（测试计量技术及仪器专业论文）智能烫发器系统的研究与实现.pdf

摘要 随着消费水平的提高，人们在美容荧发方面投入了更多的关滤。市场的扩大 将搬动美发产品瓣进一步发耀。 本文锌辩褒蠢烫发器稼豹苓廷，挺滋一耱基予数字式温淀波传墓器与嵌入 式信息处理系统的集散式智能烫发器系统构成方案，研究、设计、试制了智熊烫 发器的硬件电路，完成了智能烫发的软件设计。传感器采用数字忒集成传感器， 寿测乎疆囊烫发卷潼湿度浆糗溺糖废 鼗零器采凌徽羧裁器壹接驱凌，有利予辫 低系统功耗：温控电路采用淑向可控硅过零切换方式，有利于降低系统对外干扰。 智能烫发器采用模糊温度控制方法，算法简单，控制效果好：利用无线通信网络 将备个烫发卷节患与p c 撬迄接起来，形成集鼗式溅控系统，剩蹋p c 挺豹惩户 赛蕊实现多烫发卷酪实瓣澜爨与控耱；为撵离系统的游信可靠度，本文还详缨研 究了期能烫发器通信校验方法一c r c 循环冗余校骏方法。 全文共分为7 个部分；第一章介绍烫发的原理、烫发器材的慧本功能及研究 褒浚，总结本文瓣圭要王终秘镁螽之楚；薅二章壤述餐缝烫发舔懿基本臻辘，论 述帮能烫发器的正作原理，说明智能烫发器设计中的器件选择与编程语言选择； 第三鬻简要介绍智能烫发器液雇显示器的嶷示原理和驱动方法，爨点介绍智能烫 发嚣嚣示单元鹳凝、软终设谤愚路；第嚣学会绥s h t l 0 转感器鹣蒸本特蝗帮终 舔接髓敢时序簧求，详细奔蠕以s h t l 0 为信息源的信怠采集单元设计，探讨智 能烫发器温度、溆度测量的谈差来源；第赢章介绍温度控制单元的硬件设计，详 细讨论模糊控制撩的设计忍路，给出模糊控制的茁真与实验结果；第六章麓要介 绍遴绥鼹络豹缭擒，详缨论述疆髂接西蠡鼹瓣硬箨设诗方案，戳及遴信协议翡设 计思路，最后部分详细介缁智能烫发器通信的c r c 校验算法的原理与实现方 法；第七章从抗干扰设计、低功耗设计和可靠性设计三个方面论述智能烫发器的 霹靠瞧设谤接拳；缝论部努慧缝了论文王襻存在蘩不楚，斑瑗嚣懿爨续磅载攥游 改避意见。 在本文的七辩和文后的附录中，给出丁智能烫发器的电路设计实物图片和软 件渣擎。 关键谢：智能烫擞器；数字激湿度传感褥；烫发卷；咒线通信；模糊控莉；c r c 校验；w 嚣性设计 l l a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fc o n s u m p t i o nc a p a b i l i t yo fp e o p l e ，t h e yn o wp a y m o r ea t t e n t i o nt oh a i r d r e s s i n g e n l a r g i n gm a r k e tw i l ls p e e du pt h ed e v e l o p m e n to f h a i rp e r m i n gd e v i c e w i t hav i e wt ot h ed i s a d v a n t a g eo fh a i rp e r m i n gd e v i c eo nt h em a r k e t ，a d i s t r i b u t e di n t e l l i g e n th a i rp e r m i n gd e v i c eb a s e do nad i g i t a l o u t p u tt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t y s e n s o ra n de m b e d d e ds y s t e mi sp r o p o s e d t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ep r o g r a mo ft h i sn e w t y p ei n t e l l i g e n th a i rp e r m i n gd e v i c ei sr e s e a r c h e d ， d e s i g n e d ，a n df i n a l l yi m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s as i n g l e c h i p ，d i g i t a l o u t p u ts e n s o r i su s e dw h i c hc o m m u n i c a t ew i t hm c ut h r o 【g h2 - w i r es e f i a ii n t e r f a c et oi m p r o v e m e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , m c ud r i v e st h el c dd i r e c t l y i n s t e a do fu s i n gs p e c i a ld r i v e ri c st or e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h es y s t e m ， t h ez e r o c r o s ss w i t c h i n gm o d eo ft h y r i s t o ri np o w e r - c o n t r o lc i r c u i ti ss e l e c t e dt o r e d u c et h er a d i oi n t e r f e r e n c et oo t h e rc i r c u i t t h ef u z z y - c o n t r o ls c h e m ew h i c hi s u s e di nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o li sv e r ys i m p l e ，m e a n w h i l et h ec o n t r o le f f e c ti s s a r i s f a c t o r y t ot a k ea d v a n t a g eo fs t r o n gf u n c t i o no fap c ，aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ki sc o n s t r u c t e dt h r o u g hw h i c has e to fi n t e l l i g e n tn o d e sa r ec o n n e c t e dt oap c t of o r mad i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m t o i m p r o v es y s e m c o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y , p r i n c i p l ea n di m p l e m e n to fc r cf c y c l i cr e d u n d a n c yc o d e s ) e r r o rd e t e c t i o na l g o r i t h m s ，ac o m m u n i c a t i o ne l r o rd e t e c t i o nm e t h o di nc o m m o nu s e ， i ss t u d i e di nd e t a i li nt h i st h e s i sa l s o t h i st h e s i sc o n s i s t so f8c h a p t e r s ：t h ef i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo f p e r m ，t h eb a s i cf u n c t i o na n dr e s e a r c hb a c k g r o u n do fah a i rp e r m i n gd e v i c ea n d i n n o v a t i o no ft h et h e s i s i nt h es e c o n dc h a p t e r , t h eb a s i cf u n c t i o na n dp r i n c i p l eo fa n e w t y p ei n t e l l i g e n t h a i r p e r m i n gd e v i c e a r e s y s t e m a t i c a l l yd e s c r i b e d c h i p s e l e c t i o na n dp r o g r a ml a n g u a g es e l e c t i o na r ee x p l a i n e d t h et h i r dc h a p t e rd i s c u s s e s t h ed i s p l a ya n dd y n a m i cd r i v e rp r i n c i p l eo fl c do f i n t e l l i g e n th a i rp e r m i n gd e v i c e t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r eo f d i s p l a yu n i ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h ef o u r t h c h a p t e r d e s c r i b e st h e s p e c i f i c a t i o n so fas i n g l ec h i pr e l a t i v eh u m i d i t ya n d t e m p e r a t u r em u l t is e n s o ra n dt i m i n go fi t s2 - w i r ei n t e r f a c e ，i n t r o d u c e si nd e t a i lt h e d e s i g no fi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o nu n i t eb a s e do ns h t i o ，d i s c u s s e st h es o u r c eo fe r r o r i nt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd e t e c t i o n ；t h ef i f t h c h a p t e ri n t r o d u c e sd e s i g no f i h a r d w a r ec i r c u i tf o rt e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i t f u z z yt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e ri s r e s e a r c h e dd e e p l y ，a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o nb a s e do nm a t l a ba n dr e s u l to f e x p e r i m e n ta r ep r e s e n t e d t h es i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ef r a m e w o r ko fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k h a r d w a r ed e s i g no fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i ta n d d e s i g no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ed i s c u s s e dd e e p l y t h em a t h e m a t i c a lp r i n c i p l e a n di m p l e m e n tm e t h o do fc r c si ss t u d i e di nd e t a i li nt h es i x t hc h a p t e ra l s o ；i n s e v e n t hc h a p t e r ，a n t i - d i s t u r b a n c ed e s i g n ，l o wp o w e rd e s i g n ，r e l i a b i l i t yd e s i g na r e d i s c u s s e dt oi m p r o v er e l i a b i l i t yo ft h ei n t e l l i g e n th a i rp e r m i n gd e v i c e ；f i n a l l y , t h e d e f i c i e n c i e so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h ei m p r o v e m e n tm e t h o d sa r e p r o p o s e d p r i n t e dc i r c u i tb o a r do fi n t e l l i g e n th a i rp e r m i n gd e v i c ei s g i v e ni nt h es e v e n t h c h a p t e r , a n ds o f t w a r el i s ti sg i v e ni nt h ea p p e n d i xb ，a p p e n d i xc k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n th a i rp e r m i n gd e v i c e ；d i g i t a l - o u t p u tt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ys e n s o r ；h a i r c u r l e r ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ：f u z z y c o n t r o l c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ；r e l i a b i l i t yd e s i g n w 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：矧、研日期：“年够月朋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 l 弼和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口t 在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：一占年够月西臼 日期：。6 年3 月堙日于时r j 奄 孙归 第1 章绪论 美发是“头顶大事”。随着人们生活水平的提高，越来越多的人希望拥有一头 漂亮时尚的头发。国家统计局天津调查总队对1 5 0 0 户城市居民家庭抽样调查表 明，今年一、二月份，家庭人均理发美容服务消费和购买各种化妆品支出分别比 上年同期增长1 8 3 和1 6 2 。近年来，全球染、烫发产品市场的高速发展令其 它化妆品望而兴叹，2 0 0 0 年全球仅染发产品每年的零售额达7 0 亿美元，2 0 0 1 2 0 0 5 年，其销售基以8 1 0 的速度增长。与此同时，烫发技术和烫发器材的 技术进步也成为时代发展的迫切要求。新的烫发技术是通过烫发器材的发展完善 来实现的，烫发器材在烫发过程中有着举足轻重的作用。 随着嵌入式技术的发展许多电子设备都在向智能化、网络化方向发展。但 是，市场上采用了嵌入式技术的烫发器材还很少，现有烫发器的功能都较为简单， 无法满足新的烫发技术的发展要求。 本章阐述烫发的基本原理，说明研究智能烫发器的积极意义与经济价值，指 出本文的研究背景、研究思路、工作重点及创新之处 i 1 烫发原理 图1 1 为头发的结构示意图。从结构上来看，头发有三大层和四大键。头发 从外到里可分为毛表皮、毛皮质、毛髓质三个部分。毛表皮是扁平细胞交错重叠 成鱼鳞片状，从毛根排列到毛梢，包裹着内部的皮质， 如图1 2 所示。这一层保护膜虽然很薄，只占整个头发 的1 0 - 1 5 ，但却具有重要的作用，可以保护头发不受 外界环境的影响，保持头发颜色、亮泽和柔韧。毛表皮 由硬质角蛋白组成，有一定硬度但很脆，对摩擦的抵抗 力差，在过分梳理和使用不好的洗发香波时很容易受伤 脱落，使头发变得干枯无光泽。毛皮质占毛发的7 5 至 9 0 ，是左右着毛发性能的重要组成部分。毛表皮由柔 软的角蛋白构成。蛋白质链互相缠绕，形成原纤维，原 纤维汇集在一起，便形成了微小纤维。这些微小纤维进 一步聚集，即形成了宏纤维。宏纤维最后结合成肉眼可 以看到的纤维体，这就是皮质。毛髓质位于头发的中心， 是含有一些麦拉宁黑色素粒予的空洞性的细胞集合体， 圈1 1 头发的结淘 一至二列并排且呈立方体的蜂窝状排列着。它内部有无数个气孔，这些饱含空气 的洞孔具有隔热的作用，而且可以提高头发的强度和刚 性，又几乎不增加头发的重量。 头发结构中的化学键主要有四种，分别为氢键、盐 键、二硫化物键、氨基键。氢键、盐键遇水断开，遇热 重新组合，保持到再次冲水；二硫化物键很坚韧的一个 键，可切断后重组；氨基键只在粗硬的头发里面存在， 细软的头发里面不存在氨基键。 烫发就是使用化学和物理方法，切断然后重组头发 图1 - 2 毛鳞片 中的二硫化物键，使自然的直发，形成卷曲形状。 烫发分为冷烫和热烫。螺丝烫、定位烫、空心烫属于冷烫；热烫有陶瓷烫、 s p a 烫( 利用水为介质达到减压减痛的治疗作用，是专门针对受损发质创造的烫 发技术) 、离子烫等。 冷烫又称化学烫，将头发卷在不同直径与形状的卷芯上，在烫发水第一剂的 作用下，大约有4 5 的二硫化物键被切断，而变成单硫键。这些单硫键在卷芯 直径与形状的影响下，产生挤压而移位，并留下许多空隙。烫发水第二剂中的氧 化剂进入发体后，在这些空隙中膨胀变大，使原来的单硫键无法回到原位，而与 其他一个与之相邻的单硫键重新组成一组新的二硫化物键，使头发中原来的二硫 化物键的角度产生变化，使头发长久卷曲。 冷烫时第一剂烫发水称为还原剂。还原剂的主要成分是乙硫醇酸( 硫代) 和 阿摩尼亚( 氨水) 。乙硫酵酸是一种碱性物质，它的作用是切断头发里最坚固的 二硫化物键。阿摩尼亚( 氨水) 也是一种碱性物质( p h 值为9 度) ，它可使头发 膨胀，打开毛鳞片使其它成份进入。第二剂烫发水称为氧化剂，其主要成分为氯 化钠和过氧化钠( 双氧水) 。氯化钠起到重组及固定链键组织的作用。过氧化钠 帮助重组二硫化物键，使链键氧化固定成形。由此可见，冷烫完全是使用化学方 法使头发达到卷睦的效果。 热烫的原理不同于化学作用的冷烫技术。熟烫是在抹上第一剂后，头发内部 开始发生化学反应，角质蛋白之间的分子联系逐渐被软化，连接键断开，此时运 用不同型号的烫发卷芯通过其内在加温促使角质蛋白之间的分子结构发生改变， 产生新的形状。随着烫发卷芯内的温度的升高，在物理作用下使角质蛋白结构重 新硬化固定下来。再加上第二剂的化学重组定型作用，达到长久卷曲。可见，热 烫是结台化学作用和物理作用，使头发达到卷曲的效果，其烫发效果及持续时间 均优于冷烫，是目前的主流烫发方式。本文的后续论述均围绕热烫展开。 1 2 烫发器的基本功能 烫发器的作用是提供头发定型所需要的支架，即烫发卷芯。不同效果的发型， 需要不同外形的烫发卷最常见构卷发有大卷、中卷和小卷，对盛使用的圆柱形 的烫发卷芯的直径也是由大到小变化 另一方面，烫发过程中所需要的热量也是由烫发器提供的。烫发卷芯内部都 安装有加热元件，接通电源后即可提供烫发过程中所需的热量。 为了增加美发师操作的灵活性烫发器一般带有温控电路或定时电路。 此外，烫发器还具有一个人机交互界面，美发师通过这个界面对烫发参数进 行设置，输入所需要韵烫发温度或烫发时间：烫发过穗中烫发参数的实时测量结 果也通过这个界面显示。 烫发嚣的智能功能主要取决于烫发器韵电子系统设计。烫发器的电子系统实 际上是一个典墅的涮控系统；温度参数的检测和控制，用户输入接口及控制结果 输出界面。 1 3 智能烫发器研究柏意义 烫发必须通过破坏毛发蛋白的固有结构才能达到其头发造型的效果，显然， 烫发会对头发产生损害 在烫发过程中。影响烫发效果和对头发造成损害的因素很多，除了烫发药水 外，烫发器功能是否完善是决定烫发效果和头发损害程度的关键因素； 第一。烫发嚣的加热方式是否温和、均匀，直接影响烫发效果和头发的受损 程度。 第二，烫发过程中温废控制精度也是影响烫发质量和发质损害豹重要因素。 过高韵温度会加速化学反斑，使断开的二硫化物键的数量过多。增加“烫焦”的危 险，直接对毛发蛋白造成过度伤害：过低的温度使烫发时间延长，达不到满意烫 发效果 田此，只有均匀的加热方式和适当的烫发温度才能在保证烫发效果的同时将 对头发的损害降到最小。 品质不良的烫发器材不仅会影响烫发效果、对发质造成过度损害，更有可能 造成重大的事故。2 0 0 5 年l t 月一位顾客在武汉路现代爱情故事美容院烫发时美 发设备短路起火整个头皮被烧伤，给当事人造成巨大韵身心伤害 市场的巨大需求推动着烫发器材的发展。研究功能完善、安全可靠的烫发设 备具有积极的社会意义和显著的经济效益。 1 4 本文的研究背景 目前的烫发器一般采用正温度系数热敏电阻( p o s i t i v et e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n tr e s i s t a n c e ，p t c ) 作为发热材料。p t c 熟敏电阻具有其独特的电热 物理性能：当在p t c 元件施加交流或直流电压升温时，在居里点温度以下，电 阻率很低；当一旦超越居里点温度。电阻率突然增大，使其电流下降至稳定值， 具有自动控温、恒温的功能。利用p t c 的自动恒温功能，部分烫发器不带温控 电路，烫发器的温度由所用p t c 材料的居里温度确定( 约为1 4 0 ) 。另一部分 烫发器带有温控电路，烫发温度在一定的范围内可调。其中连续可调型产品的控 制面板上设置了“+ 、。按钮，调节步进量为l ，由美发师根据经验设置烫发温 度；分级可调型产品的控制面板上设置了“抗拒性发质”、“正常发质”、“轻度受 损发质”、“中度受损发质”、“严熏受损发质”等按键，对应不同的烫发温度。相 对连续可调型，分级可调型产品的使用灵活性受到一定程度的限制。 烫发器的发热方式分为内热式和内外加热式。 所谓内热式就是将p t c 发热元件放置在烫发卷芯内，接通电源后，p t c 温 度上升，通过传导的方式使得烫发卷芯的温度升高。而烫发卷芯与头发直接接触， 通过传导的方式对头发的加热。根据制作烫发卷芯豹材料不同，如用陶瓷材料制 成的卷芯，随着温度的升高，还会产生红外线，除了传导式加热，同时以辐射的 方式对头发进行加热。 将头发绕在烫发卷芯上后，再在外面加上一个安装有发热膜的夹子，接通电 源后，能够从内外两个方向同时对头发进行加热，这就是内外加热式。内热式与 内外加热式结构上有区别，但加热原理相同。 现有烫发器的电子系统在参数的测量和控制方面存在以下问题： ( 1 ) 温度参数的检铡和控制精度不商。几乎所有的温度可调的烫发器，使 用的是热敏电阻温度传感器，模拟式的温度测控电路，因此温度的测控精度较低。 据业内人士透露，显示的温度值与实际的温度值一般相差1 0 2 0 c 。 ( 2 ) 温度调节功能具有一定的局限性目前市场上烫发器能供美发师调整 的参数是烫发时间或烫发温度。对于恒温烫发器，用户接口中给出烫发时蠲设置 功能，温度不可调节：对于温度可调的烫发器，其中部分仅给出分级可调的温度 设置功能。 ( 3 ) 无法提供对湿度参数进行检测的功能热烫是利用加热和化学药水的 双重作用来使头发定型，需要在头发干透后再进行下一道工序，这就涉及到湿度 的检测。目前的湿度检测只能凭美发师感观判定。 ( 4 ) 现有电子系统在加热方式方面也存在一定的问题。无论是内热式，还 是内外加热式，都是一种非均匀加热，与烫发器直接接触的表层头发的受热要大 于内层头发，往往造成表层头发与内层头发受热不均匀、水分含量不一致。非均 匀的加热方式是造成头发过度损害的个重要因素。 1 5 本文工作的主要工作及创新 1 5 1 本文的主要工作 本文研究的智能烫发器将嵌入技术引入到到烫发设备中，利用数字式温湿度 传感器，提高温湿度检测精度；通过智能化的控制规则获得良好的温度控制效果； 同时构架无线通信网络，将信息回传到p c 机上，构成集散式测控系统。 1 5 2 本文的刨赫 本文的创新在于t ( 1 ) 系统研究烫发器技术，在此基础上设计一种采用嵌入式处理器、结构 简单、功能齐全、耗电少、安全可靠的智能烫发器系统。这种测控精度高、智能 功能强、具有广嗣的市场应用前景的智能烫发器系统国内外未见成熟、实用产 品 ( 2 ) 深入研究智能烫发器加热系统的工作机理，建立智能烫发器模糊温度 控制方法，进行模糊温度控制算法的仿真和试验。 ( 3 ) 深入研究智能烫发器一对多无线通信网络的组建技术及c r c 通信效验 方法的原理，利用p c 机、前置机积各个智能节点构建基于无线通信方式的集散 式测控系统。 ( 4 ) 完成智能烫发器舶电路设计、智能功能设计和可靠性、低功耗设计， 可望在短期内形成智能烫发器产品。 第2 章智能烫发器的系统设计 本章概述智能烫发器的基本功能，据此设计一种由p c 机、前置机、烫发卷 智能节点三大模块构成的智能烫发器，论述智能烫发器的工作原理，说明智能烫 发器设计中的器件选型与编程语言的选择。 2 1 智能烫发器的功能 2 1 1 温湿度检测功能 为了监控整个烫发过程，智能烫发器需要具有温度和湿度值的检测功能。根 据烫发的工艺要求，智能烫发器的温度检测的精度要求为5 ，湿度检测精度 为1 0 r h 。 2 1 2 状态显示功能 检测到的数值需要显示出来，供美发师随时查看，因此智能烫发器需要具有 状态显示功能。常见的用于智能仪器的显示模块有数码管和液晶显示器。从低功 耗设计的角度考虑，选用液晶显示器作为显示单元，驱动方式采用动态扫描方式。 2 1 3 智能温度控制功能 烫发过程中加热部件的温度需要稳定在预设定值，因此智能烫发器需要具有 温度控制功能a 加热系统是一个具有大惯性、纯滞后的非线性系统。作为非线性 控制的一大分支，模糊控制在温度控制系统中可以取得较好的控制效果。 2 1 4 信息通信功能 为了利用p c 机的强大功能形成友好的人机交互界面以及实现更多的智能功 能，在p c 机和烫发卷之间需要交互传递命令和实时信息，因此智能烫发器需要 具有信息通信的功能。 2 2 智能烫发器的构成 由上功能描述可知，本套系统实际上是一个集散式测控系统。 每个烫发卷都需要具有温湿度检测、温湿度数据显示及温度控制功能，完 成本地的测量、显示与控制任务，同时烫发卷系统上还集成有数据收发模块，用 来和主机进行通信。为了避免烫发卷上的连线过多，烫发卷和主机之间的通信选 用无线通信方式。由于p c 机不能直 接收发无线信号，敛需要设计一个前 置机来进行有线到无线的数据传输 波形的转换。 智能烫发器系统的结构框图如 图2 1 所示。本套系统由主机( p c 机) 、 前置机和若干个烫发卷构成。本套系 统实际上构成了一个集散式铡控系统 微控制器为从机。 2 2 1 嵌入式信息处理单元 p i c 单片机 p c 机 ( 前置机) 圈2 1 智能烫发器框图 其中p c 机、前置机为主机，烫发卷内的 前景机和烫发卷上部需要采用馓控制器( 单片机) 来完成指定的功能。目前 常用的8 位微控制器从存储器组织体系结构角度区分，有“冯诺伊曼”和“哈佛” 结构两种“冯诺伊曼”结构的微控制器的程序存储器和数据存储区在物理分配 上属于同一空间困为是8 位机。即数据总线的宽度为8 位，所以读取指令和存 储数据只能共用同一8 位总线，数据流量受到一定的限制。“哈佛”结构的微控制 器的程序存储器和数据存储区在物理空间上完全独立，读取指令的总线和存取数 据的总线也完全分开。这样的结构让指令总线和数据总线的宽度不一样成为可 能，数据总线宽度一样还是8 位，但针对程序空间读取指令的总线宽度可以是任 何合适的位数另外，狠关键的一点是由于总线独立，读取指令和存储操作数就 可以同时进行即可以弓i 入指令的流水线机制，以提高微控制器的数据流量，提 高代码运行效率。 m i c r o c h i p 公司推出的p i c 系歹i j8 位微控制器内核正是基于“哈佛”结构。在 其整个8 位机家族中分为低，中，高三档，对应内部的指令宽度分别是1 2 1 4 1 6 位。 1 2 位指令宽度的低档徽控制器结构简单、价格低廉、适用于一些控制任务相对 简单且对价格敏感的低端消费类产品。1 4 位指令宽度的中档微控制器是目前型 号最丰富的一个系列，其片内功能模块种类齐全，组合灵活多变，价位适中，应 用领域及其广阔。1 6 位指令宽度的高档微控制器整个内核体系在1 4 位微控制器 的基础上有很大提高，最高指令流可以达到1 0 m i p s ( 单条指令执行时阀为 l o o n s ) ，达到部分1 6 位微控制器的性能，一般用于较高端的产品设计。 根据本产品的功能和性能要求。考虑开发的方便性以及产品成本等因素，选 用p i c l 6 系列中档微控制器。所有的p i c l 6 中档微控制器都有一个同样的运算 控制和执行内核，各个型号所不同的是其配属的外围模块各不相同。这样可以使 得用户按照具体产品设计的要求，选用最恰当的一款微控制器。按设计任务对功 能进行添加和裁减，可以方便地移植到其他合适的芯片上继续开发。 孕圃 丫l r l 根据本产品的功能规划可知，烫发卷和前置机对外围模块的要求均为u s a r t 模块( 通用同步异步通信模块) ，以实现通信功能。故选用低价格的p i c l 6 c 6 3 a 型微控制器。但是由于p i c l 6 c 6 3 a 属于o t p 型存储类型，不便于调试过程中的 反复烧录，因此在调试过程中，采用p i c l 6 f 8 7 7 a 微控制器替代p i c l 6 c 6 3 a 进 行调试。p i c l 6 f 8 7 7 a 的程序存储空间为f l a s h 类型，可以多次烧写，非常方便。 另一方面由于p i c l 6 系列微控制器指令的兼容性，调试好的程序无需修改， 就可以在p i c l 6 c 6 3 a 上运行。 2 2 2 接口电路 ( 1 ) 烫发卷上嵌入式系统的设计及器件选型 各个烫发卷上嵌入了p i c l 6 c 6 3 a 微控制器，借由m c u 的智能化功能每个烫 发卷构成了一个智能节点，其功能框图如图2 2 所示。系统的外围功能模块主要 有4 个：温湿度传感器、l c d 显示单元、温控单元、无线数据收发接口电路。 微控制器采样温湿度传感器获得实 时的温湿度信息，根据智能控制算 法对实时温湿度信息进行综合处理 后，产生控制信息控制输往加热回 路的功率，达到良好的恒温控制效 果。同时，微控制器将采集到的温 霸2 2 麓节点功麓蠢由 湿度数据送到l c d 显示。无线数据收发接口的功能一方面是将主机发送过来的 射频信号解调为微控制器能够识别的高低逻辑电平信号，另一方面是将微控制器 对主机命令的应答数据调制成为射频信号发射出去。 温湿度传感器选用瑞士s e n s i r i o n 公司出品的s h t i o 型温湿度传感器。 s h t i o 是一款高度集成的数字式温湿度传感芯片，提供全标定的数字输出，所 有的校正均在芯片内部完成，不需要外围调理电路，非常适合于小空问的设计。 此外，它采用专利的c m o s c n s 技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期 稳定性。 烫发卷上显示的温湿度数据均为2 位数，采用定制的字段型液晶显示器。 如图2 3 、图2 4 所示。包括4 个7 段字符和4 个符号位，共3 2 个像素点。由于 像素较少，出于成本方面的考虑，没有采用控制芯片，而是由微控制器直接驱动 液晶显示器。 射频载波的频率选择4 3 3 m h z ，无线数据收发接口电路的调制模式为键控通 断，逻辑1 输出时，发射载波信号；逻辑0 输出时。无载波信号发出。硬件电路 采用m i c r e l 公司的射频接收芯片m i c r f 0 0 8 ，配合l c 型发射器构成射频调制 解调模块。这种采用集成芯片和分立元件组合的方案在减少调试工作的同时，也 达到降低产品成本豹目的。 飘2 3 液晶显示嚣外蕊圈 圈2 4 液晶显示嚣实物豳 栅热方式采用热吹式的加热方式。热砍式的加热方式的原理类似吹风机，发 热源采用镍铬合金丝，由微型马达驱动的鼓风式的风扇将经过镍铬合金丝加热的 热空气吹入的烫发卷内。发热丝回路的功率控制元件选用双向可控硅。微控制器 检测交流电韵过零点，可控硅的触发周期数由温度控制算法得出。在得到过零点 后，根据控制结果，触发可控硅，从而实现发热丝功率的控制。 图2 5 为智能节点电路原理图。 ( 2 ) 前置机系统设计 前置机也是一个基于p i c l 6 c 6 3 a 微控制器的智能系统，其原理框图如图2 6 所示。前置机的功能相当 于中继器，它将p c 机的 命令以无线的方式转发 出去，将接收到的智能节 田2 6 前置机功能框豳 点的应答以有线的方式传回p c 机。通过前置机的中继功能，p c 机与各个智能 节点构成一个主从式的i 对多无线通信网络。除了数据中继功能，前置机本身具 有检测数据包完整性的功能，仅将正确的命令和应答进行传递。前置机的电路原 理图如图2 7 所示。 2 2 3 编程语言选择 用c 语言开发单片机系统软件，编写代码效率高，软件调试直观，维护升 级方便，代码的重复利用率高，便于跨平台的代码移植。因此，c 语言编程在单 片机系统设计中已得到越来越广泛的运用。本文的软件设计选用c 语言来编写。 m i c r o c h i p 公司自己没有针对p i c 中档系列单片机的语言编译器，但很多专 业的第三方公司有众多支持p i c 单片机的c 语言编译器提供，常见的有h i t e c h 、 c c s 、i a r 、b y t e c r a f t 等公司。本文选用c c s 公司的c 语言编译器，它稳定可 靠、编译生成的代码效率高，在用p i c 单片机进行系统设计和开发的工程师中 得到广泛认可。 盥 割 隧 餐 脚 忙 篙 取 吨 h 固 豳 捌 蟾 农 脚 舞 一 盆 卜 “ 墨 2 3智能烫发器的工作流程 2 3 1 智能烫发器的工作流程 系统上电后，各个烫发卷上的l c d 显示全 0 。美发师根据顾客所选择的发型和顾客的发质 决定烫发的温度值，通过p c 机的用户接口界面 输入。主机发布设置温度命令，分别设置好各 个烫发卷的烫发( 恒温) 温度。设置好烫发温 度后，主机发布启动命令，各个烫发卷接收到 该命令后，接通发热丝回路，开始加热。在之 后的整个烫发过程中，主机每隔2 s 发布一次采 集温湿度数据命令，各个烫发卷接收到该命令 后，采集各自的传感器数据，刷新l c d 的显示， 同时将最新数据上传至主机，同步显示在主机 屏幕上，并根据最新的数据运行智能温度控制 算法，刷新控制量，实现恒温控制功能。当湿 度降低到预定值时或者达到设定时间后，主机 发布停止命令，各个烫发卷切断发热丝回路， 停止加热。烫发主过程完成。 2 3 2 智能烫发器主程序流程 烫发卷内微控制器的主程序在执行完一系列 的初始化任务后，进入主循环结构。在主循环中， 完成测量、显示和控制算法。其流程图如图2 8 所示。 主机发送的命令由u s a r t 模块的接收中断 服务子程序完成。每接收到一个字符，u s a r t 模 块产生一个中断请求，微处理器响应该中断请求， 进入中断服务子程序。在中断服务程序中，首先 将接收到的字符存入缓冲队列中，若已接收完一 帧数据，则进行命令识别。当检测到命令为采集 数据命令时，置位数据更新标志位。处理完命令 后，将缓冲队列计数器清零，为接收后续命令作 准备。若没有完成一帧数据的接收，则直接返回。 圈2 8 主程序流程圈 圈2 9 接收中断程序流程圈 u s a r t 模块接收中断程序流 程如图2 9 所示。 控制结果的执行由r b 0 辨部中断服务程序来实现。在交流电的过零点处产 生外部中断请求，外部中断服务子程序根据控制结果决定是否在过零点触发可控 硅导通。外部中断以1 2 为周期进行计数，由于在交流电的每个过零点产生一次 外部中断，1 2 个计数值对应于电流电的6 个周期，f u z z yo u t p u t 为在6 个周期中， 负载回路应导通的周期数的2 倍，该数值由温度控制算法得出。当计数值小于应 导通韵周期值时，触发可控硅导通。接通负载回路；否则，断开负载回路。其程 序流程图如图2 1 0 所示。 豳2 1 0 外部中断程序流程圉 第3 章智能凌发器显示单元设计 智能烫发器显示单元的功能是完成温湿度参数的本地显示e 显示单元采用专 用的液晶显示器。由于显示的内容较少，为节省成本，采用微控制嚣直接驱动液 晶显示器。本章简要介绍智能烫发嚣液晶显示器的显示原理和驱动方法，重点介 绍智能烫发器显示单元的硬、软件设计思路。 3 1 智能烫发器专用液晶显示器 液晶显示器l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 是一种微功耗的显示器件，工作 电流仅几个微安，工作电压可低至3 v ( 甚至到2 v ) 并且一直与大规模集成电 路的发展相适应，所以特别适合于用电池供电的单片机应用系统t 嵌入式系统和 各种便携式电子产品”j 。 按照显示形式区分，液晶显示器可分为字段型、点阵字符型和点阵图形型。 它们的区别在于像素的形状和按模不同。字段型的l c d 像素类似数码管，为长 条型 点阵字符型l c d 的像素为点状，其点阵排列是由5 x 7 或5 x 8 或5 x l l 的 若干组像素组成，每组为一个字符组与组之间有一行或一列的闻隔，这种显示 器可以显示数字和英文字符，不能显示图形，同时由于像素太少，也不能用于显 示汉字；点阵图形的点阵像素连续规则分布，行和列的排中没有空格，可以连续 显示完整的图形，当然也可以组合显示中英文字符。 3 1 i 驱动原理 液晶显示的效果是由于在显示像素的两个电极上施加电压，产生电场而驱动 的。采用直流驱动比较容易，但是直流电场将会导致液晶材料的化学反应和电极 的老化，因而会迅速降低液晶材料的寿命。所以一般采用交流电场驱动方式，并 要求在交流电场中直流分量越小越好，通常要求直流分量小于5 0 m v 。因此要求 液晶驱动器的驱动输出必须是交流驱动，日前一般都采用全数字化集成电路的液 晶显示驱动器，并咀脉冲电压形式进行驱动。 当液晶显示像素上的交流电场的有效值大于液晶显示阈值电压时，像素产生 电光效应成显示态；当有效值小于闽值电压时，像素不产生电光效应；当有效值 在阅值电压附近时，像素呈现较弱的电光效应，这种状态将影响液晶显示的对比 度。因此液晶显示驱动器要能够控制驱动输出的电压值来实现对显示对比度的控 制。由于l c d 是容性负载，工作频率越高功耗越大，而且对比度会变差，当频 率高到某一临界频率以上时，l c d 器件就不能显示，所以扫描频率不宜过高， 率高到某一临界频率以上时，l c d 器件就不能显示，所以扫描频率不宜过高， 一般在几十h z 到几百h z 为宜。 液晶显示常用的驱动方式有静态驱动和动态驱动两种。 ( 1 ) 静态驱动方式。每个像素均有单独引出的电极，驱动期间背电极施加 一种脉冲波形，设其幅值为阈值电压v t h 。需要点亮的像素施加与背电极大小相 等，相位相反的脉冲，叠加后，加在该像素上的脉冲波形的幅值为2 v t h ，该像 素产生光电效应垒现显示态；不需要点亮的像素上施加与背电极大小相等，相位 相同的脉冲。叠加后，加在该像素上的脉i 中波形的幅值为0 ，该像素不显示。 ( 2 ) 动态驱动显示动态驱动显示是像素电极呈矩阵方式，以时分扫描的 方式循环给每行册背电极施加选择脉冲，同对给该行所有像素的正电极施加选择 驱动脉冲以实现该行所有显示像素的驱动；通过逐行顺序进行，只要循环周期 足够短，就能利用人碾的视觉哲留现京实现视觉上的稳定显示图像效果。 采甩交流驱劫讨，对予那些与被选择像素点在同列而来被选择的“半选择点” 的像素上也会施加有屯压，从而产生“交叉效应”的半显示现象，使显示对比度下 降。所以通常采用一种称作“偏压法”的驱动方式来解决这个问题。偏压法的基本 原理是：将液晶的显示电压幅值分为几个等级，除了在扫描行的背电极上加上选 择脉冲外，给非扫描行的背电极也加上幅值为某一等级电压值的脉冲，使得这些 行上的像素点的正电极无论是施加选择脉冲，还是