定时开关控制器在各种场合都有着极为广泛的用途。本文利用凯思迪公司的K-51A单片机实验板设计的定时开关控制器具有简单易制、价格低廉、控制点数多、控制时间可精确到秒等特点,供有兴趣的朋友参考。
1.主板电路部分

本电路主要是利用单片机AT89C2051(-24PI)作为主控制元件,通过外围电路控制用电设备的电源,以达到定时开、关机的目的。AT89C2051具有体积小、功能强大、运行速度快、价格低廉等优点,非常适合制作集成度较高的控制电路。图1为主电路原理图,图2为按其制作的主板(双面)大小只有95mm×70mm的器件位置图。主板电路包括MCU AT89C2051、键盘与显示、输入与输出口、复位和电源滤波等电路组成。

(1) 键盘与显示 显示电路由U2、U3、Q1～Q7和L1A、L2A组成。U2为BCD-7段译码器(74LS47),通过单片机U1的P1.4～P1.7口将要显示字符的BCD码输出到U2的四个输入端,经U2译码后输出相应的笔段驱动LED数码管(共阳)。LED数码管显示采用动态扫描方式,即在某一时刻,只有一个数码管被点亮。数码管的位选信号由单片机U1的P3.3～P3.5输出,经U3(74HC138)译码后通过Q1～Q6放大,驱动相应的数码管。R17～R24为限流电阻。
由于U2只能输出7段笔段码,而数码管除了七段笔段外,还要控制点亮小数点,因此,小数点必须有另外的驱动电路来完成,在这里,通过Q7来驱动小数点。当需要点亮小数点时,在U1的P1.3输出高电平即可。
键盘电路跟显示电路一样,采用扫描方式,利用动态显示时的数码管驱动位置信号来判断相应按键的状态。U1的P3.3～P3.5口输出的BCD码经U3译码后,相应Y口呈低电平,而U1的P3.7口平时为高电平(由于R8上拉),当某一键按下时, P3.7被下拉为低电平,这时MCU利用程序查询P3.7是否为低电平,如果P3.7为低电平,就读回U1 P3.3～P3.5口的值(从缓冲区读取),则可判断是哪个按键按下,然后调用相应的处理程序进行处理。
(2)控制输出、复位与电源滤波电路 MCU对控制的输出是通过P3.0～P3.2口完成的。程序开始时这三个口的输出状态是低电平,MCU通过程序查询三路输出的ON或OFF状态预置时间是否已到,如果已到时间,则改变相应的输出状态,就完成了对外部电路的控制。复位电路如图1左上角所示,C3和R25完成上电复位,S6为手动复位,按键输入干扰和抖动的预防是由软件完成的。+5V电源由JP2输入,经C4～C9滤波后给U1和其它器件供电。
2.电源与控制电路

电源及控制电路如图3。其中,市电经总开关K后由B降压、V1整流、C11～C14滤波、U4、U5稳压后给主板和控制电路板提供稳定的工作电源;主板送过来的三路控制信号通过Q12～Q14分别控制继电器J1、J2、J3,对外部电路实施直接控制。继电器这里没有给出具体型号,您可根据耐压及通流大小选用相应的继电器,如在大电流和强电磁场干扰的环境里工作,最好利用中间继电器来间接控制。
3.程序软件工作过程
(1)秒脉冲发生器 秒脉冲发生器是由定时器T0和内存空间TT0配合完成的。T0工作于16位计数器模式,当T0向上计数由全1变为全0时产生中断,本程序中T0的初值为0DC00H,大约0.01s中断一次。这里使用的晶振频率为11.0592MHz,由此可计算出日误差约为0.78s。

图4为程序流程图。系统产生中断后,首先保存ACC和PSW的值,然后为T0重装初值,判断中断次数是否小于100,是则转出中断服务,反之则为秒计数器加1,秒计数器如果大于59,则为分计数器加1,同时秒计数器清0。同样分计数器如大于59则为时计数器加1,同时分计数器清0,时计数器如大于23则清0并转出中断服务。T0中断100次的时间刚好为1秒钟。
(2)主程序 上电复位过程:首先P0～P2口全部置1,P3口高5位置1,低3位置0。设置定时器T0工作于16位计数器模式,并赋初值TH0=0DCH,TL0=00H,关闭外部中断和串行口中断,时间计数器TS、TM、TH清0,所有预置时间存储区全部赋值FFH,至此所有初始化工作完成。
主程序工作过程:首先循环进行六个数码管扫描显示(DISPLY段),然后比较所有预置时间(COMP段)是否与当前时间相等,如相等则转向相应处理程序。在比较完成(或处理完成)后判断有无按键(PP2段),没有则返回继续显示、比较、判断;有按键则转向相应处理程序。按键转移采用偏移量加表格跳转转移法(KEY段),简单、明了。预置时间比较则采用逐一比较法,即对每一个预置值进行比较,如相等则做相应处理。具体比较时(COMP1段)先比较TH值,如不相等则直接转出并置“时间到”标志CCB为0,如TH、TM、TS全部对应相等,则置该标志为1。
本程序在显示及按键处理(设置过程)中巧妙使用R1寄存器作为公用地址寄存工具,对实时时间和预置时间的显示和修改调用同一程序完成,使源代码长度大大缩短,提高了程序的可读性和运行效率。在本刊的网站(www.eleworld.com)上给出了源程序,供读者参考。
4.制作与调试
(1)主板的制作与调试主板的制作稍微复杂一点。首先是制作印刷板,利用Protel99按照本文所示器件位置图放置好元器件,然后手动布线(双面),线宽为0.8mm左右,太宽做出的板子太大,太窄无法进行自制。绘好印制板图后转成BMP格式利用电脑刻字机镂空(要用进口的即时贴纸,不然容易断开),贴在双面敷铜板上,就可以用FeCl3腐蚀了。具体的制作方法这里不再赘述,但最好在印制板布线时做个阻焊层,同时在即时贴上刻出来,当板子制好清洗干净后敷在上面,用浅绿色油漆或清漆喷上薄薄的一层,好看又防腐蚀。
(2)元器件的选择 如果按照本文所附器件位置图布线的话,数码管需选用图示型号才能安装(5361BH,一拖三数码管),选用不同型号数码管时可能需修改器件位置参数,然后再布线即可;晶振为11.0592MHz ;S1～S5选用黑色小型轻触开关,S6则用红色同类型开关;变压器B选用15V、10W左右即可,V1硅堆应与B配合选用;控制继电器根据需要选用适合的型号,如5、12、24V等,如果选用5V的,相应的B、V1可选小一点的,7812则不要。如选用24V的,那么B、V1、7812、7805都需同时根据实际情况来选用;交流220V输出插座没有特殊要求,其耐压和通流符合受控器件要求即可。其它元器件选用通用的就行。
(3)焊接元器件元器件购回后应先进行预处理(引脚打磨、上焊锡),然后逐一焊接。在焊接MCU(当然2051要烧好程序后才能焊接)和其它集成电路时应使用有良好接地的烙铁(断电焊接也可),以免被击穿。由于双面印刷板存在一个穿孔问题,器件引脚穿过后,两面都要点上焊锡;如只是过孔,可用细铜线穿过并在两面焊接后剪掉即可。
在印刷板制作良好,连线没有不应有的开路或短路,且焊接没有虚焊的情况下,不用调试即可正常工作(本程序已制作成品并调试通过,不需再行调试)。如果您觉得自己制作的印刷板不够漂亮或太麻烦可联络凯思迪邮购(焊接好的整板也有),本刊网站有与凯思迪公司网站的链接。
(4)电源与控制板的制作 可以将电源与控制板做在同一个板子上,也可分开制作,视所使用的情况而定,但JP1与JZ1之间的连线不宜太长。印刷板的制作同前所述,要注意的是在布线时对220V市电进入和输出(包括中线)的线宽设计要宽一点(根据工作电流大小来定为好),还要注意市电与直流电源的隔离,以免在使用中造成触电事故。
5.操作使用
本系统在加电后数码管显示“00.00.00”,输出继电器均不动作,此时可直接按S1、S2、S3键分别对时、分、秒进行调整,使当前时间与北京时间相符,时间设置过程中将停止计时,在设置好后按S4退出,时钟即进入正常计时。如果要设置输出控制的预置时间则先按S5,数码管显示“95.95.95”,此时可再按S1、S2、S3键分别对第一路输出状态ON的时、分、秒进行设置,设好后再按一次S5键,数码管也显示“95.95.95”,然后按S1、S2、S3键则分别对第一路输出状态OFF的时、分、秒进行设置,依此类推,按第七次时退出设定。任一路任一状态被执行后其预置值即被清除,24小时后并不有效,如果需要每天循环执行则对程序进行简单的修改即可(预置值不清除就可)。
6.改进与扩展
本文所述的AT89C2051在控制输出时只使用了P3.0～P3.2三个口,所以只能控制三路六个状态,如果把不用的P1.0～P1.2三个口用起来,则可控制六路十二个状态,外围电路相应增加三路继电器,程序软件只需稍事修改即可。当然如果需要控制更多路输出状态,那么在使用锁存器、译码器、触发器等后最多可以扩展到控制26=64路128个状态。在对控制输出的路数要求不多,而显示部分需要比较多的情况下,如还要显示年月日、农历、星期等,只要对其进行扩展就可实现:P1.4～P1.7不动,选通端用两个138,输出口用P3.2～P3.5就有24=16个数码显示。这时仍然利用上述方法最多可扩展到控制25=32路64个状态。当然年月日、农历、星期的计算(如大月小月、闰年、闰月等)分别汇编相应的子程序插入即可,这方面的资料很多报刊杂志都有介绍,这里不再赘述。

摘自：《电子世界》2005年10期　作者：魏军丞

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