[工学]服务机器人洗浴过程控制单元设计.doc

洛阳理工学院毕业设计（论文） 服务机器人洗浴过程控制单元设计摘 要本文论述了利用单片机来实现服务机器人洗浴控制单元的设计方法，以单片机芯片AT89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计出服务机器人洗浴单元的控制系统。硬件部分以单片机为核心, 配以一定的外围电路和芯片8255A的外部I/O扩展，软件部分通过C语言编程实现智能控制。该系统主要由触摸屏按键控制模块、温度控制模块、LCD显示模块，电机驱动等模块组成。通过触摸屏按键的选择来实现对单洗发功能、单淋浴功能以及整个洗浴过程的选择控制，利用芯片8255A的外部扩展来实现对14个电磁阀和5个电机的输出控制。系统以硬件软件化为指导思想，充分发挥单片机功能，大部分功能通过软件编程来实现，可靠性强，稳定性高。关键词：服务机器人，51单片机，8255A，DS18B20 Serivice Robot Control Unit And Design Process Of BathABSTRACT This paper discusses how to realize service robot using SCM design method of bath control unit. This design based on single-chip microcomputer AT89C51 single-chip chip in principle, as the core controller, through the hardware circuit and software production, design a service robot control system bath unit. The whole design includes two parts, hardware and software components, hardware based on singlechip, match with certain peripheral circuit and chip 8255A external I/O expansion, the software of intelligent control by the C programming.This bath temperature control system is mainly by the unit control module, LCD module, liquid level detection module, the touch-key control module, solenoid valve and motor driver module. Through the choice of buttons to touch of single function, single shower wash bath process and the function of the choice of 8255A chip control, use external expansion of 14 solenoid valves and five motor output control. System with hardware and software into the guiding ideology, fully functional, most SCM functions through software programming, high stability of system.KEY WORDS: Service robot, 51 SCM, 8255A, Touching screen, solenoid valve 1目录 前言1第1章 系统总体设计31.1功能要求31.2控制系统的工作原理及技术要求31.3系统方案设计4第2章硬件系统设计62.1 AT89C51单片机简介62.2硬件设计92.3硬件模块102.3.1主控单元102.3.2 直流稳压电源模块112.3.3 传感器的选择122.3.4温度控制模块142.3.5 触摸屏控制模块182.3.6外部I/0扩展模块202.3.7 输出驱动模块232.3.8 超声波模块242.3.9 报警电路设计模块25第3章 软件系统设计263.1 设计思路263.2模块设计263.3 软件模块273.3.1主程序模块273.3.2温度控制模块283.3.3单洗发功能模块313.3.4单淋浴功能模块323.3.5 洗浴功能模块343.3.6 触摸屏功能模块36第4章 系统调试及仿真394.1软件调试394.1.1伟福简介394.1.2软件调试394.2硬件调试414.2.1 Proteus简介424.2.2硬件调试42第5章 系统的抗干扰和可靠性设计465.1概述465.2软件可靠性设计465.3硬件可靠性设计47结 论48谢 辞49参考文献50附 录 I52附 录II53附 录 III54外文资料翻译67 前言第六次全国人口普查数据表明，我国60岁及以上人口总数占总人口的13.26%，同第五次人口普查相比上升2.93个百分点。由此可见，我国老龄化进程在加快。特别是80岁以上的高龄老人和失能老人以年均100万的速度增长，养老问题日趋严峻。而目前各类养老院的各种设施和服务远远满足不了老年人的需要，养老机构的护理人员缺乏，适合老年人使用的服务设施普遍短缺，服务供给严重不足和服务主体过于单一。同时，我国各类残疾人总数达8296 万人，占全国总人口的比例为6.34%。全国有残疾人的家庭共七千多万户，残疾人影响众多家庭。无论在养老院或残疾人家庭，个人卫生护理洗浴都是难题。尤其是对行动不便的老年人或重残人来说，能够独立洗澡是种奢望，因为他们洗澡必须要在亲人的帮助下进行，大大增加亲人的负担。目前市场上各类洗浴器械种类繁多、功能各异，但适合老年人或残疾人使用的很少。由此，洛阳企业联合当地高校成功申请了国家863研究计划，研究课题为个人卫生护理机器人的设计。为了拓宽我们的知识及提高我们理论与实际的应用能力，老师让我们来研究该课题中的“洗浴控制单元”。该项目主要针对老年人、残疾人的特点，面向家用与医用环境，研究开发个人卫生清洗护理机器人， 利用智能控制、人机工程学等技术进行设计，实现洗浴过程自动化。单片机技术作为自动控制技术的核心之一，被广泛应用于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域。随着微电子技术的迅速发展，单片机功能也越来越强大，本设计基于单片机技术对服务机器人实现洗浴过程的单元控制系统设计。机器人研究在当前机器人研究领域具有十分突出的地位, 其显著的特点是具有环境感知、判断决策、人机交互等功能。本设计中在自动化机器人的操作下，整个洗浴过程分为洗发和洗澡两部分，不仅实现了节水、节能、节约空间、脏物回收等目标，而且由于采用了基于模糊理论的智能洗浴控制程序，防水传感器传回的信号，可以准确模拟洗浴环境下人体不同倾角姿势，使身体各部位的受力均匀分布，在心理上给老年人、残疾人以莫大安慰。并且，面对当前我国人口老龄化及残疾人增多的社会发展形势，需要切实提高老年人及重残人的生存质量，开发相关领域的产品和服务，解决人口老龄化等带来的重大社会服务问题，本课题从满足老年人等特殊群体的洗浴护理需求出发，面向家用与医用环境，开发和研制个人卫生护理机器人，为老年人或残疾人提供洗头、洗澡、干身等服务。面对我国如此巨大的老年人及残疾人群体，本项目产品将具有非常广阔的市场前景和社会效益。通过本课题的研究，可以加强智能控制、人机工程学、非接触式气动按摩、生命特征实时监护等相关技术的发展，形成行业规范和技术标准。项目的相关技术也可以拓展应用于其它工业、医疗、保健、工业设计等行业和领域，促进这些行业技术水平的发展。第1章 系统总体设计1.1 功能要求本设计所要实现的功能是：通过温度变送器实现对侵没式加热器的控制，从而控制水温；通过触摸屏来实现对单洗发功能、单淋浴功能以及整个洗浴过程的选择控制。单洗发功能通过循环清洗和吹干等自动完成；单淋浴功能通过高压喷淋、吹干等方式自动完成；洗澡过程采用温水泡浴、超声波清洁、喷淋、 干身等过程实现。1.2 控制系统的工作原理及技术要求当电源启动后，安在水箱中的侵没式加热器开始加热，并由DS18B20进行水温的采集并在LCD1602上显示，当达到设定水温时则加热器停止加热。然后洗浴人由触摸屏按键进行单洗发、单淋浴和洗浴中的功能选择。对于单洗发功能控制，先用调整好温度的水打湿头发，再用混合有洗发液的温水冲洗头发，在温水注入到设定值后，关闭注入温水和洗发液的阀门，启动循环水装置，在设定的时间内用混合液体反复冲洗头发，洗发过程结束后，打开排水阀，排掉污水，再在打开温水经行冲洗，待头发洗干净后，停止冲洗，打开热风吹干头发，然后结束洗发过程，清理消毒。对于单淋浴功能控制，先调整好水的温度，然后打开浴池上方的电磁阀同时打开其下面的排水阀，由上下方的喷淋阀对人体进行全面的清洗，当清洗干净后，打开具有一定压力的热空气阀门，对洗澡人体进行烘干，烘干结束洗澡过程也全部结束，清理消毒。对于整个洗澡功能控制，在洗浴人进入浴舱后，由监护人员或洗浴者本人盖好浴缸上盖板，然后启动开始洗浴按钮，系统自动调整水温，将混合有固定比例沐浴液的合适的温水注入浴缸内，在温水注入到合适水位后注水阀门关闭，停止加水，系统进入定时泡浴阶段，泡浴结束后，系统自动启动超声波和循环水装置对人体进行洗浴，超声波换能器安装于浴缸内部多个部位，超声波能量通过浴池内部的水传播到人体，并在人体表面产生空化现象将人体污垢分离，分离后污垢循环水带走。另外在浴缸内设置有水的污浊度检测传感器，系统实时检测水的污浊度，通过污浊度检测，自动设定洗浴强度和洗浴时间，以适应不同人体洗澡需要。在洗浴效果达到设定值后，放掉洗澡污水，注入干净温水冲洗，冲洗完成后，打开具有一定压力的热空气阀门， 对洗澡人体进行烘干，烘干结束洗浴过程也全部结束，清理消毒。整个洗澡过程的结构示意图如图1-1所示 图 1-1 结构示意图洗发流程要根据洗发的需要，对洗发液与水的混合进行科学配比，并合理控制水温、时间、压力等参数。此外，要结合本课题采用的具体洗浴方式，以及可能采用的洗浴流程综合对本系统各参数进行选择，然后在实验中根据不同人体条件确定最终数据，为洗浴过程智能控制提供决策依据。在整个控制系统中设置有水温、水位、超声波能量等多项传感器，全过程要进行实时检测，以防止人身和设备发生意外。1.3 系统方案设计根据洗浴控制单元的工作原理以及上述功能的要求，设计该洗浴单元控制系统方案框图如图1-2所示： 图1-2 系统框图框图说明： 1. 人机界面输入是指将触摸屏模块通过RS232与单片机相连接，人为给控制单元输入各种指令，让控制单元按照其指令来进行动作执行。 2. 控制系统包括有硬件部分和软件部分，是整个洗浴控制单元的核心。由控制系统接收输入的信息，通过软件部分控制各个控制单元执行相应的动作。 3. 输出系统是指驱动各个电磁阀的动作，以及电动机、水泵的运转，还有超声波能量的生成与驱动。 4. 传感器输入系统用来检测水箱、洗发池、洗浴池的水位，以及水温的温度检测，并将检测的信息反馈给控制系统。整个系统设计包括两大部分: 硬件部分和软件部分,以单片机为核心, 配以一定的外围电路和软件控制。硬件是整个系统的基础, 软件部分则要合理、充分地支持和使用系统的硬件, 从而完成系统所要完成的任务。第2章 硬件系统设计2.1 AT89C51单片机简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的CMOS8位单片机片内4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大，可灵活的应用于各种控制领域，其芯片图如图2-1所示 图2-1单片机AT89C51芯片1. 管脚功能说明Vcc: 电源。提供掉线、空闲、正常+5V工作电压。Vss(GND): 接地。P0口: P0口可以作普通的双向I/O口使用，也可以在访问外部存储器时用作低8位地址线和数据总线。P1口: P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，向P2口管脚写入1后，被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时，被外部拉低的P1口会因为内部上拉而输出电流。P1口还具备第二功能。P2口: P2口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，向P2口管脚写入1后，被内部上拉为高电平可用作输入口，当作为输入脚时，被外部拉低的P2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部程序存储器和外部数据存储器时，可作为地址总线的高位字节。P3口:是一个双向功能口既可以作普通输入输出口使用，也可以按每一位的定义实现第二功能操作。RST：复位输出。当震荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平使机器复位。 ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节，即使不访问外部字节，ALE仍时钟震荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟脉冲或用于定时目的。要注意的是：每次访问外部存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还要输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。：程序存入允许（）输出的是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序取指令（或数据）时，每个机器周期两次有效，既输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V的编程电压Vpp。XTAL1：震荡器反向放大器及内部时钟的输入端。XAAL2：震荡器反向放大器的输出端2。2. 单片机复位电路单片机复位时RESET需要保持96个晶振周期的高电平(即需8个机器周期)。复位以后P0P3口输出高电平，堆栈指针SP指向07H，其他特殊功能寄存器和程序计数器PC清零。只要RESET保持高电平，AT89C51就会循环复位。RESET当由高电平变为低电平后，单片机从程序存储器0地址开始执行程序。但单片机复位不影响内部RAM的状态，包括工作寄存器R0R73。常见的复位电路有：上电复位电路和上电按钮复位电路，在本设计中均采用上电按钮复位电路，如图2-2所示。 图2-2 复位电路3. 单片机晶振电路所谓的晶振电路即指单片机的时钟电路。该电路通常有内部时钟电路和外部时钟电路。一般选用前者。单片机芯片内部有一个反相放大器构成的振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，把XTAL1和XTAL2与外部石英晶体及两个电容连接起来可构成一个石英晶体振荡器3，如图2-3所示图2-3 晶振电路时钟发生器是一个2分频电路。它把晶体振荡器的频率2分频后供给片内其他电路。一般电容C1和C2起到稳定振荡频率、快速起振的作用。2.2硬件设计根据设计所要实现的功能，则可将硬件模块化，然后再设计个模块的硬件连接图，硬件的总体方框图如图2-4所示 中央处理器控制单元8255A255A扩展洗澡液阀驱动电路喷淋液阀驱动电路洗澡水路循环驱动洗发液阀驱动电路洗澡超声波驱动电机/电泵驱动洗发池水位检测洗澡水位检测水箱水位检测触摸屏控制报警驱动电路水 温 控 制电源电路温度显示单元烘干电路驱动图2-4 硬件总方框图硬件的总体实际水路控制图如图2-5所示，总的实际水路图阐述了整个洗浴控制单元的核心内容，以及各电磁阀的作用功能和三个主控制模块的控制说明。 图2-5 总体水路控制图2.3硬件模块由图2-4的硬件总体方框图可以分块设计硬件电路。2.3.1主控单元AT89C51是兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，它提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位，其主要性能参数如表2-1所示 表2-1 AT89C51的性能参数主要性能参数：与MCS51产品指令和引脚完全兼容8k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期低功耗空闲和掉电模式全静态操作：0Hz24MHz8个中断源，可编程串行UART通道2568字节内部RAM32个可编程I/O口线3个16位定时/计数器主控单元芯片在上节已经详细论述，在此不再过多赘述。2.3.2 直流稳压电源模块电源电路是将由220V交流市电通过电源变压器变换成并不十分稳定的9V直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)即模块J，经过二极管D6整流、L7805CV电源芯片的稳压和电容C3、C5、C4、C6的滤波后，在稳压电源的输出端产生精度高、稳定度好的+5V直流输出电压，保证单片机工作电压在2.75.5V的要求。 L7805集成稳压器是常用的固定正输出电压的集成稳压器，在此电源电路中选用输出电压有5V的L7805芯片，最大输入电压30V，最大输出电流为1A。它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。该集成稳压器为三端器件：1脚为输入端，2脚为输出端，3脚为接地端，使用十分方便。电源电路如图2-6所示 图2-6 电源电路2.3.3 传感器的选择设计中，用到了传感器模块。在水箱中安装一低液位计来检测水箱中的水是否够用，在洗发池和洗浴池中安装一高液位计来检测水位。下面就液位传感器和温度变送器作以简单介绍。液位传感器（静压液位计液位变送器液位传感器水位传感器）是一种测量液位的压力传感器静压投入式液位变送器（液位计）是基于所测液体静压与该液体的高度成比例的原理，采用国外先进的隔离型扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成标准电信号4（一般为420Ma/15VDC）。静压投入式液位变送器（液位计）适用于石油化工、冶金、电力、制药、供排水、环保等系统和行业的各种介质的液位测量，有420mA、 05v、010mA等标准信号输出方式由用户根据需要任选，是针对化工工业中强腐蚀性的酸性液体而特制，壳体采用聚四氟乙烯材料制成，采用特种氟胶电缆及专门的密封技术进行电气连接，既保证了传感器的水密性、耐腐蚀性，又使得参考压力腔与环境压力相通，从而保证了测量的高精度和高稳定性，其工作原理如下：用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为： = .g.H + Po式中： P ：变送器迎液面所受压力 ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 Po ：液面上大气压 H ：变送器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po，使传感器测得压力为： *g*H ，通过测取压力 P，可以得到液位深度。4 在硬件设计时我们可以采用PTJ301型号的投入式液位传感器，用扩散硅压阻芯体或陶瓷压阻芯体,全不锈钢结构,主要适用于河流、地下水位、水库、水塔及容器等的液位测量与控制。温度变送器是温度系列仪表中的现场安装式温度变送单元。它由热电偶、热电阻与温度变送器模块组成，采用二线制方式，带有非线性校正电路，可直接测量工业过程中2001600范围内的液体、气体介质和各种特质的温度，将温度信号转变成与温度信号成线性的420mADC电流输出信号，送显示、调节记录仪表或计算机进行集散控制4。1. 特点：(1) 具有高精度的冷端补偿电路，全温度范围内补偿精度0.5；(2) 独创的非线性校正电路，输出信号与被测量温度成线性关系；(3) 内带漂移自校正系统，在整个工作温度范围内保证精度。2. 技术参数：(1) 基本误差：0.2% 0.5%1%(2) 环境温度变化影响：对于0.2级:0.02%F.S/ 对于0.5级:0.05%F.S/对于1.0级:0.05%F.S/(3) 输出：4-24mADC,二线制传输 (4) 供电电压：14-34VDC,额定电压24VDC。在测温度时，可以通过温度变送器设定好初始水温，当达到该水温时它会向单片机发出一高电平信号，经放大后控制侵没式加热器。在硬件连接时，其硬件连接原理图如图2-7所示 图2-7 传感器连接电路图但我们在进行Proteus仿真过程中，用开关输入量来模拟各个传感器的动作执行。当开关模拟量为低电平时代表了传感器动作执行。2.3.4温度控制模块在本设计中，用侵没式加热器来实现对水箱中水温的加热，用温度变送器（热动开关）来检测是否达到设定水温，当达到设定水温时，热动开关会向单片机发出一高电平脉冲，则控制系统会控制加热器停止加热。在加热过程中，通过DS18B20可以采水温值可以通过触摸屏模块来调节，在Proteus仿真时，用开关量来模拟温集实时水温，并通过LCD1602显示出当前的水温和设定的水温值，设定度的增减。侵没式加热器和温度变送器（热动开关）在上节中以介绍过，下面简单介绍一下DS18B20与LCD1602的工作原理5。1. DS18B20的介绍其管脚排列如图2-8所示，其中NC为空引脚，不连接外部信号； VDD 为电源引脚，电压范围3.0-5.5V。GND为接地引脚。DQ为数据引脚，传递数据的输入和输出。该引脚常态下为开漏输出，输出高电平。 图2-8 DS18B20引脚图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法。一种是将DS18B20的VDD接外部电源，GND接地，其I/0与单片机的I/0线相连;另一种是用寄生电源供电，此时DS18B2O的VDD、GND接地，其I/0接单片机I/0。无论是内部寄生电源还是外部供电，DS18B20的I/0口线要接5K左右的上拉电阻。DS18B20有六条控制命令，如表2-2所示：表2-2 DS18B20控制命令指令约定代码操作说明温度转换44H启动在线的DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读取温度寄存器的温度值写暂存器4EH将两字节的数据写入温度寄存器的TH、TL字节复制暂存器48H将温度寄存器的数值拷到EERAM，温度值不丢失重新调EERAMB8H将EERAM中的数值拷到温度寄存器中读电源供电方式B4H启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU(“0”为寄生电源；“1”为外部电源)CPU对DS18B20的访问流程是:先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作和对数据操作。 DS18B2O每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。例如主机控制 DS18B20完成温度转换这一过程，根据 DS18B20的通讯协议，必须经历三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作5。DS18B20与单片机的硬件连接图如图2-9所示图2-9 DS18B20连接图2. LCD1602的介绍1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，本设计单片机通过P2口和P1口的部分口与显示器进行连接，其中P2.0P2.7与显示器DB0DB7连接，做数据I/O口。5 它与单片机的硬件连接图如图2-10所示 图2-10 LCD1602连接图1602芯片由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器、控制及必要的链接件、结构件组装而成，可以显示数字和西文字符，但不能显示图形，但已经可以满足本次设计的需要。各个引脚的定义如表2-3所示。 表2-3 LCD1602引脚功能引脚号引脚名电平输入输出作用1Vss电源地2Vcc电源（+5V）3Vee对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令1=输入数据5R/W0/1输入0=向LCD写入指令1=从LCD读取信息6E1,10输入使能信号，7DB00/1输入输出数据总线Line0（最低位）8DB10/1输入输出数据总线Line09DB20/1输入输出数据总线Line110DB30/1数据总线Line211DB40/1数据总线Line312DB50/1输入输出数据总线Line413DB60/1输入输出数据总线Line514DB70/1输入输出数据总线Line615A+VccLCD背光电源正极16K接地LCD背光电源负极侵没式加热器具有消声效果好、振动小、结构简单，安装方便的优点。而且节约能源，热利用率达98以上，适用于食品，化工等一切用蒸汽制备热水与开水的场合，并且可以与智能水湿自动控制器、液位自动控制报警仪联动，为全自动运行的热水制备系统。在本设计中可以选用HJ型侵没式加热器，它通过继电器来控制其加热过程，当P3.3为高电平时，继电器上电，则加热器开始加热，其连接图如图2-11所示 图2-11 侵没式加热器连接图2.3.5 触摸屏控制模块触摸屏一般安装在显示屏的前端，它是由透明的板材组成，能够显示显示屏的内容，又能够检查人的触摸输入信号。触摸屏的基本原理是，用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏时，所触摸的位置(以坐标形式)由触摸屏控制器检测，并通过接口(如RS-232 串行口)送到CPU，从而确定输入的信息。触摸屏系统一般包括触摸屏控制器(卡)和触摸检测装置两个部分。其中，触摸屏控制器(卡)的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点坐标，再送给CPU，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行6。在本设计中，用到了北京迪文的HMI（串口智能显示终端）作为触摸屏模块，它采用异步、全双工串口，串口模式为8n1，即每个数据传送位位10位：1个起始位，8个数据位，1个停止位。它有一个24帧的通信帧缓冲区，通信帧缓冲区为FIFO(先进先出存储器)结构，只要它不溢出，用户可以连续传送数据给HMI。迪文HMI有一个硬件引脚（“BUSY”引脚）指示了FIFO的状态，正常时，BUSY引脚为高电平（RS232为负电平），当FIFO缓冲区只剩下一个帧缓冲区时，BUSY引脚会立即变成低电平（RS232为正电压）。在迪文HMI上，其传送方向按下面的规则定义：1. 下行（TX）用户发送数据给HMI,数据从HMI用户接口的DIN引脚输入。2. 上行（RX）HMI发送数据给用户，数据从HMI用户接口的DOUT引脚输出。在设计中，该触摸屏模块是已经购买的整机产品，我们只用到它的一部分控制面板界面如图2-12所示 图2-12触摸屏式面板图 在设计时只需要了解其与单片机硬件连接图即可，在触摸屏模块串口与单片机相连时，选用MAX232为串口通信器件，由MAX232 构成的RS232 串行通信电路具有集成度高、价格便宜、编程容易等优点，而且它与单片机的接口简单，占用单片机资源少，成为单片机应用系统中首选的RS232 总线接口芯片，TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头，DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 MAX232与单片机和RS232的接口连接如图2-13所示 图2-13 MAX232与单片机的接口电路图 在Proteus仿真中，由于没有触摸屏模块，就用按钮开关来模拟图2-10控制面板上的各个功能。 2.3.6外部I/0扩展模块I/O接口是MCS-51与外设交换数字信息的桥梁。I/O扩展也属于系统扩展的一部分，真正用作I/O口线的只有P1口的8位I/O线和P3口的某些位线。在多数应用系统中，MCS-51单片机都需要外扩I/O接口电路。由于本设计的输出系统较复杂，输出口较多，要驱动14个电磁阀和5个电机的运转，还有超声波能量的驱动，只用51单片机的I/O口是不够的，况且如果单片机接的外设较多，则会使单片机的CPU利用率大大的降低，因此就要用到并行扩展来扩展I/O口，设计中选用了8255A作为扩展芯片。下面就以8255A为例介绍外部扩展。1.8255A并行接口芯片简介: 8255A的引脚如图2-14所示 图2-14 8255A的引脚8255A可编程并行接口芯片有三个输入输出端口，即A口、B口和C口，对应于引脚PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其内部还有一个控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作为输入输出的数据端口。C口作为控制或状态信息的端口6。(1) 8255A可编程并行接口芯片方式控制字格式说明:8255A有两种控制命令字:一个是方式选择控制字；另一个是C口按位置位/复位控制字。其中C口按位置位/复位控制字方式使用较为繁难，说明也较冗长，故在此不作叙述，需要时可以自行查找有关资料。表2-4 8255A方式控制字格式 D7：设定工作方式标志，1有效。 D6、D5：A口方式选择 00 方式0 01 方式1 1x方式2 D4：A口功能（1=输入，0=输出） D3：C口高4位功能 （1=输入，0=输出） D2：B口方式选择 （0=方式0，1=方式1） D1：B口功能（1=输入，0=输出）D0：C口低4位功能（1=输入，0=输出）(2) 8255A可编程并行接口芯片工作方式说明: 方式0：基本输入/输出方式。适用于三个端口中的任何一个。每一个端口都可以用作输入或输出。输出可被锁存，输入不能锁存。 方式1：选通输入/输出方式。这时A口或B口的8位外设线用作输入或输出，C口的4条线中三条用作数据传输的联络信号和中断请求信号。 方式2：双向总线方式。只有A口具备双向总线方式，8位外设线用作输入或输出，此时C口的5条线用作通讯联络信号和中断请求信号。2. 74LS373简介74LS373 是一种带三态门的8D锁存器，其管脚示意图如图2-15所示： 图2-15 74LS373引脚图其中：1D-8D为8个输入端。 1Q-8Q为8个输出端。 LE为数据打入端：当LE为“1”时，锁存器输出状态同输入状态；当LE由“1”变“0”时，数据打入锁存器。 OE为输出允许端：当OE=0时，三态门打开6；74LS373锁存器与单片机的高或低8位数据线相连，起地址锁存作用。在本设计中，8255A的端口地址由单片机的P2.0、P2.1和P2.7决定。控制口的地址为7FFFH；A口的地址为7CFFH；B口的地址为7DFFH；C口的地址为7EFFH。2.3.7 输出驱动模块输出模块主要包括电磁阀的驱动动作和电机，水泵的驱动运转。下面就电磁阀作简单介绍。电磁阀是用来控制流体方向的自动化基础元件属于执行器，通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀在选型时要注意的事项：(1) 管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致，流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。 (2) 工作压差，管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直动式和分步直动式；最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式（压差式）电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力；一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。 (3) 流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。 (4) 注意流量孔径和接管口径，电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修。(5) 注意环境温度对电磁阀的影响。 在本设计中，要根据每个电磁阀功能的不同来选择电磁阀的型号。如气动电磁阀和喷淋电磁阀的型号和安装就会不同。电磁阀分为常闭和常开二种，一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。在本设计中选用常闭型。由于单片机的工作电压和电流太低，不能直接驱动进气/排气电磁阀，需要由24V电压来提供电源，所以要有一个功率驱动电路来通过单片机提供信号，以控制电动机和电磁阀。电磁阀的驱动电路用CMOS来驱动，二者的驱动连接图如图2-16所示在Proteus仿真中，用发光二极管的亮灭来模拟电磁阀的断开与闭合。 图2-16电磁阀的驱动电路2.3.8 超声波模块在这次设计中，用到了超声波能量，用超声波空化效应和生物效应进行洗浴，可以实现人体清洁，省水、省时，又具有保健功效。采用复合频率超声波清洗方法，提高洗浴效果。作用于人体的超声波功率过大时对人体有不良影响。关于超声波安全功率，目前没有公认的统一安全标准。通过参照国家医用超声诊断设备标准（GB6358-86），采用试验的方法确定在 3845的洗涤浴液环境下所采取的超声波功率、频率、时间等参数，研究超声波在一定的功率和时间范围内的安全性，结合超声波清洁机理，优化参数，达到最佳洗浴效果8。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。 （1）空化作用：空化作用就是超声波以每秒两万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡的现象，在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到精密洗净目的。 在超声波清洗过程中，肉眼能看见的泡并不是真空核群泡，而是空气气泡，它对空化作用产生抑制作用降低清洗效率。只有液体中的空气气泡被完全脱走，空化作用的真空核群泡才能达到最佳效果。 （2）直进流作用：超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在0.5W/cm2时，肉眼能看到直进流，垂直于振动面产生流动，流速约为10cm/s。通过此直进流使被清洗物表面的微油污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。 （3）加速度：液体粒子推动产生的加速度。对于频率较高的超声波清洗机，空化作用就很不显著了，这时的清洗主要靠液体粒子超声作用下的加速度撞击粒子对污物进行超精密清洗。由于超声波还处于研究阶段，况且有很大的危险性，所以我们在这次毕业设计中并不重点讨论，只是了解其作用。其连接图与图2-16一样。2.3.9 报警电路设计模块报警模块主要用于当水箱中没有水时、洗发池和洗浴池中水位达到设定值时开始报警，报警解除按钮在触摸屏的控制面板上。报警及其解除都是通过软件编程控制，其硬件连接图如图2-17所示 图2-17 报警电路图第3章 软件系统设计3.1 设计思路本设计基于单片机原理，以单片机89C51作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，设计制作出洗浴单元的控制系统。本次设计所涉及到的软件设计主要是系统编程和其他应用软件和调试软件的使用,其中重中之重是用C语言来进行程序编制,编制的程序要求可靠性高、实时性强、简练易于维护等等8。程序设计的具体步骤如下：（1）提出各种可供选择的方案；（2）对各个方案进行论证，选取合理的方案，画出系统流程图；（3）在综合分析对比各种合理方案的基础之上选择一个最佳方案；（4）功能分解。通常分为结构设计和过程设计两个阶段。结构设计确定程序由哪些模块组成，以及这些模块之间的关系；过程设计确定每个模块的设计程序结构，将各个模块组织成良好的层次系统；（5）审查与仿真调试：对总体设计的程序进行严格的审查，在审查之后使用仿真设备(本设计采用的是南京伟福keiluv2仿真器)进行程序仿真和调试。3.2模块设计在该系统软件设计过程中，涉及了许多模块之间的相互协作问题。只有各个模块本身以及它们之间的关系处理好了，才能使系统实现其功能。设计主要实现单洗发功能、单淋浴功能和洗澡功能三个模块功能的实现，同时还牵涉到了其它相关模块。设计中，把三个主模块分别用软件编程，然后再在主程序中调用它们的子程序。另一个要解决的问题就是时间控制模块。编程时可以先编出1秒的子程序，然后按时间的长短循环调用该子程序。软件用C语言进行编程，因为C语言的实用性和通用性要比汇编强很多。下面就对各模块分别介绍。3.3 软件模块3.3.1主程序模块系统初始化 电源开关开启侵没式加热器开启调用温度显示程序温度值=设定值关闭加热器调用触摸屏子程序水箱水位=设定值报警开启报警解除急停止否是否否否是是是开始结束 图3-1 主程序流程图主程序模块主要有初始化模块、温度显示模块、触摸屏子程序模块和报警模块等模块组成。其设计流程图如图3-1所示在设计主程序时，主要以Proteus仿真硬件连接图为依据而编程的，由于触摸屏面板模块是用按钮开关来模拟的，因此编程时是用查询方式对各个开关量状态进行查询来模拟触摸屏子程序模块。3.3.2温度控制模块温度控制模块包括温度加热模块、温度采集模块和温度显示模块。温度加热模块是用软件控制侵没式加热器的状态，温度采集模块是用DS18B20来采集温度，显示模块由LCD1602来显示采集的温度。下面介绍DS18B20的初始化程序，在主程序中是以头文件（.H文件）形式出现。#ifndef _DS18B20_Alexi_H_#define _DS18B20_Alexi_H_sbit DQ=P23; /数据接口定义unsigned char TempBuffer5;/温度数据字符/函数声明void delay(unsigned int i); /延迟时间bit Init_DS18B20(void); /DS18B20初始化函数,如果bit=0则初始化成功,bit=1则初始化失败unsigned char ReadOneChar(void); /DS18B20读出一个字节void WriteOneChar(unsigned char dat);/DS18B20写入一个字节un