毕业设计论文智能商用淋浴器.docx
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毕业设计论文智能商用淋浴器
分类号TP23编号
商用节水淋浴器的设计与实现
Designandimplementationofthecommercialshower
(申请烟台大学学士学位论文)
申请学位:
工学学士学位
院系:
计算机
专业:
自动化
学生姓名:
王威
学号:
200825502129
指导老师郭卫平
2012年6月7日
烟台大学计算机学院
申请学士学位论文
商用淋浴器的设计与实现
申请人:
王威
导师:
郭卫平
2012年6月7日
烟台大学
烟台大学毕业论文(设计)任务书
院(系):
计算机学院
姓名
王威
学号
200825502129
毕业届别
2012
专业
自动化
毕业论文(设计)题目
商用淋浴器的设计与实现
指导教师
郭卫平
学历
硕士
职称
讲师
所学专业
控制理论与控制工程
具体要求(主要内容、基本要求、主要参考资料等):
设计的主要内容分为硬件和软件两大部分。
硬件包括单片机及周边电路、继电器、数码管、红外模块、流量计、热电阻电路、水位计、水泵等电路的调试,软件有VB界面编程、VB数据库(access)编程,keil开发环境的使用、下载工具STC-ISP的使用,比较关键的地方是单片机与上位机的RS232通信(RS232转USB)。
最后设计出商用淋浴器的模型来验证设计思路的正确性和技术的可靠性。
实现六大功能:
红外感应出水、剩余水量和已用水量显示、温度显示并可调、上位机控制(可控并实现普通消费及会员消费模式)、水温水量报警、自动上水。
参考资料:
《传感器与检测技术》王俊杰清华大学出版社
《单片机原理与接口技术》马淑华北京邮电大学出版社
《基于VB和SQL的数据库编程技术》刘志妩清华大学出版社
《VB与RS232串行通讯控制》范逸之中国青年出版社
进度安排:
在4月20日之前确定所有需要焊接的电路,将元件清单列出,并购置完毕。
确定所需要的模块,并购置完毕。
4月22之前焊接好单片机的晶振、电源、复位、下载电路,并将供电系统连接完毕。
并通过下载小程序(如IO赋值)检测工作是否正常
4月25之前测试好红外模块、继电器,微型水泵,并将这三部分进行联合测试。
4月26,找水池,连接水泵测试流量计。
方法是流量计串在水泵管道上,在示波器看水流与脉冲数量的对应关系。
4月27完成数码管显示功能的实现和报警电路搭建。
5月1之前完成双向串口通信的测试。
5月10号完成VB界面的编制,并实现对串口数据的操作。
5月20号之前完成ACCESS数据库的搭建和VB与数据库的接口编程。
之后完成系统总装并测试。
指导教师签字:
年月日
院(系)意见:
教学院长(主任)签字:
年月日
附注:
[摘要]我国是水资源缺乏国家,而且水资源以相当惊人的速度被污染和浪费。
如果节水从身边做起,对传统澡堂进行节水改造是一件相当有意义的事情。
本设计就是一个对旧式澡堂进行节水改造的自动化设备。
国内已经有过大量类似的实践,小部分澡堂已经进行了节水改造,但这方面的工作做得远远不够。
据网上调查,类似的智能淋浴系统(大部分为IC卡淋浴)售价昂贵,动辄几万元的改造费用让一些小的洗浴场所望而却步,我研究这个系统的目的就是探究以最精简的方式,实现智能节水,并且大幅降低改造费用。
另一方面,目前的设备(如烟大七餐澡堂)只注重节水,而忽略了智能,导致消费者的愉悦感很差,故意拖延洗浴时间。
而本设计采用不但采用红外感应出水,而且是实时流量显示,已用水量显示,温度可调,用电脑控制服务的启停及结账,为了更加凸显商用价值,在电脑端结账时分为普通客户结账和会员结账(会员信息在数据库,会员水价较便宜)。
技术上,服务端以C51单片机为核心,周边模块有电源模块、红外感应模块、流量计等,关键硬件电路均为自己焊制。
控制端采用VB编制服务界面,ACESS数据库存储会员信息。
[关键词]智能节水;淋浴器;acess数据库;RS232通信;VB编程;
Abstract:
Chinaisawater-lackingcountry.Andwaterresourcesarepollutedandwastedatanalarmingrate.Water-savingtransformationofthetraditionalbathhouseisameaningfulthing.Thisdesignisautomaticequipmentforsuchdesire.Therearealreadylargenumbersofsimilarpractices.Partofthetraditionalbathhousewasalreadytransformed,butitisnotenough.Accordingtoanonlinesurvey.SimilarIntelligentshowersystemisveryexpensive.Thehighcostisprohibitiveformanypeople.mypurposeistoexplorethemoststreamlinedwaytosolvetheproblem.Andsubstantiallyreducecosts.Ontheotherhand,thecurrentdeviceonlyfocusesonwater-saving,Ignoredintelligence.Thisleadsthepoorsenseoftheconsumer.Thisdesignuseinfraredsensorsanddisplayreal-timetraffic,waterconsumption.Temperatureadjustableanditusecomputertocontrolthestartandstopofthesystem.Inordertobecomeevenmoreprominentcommercialvalue,ithasthemodeofOrdinarycustomer’scheckoutandmembercheckoutbyusingDatabasetechnology.Technically,Server-sideuseC51SCMtobethecore.TherearePowersupplymodules,Infraredsensormodule,andFlowmeterandsoon.TheconsoleuseVBtoprogramserviceinterfaceandACCESSdatabasetostoremember-information.
Keywords:
smartwater-saving;shower;accessdatabase;RS232communication;VBprogram
1绪论
1.1本课题的研究意义及必要性
我国属于缺水国之列,人均淡水资源仅为世界人均量的1/4,居世界第109位。
中国已被列入全世界人均水资源13个贫水国家之一。
专家们警告:
“20年后中国将找不到可饮用的水资源”。
美国民间有影响的智囊机构—世界观察研究所发表的一份报告中称:
“由于中国城市地区和工业地区对水需求量迅速增大,中国将长期陷入缺水状况。
”中国的黄河在过去的10多年年年断流,其中1997年断流226天。
流经中国一些人口稠密集地区的淮河去年也断流了90天。
根据卫星拍摄的照片,数百个湖泊正在干涸,一些地方性的河流也在消失。
目前全国600多座城市中,有300多座城市缺水,其中严重缺水的有108个。
其中北京市的人均占有水量为全世界人均占有水量的1/13,连一些干旱的阿拉伯国家都不如。
如果节水从点滴做起,从身边做起,让我们把目光投向身边大大小小的澡堂,它们普遍的存在严重浪费水资源的现象,许多人觉得花钱买的,就不节约使用,开长流水,洗澡的时间一再拖延,殊不知,水是一种极其特殊的商品,节约水不但是经济层面的事情,更是一种社会责任。
虽然比起工业用水,这点水量可谓是九牛一毛但是积少成多,如果将全国的澡堂都进行节水改造,那节省的用水量也是相当客观的,想想西部的家庭取水困难,想想我们的国家即将面对的水资源困乏,对澡堂的节水改造是相当有意义的,对人们节水观念的培养也起到积极的作用。
我所设计的就是一种对旧式澡堂进行节水改造的自动化设备---商用智能淋浴器。
它的节水功能不但是因为采用了红外感应出水,而且对于每一个消费者而言,缴费后都拥有固定的用水量,洗澡过程中能实时地显示剩余水量,超量用水后蜂鸣器报警,并且显示超量信息,服务结束后按量收费。
一切手续在服务台的电脑上完成。
为了提高服务质量,该系统还有会员消费模式,从数据库中调出会员的余额等信息,发送到淋浴器直接进行消费,十分方便。
如果成功研制并推广,它必将造福于社会,对我国经济社会的可持续发展做出贡献。
1.2目前发展趋势及研究的主攻方向
对整个智能淋浴系统来说,国内已经有过大量类似的实践应用,一小部分澡堂已经进行了节水改造,但这方面的工作做得远远不够。
据网上调查,类似的智能淋浴系统(大部分为IC卡淋浴)售价昂贵,动辄几万元的改造费用让一些小的洗浴场所望而却步,我研究这个系统的目的就是探究以最精简的方式,实现智能节水,并且大幅降低改造费用。
另一方面,现有的很多节水淋浴系统,或者是只注重于节水(如七餐浴池的红外淋浴),而忽略了淋浴器的智能,导致了洗浴的愉悦感很差,消费者故意延长洗浴时间,对培养节水的意识并无太大的作用。
而我设计的这个系统,不但使用了红外感应出水,而且每个消费者缴费后有固定的用水量,超额消费后,要另外交钱。
多用多交,少用少交,实现有效节水,该淋浴器的智能还体现在洗浴中断不进行任何操作,只显示余额和超额信息,所有的操作均在PC界面完成,PC与淋浴器控制核心--单片机使用串口进行通信。
从单项技术来讲,该系统用到的技术,除了单片机晶振、下载口电路焊接、红外模块、调压模块焊接、流量计的使用,数码管显示、蜂鸣器报警电路,关键技术有三项:
PC与单片机的RS232串行口通信,VB控制界面编程、会员ACCESS数据库编程(包含VB与ACCESS数据库的接口程序设计)。
随着计算机技术尤其是单片微型机技术的发展,人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行检测和控制。
PC机具有强大的监控和管理功能,而单片机则具有快速及灵活的控制特点,通过PC机的RS-232串行接口与外部设备进行通信,是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。
因此如何实现PC机与单片机之间的通讯具有非常重要的意义。
当需要处理较复杂数据或需要对多个采集数据进行综合处理单片机的算术运算和逻辑运算能力显的不足,这时往往需要借助计算机系统。
将单片机采集的数据通过串行口传给PC机,由PC机高级语言或数据库语言进行处理,或者实现PC机对远程单片机进行控制。
因此,实现单片机与PC机之间的远程通信更具有实际意义。
使用VB语言是面向对象的编程语言,可以方便的设计出在window环境下友好的人机界面,通过调用AIP接口函数对串口数据的操作,用户可以轻点几下鼠标就能实现计算机控制。
ACCESS是微软开发的小型数据库,旨在强占数据库领域的低端市场,微软虽然强大,但非专业做数据库的公司,ACCESS的性能根本无法与ORACLE和DB2相媲美.但由于微软WINDOWS操作的普及,使得ACCESS和WINDOWS操作系统兼容的非常的好,稳定性极佳,通过许多加密技术后,安全性也有了提升,受到个人开发者甚至中小型企业的欢迎,牢牢的控制着数据库的低端市场.只要WINDOWS操作系统不被淘汰,ACCESS就会经久不衰的致霸数据库领域的低端市场,前途非常光明。
2系统分析
2.1系统的功能概述
图2.1系统部件图示
本设计比起已经出现的类似设备拥有六大特色:
1、红外感应出水,安全性好,在水加热的过程中和水温超限时不可出水。
2、实时显示水量(上位机显示已用水量,服务端显示剩余水量)且用户水量自主设置。
3、温度实时显示(上位机与服务端同时显示),且用水温度可自主设置。
4、水温上下限报警,水量下限报警。
5、上位机消费模式,上位机通过RS232通信可控制服务的启停,并且拥有会员信息数据库库,可在会员模式下结账。
6、自动上水功能。
通过两个浮球开关可检测水容器的水位,利用水泵补水。
作为一个节水的商用淋浴设备,我的设计目的突出三点一个是“节水”一个是“智能”,再就是“商用”。
上述特色中前两个体现了节水的理念,第三、第四和第六个特色体现了智能的理念,第五个特色体现了商用的理念。
系统的工作过程如下:
打开“淋浴器.exe”可执行文件,服务界面展开,在界面点击“开启服务”按钮,界面及中控台前后对比如图2.2及图2.3
图2.2点击“开启服务”按钮后界面对比
图2.3中控台在开启服务前后的对比(将已用水量初始化为2.00是调试需要)
此时系统在满足:
红外感应到障碍、水温适中(在设定温度上下5度范围内)、有剩余水量的三个条件后,普通继电器闭合、固态继电器输出端导通,水泵工作,可以出水。
图2.4感应到障碍并出水
服务过程中可以对水量和温度进行设定。
消费结束后点击“停止服务按钮”,弹出选择结账方式窗口,可以选择“普通用户结账”和“会员结账”两种方式。
普通用户结账,输入当前水价,弹出付款窗口,付款成功后,由管理员发送消息记录,点击“已收款”退出系统。
如图2.5。
图2.5普通用户结账界面
会员消费时,在选择结账方式界面选择“会员结账”,由客户提供的密码查询会员相关信息,输入会员水价,进行结账,结账后新的余额信息返存回数据库,管理员发送消息记录消费结束。
如图
图2.6会员付款查询界面
图2.7会员付款界面
付款结束后弹出“服务结束”对话框,退出系统。
图2.8服务结束对话框
在服务界面的首页也可以选择进行“会员信息管理”和“账单管理”,在会员信息管理界面可以实现对会员信息的增添、删除、修改、查询等基本操作;在账单管理界面可以查看所有账单,也可以只保留当月的账单。
图2.9会员信息管理界面
图2.10账单管理界面
系统硬件连接
系统的硬件大概包括三大部分:
上位机控制端、中控台、服务端。
上位机控制端为运行控制软件的微型计算机,中控台即单片机及其周边模块,上位机与中控台以RS232-USB的通信线连接。
服务端主要有流量计、红外模块、水位计、热电阻、加热器等功能构件和水泵、喷头、水池等淋浴设施。
系统连接示意图如下:
图2.11系统硬件连接示意图(红线为电源线,蓝色线为信号线)
2.2系统I/O分配情况
对于了解系统的结构及运行情况,清楚系统的IO分配情况至关重要,即外围的各个模块与单片机的连接方式,这一部分内容在系统代码工程文件的头文件IO.h中有详细解释。
单片机选用的是40引脚双列直插STC12C5A60S2。
热电阻使用一路AD,即SCLK/ADC7/P1.7。
流量计介入单片机使用计数器TO即CLKOUT0/INT/T0/P3.4引脚。
红外模块、指示灯等所定义的IO口名称如下(即自编的头文件):
sbitp1_0=P1^0;//外部中断0点亮(设定用水量按键)低电平点亮
sbitp1_1=P1^1;//外部中断1点亮(设定温度按键)
sbitp1_2=P1^2;//串行数据接受完成标志
sbitp1_3=P1^3;//串行数据发送完成标志
sbitp1_4=P1^4;//高水位灯
sbitp1_5=P1^5;//低水位灯
sbitp1_6=P1^6;//代码中不可直接使用P1^6
sbitjidianqi1=P3^6;//高电平接通
sbitjidianqi2=P3^7;//高电平接通
sbithongwai=P0^0;//红外模块信号线
sbitDIN=P0^1;//MAX7219串行数据输入
sbitCLK=P0^3;//MAX7219串行时钟
sbitLOAD=P0^2;//MAX7219显示数据锁存控制
sbitshuiwei_high=P0^4;//高水位测量
sbitshuiwei_low=P0^5;//低水位测量
sbitfengmingqi=P0^6;//蜂鸣器
sbitjidianqi3=P0^7;//水位控制继电器
//开发环境中自带头文件中没有包含的寄存器地址
sfrADC_CONTR=0XBC;//AD控制寄存器
sfrADC_RES=0XBD;//AD结果寄存器
sfrP1ASF=0X9D;//选择哪一路为AD其余为IO
sfrIPH=0XB7;
sfrBRT=0X9C;//独立波特率发生器
sfrAUXR=0X8E;//辅助寄存器
3系统硬件
3.1单片机最小系统板
3.11系统的控制核心---单片机
此次设计选用了51单片机系列中的高端型号STC12C5A60S2,是宏晶生产的高速、低功耗、抗干扰的以8051为CPU的新一代单片机。
其指令代码与传统的8051单片机完全兼容但是执行速度最高能快12倍。
而且它内部集成了2路PWM,8路高速10位AD,完全符合系统的设计要求,而且它的串行通信口有独立的波特率发生器,这就大大减小的系统的负担,可以更好地实现实时控制。
它的引脚分布如下:
图3.1单片机引脚图
与系统的相关的模块功能参数如下(主要是AD、串口、中断、定时器):
工作电压5.5V---3.5V(5V单片机)
工作频率:
0---35MHZ
每个I/O口的驱动电流可以达到20mA,但是整片不能超过120mA
无需专用的下载器,直接使用串行口配合ISP软件可以直接下载用户程序
共4个16位定时器,其中T0和T1与传统的8051完全兼容
两路外部触发中断,可以使用下降沿触发或者低电平触发中断
共有8路10位精度的AD转换,最高速度可达25万次/秒
通用全双工异步串行口(双串口)
3.12晶振电路及其原理、测试方法
这部分电路是整个控制系统的“脉搏”,单片机的机器周期就是晶振提供的。
它为系统提供基本的时钟信号。
各部分公用一个晶振信号以保持同步。
单片机的一切指令执行都是建立在这个基础之上的,晶振提供的频率越高,单片机运行的速度越快。
它的工作是否正常关乎着系统能不能正常工作,它有晶振和起振电容组成,起振电容的作用十分关键,不能大小的晶振要选择相应大小的晶振电容,但是选择的范围比较宽松。
本设计选择使用了11.0592MHZ的晶振和20PF的起振电容。
晶振的两只管脚分别连接单片机的18和19号脚。
图3.2晶振电路
使用时晶振片的引脚不能太长,而且要尽量靠近单片机,起振电容接地端要离单片机的接地引脚近一些,此外如果单片机底座引线过长也会影响晶振起振。
晶振电路的原理是:
单片机的内部有个高增益的反向放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器,并产生震荡时钟,简单说就是利用了正反馈的原理。
测试晶振有没有正常运行的方法除了用示波器之外,更加便捷的方法是,用万用表测量晶振的两个引脚的电压是不是芯片工作电压的一半,如5v单片机的晶振引脚电压是不是2.5V左右。
如果用镊子触碰另外一个引脚,电压有明显变化的话,此时晶振是起振状态。
3.13系统供电及稳压电路
单片机工作需要稳定的5V电压,干电池或普通的蓄电池不能满足需求,系统的一些功能部件一般都是需要5V或者更高的电压,另一个方面负载过大的话(如系统中有电机等功耗较大的部件时),干电池和蓄电池都显得力不从心,电压下降太多的话,会导致单片机低电压复位,系统无法正常工作。
需要供电的部件如下:
单片机5V
数码管5V
继电器15V
继电器25V
固态继电器12V
红外模块5V
流量计5V
AD分压电路、蜂鸣器、指示灯电路、MAX232电路都需要5V电压。
系统供电的解决方案是采用直流稳压电源,将交流电整流再稳压提供12V的电压,这样的直流电带负载能力要远比干电池或者蓄电池更好。
12V电压经过7805稳压芯片,为系统各个部件提供稳定的5V电压。
实际上系统采用了两个直流稳压电源,因为经过测试之后,单个电源提供给整个系统的5V电压,如果再用它的12V给固态继电器提供导通电压会导致负载过大,固态继电器不能正常导通。
固态继电器的导通虽然宽泛,3—32V,但是经过测试之后发现单片机的I/O口5V无论加不加上拉电路都是不能驱动的,只有外接单独的12V才能使其输出端导通。
这样固态继电器控制水泵,就要通过另外一个普通继电器控制其输入端12V的通断才能间接的控制水泵。
由于需要提供的5V电压接口太多,为了电压更加稳定,系统采用了3片7805来提供5V电压。
7805供电电路示意图如图3.5,12V电压示意图如3.6。
系统供电的示意图如下:
图3.3系统供电示意图
3.14指示灯电路及其测试
指示灯在系统代码调试、状态指示、判断是否正常工作等方面的作用是不言而喻的,系统使用单片机的P1口作为指示灯的I0.需要注意的是在KEIL编程环境里不能使用P1^1的用法,要在头文件中定义为P1_1或者其它名称。
Stc12c5a60s2单片机每个IO口的驱动能力达到了20mA,但是整块板子的驱动能力不超过120mA,P1口没有内部上拉电路,所以要外接上拉电阻,以增强驱动能力,降低单片机的功耗。
系统总共用到了共接了7个指示灯,运行时用到了4个,调试程序的时候起到了非常大的作用。
电路图如下:
图3.4指示灯电路
如上图,在程序运行的时候,给单片机P1口复位为高电平,指示灯全灭,程序运行时,根据需要将相应I/O口置零或者置1,让指示灯亮或灭。
系统设计时,用到了4个指示灯,P1.0是外部中断0的(调水量按钮)指示灯,P1.1是外部中断1(调温度)的指示灯,P1.2是串行数据接受完成标志位,P1.3是串行数据发送完成标志位。
在电路焊接时,对这部分电路进行测试的方法比较简单,就给相应的I/O口赋值观察灯亮或者灭就可以,测试代码如下:
main()
{
unsignedcharLED;
LED=0xfe;
P1=LED;
while
(1)
{
delayms(250);//延时函数
LED=_crol_(LED,1);//循环右移1位,点亮下一个LED此函数位库函数
P1=LED;
}
}
程序下载之后,如果电路焊接正确的话P1口所接的指示灯会有跑马灯的效果。
图3.57805芯片12V—5V稳压电路
图3.6直流电源电路图
3.15复位电路
本设计单片机采用上电复位的方式,STC12C5A60S2的复位引脚在9号引脚,即RST/P4.7引脚,采用这样的设计后,单片机在上电的同时复位,其优势在于方便快捷,实现起来很简单,虽然比起按键复位有缺点,但也基本满足了系统需求,其电
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