陳 晨，黃鐵軍，楊振中，尹得超，嚴(yán)一民

(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054)

·學(xué)生實(shí)驗(yàn)園地·

單片機(jī)集群控制電源插座開(kāi)斷設(shè)計(jì)

陳 晨，黃鐵軍，楊振中，尹得超，嚴(yán)一民

(電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，成都 610054)

介紹了通過(guò)單片機(jī)控制的電源插座開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。利用單片機(jī)控制的電源可使開(kāi)關(guān)電源具備更加完善的功能，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)以傳統(tǒng)的89C51單片機(jī)為核心，通過(guò)軟件控制繼電器來(lái)對(duì)電路進(jìn)行定時(shí)開(kāi)斷、過(guò)電保護(hù)，通過(guò)ADC0808來(lái)顯示電壓、電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控等功能；實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路的定時(shí)控制和保護(hù)，有利于節(jié)能，提高用電效率。整個(gè)集群控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于對(duì)單片機(jī)的編程設(shè)計(jì)，介紹了有關(guān)定時(shí)功能、動(dòng)態(tài)顯示、A/D轉(zhuǎn)換的編程思路和關(guān)鍵程序，通過(guò)proteus仿真，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電源的集群控制功能。

電源插座；單片機(jī)開(kāi)關(guān)；電路定時(shí)控制

利用單片機(jī)控制的電源，可使開(kāi)關(guān)電源具備更加完善的功能，智能化進(jìn)一步提高，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。其功能主要包括對(duì)運(yùn)行中的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行檢測(cè)、自動(dòng)顯示電源狀態(tài)；可以通過(guò)按鍵進(jìn)行編程控制;可以進(jìn)行故障自診斷，對(duì)電源功率部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè);可以對(duì)電源進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)；可以對(duì)電池充放電進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

目前生產(chǎn)的單片開(kāi)關(guān)電源主要有TOPSwitch、TOPSwitch-II、TinySwitch、TNY256、MC33370和TOPSwitch-EX六大系列，此外，還有L4960系列、L4970/L4970A系列單片開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓器，共八大系列，80 余種型號(hào)。根據(jù)引出端的數(shù)量，其可劃分成三端、四端、五端、多端四種類型。

本研究針對(duì)電力浪費(fèi)問(wèn)題，設(shè)計(jì)用單片機(jī)集群控制電源插座的控制器，用控制器定時(shí)接通或切斷插座的電源，以達(dá)到節(jié)約用電的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)體統(tǒng)以控制電路為核心，通過(guò)整流濾波與校正電路，使220 V交流電為單片機(jī)供電。正常工作時(shí)，用ADC0808[1]將采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換給單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和動(dòng)態(tài)監(jiān)控功能。用單片機(jī)定時(shí)去控制繼電器的開(kāi)斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的定時(shí)控制，并在Proteus上進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1 控制電路介紹

控制電路采用Atmel公司的89C51單片機(jī)，擴(kuò)展了A/D、D/A、鍵盤顯示、RS232通信口電路?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)I/O輸入端口經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換控制開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，完成對(duì)輸出電壓的穩(wěn)定; 通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換完成對(duì)開(kāi)關(guān)電源輸出電壓和電流的采樣；通過(guò)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)及限流功能。在過(guò)載時(shí)采用電流信號(hào)作為反饋，控制電路通斷實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)的功能。

為了精確控制開(kāi)關(guān)電路的電壓輸出，把單片機(jī)的T0作為89C51的計(jì)數(shù)脈沖和門控信號(hào)，使用T1做定時(shí)器。單片機(jī)把給定值與傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)。根據(jù)電壓控制算法通過(guò)控制繼電器[3]斷開(kāi)電路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。輸出端與開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行光電隔離，從而避免來(lái)自開(kāi)關(guān)電源電路的騷擾信號(hào)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的影響。

鍵盤與顯示部分裝在儀器操作面板上，由8位LED數(shù)碼管，3個(gè)LED指示燈以及4個(gè)鍵構(gòu)成，其中3位數(shù)碼管顯示電源電壓，3位數(shù)碼管顯示電流，3個(gè)LED指示燈作為報(bào)警顯示。

2.2 采樣電路

從電路中采取的電壓，通過(guò)高精度、低阻抗的電壓互感器，在較高的濾波器下只有較小的衰減和相位延遲傳送到ADC0808，進(jìn)而由單片機(jī)處理，在數(shù)碼管上顯示出當(dāng)前的電壓數(shù)值。電流數(shù)值可通過(guò)串聯(lián)在采樣電路上的電阻和讀取的電壓換算得到[4]。采樣電路如圖2所示。

圖2 采樣電路

3 軟件設(shè)計(jì)

芯片89C51在上電復(fù)位之后，先進(jìn)入初值的設(shè)定界面，單片機(jī)P0.4～P0.7四個(gè)引腳接入四個(gè)按鈕，進(jìn)行過(guò)載的電壓、電流、系統(tǒng)工作時(shí)間和睡眠時(shí)間的設(shè)定，以及設(shè)定結(jié)束并開(kāi)始之后開(kāi)始工作時(shí)刻的設(shè)定。四個(gè)按鈕分別起到確定、移位、加、減的作用，設(shè)定顯示在數(shù)碼管上。完成初值的設(shè)定之后，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括時(shí)鐘初始化、中斷初始化、端口初始化、數(shù)碼管控制初始化、ADC0808初始化、數(shù)碼管顯示初始化。

系統(tǒng)啟動(dòng)計(jì)數(shù)，開(kāi)始計(jì)算工作時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，驅(qū)動(dòng)ADC0808得到A/D轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)并發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)將數(shù)據(jù)計(jì)算后動(dòng)態(tài)顯示在數(shù)碼管上。主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并判斷下步進(jìn)行的操作，比如是否需要保護(hù)電路斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，是否需要切換工作狀態(tài)，工作流程如圖3所示。

3.1 系統(tǒng)時(shí)間控制

系統(tǒng)有三種工作模式，分別是：工作模式、睡眠模式和故障模式。每個(gè)模式有自己的標(biāo)志位。通過(guò)標(biāo)志位的查詢判斷系統(tǒng)在哪個(gè)工作狀態(tài)。

圖3 工作流程圖

在初始值設(shè)定的時(shí)候，設(shè)定了工作模式開(kāi)始時(shí)間T1，睡眠模式開(kāi)始時(shí)間T2，系統(tǒng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)時(shí)間T3。系統(tǒng)內(nèi)時(shí)間通過(guò)定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生，定時(shí)/計(jì)數(shù)器1產(chǎn)生周期是200μs的脈沖作為A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘輸入[5]，定時(shí)/計(jì)數(shù)器0在技術(shù)模式下統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)目來(lái)計(jì)算時(shí)間。則第一次工作需要定時(shí)計(jì)算器統(tǒng)計(jì)的脈沖次數(shù)是

n=(T2-T3)/200

工作模式下需要統(tǒng)計(jì)的脈沖次數(shù)是

n=(T2-T1)/200

睡眠模式下需要統(tǒng)計(jì)的脈沖次數(shù)是

n=(24+T1-T2)/200

再設(shè)定定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的工作方式為工作模式1，計(jì)數(shù)50 000次之后發(fā)生中斷。所以各個(gè)模式下發(fā)生終端的次數(shù)是

N=n/50 000

通過(guò)判斷比較定時(shí)/計(jì)數(shù)器0發(fā)生溢出的次數(shù)，就可以判斷是否需要發(fā)生模式切換以及下一步需要切換的模式。

具體定時(shí)需要通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。

3.1.1 定時(shí)初始化的代碼

TIME[0]=(TMME1[0]-TIME2[0])*36 000;

TME[0]=TIME[0]+(TMME1[1]-TIME2[1])*3 600;

TIME[0]=TIME[0]+(TMME1[2]-TIME2[2])*600;

TIME[0]=TIME[0]+(TMME1[3]-TIME2[3])*60;

TIME[0]=TIME[0]/5;

TIME[1]=24*3600/5-TIME[0];

TMOD=0x25;//定義了定時(shí)器1和定時(shí)器2的工作方式

EA=1; //打開(kāi)總的中斷允許

(對(duì)計(jì)數(shù)作必要的初始化，初始化后，定時(shí)功能才能正常實(shí)現(xiàn)。)

TH0=0x3c;

TL0=0xaf;//給計(jì)數(shù)器0重裝初始化數(shù)值，50 000次中斷一次

TH1=0x9c;//給定時(shí)器1重裝初始化數(shù)值，100次中斷一次

TL1=0x9c;

voidTime0_int(void)interrupt1using0 //定時(shí)器0中斷函數(shù)

TH0=0x3c;

TL0=0xaf;//重裝初始化數(shù)值

3.1.2 狀態(tài)切換的代碼

if(count1++>=TIME[gz])//5s中斷一次，每一次計(jì)數(shù)是5s，gz=1為工作狀態(tài)；gz=0為休眠狀態(tài)

{count1=0;

if(gz)

gz=0;

else

gz=1;

if(Green==ON)

{

Green=OFF;

Yellow=ON;

Jidian=OFF;

Gzzt=1;

}

elseif(Yellow==ON)

{

Green=ON;

Yellow=OFF;

Jidian=ON;

Gzzt=0;

}

}//改變工作狀態(tài)

不同模式在特定條件下進(jìn)行切換。每5s發(fā)生一次中斷，產(chǎn)生狀態(tài)的切換。Green=on，表示正常工作；yellow=on，表示休眠狀態(tài)。

3.2A/D轉(zhuǎn)化及故障模式

A/D轉(zhuǎn)換Proteus仿真基本電路圖如圖4所示。

圖4 A/D仿真電路

相對(duì)誤差

3.2.1AD轉(zhuǎn)換

對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，使得A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，其中電壓、電流的轉(zhuǎn)換代碼(C語(yǔ)言)如下：

for(m=0;m<100;m++)//轉(zhuǎn)換100次求出最大值

{

Display(j1，j2); //顯示函數(shù)

OE=0;

ST=0;

ALE=1;

ST=1;

ALE=0;

ST=0; //給出AD轉(zhuǎn)換的下降沿啟動(dòng)信號(hào)

while(EOC==0);//如果轉(zhuǎn)換還沒(méi)有完成就一直保持

OE=1;//等待采集完成之后讓OE=1，輸出采集數(shù)據(jù)

if(Max

Max=P2;

if(Max>anquan[AV]) /*AV=0代表電流轉(zhuǎn)換，AV=1代表電壓轉(zhuǎn)換，anquan數(shù)組存儲(chǔ)的限壓限流數(shù)值*/

Guzhang();

}

j1=Max;

AV=～AV;//電壓、電流A/D互換

3.2.2 故障模式

Ex_int0()interrupt0using2//外部中斷函數(shù)用于故障恢復(fù)

{

if(gz==0)//如果GZ=0，恢復(fù)到正常工作狀態(tài)

{

Green=ON;

Red=OFF;

Yellow=OFF;

}

else//如果GZ=1，恢復(fù)到休眠工作狀態(tài)

{

Green=OFF;

Red=OFF;

Yellow=ON;

}

}

voidGuzhang()

{

Green=OFF;

Red=ON;

Yellow=OFF; //進(jìn)入故障工作狀態(tài)，切換指示燈，繼電器斷開(kāi)

}

3.3 顯示部分

系統(tǒng)的三種工作模式：工作模式、睡眠模式和故障模式分別對(duì)應(yīng)LED燈的綠燈、黃燈和紅燈。在故障模式下，蜂鳴器也會(huì)報(bào)警。我們?cè)陲@示器件上選用了數(shù)碼管，可最大限度地較低成本，提升開(kāi)關(guān)的經(jīng)濟(jì)適用性[6]。數(shù)碼管顯示Proteus仿真基本電路如圖5所示。

圖5 數(shù)碼管仿真電路

為了節(jié)省引腳，位選和段選均采用P0引腳，采用上拉電阻提高P0的帶負(fù)載能力。段選和位選通過(guò)兩個(gè)鎖存器74HC573分離，能分別送到共陽(yáng)數(shù)碼管端口。

4 樣機(jī)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

為了安全，先進(jìn)行斷電調(diào)試，用萬(wàn)用表檢測(cè)系統(tǒng)是否有短路現(xiàn)象，再檢查原理是否正確。經(jīng)檢測(cè)，原理正確沒(méi)有短路現(xiàn)象，使用安全。再將各個(gè)部件連接，保證整個(gè)電路連通。將已經(jīng)編寫好的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中，接上220V電源，觀察能否實(shí)現(xiàn)基本功能。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

接通電源后，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，數(shù)碼管讀出當(dāng)前的電路電壓值為220V；設(shè)定工作時(shí)間為1min，確定之后，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)工作，此時(shí)指示燈綠燈亮，紅燈、黃燈滅，表明電路正常工作，1min以后，單片機(jī)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，綠燈滅，紅燈亮。若在工作狀況中斷電，數(shù)碼管熄滅，通電后單片機(jī)通過(guò)讀取斷電前的狀態(tài)，繼續(xù)工作，也可以手動(dòng)復(fù)位。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)基于89C51單片機(jī)的電路定時(shí)控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。文中給出了ADC0808如何將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管上的示數(shù)，如何通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制開(kāi)斷，設(shè)置初始時(shí)間，并對(duì)電壓、電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，達(dá)到保護(hù)電路的作用。并且利用EPROM[7]的非易失性在斷電后仍能記錄斷電前的數(shù)據(jù)，當(dāng)恢復(fù)供電時(shí)，繼續(xù)按照設(shè)定的功能運(yùn)行。

此系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電路的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，有效地解決了過(guò)流、過(guò)壓的問(wèn)題，對(duì)電路進(jìn)行了保護(hù)。并由于有定時(shí)功能的存在，可以按照需要設(shè)定電路接通的時(shí)間，對(duì)電能的使用率達(dá)到最大化，能夠有效節(jié)約能源。

[1]鄧興成.單片機(jī)原理與實(shí)踐指導(dǎo)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]張亞華.電子電路計(jì)算機(jī)輔助分析和輔助設(shè)計(jì)[M].北京:航空工業(yè)出版社，2004.

[3]陳汝全.電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2002.

[5]程國(guó)鋼.51單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)案例手冊(cè)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011.

[6]譚曉.用單片機(jī)控制電源插座[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，18(11):21-22.

[7]李廣軍，閻波，林水生.微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011.

Design of Switch of Current Source by Microcomputer

CHEN Chen, HUANG Tiejun, YANG Zhenzhong, YIN Dechao, YAN Yimin

(School of Physical Electronics, University of Electronic Science and Technology of China, Chendu 610054, China)

This paper presents the system of switch of current source by microcomputer. The power controled by microcomputer can own complete function in order to observe all the time. It depends on 89C51 and uses software to control the current on time and protect the current. Through ADC0808, it can display voltage and current to finish the function of control. In this way, it can save energy and improve the efficiency of electricity. All the system’s key is microcomputer programming. It presents the important part of programming of setting time, displaying and A/D changing. By Proteus simulation, it completes these functions.

the jack of source;switch of microcomputer;control current on time

2014-12-09；修改日期: 2015-01-23

電子科技大學(xué)2013年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基金資助項(xiàng)目。

陳 晨(1993-)，男，本科在讀，專業(yè)方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。

TP

Bdoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.065