微控制計時器之設計與實現 陳宏明 1,a, 梁世諺 1,b, 趙介雷 1 建國科技大學電子工程系 a steven@ctu.edu.tw, b av30029@yahoo.com.tw, *c jaw@ctu.edu.tw 1c* 摘要 本論文主要目的是以單晶片微電腦完成多組計時器之設計與製作 其主要特色是設計單晶片微電腦 PIC18F4520 為控制核心, 以計時模組及 LCD 顯示器作顯示完成微控制計時器之設計 並搭配萬年曆 IC DS1302, 使得微控制計時器之設計透過 LCD 顯示器得以持續顯示準確的時間, 方便使用者得知準確時間, 並進行設定時間的動作 另外也推動多個繼電器來控制家庭電器用品正常啟動或關閉, 進而達到可同時控制多種家電用品之目的 關鍵詞 : 單晶片微電腦 計時模組 繼電器 萬年曆 DS 1302 1. 前言 由於科技進步, 微電腦控制系統儼然已成為工業界之生產設備與測試設備之主要核心 而半導體製程技術的進步已能將組成微電腦的中央處理單元 記憶體單元 及 I/O 單元之電路整合在單顆晶片上, 實現了單晶片微電腦的設計 因此要完成小體積大功能控制之設備產品不再是夢想 早期的工業革命開始人類的用電需求大幅增加, 電費也大幅的增加 一般的計時器, 往往一個計時器只能控制一種家庭電器, 不但沒辦法滿足消費者多方面節能的需求, 而且市面上的計時器價格非常昂貴, 若能以單晶片微電腦 PIC18F4520 來製作微控制計時器之設計, 來控制多種家電用品, 不但可以滿足消費者的需求, 也與現在的政府推動的節能減碳的方案, 可以大幅的減少許多不必要的能源浪費, 又可以大幅減少成本的問題 現今工業一片節能聲浪四起主因是全世界能源短缺, 為求減少家庭電費的支出, 又可以達到節能減碳的需求 因此本論文主要目的是以單晶片微電腦 PIC18F4520 為控制核心完成微控制計時器之設計與實現 以計時器及 LCD 顯示器作顯示完成微控制計時器設計, 並搭配 DS1302 萬年曆 IC, 在電源不穩或是斷電時使得微控制計時器得以持續顯示準確的時間, 方便使用者得知準確時間, 並進行設定時間的動作 另外也以計時器推動多個繼電器來控制家庭電器用品是否啟動或關閉, 進而達到同時控制多種家電用品之目的 2. 微控制計時器之設計與原理 2.1 微控制計時器之系統架構 本論文主要是以單晶片微電腦 PIC18F4520 為控制核心, 由計時器及中斷方式輸出 I/O 推動繼電器運作, 搭配 LCD 顯示器完成控制家電用品與顯示之功能 另外, 也以萬年曆 IC DS1302 透過 LCD 顯示器來持續顯示準確時間, 使其可看出控制家電用品之效果 如錯誤! 找不到參照來源. 所示, 圖左上方是 LCD 顯示器, 顯示螢幕中的左上是現在時間, 左下是可選擇之繼電器組別, 右上是西元年及月分, 右下則是日期及星期, 圖左下是矩陣鍵盤, 矩陣鍵盤中的 0~9 為數字鍵 A~F 為功能鍵,A 鍵是模式切換,B 鍵是關閉模式,C 鍵是清除時間,D 鍵是返回選單, E 鍵是確定時間,F 鍵是切換時間 圖右則是微控制計時器的實體圖, 使用者可以透過矩陣鍵盤分別控制 3 組繼電器的開啟與關閉 2.2 微控制計時器之描述 圖 1. 微控制計時器之示意圖 圖 2 所示之系統方塊圖, 當微控制計時器啟動時, 電源輸入經由 AC to DC 電源轉換供給 PIC18F4520 單晶片微電腦 當斷電情況下, 透過 DS1302 的備用電池, 可以獲得準確的時間 透過 LCD 來顯示時間時, 使用者可透過矩陣鍵盤選擇繼電器組別, 並進行設定時間 單晶片微控制器 PIC18F4520 則會由 I/O 接腳推動 3 組繼電器, 使用者可各別設定時間, 各別驅動繼電器, 1234
以達到控制家電設備及節能之效果 圖 2. 系統方塊圖 2.3 微控制計時器之動作說明 圖 3. 所示為計時器之操作步驟流程, 當使用者啟動微控制計時器時,LCD 顯示器會顯示可選擇之繼電器組別, 使用者可使用矩陣鍵盤選擇組別 當使用者選擇第一組繼電器時, 每組繼電器組別都有兩組時間, 使用者可用矩陣鍵盤設定 設定第一組的啟動時間與關閉時間, 使用者也可以設定第二組啟動時間與關閉時間 當第一組繼電器組別設定完畢時, 系統會進入比對時間, 當啟動時間與實際時間吻合時, 繼電器將會被啟動, 反之關閉時間與實際時間吻合時, 繼電器將會被關閉 ~5.5V 採用三線接口與 CPU 進行同步通信, 並可採用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或 RAM 數據 當使用者需讀出時間時,DS1302 的 RST 腳必須輸出 1 SCLK 腳須為正緣觸發 此時 IO 腳前 8 位元必須搭配 DS 1302 暫存器位址 / 定義圖, 如圖 5. IC DS 1302 暫存器位址 / 定義圖所示 例如 : 當使用者需讀出秒的時間時, 則 IO 前 8 位元需填入 0x81 後,SCLK 變為負緣觸發時, 後 8 位元則為準確的時間 當使用者需寫入時間時,DS1302 的 RST 腳必須輸出 1 SCLK 腳須為正緣觸發, 此時 IO 腳前 8 位元必須搭配 DS 1302 暫存器位址 / 定義圖, 如圖 5. IC DS 1302 暫存器位址 / 定義圖所示 例如 : 當使用者需寫入秒的時間時, 則 IO 前 8 位元需填入 0x80 後,SCLK 維持正緣觸發時, 後 8 位元則為使用者將正確的時間寫入 DS1302 內, 如圖 4. 為 DS1302 的狀態時序圖 當計時器在不斷電的情況下, 電源端會一直供電 DS1302 使用, 並對備用電池做充電的動作 ; 則計時器在斷電的情況下會由備用電池來做供電使用, 如圖 6. IC DS 1302 實體圖 圖 4. DS1302 的狀態時序圖 圖 3. 微控制計時器操作步驟流程 2.4 萬年曆 IC DS1302 之描述 圖 5. IC DS 1302 暫存器位址 / 定義圖 萬年曆 IC DS1302 [3] 是美國 DALLAS 公司所推出的一種高性能 低功耗 帶 RAM 的時鐘電路, 它可以對年 月 日 週日 時 分 秒進行計時, 具有閏年補償功能, 工作電壓為 2.5V 1235
路圖 圖 6. IC DS 1302 實體圖 2.5 PIC18F4520 單晶片之說明 本論文是以 PIC18F4520 [2] [5] [6] 單晶片微電腦為控制核心達到即時感測與量測之效果 其中單晶片微電腦為 8 位元微控制器, 共有五組輸入 / 輸出埠 (PORTA~PORTE), 可使用 DC-40MHZ 的震盪器或時序輸入, 具有高達 32K 位元組的線性程式記憶體定址, 和 1.5K 位元組的線性資料記憶定址, 並有多達 256 位元組的 EEPROM 資料記憶體位置, 以及 10MIPS 的操作速度 共有三組外部中斷 四組計時器 / 計數器 (Timer0~Timer3) 模組 兩組輸入捕捉 / 輸出比較 / 波寬調變 (CCP) 模組, 可增強行抓取 / 比較 / 脈衝寬度調製, 和主同步串列埠模組與增強型可定址非同步串列傳輸模組, 並有高達 13 組 10 位元類比 / 數位轉換 雙重類比比較器和多工輸入等功能 圖 7. 為 PIC18F4520 之腳位圖 圖 8. 電源轉換供應電路圖 3. 微控制計時器之電路設計 3.1 微控制計時器之硬體電路 本論文主要是以單晶片微電腦 PIC18F4520 為控制核心, 由計時器及中斷方式推動繼電器運作, 搭配 LCD 顯示器完成控制家電用品與顯示之功能 圖 9 為本計時器之硬體電路圖, 圖中 1 為 LCD 顯示器電路圖, 其資料腳之腳位為 RD0~RD3, 控制腳為 RD4 RD5 及 RA2; 圖中 2 為連接 IC DS1302 排針埠, 其腳位為 5V GND RB0~RB2 ; 圖中 3 為矩陣鍵盤, 其腳位為 RC0~RC7; 圖中 4 為繼電器驅動電路, 其腳位為 RB3~RB5; 圖中 5 則為 AC to DC 電源轉換電路圖 圖 7. PIC18F45205 之腳位圖 2.6 電源轉換之說明 電源變壓器幾乎在所有的電子產品中都要用到, 它原理簡單但根據不同的使用場合變壓器所繞的線圈數會有所不同的要求 電源變壓器是一種變換交流電的靜止電氣設備, 本作品的變壓器是 AC110V 轉換成 AC12V, 經橋式整流變成 DC12V 後, 再經過穩壓 IC7805 將電源穩壓為 5V 後由電容器進行濾波的動作再給 PIC18F4520 DS1302 做供電的使用, 圖 8 為電源轉換供應電 圖 9. 計時器之硬體電路圖 1236
圖 10. 為本論文硬體電路之實體圖, 圖中 1 為 AC to DC 電源轉換部分, 圖中 2 為 LCD 顯示器之杜方頭排針埠部分, 圖中 3 為本專題使用之單晶片 PIC18F4520, 圖中 4 為繼電器, 圖中 5 為連接萬年曆 IC DS1302 的排針埠 PIC18F4520 的 RB3~RB5 的腳位來推動繼電器電路, 控制家電用品, 圖 12. 為繼電器電路圖 圖 12. 繼電器電路圖 4. 微控制計時器之功能介紹 4.1 微控制計時器之流程動作 圖 10. 本專題之硬體實體圖 3.2 萬年曆 IC DS1302 電路設計 DS1302 電路設計主要是由 IC DS1302 32.768HZ 的震盪器 陶瓷電容 22pF 3.3V 的電池所組成 圖 11 為 DS1302 的基本電路圖,SCLK 腳 IO 腳 RST 腳, 這 3 隻腳分別連接到 PIC18F4520 的 RB0~RB2, 使用者可透過 RB0~RB2 來控制 DS1302 的讀取或寫入的動作 +5 V V cc C2 1 0 p C3 1 0 p R1 3 3 0 Y1 3 2.7 8 6 C1 1 0 4 +5 V G ND 1 2 3 4 D3 LE D U4 V cc2 X1 X2 G ND DS 130 2 J3 1 2 3 4 5 C ON 5 V cc G ND R B2 R B1 R B0 V cc SC LK I/O R ST 圖 11. DS1302 的基本電路圖 3.3 繼電器驅動電路設計繼電器 [4] 驅動電路是由電晶體 1815 AC110V 插座 電阻 二極體 1N4007 繼電器所組成,3 組的電晶體分別連接至 PIC18F4520 的 RB3~RB5 的腳位, 使用者可由單晶片 8 7 6 5 R2 1 0 k +5 V R3 1 0 k R4 1 0 k R B2 R B1 R B0 B T1 3.3V 本微控制計時器在電源開啟時, 單晶片會進入選單模式, 此時只有按鍵 1~ 按鍵 3 會有動作 當按鍵 1~ 按鍵 3 沒有被按下時, 單晶片會讀取準確的時間, 並透過 LCD 作顯示 假設按鍵 1 被按下時,LCD 顯示準確時間 繼電器組別 時段與現在的模式 矩陣鍵盤中的按鍵 0~9 為數字鍵作為設定時間使用 按鍵 A~F 為功能鍵,A 鍵是模式切換,B 鍵是關閉模式,C 鍵是清除時間, D 鍵是返回選單,E 鍵是確定時間,F 鍵是切換時段 當使用者設定好時間時, 按下 E 鍵則可設定開啟時間與關閉時間 當模式在比對模式時, 則計時器會進行時間比對的功能, 與開啟時間比對吻合時, 則推動繼電器導通電源, 此時計時器會繼續比對關閉的時間, 與關閉時間吻合時, 則推動繼電器斷開電源, 以達到自動開啟與關閉家電的功能 ; 當計時器與開啟的時間還沒有吻合時, 使用者可按一下 A 按鍵, 可將模式變成強制開啟的模式, 可強制推動繼電器開啟家電的功能 ; 當計時器與開啟時間吻合, 則推動開啟繼電器時, 使用者可按兩下 A 按鍵, 可將模式變成強制關閉的模式, 可強制推動繼電器關閉家電的功能 如果使用者須重新設定時間時, 可按 C 按鍵來清除設定的時間, 當使用者須設定第二組時段可按一下 F 按鍵, 即可設定第二組時段當使用者不想用到該繼電器時, 可按一下 B 按鍵, 可將該繼電器的時段全部關閉與模式關閉 當使用者想設定別組繼電器時, 可按一下 D 按鍵回到選單模式, 來選擇其他繼電器組別, 進行設定的動作 本微控制計時器之軟體控制流程如圖 13. 所示 1237
圖 16. 未到達啟動時間 圖 17. 使用者可按下 A 鍵強制啟動裝置 4.4 微控制計時器之強制關閉模式 本控制器當進入強制關閉模式時, 以驅動電風扇為範例, 當使用者所設定的關閉時間還沒與實際時間吻合時, 電扇啟動, 如圖 18 所示 而使用者想要關閉電源則可以按兩次 A 鍵強制關閉電源, 電扇即刻關閉, 如圖 19 所示 圖 13. 微控制計時器軟體設計流程圖 4.2 微控制計時器之比對模式 首先以控制燈炮來說明, 本控制器進入比對模式時, 使用者可以對家電進行設定自動開啟與自動關閉時間, 當實際時間與設定開啟時間吻合時, 燈泡就會亮起, 如圖 14. 當實際時間與設定關閉時間吻合時, 燈泡就會關閉, 如圖 15 所示 圖 14. 當啟動時間與實際時間吻合, 將會自動啟動 圖 15. 當關閉時間與實際時間吻合, 將會自動關閉 4.3 微控制計時器之強制開啟模式 圖 18. 未到達關閉時間 圖 19. 使用者可按下 A 鍵強制關閉裝 4.5 微控制計時器之斷電記憶模式 本控制器當停電或拔除插頭時, 微控制計時器會進入斷電狀態, 由於 PIC18F4520 內部的 EEPROM, 使用者可以不用擔心設定之資料遺失, 當停電狀態解除或使用者將微控制計時器繼續通電, 微控制計時器則會依斷電前使用者之設定資料, 繼續動作 PIC18F4520 之內部 EEPROM 有 256Bytes 圖 20. 所示, 在斷電之前, 其時間為 14:08:17 圖 21. 所示, 本計時器呈現斷電狀態, 其斷電之時間為 12 秒 圖 22. 所示, 當復電後能正常動作, 其復電後時間為 14:08:29, 顯示記憶斷電模式可以正常運作執行 本控制器當進入強制開啟模式時, 以控制手機充電為例子說明, 當使用者所設定的開啟時間還沒與實際時間吻合時, 手機沒電, 如圖 16. 而需要用到電源使用者可以按下 A 鍵強制開啟電源, 手機開始充電, 如圖 17. 圖 20. 所示, 在斷電之前, 其時間為 14:08:17 1238
圖 21. 所示, 斷電 12 秒 [4] 繼電器簡介 http://www.google.com.tw/imgres?imgurl=http: //lh5.ggpht.com/_ap9eed9k-fg/ty13l3qwcdi /AAAAAAAAEB4/v41KtGnUMO8/image_thu mb14.png%3fimgmax%3d800&imgrefurl=http ://coopermaa2nd.blogspot.com/2011/03/blog-po st_26.html&h=400&w=561&sz=47&tbnid=yhf a93wp0vy8sm:&tbnh=91&tbnw=127&zoom=1 &usg= dux3ukfglbqv7ky-txfxvkecfao= &docid=xu6bd4n0smrncm&sa=x&ei=cdwc UufvPMLDlAXI9YDwBA&ved=0CDMQ9QE waq [5] 林偉政,PIC18F4520 微控制器第二版, 全華圖書股份有限公司,2012 年 [6] 曾百由, 微處理器原理與應用 C 語言與 PIC18 微控制器第二版, 五南圖書出版股份有限公司,2007 年 圖 22. 所示, 復電後時間為 14:08:29 5. 結論與建議 本論文主要目的是以單晶片微電腦為控制核心完成微控制計時器之設計與製作 其主要特色 是以單晶片 PIC18F4520 為控制核心來達到微控制計時器之設計, 並以萬年曆 IC DS1302 之輔助可以使家電計時器得到準確的時間功能, 縱使在斷電的情況下也能正常計時, 而在復電時也依然正常執行該有的動作 本計時器有多種主要功能 : 比對模式 強制開啟模式 強制關閉模式, 經實際測試結果皆能達到功能需求 未來希望可以加入無線遙控進行遠端控制的功能, 方便使用者能進行遠端控制 並可透過網路連結, 將本專題與有線或無線網路連結即可達到利用網路進行遠端遙控家電製品之效果 參考文獻 [1] 張義和, 王敏男, 許宏昌, 余春長, 例說 89S51-C 語言第三版, 新文京開發出版股份有限公司, 台北, 台灣, 第七章, 第 36-40 頁, 2009 年 [2] PIC18F4520 資料手冊 http://ww1.microchip.com/downloads/en/devic edoc/39631a.pdf [3] DS1302 資料手冊 http://cubloc.com/download/etc/ds1302.pdf 1239