單片機課程設計_基于89C51的自動斷電保護系統(tǒng)

1、 單片機系統(tǒng)課程設計單片機系統(tǒng)課 程 設 計成績評定表設計課題 ： 基于89C51的自動斷電保護系統(tǒng) 學院名稱 ： 電氣工程學院 專業(yè)班級 ： 學生姓名 ： 學 號 ： 指導教師 ： 設計地點 ： 設計時間 ： 指導教師意見：成績: 簽名： 年 月 日 單片機系統(tǒng)課 程 設 計課程設計名稱： 基于89C51的自動斷電保護系統(tǒng) 專 業(yè) 班 級 ： 學 生 姓 名 ： 學 號 ： 指 導 教 師 ： 課程設計地點： 課程設計時間： 單片機系統(tǒng) 課程設計任務書學生姓名專業(yè)班級學號題 目課題性質工程設計課題來源選題指導教師 主要內容 （參數(shù)）利用89C51設計自動斷電保護系統(tǒng)，實現(xiàn)以下功能：1、實現(xiàn)開

2、機后自動供電；2、內部短路或超載時會自動斷開電源；3、利用互感，通過采集電流來控制繼電器的常開，常閉觸頭。4、采用警報，聲音來提醒使用者來處理緊急事故任務要求（進度）第1-2天：熟悉課程設計任務及要求，查閱技術資料，確定設計方案。第3-4天：按照確定的方案設計單元電路。要求畫出單元電路圖，元件及元件參數(shù)選擇要有依據(jù)，各單元電路的設計要有詳細論述。第5-6天：軟件設計，編寫程序。第7-8天：實驗室調試。第9-10天：撰寫課程設計報告。要求內容完整、圖表清晰、文理流暢、格式規(guī)范、方案合理、設計正確，篇幅合理。主要參考資料1 張迎新單片微型計算機原理、應用及接口技術（第2版）M北京：國防工業(yè)出版社，

3、20042偉福LAB6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)使用說明書3 閻石數(shù)字電路技術基礎（第五版）北京：高等教育出版社，2006審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 目錄一、引言3二、總體方案設計4三、硬件電路設計53.1 單片機最小系統(tǒng)53.2 電流采樣電路和繼電器控制電路73.3 A/D采樣電路83.4鍵盤和液晶顯示電路103.5聲光報警電路12四、系統(tǒng)軟件設計124.1主程序設計124.2中斷服務程序設計134.3部分主要子程序設計16五、系統(tǒng)調試18六、總結18參考文獻：18附件A19附件B20一、引言隨著家用電器的增多，人們也越來越關心用電器的保護和用電安全的問題。因此自動斷電保護

4、系統(tǒng)，逐步廣泛應用于家庭用電器的保護設施，它能夠實現(xiàn)開機后自動恢復供電功能。當內部電路短路，用電功率超過設定值時，自動斷電保護系統(tǒng)就會自動斷開用電器的供電回路，使用電器停止工作，能夠防止用電器進一步的損壞，避免發(fā)生一些不必要的損失。該設計采用電流互感器，來采樣線路上的電流值，然后與用戶設定值進行比較，控制繼電器的常閉點的斷開與閉合， 從而控制用電器的供電回路的斷開與閉合。同時該設計還提供了聲光報警，用戶可以及時的處理事故。用戶還可以通過鍵盤來設置限制電流的大小，同時電流的采樣值和設置值都會通過液晶顯示器顯示出來，以供用戶方便的使用和觀察。二、總體方案設計按照任務要求和系統(tǒng)設計要求，控制系統(tǒng)包括

5、以下幾個部分：1. 控制器。作為系統(tǒng)的核心元件，我們采用AT89C51單片機。2. 電流采樣。通過一個互感器進行電流的采樣，將線路上的大電流轉換為小電流值進行采樣。通過一個電阻將其轉換成電壓信號，方便單片機的讀取。3. A/D轉換。A/D轉換芯片采用ADC0804八位模數(shù)轉化器。A/D轉換器可以把測得的模擬量轉化成數(shù)字量輸出，可以直接讀取。4. 繼電器。當電流超過設定值時，繼電器斷開，電路回路斷開。繼電器在電路中起到斷電保護作用，是系統(tǒng)的安全保障。5. 聲光報警。當電流值超過設定值時，進行報警6. 鍵盤。通過鍵盤可以設置限制電流大小。7. 液晶顯示器顯示?？梢燥@示設置電流以及實時電流值大小。總

6、體設計結構圖如圖2-1所示：圖2-1 總體設計結構圖三、硬件電路設計3.1 單片機最小系統(tǒng)微控制器采用AT89C51，AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。其主要特性如下：· 與MCS-51 兼容 · 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 · 壽命：1000寫/擦循環(huán) · 數(shù)據(jù)保留時間：10年 · 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz · 三級程序存儲器鎖定 · 128*8位內

7、部RAM · 32可編程I/O線 · 兩個16位定時器/計數(shù)器 · 5個中斷源 · 可編程串行通道 · 低功耗的閑置和掉電模式 · 片內振蕩器和時鐘電路其最小系統(tǒng)主要包括復位電路，時鐘電路。AT89C51芯片電路圖如圖3-1所示： 圖3-1 AT89C51單片機芯片電路圖復位電路圖如圖3-2所示：R1710KR161KC310uS0VCCRST圖3-2 復位電路圖復位電路與AT89C51的訪問外部程序存儲器控制引腳EA和復位信號輸入引腳RST相連。此電路可以實現(xiàn)上電復位和手動復位，復位電路工作原理如上圖所示，采用5V供電，+5V的VC

8、C上電時，C3充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位；幾個毫秒后，C3充滿，10K電阻上電流降為0，電壓也為0，使得單片機進入工作狀態(tài)。工作期間，按下S0，C3放電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復位。S0松手，C3又充電，幾個毫秒后，單片機進入工作狀態(tài)。每次啟動都需要重新設置限制電流大小，否則則默認為初始設置10A。當微控制器運行發(fā)生錯誤時，可以對其手動復位，使其重新啟動運行，再進行設置限制電流大小。時鐘電路圖如圖3-3：圖3-3 時鐘電路圖時鐘電路接AT89C51的18和19引腳。X1接外部晶振和微調電容的一端，在片內它是振蕩器倒相放大器的輸入；X2接外部晶振和微調電容的另一端；

9、此電路采用12M晶振給單片機提供時鐘信號。本設計時鐘電路采用12M的晶振。晶振的作用是給單片機正常工作提供穩(wěn)定的時鐘信號。單片機的晶振并不是只能用12M，只要不超過20M就行，在準許的范圍內，晶振越大，單片機運行越快，還有用12M的就是好算時間，因為一個機器周期為12個時鐘周期，所以這樣用12M的話，一個時鐘周期為1/12us，那么機器周期為1us即定時器計一次數(shù)就是1us了，電容范圍在20-40pF之間，這里連接的是30pF的電容。機器周期=12*系統(tǒng)時鐘周期。3.2 電流采樣電路和繼電器控制電路 電流采樣電路，電路正常工作時繼電器常閉觸點閉合接通電流互感器，通過電流互感器按一定比例采樣線路

10、上的電流值大小，通過一個電阻，將電流信號轉換為電壓信號，方便單片機進行A/D轉換，繼電器控制電路，當線路上的電流值大于設定電流值時，將P2.4端口置1，控制導通的信號置于高電平，使三極管飽和導通即Q2形成通路，則繼電器常閉點斷開，用電器電路回路斷開，則用電器停止工作。繼電器兩端單向并聯(lián)一個二極管（負極接在VCC端，正極接在三極管集電極上），起到吸收電磁線圈斷電后產生的反向電動勢，保護三極管。電路圖如圖3-4所示： 圖3-4 電流采樣轉換電路和繼電器控制電路3.3 A/D采樣電路A/D采樣電路采用集成A/D轉換器ADC0804 。ADC0804是一款8位、單通道、低價格A/D轉換器，主要特點是：

11、模數(shù)轉換時間大約100us；方便TTL或CMOS標準接口；可以滿足差分電壓輸入；具有參考電壓輸入端；內含時鐘發(fā)生器；單電源工作時（05）V輸入電壓范圍是05V；不需要調零。1.芯片參數(shù)：工作電壓：+5V，即VCC=+5V。模擬轉換電壓范圍：0+5V，即0Vin+5V。分辨率：8位，即分辨率為1/28=1/256，轉換值介于0255之間。轉換時間：100us（fCK=640KHz時）。轉換誤差：±1LSB。參考電壓：2.5V，即Vref=2.5V。2.各個引腳名稱及作用：Vin（+）、Vin（-）：兩個模擬信號輸入端，可以接收單極性、雙極性和差模輸入信號。DB0-DB7：具有三態(tài)特性數(shù)

12、字信號輸出端，輸出結果為八位二進制結果。CLKIN：時鐘信號輸入端。CLKR:內部時鐘發(fā)生器的外接電阻端，與CLK端配合可由芯片自身產生時鐘脈沖，其頻率計算方式是：fck=1/(1.1RC）。CS：片選信號輸入端，低電平有效。WR：寫信號輸入端，低電平啟動AD轉換。RD：讀信號輸入端，低電平輸出端有效。INTR：轉換完畢中斷提供端，AD轉換結束后，低電平表示本次轉換已完成。VREF/2：參考電平輸入，決定量化單位。VCC：芯片電源5V輸入。AGND:模擬電源地線。DGND:數(shù)字電源地線。ADC0804外圍電路如圖3-5所示：VCC20INTR5DB018DB117DB216DB315DB414

13、DB513DB612DB711CS1RD2WR3CLK IN4CLK OUT19REF/29IN+6IN-7AGND8DGND10R1510kR1210kR1410kR131kC1110412ADINRe210kVCCVCCCSDARDWRVCCDB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8ADC0804圖3-5 ADC0804外圍電路圖3-5為ADC0804外圍電路原理圖，其中，VCC=5V，因此ADC轉換的參考電壓為VCC的值，即5V。IN-接地，而IN+通過插座ANIN連接滑動變阻器Re2的輸出，因此IN+的電壓輸入范圍為0V5V，正好處于參考電壓范圍內。引腳CS、WR和RD分別連接單

14、片機的12,17以及16腳，而DB0DB7連接單片機的P1腳。3.4鍵盤和液晶顯示電路 液晶顯示電路采用帶中文字庫的12864液晶顯示器。帶中文字庫的128X64 是一種具有4 位/8 位并行、2 線或3 線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體 中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內置8192 個16*16 點漢字，和128 個16*8 點ASCII 字符 集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4 行16×16 點 陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點。

15、由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶 顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。12864 液晶具有如下的特性：1 提供 8 位，4 位并行接口及串行接口可選2 并行接口適配 M6800 時序3 自動電源啟動復位功能4 內部自建振蕩源64×16 位字符顯示 RAM（DDRAM 最多 16 字符×4 行，LCD 顯示范圍 16×2 行）(改為半角輸入)2M 位中文字型 ROM（CGROM） ，總共提供 8192 個中文字型（16×16 點陣）16K 位半寬字型 ROM(HCGROM)，總

16、共提供 126 個西文字型（16×8 點陣）64×16 位字符產生 RAM（CGRAM）15×16 位總共 240 點的 ICON RAM（ICONRAM） 液晶顯示電路如圖3-6所示：圖3-6 液晶顯示電路鍵盤電路采用3個獨立的按鍵，一個功能切換鍵、一個加按鍵、一個減按鍵通過這三個按鍵可以來合理的設置限制電流的數(shù)值。鍵盤電路與單片機的連接電路圖如圖3-7所示： S1S2S3SDASCL18B20圖3-7 鍵盤電路與單片機的連接電路圖3.5聲光報警電路聲光報警電路，采用三極管驅動音頻放大器實現(xiàn)音頻報警，當采樣電流值大于電流設定值時，單片機P2.3引腳即FM端口產生

17、100HZ的方波信號，控制Q1的通斷，實現(xiàn)蜂鳴器報警；單片機P3.0端口變成高電平，則發(fā)光二極管點亮，實現(xiàn)報警功能。此裝置具有以下優(yōu)點：1、 在遠距離是可以通過聲音及時通知2、 在近距離可以通過視聽覺做出反應3、 在嘈雜的環(huán)境中可以通過視覺通知4、 兩種器件配合更加安全可靠電路圖如圖3-8所示：圖3-8聲光報警電路四、系統(tǒng)軟件設計軟件設計包括主程序，中斷服務程序等其它子程序4.1主程序設計主程序是系統(tǒng)上電或復位后首先要執(zhí)行的程序，主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、掃描顯示、掃描鍵盤,A/D轉換等工作。主程序上電自動復位，也可手動復位；主程序執(zhí)行時，分別進行鍵盤掃描，A/D轉換，以及液晶顯示。主程序流

18、程圖如圖4-1所示：圖4-1 主程序流程圖當系統(tǒng)上電或者手動復位時，首先進行系統(tǒng)初始化，設置堆棧地址，定時器0工作方式，中斷觸發(fā)方式以及其它系統(tǒng)初始化。然后啟動定時器和A/D轉換。然后進行不停的掃描鍵盤和顯示。4.2中斷服務程序設計外部中斷服務程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2 外部中斷服務程序流程圖當A/D轉換結束時，ADC0804模數(shù)轉換器INTR引腳輸出一個低電平信號，使AT89C51產生外部中斷，進入外部中斷服務程序。首先保護現(xiàn)場，然后讀取AD值，進行數(shù)據(jù)的轉換然后存儲，并與設定的電流值進行大小比較，如果超過設定值，則繼電器斷開，用電器回路斷開，并置1報警標志位。恢復現(xiàn)場，中斷返回。

19、定時器0中斷服務程序流程圖如圖4-3所示:圖4-3 定時器0中斷服務程序流程圖定時器設置為10ms定時，每10ms中斷一次，進入中斷之后，首先保護現(xiàn)場，重裝初值，判斷是否處在報警狀態(tài)，如果是，取反P2.4口，驅動揚聲器進行聲音報警。如果沒有處于報警狀態(tài)在判斷是否到1S，到1S，則重置1S計數(shù)初值，啟動A/D轉換然后恢復現(xiàn)場，中斷返回，如果不到1S，則直接恢復現(xiàn)場，中斷返回。4.3部分主要子程序設計系統(tǒng)主要子程序主要包括鍵盤子程序、鍵盤掃描子程序，顯示子程序。（1）鍵盤子程序設計鍵盤子程序設計，采用三個獨立按鍵來設置限制電流值的大小，第一次按下鍵1，啟動限制電流大小的設置，最大限制電流處的液晶光

20、標閃爍，按第二下鍵1液晶光標不再閃爍，表示調節(jié)結束。按鍵2，則實現(xiàn)限制電流的增加，最大限制電流20A；按鍵3，則實現(xiàn)限制電流的減小，最小限制電流為0A。（2）鍵盤掃描子程序設計流程圖如圖4-4所示： 圖4-4 鍵盤掃描子程序設計流程圖（3）顯示子程序設計系統(tǒng)上電后，即開始在默認的最大限制參考電流的第一行設置限制電流，第二行為系統(tǒng)測量電流即：CIV：20ACTV：00A(CIV:current limit value 限制電流值。 CTV:current test value測試電流值)顯示子程序設計流程圖如圖4-5所示：圖4-5 顯示子程序設計流程圖五、系統(tǒng)調試由于硬件的限制，我們不能對互感器

21、電流采樣部分電路的測試，但是通過直接給ADC0804一個模擬信號進行了以下測試。1、上電開始默認顯示正常。2、按鍵S1功能切換鍵、按鍵S2數(shù)值增鍵、按鍵S1數(shù)值減鍵正常。3、上下限最值測試正常。4、A/D轉換結果測試正常。5、聲光報警裝置測試正常。六、總結通過本次的單片機課程設計，使我更好的掌握了單片機的使用，更好地理解了單片機內部的數(shù)據(jù)存儲，中斷和定時器的應用，單片機外部電路的接口技術，數(shù)據(jù)總線的運用，也更深入的了解了匯編語言，熟悉了匯編指令的功能以及程序的編寫。讓我知道想設計好一個完整穩(wěn)定的系統(tǒng)，需要考慮很多的細節(jié)，并不是那么容易，對我以后進入工作起到很大的幫助。參考文獻：1 張迎新單片微

22、型計算機原理、應用及接口技術（第2版）M北京：國防工業(yè)出版社，20042偉福LAB6000系列單片機仿真實驗系統(tǒng)使用說明書3 閻石數(shù)字電路技術基礎（第五版）北京：高等教育出版社，2006附件A附件B程序：ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP TSORG 000BHLJMP T_0ORG 0030HMAIN: MOV SP,#3FH；設置堆棧 MOV 60H,#0；采集數(shù)據(jù)顯示緩沖區(qū) MOV 70H,#10；設置數(shù)據(jù)顯示緩沖區(qū) MOV R0,#60H MOV R1,#70H MOV R6,#50 MOV R7,#200；1S計數(shù)值 CLR 20H；報警狀態(tài)標志位 CLR

23、 21H；設置數(shù)據(jù)標志位 CLR P2.3；音頻報警 CLR P2.4；繼電器 CLR P3.0；LED MOV TH0,#0F6H；定時器0裝初值 MOV TL0,#3CH SETB IT0；外部中斷觸發(fā)方式設置 MOV IE,#83H；開總中斷，外部中斷0，定時器中斷0 SETB TR0；啟動定時器 MOV A,#0 MOV DPTR,#8000H；片選ADC0804 MOVX DPTR,A；啟動ADLOOP: LCALL DISPLAY；調用顯示 LCALL KEY；掃描鍵盤 LJMP LOOPKEY: PUSH ACC；保護現(xiàn)場 PUSH PSW PUSH DPH PUSH DPL L

24、CALL KEY_VALUE JB 21H,KEY0_0；判斷是否處于設置數(shù)據(jù)狀態(tài)KEY0: CJNE A,#01H,RETURN；判斷鍵值 LCALL DISPLAY；調用顯示延時，消抖 CJNE A,#01H,RETURN LCALL KEY_VALUE JNZ KEY0；等鍵釋放 SETB 21H；設置數(shù)據(jù)狀態(tài)標志位置1 LJMP RETURN；返回KEY0_0: CJNE A,#01H,KEY1；判斷鍵值 LCALL DISPLAY；調用顯示延時消抖 CJNE A,#01H,KEY1 LCALL KEY_VALUE JNZ KEY0_0；等鍵釋放 CLR 21H；設置完成，清除標志位

25、LJMP RETURN；返回KEY1: CJNE A,#02H,KEY2；判斷鍵值 LCALL DISPLAY；調用顯示延時，消抖 CJNE A,#02H,KEY2 LCALL KEY_VALUE JNZ KEY1；等鍵釋放 INC 70H；設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)加1 CJNE R1,#20,RETURN；判斷是否到最大值20 MOV 70H,#0；是，歸0 LJMP RETURN；返回KEY2: CJNE A,#04H,RETURN；判斷鍵值 LCALL DISPLAY；調用顯示延時，消抖 CJNE A,#04H,RETURN LCALL KEY_VALUE JNZ KEY2；等鍵釋放 DEC 70

26、H；設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)加1 CJNE R1,#0,RETURN；判斷是否到最小值0 MOV 70H,#20；是，變?yōu)?0RETURN: POP DPL；恢復現(xiàn)場 POP DPH POP PSW POP ACC RETKEY_VALUE:；讀鍵值子程序 MOV DPTR,#09002H；送鍵盤列碼地址 MOV A,#00H MOVX DPTR,A；掃描鍵盤 MOV DPTR,#08001H；送行碼地址 MOVX A,DPTR ANL A,#0FH；讀鍵值 RET DISPLAY: RS EQU P3.5 R/W EQU P3.6 E EQU P3.4 PSB EQU P3.7 DO-D7 EQU P

27、0 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0100H;以下是主程序，進行初始化MAIN:MOV SP,#60H MOV A,#00111000B ；功能設置指令，8位接口，顯示兩行，5*7字符 LCALL WriteIR ；調寫指令寄存器子程序MOV A,#00001110B ；顯示開關控制指令，顯示器開，光標開，光標不閃爍 LCALL WriteIRMOV A,#00000110B ；輸入方式設置指令，字符不動，光標自動右移一格LCALL WriteIRMOV A,#00000001B ；清屏指令，將DDRAM數(shù)據(jù)全部填入“空白”LCALL WriteIRMOV A,#100000

28、00B ；DDRAM地址設置指令，寫入顯示地址為第1行第1位ACALL WriteIR MOV DPTR, #TAB1 ；指向TAB1表首 ACALL STRING ；調字符串處理子程序MOV A,#11000000B ；DDRAM地址設置指令，寫入顯示地址為第2行第1位ACALL WriteIR MOV DPTR, #TAB2 ；指向TAB2表首 ACALL STRING ；調字符串處理子程序 SJMP $ ；檢查忙碌子程序CheckBusy:PUSH ACC LOOP:CLR RS ；選擇指令寄存器SETB RW ；選擇讀模式MOV D0-D7,#0FFH ；P0口寫1，準備寫入SETB

29、E ；使能LCDMOV A D0-D7 ；將LCD的D0D7由P0口送A，以便查第7位BF是否為0CLR E ；禁止LCDJB ACC.7,LOOP ；判斷由LCD讀入第7位BF是否為1，若為1表示LCD忙ACALL DELAY ；調延時子程序POP ACCRET；寫入IR寄存器子程序WriteIR：PUSH ACCACALL CheckBusy ；調檢查忙碌子程序CLR E ；禁止LCDCLR RS ；選擇指令寄存器CLR RW ；選擇寫模式STEB E ；使能LCDMOV D0-D7,A ；將控制指令寫入LCDSETB E ；使能LCDCLR E ； 禁止LCDPOP ACCRET；寫入DR寄存器子程序WriteIR：PUSH ACCACALL CheckBusy ；調檢查忙碌子程序CLR E ；禁止LCDSETB RS ；選擇數(shù)據(jù)寄存器CLR RW ；選擇寫模式STEB E ；使能LCDMOV D0-D7,A ；將控制指令寫入LCDSETB E ；使能LCDCLR E ； 禁止LCDPOP ACCRET；以下是字符串處理子程序STRING:PUSH ACCLOOP