【摘要】电力资源是环境中的重要资源，是人类生活和生产中不可缺少资源，对一个国家和地区的生存和发展，起着重要的作用，电力资源是许多器械的动力，是人类不可缺少的物质，没有电力资源一切生产都将停止。那么如何合理利用电力资源，是摆在我们面前的一个严重的课题，我国居民对电力资源不合理利用的地方很多，这样积累起来就会产生浪费，所以，现在设计一个定时给电器供电和断电，使用方便，价格合理的电器自动开关控制器。
【关键词】单片机；AT89C51；传感器
1.控制器硬件设计
1.1 控制器硬件设计方案
本电子定时自动开关控制器可以精确地给电器定时开、关，此系统可以实时控制和显示电器定时的时间，并且可以显示被控电器的温度，具有报警功能，程序跑飞时能被软件陷阱捕获，被抗干扰程序处理，返回复位状态，重新启动系统，有显示定时时间和温度的功能。此控制器结构简单，功能齐全，运行可靠，体积小，成本低。
1.1.1 硬件构成与工作原理
本设计主要有电器定时和温度测量。电器定时的功能是接收用户由输入按钮发来的信息，并在数码管前四位显示出来，通过控制继电器的吸合，来控制电器的定时开关功能。温度测量是由电压输出型温度传感器所测量的温度值模拟量，通过模数转换器ADC0809来实现模拟量与数字量的转换。同时将温度通过数码管的后两位显示出来。
整个控制器以89C51为核心，扩展了一片ADC0809进行模/数转换，时钟电路，复位电路，温度测量电路，报警用的蜂鸣电路，电源转换电路。
1.1.2 总体结构设计
电子定时自动开关控制器系统总体结构示意如图1。
图中电源工作指示灯、电器工作指示灯分别与电源、电器串联，用以显示系统、电器的工作状态。
1）利用温度传感器将被控电器温度转化成电信号。因温度传感器输出的是模拟信号，必须经过模/数转换器转换为数字信号。
2）单片机通过继电器控制电器工作状态。
3）利用数码管前四位来设置电器设备定时开、关时间，后两位来显示测量的温度值。
4）设置时间的方法为：先设定电器开始工作时间，再设定电器工作时间。按修改键增加数字，按功能键确定，按住修改键不放可以快进。
5）定时时间到点之后，报警电路回鸣叫，以提示用户时间到了，并在30S后停止鸣叫。
6）在任何情况下，按下复位键，系统重新回到待命状态。
1.2 硬件选用芯片介绍
AT89C51单片机是ATMEL公司生产出的一种低功耗、高性能的8位CMOS微控制器，片内带4KB的快闪可编程/擦除只读存储器，采用高密度、非易失存储技术制造，它与80C51引脚和指令系统完全兼容。
2.时钟电路设计
图2为本设计的时钟电路部分。从硬件电路图可以看出时钟电路的外接晶振和电容组成的振荡器，在时钟电路中，加电以后延迟一段时间（约10ms）振荡器产生时钟，不受软件控制。晶振产生的时钟频率主要由SYS参数确定（晶振上产生的频率）。电容C2和C3的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调的作用（C2、C3大，f变小），电容的典型值是30PF。这部分基本无需调试，只要元件可靠即会正常起振。时钟振荡电路的工作状况对系统稳定性影响很大，因此要选择优质的元器件，晶振及谐振电容要尽量靠近电脑芯片，谐振电容的接地点要就近直接与电脑的接地点相连。
3.复位电路设计
复位电路如图3。
计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。系统正常工作时，如果由于程序运行出错或操作错误使系统处于死机状态，必须由人工按键复位。人工复位有电平方式和脉冲方式两种。本设计采用电平方式复位。
AT89C51上有一个复位引脚RST，它是史密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现2个机器周期（即16个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，电路保持复位状态。此时各口都输出高电平。RST变为低电平后，退出复位，CPU从初始状态开始工作。
在RST复位端接一个电容至VCC和一个电阻至VSS（地），就能实现上电自动复位，在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以有效地复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间，VCC上升时间若为10ms，振荡器的起振时间和频率有关。10MHz约为1ms，1MHz时约为10ms，所以一般为了可靠地复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平，时间常数越大，上电时RST端保持高电平的时间越长。当振荡频率为12MHz时，典型值为C=10Μf，R=8.2Ω。如果复位电路失效，加电后CPU从一个随机状态开始工作，系统就不能正常运转。
4.系统继电器原理及结构图
本设计采用继电器控制，也可采用可控硅控制。但是在利用单片机控制系统驱动较大设备时，往往利用继电器作为测控系统输出的第一级执行机构。通过第一级继电器输出，既实现了输入/输出之间的隔离，又完成了从低压直流到高压交流的转换和过渡。
光电耦合器工作原理：输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
本设计继电器原理图见图4。
5.显示电路
5.1 系统数码管说明
显示电路采用6个LED数码管。为了在定时精度达到分钟的时候能显示出时钟在计时，为了使硬件显示电路简单；采用单片机直接驱动LED数码管（AT89C51输出口能吸收20MA电流），用动态扫描法实现LED显示。
5.2 LED驱动接口以及限流电阻的计算
单个LED显示管实际上是一个压降为1.2-2.5的二极管，通过LED的电流决定了它的发光强度。LED驱动接口见主电路图。LED工作电流由下式计算：
式中：VF为LED的正向压降，VCS为LED驱动器的压降，R为LED的限流电阻，VCC为电源电压，IF为LED的工作电流。
当电源电压为5V时，LED工作电流取7mA，限流电阻计算如下：
VF一般取2-2.5V，VCS取0.2-0.3V；则R=400Ω。限流电阻用400Ω。
6.温度测量电路设计
数据采集及转换电路由LM35D、LM358组成如图5所示。
温度测量传感器为LM35D，它是电压输出型温度传感器，该电路内部已校准，并采用内部补偿。输出电压与摄氏温度成正比，无需校准，输出电压等于0-10mV/℃，精度可达0.5℃，线性好。工作电压为4-30V，在此电压范围内，测温范围可达0-125℃，电路工作电流几乎不变，约为50uA，所以几乎没有散热问题。但LM35D的缺点是，在使用单电源时可测量的最低温度理论上为0℃，而实际只能测到2℃。LM358为双运放电路，第一级运放接成同向放大器，RP1可调整放大倍数，用作系统温度校准。在通过模数转换电路将模拟量转换成数字量，最终通过数码管显示出来。
6.1 模/数转换器的选定
A/D转换器芯片的种类较多，选择A/D转换器件主要是从速度、精度和价格上考虑。计数比较型A/D转换器精度高，转换速度快，但是价格比较高。双积分型A/D转换器，具有精度高、抗干扰性好、价格低低廉等特点，但是转换速度慢。逐次逼近型A/D转换器在精度和速度上都比较合理。所以，在这里我选用ADC0809来实现模数转换。
6.2 温度测量原理
温度测量电路图见图6。
温度采集电路由温度传感器LM35D、运放LM358及电阻组成，电路十分简单。温度传感器LM35D的1引脚接+5V电源，3引脚接地，2引脚接运算放大器的正相端，以便对电压值进行放大。运放LM358接成同相放大。其1引脚为放大输出，与ADC0809的IN0引脚相连，进行模/数转换。运放放大倍数可以通过滑动变阻器RP1调节。其放大倍数计算如下。
设温度传感器采集温度转换电压值为Ui即其2脚电压为Ui，也就是运放输入电压为Ui。设LM358输出电压U0为：
所以：当RP1调到最小为0时：
当RP1调到最大为10KΩ时：
因为LM35D输出电压为0-10mV/℃，测量范围为0-125℃，故其输出电压范围为0-1V。此时应注意调节RP1，使输入RA0的电压在5V之内。
7.电源电路设计
电源电路示意图及设计原理：
电源电路采用普通三端集成稳压电路，见图7所示。
根据需要，我们知道由220V交流电要输出+5V的整流电，整流就是利用二极管单向导电特征将交流电转变成直流电的过程。这里我们将整流二极管视为理想二极管。在分析整流电路时，应抓住“二极管在正向电压作用下导通，而在反向电压作用下截止”这个基本观点，并弄清楚在交流正半周期和负半周期间电流的通路方向，从而确定负载电压的正、负极性。
8.结论
虽然目前国内电子设备还不及发达国家的水平，但我国电子事业的发展前景还是无限光明的，其主要原因如下：；一是技术人员对产品策划研究深入，会找到或发现越来越大的市场空间和先进技术。同时，相关的专业书籍和专业人士会越来越多，为我国电子产品的发展提供了技术和人员基础；二是我国加入WTO之后，有越来越多的机会去学习国外的先进技术；因此，随着社会对电子产品的高度认可，电子技术必将获得前所未有的发展。
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作者简介：雷雨（1985—），男，黑龙江人，大学本科，助理工程师，现供职于哈电集团阿城继电器有限责任公司。