毕业设计（论文）-洗鞋机控制系统设计

重庆文理学院 成人高等教育毕 业 论 文 论文题目：洗鞋机控制系统设计 论文作者：指导教师：专业班级： 2009级电子科学与技术C22班学 号： 提交论文日期： 2012 年 11 月 15 日 论文答辩日期： 2012 年 12月 1 日 中 国 重 庆2012年 11 月2009级电子信息科学与技术专业毕业论文目 录摘要IAbstractII1引言12系统方案12.1洗鞋机设计原理12.2洗鞋机主控板基本原理22.3各模块方案论证和选择22.3.1单片机的选择和方案论证22.3.2电网滤波器的选择和方案论证32.3.3传感器的选择和方案论证32.3.4稳压电源的选择和方案论证32.3.5显示器模块的选择和方案论证42.4系统最终方案42.4.1单片机AT89C5242.4.2二阶滤波器的设计62.4.3热释电红外传感器72.4.4稳压电源设计72.4.5LED显示器电路设计82.4.6外部程序存储器ROM电路设计92.4.7输入设备电路设计102.4.8中间继电器驱动设计113系统的硬件设计与实现114系统软件设计与实现135系统组装与调试146系统测试156.1洗鞋机模拟测试平台搭建156.2工业恶劣环境测试166.2.1高温环境测试166.2.2潮湿环境测试176.2.3抗干扰测试19总结19参考文献20致谢21附件一 洗鞋机图片22附件二 系统程序222013届电子信息科学与技术专业毕业论文（设计） 中文摘要洗鞋机控制系统设计电子信息科学与技术专业 摘要：该系统以AT89C52系列单片机为控制单元，介绍了一种采用热释电红外线传感器做检测，和二阶低通共模滤波处理电源干扰，以及运用外部程存储器对客户设置的时间进行存储的新型筒靴清洗机的控制系统。具有结构新颖、电路简单、工作可靠、生产成本低廉和体积小巧等优点，特别适用于煤矿、屠宰场、废品处理厂等。关键词：洗鞋机控制系统设计；共模滤波；热释电红外传感器Wash shoes machine control system designElectronic information science and technology major C22 class Hu DaizhouAbstract:This system take AT89C52 single chip microcomputer series for control unit, this paper introduces a kind of the pyroelectric infrared sensor detection, and second order of low in all die filtering processing power interference, and the use of external path memory to the customer set time for storage of new boots cleaning machine control system. Has the advantages of novel structure, circuit is simple, reliable, the production cost is low and the advantages of small volume, especially suitable for coal mine, slaughterhouses,eg.Key words: Wash shoes machine control system; Common mode filter;Pyroelectric infrared sensorI2013届电子信息科学与技术专业毕业论文（设计）1 引言 随着社会的高速发展，生活水平的不断提高，人们对衣着外表的要求也越来越高。鞋子整洁度，既体现人的精神面貌，又反映人的素质修养。人人都穿鞋，穿鞋就离不开擦拭。因此，解决此项服务的全自动洗鞋机具有广阔的市场潜力。随着现代人工作和生活节奏的加快，人们无暇把时间浪费在洗鞋上，全自动洗鞋机取代传统的手工洗鞋便应运而生。洗鞋机是每个矿井必不可少的一部分，人工洗鞋又是一件比较烦琐的事情。每当工人出井时看见鞋子上有很多灰尘，比较脏，如果只是稍微洗一下又洗不干净，跟没洗差不多，但如果仔仔细细的洗一下的话又很费时间，而且还容易弄脏自己的手和衣物。如何让洗鞋变得既省时又省力呢？全自动矿用洗鞋机就能为我们解决这个问题。本洗鞋机是采用热释电红外线传感器与集成电路控制的新一代电器产品，设计合理、操作简便。伸脚既开，抽脚延时15秒关闭，全自动工作。您要做的就是从本设备走过，其他的事情全部由它来完成1。设计来源于“重庆文理学院电子电气工程学院”与“重庆洁帮电器有限公司”校企合作项目，机械部分由“洁帮电器有限公司”完成，笔者完成电气设备的控制。设备上含有1个15KW毛刷传动电机（以下简称主驱动电机）、2个15KW强力风机和一个电磁阀及热释电红外传感器，除了对以上电气设备进行控制外，系统抗干扰能力和稳定性也是系统的关键。在不曾合作之前企业寻求了较多类似的主控板，但都不能满足需求。因此本系统非常受企业的关注。2 系统方案2.1 洗鞋机设计原理洗鞋机基本原理如图2.1.1，该机型的电气系统主要由相序保护、手动操作箱（急停与启动）、红外传感器、主控板、主驱动电机、和两个强力风机构成。众所周知，改变三相电机的任意两相相序即可改变电机的转向，由于该机型电机禁止反转，因此需要对相序进行监控，若相序发生变动则整机禁止启动。当主控板接收到手动启动或者传感器的启动信号时会立即启动主驱动电机，同时主主控板主驱动电机手动操作箱强力风机1强力风机2红外传感器相序保护图2.1.1 洗鞋机基本原理框图控板对主驱动电机工作时间（time）进行倒计时（time可由用户设定）。主驱动电机启动后延迟Ftime秒后强力风机1启动（Ftime可由用户设定），强力风机1启动3秒后强力风机2启动，两个强力风机之所以异步启动是因为强力风机的功率较大，如果同时启动，电流过大会给电网带来较大的冲击。当time=0主驱动电机停止运行时，开始倒计时强力风机延迟时间“Ftime”，当Ftime=0强力风机停止运行。这样就完成了机器的一个工作周期。在任何状态下，只要主控板接收到急停信号整机所有设备立即停止运行。2.2 洗鞋机主控板基本原理洗鞋机主控板（即洗鞋机控制系统设计）基本原理如图2.1.2，洗鞋机控制系统设计由电网滤波器、电源、单片机、显示器、传感器、外部存储器ROM、输入设备和中间继电器构成。在工业领域，有很多大型电气设备在启动时会给电网带来巨大的冲击，这种冲击足以让一款性能稳定的芯片工作出现异常或损坏，为保证系统稳定性，应用电网滤波器将电网冲击和干扰吸收，以提供给主控板一个平滑稳定的直流电。电网滤波后的市电经电源进行降压、整流、滤波和稳压后供给整个系统。当环境满足传感器的检测要求时，传感器会传送一个脉冲给单片机，单片机接收到该信号后立即接通继电器。输入设备二阶低通滤波器电 源LED显示器传感器中间继电器驱动外部存储器ROM单片机图 2.1.2 主控板框图2.3 各模块方案论证和选择2.3.1 单片机的选择和方案论证单片机已经广泛运用于工业自动化控制、自动检测、便携式智能仪器仪表、军事、航空航天、家用电器、智能玩具、电力电子、机电一体化设备等领域，使得各类产品无论从功能，还是从精度以及其产品的质量方面都大幅度的提升，同时，设计的电路很简单、可靠性非常高、发生的故障次数较低、成本低廉等2。方案一：采用RISC架构的ARM单片机，它的体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位)ARM(32位)双指令集，能很好地兼容8位16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高。方案二：DSP，DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件 。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中重要的电脑芯片。方案三：C51单片机，它从内部硬件到软件有着一套完整的按位操作系统，称作位处理器或者布尔处理器，它的处理对象不是字或字节而是位，这就意味着它不仅能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理； C51单片机还在片内RAM区间特别开辟了一个双重功能的地址区间，其既可作字节处理，也可作位处理，使用起来灵活方便；乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。综合以上各个优缺点不难看出。C51运算能力最弱，DSP最强，ARM居中；C51一般芯片面积非常小，工作频率很低，一般是10多MHz，所以功耗低。DSP则频率很高，高达300MHz以上，所以功耗也大。C51一般主要应用于不需要太多计算量的控制类系统。DSP则主要应用于需要进行复杂计算的高端系统，例如图像处理，加密、解密，导航系统等。C51的性能远不如ARM和DSP，但仍然占据重要的一席之地，原因就是性能价格比。因为它太成熟了，太小了，太便宜了2。针对应用需求，从大量的芯片中筛选出一款合适的芯片AT89C52。2.3.2 电网滤波器的选择和方案论证对于电源滤波器而言， 共模滤波器元件值的选择并不是一个困难和令人迷惑的过程。使用标准滤波器校正的方法可达到一个相对简单和直接的设计过程，这种校正法可能很容易修改成预定义的元件值一阶滤波、二阶滤波及三阶滤波在工业控制应用非常常见3。方案一：最简单和最廉价的滤波器就是一阶滤波器。这类滤波器使用一个电抗性元件来存储一定频段的能量而不把能量传送到负载。就低通共模滤波器而言，采用的电抗性元件是共模扼流圈。方案二：二阶滤波器用两个电抗性元件，较一阶滤波器有两个优点，1、理想地二阶滤波器在截止频率之上提供每倍频程12dB的衰减(是一阶滤波器的四倍，2、在电感谐振频点之上有更大的衰减。方案三：三阶滤波器理想地在截止频率处产生每倍频程18dB的衰减(如果三个拐角频率并不是同步则会有多个截止频率点)，这是这种高阶滤波器最明显的特征。最主要的缺点在于成本高，因为采用了三个电抗性的元件。高于三阶以上的滤波器通常费用太昂贵而不去考虑3。在完成设计的基本功能及稳定性的前提下尽可能的降低生产成本，故选用方案二。2.3.3 传感器的选择和方案论证方案一：热释电红外传感器是利用红外辐射的热辐射作用引起元件本身的温度变化，其探测率、响应速度都不如量子型传感器。但由于热释电红外传感器具有远红外线不受可见光影响，故可不分昼夜连续检测，由于被测对象自身发射红外线，故可不必另设光源。大气对某些特定波长(如81 4m)红外线吸收甚少，故具较易检测到等特点，因此在防盗、报警、安全、自动控制等方面，热释电红外传感器比其它类型传感器应用更为广泛。热释电红外传感器的缺点是接收灵敏度较低、响应速度较慢，故必须配用优良的光学透镜(如抛物镜、菲涅尔透镜等)，才能达到较高的接收灵敏度和较快的响应速度4。方案二：光电传感器(光电开关)是光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对光束的遮光或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关是一种电量传感器，把电流或电压的变化以光电的方式传送出去。即进行电信号光信号电信号的转换。多数光电开关选用的是接近可见光的红外线5。以上两个方案稳定度和成本及控制方面都有各自的特点。根据设备会出现在不同场合，因此将以上两种方案同时使用。2.3.4 稳压电源的选择和方案论证电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压，降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大(即脉动大)。脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电。即将交流成份滤掉，保留其直流成份。滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出。供给负载RL6。方案一：开关电源因具有体积小，重量轻，效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作并广泛应用于电子整机与设备中。方案二： 串联型稳压电源利用晶体管导通角调节输出电压，虽然效率不高其成本非常低廉，电路简单、故障率底等优点，在功率要求不高的场合串联型稳压电源非常适合。本系统电源仅对单片机和部分外围部件供电，对功率无特殊要求，因此系统选用可靠性高、故障率底且成本低廉的方案二“晶体管稳压”。2.3.5 显示器模块的选择和方案论证方案一：LED动态显示，所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。 器特点是亮度高、电路简单及成本低廉。方案二：液晶显示器英文是Liquid Crystal Display，缩写为LCD。它的主要原理是为以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。特点是控制简单，但是成本较高，在特殊场合亮度和硬度都是LCD缺陷。系统要显示的内容很少且简单，对亮度有较高的要求，因此本设计选用方案一“LED动态显示”。2.4 系统最终方案2.4.1 单片机AT89C52AT89C52单片机是Atmel公司生产的目前市场上最常用的单片机,它是一种带有闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机芯片,其只读存储器容量有4KB,它是采用静态CMOS工艺制造的8位低电压高性能的单片机,器件采用了高密度,非易失型存储技术生产,能够兼容标准的MCS一51指令系统,最高的工作频率为24MHZ,其封装形式多样,有PDIP/DIP、PQFP/TQFP和PLcc/Lcc,可以灵活运用于各种控制领域7。本设计选用的封装形式如图2.4.1所示。 图 2.4.1 AT89c52 TQFP封装下引脚图1) AT89C52单片机资源内部程序存储器为Flash程序存储器,容量有4KB,内部数据存储器的容量有128字节，外部数据存储器和程序存储器寻址空间有64KB；2个16位的定时/计数器；可实现3个级别的程序存储器保护功能；寿命长,可以擦写100000次,数据保留时间长达10年；拥有32位的可编程I/O线,拥有5个中断源和可编程的串行通道，片内有振荡器和时终电路拥有低功耗的闲置和掉电模式。2) AT89C52单片机内部结构图 2.4.2 AT89C52单片机内部结构3) AT89C52引脚说明如图2.4.2所示,AT89C52单片机采用TQFP封装时共有引脚44条,多出的4条引脚被定义为NC,是无用引脚下面是对AT89C52型单片机的引脚进行的说明：P0口：P0口为一个8位漏极开路通用双向输入输出口，P0口没有上拉电阻,可以驱动8个TTL门，当定义为高阻输入时，需在P0口的引脚第一次写入时写l，P0能连接外部程序数据存储器，可以被定义为数据和地址的低8位。Pl口：Pl口是内部有上拉电阻的8位双向输入输出口，Pl口缓冲器能接收输出4TTL门。Pl口用作输入引脚写1后，被内部上拉为高即可，Pl口用作输出被外部下拉为低。P2口:P2口是内有上拉电阻的8双向输入输出口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门,当P2口作为输入时须写1后引脚被内部上拉电阻拉高，因此作为输入时，P2口引脚被外部拉低输出电流。P3口:P3口引脚是8个带有内部上拉电阻的双向输入输出口，可接收/输出4个TTL门。当P3口用作输入写入1后被内部上拉为高电平，因此作为输入时,外部下拉为低电平，P3口将输出电流。P3口也是AT89C52的特殊功能口，也把它叫做第二功能口，其引脚特殊功能如表2.4.1所示。表 2.4.1 P3口引脚特殊功能表引脚 引脚名称 引脚功能P3.0 RXD 串行接收端P3.1 TXD 串行发送端P3.2 /INT0 外部中断0输入端P3.3 /INT1 外部中断1输入端P3.4 T0 定时器/计数器0输入端P3.5 T1 定时器/计数器1输入端P3.6 /WR 外部RAM写选通P3.7 /RD 外部RAM读选RST：复位信号。输入的复位信号持续两个机器周期以上的高电平即为有效。ALE/PROG：地址锁存控制/编程脉冲信号。ALE在系统扩展时存低8位地址，用于隔离低位地址和数据。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。/PSEN：外部程序存储器读选通信号。低电平有效，可以实现对外部程序存储器的读操作。/EA/VPP：访问程序存储控制/编程电压信号。/EA为低电平有效,对程序存储器的读操作仅在外部程序存储器。为高电平时，从内部程序存储器开始到外部。VPP即在FLASH编程期间用于施加12V编程电源。XTAL1：外接晶体引线端内部时钟工作电路与反向振荡放大器的输入。XTAL2：外接晶体引线端来自反向振荡器的输出。2.4.2 二阶滤波器的设计二阶滤波器采用两个电抗性元件，较一阶滤波器有两个优点。理想地二阶滤波器在截止频率之上提供每倍频程12dB的衰减(是一阶滤波器的四倍。在电感谐振频点之上有更大的衰减(见图2.4.3)。为获得截止频点恰当的响应， 二阶滤波器的设计要求比一阶滤波器更多的注意和分析。但是，在较前面提到的更高的频率上关心的程度降低了。高阶滤波器涉及的关键因素之一是拐角频率处的衰减特性。假定滤波器元件能够紧耦合， 扼流圈自身产生合适的耦合(我们期望达到的条件)，那么， 在截止频率处的增益将会非常大(好几分贝)。而且，时域响应会很缓慢而且是摆动的。另一方面，在优良的时域响应条件下， 拐角频点处的增益也会小于假定的一3 dB(3 dB衰减)，但是在拐角频率附近或之下的频率响应却小于最大平坦型。图 2.4.3 二阶共模低通滤波器电路图在二阶滤波器的设计中， 阻尼因子(通常用希腊字母(表示)既描述了拐角频率处的增益也描述了滤波器的时域响应。图2.4.4不同值时增益VS频率的归一化曲线图。当阻尼因子变小时，拐角频率处的增益变大，理想情况下的零阻尼因子会产生无限大的增益。实际元件的固有寄生特性降低了理想元件的增益，但是可调整I临界截止频点处的若干频程的频率响应仍然是理想滤波器参数的函数(如，频率， 电容， 电感， 电阻等)。x,-f于一些滤波器而言， 设计和阻尼特性需要保持以满足特定的性能要求。但是，x,-t于许多实际的线路滤波器，近似1或者更大的阻尼因子和计算的理想值的倍频程范围内的截止频率应该能提供合适的滤波性能3。图 2.4.4 增益VS频率的归一化曲线图2.4.3 热释电红外传感器红外线传感器是将红外辐射能转换成电能的一种光敏元件，根据红外传感器的工作原理，可分为热型和量子型两类。热型红外传感器也称热释电红外传感器(P I R)或被动型红外传感器，热释电红外传感器是利用红外辐射的热辐射作用引起元件本身的温度变化，其探测率、响应速度都不如量子型传感器。但由于热释电红外传感器具有远红外线不受可见光影响，故可不分昼夜连续检测，由于被测对象自身发射红外线，故可不必另设光源。大气对某些特定波长(如81 4m)红外线吸收甚少，故具较易检测到等特点，因此在防盗、报警、安全、自动控制等方面，热释电红外传感器比其它类型传感器应用更为广泛。热释电红外传感器的缺点是接收灵敏度较低、响应速度较慢，故必须配用优良的光学透镜(如抛物镜、菲涅尔透镜等)，才能达到较高的接收灵敏度和较快的响应速度5。图 2.4.5 热释电红外传感器结构和内部电路如图2.4.5热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件、结型场效应管、电阻等组成，其中滤光片没置在窗口处是为滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口。在防盗报警系统所采用滤光片为6m的多膜干涉滤光片，该滤光片能很好地让人体辐射的红外线通过而阻止其它射线通过，以免引起干扰 结型场效应管起到阻抗变换的作用放置在管底部分在防盗报警系统所采用热释电传感器为双元型红外传感器，双元型传感器由两个有极性的敏感元件反向串联，这样由于环境的影响而使整个晶片发生温度变化时，极性相反的敏感元件产生的热释电信号相互抵消，可以有效的防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差。该设计主要应用于煤矿的井下因此防爆是决定本设计是否具有商业价值，内部电路可以安装在防爆箱内，传感器则不能，因此要求传感器必须有防爆功能，而且必须要购买的传感器商家能提供煤矿安全防爆证书。据调研，设计选择了重庆煤矿安全研究所提供的防爆热释电传感器5。2.4.4 稳压电源设计本系统所有供电电压都为5V，且要求电压稳定。如图2.4.6所示，系统选用稳压芯片7805，该芯片具有良好的稳压和抗干扰能力，220V的交流市电经二阶低通共模滤波将电网存在的杂波过滤，图 2.4.6 电源电路图同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网，然后输入到变压器，变压器将220v的交流变换成12V交流电。交流电直接经桥式整流和电容滤波为较平滑的直流电；7805将电压稳定在5V并输出，输出电压经C2再次滤波C4去耦后供给系统电源VCC端。本设计的控制对象是3个7.5KW的三相异步电机，这些电机在启动或停止的瞬间会给系统带来巨大的冲击，变压器属于线性元件，如输入端有杂波那么它会耦合到输出端，这样给系统带来了致命的干扰，小则影响系统稳定性，大则使得整个控制电路瘫痪。为保证电源的稳定性特做了系列的测试，测量参数均是在电机启动、停止和运行状态下所测试。测量数据见表2。 表 2.4.2 电源干扰测量数据输入（V） 输出（V） 电机状态 示波器显示瞬态峰峰值（V）7.0 5.001 运行 5.0027.5 5.002 运行 5.0028.0 5.001 运行 5.0018.5 5.002 启动 5.0059.0 5.004 启动 5.00710 5.004 启动 5.00611 5.007 停止 5.00712 5.006 停止 5.00513 5.005 停止 5.0072.4.5 LED显示器电路设计本系统以单片机为控制核心，如图2.4.7本设计显示采用LED动态显示方式，用单片机P1.1和P1.0口来控制LED数码管的位控线，而用P0来控制其段控线动态显示通常都是采用动态扫描的方法进行显示，即循环点亮每一个数码管，这样虽然在任何时刻都只有一位数码管被点亮，但由于人眼存在视觉残留效应，只要每位数码管间隔时间足够短，就可以给人以同时显示的感觉，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的IO端口，而且功耗更低。并且为保证数码管正常工作提供足够的工作电流8。图 2.4.7 LED显示电路数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a，b，c，d，e，f，g，dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极CoM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的IO线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I0端口，而且功耗更低。在此处74HC573主要负责驱动，由于单片机的高电平的驱动能力有限，故此需要加一级驱动8。2.4.6 外部程序存储器ROM电路设计由于本设计有部分时间数据需要由客户自定义设置，这部分数据在客户设置后要保存起来，且断电后不能丢失。因此系统设计了一个程序存储器AT24C02做掉电存储单元。掉电存储单元的作用是在电源断开的时候，储存当前设定的单价信息。AT24C02是2 KB字节的电可擦除储存芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到25V，额定电流为1mA，静态电流101A(55V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装，使用方便 。每当客户将时间信息设置完成后，系统就自动调用储存程序，将设置信息保存在芯片内；当系统重新上电的时候，自动调用读储存器程序，将储存器的时间等信息，读到缓存单元内，供主程序使用9 10。AT24C02是美国ATMEL公司的内含2568位存储空间的低功耗CMOS串行EEPROM，业界应用广泛。它支持面向双向I C总线的协议。下面以它为例具体说明单片机对它的读写操作。某系统中其与单片机的硬件连线图如图2.4.8所示。图 2.4.8 单片机与AT24C02链接图如图2.4.8，AT24C02的l、2、3脚是三条地址线，用于确定某个AT24CO2 的硬件地址(AT24C02的器件类型识别符为1010(B)。I C总线上可以外挂多达8个的AT24C02器件，八个地址由A0、A1和A2的状态规定。本设计，I2C总线上只有一个AT24C02，所以A0、A1和A2均接地，即器件地址为000。第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA 为串行数据输入输出，数据通过这条双向I C总线串行传送。第6脚SCL为串行时钟输入线。SDA和SCL都需要和正电源间接一个51kQ的上拉电阻。第7脚为写保护位，当其为低电平时(接地)，AT24C02允许写操作，当它为高电平时，禁止对1k位以上的存储空间进行写操作9 10；引脚描述见表2.4.3。 表 2.4.3 AT24C02管脚描述管脚名称 功能A0、A1、A2 器件地址选择SDA 串行数据/地址SCL 串行时钟WP 写保护VCC +1.8V 6.0V 工作电压GND 地在AT24CO2与单片机组成的应用系统中，总是由单片机启动数据的传送并提供用于发送和接收操作的时钟。因此它总是被认为是从机。AT24C02操作时序如图2.4.9；单片机写AT24C02时，可以进行字节写操作，也可以进行8字节的“页写“。字节写操作时，当AT24C02收到8位写入的数据后，以应答作响应。主机通过产生停止条件来结束传送。AT24C02应答时，其收到的数据并未真正写入内部存储器。当主机结束传送后 AT24C02开始其内部至非易失存储器的写周期。在此过程中AT24C02不响应来自主机的任何请求。此时间最长可达10ms。页写与字节操作不同处在于主机在AT24C02总共收到8个字节的数据后再产生停止条件来结束传送。需要注意的是。AT24C02每收到一个字节，其内部地址计数器的低3位自动加l，当内部地址计数器达到本页的最高地址(XXXXX1l1B)后自动返回到本页的最低地址(XXXXX000B)。此时，若单片机再向AT24C02写数据，则会将已写过的数据覆盖。此即“轮翻(roll over)”。为避免这一情况的发生。在一页写满后重新写入时，应将AT24C02片内地址作相应的变动9 10。图 2.4.9 AT24C02总线时序图2.4.7 输入设备电路设计电路选用的输入设备即启动与停止按钮如图2.4.10左为按钮结构图，右为等效电路图，该按钮需频繁操作，故不能安装在防爆箱内，因此防爆则是首要条件，根据生产厂家提供的资料，该按钮有三个接线端可供接线，有一个公共端，S1具有自锁功能，S2不带自锁。根据设计要求在急停的状态下主控板必须断电，一方面是为了安全，另外则是在单片程序出现异常的时候可以通过急停使系统可以复位。启动则是给单片机引脚的一个启动信号，因此在设计中需要解决这个问题。图 2.4.10 防爆按钮结构图经再三考虑设计出控制电路如图2.4.11，将按钮的1脚接入整流后的负极，S1带自锁，所以按下后公共端就呈现负极（即GND），启动按钮一端是连接在GND上的另一端连接至单片机的引脚P2.2上，只要用程序不断检测P2.2是否为低电平就可检测到是否有启操作了。图 2.4.11 按钮的接线电路图2.4.8 中间继电器驱动设计大多数面板安装的继电器由微处理器或其他敏感的电子设备驱动。一个良好的线圈驱动电路要求在继电器和微处理嚣电路之间进行隔离，有效的驱动电路必须考虑到驱动电流和驱动电压的要求有效的抑制线圈的瞬志过程，否则该瞬态会损坏微处理器10。如图2.4.12，由于单片机上电复位的时候，单片机所有I/0口均输出高电平，同时这个高电平是不允许设备工作的，因为这段时间是不受处理器控制的，因此驱动必须设置成为低电平有效，例如单片机将信号1送到P3.0，U5光电耦合器内部的发光二极管不亮，U5内部的光电三级管集电极出现高电平，Q5栅极高电平的时候截断漏极到源极的电流，因此继电器线圈K内部不存在电流，继电器断开。如单片机将信号0送到P3.0，U5光电耦合器内部的发光二极管点亮，U5内部的光电三级管集电极出现底电平，Q5栅极底电平的时候使漏极到源极导通，在继电器线圈K内部产生电流，继电器吸合。继电器在断开的瞬间会出现一个反电动势，电压很高，容易损坏开关管，故与其并联一个续流二极管，吸收反电动势，保证开关管不被损坏。图 2.4.12 中间继电器驱动电路3 系统的硬件设计与实现本系统主要功能全部由AT89C52单片机设计实现，硬件接口电路如图3.1.1所示.市电经二阶共模滤波后由稳压电源模块将电压变成5V直流电压，供给给整个系统，另外一组电压则由7812稳压后送给中间继电器和外部传感器；数码管显示当前状态与记录时间；时间由用户设置后保存到外部存储器；外部传感器检测到信号后送给单片机，经内部程序处理后发送控制信号到中间继电器，中间继电器控制设备上的交流接触器，由各个交流接触器控制对应的三相异步电机运行，按下急停按钮，主控板失电，中间继电器释放触点，整机停止运行。图 3.1.1 系统硬件电路图4 系统软件设计与实现开 始初始化读RAM数据Time、Ftime0Ftime9Time=15定时器T0=Time0Time99Ftime=55定时器T1=Ftime启动信号=1LED显示FF启动定时器T0OUT1=1Time=0启动定时器T1OUT2=OUT3=1OUT1=0;Time=0LED显示Time值OUT2=OUT3=0结 束LED显示Ftime值NNNNNY图 4.1.1 系统程序框图系统程序执行步骤如图4.1.1，单片机上电复位完成后开始执行初始化程序，接着读取外部程序存储器存储值Time和Ftime，然后后判断Time是否在允许范围内，如果没有则说明外部存储器掉线或者故障，则强行对Time赋值10以便于系统能正常工作，如果Time在规定范围内，则将Time的值分别送给定时器0的高底位，接着又判断Ftime的值是否在允许范围内，如果没有则说明外部存储器掉线或者故障，则强行对Ftime赋值5以便于系统能正常工作，如果Ftime在规定范围内，则将Ftime的值分别送给定时器1的高底位，然后判断是否有启动信号，如果没有LED显示器显示FF，如果有则启动定时器0并让OUT1等于1则主驱动电机开始运行，Time在定时器0中断里进行减操作，然后判断Time是否等于0，如果不是，则继续执行减操作并让LED显示器显示Time当前值，如果Time等于0则停止主驱动电机（即停止T0和OUT1=0），然后立即开启定时器T1并让OUT1等于1，OUT2等于1，即开启强力风机1和强力风机2。Ftime在定时器1中断里进行减操作，然后判断Ftime是否等于0，如果不是，则继续执行减操作并让LED显示器显示Ftime当前值，如果Ftime等于0则停止强力风机1和强力风机2。如上一个执行周期完成。5 系统组装与调试本设计以51系列单片机为核心，利用电路板绘图工具Altium Designer 6.9将PCB制作好并刻板后即可焊接。焊接核心器件单片机时需特别注意单片机的方向，避免焊接错误，如果焊接错误则可能损坏单片机。同时焊接时也要注意贴片元件焊接工艺，如果出现焊料少则在使用过程中很容易出现虚焊，导致系统不能正常工作。如果焊料过多则会出现短路，轻则系统无法工作，重则由于短路造成电流过大损坏电路板。调试完成后应使用电路板灌封胶将所有贴片元件进行灌封，防止在应用中震动过高引起虚焊，或者在潮湿环境下电路漏电，所导致系统工作不稳定。设计没有其他繁杂的调试只需正确书写程序代码并下载到单片机中即可；数码管用于显示当前运行状态和工作时间等信息，按键用于客户设置Time和Ftime的值，如图5.1.1焊接完成后的实物图。图 5.1.1 系统实物图6 系统测试6.1 洗鞋机模拟测试平台搭建主控板完成后，搭建洗鞋机模拟平台，如图6.1.1，主要部件有1个三相异步电机（主驱动电机）、1个电磁水阀、2个风机、3个中间继电器、热释电红外红外传感器、3个交流接触器和停止与手动启动按钮及变压器。主驱动电机在洗鞋机中通过变速器变速后传动洗鞋毛刷和鞋底尼龙毛刷，毛刷负责清洗筒靴壁，尼龙毛刷负责清洗鞋底；电磁水阀控制洗涤剂，该电磁阀与主驱动电机同步运行；当主驱动电机运行Ftime秒后，风机程先后顺序启动，时间间隔规定在3秒，因大型电机在启动时电流很大因此不能同时启动，故此分先后顺序启动；交流接触器是控制三相异步电动机不可缺少的部件，该部件由主控板驱动中间继电器然后由中间继电器驱动。图 6.1.1 洗鞋机模拟平台主控板与外部电气设备连接如图6.1.2，主控板标注V+与V-之间电压值是12V，H表示此端是启动信号输入端且高电平有效，该信号在主控板上设置有两个分压电阻成2比1的比例，即输入信号是12V时到单片机I/O口还有4V电压，主控板标注的L，该引脚同样是启动信号输入输入端，该引脚低电平有效，在主控板上同样设置有分压电阻其参数与H端口相同。另外一组启动信号则是标注有“启”字的端口，该端口没有分压电阻，因此只能是5V输入，低电平有效；标注有COM的是公共端，该端口是电源模块的负极，只有该端与“停”端口导通的时候，电路板才能得到供电。因此如果急停按钮断开，那么系统电源就会断开。利用COM的信号通过一个启动按钮即可手动启动设备。需要注意的是中间继电器为12V，从主控板提供一个12V的电压给外部中间继电器，中间继电器通过主控板上的MOS管来开关中间继电器。由于煤矿井下电压没有220V，只有660V，因此在安装主控板的时候需要外加一个变压器，将660V的电压变成220V。当然三相电机一定要选择660V的电机。据调研，目前市场上660V的电机还是很多，可以购买到。除了电压要求外，防爆也是一项硬性指标，如果不能提供矿用防爆证书，设备将不能得到投入使用。因此外部设备必须具备防爆功能，接触器和主控板体积较小，可以购买专用防爆箱。图 6.1.2 洗鞋机电气连接图6.2 工业恶劣环境测试6.2.1 高温环境测试测试仪器：名 称 数 量 型 号袖珍型温湿度记录器 1 EBI-20奥迪斯电子手表 1 O.T.S6335万用表 1 MF-47220V蜂鸣器 2 HRB-NB012V蜂鸣器 2 UZ6-12测试方法：将矿用热释电红外传感器热释电红外传感器ZP-12R正确连接至主控板V1-1-1；将220V蜂鸣器HRB-NB0分别连接值主控板标注有“D”和“J”的端口上；将12V蜂鸣器UZ6-12分别连接在主控板标注有“F1”和“F2”上，另外的一根线同时接在主控板标注有“12V”的端口；将袖珍型温度记录器安装在主控板旁边，测量当前环境温度。然后将安装好的物品放置在室外，用手表计时，间隔一端时间后感应一下传感器，测试系统能否正常工作，并记录当前温度，与时间。表 6.2.1 主控板温度数测试数据时 间 温 度 启动正常 LED显示正常 控制正常10:00 30.7 是 否 是 否 是 否10:30 35.2 是 否 是 否 是 否11:00 39.5 是 否 是 否 是 否11:30 39.3 是 否 是 否 是 否12:00 42.7 是 否 是 否 是 否12