用单片机制作的定时开关控制器

魏军丞

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。