基于单片机的简易智能定时电源开关

文/刘艳竹

智能家居是通过网络技术和硬件服务协同合作，将电子产品接入互联网，实现个性化的自定义操作。智能设备是常见设备安装了更复杂的计算机处理系统，以实现提供更多功能。有线宽带、DSL、蓝牙和无线技术提供了一种接入方法使家庭联网，并使设备能够相互通信以及接入互联网，这些技术为智能家居的运营奠定了基础。对于家电而言，可以通过智能供电达到一定的智能管理。例如，家庭的空调若可以独立来设置开启和关闭的时间，便可大幅减少用电量、节约电能。智能电源定时开关不仅可以广泛应用于家用电器、仪器仪表、航空航天、医用设备、专用设备的智能化管理以及过程控制等多个领域。此外，还为各个领域的发展做出了贡献，其不仅体积小、重量轻，且电源效率较高，效率甚至可达90%以上。

智能电源定时开关的高效率不仅节省了大量材料且还节省了电能，给人们的生活带来了便利。因此，高效率的定时开关电源成为了各种设备可靠工作的重要保障。

1 系统分析与框架设计

1.1 研究目标

智能定时电源开关是智能家居控制系统的基础组成部分，同时也是高效能源利用网络的组成部分之一。在家庭设备的自动监控、控制和数据采集上，通过对电路系统中部分组件供电电源进行智能开合控制，是对家庭设备实现智能控制的一种简易部署方式。

（2）照明设备、取暖设备、制冷设备的个性化控制，让户主进屋之后减少等待时间。

（3）起居室幕帘的自动控制，伴随着主人以及当地日照的信息，智能打开/关闭幕帘。

可以发现，针对智能家居的定时管理，智能供电是其中较为基础的模块与实现方法。因此，本文围绕此设计简易的定时电源开关系统。所设计的系统具有自动复位和多点中断等特性，同时还提供多种定时模式：设置间隔时间和设置定点循环。

1.2 基本内容

本设计研究的主要内容是，智能定时电源开关的定时功能。

对于硬件电路主要由以下部件构成：STC8952系列单片机、74HC573锁存器、数码管、8550三极管、继电器。单片机在定时终端点，触发中断信号。在单片机引脚输出的电压基础下，导通8550三极管。三极管输出大电压，驱动继电器完成吸合操作。在继电器工作时，通过继电器的吸合将电路导通或者断开，完成对电路电源的智能化控制，在电路设计中，数码管用来显示时间。

同时，系统具有自动复位特性，用于实现无限循环倒计时的功能。根据用户指定的定时模式，系统将用户指定的时间转化为距离到此刻时间的秒数，然后将此数值设定为倒计时初始时间。当倒计时时刻到10 s时，电路进入触发准备状态。当到达0 s时关闭，然后再继续下一轮的倒计时。

模板工程为保证工程实施的有效性，完成工程施工后需及时拆卸模板。构建模板时应选用简单易拆的材料，在进行模板设计前应明确施工技术，严格按照施工方案进行安装。采用机械安装的方式可加强模板的稳固性。各部分材料形成完整的平面，以便模板自由安装组合。

1.3 设计框架

图1：系统结构图

图2：系统主程序图

图3：数码管显示电路

根据惯例采用STC89C52RC单片机芯片，通过+5 V标准电源电压为系统提供供电支持，同时利用单片机的其他管脚设计外围扩展电路。对于端口连接上，一方面8550三极管与继电器构成一个端口的连接电路；另一端通过74HC573锁存器与数码管相连，通过数码管显示时间完成可视化操作。当倒计时周期结束，继电器断电，电路物理断开以达到节能的目的。此外，为了可以快速展示本次设计的效果，本设计采用了60 s倒计时为标准。同时还进行了电路的仿真，通过Proteus画出了硬件电路连接图。最终，根据设计方案来做出相应实物。

图4：继电器控制电路

图5：晶振电路

图6：芯片型号的选择

图7：源程序的输入

图8：编译生成hex文件

图9：定时55秒仿真图

智能定时电源开关设计的硬件电路的核心芯片是一个STC89C52RC单片机，其模块数码管是60s循环倒计时显示。继电器控制电路是含源时间显示电路，其中使用的数码管为两位一体共阴极数码管，数码管由两个相同的74HC573锁存器来驱动。同时，电路采用PNP型三极管作为继电器的驱动部件。

在本次软件设计中，主程序是在单片机的操控下进行60s循环倒计时。当时间倒计时达到10s时，此时继电器有电流流过接着接通被控电源电路。被控电路指示灯亮，同时蜂鸣器报警。当倒计时达到0s时，继电器没有电流流过接着断开被控电源电路，被控电路指示灯熄灭。此时，时间又开始从60s倒计时，电路进行自动触发和归位循环操作。

本文采用STC89C52RC为核心的单片机控制方案系统结构图，如图1所示。

智能定时电源开关的主程序图，如图2所示。

2 系统设计

2.1 硬件模块设计

数码管显示电路，如图3所示包括：两个573锁存器的IO口连接P0.0～P0.7对应锁存器D0～D7；数码管的段ABCDEFGH对应着74HC573-1芯片；数码管的两个位选端对应着74HC573-2芯片；P2.6端接74HC573-1控制段选信号；P2.7端接74HC573-2控制位选信号。

数码管显示电路根据用户选择的定时模式，转换生成需要定时的时间间隔，然后对电路计时进行可视化显示。在每一次电路定时完成之后，复位电路会重新对时间计算，将新的显示数据发送给显示电路。

继电器控制电路，如图4所示。包括PNP数码管用于驱动继电器控制外接含电源电路，这是明显的继电器驱动电路。图4中三极管8550有两个作用，一是利用方法器的极限情况，充当开关的功能；另一个则是放大作用，电路中基极处接的是单片机的P3.2口。当该口给出高电平时，三极管起到了放大的作用，并处于导通状态。电路导通之后，继电器获取到足够的电力供应便可正常工作。当给出低电平时，继电器因没有电流流过而不工作，三极管处于不停滞状态。灯泡则用来指示继电器是处于导通（灯亮）状态还是处于断开状态（灯灭）。

继电器电路在本系统中，通过与单片机中断联合，实现对定时信号的响应。继电器工作需要大电压驱动，因此单片机直接控制的是继电器的驱动三极管。通过对驱动三极管的控制，完成对继电器的控制。

晶振电路，如图5所示，包括：在单片机系统中，晶振的作用较大。单片机运行速度与晶振频率成正比，由于单片机执行的一切指令基本上均是建立在晶振所提供的晶振频率基础之上的，因此单片机的晶振几乎相当于微型系统的心脏，为系统提供了基本的时钟信号。而确定的时钟信号，有利于各部分保持时序同步。

晶振电路提供系统的最小时间单元。在计时电路中，保证最小时间单元的稳定，是计时电路稳定工作的前提先决条件。在本电路中，采用12 MHz晶振，将固定的机器周期与时钟周期进行换算，可以得到稳定的最小时间间隔输出。单片机的定时，实质就是对定时的时间除以最小时间隔，得到一个计数值。在每个时钟周期内单片机进行计数，在计数满足计数值时，进行电路触发，完成中断操作。

2.2 软件模块设计

（1）KEIL工程的建立。如下操作在KEIL中完成，打开文件选择按钮，选择相应的单片机型号，可以看到如图6所示。

（2）源程序的输入。在文本编辑器中输入源程序，如图7所示。

选择设置好的工程后，进行程序编辑，软件会编译生成Hex的文件。通过串口传输该文件到芯片中，芯片便可执行指定的功能，如图8所示。

（3）硬件电路的仿真图，如图9所示。

（4）系统测试分析。系统调试：为了安全起见，首先要进行断电测试，用万用表来检测系统是否存在短路现象，然后检查原理是否正确。经过检验，原理无误且没有短路现象。随后再在电路板上按照电路原理图将控制电路的部分进行连接，首先确定电路板、导线能否正常使用。测试每个电阻的阻值是否符合设计方案的最初要求，最后测试所有的晶体管与二极管的导通性能。

在确定了所有的器件能够正常工作使用时，再根据电路原理图将其连接起来。连接完电路之后，再用万用表测量与地相连的部分是否可以导通，以及每个部分电路的连接是否正确。当确定连接正常后，再打开电源开关。将已经编好的程序下载到STC89C52RC单片机中，进行逐句测试语句。在测试过程中，根据测试中遇到的问题，进行逐一修改。且对程序逻辑进行调整，节省单片机内存。此次设计的电源用的是电池盒电源，加入两节五号电池，用插头插入电路板中的插座，本系统便可自动复位。

3 结束语

本智能定时电源开关的设计，在实际应用测试中，基本满足简易的电器智能控制要求。

系统采用了STC52系列单片机来控制电路，实现了能定时给电器供电或断电的相应功能。整个编程语言上，采用高效的C语言编程，并没有采用可读性差的汇编。同时在设计中采用了模块化的结构设计，提高了可扩展性和可靠性。但本系统仍存在如下的不足：

系统电路设计简单没有考虑复杂的外设保护电路；

系统控制模拟采用简单的52系列单片机，控制能力较弱；

因此在后续的改进设计中，应考虑保护电路或者直接采用第三方功能模块加强对外围电路的保护；另外，在控制电路的核心模块上，可以考虑采用ARM系列或者FPAG完成电路逻辑的编程控制。