单片机控制的自动干手器.docx
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单片机控制的自动干手器
第一章绪论
自动干手器是一种高档卫生洁具,广泛应用于宾馆酒店、机场车站、体育场馆等公共场所的洗手间。
其工作原理只是采用一种红外线控制的电子开关,当有人手伸过来时,红外线开关将电热吹风机自动打开,人离开时又自动将吹风机关闭。
自动干手器功能介绍:
1、环保节能:
采用内热式再循环原理,充分利用热能,快速烘干,节能效果显著。
2、超时保护:
设定15s超时烘干停机功能,避免因异物长时间在感应范围内造成电力资源浪费。
3、适应性强:
可根据不同的使用环境调整感应灵敏度(范围)。
4、安全稳定:
采用过热、过电流双重保护;机器运行稳定,噪声低,风力大。
5、适用场所:
高档酒店、宾馆、写字楼、机场、医疗卫生机构等公共场所。
成品的自动干手器将红外线控制开关和电热吹风机制作为一体,根据这个基本原理,用一只普通的电热吹风机,加装一个红外控制开关,就可组成一个自动千手器,其效果与成品自动干手器是一样的。
经过查资料得知,以下两个方案:
方案一:
单片机控制红外线自动干手器电路由红外线发射器、红外线接收放大器、MCS-51单片机和开关控制器组成。
利用MCS-51单片机及多谐振荡器和单稳态触发器等元件即可组成单片机控制红外线自动干手器电路。
当人们需要干手时,人们把手靠近干手器,由于手对红外线的反射作用,使单片机接收信息并打开加热装置和吹风装置一段时间后会自动停止,并可以通过MCS-51单片机进行调节。
方案二:
由单片机80C2051构成的最小系统,加上外围采用8个光电耦合管,大大提高了敏感度,由于手对红外线反射,光电耦合管接收产生一个高电平,通过单片机的I/O口如P1读取其状态,若检测到该口是高电平,通过程序控制另外一个I/O如P3^1输出一个高电平通过三极管放大驱动继电器工作,电机就开始工作,通过单片机中断定时。
达到自动控制的目的。
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
通过所学知识和论文要求,我选择方案一进行设计。
第二章工作方案设计
2.1总体设计
简易自动干手器控制电路的总体框图如图1.它是由红外线发射电路,红外线接收电路,MCS-51单片机,时钟振荡电路和电源电路五部分构成。
加上电机吹风电路,就构成了完整的干手器。
图1简易控制电路的总体框图
红外线发射电路的功能是:
利用红外线发光管发射脉冲,从而实现电路对人体的感应。
红外线接收电路功能是:
利用光敏元件接收发射出来的光脉冲,并且将光脉冲信号转化为电信号,同时对其进行放大。
MCS-51单片机电路的功能是:
利用单稳路的特性,实现对自动干手器开关打开时间的控制。
时钟振荡电路的功能是:
利用电磁阀作为自动干手器的开关,从而可以通过电源对干手器进行控制。
2.2主要单元电路设计
2.2.1红外线发射电路
图2所示的电路为红外线发射电路。
红外发射部分由MCS-51单片机产生频率为1000HZ,占空比为1/3的方波信号,驱动红外发射管发射红外线。
该电路的核心器件是红外线发光二极管SE303。
红外线发光二极管由GaAs的PN结构成,其发光波段处于可见光波段之外,因此不能在显示中使用,一般作为光信号传输之用。
本电路的感应装置一般要求不可见,因此采用红外线发光二极管作为感应装置。
图2红外线发射电路
红外线发光二极管正向电流不能超出其最大额定值。
而作为感应装置则要求其具有较大的光输出。
一般利用其相应速度快的特性,通过脉冲驱动来增大光输出。
因此电路前端需要一个脉冲信号电路,采用两个发光二极管增大发射面积。
本电路采用的是MCS-51单片机。
其电路运行包含两个过程:
一是利用直流电源经电阻R1和R2对电容C1经电阻R2从MCS-51单片机放电过程。
通过这两个过程的交替运行,就可以在MCS-51单片机的输出电路端Q产生脉冲信号。
其输出脉冲信号的频率f和占空间比q为:
这样输出电路端Q产生脉冲信号来控制红外线发光二极管发射光脉冲,其中,由于红外反向电压不能过高,因此,用二极管D起保护红外发光二极管的作用。
2.2.2红外接收电路
红外接收管输出信号是一个十分微弱的信号,为了使后续电路能够对光强信号进行处理,因此需要加入信号放大电路。
图3左边所示电路为信号放大电路。
该电路是由电阻R5-R8,三极管Q2、Q3和电容C4、C5构成的。
电路中采用了双三极管构成放大电路,这样就可以使得电路的放大倍数比单管放大倍数增加倍,从而得到更合适的信号。
R5和R6为放大电路的集电极偏置电阻,C4、C5为放大电路耦合滤波电容。
R8为放大电路反馈电阻,其功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压V。
图3红外接收电路
图3右边是选频网络,电路有很强的抗干扰能力。
U2是LM567。
LM567是一片锁相环电路,采用8脚双列直插塑封。
其5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2,f2≈1/1.1RC=5KHz。
没有人干手时,红外接收电路N2接收不到VD向外发射的红外线,U2的3脚无信号输入,8脚为高电平;当人手放到干手器下时,U2接收到人手反射的红外线并经N2放大后,输入到U2的3脚,由U2内部处理后使N3的8脚输出低电平,通过检测是否有手要烘干,使8脚输出不同的高低电平。
达到控制吹风电路是否工作。
实际应用中调整C2的大小可使带宽BW在0%~4%范围内变化。
BW宽度与f0C2乘积之间的关系如上面公式。
LM567在正常工作时的最小输入信号为20mV。
当用于单音解码时,其工作特性为:
当LM567信号输入端加入幅度为20mV以上的交流信号且频率落入f0±BW范围内时,输出端输出一个低电平的检测信号,这就是所谓的“频率继电器”特性。
利用这一特性,LM567可广泛应用于各种低频单一频率信号的解码。
2.2.3单片机电路
单片机产生1000HZ的方波信号驱动红外发射管向下发射红外线脉冲。
当有手伸到干手器下面时,红外线脉冲即被反射回来,由VD2接受并转换为电信号,经C3耦合至交流放大器(D1—D3)进行电压放大,有施密特触发器(D4、D5)整形后变为边沿陡峭的方波信号,送至INTO端。
此时,T0定时器开始计数,0.1S后停止计数,将得到的脉冲数与提前存储在单片机内的基准脉冲数进行比较,若大于基准脉冲数,则继电器吸合;否则继电器断开。
基准脉冲数通过开关S1、S2进行调节。
按下S1,基准脉冲数增大,即每0.1S内需要接收到的脉冲数增多,手需离干手器的距离减小,按下S2,基准脉冲数减小,即每0.1S内需要接收到的脉冲数减小,手需离干手器的距离增大。
当人手与自动干手器间距离为30CM时,不再调解。
故人手与自动干手器间隔距离可以在30CM的范围内自由调节。
烘干时间的长短通过按键S3、S4来调节。
按下S3,定时的时间变长,每按一次,时间延长1s;按下S4,定时的时间变短,每按下一次,时间缩短1s。
烘干最长时间为15s,在此时间段内,可以自由调节。
当手离开时,干手机会立即停止工作。
1)部分储存单元说明
30H:
存入T0计数器高8位
31H:
存入T0计数器低8位
(说明:
T0计数器记录每0.1S内接收到的脉冲数,并将个数存入30H和31H。
)
32H:
可设置作为基准脉冲数基准的低8位
33H:
可设置作为基准脉冲数基准的高8位
(说明:
由于设计要求手离干手机最大识别距离为30CM故将手放在30CM处,通过S0、S1调节基准脉冲数,即刚好能够启动干手器工作。
调节基准脉冲数存在32H、33H。
)
34H:
可设置干手机连续工作时间,最大时间为15S。
(说明:
34H单元内容每增加10,干手机连续工作时间增加1s;否则,减短1s。
单元内容最大为150,即15s)
2)专用寄存器说明
R0数据指针,指向存储单元30H和31H。
R1(未用)
R2延时用寄存器,初值为10。
R3延时用寄存器,初值为250。
R4计数寄存器,初值为200。
R5计数寄存器,初值为10。
R6(未用)
R7时间计数寄存器,初值为0,每增加1,时间延长0.1s,最大值为150,即15s。
3)专用按键说明
S1:
脉冲数基准数增大,即手与干手机距离减小。
S2:
脉冲数基准数减小,即手与干手机距离增大。
S3:
定时时间增大。
S4:
定时时间减小。
S5:
回到初始设置。
2.2.4吹风机开关电路
由于电磁阀通过的是大电流,大功率,而直流电源一般无法提供很大的电流和功率,因此电磁阀需要交流供电,从而电路中的开关需要采用继电器电路。
而一般MCS-51单片机的输出电流无法驱动继电器,因此需要加入电流放大电路。
接地右边为电流放大电路,三极管T构成的电流放大电路是一种比较典型和简单的电路,其中R3为限流电阻,防止电流过大烧毁三极管。
T为共发射极电路,当输出端Q输出高电平时,三极管导通饱和,将输入电流放大β倍;当输出端Q输出低电平时,三极管截止,无电流通过。
继电器连接T1的集电极,当有电流驱动时,开关吸合,电磁阀通电,吹风机吹出热风;当无电流驱动时,开关断开,电磁阀不通电,吹风机不吹出热风,同时在继电器两端并联一个二极管D1,防止继电器在断电时产生高压,实现保护电路作用。
同时电路中加入发光二极管D3作为显示电路,显示吹风机是否启动。
图4吹风机电路
图4为吹风机电路,S2为总开关,S1可以控制吹热风还是凉风,Ko即图4的开关K,有控制电路控制。
电容C11和R13的作用是使电机启动。
2.2.5电源电路
电源电路的设计可以采用两种方法来实现:
第一种方法是采用电池供电,需要注意的问题是选择合适的电池的指标参数与电路相匹配;第二种方法采用如图5所示电路。
电路直接从电网供电,通过变压器电路,整流电路,滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电先通过7812转换为+12V直流电压。
然后经7805输出5V电压。
电路中的变压器采用常规的铁心变压器,整流电路采用二极管桥式和C5整流电路,C1,C2和C3,C4,C6滤波功能,稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。
图5电源电路
将上述各个部分模块组合在一起,就构成了自动干手器电路原理图,生成相应的PCB板图,购买各部分元器件就可以做出实物,简易而实用。
2.2.6时钟振荡电路
MCS-51单片机内部具有时钟电路,但石英晶体和微调电容需外接。
时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列,典型的晶振频率为24MHz。
MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是反相放大器的输入端和输出端,由这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器,如图6所示。
电路中的电容C1和C2一般取30pF,而晶体的振荡频率范围通常是6MHz~12MHz,这种方式形成的时钟信号称为内部时钟信号。
图6时钟振荡电路
如图6所示,是时钟工作方式的电路图,这是一种常用的方式。
这种方式外接振荡源,一般选用石英晶体振荡器。
此电路再加电后延迟大约10ms振荡器起振,在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号,其振荡频率主要由石英晶体振的频率确定。
第三章芯片简介
本设计中,采用的中心芯片是MCS-51单片机,MCS-51单片机是由8位CPU、程序存储器(EPROM/ROM)、数据存储器(RAM)、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、振荡器和时钟电路等部分组成,各部分之间通过内部总线相连。
MCS-51内部有4KB闪烁储存器,芯片本身就是一个最小系统,该设计是一个多功能显示的最小系统,MCS-51能够满足该系统的性能要求。
而且用这种芯片简单可靠,只需要接上时钟电路和复位电路即可,省去了外部扩展程序存储器的工作,从而减少了芯片的数目,缩小了产品的体积。
单片机应用系统由硬件系统和软件系统两部分组成。
硬件系统是指单片机以及扩展的存储器、I\O接口、外围扩展的功能芯片以及接口电路。
软件系统包括监控程序和各种应用程序。
在单片机应用系统中,单片机是整个系统的核心,对整个系统的信息输入、处理、信息输出进行控制。
与单片机配套的有相应的复位电路、时钟电路以及扩展的存储器和I\O接口,使单片机应用系统能够运行。
MCS-51单片机内包含下列几个部件:
1、CPU
MCS-51单片机的核心部分是中央处理器,简称CPU。
CPU是单片机的核心,完成运算和控制操作。
它由运算器和控制器两大部分组成。
(1)运算器。
MCS-51单片机的运算器用来完成算术运算、逻辑运算及进行位操作(布尔处理)。
它由算术/逻辑单元(ALU)、累加器A、寄存器B、暂存寄存器、程序状态字寄存器PSW等组成。
算术/逻辑单元(ALU)由加法器和相应的控制器逻辑电路组成。
其功能强大,既可以实现8位数据的加、减、乘、除算术运算和与、或、异或、循环、求补等逻辑运算,同时还具有位处理功能。
运算的结果送入累加器A,同时影响标志位寄存器的状态。
累加器A是一个特殊的寄存器。
用于向ALU提供操作数和存放运算的结果。
在运算时将一个操作数经暂存寄存器送至ALU,与另一个来自暂存寄存器的操作数在ALU中进行运算,运算后的结果又送入累加器A中。
同一般微型机一样,MCS-51单片机在结构上也以累加器A为中心,大部分指令的执行都要通过累加器A进行。
寄存器B在乘、除运算时用来存放一个操作数,也用来存放运算后的一部分结果,还可以作为通用的寄存器使用。
暂存寄存器用来暂时存放数据总线和其他寄存器送来的操作数。
它作为ALU的数据输入源,向ALU提供操作数
程序状态字寄存器PSW是状态标志寄存器,它用来保存ALU运算结果的特征(如运算结果是否为0等)和处理状态。
这些特征和状态可以作为控制程序转移的条件,供程序判别和查询。
(2)控制器。
控制器同一般微处理器的控制器一样,是用来统一控制和协调计算机进行工作的部件。
它由程序计数器PC、指令寄存器IR、指令译码器ID和定时及控制逻辑电路等部分组成
程序计数器PC是16位的计数器。
它总是存放下一条要读取的指令所在存储单元的16位地址。
即CPU总是把PC的内容作为地址,按该地址从内存中读取指令。
因此,每当取完一个字节后,PC的内容自动加1,为取下一个字节做好准备。
只有在执行转移指令、子程序调用指令和中断响应时例外,这时PC的值由指令或中断响应过程自动装入。
单片机上电或复位时,PC自动清0,即装入地址0000H,即在单片机上电和复位时,程序从0000H地址开始执行。
指令寄存器IR用来保存当前正在执行的一条指令。
若要执行一条指令,首先要把它从程序存储器读取到指令寄存器中。
指令的内容包括操作码和地址码两部分,操作码送往指令译码器ID,经其译码后便确定了所要执行的操作,地址码送往操作数地址形成电路以便形成实际的操作数地址。
定时与控制逻辑是中央处理器的核心部件,它控制读指令、执行指令、存取操作数或运算结果等操作,向其他部件发出各种操作控制信号,协调各部件的工作。
80C51单片机片内设有振荡电路,只需外接石英晶体和频率微调电容就可产生内部时钟信号。
2、存储器
MCS-51单片机的存储器在物理上设计成程序存储器和数据存储器两个独立的空间。
内部数据存储器包括RAM(128B × 8)和RAM地址寄存器等。
实际上MCS-51单片机应共有256BRAM单元,但其中后128个单元被特殊功能寄存器占用(80H~FFH),供用户使用的只有前128B单元(00H~7FH),用于存放运算结果、暂存数据和数据缓存。
因此,同上所说的内部数据寄存器一般是指前128B单元,简称内部RAM。
内部程序寄存器包括ROM(4KB × 8)和程序地址寄存器等。
MCS-51单片机共有4KBROM,用于存放程序和原始数据。
因此称之为程序寄存器,简称片内ROM。
其地址范围为0000H~07FFH。
3、I/O端口
I/O端口又称为I/O接口,也叫做I/O通道或I/O通路,I/O端口是MCS-51单片机对外部实现控制和信息交换的必经之路,I/O端口有串行和并行之分,串行I/O端口一次只能传送一位二进制信息,并行I/O端口一次能传送一组二进制信息。
4、总线
在访问外部存储器时,P2口输出高8位地址,P0口输出低8位地址,由ALE(地址锁存允许)信号将P0口(地址/数据总线)上的低8位锁存到外部地址锁存器中,从而为P0接受数据做准备。
MCS-51单片机所产生的地址、数据和控制信号与外部存储器、并行I/O接口芯片连接简单、方便。
5、特性与参数
1)Haward结构,程序和数据储存器分别具有独立的地址空间;
2)可外扩程序和数据储存器;
3)寻址范围:
程序和数据储存器都为64KB;
4)引脚复用(多功能),以节省引脚数量;
5)使用单片机开发工具来进行硬、软件开发;
6)标准工作电压为5V;
7)CPU工作时钟频率:
;
8)允许5个中断源。
第四章总结
这篇论文历时六周,在这六周中经过不断查找参考文献和资料,反复修改整编,最终完成了这篇论文。
在写这篇论文时,因为现在使用最广泛的是555定时器型自动干手器,大部分参考文献和资料都是写555定时器型自动干手器,单片机型自动干手器相对较少,所以在写这篇论文时遇到了很多困难,但我并没有放弃,在老师的指导下,终于写出了这篇论文。
自动干手器是高档的卫生用具,可对人手进行自动烘干,广泛应用宾馆、酒店、机场、车站等公共场所的洗手间。
自动干手器的内部结构和控制电路比较简单,本设计采用的MCS-51单片机,对吹风机进行时间和距离控制,既可节约用电,又方便时尚,具有稳定可靠的良好控制效果。
在创新方面,现在市场上购买的自动干手器的控制电路大多使用555时基电路和数字集成电路,由于采用电阻、电容等分立元件较多,电磁干扰较强,工作不稳定,本设计采用单片机进行电路控制,克服了以上缺点。
在这个论文设计中,有在学校所学,也有网上搜索的参考文献,但对我帮助最大的是指导老师对我的指导。
所以在此感谢我的指导老师:
王玉娟老师,在我写这篇论文时,王玉娟老师给我很大帮助,并多次帮我找出论文中的错误,使我的论文能正确简洁地写出来。
参考文献
1.何小艇,电子系统设计,浙江大学出版社,2001年6月
2.姚福安,电子电路设计与实践,山东科学技术出版社,2001年10月
3.王澄非,电路与数字逻辑设计实践,东南大学出版社,1999年10月
4.李银华,电子线路设计指导,北京航空航天大学出版社,2005年6月
5.康华光,电子技术基础,高教出版社,2003
6.李银华电子线路设计指导北京航天航空大学出版社2005.6
7.谢自美电子线路设计·实验·测试华中科技大学出版社2003年10月
8.陈梓城实用电子线路设计与调试中国电力出版社2006年6月
9.长沙航空职业技术学院,2007
10.MCS-51单片机应用设计,哈尔滨工业大学出版社
附录一元件清单
元件符号
特性与数量
型号
R1~R12
2K*3,300*1,10K*3,1K*2,1M*2
470*1(电阻,单位Ω)
1/4W碳膜电阻器E96系列
R14
470*1(单位Ω)
1W金属膜电阻器E96系列
R13
1.8M*2(电位器,单位Ω)
WS16-4普通单圈φ17mm支架卧式X
D,Z0.5W
C1~C16
22pF*2,0.1uF*6,0.01uF*2,
100uF*2,1uF*1,470uF*1,
10uF*2
陶瓷电容
误差(±20%)
C17~C18
2200uF*1,1F*1
电解电容
额定电压:
6.3~450V
D7,9
红外发光二极管*2
SE303
D5,6
红外接收二极管*2
PT0908-7C
Q2,3
三极管*2
S9014
T1
三极管*1
3DG130
D3
发光二极管*2
Scr系列
D2,4,10
二极管*6
IN4007
D1、8
二极管*2
S9013
U1
*1
LM567
S1,2
*2
10A、250V的电源开关
K1
*1
JRX-l3F型l2V直流继电器
B1
*1
15-25W的交流风扇电动机
T2
*1
220V~9V交流变压器
附录二工作原理
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 单片机 控制 自动 干手器