课程设计说明书---自动擦鞋机的设计

哈尔滨理工大学课程设计说明书 XX 大学大学 XX 学院课程设计任务书学院课程设计任务书 姓 名 学 号 班 级 机电 13 专 业 机械电子工 程 设计题目 设计内容 把题目的具体任务要求书写在此把题目的具体任务要求书写在此 1 根据设计要求 确定系统总体方案 2 结构设计 1 根据确定的总体方案 计算各部件的结构参数及电气参数 2 画出系统的结构图或硬件电路图 接线图 3 程序设计 1 根据系统功能要求 设计系统的软件流程 画出总体流程图 2 画出各功能模块的流程图 编写各功能模块程序 4 撰写课程设计论文 字数不少于 3500 字 任务分配 总体方案 控制电路 软件编程 XXX 机械结构 XXX 编写说明书 XXX 设计时间 2016 年 12 月 12 日至 12 月 23 日 主要参考文献 资料 哈尔滨理工大学课程设计说明书 目录目录 第 1 章 绪论 1 1 1 设计背景 1 1 2 设计的主要任务 1 第 2 章 总体方案设计 2 2 1 设计原理 2 2 2 方案设计 2 2 2 1 结构方案设计 2 2 2 2 控制系统方案设计 2 第 3 章 结构设计 4 3 1 XXXXX 4 3 2 XXXXX 4 3 2 1 XXXXX 4 3 2 2 XXXXX 4 第 4 章 控制系统设计 6 4 1 控制原理设计 6 4 2 硬件部分设计 6 4 3 软件部分设计 6 第 5 章 软硬件调试 7 5 1 硬件调试 7 5 1 1 电源电路的调试 7 5 1 2 红外发射与接收电路的调试 7 5 1 3 控制电路的调试 8 5 1 4 电机驱动电路的调试 9 5 2 软硬件联调 10 5 3 指标调试及结果 11 课程设计心得 12 参考文献 13 附录 1 15 附录 2 16 附录 3 17 哈尔滨理工大学课程设计说明书 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 设计背景 随着信息技术的普及和发展 尤其是跨入 2000 年后 红外技术 得到了迅猛发展 红外探测 控制技术已渗透到国民经济的各行各业 和人们日常生活的方方面面 在工业自动化 生产过程控制 信息 采集和处理 通信 红外制导 激光武器 电子对抗 红外育种 红外加热 材料加工和处理 安全防范 家用电器控制及日常生活 如自动擦鞋机 节水节能控制 红外医疗与美容 智能玩具 空 调等 各个方面都得到了广泛的应用 单片微型计算机又称嵌入式 微控制器 是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种大规模集成电路 器件 它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件 构成一种单 片式的微型计算机 20 世纪 80 年代以来 国际上单片机的发展很快 世界上著名的半导体厂商都有它的单片机系列产品 单片机的应用 不断深入到国民经济各个领域 处处可以看到电脑型的电子产品 单片机的应用技术是一项新型的软硬件工程技术 其内涵随着单片 机的发展而发展 在现实生活中 擦鞋是每家每户生活中必不可少的一部分 但 擦鞋又是一件比较烦琐的事情 每当出门时看见鞋子上有很多灰尘 比较脏 如果只是稍微擦一下又擦不干净 跟没擦差不多 但如果 仔仔细细的擦一下的话又很费时间 而且还容易弄脏自己的手和衣 物 如何让擦鞋变得既省时又省力呢 基于单片机的自动擦鞋机就 能为我们解决这个问题 本擦鞋机是采用红外线发射 接收 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 您要做的就是把脚伸进擦鞋机 其 他的事情全部由它来完成 适合企事业单位办公室 家庭等小型服 务场所 1 2 设计的主要任务 本设计应用单片机设计一个自动擦鞋机 基于单片机的自动擦 鞋机的硬件构成包括变压器 稳压集成模块 7805 红外发射与接收 管 AT89C2051 芯片 L293D 芯片等组成的电源电路 红外发射与 接收电路 单片机系统控制电路 电机驱动电路和显示电路 单片 机系统控制电路用来控制整个系统的正常运行 是整个系统的核心 该系统主要通过红外发射与接收电路检测信号 运用单片机的运算 哈尔滨理工大学课程设计说明书 2 和处理能力来实现擦鞋机的转动 并通过显示电路显示其工作状态 哈尔滨理工大学课程设计说明书 3 第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计 2 1 设计原理 该自动擦鞋机的设计是由单片机系统控制电路 电源电路 红 外发射与接收电路 电机驱动电路 显示电路和外壳组成 本设计的结构实物图如图 2 1 所示 图 2 1 实物图 2 2 方案设计 2 2 1 结构方案设计 基于单片机的自动擦鞋机主要由输入 控制系统和输出三部分 组成 输入部分主要包括电源电路和红外发射与接收电路 控制系 统部分主要有单片机和外围电路 上电自动复位电路 时钟电路 显示电路 组成 该部分是整个系统电路的核心 输出部分由驱动 电路组成 基于单片机的自动擦鞋机主要通过红外发射与接收电路 检测信号 运用单片机的运算和处理能力来实现擦鞋机的转动 并 通过显示电路显示其工作状态 该系统电路的一般框图如图 2 2 所 示 输 入 控 制 系 统 输 出 图 2 2 一般框图 哈尔滨理工大学课程设计说明书 4 2 2 2 控制系统方案设计 方案一 采用各类数字电路来组成擦鞋机的控制系统 对外围 红外信号进行处理 本方案电路复杂 灵活性不高 效率低 不利 于擦鞋机智能化的扩展 对各路信号处理比较困难 方案二 采用 AT89C2051 单片机来作为整机的控制单元 红外 线探头采用市面上通用的发射管以及接收管组成简易的遮挡式红外 发射与接收电路 将感应到的红外信号通过三极管的工作状态转化 为数字信号送到单片机系统处理 此系统比较灵活 采用软件方法 来解决复杂的硬件电路部分 使系统硬件简洁化 各类功能易于实 现 能很好地满足题目的要求 比较以上两种方案的优缺点 方案二简洁 灵活 可扩展性好 能达到题目的设计要求 因此采用方案二来实现 哈尔滨理工大学课程设计说明书 5 第第 3 章章 结构设计结构设计 3 1 XXXXX 低压线性稳压电路基本上由四部分组成 3 2 XXXXX 3 2 1 XXXXX 电源电路原理图如图 3 1 所示 12V 330uF 10uF 7805 IN4007 IN4007 IN4007 0 1uF INOUT GND 2K LED 12 4V 4 8V u1u2 D1 D2 D3 D4 C1C2 C3 U01U02 图 3 1 电源电路原理图 一般的变压器具有一个初级绕组 一个或多个次级绕组 线 圈绕在铁心上 给初级绕组加上交流电 由于电磁感应的原理 在次级绕组上则有电压输出 为了得到平滑的负载电压 一般取 d如式 3 1 所示 3 1 2 5 3 d T RLC 式中 T 为电源交流电压的周期 在整流电路的内阻不太大 几欧 和放电时间满足上式的关 系时 电容滤波电路的负载电压 VL与 V2的关系如式 3 1 所示 约为 VL 1 1 1 2 V2 3 2 总之 电容滤波电路简单 负载直流电压 VL 较高 纹波也 较小 它的缺点是输出特性较差 故适用于负载电压较高 负载 变动不大的场合 3 2 2 XXXXX 红外技术是现代物理和电子学的一部分 它包括电磁波红外 哈尔滨理工大学课程设计说明书 6 波段内的辐射 传播和波形记录及其在科学 技术 国民经济和 军事中的实际应用 红外技术是现代无线电电子学和物理学中的 重要方向之一 它对于促进国民经济各部门采用先进技术以及加 强基础科学和应用科学的研究都有极其重要的作用 今天 红外 技术正被广泛地用于解决国民经济中的各种不同的问题 哈尔滨理工大学课程设计说明书 7 第第 4 章章 控制系统设计控制系统设计 4 1 控制原理设计 整个软件控制模块部分包括红外信号接收模块和信号输出模块 两个部分 红外信号接收模块是将输入信号进行判断 通过主程序 控制实现其功能 输出模块是将主程序输入的信号进行处理从而实 现其功能 软件框图如图 4 1 所示 软件 控制 模块 红外信号接收模块 信号输出模块 图 4 1 软件框图 4 2 硬件部分设计 主程序的功能分析 主程序是将输入的信号进行识别和处理运算 然后输出相应的 码值给驱动芯片 使驱动芯片带动电机运转 从而实现其功能 4 3 软件部分设计 根据本课题设计的要求指标 在擦鞋结束后要延时 15 秒后自动 停止转动 而该延时子程序就是为了实现这个功能而设计的 2 15 秒延时子程序流程图 哈尔滨理工大学课程设计说明书 8 第第 5 章章 软硬件调试软硬件调试 5 1 硬件调试 5 1 1 电源电路的调试 1 接好电源电路后 在通电之前 首先用万用表等工具 根据电 源电路原理图仔细检查电源电路线路的正确性 并核对元器件的型 号 规格和安装是否符合要求 通过检查确定无误 电源电路原理 图如图 5 1 所示 12V 330uF 10uF 7805 IN4007 IN4007 IN4007 0 1uF INOUT GND 2K LED 12 4V 4 8V u1u2 D1 D2 D3 D4 C1C2 C3 U01U02 图 5 1 电源电路原理图 2 经过上述检查确定无误后 接通电源用万用表仔细测量各点电 位是否正常 通过测量各点的电位如下 U01 12 4V U02 4 8V 3 经过以上两步的检查 通过所测的电位可知 该电源电路是正 常工作的 5 1 2 红外发射与接收电路的调试 1 接好红外发射与接收电路后 在通电之前 首先用万用表等工 具 根据红外发射与接收电路原理图仔细检查红外发射与接收电路 线路的正确性 特别是电源的走线 防止电源之间的短路和极性错 误 并核对元器件的型号 规格和安装是否符合要求 通过检查确 定无误 红外发射与接收电路原理图如图 5 2 所示 哈尔滨理工大学课程设计说明书 9 51K 100K 1K SE303 PH302 4 8V P3 0 VD1 VD2 RP1 R2 R3 VT 9014 A B 图 5 2 红外发射与接收电路原理图 2 上述检查确定无误后 接通电源后测量红外发射与接收电路的 各点电位 通过测量各点的电位如下表 5 1 所示 表 5 1 红外发射与接收电路测试数据 VAVB 无遮挡时0 24V3 8V 遮挡时0 67V0 02V 3 由各点的电位可知 在红外光发射与接收间的红外线光路没被 遮挡时 调节 RP1 使红外发光二极管的工作电流限制在 90mA 之 内 并保证其正常工作 由于 A 点的电压小于 0 35V B 点的电压 呈高电平 三极管处于截止状态 红外发射与接收电路正常工作 在红外光发射与接收间的红外线光路没被遮挡时 由于 A 点的电压 升高 B 点的电压小于 0 4V 三极管处于饱和导通状态 红外发射 与接收电路停止工作 同时 拉伸红外发光二极管与红外接收管 确定发射与接收的最大距离 5 1 3 控制电路的调试 1 接好单片机系统控制电路后 在通电之前 首先用万用表等工 具 根据单片机系统控制电路原理图仔细检查单片机系统控制电路 线路的正确性 特别是电源的走线 防止电源之间的短路和极性错 误 并核对元器件的型号 规格和安装是否符合要求 通过检查确 定无误 单片机系统控制电路原理图如图 5 3 所示 哈尔滨理工大学课程设计说明书 10 AT89C2051 RST X2 X1 P3 0 8 2K10uF 30PF 30PF 11 05 92MHZ 4 8V VCC GND 1 4 5 2 20 19 P1 7 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 10 12 13 14 15 16 17 220 LED 图 5 3 单片机系统控制电路原理图 2 过上述检查确定无误后 接通电源后测量单片机系统控制电路 的各点电位 通过测量单片机 AT89C2051 各脚的电位如下表 5 2 所 示 表 5 2 单片机系统控制电路测试数据 遮挡时 没遮挡时3 8V 0 02V P3 0P1 0P1 1P1 2P1 3P1 4P1 5P1 7 4 8V4 8V4 8V4 8V 4 8V0V0V0V0V 0V0V0V 0V0V 3 由单片机 AT89C2051 的各脚电位可知 当 P3 0 口的电位为高 电平时 单片机系统控制电路不能正常工作 当 P3 0 口的电位为低 电平时 单片机系统控制电路正常工作 调试时在依照上表 用程 序输入对应的码值 能够实现对应的动作 调试通过 5 1 4 电机驱动电路的调试 1 接好电机驱动电路后 在通电之前 首先用万用表等工具 根 据电机驱动电路原理图仔细检查电机驱动电路线路的正确性 特别 是电源的走线 防止电源之间的短路和极性错误 并核对元器件的 型号 规格和安装是否符合要求 通过检查确定无误 电机驱动电 路原理图如图 5 4 所示 哈尔滨理工大学课程设计说明书 11 M M AT89C2051 4 8V L293D VCC GND 4 5 12 13 1 9 2 7 10 15 EN12 EN34 IN1 IN2 IN3 IN4 VM OUT1 OUT2 OUT3 OUT4 12 4V RIGHT LEFT 8 3 6 11 14 图 5 4 电机驱动电路原理图 2 经过上述检查确定无误后 接通电源后测量电机驱动电路的各 点电位 通过测量驱动芯片 L293D 各脚的电位如下表 5 3 所示 表 5 3 单片机系统控制电路测试数据 遮挡时 没遮挡时 EN12EN34IN1IN2IN3IN4OUT1OUT2OUT3OUT4 0V 0V0V0V0V12 4V12 4V4 8V4 8V4 8V4 8V 0V0V0V0V0V0V0V0V0V 电机两端的电流 IM 103mA 3 由驱动芯片 L293D 各脚的电位可知 当红外没被遮挡时 驱 动芯片 L293D 各脚的电位为低电平 电机驱动电路不能正常工作 当红外被遮挡 驱动芯片 L293D 各脚的电位如上表所示时 电机驱 动电路正常工作 调试时在依照上表 用程序输入对应的电平 能 够实现对应的动作 调试通过 5 2 软硬件联调 软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关 采用模块 程序设计技术调试 则逐个模块 主程序 延时子程序 进行调试 好以后 再联成一个大的程序 然后进行系统程序综合调试 调试时 先将写好的软件程序进行编译 汇编 如果通过则说明 哈尔滨理工大学课程设计说明书 12 该软件程序没有语法错误 本软件程序在编译 汇编后没有任何语法 错误和警告 第一步调试通过 然后将软件程序产生代码并装入仿 真器运行 观察运行结果发现有点不正常 原来是程序失控 主要 原因有两个 1 红外接收信号模块有干扰 2 软件程序在运行时有点乱 为了解决这两个问题 对 P3 0 口进行了两次判断 并在中间加 了一个 10ms 的短延时 这样就解决了红外接收模块有干扰的问题 同时 在每个语句后加了空操作指令 用于调整 CPU 的时间 使软 件程序在运行时趋于正常 此时 软件程序调试结束 结合硬件可 以正常工作 5 3 指标调试及结果 1 已完成的指标 1 电源 AC 220V 10 50HZ 2 具有上电复位功能 3 启动方式 红外线感应 离开 15 秒自动关闭 4 显示电路可显示擦鞋机的运行状态 2 结果 通过这次课题设计完成了具有以上指标功能的基于单片机的自 动擦鞋机的设计 哈尔滨理工大学课程设计说明书 13 课程设计心得课程设计心得 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练 这是我们 迈向社会从事职业工作前一个必不可少的过程 通过这次课程设计 我深深体会到这句千古名言的真正含义 我今天学会认真的进行课 程设计 学会脚踏实地迈开这一步 就是为明天能稳健地在社会大 潮中奔跑打下坚实的基础 哈尔滨理工大学课程设计说明书 14 参考文献参考文献 1 魏永广 现代传感技术 M 辽宁 东北大学出版社 2001 2 罗志增 机器人感觉与多信息融合 M 北京 机械工业出版社 2002 6 3 周坚 单片机轻松入门 M 北京 航空航