基于51单片机的智能干手器设计与制作

湖南商务职业技术学院毕业设计

目录

1设计意义..................................................................................................................2

2总体设计方案..........................................................................................................2

2.1产品功能分析及整体框图设计....................................................................2

2.2主要部件的选型............................................................................................2

3硬件电路设计..........................................................................................................3

3.1硬件电路的设计原理.....................................................................................3

3.2硬件设计的系统框图.....................................................................................4

3.3硬件电路的设计介绍.....................................................................................4

3.3.1单片机STC89C51介绍........................................................................4

3.3.2光电传感器电路...................................................................................6

3.3.3液晶显示电路......................................................................................7

3.3.4继电器电路..........................................................................................9

3.3.5时钟电路............................................................................................11

4电路原理图及PCB板设计....................................................................................11

5软件设计................................................................................................................13

5.1软件设计介绍..............................................................................................13

5.2主程序的设计..............................................................................................13

6系统制作................................................................................................................14

7实物作品操作效果及指引图.................................................................................14

7.1实物作品展示..............................................................................................14

7.2实物作品操作演示.......................................................................................15

8结论........................................................................................................................18

9附录........................................................................................................................19

1

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基于51单片机的智能干手器设计与制作

1设计意义

如今这年代我们日益重视健康。我们通常用洗手控制细菌扩散，但是许多

人往往会忽视洗干净手，使手变得干燥这一环节，由此造成洗手效果下降，所

以，大家有必要重视洗手之后的干手环节。而且自动干手器不只是可以干手，

同时具备卫生等性质，从而受到了大家的喜爱。

自动干手器属高档卫生洁具，它能代替毛巾，纸巾，对于手部的晾晒。本

实用新型节能环保、人性化等优势，该设计以51单片机实现智能控制，采用51

单片机与红外光电传感器相结合，设计了一种干手器，该干手器具有能自动感

知人手接近与脱离，可通过液晶显示目前的时间及干手器的运行时间，也可由

按键可进行开关选择，输出冷风还是热风，分别适应各种温度天气。

本设计具有方案设计可行性，同样有一定市场前景。对于自身来说，学习

这门学科能够将大学里学到的专业知识加以消化。

2总体设计方案

2.1产品功能分析及整体框图设计

该设计是由红外感应传感器来得到的印证，当用手实现传感器的输出信号

的时候，发出的红外线脉冲折射回来。红外线能收=收到后转化为电信号并放大，

所得方波信号变换到I/O口，为了实现人体信号获取。当单片机能察觉到人体

信号的时候，用软件来控制显示屏的倒计时间，并利用继电器关闭控制风扇开

关，实现了智能干手器设计。

2.2主要部件的选型

主控芯片:STC89C51单片机被选为主控芯片，以确保系统的高效运行。其中

包括电源管理模块和时钟电路模块。STC89C51是宏晶科技公司所推出的一款高

性能、低功耗的八位CMOS微处理器，其内置8k在线编程Flash存储器，为用

户提供卓越的微处理器体验。该单片机能够实现对电机转速的控制以及对电流

电压信号的检测和处理，并且还能通过串口与上位机通讯来完成各种控制参数

2

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的设定等工作。STC89C51,单片机的核心采用了MCS-51,内核，该内核与MCS-51,

完全兼容。然而，随着单片机的升级，芯片具备了许多传统51,单片机所不具

备的功能，例如该芯片还拥有4K的EEPROM存储。当需要使用掉电存储数据时，

只需直接使用单片机内部的存储，无需在外接存储芯片进行存储。另外由于该

芯片有多种外设接口，因此还能够实现一些复杂的控制和管理功能。STC89C51

单片机是一款开发简单、支持在线编程下载、成本低廉的理想之选。

显示器件：采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602液晶又叫LCD1602字符型液

晶。液晶显示功能强大，可以同时显示出16*2即32个字符，可包括数字、字

母、符号、或者自定义字符。LCD1602液晶显示器中的每一个字符都是由5*7的

点阵组成。LCD1602采用并行数据传输也可以采用串行数据传输，控制简单，和

市面上的大多基于HD44780液晶的控制原理完全相同。

人机交互输入器件：采用矩阵键盘作为输入设备。矩阵键盘通过将按键的

两端分别接到行线和列线上，然后将每一条行线和列线连接到单片机上，通过

程序算法进行读取按下的是哪一个按键按下。这样做虽然增加了程序算法的难

度，但是节约了单片机I/O口的使用。

3硬件电路设计

3.1硬件电路的设计原理

本产品利用51单片机完成整个控制流程并利用红外感应来对人体信号来收

集，进而可以获得人体信号的采集。在单片机能探测人体信号时，利用软件操

纵液晶显示倒计时间和操纵继电器关闭以达到切换负载以设计智能干手器产品。

3

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3.2硬件设计的系统框图

系统的主要设计框图如图所示。

3.1硬件设计的系统框图

3.3硬件电路的设计介绍

3.3.1单片机STC89C51介绍

STC89C51主要功能

主要功能特性

与MCS51兼容是指令系统4K可以重复擦写FlashROM

32个双向I/O口256x8bit内部RAM

2个可编程定时器中断时钟频率为0-24MHz

2个串行中断可编程的UART串行通道

2个外部中断源共6个中断源

2个读写中断口线3级加密位

低能耗空闲以及掉电模式软件设置了睡眠功能与唤醒功能

U1

140

P10VCC

239

P11P00

338

P12P01

437

P13P02

536

P14P03

635

P15P04

734

P16P05

833

P17P06

932

RESETP07

1031

P30/RXDEA/VP

1130

P31/TXDALE/P

1229

P32/INT0PSEN

1328

P33/INT1P27

1427

P34/T0P26

1526

P35/T1P25

1625

P36WRP24

1724

P37/RDP23

1823

X2P22

1922

X1P21

2021

GNDP20

STC89C52

图3.2STC89C51DIP封装图

4

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单片机要求时钟，复位等、电源和其他元件，能使单片机始终工作在安全

状态。为了提高其安全性和稳定性，必须要使用一种特殊结构的芯片来完成这

些任务。把最小系统作为应用系统中的一个主要组成部分，通过其存储器的扩

展，A/D扩展等等，使得单片机能够执行更多复杂功能用。

由STC89C51单片机组成的最小系统，操作方便，可靠性高。本文介绍了它

在一个小功率的微型电机控制系统中的使用方法及软硬件设计思想。

图3.3单片机最小系统原理框图

（1）时钟电路

STC89C51单片机的生成模式主要分为两种：其中之一就是外部时钟方式，

其中之一就是内部时钟方式。前者由单片机控制其输出端工作，后者则采取中

断方式来完成。内部时钟方式如下图可示。这种方式需要用芯片自身来提供定

时功能，而外部时钟方式则可以使用单片机本身自带的定时器。本单片机内设

有振荡电路，只需将晶振外接单片机XTAL2,XTAL1的引脚即可，于是成了自激

振荡器，便在单片机中生成时钟脉冲信号。如果用上述方法来产生内部时钟方

式的时钟时，则需要使用电阻或电位器等元件组成振荡器。下图中电容C1、C2

功能用于快速起振，稳定速率。

图3.4STC89C51外部时钟电路

（2）复位电路

复位操作是当进行完单片机片内电路初始化工作后，会使单片机在原定的

状态下进行启动。当RST持续处于高电平时，要求在复位之后，能从复位状态

中分离出来。

除上电复位外，有时还需要按键进行人工复位，脉冲式复位采用的是电阻

5

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分压电路。电平复位由RST端与Vcc连接完成。

按照这一要求，此处使用电平按钮复位方式。通电后因电容而充电，使得RST

在一段时间内保持高电平。单片机已经处于工作中的时候，按下复位键，RST还

可以在一定时间内保持高电平，由此达到上电和开关复位动作。一般我们会采

用电容值为10~30μF的，电阻值为10kΩ的。

图3.5STC89C51复位电路

（3）STC89C51最小系统电路

图3.6STC89C51单片机最小系统设计

3.3.2光电传感器电路

通过将光强度的变化转化为电信号的变化，光电开关得以实现对光强度的

控制。它可以用光电转换元件作为传感部件，也可以用光敏器件作传感器，但

后者又比前者简单得多。通常情况下，光电开关由发送器、接收器和三个组成

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部分构成，它们相互协作，共同实现开关的功能进行电路探测。

当手伸向干手器下方时，光电开关检测到红外线脉冲被反射回来，随后被

红外接收管接收并转化为电信号，随后经过运放进行信号放大，得到的方波信

号被输送至单片机,从而实现对人体信号的采集。光电开关电路接口设计如下图

3.5所示。

图3.7光电开关电路接口设计

3.3.3液晶显示电路

本设计中采用了LCD1602A作为显示电路，LCD1602A为工业字符型液晶产品，

可同时显示16x02(32字符)。它可以将图像和文字信息进行叠加，具有很高的

实用价值。（16列2行）。由于它具有分辨率高、色彩丰富等优点而被广泛地

应用于各种设备的控制系统上。在我们的日常生活中，液晶显示器是一种广为

人知的设备。它主要应用于家庭和办公室的各种仪表上。LCD1602实物图如下所

示。

图3.8LCD1602实物图

（1）引脚说明：

第1脚：VSS为地电源。

第2脚：VDD接5V正电源。

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第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接通正电源时，对比度最小，接

地后对比度最高，不能对比度过大。

第4脚：RS为寄存器选择的，当高电平时为数据寄存器、低电平时则为指

令寄存器。

第5脚：读操作是高电平进行的，写操作是以低电平进行的。除了阅读命

令外，您可以对此数据进行其他处理。在RS与R/W一起是低电平的情况下，指

令可以是写入的，也可以是地址显示的，当RS为低电平、R/W为高电平，能读

出忙信号，当RS为高电平R/W为低电平，可以写数据。

第6脚：E端是使能端，当E端从高电平转换为低电平时，液晶模块将执行

命令。

第7~14脚：D0~D7为八位双向数据线。

第15脚：背光源正极。

第16脚：背光源负极。

（2）显存地址与显示屏的对应关系

图3.91602内部显示地址

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（3）LCD1602液晶显示电路接口设计

图3.10液晶显示电路接口设计

3.3.4继电器电路

（1）继电器简介

继电器为电子控制器件如下图所示。它有控制系统（又称输入回路）和被

控制系统（又称输出回路），经常作用于自动控制电路中，它其实是用较小的

电流去控制较大的电流的一种“自动开关”。因而在电路中起到自动调节，安

全保护和转换电路的功能。

图3.11继电器原理图

当继电器内线圈的两端接收到电压时，线圈内的电流便会穿过，从而引发

电磁效应。此时，衔铁会被电磁力所吸引，从而解决了返回弹簧产生拉力的问

题，并实现了吸合通过铁芯的作用，实现了动态触点与静态触点的吸合，从而

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推动衔铁的运动。当线圈失去电源时，电磁吸力将随之消失，而衔铁则会受到

弹簧反作用力的影响，从而恢复到其原来的位置，同时动触点和也会逐渐放松

静态接触点的初始状态。通过吸合和释放，以实现电路中导通和断开的目的。

（2）继电器接口电路设计

继电器电路主要用来控制风扇和加热器，其电路接口设计如下图3.12所示。

图3.12继电器接口电路图

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3.3.5时钟电路

时钟电路采用了DS1302时钟芯片，DS1302是由美国DALLAS公司推出的具

有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。它可以对年、月、日、周、时、

分、秒进行计时，并且具有闰年补偿等多种功能。DS1302时钟电路接口设计如

下图3.13所示。

图3.13DS1302时钟电路设计

4电路原理图及PCB板设计

图4.1原理图

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图4.2PCB板设计图

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5软件设计

5.1软件设计介绍

本系统设计有一个主程序以及一个中断程序，其中主函数包含了六个子函

数。

5.2主程序的设计

程序的主函数中包含方波初始化和红外频率检测初始化程序，并根据标志

位Flag的状态来执行显示倒计时、设置时间和按键的操作。

图5.1主程序流程图

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6系统制作

单片机应用开发可以划分为如下4个过程：

（1）硬件系统的设计调试，比如电路的设计等

（2）应用程序设计。比如程序的创意，使用软件进行编写。

（3）调试应用。实现硬件在线调试，并且在调试期间不断修改完善软硬件。

（4）系统离线运行检查。开展全面检查并根据所发生的问题对硬件，软件或者

总体设计方案进行修改。

7实物作品操作效果及指引图

7.1实物作品展示

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7.2实物作品操作演示

1、接通电源后，液晶屏上显示年月日时分秒，如下图所示：

2、按下D1设置键可以调节日期以及时间，D2键是＋，D3键是-。

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3、按下D4键，LED灯会跳转到红灯，也就意味着干手器吹的会是热风，再摁一

下D4键，则会切换回绿灯表示干手器吹冷风。

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4、手放在传感器的感触范围内，干手器开始运作，手离开三秒后自动停止运作，

当手一直处于传感器范围内则会在15秒停止一次

8结论

一学期下来，圆满完成毕业设计规定的工作。在毕业设计中遇到了一些问

题，需要对其进行改进。在这段时间里，笔者搜集到很多有关红外感应及单片

机的信息，经对比分析，得到了该设计方案。

该项目设计了一种自动感应干手器，在硬件上，主要设计是液晶电路与单

片机控制电路的设计与制作，再利用外接负载，即可达到冷风与热风之效果。

从而达到设计自动干手器。

该设计制造的以单片机为控制核心的干手器，可以实现对人手伸入和脱离

情况的自动识别，当人手伸入干手机所能操作的区域，做手机工作每次15秒钟。

干手后自动停止。通过液晶显示干手机的当前的时间信息，并且正在显示本次

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作业的倒计时时间。当双手伸开时，干手器会自动启动吹风模式。利用按键开

关来选择输出冷风还是热风，分别适应各种温度天气。

通过毕业设计，不仅学习到许多新东西，并巩固原有所学，将学到的知识

贯穿始终，能很好地将硬件知识与软件知识有机地融合，学习怎样让软件和硬

件协同工作。同时也学习解决调试中出现的问题，验证了电路可行性，这对于

他们今后的学习，工作都是非常有益的。

9附录

附录1元器件清单

DescriptionCommentQuantity

电容10uF1

电容302

5MM黄色发光二极管LEDY1

5MM绿色发光二极管LEDG1

5MM红色发光二极管LEDR1

3MM红色发光二极管LED1

电源接口POWER1

2P接线端子电源接口2

排针CON22

三极管90122

电阻1K6

电阻2k1

电阻10k5

晶振32.7681

晶振12MHz1

电源开关SWITCH1

微动开关SW-PB5

时钟芯片DS13021

单片机AT89C52/S521

继电器JDQ-DC52

液晶LCM_16021

纽扣电池3V1

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附录2原理图

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附录3PCB板图

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附录4实物作品

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附录5程序源码

#ifndef__MAIN_H__

#define__MAIN_H__

#include<reg52.h>

//IO设置

sbitHY=P2^0;//红外采集

sbitJDQ=P3^5;//吹风继电器

sbitJDQ_J=P3^6;//加热继电器

sbitLED_L=P1^4;//冷风

sbitLED_R=P1^5;//热风

#defineLCD1602_PORTP0

sbitLCD1602_RS=P2^5;

sbitLCD1602_RW=P2^6;

sbitLCD1602_EN=P2^7;

sbitkey1=P1^6;//时间设置键

sbitkey2=P1^7;//加键

sbitkey3=P3^2;//减键

sbitkey4=P1^0;//加热切换

//函数或者变量声明

externvoidDelay_ms(unsignedintn);

externvoidGet_Maopi();

externvoidGet_Weight();

#endif

#include<reg52.h>

#include<intrins.h>

#include<string.h>

#include"main.h"

#include"LCD1602.h"

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

charcount,miao_count,miao_tingzhi;//计时变量

ucharflag_led;

#include"wannianli.h"

//键盘处理变量

//****************************************************

//主函数

//****************************************************

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voidmain()

{

Init_LCD1602();//初始化LCD1602

TH0=0x4c;

TL0=0x00;

TMOD=0x21;

ET0=1;

TR0=0;

EA=1;

//Ds1302Init();

while(1)

{

keyscan();

if(key4==0)

{

delay(20);

if(key4==0)

{

flag_led=!flag_led;

while(key4==0);

}

}

if(flag_led)

{

LED_L=1;

LED_R=0;

}

else

{

LED_L=0;

LED_R=1;

}

if(JDQ==0)

{

if(flag_led)

JDQ_J=0;

else

JDQ_J=1;

}

else

JDQ_J=1;

if(keynum==0)

24

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{

if(HY==0)

{

delay(20);

if(HY==0)

{

miao_tingzhi=miao_count;

TR0=1;

JDQ=0;

}

}

elseif(HY==1&&JDQ==0)

{

if(miao_count-miao_tingzhi>3)

{

miao_count=0;

JDQ=1;

TR0=0;

count=0;

miao_count=0;

}

}

display();

}

}

}

voidTimer0()interrupt1

{

TH0=0x4c;

TL0=0x00;//50ms

count++;

if(count>=20)

{

miao_count++;

if(miao_count>=15)

{

miao_count=0;

JDQ=1;

TR0=0;

}

count=0;

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}

}

//****************************************************

//MS延时函数(12M晶振下测试)

//****************************************************

voidDelay_ms(unsignedintn)

{

unsignedinti,j;

for(i=0;i<n;i++)

for(j=0;j<123;j++);

}

Keyboard.c程序

#include"keyboard.h"

externbitbdataflag_key;

//按键扫描函数:

//功能；只扫描一个按键，按键为号小优先

//返回键值：

//12310//10:清零重量，兼去皮功能

//45611//11:清除单价

//78912//12:显示数值偏大调节按键

//1401513//14:无功能（用于扩展）15：小数点13：

显示数值偏小调节按键

unsignedcharGetkeyboard(void)

{

unsignedcharnumber=0;

unsignedchari;

//行输入低电平

ROW1=ROW2=ROW3=ROW4=0;

//如果列输出不全为高，则说明有键按下

if(((COL1!=1)||(COL2!=1)||(COL3!=1)||(COL4!=1))&&flag_key==1)

{

//输入0111

flag_key=0;

ROW1=0;

ROW2=ROW3=ROW4=1;

for(i=0;i<20;i++);

if(COL1==0)return1;//7

elseif(COL2==0)return2;//8

elseif(COL3==0)return3;//9

elseif(COL4==0)return10;//10

//输入1011

26

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ROW2=0;

ROW1=ROW3=ROW4=1;

for(i=0;i<20;i++);

if(COL1==0)return4;//4

elseif(COL2==0)return5;//5

elseif(COL3==0)return6;//6

elseif(COL4==0)return11;//11

//输入1101

ROW3=0;

ROW1=ROW2=ROW4=1;

for(i=0;i<20;i++);

if(COL1==0)return7;//1

elseif(COL2==0)return8;//2

elseif(COL3==0)return9;//3

elseif(COL4==0)return12;//12

//输入0111

ROW4=0;

ROW1=ROW2=ROW3=1;

for(i=0;i<20;i++);

if(COL1==0)return14;

elseif(COL2==0)return0;

elseif(COL3==0)return15;

elseif