1、家庭安全用电控制系统设计摘要本设计是利用8051单片机芯片技术，结合8255可编程并行I/O接口扩展芯片和HD44780字符液晶显示模块及ISD2560语音芯片的家庭安全用电控制装置。以电磁感应线圈和变压器的输出电压为检测用电发生漏电、过载、短路和超压故障时的电压信号，由TA7666 电压比较集成电路把信号电压分为5个级别，利用8051单片机芯片进行电压PID控制，运用 HD44780字符液晶显示模块和ISD2650语音芯片，使其具有字符显 示和语音提示功能，在 严 重故障时又能自动提前跳闸。该设计可实现家庭用电的安全状态监测，非安全状态下的字符和语音提示以及严重故障时自动提前跳闸的功能。关键
2、词： 8051单片机芯片；HD44780字符液晶显示模块；ISD2560语音芯片Home security to use electric control system designAbstractThis design is the use of the 8051 MCU technology, combined with HD44780 character LCD module and the ISD2560 speech chip power control device home security. Uses output voltage of the electromagnetic
3、induction coil and transform -er as voltage signal of the examination family has the leakage, the overload, the short circuit and presses when the breakdown, voltage comparator integrated cir -cuits to the TA7666 is divided into five levels of signal voltage, through 8051 MCU controlling, utilizes t
4、he HD44780 character LCD module and the ISD2560 speech chip, enables it to prompt the character and the voice, when serious failu -re can automaticly advance trip. To change the unitary function of leakage pro -tector and the overload protector, the breakdown appears when short comings and so on any
5、 prompt, make the family electricity safer and reliabler.Keywords：8051 MCU controlling; HD44780 character LCD module; ISD2560 speech chip目录1 绪论 .11.1 安全用电控制系统的定义 .11.2 家庭安全用电控制系统的介绍 .11.3 传感器技术的应用、发展现状及本设计的意义 .21.3.1 传感器技术的应用和发展现状 .21.3.2 本设计的意义 .32 家庭安全用电控制系统硬件设计 .32.1 硬件组成及原理图 .32.1.1 8051 单片机 .42
6、.1.2 8255 可编程接口扩展芯片 .52.1.3 ISD2560 语音芯片 .72.1.4 HD44780 字符液晶显示模块 .72.1.5 磁感线圈 .92.2 检测系统设计 .102.3 5V 稳压电源 .102.4 过载故障保护电路工作原理 .132.4.1 升压变压器 .142.4.2 电磁开关 .142.5 超压保护电路工作原理 .153 家庭安全用电控制电路设计 .163.1 系统电路原理总图 .163.2 语音芯片与 8051 相结合的设计与实现 .173.3 HD44780 与单片机的接口电路 .193.4 电压信号的 PID 控制 .214 软件设计 .214.1 主程
7、序设计总述 .214.2 过载保护电压比较软件设计 .234.3 超压保护电压比较软件设计 .24结 论 .25参考文献 .26谢 辞 .2711 绪论1.1 安全用电控制系统的定义安全用电控制系统是一种安装在家庭用电线路上，用来检测家庭用电的安全性，自动检测并控制的装置，是家庭用电的保护神。它与家庭用电的电路配接在一起，从而可以起到检测 安全隐患、自 动控制断电 ，以达到保 护电路的目的。1.2 家庭安全用电控制系统的介绍对于电网短路和线路故障检测保护已有不少研究，市面上的电器短路、过载、超压的保护器功能单一，容易 损坏，没有提示功能，不 够人性化。随着人们生活水平的不断提高，用电设备 也不
8、断增加， 产生了盲目用 电现象， 这给人们造成极大的安全隐患。其中危害性最大的用电故障有三种：输入电压过高、室内线路严重过载、用 电器短路。本文设计的家庭安全用电控制系 统的目的就是为了防止这三种故障带来的危害，并且克服了以往保护器功能单一的缺点，电气线路的常见故障有：绝缘损坏、接触不良、过负荷、断线、 间距不足、保护导体带电等，这些故障都有可能导致停电、触电 、火灾等多种事故。绝缘损坏后依据损坏程度的不同，可能出现短路、漏电这两种危害。 绝缘完全损坏将导致短路。短路时 ，流 过线路的电流增大为 正常工作电流的数倍到数 10倍，而导线 的发热量又与电 流的平方成正比， 导致发热 量急剧增加，短
9、 时间就可能起火燃烧；发生弧光放电，高温电弧可能灼伤附近的人员，也可能直接引起火灾；此外，在短路状态下，一些裸露导体将带有危险 的故障电压，可能 给人以致命的电击。如 绝缘未完全损坏，将导致漏电，漏电是电击 事故最常见的原因。此外，漏电处局部发热，局部温度 过高可能直接导致火灾，也可能使绝缘进一步损坏，形成短路，引起火灾。如果导体接地，由接地 电流产 生的热量和电弧，在接地处有可能导致起火燃烧。接触不良造成连接处接触电阻增大，在电流的作用下产生热量，可以使金属变色甚至熔化，很容易成为火源，引发电气线路的绝缘层、附近的可燃物及积沉的可燃粉尘的燃烧。过负荷时，由于电线的发热量与电流的平方成正比，发
10、热量往往超过 允许限度， 轻则加速绝缘 老化，重 则会使绝缘层燃烧而引起火灾事故。过载还会增大线路上的电压损失。断线可能造成接地、混 线及短路等多种事故，导线断落在地面或接地导体上，可能导致电击事故；导线断开或拉脱时产生的电火花以及架空线路导线摆动跳动时产生的电火花，均可引燃邻近的可燃物。此外，三相线路断开一相将造成三相 设备不对称运行，可能 烧坏设备；中性线( 工作零线) 断开也可能造成负载三相电压不平衡，烧坏用电设备。1.3 传感器技术的应用、发展现状及本设计的意义21.3.1 传感器技术的应用和发展现状传感器技术是实现测试和自动控制的重要环节。它的主要特征是能准确地传递和检测出某一形态的
11、信息，并将它转换成另一形态的信息。随着科学技术的迅猛发展,其越来越广泛的应用于科学技术的各个领域。传感器是一种检测装置，是实现自动检测和自动控制的首要环节。它能感受到被测量的信息，将检测感受到的信息，并按照一定的规 律转换成可用输出信号，来满足信息的传输、 处理、存储、显 示、 记录 以及控制等的要求。随着人类探知 领域的不断深入，各种信息的传递速度将越来越快，处 理信息的能力也将越来越强，因此，就要求相 对应的信息采集传感技术也要跟上发展的步伐，这也就决定了传感器将越来越被广泛运用、无处不在。在国外，光电传感器技术已广泛地运用到各国军事技术、航空航天、 检测技术以及车辆工程等诸多领域。例如，
12、军事上，国外激光制导技术迅猛发展，使导弹发射的精度和射中目标的准确性大幅度提高；美国在航空航天领域，研制出了新型高精度高耐性红外测温传感器，使其在恶劣的环境中仍能高精度测量出运行中的飞行器各部分温度；国外的城市交通管理也大多运用电子红外光电传感器进行路段事故检测和故障排解的指挥；同时，国外现有汽车中常装载有新型光电传感器，如激光防撞雷达、红外夜视装置、测量发动 机燃料特性、压力变化并用于导航的光纤陀螺等。我国在 传感器技术研究方面，正在逐渐缩小与国外的差距，一批基于 MEMS 技术的新型 传感器正在进入市场，在各领域中不断拓宽应用范围，设计 技术、材料控制技术、生产技术、可靠性技术和测试技术不
13、断发展成熟，量产能力逐步提高。在市场竞争日趋激烈的条件下，我国生产的传统传感器，如力学量传感器、气体传感器、温度传感器、光学传感器、电压敏传感器，产销形势稳中有升，不仅在国内市场的份额逐步增长， 还同时满足了部分国外市场的需求。在实际的工业生产中，在各个需要监控的指 标点安装传感器可以更加方便的监控所需要的指标，并且通过中控系统来进 行调节，在生 产上实现自 动化得目的。在国内 传感器产业中形成了一批骨干研发及生产单位。同时，由于改革开放，国内巨大的 传感器应用市场，引来了各国厂商，如西门子、日本横河公司、美国霍尼韦尔公司、日本欧姆龙公司、美国邦纳、芬兰维萨拉公司等， 这些国外公司占据了中国
14、传感器市场重要份额。当前，我国传感器产业正处于由传统 型向新型传感器发展的关键阶段，它体现了新型传感器向微型化、多功能化、数字化、智能化、系统化和网络化发展的总趋势。31.3.2 本设计的意义本设计避免了复杂的传感器，而选用了较为简单且方便处理的硬件集成传感器系统，其原理是在供电 的电线旁安置两个串联的电磁感应线圈（形状为矩形）来获取由导线电流变化产生的信号电压。该系统能较方便且灵敏的检测出电压变化，简单 易行。2 家庭安全用电控制系统硬件设计2.1 硬件组成及原理图家庭安全用电控制系统的硬件分别是：由降压变压器、二个相互串联的感应线圈、升 压变压器、电磁开关、 5V稳压电源、超 压过 流信号
15、获取比较电路、可编程接口扩展芯片8255、HD44780 字符液晶显示模块、 ISD2560语音芯片、 扬声器和电容电阻等元器件组成，系统 使用一片8051为控制芯片。控制和提示系统的基本电路如图2.1所示。图2.1 家庭安全用电控制系统原理42.1.1 8051单片机8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。其主要由中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、串行接口、并行I/O接口、定 时/ 计数器、中断系统等几大单元，以及数据总线、地址总线和控制总线组成。 8051是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只 读存储器（FPEROMFalsh Prog
16、rammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造。由于将多功能8位CPU和闪烁存 储器组合在单个芯片中，ATMEL 的8051是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系 统提供了一种灵活性高且价廉的方案。此外， 8051设有稳态逻辑，可以在低到零 频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结 振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
17、VCC：供电电压 。 GND：接地。 P0 口：P0 口为一个 8 位漏 级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当P1 口的管脚第一次写 1 时 ，被定 义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/ 地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时 ，P0 输出原码，此 时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉 电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作 输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将 输出电流， 这是
18、由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉 电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校 验时接收高八位地
19、址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作 为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示：5P3.0（ RXD）（串行输入口）P3.1 （TXD）（串行输出口）P3.2（ /INT0）（外部中断 0）P3.3（ /INT1）（外部中断 1）P3.4 （T0）（记时器 0 外部输入）P3.5 （T1）（记时器 1 外部输入）P3.6 （/WR）（外部数据存储器写
20、选通）P3.7 （/RD）（外部数据存 储器读选通）P3 口同时为闪烁编 程和 编程校验接收一些控制信号。RST：复位输 入。当振 荡器复位器件 时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址 锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 FLASH 编 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时，ALE 只有
21、在 执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执 行状态 ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的 选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA 保持低电平时， 则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存 储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储 器。在 FLASH 编程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP）。X
22、TAL1：反向振 荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振 荡器的输出11 。2.1.2 8255可编程接口扩展芯片8255是一种通用的可编程并行I/O接口芯片，它是为Intel系列微处理器设计的配套电路，也可用于其他微 处理器系统中。通 过对 它进行编程，芯片可以工作于不同的工作方式。在微型计算机系统中，用 8255作 为接口时，通常不需要附加外部逻辑电路就可以直接为CPU与外设之间提供数据通道，因此它得到极为广泛的应用。 8255作为主机与外 设的连接芯片，必 须提供与主机相连的3个总线接口，6即数据线、地址线、控制线接口。同 时必须具有与外 设连接的接口A、B、 C
23、口。由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。 (1)一个并行 输入/输出的 LSI芯片，多功能的 I/O器件，可作为CPU总线与外围的接口。 (2)具有24个可 编程设置的I/O口，即3组8位的I/O口为PA口，PB口和PC口.它们又可分为两组12位的I/O口，A组包括A口及C口(高4位，PC4PC7)， B组包括B口及C 口( 低4位，PC0PC3).A组可设置为基本的I/O口，闪控(STROBE)的I/O闪控式，双向I/O3 种模式；B 组只能 设置为基本I/O或闪控式I/O两种模式，而这些操作模式完全由控
24、制寄存器的控制字决定。RESET:复位输入线，当该输 入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O 口均被置成输入方式。 CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，允 许8255与CPU进行通讯;/CS=1时， 8255无法与 CPU做数据传输。RD:读 信号线，当这个输入引脚 为低电平时，即/RD=0且/CS=0时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即 CPU从8255读取信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时，即 /WR=0且/CS=0时，允 许CPU将数据或控制字写入8255。 D0D7:三
25、态双向数据总线，8255与CPU 数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8 位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 PA0PA7:端口A输入输出线，一个 8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 PB0PB7: 端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 PC0PC7: 端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C 可以通过工作方式设定而分成 2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口 B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。 A1,A0:地址选择线，用来选择 8255的PA 口，PB口，PC口和控制寄存器。当A1=0,A0=0 时,PA口被选择；当A1=0,A0=1 时,PB口被选择； 当A1=1,A0=0 时,PC口被选择； 当A1=1,A0=1 时,控制寄存器被选择。
