基于单片机的紫外线空气消毒机控制系统设计 本科毕业论文.doc

常州工学院毕业设计 1 摘要 介绍了基于 AT89C2051 单片机的紫外线空气消毒机系统的功能及设计原理 并给出了具体的设计方案 包括系统的硬件电路设计和软件设计流程图 该消 毒机除了具有臭氧杀菌 紫外线消毒和高效过滤器杀菌消毒的功能 还能进行 实时检测 并显示室内的空气质量情况 本文设计了一种动态紫外线消毒机 它能克服传统的紫外线消毒缺点 消 毒的效果更好 消毒时人可以不离开现场 具有显著的优越性 所以 此仪器 经投入使用后 具有运行稳定可靠 适应性好等优点 该设计包括硬件和软件部分 其硬件设计包括以下部分 分别为数码管电 路部分 开关电源部分 蜂鸣器和继电器电路部分 硬件电路的设计分电源 微控 遥控三部分 电源部分通过降压 整流 滤波得到稳定的低压直流电源 微控部分采用 AT89C2051 单片机 通过软件编 程实现开关 定时功能 遥控部分采用 BA5104 BA5204 编码 译码器 对红外遥 控信号进行编码 译码 实现遥控功能 控制系统软件采用汇编语言编写的 按照模块化方式设计 软件部分包括 主程序和多个子程序 软件人机交互是通过电源键 设置键和手动键来控制消 毒机的运行 主程序的核心任务是正确判断这三个按键 根据按键情况继而执 行相应的子程序来控制消毒机运行 关键词 89C2051 单片机 紫外线 消毒 控制系统 常州工学院毕业设计 2 Abstract A control system of air disinfection device based on AT89C51 is introduced and design principle is illustrated Besides the design steps including hardware circuit and software flowchart are provided The disinfection device not only has triple function of sterilization composed by ozone ultraviolet ray and efficient filters but also real time detects and displays the indoor air quality situation A kind of dynamic ultraviolet disinfection machine was designed in this paper It can overcome the shortcomings of traditional ultraviolet disinfection machine with better disinfection effect and significant superiority and thus people don t need to leave the disinfection scene So the device has merits of high reliability and applicability after put into use The design of hardware and software components including its hardware design includes the following parts digital tube respectively switching power supply circuit of the buzzer and relay circuit part And the hardware circuit is made up of the power source main control module and remote control module The steady low voltage DC power supply is got by decreasing 220V 50Hz AC voltage with transformer and then converting voltage with rectifier filter Switch and timing function based on AT89C2051 is realized by software programming Realization of coding and decoding of infrared remote control signal is based on BA5104 BA5204 encoder decoder Modular structure is adopted to program the software with assembly language The software component mostly includes function integrity of the main program and subroutines Software human computer interaction is through the power button setting keys and manual button to control disinfection machine operation Main program 常州工学院毕业设计 3 of the core task is the three key a correct judgment according to the situation and then executes buttons subroutine to control disinfection machine operation Key words Disinfection ultraviolet light Control system 常州工学院毕业设计 4 目录 摘要 1 ABSTRACT 2 目录 4 第一章 绪论 6 1 1 课题背景 6 1 2 国内外相关领域的研究现状 6 1 3 主要研究内容 7 1 4 研究意义 7 1 5 本章小结 8 第二章 系统方案 9 2 1 紫外线空气消毒机的原理 9 2 2 具体方案 10 2 3 本章小结 11 第三章 硬件电路设计 12 3 1 元器件的选择 12 3 1 1 电源部分 12 3 1 2 遥控部分 13 3 1 3 微控部分 15 3 2 硬件模块设计 17 3 2 1 电源电路 17 3 2 2 遥控发射与接收电路 19 3 2 3 微处理器电路 22 3 3 本章小结 26 第四章 软件部分 27 4 1 主程序的设计 27 4 2 子程序的设计 30 4 2 1 电源按键子程序的设计 30 4 2 2 十秒闪烁结束子程序的设计 31 4 3 本章小结 36 常州工学院毕业设计 5 第五章 系统调试 37 5 1 硬件调试 37 5 1 1 电源部分 37 5 1 2 遥控接收部分 37 5 1 3 微控部分 39 5 2 软件调试 40 5 3 本章小结 42 结论 44 致谢 45 参考文献 46 附录 1 48 附录 2 系统程序 49 附录 3 58 常州工学院毕业设计 6 第一章 绪论 1 1 课题背景 空气是人类赖以生存的物质基础 如果它受到污染或者带有大量的细菌 那么这将是对人类健康的严重挑战 紫外线灯静态消毒 臭氧消毒及用甲醛熏 蒸消毒等 这些都是传统的空气消毒法 而它们都各有千秋 但都有一个共同 的缺点或不足之处 那就是在用它们消毒时 人们必须离开现场 否则将对人 们的身体造成严重的危害或副作用 而且也仅限于医院等这些比较特殊的室内 环境使用 悬浮在空气中的微生物是大部分室内环境中传播疾病的罪魁祸首 病菌的 尺寸量级都在几微米到十几微米之间 肉眼是看不见的 这也是使许多人对此 忽视的原因 在人类知晓的传染病中 有十余种是通过空气介质来传播的 尤 其在冬天 夏天两个季节 由于人们对暖气和空调的依赖性 使得室内封闭的 程度越来越高 持续的时间也越来越长 使得室内各种病菌在这些恒温的环境 下繁殖的更快 因而使传染性越来越大以及范围越来越广 对人体造成的危害 也就跟着不断的提高 空调房间普遍存在的症状是头痛 胸闷 呼吸不畅 神 经衰弱 恶心与心情烦躁 特别是眼炎与鼻炎等 从而导致工作效率降低 医 疗费用加重 临床医学也表明 多种疾病如心肺病 神经衰弱 流感 记忆力 衰退等均与呼吸的空气不干净密切相关 室内空气质量必须改善 1 2 国内外相关领域的研究现状 经过研究表明 室内空气的污染程度要比室外空气严重 2 5 倍 在特殊情 况下可达到 100 倍 因为人们大概有 80 90 的时间是在室内度过的 所以室内 空气质量是影响人体健康的关键因素 美国科学院估计美国每年因室内空气污 常州工学院毕业设计 7 染造成的医疗费约为 150 亿至 1000 亿美元 而作为发展中国家 我国的状况则 更令人担忧 而如今 室内空气污染已被卫生部归为危害公共健康的五类环境 因素之一 目前医院大多采用的是紫外线灯管静态照射消毒 那是因为紫外线照射消 毒效果好 但紫外线对人体有伤害 灯管只能局部照射 而且照射的强度不够 无穿透力 如果能克服上述缺点 则其消毒能力会得到增强 使用将更加方便 应用也将更加广泛 甲醛熏蒸的方法也只能局部消毒 而且甲醛对人的皮肤有 刺激 故使用的范围不广 臭氧消毒的方法消毒效果较好 可以大面积的使用 但它的杀伤力太强 破坏性也较大 消毒期间人绝不能在现场正常的活动 根 据以上分析 拟定了本次设计 它采用动态紫外线消毒 不仅能克服传统的紫 外线消毒的缺点 消毒的效果还更好 消毒时人可以不必离开现场 更显其优 越性 1 3 主要研究内容 本文是针对消毒机控制系统的软硬件设计 主要任务是通过设计适当的软 硬件来实现消毒机在两种控制方式下的多种运行模式 其硬件电路的设计主要 分三部分组成 电源部分 遥控部分 微控部分 消毒机开关机及各个定时 时间段是通过按键进行控制 通过发光二极管来显示其状态的 因此 软件编 程的任务主要是按键的判断及相应的工作状态转换 总体安排如下 1 设计消毒机的硬件电路系统 2 对软件整体框架进行设计 在此基础上 编写软件程序 3 对软硬件进行调试 修改并逐步地完善控制系统设计 1 4 研究意义 开发一种既能使人在室内正常的工作 活动且适合各种室内环境 又具有 常州工学院毕业设计 8 广泛杀菌 净化空气且又对人体不构成伤害的紫外线空气消毒机是迫切需要的 本文就是针对传统空气消毒方法的缺陷 提出了基于单片机的紫外线空气消毒 机控制系统 它的消毒无死角 耗电低 速度快 效能高 性价比也高 适用 范围更广 1 5 本章小结 本章主要对课题的研究背景 研究意义 国内外相关领域的研究现状以及 研究内容以及做出了简要的说明 常州工学院毕业设计 9 第二章 系统方案 2 1 紫外线空气消毒机的原理 紫外线是太阳光线 其波长在 200nm 380nm 之间 包括三大类 第一 类是 UV A 波长为 315nm 380nm 第二类是 UV B 波长为 280nm 315nm 第三类 是 UV C 波长为 200nm 280nm 在到达地球表面的太阳光线 290nm 2000nm 中 紫外线约占 13 其中第一类占 97 第二类占 3 第三类则接近于 0 所以对人皮肤损伤的只有第一 二两类 而通过特殊工艺制成的 UV C 紫外线灯 可以用来消毒灭菌 在上述的三类紫外线中 UV C 波紫外线是真正具有杀菌作用 的 而 其中波长为 254nm 左右的紫外线 则为最佳 紫外线具有广谱性 可以杀灭 各种微生物 包括细菌 芽胞 分支杆菌 病毒 真菌和支原体等 无臭氧高强度紫外线主要作用于微生物的核酸 包括过氧核糖核酸 DHA 和 核糖核酸 RHA 一经照射后 则其被破坏 从而到达杀菌的作用 同时降低了 蛋白酶及其他有生命的物质的活性 新陈代谢受到阻碍 从而导致微生物的灭 亡 因而具有广谱性 包括细菌繁殖体 病菌 真菌 酶原体等均能杀灭 从而证明了紫外线灯作为消毒单元是无臭氧高强度紫外线消毒灭菌的主要原理 在该设计中 空气紫外线杀灭空气中的细菌 并不是光线一照 细菌就灭 亡了 而是需要利用一定的杀灭剂量的 它根据试辐射强度 辐射时间计算得来 要达到良好的消毒效果不仅需增加辐射时间还要加强辐射强度 所以我在消毒 腔里内置 2 支或以上规格为 30W 430mm 的紫外线灯管 充分保证腔内辐射强度 达到每平方厘米 2 万秒 微瓦以上 轴流风机的使用迫使腔内空气围绕紫外线灯管作循环运动 来保证室内空 气往复不断的在腔内消毒 同时为使腔内的辐射强度进一步提高 在腔体内还 增设了紫外线的反射材料 另外 AT89C51 单片机的使用 使产品具备了遥控 定选时等自动功能 常州工学院毕业设计 10 2 2 具体方案 紫外线空气消毒机的结构如图 2 1 所示 本设计中 在消毒机的腔体里内 置两支 30 瓦 430 毫米长紫外线灯管 轴流风机安装在腔体两端 通过空气围绕 紫外线灯管的循环运动 来使室内空气在腔内消毒往复不断的运动 且紫外线 只对腔内空气进行辐照 对人体不产生伤害 同时在腔体内增设紫外线的反射 材料 使腔内的辐射强度得到提高 风机 紫外线灯管腔体 图 2 1 紫外线空气消毒机结构图 消毒机的控制系统采用单片机控制 实现紫外线灯管和风机的遥控开关 定时运行等功能 达到对室内空气进行动态循环安全消毒的目的 消毒机控制 系统结构框图如图 2 2 所示 电源键 设置键 红外发 射电路 红外接 收电路 单片机 LED 指示灯 蜂鸣器 手动键 继电器 风机 紫外线灯管 发射部分接收部分 图 2 2 控制系统结构框图 系统由遥控信号发射部分和接收两大部分组成 遥控器上有两个按键 分 别为电源键和设置键 发射部分由红 常州工学院毕业设计 11 外发射管进行发射 利用的是编码器 BA5104 接收部分则采用 BA5204 译码器 单片机通过对接收信号进行分析 输出相应的控制信号 利用继电器控制风机 和紫外线灯管的运行与停止 同时 LED 指示灯指示出当前消毒机的运行情况等 按下电源键 指示灯亮 风机开始工作 如果 10 秒内都不按任何键 指示灯开 始闪烁 提示马上就要关机 当电源灯开始闪烁时 10 秒后消毒机自动关机 当设置键按一下时 消毒机工作时间设定为 20 分钟 对应指示灯亮 再按一下 设置键 消毒机工作 30 分钟 对应 30 分钟指示灯亮 依此类推 消毒机工作 时间还可定于 40 分钟 60 分钟 另外 通过消毒机机体上的手动键也可实现 消毒机的运行控制 发射部分的遥控器上有控制电源和定时设置键2个按钮 电源按钮控制编码 器BA5104的K1的信号 按下电源按钮 K1出现高电平信号 定时按钮控制编码 器BA5104的K2的信号 按下定时按钮 K2出现高电平信号 信号一出现 晶体 振荡器开始振荡 发光二极管LED开始显示发射状态 最后信号以脉冲的形式在 输出端D0输出 输出信号由放大电路放大 之后由发光二极管发射出去 最后 由接收电路接收 系统上电初始化 对电源键 定时设置键和手动键进行判断 为了减小干 扰的影响 在主程序中对这 3 个按键分 2 次来判断 当有按键按下时设置参数 并转入相应的子程序 无键就按顺序查看其他按键 2 3 本章小结 本章主要是介绍该设计的系统方案 其中还描述了紫外线消毒机的原理 经过对紫外线的分析 选择其中一类有杀菌作用的紫外线来进行消毒 常州工学院毕业设计 12 第三章 硬件电路设计 3 1 元器件的选择 3 1 1 电源部分 日常提供的是 220V 的交流电压 而此次消毒机的控制部分需要 12V 5V 的直流电压 所以需要对其进行电源的转换 转换的方法 将 220V 的交流电通过变压器转换成低压电 然后经过整流 滤波得到 12V 的直流电压 再经过 7805 三端稳压管输出 5V 的直流电源 最后 经电容的除纹滤波就可以得到相对比较稳定的直流电压 对消毒机所需直流电电压和直流电电流初步的估计 继电器需 12V 直流电 电压 电流大约需 0 01A 发光二极管大约需 0 008A 的电流 1 2V 的电压 微 处理器 CPU 部分大约需 0 1A 的电流 其他集成块大约需 0 06A 的电流 共需 电流大约 0 25A 所需直流电压分别是 12V 5V 根据上述的初步估算的直流电压和电流值选择相应的元器件如下 1 变压器选择 12V 3W 型号的 2 整流二极管选择 IN4007 型号的二极管 3 滤波电容的选择 根据一般的要求 RfzC 3 5 T 2 可取 RfzC 3 T 2 T 1 50 0 02S Rfz Ud Id C 1000 F 根据经验 整流后的直 流电压很不稳定 必须先选用较大的电解电容平滑较大的波动干扰 再用较小 的电容滤去较小的高频干扰 这样就能够得到较好的滤波效果 得到相对稳定 的直流电压 4 输出控制部分 输出控制部分采用控制继电器 用于控制风机和紫外 线灯管的工作 其电路图如图 3 1 所示 当输入量变化到一定值时 继电器动 作 其触头接通或是断开 从而控制风机和灯管的工作状态 当继电器线圈中 的电流发生突变时 继电器的两端会产生很大的反向电压 容易击穿与之相连 的驱动电路 所以为了避免此现象的出现应与继电器并联一个二极管 当继电 器线圈回路从通路变为截止时 其中 常州工学院毕业设计 13 的电流可以通过二极管两端形成新的通路 从而避免产生高的反向电压 起到 了保护继电器相连电路的作用 XB 2 IAFUI XB3 12 K1 U3 图 3 1 控制继电器电路图 3 1 2 遥控部分 对于信号的发射和接收 首先要对外部的信号进行编码 经编码后的信号 需要调制放大后再发射出去 发射出去的信号由红外线接收头接收 接收后的 信号需译码后方能送入单片机 从而完成相应的控制要求 本电路要求把电源和设置两路按键信号发射并接收 最后送入单片机 传 统的遥控方式有很多 如红外线 超声波等 本次设计要求的遥控距离不远 且考虑到既不能受外界的影响 又不能影响其它电器的正常工作 所以采用红 外遥控编码 解码电路 红外编码和解码电路的种类很多 在选择的时候应该 考虑以下几点因素 1 电源电压 由于遥控板使用两节 1 5V 的电池既实惠又方便 所以选 用要求 3V 电源的编码集成电路 而解码电路必须和 CPU 等其它电路相一致 一般要求 5V 电源 2 功耗要尽量小 3 引脚数要少 由于电路板的尺寸有限 故引脚数越少越好 4 价格要合理 性价比高 5 货源要充足 综合以上几个方面 选择专用编 译码集成电路 BA5104 BA5204 它对外部 信号的编码采用 BA5104 编码器 对信号的译码则采用 BA5204 译码器 芯片 引脚示意图如图 3 2 所示 BA5104 编码器的引脚说明如表 3 1 所示 BA5204 解码器的引脚说明如表 3 2 所示 常州工学院毕业设计 14 C1 C2 K1 K2 K3 K4 K5 VSS VDD D0 LED OSC1 OSC2 K8 K7 K6 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 VSS D1 HP1 HP2 HP3 HP4 HP5 VDD OSC C1 C2 CP2 CP1 HP6 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 BA5104 BA5204 图 3 2 BA5104 5204 引脚示意图 表 3 1 BA5104 编码器引脚说明 脚位名称 I O 说明 1 2C1 C2I 用户码 接地代表 1 浮空代表 0 3 7 9 12K1 K6I 遥控按键输入 内接下拉电阻 8VSS 地位 12 13OSC1 OSC2I O 455KHz OSC 连接脚 14LEDO 接 LED 显示发射状态 15D0O 38KHz 载波信号输出 16VDD 正电源 表 3 2 BA5204 解码器引脚说明 脚位名称 I O 说明 1VSS 地位 2D1I 遥控信号输入端 3 6HP1 HP6O 持续电平输出信号 HP 9 10 CP1 CP2 O 反向电平输出信号 CP 11 12C2 C1 I 用户码 接地代表 1 浮空代表 0 13OSCI 38KHz 振荡频率端 常州工学院毕业设计 15 14VDD 正电源 信号经编码以后由 BA5104 编码器的 D0 端口输出 此时输出的信号很弱 必须经过放大才能被接收 放大电路采用共射极放大电路 电路图如图 3 3 所 示 共射极放大电路具有如下的特点 具有较大的电压放大倍数和较大的电流 放大倍数 同时输入电阻和输出电阻相对比较适中 图 3 3 共射极放大电路图 放大后的信号经过二极管发射出去 发射出去的信号由红外线接收头接收 本次设计中采用的红外线接收头是 TFMS5380 TFMS5380 的引脚示意图如图 3 4 所示 GND VCC RMT TFSM5380 图 3 4 TFMS5380 引脚示意图 信号经过 TFMS5380 处理后 由其外部引脚 RMT 端引出 经放大后由 BA5204 译码器译码后发送到微处理芯片 AT89C2051 从而完成了信号的发射 和接收工作 3 1 3 微控部分 微控部分是本次设计中最核心的部分 它一方面用来实现对风机 紫外线 灯管的开关和定时控制 一方面用来控制发光二极管的灭和亮 从而指示电源 常州工学院毕业设计 16 的开关状态和定时状态 在选择微处理器芯片时 首先应从芯片的功能上考虑 其次考虑其实用性 再次考虑其功耗性 AT89C2051 是 MCS 51 系列单片机的 一种 它是 20 管脚的 比 AT89C51 少一半的管脚 便于硬件设计 软件编程 方面与 MCS 51 系列的指令系统兼容 且片内带 2KB 的快闪可编程及可擦除的 存储器 AT89C2051 虽然不是最好的 但它能够满足系统设计需要 具有较多 的开发设备 而且是低功耗的 节能型的微控制器芯片 下面是对 AT89C2051 芯片的介绍 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪速可编程可擦除只读存储器的低电压 高 性能 CMOS 8 位控制器 该器件采用 ATMEL 高密度 非易失存储器制造技术 制造 与工业标准的 MCS 51 指令集合和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪速存储器组合在单个芯片中 是一种高效的微控制器 为很多嵌入式 控制系统提供了一种灵活的性高的价廉方案 AT89C2051 具有以下一些标准特性 2KB 的可重复编快闪存储器 寿命可 达 1000 次写 擦除周期 与 MCS 51 系列兼容 宽的工作电压范围为 2 7V 6V 全静态工作方式 0HZ 24MHZ 两级程序加密 128 字节的 RAM 128 8 位的 SRAM 15 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时器 计数器 5 个两级中断源结构 一个全双工串行口 一个精确的模拟比较器 片内振荡器 和时钟电路 可直接驱动 LED 低功耗的闲置与掉电模式 此外 AT89C2051 可以在低到零频率的条件下工作 支持两种软件可选的 省电模式 在闲置模式下 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数器 串行和 中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 中的内容并且冻结振荡器 禁 止所有其他片内控制单元功能 直到下一个硬件复位为止 AT89C2051 的引脚示意图如图 3 5 所示 各引脚的说明如下 VCC 接电源 供电电压一般为 5V GND 接地 P1 口 P1 口是一个双向 I O 口 口的管脚 P1 2 至 P1 7 提供内部上拉 P1 0 和 P1 1 需要外部上拉 P1 0 和 P1 1 也用作片内精确模拟比较器的正向输 出和反向输出 P1 口输出缓冲器能接 20mA 电流 并能直接驱动 LED 显示器 P1 口管脚写入 1 后 可用作输入 当管脚 P1 2 至 P1 7 用作输入 并被外部 下拉为低电平时 它们将输出电流 常州工学院毕业设计 17 这是由于内部上拉的缘故 在闪速编程和校验期间 也接收编码数据 P10 AIN0 P11 AIN1 P12 P13 P14 P15 P16 P17 X1 X2 VCC RST GND P37 P35 T1 P34 T0 P33 INT1 P32 INT0 P31 TXD P30 RXD 12 13 14 15 16 17 18 19 5 4 20 1 2 3 6 7 8 9 11 10 AT89C2051 C1 C2 VCC C3 图 3 5 AT89C2051 引脚示意图 P3 口 P3 口管脚 P3 0 至 P3 7 是 7 个带上拉的双向 I O 管脚 P3 6 已硬连 接为片内比较器的输入 不能作为通用的 I O 管脚访问 P3 口的输出缓冲器能 接收 20mA 电流 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并能用作输 入 作为输入 由于外部下接低电平 P3 口将输出电流 这是由于上拉的缘故 P3 口也可用于一些特殊的功能口 RST 复位输入 只要 RST 转为高电平 所有的 I O 管脚就要复位至 1 当振荡器复位时 要保持 RST 脚高电平两个机器循环周期 每个机器周期为 12 个振荡周期 或称时钟周期 XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入端 XTAL2 来自反向的振荡放大器的输出端 3 2 硬件模块设计 3 2 1 电源电路 电源部分主要实现将 220V 的交流电转换成 12V 和 5V 的低压直流电 其 电路图如图 3 6 所示 常州工学院毕业设计 18 GND VmVout XB1 XB2 T1 12V3W AC220V C1 C2 N2 7805 3 2 C3 C4 1 5 9 6 图 3 6 电源部分电路图 220V 的交流电经过 12V3W 的 T1 变压器降压 经测试 变压器的输出电压 是 13 5V 左右 13 5V 的交流电经过整流转变成直流电 13 5V 的交流电经桥式 整流二极管整流后 大概得到 12V 的直流电 此时得到的直流电还存在很大的 交流成分 很不稳定 必须经过滤波 整流后的直流电先经过电容值较大的电 解电容 滤去较大的干扰 大的波动 再经过电容值较小的电容 滤去较小的 干扰 这样就可得到基本稳定的 12V 直流电 可直接供给继电器使用 又因为 微处理器部分需要 5V 的直流电 所以 12V 的直流电还需转换成 5V 12V 直流电 通过三端稳压管 7805 稳压 同样经过两次滤波 得到稳定的 5V 直流电 供其 使用 为了防止电源电压出现异常的过低造成处理器程序异常 必须采取电源监 控电路 本设计采用 IMP810 集成块来实现这一功能 引脚如图 3 7 所示 RSTVCC GND 1 23 IMP80L 图 3 7 IMP810L 引脚示意图 常州工学院毕业设计 19 只要电源电压降到预置的复位门限以下时 该电路就发出一个复位信号 并在电源已经升高到此复位门限后至少保持 140ms IMP810 具有高电平有效的 RESET 输出 3 2 2 遥控发射与接收电路 遥控器上有两个按键 分别是电源键和设置键 当电源键按下时 信号由 BA5104 编码器的 K1 端输入 当设置键按下时 信号由 BA5104 的编码器的 K2 端输入 输入信号经过 BA5104 编码器编码后 由编码器的 D0 输出端输出 输出的信号经过放大电路放大 遥控信号发射原理图如图 3 8 所示 C1 C2 K1 K2 K3 K4 K5 VSS VDD D0 LED OSC1 OSC2 K8 K7 K6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 图 3 8 遥控信号发射原理图 当电源键按下时 K1 出现高电平信号 当设置键按下时 K2 出现高电平 信号 有信号出现时 晶体振荡器开始振荡 发光二极管 LED 开始显示发射状 常州工学院毕业设计 20 态 最后信号以脉冲的形式由 38KHz 载波信号在输出端 D0 输出 输出信号由 放大电路放大 放大后的信号由发光二极管发射出去 射出去的信号由接收电 路接收 发射出去的信号由红外线接收头接收 接收后的信号再次经过放大后 由 BA5204 译码器译码 信号由译码器的 D1 端输入 经过 BA5204 译码后 由 HP1 HP2 端输出至微处理器电路 BA5204 的输出波形图如图 3 9 所示 图 3 9 BA5204 的输出波形图 由图可知 BA5204 的 HP1 HP2 端输出的信号 基本上与 K1 K2 端的 信号一致 所以信号经过红外遥控发射和接收后 能够正确及时送到微处理器 电路 满足之前的设计要求 遥控信号接收器 TFMS5380 内部接收电路原理图如图 3 10 所示 VCC 2 RMT 4 NC 3 1 2 3 4 5 6 7 8 R4 47 C4 R3 C3R2 C2 R1 C1 C5 GND 图 3 10 TFMS5380 内部接收电路原理图 由红外接收头接收到的红外指令信号 经红外接收头光电变换后 由内部 1 管脚输入电平控制电路 以防止输入信号过强使放大器过载 经前置放大后 的信号再输入限幅放大器 以滤出调幅干扰 输出后再送入带通滤波器选频 5 管脚的电阻为频率调节电阻 使滤波器的工作频率在 30 60kHz 的范围内变化 中心频率为 40kHz 由于不用外接电感和电容来选频 可以避免外界磁场对电 路的干扰 使其可靠性高 由带通滤波器经检波器检波得到滤波载频 本机为 38kHz 的遥控指令码脉冲 再经过积分电路和施密特比较电路对脉冲整形 最后有 7 脚输出波形整齐的指令脉冲 输出的信号有 RMT 端送入三极管放大 电路 信号放大后送入 BA5204 的输入端 D1 信号经 BA5204 译码后 再送入 常州工学院毕业设计 21 微处理器芯片 遥控接收信号电路原理图如图 3 11 所示 GND VCC RMT TFSM5380 VSS D1 HP 1 HP 2 HP 3 HP4 HP5 VDD OSC C1 C2 CP2 CP1 HP6 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 14 GND P37 P35 T1 P34 T0 P33 INT1 P32 INT 0 P31 T XD P30 RX D RST VCC X1 X2 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 AIN1 P10 AIN0 10 11 9 8 7 6 3 2 1 20 4 5 19 18 17 16 15 14 13 12 LED 3 LED 4 LED 7 LED 2 LED 1 LED 5 LED 6 AT89C 2051 N1 1 2 3 C2 25W100u R10 100 R9 10K D1BA5204 C5 1000 R1139K VCC V8 9013 VCC VCC VCC D2 图 3 11 遥控接收信号电路原理图 3 2 3 微处理器电路 经 BA5204 译码器对信号进行译码后 有 BA5204 的持续电平输出信号端 HP1 HP2 输出 输出的信号由 AT89C2051 的 P1 0 P1 3 口输入 由 P1 4 P1 6 口作为输出端 把控制信号送到继电器 来控制继电器的吸合与断开 从而控 制风机和紫外线灯管的开关 P1 7 控制蜂鸣器 P1 5 作为手动键的信号输入端 手动操作在正常情况下 保持高电平 1 当按下按钮 保持低电平 0 遥 控操作 正常情况下 保持低电平 0 按下按钮 保持高电平 1 P3 口用来控制发光二极管 以显示相应的开关和定时状态 当 P3 2 口为高 电平 1 时 三极管不导通 LED 2 7 发光二极管全灭 当 P3 2 口为低电 平时 三极管导通 LED 2 7 发光二极管的灭亮状态将根据与它们相连的芯 常州工学院毕业设计 22 片各端口的高低电平而定 高电平发光二极管灭 反之则亮 当 LED1 为高电平 1 时 其余的发光二极管无论为高电平还是低电平 都 不亮 当 LED1 LED2 为低电平 即三极管和发光二极管 LED2 导通 LED3 为低电平时 发光二极管导通 灯亮表示定时 20 分钟 LED4 为低电平时 发 光二极管导通 灯亮表示定时 30 分钟 LED5 为低电平时 发光二极管导通 灯亮表示定时 40 分钟 当 LED6 为低电平时 发光二极管导通 灯亮表示定时 60 分钟 LED7 为低电平时 发光二极管导通 灯亮表示进行循环定时 微处 理器控制电路原理图如图 3 12 所示 GND VCC RMT TFSM5380 VSS D1 HP1 HP 2 HP 3 HP4 HP5 VDD OSC C1 C2 CP2 CP1 HP6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 GND P37 P35 T1 P34 T0 P33 INT1 P32 INT0 P31 TXD P30 RXD RST VCC X1 X2 P17 P16 P15 P14 P13 P12 P11 AIN1 P10 AIN0 10 11 9 8 7 6 3 2 1 20 4 5 19 18 17 16 15 14 13 12 LED3 LED4 LED7 LED2 LED1 LED5 LED6 AT89C 2051 1 2 3 C2 25W100u R10 100 R9 10K D1BA5204 C5 1000 R1139K VCC V8 9013 VCC VCC VCC D2 RSTVCC GND 2 3 IMP80L 1 2 3 4 5 6 7 8 R6 33K R4 R1 R5 R2 R3 R7 330K 330K 330K 330K 330K 330K LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 LED7 V7 V4 V3 V5 V1 V6 V2 VCC R8 4M C3 33 C1 33 VCC C4 25V100uf 1 VCC VCC 图 3 12 微处理器控制电路原理图 微处理器的控制执行功能需要专门的继电器相关电路来实现 其驱动电路 如图 3 13 所示 12 继电器线圈 R1 4 7K P16 CPU V8 9013 图 3 13 继电器驱动电路原理图 继电器线圈的吸合与断开受微处理器 AT89C2051 的控制 用软件编程来控 制 AT89C2051 芯片的各口线的工作 当 AT89C2051 芯片的 P1 4 P1 6 口的输出 是高电平 1 时继电器线圈吸合 控制风机和紫外线灯管开始工作 当 P1 4 P1 6 输出是低电平 0 时 继电器线圈断开 风机和紫外线灯管停止 工作 继电器的输出和输入特性如图 3 14 所示 常州工学院毕业设计 23 图 3 14 继电器的特性曲线图 可以看出 继电器有如此工作特性 具体说是当继电器输入量 X 在由零增 至 X2 以前 继电器输出量一直为零 当输入量增加到 X2 时继电器此时开始吸 合 输出量为 Y1 若 X 再继续增大 Y1 仍然保持不变 当 X 从大减小到 X1 时 继电器此时释放 输出量由 Y1 降到零 X 再继续减小 输出量一直为零 因此 说 X2 是继电器的吸合值 欲使继电器吸合 输入量必须等于或大于 X2 的值 在本次设计中 继电器的吸合电流经过测试大约为 24 5mA 那么只有当通过继 电器线圈的电流大于或等于 24 5mA 时 继电器才能吸合 也才能进一步控制风 机和紫外线灯管的工作状态 微控制器输出控制电路原理图如图 3 15 所示 5 XB2 XB3 12 K1 V5 V7 R2 4 7K R4 10K IN4007 CPU 图 3 15 输出控制电路图 CPU 的时钟振荡信号 需 4MHz 的晶振频率 CPU 的时钟信号有 X1 端输 出 其信号波形图如图 3 16 所示 由图可知 信号的幅值是 4 5V CPU 的复 位信号由 IML810L 产生 复位信号波形图如图 3 17 所示 由图可知 通电后 常州工学院毕业设计 24 CPU 的 RST 端由 5V 电压 经 200ms 的时间后 下降到 4 25V 此时 CPU 开 始复位 然后进入工作状态 图 3 16 CPU 的 4 管脚 时钟信号波形图 图 3 17 CPU 的 1 管脚 复位信号 3 3 本章小结 本章主要对紫外线空气消毒机的硬件设计进行详细的描述 该控制系统以 AT89C2051 单片机为控制核心 配以红外发射和接收装置 具有遥控和本地控 制两种控制方式 实现消毒机的多种定时运行模式 经调试检验能够满足设计 要求 由于时间和经验有限 本设计还有一些值得改进的地方 1 AT89C2051 的复位端则采用 IMP813L 芯片来设计 IMP813L 带有监 控定时器 即看门狗 看门狗的主要作用是当系统因为软件故障或干扰等出现 异常 如程序跑飞或进入死循环时 看门狗可以使系统自动恢复运行 从而提 高系统的可靠性 2 显示部分可以采用数码管直接显示定时时间 会更加直观 常州工学院毕业设计 25 第四章 软件部分 4 1 主程序的设计 在编写主程序之前 应先画出流程图 这样在编写程序时就会变得更加简 明 由于本设计的软件是通过电源键 设置键和手动键来控制消毒机的运行 因此主程序的核心任务是正确判断这三个按键 根据按键情况继而执行相应的 子程序来控制消毒机运行 为了减小干扰的影响 在主程序中对这三个按键分 两次来判断 并把其判断结果放在一个参数里 然后对这个参数进行判断 再 分别执行各个子程序或返回 在主程序中第一个要做的就是初始化 对三个按键所连接的端口初始化 使后面通过端口来判断按键情况不会出现混乱 对蜂鸣器 风机和灯管的控制 端口初始化 使它们处在关机状态 对发光二极管的部分初始化 使消毒机运 行后有明确的状态显示 对堆栈指针初始化 合理的安排内存单元 接着就开 辟一个起始单元 顺序地存放LED的状态及相应的定时时间 然后用一个通用 寄存器存放这个起始单元地址 定义两个定时中断并开总中断允许 定时中断 常州工学院毕业设计 26 1 T1 用在开机后10 s不按任何键就关机的计数 定时中断2 T2 用在对消毒 机工作时间的计数 1 电源按键子程序的设计 在主程序中 判断有电源键时就设置键参数为1 蜂鸣器发出响声 执行电 源键子程序 程序有开机和关机两个分支 若消毒机的状态为关机状态 即状态 参数为0 就开机 执行开机分支 先打开风机和灯管及显示LED状态 然后设置 状态为开机状态 即状态参数为0 最后返回继续判断按键 若消毒机的状态为 开机之后其他的状态 即状态参数不为0 时 就关机 执行关机分支 先关灯管 风机和改变LED状态 设置状态的参数为0 然后把存放在状态里的单元地址重 放在起始指针位置 最后调用结束程序并结束 2 10 ms调用程序设计 要构造 10s 计数时间 关键的是参数的值 由 2 个时间参数构成双重循环 程序 而这两个时间参数 t1 t2 要满足下面一个等式 即 t1 t2 10 ms 10 s 因而取 t1 为 25 t2 为 40 一个空操作是 1 个指令周期 减 1 判断是 2 个指令周期 而本系统用 4 MHz 的晶振 一个指令周期为 3 微秒 因而 2 2 t2 1 2 第一个时间参数 3 微秒 10 毫秒 这样才符合程序的要求 在对三个按键判断范围内进行计数 出了这个区域就关中断 1 在对三个 按键进行判断时 有键按下就设置相应的键参数 通过当前状态参数和按键参 数来决定下一个状态的变化 无键按下就继续查看其它按键 为了能消除突发 的脉冲干扰 对三个按键判完一次后中间延时一点时间再进行对三个按键的判 断 这样可以提高判断的正确性 达到消除干扰的目的 主程序流程图如图 4 1 所示 上电 复位 初始化 开定时器1 电源键是否按 下 设置键是否按 下 手动键是否 按下 置键参数为4 置键参数为2 置键参数为1 延时10ms 电源键是否 按下 设置键是否按 下 手动键是否 按下 键参数为4 键参数为 2 键参数为 1 1 N N Y Y Y Y Y Y Y N N 2 2 2 Y N N Y 关定时器1 铃响250ms 判断键参数 电源键 子程序 设置键 子程序 手动键 子程序 124 其他 1 图 4 1 主程序流程图 4 2 子程序的设计 4 2 1 电源按键子程序的设计 在主程序中 判断有电源键按下时就设置键参数为 1 执行电源键子程序 在这个子程序中要执行的内容是开机或关机 这里首先应判断当前的状态参数 常州工学院毕业设计 27 根据当前的状态来确定执行的内容 关机状态时状态参数为 0 判断状态参数 为 0 时 就开机 执行开机步骤 先打开风机和灯管及设定显示 LED 状态 然 后置为开机状态 即状态参数不为 0 最后返回继续判断按键 若状态表示 为开机后其它状态 即不为 0 时 就关机 执行关机步骤 先关灯管和风机 改变 LED 状态及设置状态的参数为 0 然后把状态存放的单元地址重放在起始 指针位置 最后调用结束程序并结束 电源按键子程序流程图如图 4 2 所示 开始 判断参数状态 开风机 开灯管 置指示灯状态 状态参数置1 返回 关风机 关灯管 调整单元指针 状态参数置0 调用结束程序 其他 图 4 2 电源按键子程序流程图 4 2 2 十秒闪烁结束子程序的设计 为了构造 10 秒计数时间 参数的值很关键 要使第一个时间参数 第二个 时间参数 10MS 10S 而取第一个时间参数为 25 第二个时间参数为 40 由两 个时间参数构成双重循环程序 十秒闪烁结束子程序流程图如图 4 3 所示 常州工学院毕业设计 28 开始 置第一个时间参数 置第二个时间参数 调用10ms子程序 第二个时间参数减1 第二个时间参数 0 电源指示灯闪烁一次 第一个时间参数减1 第一个时间参 数 0 返回 N N Y Y 图 4 3 十秒闪烁结束程序流程图 4 2 3 十毫秒调用子程序的设计 每个空操作是一个指令周期 减 1 判断为两个指令周期 而本系统用 4M 的 晶振 一个指令周期为 3 S 因而 2 2 第二个时间参数 1 2 第一个时 间参数 3US 10MS 这样就符合程序的要求 若只置一个参数 即使取最大值 也无法实现 两个参数就比较合理 这个程序的结构与结束程序的结构一样 十毫秒调用子程序流程图如图 4 4 所示 常州工学院毕业设计 29 开始 置第一个时间参数 置第二个时间参数 两个空操作 第二个时间参数减1 第二个时间参数 0 第一个时间参数减1 第一个时间参 数 0 返回 N N Y Y 图 4 4 十毫秒调用程序的流程图 4 2 4 设置键子程序的设计 在主程序中判断有设置键按下时 设置键参数为 2 执行设置键子程序 这个程序的主要的任务也是对状态参数进行判断再分别进行各自工作 由于在关机状态时设置键为无效 因而判断状态参数为 0 时 为空操作返 回 状态 2 到 4