【《基于单片机的干手暖风器控制系统设计》7500字】

基于单片机的干手暖风器控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u24560基于单片机的干手暖风器控制系统设计 127911第1章绪论 163761.1研究背景 1266311.2研究现状 2240241.3研究内容 3136第2章系统方案论证 3171562.1系统总方案论证 359122.2模块方案论证 4140012.2.1主控芯片的选择 4309992.2.2显示模块的选择 5123582.2.3时钟模块的选择 510693第3章硬件电路 6208813.1控制电路设计 623103.2显示模块设计 10212573.3时钟模块设计 11279193.3.1DS1302的接口电路设计 1169763.3.2DS1302的寄存器 12119183.5人机交互模块设计 1289453.5继电器电路设计 13253633.6系统总电路 144669第4章软件设计 1681294.1主程序设计 16105214.2子程序设计 1811926第5章系统电路组装与及调试 20215065.1系统组装 20129935.2系统调试 2459975.2.1硬件调试 24237785.2.2软件调试 243977参考文献 27第1章绪论1.1研究背景最近几年，人们越来越注重提高物质生活水平，人们也愈加关注卫生情况。洗手杀菌是目前人们通常用来有效切断手上细菌传播的一种方法之一,但大多数人通常在每次洗手结束后会完全忽视手掌被烘干的整个过程,使我们洗手的杀菌效果受到大大降低。据相关研究可明显看出，为了能够使手上残留下的细菌不再迅速传播与继续繁殖,我们确实应当正确选择一种正确的洗手方式以防止使手上残留细菌不再传播与繁殖。在一期《应用微生物杂志》上英国布拉德福德大学等机构的研究人员作出报告，洗手对去除细菌会起到有效作用，但手上残留细菌并不能被此方法全部去除，若洗手后使手变干的方法有误，在周围环境潮湿的情况下细菌还是会继续生长繁殖REF_Ref1683\r\h[1]。故洗手后干手的步骤是否有误对控制细菌的传播与繁殖起着异常重要的作用。调查表明,在运用卫生纸、借助各种"干手暖风器"等措施中,运用干手暖风器最有可能抑制室内细菌扩散。因此,研究一种适应市场需求的暖风器对于提高现代社会人们的日常生活品位具有一定积极意义。它主要广泛应用于大型酒店,餐厅,科研单位,医疗诊所,写字楼,公共休闲娱乐区域及每个用户的厕所和厨房等。在不断的探索和研究中,设计者以更高的技术专业和科学技术水平,提出了更加完整和更加新颖的设计建议和研究课题,设计了一种节省能耗,功能全面,体积轻便,控制力更强的干手暖风机,且在普通烘干作用的基础上,还增加了显示功能。此产品很多优势，如风量大小可控，噪声小不扰人，灵敏度高，使用起来简单便利且有安全保障，现在，干手暖风器是一个深受人们欢迎的理想卫生清洁器具。在逐步达成绿色，环保，卫生，安全的美好城市，为了大家的安全健康着想，设计出一款多功能化的干手暖风机已成为必要。1.2研究现状在21世纪人们广泛关注的社会话题之一任然是卫生和环保。设计开发出一款既符合目前市场的使用需求又环保节能的家用干手暖气器在很大的程度上给现代人们的日常生活工作带来了便利,提高了生活水平。为了能够使人们洗手后手上的残留物和细菌不再迅速扩散和继续繁殖,现在急切地需要一种操作更加简单并且更加智能化的东西来帮助人们烘干手部。首先在需要检测人体信号时可以选择直接使用红外感应传感器。当传感器发射的红外线被伸到干手器下面的手掌所遮挡时会反射到红外接收管,以此来采集人体信号。当人体信号被单片机检测到后,可用液晶显示当前启动时间,并通过控制继电器的闭合状态从而来实现干手暖风器的设计要求。其次用来检测和采集人体信号的红外感应模块还可以通过选择热释电传感器处理器芯片BIS0001和一个人体热释探头,热释电红外传感器(PIR)可以实时检测接收到人体内部发射的红外线并转换成电信号进行输出,经放大、滤波等一系列处理后,会得到一个高电平信号,然后输入单片机端口,这个过程是人体信号的采集过程。当人体信号被单片机检测收到后,显示模块就可以选择数码管来自动显示当前工作时间,并通过控制继电器的闭合状态来实现各种干手暖风器的智能设计。1.3研究内容本次设计的核心是单片机，用独立按键来取代红外传感器检测到人体信号时的情形，当按下按键则代表单片机已经检测到人体信号REF_Ref5168\r\h[2]。通过单片机及外围接口实现万年历计时功能来显示当前工作时间，并控制继电器的闭合状态来控制风扇是否启动和冷热风切换，从而来实现干手器的功能设计。本文将对以上功能所需要的模块及其芯片分析论证，提出一种设计方案。智能化的干手暖风器相较于传统的干手方式带来了许多便利且有效防止了残留细菌的传播，具有广泛的适用性。第2章系统方案论证2.1系统总方案论证方案一：采用如图2.1的电路框图。主控电路，显示模块，时钟模块，人机交互模块和继电器模块组成了本次设计的主要硬件集成模块。主控芯片、复位电路、晶振电路和电源电路构成主控电路REF_Ref25823\r\h[3]；用按键替代红外避障传感器来实现检测人体信号的情况；显示模块显示当前时间；通过继电器来控制冷热负载开关，并有指示灯提示，绿灯亮则代表开启冷风模式，红灯亮则代表开启热风模式来实现干手暖风器的设计。时钟模块显示模块STC89C51时钟模块显示模块STC89C51通过控制继电器闭合来控制冷热负载开关人机交互模块通过控制继电器闭合来控制冷热负载开关人机交互模块图2.1方案一电路框图方案二：采用如图2.2的电路图，用红外感应传感器来自动检测人体信号。当有手臂伸到干手器下面时,发射的短波红外线在被人体遮挡住之后会通过反射然后到红外接收管,这样便于及时采集和接收到人体信号。当人体信号被单片机检测到后,通过数码管来自动显示工作时间,并且可以按键控制调大和调小时间。利用继电器内部有没有闭合来进行控制干手暖风器的启动开关,且可以冷风和热风相互切换来实现本设计。数码管显示用红外传感器检测人体信号STC89C51数码管显示用红外传感器检测人体信号STC89C51通过控制继电器闭合来控制冷热负载开关时间控制按键通过控制继电器闭合来控制冷热负载开关时间控制按键图2.2方案二电路框图通过以上对比分析,可以明显看出,方案一的主要优势在于设计电路简单,系统更加稳定且设计成本相对较低,符合系统设计的实际要求。相比于传统方案一,方案二更加显得控制电路复杂,成本相对较高,并且有时在感应人体信号的同时会突然出现延时且控制系统不是很稳定。所以选择方案一,以此方式来保证达到生产成本低、稳定性好的主要特点。2.2模块方案论证2.2.1主控芯片的选择方案一：以MSP430作为主控芯片。MSP430是一种带FLASH的具有16位总线的单片机，内存和外设统一编址。把多个具有不同处理功能的微处理器、数字电路集成模块和模拟电路模块集成在一个数字芯片上,也可以叫之为混合信号处理器。然而这些单片机主要用于便携式仪器,需要用电池进行供电,成本可能会高一些,开发也会比较困难,对于一些简单的设计明显不适应。方案二：以STC89C51作为主控芯片。STC89C51是当前比较流行的单片机。它是一种具有低功耗、高性能优势的且具有4K在系统可编程Flash存储器的单片机REF_Ref29810\r\h[4]。具有反应灵敏，开发简单，可靠性高，成本低等优势。通过对比，为了让制作更加简单且节约成本，选择方案二。2.2.2显示模块的选择方案一：LED数码管。LED数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字形的器件REF_Ref31009\r\h[5]。LED数码管具有功耗小、无热量、寿命长等优点，可以显示各种各样的全彩动画效果且价格便宜，但不能显示汉字。方案二：LCD1602A液晶显示屏。它可以同时显示包括数字、字母和专用符号在内的16×02即32个字符。它的优势有很多，首先因为它操作起来方便简单，因为它是数字式的接口。其次它的最大耗电量相比于其他液晶显示器而言相对较少，是由于它的功耗主要在其内部的电极和驱动IC上。最后液晶显示屏显示质量高且不会出现闪烁的特殊情况，质量小、重量轻，符合实际设计要求。但是LCD1602液晶显示屏的最大缺点主要在于不能显示汉字。根据该设计功能的需求，需要显示较多的数字，若采用LED数码管，则所需数码管较多，而且不利于控制，故选择方案二。2.2.3时钟模块的选择方案一：DS12887时钟芯片。它是采用基于单片机应用系统通过并行总线设计扩展的一个接口电路。可计算到2100年之前的秒、分、时、日、星期、月、年等七种的实时时间信息，并且可进行闰年补偿REF_Ref8902\r\h[6]。采用这种接口电路时操作速度快且系统编程简单方便。方案二：DS1302时钟芯片。它与单片机通过串行方式进行数据传送，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息，并且可以自动调整月末日期、闰年天数；它还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚，若主电源关闭，也能依靠备份电源来保持时钟的连续运行REF_Ref7893\r\h[7]。另外，它还能提供用于高速数据暂存的31字节的RAM。通过对比分析，DS1302相比DS12887与单片机之间的数据传送更容易实现，且并行口芯片的体积相对较大，故选择方案二。第3章硬件电路3.1控制电路设计控制电路是由单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态REF_Ref6545\r\h[8]。电源、复位等电路是使单片机能运行的必备条件。(1)复位电路：复位操作在给整个单片机系统提供一个复位信号后使之能够完成片内控制电路的自动初始化,使单片机开始运行时必须是在一种完全确定的工作状态下。复位方式有上电自动复位和开关复位两种，这里采用的是通过电容充放电来实现的上电自动复位方式REF_Ref16419\r\h[9]。上电后电容处于充电状态，会给单片机复位引脚RST一个复位信号。电路图如图3.1所示。图3.1STC89C51复位电路（2）晶振电路：晶振为控制系统提供基本的时钟控制信号上起重要作用。本设计中采用的晶体振动电路是提供12MHZ基准时钟信号的石英晶振Y1，同两个30PF的电容进行并联，两个电容可以同时协助晶振进行起振作用，起到频率微调作用。电路图如图3.2所示。图3.2STC89C51晶振电路完整的控制电路如图3.1所示。图3.3控制电路图3.2显示模块设计本设计采用LCD1602A，液晶显示电路如图3.4所示。3脚采集电压信号，主要调节液晶灰度，R5和R6串联接入分压，若液晶显示度较暗，则R5阻值偏大，可适当调小一点。5脚是读取和写入选择引脚，高电平为读取，低电平为写入。1脚和16脚接地，其他引脚接单片机P3.1-P3.8。图3.4液晶显示电路3.3时钟模块设计3.3.1DS1302的接口电路设计本设计采用DS1302时钟芯片，它与单片机是通过串行方式来进行数据传送的。其中在主电源Vcc2关闭的情况下，也能依靠后备电源Vcc1保持时钟持续运行。时钟芯片DS1302的接口电路及工作原理如图3.5所示。2脚和3脚外接晶振，可以为时钟芯片提供计时脉冲，4脚接地。在与单片机连接时只需CE引脚，SCLK串行时钟引脚和I/O串行数据引脚，即5，6，7脚接单片机P1.0-P1.2REF_Ref27722\r\h[10]。图3.5DS1302与MCU接口电路3.3.2DS1302的寄存器DS1302有12个寄存器，其中与日历、时钟相关的寄存器一共有7个，它们的数据位是以BCD码形式存放,其日历、时间寄存器及其控制字见表3.1REF_Ref27885\r\h[11]。表3.1DS1302的日历、时间寄存器写寄存器读寄存器Bit7Bit6Bit5Bit7Bit3Bit2Bit1Bit080H81HCH10秒秒82H83H10分分84H85H12/EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps8\o\ad(\s\up9(——),24)010时时EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(——),AM)/PM86H87H0010日日88H89H00010月月8AH8BH00000星期8CH8DH10年年8EH8FHWP00000003.5人机交互模块设计本设计采用独立按键进行输入功能,共有5个独立按键,且分别具有不同的功能。使用独立触控按键的最大优点之处在于每个独立的触控按键上都占有一个I/O口,不会因为其他按键或线路出现问题而影响当前按键的功能。因每个按键的1脚和2脚导通的,3脚和4脚分别导通,故我们只把每个按键的2脚分别接入到单片机的对应I/O口中,3脚分别接地,当有一个按键按下,单片机检测到低电平时,做出相应指示。电路如图3.6所示。图3.6按键模块电路3.5继电器电路设计PNP型三极管发射极接地，集电极串接一个继电器，此时三极管会起到一个开关的作用REF_Ref8314\r\h[12]。当其中有信号输入且单片机检测收到时,单片机I/O口就会输出一个小的低电平,三极管就会导通,之后继电器电路中的线圈两端也就会产生一定电压,线圈中流过一定的电流，从而产生一种电磁效应。衔铁通过电磁力吸引的作用与铁芯吸合,从而可以使3脚公共端与5脚常开端连在一起。当单片机没有检测到有信号进行输入时,即线圈自动断电后,则衔铁就会重新返回到原来的位置,从而可以使3脚公共端与4脚常闭端连在一起。通过这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的REF_Ref17663\r\h[13]。电路如图3.6所示。图3.6继电器电路3.6系统总电路通过研究可得出本设计的基础原理。显示模块和时钟模块等电路结合从而完成万年历的设计，可显示年、月、日、时、分、秒REF_Ref21856\r\h[14]。首先显示模块采用LCD1602,3脚调节液晶灰度,其他引脚接到单片机P0.0-P0.7口。时钟模块采用DS1302，2脚和3脚接晶振，8脚接纽扣电池，其他引脚接单片机P1.0-P1.3。复位电路接入RST，按键模块3脚接地，2脚接单片机对应接口。此时继电器可以依靠判断三极管输出是否处于导通状态来判断确定电源吸合器的状态,达到控制电路过程中的导线接通、切断的主要目的。此时继电器驱动依靠PNP型三极管，低电平时可以导通，以达到电路中的导通、切断的目的。系统总电路如图3.7所示。图3.7系统总电路第4章软件设计4.1主程序设计通常情况下，单片机以及一些电子器件都需要经过初始化程序才能正常运行使用，所以在函数开始时，首先要进行初始化，初始化要经过LCD1602初始化和DS1302初始化。初始化之后DS1302将读取信息然后通过液晶屏显示年、月、日、时、分、秒和星期。之后判断按键是否按下，若是，则执行相应的程序。若不是，则进入循环运行液晶显示程序REF_Ref24453\r\h[15]。主程序的流程图如图4.1所示。开始开始初始化初始化液晶显示年月日时分秒液晶显示年月日时分秒执行相应的指示控制执行相应的指示控制NN判断按键是否按下判断按键是否按下YY设置相应参数，显示相应参数设置相应参数，显示相应参数结束结束图4.1主程序流程图4.2子程序设计有了主程序流程图以后，接下来就是子程序流程图，显示模块用于液晶显示时间信息等。在显示流程图中，当系统开始运行时，LCD1602会自动进行初始化，开始进行读写操作，先写入地址，再写入内容，显示流程图如图4.2所示。开始开始初始化初始化写入显示指令写入显示指令进行延时进行延时写入显示地址写入显示地址NN判断是否显示完成判断是否显示完成YY写入显示内容写入显示内容图4.2显示流程图在时钟流程图中，当系统开始运行时，DS1302会自动进行初始化，然后数据被送入液晶屏显示，此时判断按键是否按下，也就是看是否有低电平通过，若没有，则进入循环读取时钟芯片送显示屏，若按下，则判断时间数据是否正常或是否需要进行修改，若需要修改时，则将数据送入时钟芯片，接着循环读取时钟芯片，送显示屏。时钟流程图如图4.3所示。开始开始初始化初始化开中断开中断读时钟芯片，送显示屏读时钟芯片，送显示屏NN按键是否按下按键是否按下YYY送时钟芯片是否修改时间Y送时钟芯片是否修改时间NN送EPROM送EPROM图4.3时钟流程图第5章系统电路组装与及调试5.1系统组装将编写好的hex程序文件烧录进单片机，然后单片机安装到系统模块中，上电观察工作是否正常，根据原理图进行组装。首先，焊接好按键模块的5个按键，右下角为2个继电器。接下来是三个LED灯，绿灯表示冷风，红灯表示热风，在LED灯左边为电池座，用来装纽扣电池。其次为STC89C51单片机，DS1302时钟芯片和晶振等REF_Ref25752\r\h[16]。最后为LCD1602液晶显示屏和自锁开关等。如图5.1为显示模块实物图，图5.2为显示模块实物图,图5.3为显示模块背面焊锡层。 图5.1显示模块实物图1图5.2显示模块实物图2图5.3显示模块背面焊锡层图原件清单如下表5.1所示。表5.1元件清单原件个数原件个数万用板9*1517015风扇1STC89C51单片机140脚IC座1DS1302芯片1钮扣电池1电池座18脚IC座1LCD1602液晶显示屏116p单排插针116p单排母座13P排针1继电器(黄)22p接线端子210K排阻（103）110K电阻510uF电容1独立按键530k电阻1100欧电阻1104独石电容1100uF电解电容132.768mhz晶振11k电阻32.2k电阻2220欧姆电阻15mmLED（红、黄、绿）39012三极管312M晶振130P电容2DC电源插座1自锁开关15.2系统调试5.2.1硬件调试在硬件设计制作流程完成后，我按照硬件设计要求对自己的硬件电路板进行调试。首先是检查器件是否完好，然后检查导线导通是否正常，最后通电观察系统是否正常工作等REF_Ref27950\r\h[17]。具体的调试步骤是先采用万用表检测是不是短接电容、电阻以及导线。接下来在通电后发现液晶屏不亮，检查过后发现其原因是地线没有接好。其次检测每一个引脚的信号是否正常，给电路通电后，可以用手指去触摸元器件来查看元件有没有发热，如果有，则立即断电，再次进行检查；若检查无错误后，则测试本设计中用到的所用芯片的VCC端电压有没有达到要求，接地端有没有按要求全部接地。最后进行联机调试，调试时采用方法的也是部分调试REF_Ref364\r\h[18]。在原来的测试中可以检测到单片机，但是再次检测时发现单片机不能被电脑检测到。经检查发现单片机和下载线都正常REF_Ref505\r\h[19]。之后在经过一步步反复检测后才发现可能是晶振坏了，换了一个好的晶振后才使单片机正常运作，即硬件调试部分完成。5.2.2软件调试本设计主要采用C语言对于微控制器的程序设计进行编程，选择KeiluVision4开发软件进行工程编写、仿真调试。在软件调试时，看语句中有没有出现错误和警示，若有，则需及时检查并更正。检查无误后，再将程序输出hex文件并烧录REF_Ref626\r\h[20]。首先，查看系统头文件是不是正确的，与这个单片机的端口地址是不是完全相匹配的。接下来，查看应用程序中的初始化要求是否正确，若没有，则需按要求来重新定义正确的初始化应用程序。然后，再次需要检查程序设计是否真的具有实际可行性，是否完全可以达到设计的实际要求。最后，通过对整个系统运行的状态认真观察，再反复的修改调试程序，最终得到一个完善的程序REF_Ref717\r\h[21]。在经过系统电路组装与软硬件调试之后，基于51单片机的自动暖风干手器设计已基本实现，主要体现了三个功能。首先，打开电源开关，可显示年、月、日、时、分、秒和星期，右上角为设置按键，左下角2个显示按键分别为它的加键和减键，实物展示图1如图5.4所示。接下来安装好风扇，打开电源，按下左下角第一个按键，绿灯亮，风扇开始转，模拟吹冷风系统，实物展示图2如图5.5所示。最后，按下左下角第二个按键，红灯亮，风扇会旋转，模拟热吹风系统，实物展示图3如图5.6所示。图5.4实物图1图5.5实物图2图5.6实物图3结论系统按上文设计完成焊接，采用C语言进行编写。通过方案对比，本设计选择出一种最合理，简单易行的方案，实现了如下功能：（1）打开电源开关，可显示年、月、日、时、分、秒和星期，如果需要调整时间信息，可根据加键和减键修改调整。（2）当天气炎热时，可按键控制切换输出冷风，绿灯亮代表输出冷风，加热的继电器B不工作。（3）当天气寒冷时，可按键控制切换输出热风，红灯亮代表输出热风，吹风的同时加热继电器B会吸合模拟加热吹热风。综上，可以得出这是添加万年历显示功能的干手暖风器设计。符合很多场合洗手后干手的要求，比如宾馆酒店、机场车站、体育场馆