基于单片机的数码管定时插座设计与定时开关功能构建

基于单片机的数码管定时插座设计与定时开关功能实现

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1. 系统功能概述

本系统设计的目标是开发一款基于单片机的智能定时插座，能够通过数码管显示当前时间，并允许用户通过按键设置定时开关时间，实现插座的自动通断控制。系统以DS1307实时时钟芯片为核心时钟模块，确保时间显示与定时功能的精确性，通过单片机读取时钟数据并进行逻辑判断。当系统检测到当前时间与设定时间相等时，自动驱动继电器吸合，实现插座电源的自动控制。

该系统具有结构简单、功能实用、界面直观、功耗低等优点，适用于家庭电器自动控制、定时充电、照明系统定时开关等场合。通过按键可灵活调整当前时间及定时开关时间，系统运行状态通过数码管实时显示，让用户对时间和定时状态一目了然。

系统的主要功能包括：

1. 时间显示功能：利用数码管实时显示当前时、分、秒。
2. 时间调整功能：通过按键修改系统的实时时间。
3. 定时功能：用户可设置“开机时间”和“关机时间”，到达设定时间后自动切换继电器状态。
4. 继电器控制：通过单片机输出信号控制继电器吸合或断开，实现插座的通电与断电。
5. 掉电保存功能：DS1307自带后备电池接口，即使主电源断开，仍能保持时间的连续性。

系统基于STC89C52单片机设计，外围电路由时钟模块、显示模块、按键输入模块、继电器控制模块和电源模块组成，结构清晰、逻辑严谨、控制可靠。

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2. 系统电路设计

系统电路主要分为五个部分：单片机最小系统电路、时钟模块（DS1307）、数码管显示模块、按键控制模块、继电器控制模块。以下将对各模块的设计原理与作用进行详细说明。

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2.1 单片机最小系统设计

本系统采用 STC89C52 单片机 作为核心控制器。STC89C52 具有强大的控制能力、稳定的性能以及丰富的I/O接口资源，能够很好地满足系统的定时显示与控制要求。

最小系统主要包括晶振电路、复位电路与电源电路：

• 晶振电路：采用 12MHz 晶振与两颗30pF电容构成振荡电路，提供单片机运行时钟。
• 复位电路：由电阻、电容和复位按键组成，保证上电时单片机能正常复位。
• 电源电路：系统使用5V直流电源，供单片机、DS1307、显示模块及继电器驱动模块使用。

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2.2 DS1307实时时钟模块设计

DS1307是一款低功耗实时时钟芯片，通过I2C总线与单片机通信，可提供年、月、日、时、分、秒等时间信息。其内部自带32.768kHz晶振接口，并支持备用电池输入，保证断电后时间仍然保持正确。

在本系统中，DS1307的SCL和SDA分别连接到单片机的P2.0和P2.1口，通过I2C总线实现数据通信。

• DS1307每秒自动更新时间数据；
• 单片机周期性读取时分秒信息；
• 若检测到时间到达设定的定时开关点，则输出控制信号驱动继电器。

此外，DS1307内部采用BCD码存储时间数据，读取后需进行转换才能进行显示或比较。

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2.3 数码管显示模块设计

系统采用 六位共阳极数码管 作为时间显示装置，用于显示当前的时、分、秒信息。显示格式为：

HH:MM:SS

其中：

• 前两位显示小时；
• 中间两位显示分钟；
• 后两位显示秒钟；
• “:”符号通过LED闪烁表示时间动态变化。

由于数码管的引脚较多，为节省单片机I/O口资源，采用动态扫描显示方式。单片机快速切换数码管的位选与段选信号，在人眼视觉暂留作用下实现完整显示效果。

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2.4 按键输入模块设计

系统共设置四个按键，实现时间与定时设置的交互功能。
按键功能定义如下：

1. MODE键：切换当前设置模式（正常显示 / 设置当前时间 / 设置定时开关时间）。
2. ADD键：在设置模式下，增加当前选定时间值（如小时、分钟）。
3. SUB键：在设置模式下，减少当前时间值。
4. SET键：切换设置位（时→分→秒→退出设置）。

按键采用上拉电阻接法，按下时输入低电平。程序中通过轮询检测并加入软件消抖处理，确保操作准确。

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2.5 继电器控制模块设计

继电器模块用于控制插座电源的通断，其输入端连接单片机的控制引脚P3.5，经三极管放大后驱动继电器线圈吸合。

控制逻辑如下：

• 当当前时间等于设定的“开机时间”时，单片机输出高电平，使继电器吸合，插座通电；
• 当当前时间等于设定的“关机时间”时，输出低电平，继电器释放，插座断电。

继电器输出端可直接连接220V电器（例如台灯或充电器），但需通过光耦隔离与保护电路，保证系统安全运行。

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2.6 电源模块设计

系统电源采用5V稳压电源，核心部分由7805稳压芯片组成。
电源部分为单片机、DS1307、数码管、按键和继电器供电。其中继电器部分因电流较大，需单独加电容滤波与续流二极管保护，防止反向电动势损坏驱动三极管。

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3. 系统程序设计

本系统程序设计主要包括以下几个部分：

1. 主控制程序；
2. DS1307时钟读取与设置程序；
3. 按键检测与功能选择程序；
4. 数码管动态显示程序；
5. 定时控制逻辑程序；
6. 继电器驱动程序。

下面对各部分进行详细介绍。

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3.1 主程序设计

主程序主要负责系统初始化与整体逻辑控制，包括初始化I/O口、定时器、DS1307以及显示刷新。主循环持续执行时间读取、按键扫描与继电器控制。

#include <reg52.h>
  #include "ds1307.h"
  #include "display.h"
  #include "key.h"
  #include "relay.h"
  unsigned char hour, minute, second;
  unsigned char set_mode = 0; // 0:显示 1:设置时间 2:设置定时
  void main() {
  system_init();
  while(1) {
  read_time(&hour, &minute, &second);
  key_scan();
  display_time(hour, minute, second);
  relay_control(hour, minute);
  }
  }

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3.2 DS1307时钟模块程序设计

DS1307通过I2C通信，程序需实现I2C起始、写入、读取等基本操作。读取到的BCD格式时间需转换为十进制显示。

void read_time(unsigned char *h, unsigned char *m, unsigned char *s) {
I2C_Start();
I2C_Write(0xD0); // DS1307写地址
I2C_Write(0x00); // 起始寄存器
I2C_Start();
I2C_Write(0xD1); // 读地址
*s = BCD_to_DEC(I2C_Read_ACK());
*m = BCD_to_DEC(I2C_Read_ACK());
*h = BCD_to_DEC(I2C_Read_NACK());
I2C_Stop();
}

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3.3 按键功能程序设计

按键扫描采用软件消抖方法，每次检测低电平后延时20ms确认。按键状态控制系统模式与时间值调整。

void key_scan() {
if(MODE_KEY == 0) {
delay_ms(20);
if(MODE_KEY == 0)
set_mode = (set_mode + 1) % 3;
while(MODE_KEY == 0);
}
if(ADD_KEY == 0) {
delay_ms(20);
if(ADD_KEY == 0)
time_increase(set_mode);
while(ADD_KEY == 0);
}
if(SUB_KEY == 0) {
delay_ms(20);
if(SUB_KEY == 0)
time_decrease(set_mode);
while(SUB_KEY == 0);
}
}

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3.4 数码管动态显示程序设计

采用定时器中断驱动扫描显示，刷新频率约5ms，防止闪烁。显示内容根据模式切换显示当前时间或设置时间。

void display_time(unsigned char h, unsigned char m, unsigned char s) {
unsigned char num[6];
num[0] = h / 10;
num[1] = h % 10;
num[2] = m / 10;
num[3] = m % 10;
num[4] = s / 10;
num[5] = s % 10;
show_digit(num);
}

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3.5 定时控制程序设计

系统提供一个定时开机时间与定时关机时间变量，通过比较当前时间与设定值来实现继电器控制。

unsigned char on_hour = 8, on_min = 0;
unsigned char off_hour = 22, off_min = 0;
void relay_control(unsigned char h, unsigned char m) {
if(h == on_hour && m == on_min)
RELAY = 1;
else if(h == off_hour && m == off_min)
RELAY = 0;
}

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3.6 继电器驱动程序设计

继电器通过三极管控制，其控制端口输出高电平时吸合，低电平时断开。

sbit RELAY = P3^5;
void relay_init() {
RELAY = 0;
}

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4. 系统运行与结果分析

系统上电后，数码管立即显示当前时间，DS1307开始提供时钟数据，秒钟动态递增。通过MODE键进入设置模式，用户可调整时间或设定定时任务。设定完成后返回主界面，系统自动运行定时功能。

当时间到达设定的开机时间时，继电器自动吸合；当时间到达设定的关机时间时，继电器断开，从而实现插座通断电控制。
系统测试结果表明：

• 显示稳定清晰；
• 按键响应准确；
• 定时功能可靠；
• 断电后时间保持正常。

该设计实现了定时插座的智能化与自动化，具有实用性与扩展性，可进一步扩展为多时段定时控制或温控+定时复合型插座系统。