的要求24小时工作，有的只需要12小时或者更短的时间段，同时，对于节假日和周末又和工作日的服务时间有所不同。这就要求有一种设备能自由地控制各个设备的开关机时间。为此，我们考虑设计出一种电源控制方案。
本文介绍的这个电源控制方案其主要功能包含定时开关电源、实时时钟、参数保存、在线设置和在线升级等功能。主项目是一款软硬件相结合的产品，主芯片拟采用基于8051内核的W78E052D芯片，实时时钟芯片采用DS1307芯片，用AT24C02来保存设置的参数，同时包含电源转换、继电器控制、RS232电平转换电路、AD/DC电源转换、看门狗电路等部分。在软件设计方面利用C语言进行程序设计，采用模块化编程和结构化编程方式，主要是实现与主机通过串口进行通讯、主机通过串口下载设置参数、将设置好的参数写入EEPROM以及达到设置条件后对电源进行控制等功能。
本文方案中所设计的电源控制器硬件结构简单、保护功能比较完善、成本较低，同时具有升级空间。通过本文的研究，可以深刻体会到电源控制器的经济实用、节能与便捷。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电源控制;W78E052D芯片；继电器控制；实时时钟;串口通信
Keywords : power supply controller; W78E052D chip; relay control; real-time clock; serial port communication目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 需求分析 2
1.2.1 系统功能分析 2
1.2.2 可行性分析 3
1.2.3 系统开发环境分析 3
1.3 研究的主要内容及其应用 4
第2章 总体方案设计 5
2.1 芯片的比较与选择 5
2.1.1 单片机的选择 5
2.1.2 时钟芯片的选择 5
2.1.3 寄存器的选择 5
2.1.4 继电器的选择 6
2.2 总体设计与系统原理 7
第3章 系统硬件设计。 9
3.1 单片机部分 9
3.1.1 8051的结构特点 9
3.1.2 8051的芯片引脚 9
3.1.3 计数/定时器控制寄存器TCON 12
3.1.4 串行口控制寄存器SCON 13
3.1.5 中断允许寄存器IE 13
3.1.6 单片机最小系统 14
3.2 时钟芯片部分 16
3.3 寄存器部分 20
3.3.1 AT24C02的主要特性： 20
3.3.2 引脚配置 20
3.4 继电器模块 21
3.4.1 电源 21
3.4.2 继电器电路 22
3.5 通信模块 22
3.6 PCB的设计 23
第4章 系统软件设计 26
4.1 编程语言的选择 26
4.2 时钟芯片读操作流程 27
4.3 通信模块流程 28
第5章 系统调试 32
5.1 软件调试 32
5.1.1 ISP-ICP 32
5.1.2串口调试 34
5.1.3 程序运行仿真 36
5.2 硬件调试 37
5.3 系统调试 37
第6章 总结与展望 39
参考文献 40
致 谢 42
附 录A 外文文献 43
附 录B 中文翻译 54
第1章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
在这个商业经济高度繁荣的社会，大众对生活水平和公共服务的要求益发的提高，电力资源作为保障人们生活质量的能源之一，已经在人们生产和生活的方方面面得到运用，其需求量呈现爆炸式的增长形势。作为国家的电力部门，一直在改进电路和增加发电机组来保证人们用电，但是对于某些特殊的情况，例如持续高温环境和煤炭缺乏，往往还会发现“电荒”。在这种环境下，合理用电、节约能源成为社会的主题。对于个人或家庭而言，可以通过提倡使用节能家电、收取电费等手段来促使节约用电，但是，对于规范公共设施的用电这些措施的作用却微乎其微。基于此种背景，本课题研究设计了一款适用于银行自助服务系统的电源控制系统。
经济的飞速发展、生活节奏的加快，使得人们对金融自助服务系统的依赖性逐日增强，购物、商业贸易交流等一系列支付问题都可以在这一自助服务系统中得到解决。人们从传统的“面对面”交易模式逐渐地转变成网络时代的“face to machine to face”。这种由柜台人工服务到自助服务的转变，不仅增加了银行业务和服务渠道，给柜面减压，同时，柜台顾客长时间拿号码牌焦急排长队的情况越来越少，ATM机无疑是给人们的生活带来了很大的便利。ATM机作为一种人机交换平台，拥有独立的界面，配套的数据库，以及相关的输入和输出设备。集机械系统和电力，网络于一体的ATM终端设备，可以进行通信，能够进行实时操作，拥有着庞大的功能。在计算机的辅助下，银行的业务可以涉及的更加全面，确保客户得到优质的服务体验，使的自助式服务向着更加人性化和系统化发展。竞争促进发展，作为关乎国家经济命脉的金融业，其竞争环境尤其激烈。各大银行为了经济利益最大化，纷纷进行系统优化和技术革新。结合电力资源的现状和国家对电力资源的方针政策，银行把目光聚集到电源控制系统上。
电源为ATM机的正常运转提供了所需要的电能，是ATM机非常重要组成部分之一。电源控制系统可以根据ATM机工作服务时间段的不同要求，进行分组设置，如周一至周四设置工作时间为早上8点到晚上11点，周五至周日则设工作时间为早上9点到晚上12点。对于本设计而言，ATM工作时间段的设置或改变可通过串口给单片机发送命令，将新的时间参数写入寄存器中。电源控制系统也应设置一些应急状况处理机制，例如设备进水，可以强制关机，从而避免设备大范围的受损或毁坏。
如今银行自助服务系统对各设备工作时间的要求有所不同：有的要求24小时工作，有的只需要12小时或者更短的时间段[1]。传统的人工监控电源浪费人力资源，应对突发状况滞后，同时，24小时连续供电则会造成能源的浪费，所以智能化电源控制系统的很有市场，拥有广阔的发展和应用前景。
另一方面，微型计算机的应用早已渗透到生产和生活的方方面面。单片微型计算机的销售额以每年近80%的速率增长，这源于它的高性价比：体积小、质量优、价格廉、功能强。日常生产和生活中单片机在许多方面都被广泛应用，诸如，家庭定时烤箱，LED滚动屏，温度检测等。而单片机在控制与管理作息时间方面的应用，则是实现了其智能化，克服了传统的人工监控方式不便的缺点，成为当今时代不可或缺的系统设备。
本文描述的电源控制系统正是单片机集成化的一个典型应用。而这项设计通过对时间的检测对比，由单片机8051来控制继电器的驱动间接控制银行自助服务终端设备的开关机状态，使其变得智能化，在最大限度地便利他人的同时，达到节约用电的目的。
1.2 需求分析
1.2.1 系统功能分析
本文介绍的电源管理系统主要由三个部分组成：单片机硬件电路部分、程序控制软件部分和仿真部分。电源由定电压模块220V交流电经过2.5W的变压器转变9V的交流电，然后9V的交流电经过整流电路变成12V的直流电，最后由基于 7805的稳压电路转变成5V的直流电，分别为各部分电路提供电源。程序控制软件部分主要包括主函数，继电器控制函数，时钟检测函数，和串口函数。硬件电路部分则分成了五个模块：单片机最小系统，继电器模块，时钟芯片DS1307、AT24C02，以及通信模块。实时时钟随时与CPU进行数据通信，将DS1307内部时钟信息与已写入存储在AT24C02中的时间参数进行比较，当初始化时间信息时，到达AT24C02中相应时间后，单片机通过P1.2引脚发送一个高/低电平信号给光电耦合器，从而使得继电器做出相应电源控制。系统中时钟一直是运行的，当达到另外一个设置的时间时，单片机再次发送一个高/低电平信号，这时继电器再次作出相应的电源控制。
1.2.2 可行性分析
本文分别从安全性与经济性来对设计方案进行分析：
（1）安全性
本设计采用的是12V的固态继电器JGX-5F，具有短路保护、过载保护和过热保护等功能，在其输入端用微小的控制信号驱动大电流负载，控制端与负载端的隔离，这样就保证了用户的安全性。
串行时钟DS1307芯片是一种低功耗、高性能的实时时钟芯片，具有非易失性RAM全BCD码时钟日历。两线双向的串行总线的作用则是，传输数据与地址[6]。DS1307能够显示年、月、日、星期、小时、分钟、秒七个特征值，也能自适应调节每一个月的天数，且附带闰年补偿性能。并行实时芯片往往使得电路结构复杂，而DS1307能灵活地与单片机接口，这一难题迎刃而解。DS1307时钟芯片的AM/PM 标志位决定了时钟是工作于24小时或是12小时模式，而内置的电源感应电路，则能实现电池切换和掉电检测功能，即在电路掉电后可以继续计时。这种电路恢复供电之后勿需校正时间的特性在本项设计中尤为重要。
（2）经济性
本设计采用价格较为低廉的单片机8051作为主要芯片，这使得本设计的成本大大降低，能够让一般经济状况的中小型用户能够使用得到，从而为人们的生活和生产带来很多便捷。本文描述的电源管理控制系统既智能又节能，经济可行性很高。
1.2.3 系统开发环境分析
本系统由硬件和软件两部分共同组成，共同实现特定功能。
（1）硬件部分：Protel 99SE 仿真软件
Protel 99SE是由Protel公司研发的、时下较为流行的电路设计EDA软件，它对计算机的配置要求不是很高，同时又能设计出一般的电路设计，所以，Protel 99SE的功能足以满足普通用户的要求。通过Protel 99SE软件，用户可以在PC机上轻松完成从电路的构思到搭接电路原理图，从仿真调试到确定元器件参数，最后直到生成所需要的PCB板图。Protel 99SE的特点是能够使电路图的设计变得简单、快捷，即使是普通的电子爱好者或者是初学者也能够绘制出高质高量的PCB板。
（2）软件部分：Keil uVision4 编译软件
Keil软件提供功能强大的集成开发调试工具，及丰富齐全的库函数。全Windows界面[2]。另外重要的一点，Keil 生成的目标代码效率非常之高，看一下编译之后生成的汇编代码就能明显感受得到这一优点。多数语句生成的汇编代码也非常紧凑，很容易理解。在开发大型软件时，高级语言的优势尽显无疑。
1.3 研究的主要内容及其应用
在本设计中，将想要设置的开机时间和关机时间参数写入AT24C02中，初始化DS1307的时间信息，即设定时钟时间。单片机引脚P1.3、P1.4分别与DS1307和AT24C02的SCL、SDA引脚相连。当实时到达寄存在AT24C02的开机时间后，单片机的P1.2（CTR）引脚给光电耦合器发送一个低电平信号，使得光电耦合器导通，12V的直流电驱动继电器，对连接的外部设备进行电源控制，从而达到对外部设备开机的控制。同理，当实时达到已设置的关机时间后，单片机通过P1.2引脚发送一个高电平信号，光电耦合器截止，继电器无法驱动，从而实现对外部设备的关机控制。同时，可以根据需要，主机通过串口实现对当前时间和开关机时间的一个在线设置和在线升级的功能。
摘 要
在银行自助服务系统中对各设备的工作时间要求各不相同，有的要求24小时工作，有的只需要12小时或者更短的时间段，同时，对于节假日和周末又和工作日的服务时间有所不同。这就要求有一种设备能自由地控制各个设备的开关机时间。为此，我们考虑设计出一种电源控制方案。
本文介绍的这个电源控制方案其主要功能包含定时开关电源、实时时钟、参数保存、在线设置和在线升级等功能。主项目是一款软硬件相结合的产品，主芯片拟采用基于8051内核的W78E052D芯片，实时时钟芯片采用DS1307芯片，用AT24C02来保存设置的参数，同时包含电源转换、继电器控制、RS232电平转换电路、AD/DC电源转换、看门狗电路等部分。在软件设计方面利用C语言进行程序设计，采用模块化编程和结构化编程方式，主要是实现与主机通过串口进行通讯、主机通过串口下载设置参数、将设置好的参数写入EEPROM以及达到设置条件后对电源进行控制等功能。
本文方案中所设计的电源控制器硬件结构简单、保护功能比较完善、成本较低，同时具有升级空间。通过本文的研究，可以深刻体会到电源控制器的经济实用、节能与便捷。
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关键字:电源控制;W78E052D芯片；继电器控制；实时时钟;串口通信
Keywords : power supply controller; W78E052D chip; relay control; real-time clock; serial port communication目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景与意义 1
1.2 需求分析 2
1.2.1 系统功能分析 2
1.2.2 可行性分析 3
1.2.3 系统开发环境分析 3
1.3 研究的主要内容及其应用 4
第2章 总体方案设计 5
2.1 芯片的比较与选择 5
2.1.1 单片机的选择 5
2.1.2 时钟芯片的选择 5
2.1.3 寄存器的选择 5
2.1.4 继电器的选择 6
2.2 总体设计与系统原理 7
第3章 系统硬件设计。 9
3.1 单片机部分 9
3.1.1 8051的结构特点 9
3.1.2 8051的芯片引脚 9
3.1.3 计数/定时器控制寄存器TCON 12
3.1.4 串行口控制寄存器SCON 13
3.1.5 中断允许寄存器IE 13
3.1.6 单片机最小系统 14
3.2 时钟芯片部分 16
3.3 寄存器部分 20
3.3.1 AT24C02的主要特性： 20
3.3.2 引脚配置 20
3.4 继电器模块 21
3.4.1 电源 21
3.4.2 继电器电路 22
3.5 通信模块 22
3.6 PCB的设计 23
第4章 系统软件设计 26
4.1 编程语言的选择 26
4.2 时钟芯片读操作流程 27
4.3 通信模块流程 28
第5章 系统调试 32
5.1 软件调试 32
5.1.1 ISP-ICP 32
5.1.2串口调试 34
5.1.3 程序运行仿真 36
5.2 硬件调试 37
5.3 系统调试 37
第6章 总结与展望 39
参考文献 40
致 谢 42
附 录A 外文文献 43
附 录B 中文翻译 54
第1章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
在这个商业经济高度繁荣的社会，大众对生活水平和公共服务的要求益发的提高，电力资源作为保障人们生活质量的能源之一，已经在人们生产和生活的方方面面得到运用，其需求量呈现爆炸式的增长形势。作为国家的电力部门，一直在改进电路和增加发电机组来保证人们用电，但是对于某些特殊的情况，例如持续高温环境和煤炭缺乏，往往还会发现“电荒”。在这种环境下，合理用电、节约能源成为社会的主题。对于个人或家庭而言，可以通过提倡使用节能家电、收取电费等手段来促使节约用电，但是，对于规范公共设施的用电这些措施的作用却微乎其微。基于此种背景，本课题研究设计了一款适用于银行自助服务系统的电源控制系统。
经济的飞速发展、生活节奏的加快，使得人们对金融自助服务系统的依赖性逐日增强，购物、商业贸易交流等一系列支付问题都可以在这一自助服务系统中得到解决。人们从传统的“面对面”交易模式逐渐地转变成网络时代的“face to machine to face”。这种由柜台人工服务到自助服务的转变，不仅增加了银行业务和服务渠道，给柜面减压，同时，柜台顾客长时间拿号码牌焦急排长队的情况越来越少，ATM机无疑是给人们的生活带来了很大的便利。ATM机作为一种人机交换平台，拥有独立的界面，配套的数据库，以及相关的输入和输出设备。集机械系统和电力，网络于一体的ATM终端设备，可以进行通信，能够进行实时操作，拥有着庞大的功能。在计算机的辅助下，银行的业务可以涉及的更加全面，确保客户得到优质的服务体验，使的自助式服务向着更加人性化和系统化发展。竞争促进发展，作为关乎国家经济命脉的金融业，其竞争环境尤其激烈。各大银行为了经济利益最大化，纷纷进行系统优化和技术革新。结合电力资源的现状和国家对电力资源的方针政策，银行把目光聚集到电源控制系统上。
电源为ATM机的正常运转提供了所需要的电能，是ATM机非常重要组成部分之一。电源控制系统可以根据ATM机工作服务时间段的不同要求，进行分组设置，如周一至周四设置工作时间为早上8点到晚上11点，周五至周日则设工作时间为早上9点到晚上12点。对于本设计而言，ATM工作时间段的设置或改变可通过串口给单片机发送命令，将新的时间参数写入寄存器中。电源控制系统也应设置一些应急状况处理机制，例如设备进水，可以强制关机，从而避免设备大范围的受损或毁坏。
如今银行自助服务系统对各设备工作时间的要求有所不同：有的要求24小时工作，有的只需要12小时或者更短的时间段[1]。传统的人工监控电源浪费人力资源，应对突发状况滞后，同时，24小时连续供电则会造成能源的浪费，所以智能化电源控制系统的很有市场，拥有广阔的发展和应用前景。
另一方面，微型计算机的应用早已渗透到生产和生活的方方面面。单片微型计算机的销售额以每年近80%的速率增长，这源于它的高性价比：体积小、质量优、价格廉、功能强。日常生产和生活中单片机在许多方面都被广泛应用，诸如，家庭定时烤箱，LED滚动屏，温度检测等。而单片机在控制与管理作息时间方面的应用，则是实现了其智能化，克服了传统的人工监控方式不便的缺点，成为当今时代不可或缺的系统设备。
本文描述的电源控制系统正是单片机集成化的一个典型应用。而这项设计通过对时间的检测对比，由单片机8051来控制继电器的驱动间接控制银行自助服务终端设备的开关机状态，使其变得智能化，在最大限度地便利他人的同时，达到节约用电的目的。
1.2 需求分析
1.2.1 系统功能分析
本文介绍的电源管理系统主要由三个部分组成：单片机硬件电路部分、程序控制软件部分和仿真部分。电源由定电压模块220V交流电经过2.5W的变压器转变9V的交流电，然后9V的交流电经过整流电路变成12V的直流电，最后由基于 7805的稳压电路转变成5V的直流电，分别为各部分电路提供电源。程序控制软件部分主要包括主函数，继电器控制函数，时钟检测函数，和串口函数。硬件电路部分则分成了五个模块：单片机最小系统，继电器模块，时钟芯片DS1307、AT24C02，以及通信模块。实时时钟随时与CPU进行数据通信，将DS1307内部时钟信息与已写入存储在AT24C02中的时间参数进行比较，当初始化时间信息时，到达AT24C02中相应时间后，单片机通过P1.2引脚发送一个高/低电平信号给光电耦合器，从而使得继电器做出相应电源控制。系统中时钟一直是运行的，当达到另外一个设置的时间时，单片机再次发送一个高/低电平信号，这时继电器再次作出相应的电源控制。
1.2.2 可行性分析
本文分别从安全性与经济性来对设计方案进行分析：
（1）安全性
本设计采用的是12V的固态继电器JGX-5F，具有短路保护、过载保护和过热保护等功能，在其输入端用微小的控制信号驱动大电流负载，控制端与负载端的隔离，这样就保证了用户的安全性。
串行时钟DS1307芯片是一种低功耗、高性能的实时时钟芯片，具有非易失性RAM全BCD码时钟日历。两线双向的串行总线
（2）经济性
本设计采用价格较为低廉的单片机8051作为主要芯片，这使得本设计的成本大大降低，能够让一般经济状况的中小型用户能够使用得到，从而为人们的生活和生产带来很多便捷。本文描述的电源管理控制系统既智能又节能，经济可行性很高。
1.2.3 系统开发环境分析
本系统由硬件和软件两部分共同组成，共同实现特定功能。
（1）硬件部分：Protel 99SE 仿真软件
Protel 99SE是由Protel公司研发的、时下较为流行的电路设计EDA软件，它对计算机的配置要求不是很高，同时又能设计出一般的电路设计，所以，Protel 99SE的功能足以满足普通用户的要求。通过Protel 99SE软件，用户可以在PC机上轻松完成从电路的构思到搭接电路原理图，从仿真调试到确定元器件参数，最后直到生成所需要的PCB板图。Protel 99SE的特点是能够使电路图的设计变得简单、快捷，即使是普通的电子爱好者或者是初学者也能够绘制出高质高量的PCB板。
（2）软件部分：Keil uVision4 编译软件
Keil软件提供功能强大的集成开发调试工具，及丰富齐全的库函数。全Windows界面[2]。另外重要的一点，Keil 生成的目标代码效率非常之高，看一下编译之后生成的汇编代码就能明显感受得到这一优点。多数语句生成的汇编代码也非常紧凑，很容易理解。在开发大型软件时，高级语言的优势尽显无疑。
1.3 研究的主要内容及其应用
在本设计中，将想要设置的开机时间和关机时间参数写入AT24C02中，初始化DS1307的时间信息，即设定时钟时间。单片机引脚P1.3、P1.4分别与DS1307和AT24C02的SCL、SDA引脚相连。当实时到达寄存在AT24C02的开机时间后，单片机的P1.2（CTR）引脚给光电耦合器发送一个低电平信号，使得光电耦合器导通，12V的直流电驱动继电器，对连接的外部设备进行电源控制，从而达到对外部设备开机的控制。同理，当实时达到已设置的关机时间后，单片机通过P1.2引脚发送一个高电平信号，光电耦合器截止，继电器无法驱动，从而实现对外部设备的关机控制。同时，可以根据需要，主机通过串口实现对当前时间和开关机时间的一个在线设置和在线升级的功能。
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