卫生间照明,换气自动控制器电路的设计论文.doc

毕 业 论 文（设 计）卫生间照明、换气自动控制器电路的设计姓 名 shannon 学 号 1011121202 所在学院 理 学 院 专业班级 2010级信科1班 指导教师 徐老师 日 期 2014年5月30日 摘 要通过光敏电阻对光强的感光作用，判断是白天还是黑夜，将该信号通过比较器，变成数字信号，输入到单片机中；通过红外传感器来判断是否有人，在光敏信号为低（黑夜）的情况下，如果红外传感器的信号为有效（即有人），控制MOS管导通的引脚为高，MOS管导通，连接在继电器上的12V电压连通，继电器的闭合，220V电压加载在照明灯上，照明灯变亮。通过气体检测传感器检测测试的气味，如果测试的气味浓度超过一定值时，单片机检测到高电平，控制MOS导通的引脚为高，MOS管导通，连接在继电器上的12V电压连通，继电器的闭合，220V电压加载在风扇上，风扇排气。关键字：单片机；红外传感器；气味传感器；继电器IAbstractThrough photoresistor photographic effects of light intensity, judging day or night, the signal passes comparator, into a digital signal,inputing to the microcontroller; through infrared sensors to determine whether someone in the photosensitive signal is low ( night ) of case, if the signal is effective infrared sensor ( ie people ), MOS conduction control pin is high, MOS tube conduction, connected to the 12V voltage relay communication relay closed, 220V voltage lighting loads in, the lights brighten.Detected by the gas detection sensor test odor, odor concentrations tested if more than a certain value, the microcontroller detects a high level, MOS conduction control pin is high,MOS tube is turned on, connected to the communication relay 12V voltage, relay closure, 220V voltage load on the fan, the fan exhaust.Keywords: Single chip microcomputer ;Infrared sensor;Gas sensor;Relay30目录摘要Abstract第一章绪论11.1 课题背景11.2 卫生间自动照明和排气系统的现状及其发展方向11.3 课题的研究目的及意义21.4设计的主要内容2第二章方案设计42.1 设计要求及功能介绍42.2 系统方案设计42.2.1信号检测模块42.2.2 信号处理及控制模块62.2.3 信号响应模块72.3 本章小结7第三章硬件设计83.1 系统整体方案设计83.2 电源模块设计83.3 单片机最小系统设计93.3.1 时钟电路103.3.2 复位电路103.3.3程序烧录接口113.4 信号采集模块123.4.1 日光强度检测123.4.2 红外传感器133.4.3 气味传感器133.5 控制模块143.5.1 照明灯的控制143.5.2 风扇的控制143.6 本章小结15第四章软件设计154.1 系统软件整体流程154.2系统监控主程序模块154.3系统自检初始化164.4定时中断处理设计16第五章系统调试175.1 硬件调试175.1.1 硬件调试方法及步骤175.1.2 硬件调试细节及遇到的问题185.2 软件调试19第六章设计总结20致谢22参考文献23附录124附录226湖北工业大学理学院2014届毕业设计（论文）第一章 绪论1.1 课题背景科学技术的快速发展，提高了人们的生活水平，带来的却是资源的匮乏以及环境的恶化。人类社会的发展高度依赖于资源的开发与利用，资源匮乏已成为全世界所面临的严峻问题，在我国，而能源问题显得更为严重。为了能及时地将卫生间内的异味排出，很多家庭都装了换气扇，但一些来客或小孩常常忘记打开换气扇和照明。7为了解决这个问题，设计了一种能自动控制换气扇和照明灯的电子装置，这样不给上卫生间的人增添任何麻烦，又能自动换气和开、关灯，节能而方便。1.2 卫生间自动照明和排气系统的现状及其发展方向自然界三大能源的总储备量是一定的，在经济飞速发展的今天，三大能源的储备量正在日益下降，除了要世界性的节约能源外。积极需找新型能源也迫在眉睫。在能源的利用方面丹麦处于世界一流水平，无论是节能设备的开发，还是推广都很成功，其经验为世界各其他国家提供了很好的借鉴。自1974年以来，尽管丹麦国民收入增加了百分之五十，而总的能源消费量并没有增加。丹麦是OECD成员国中国民收入与能源消耗量之比最小的国家。他们不断地开发一些节能供热系统，如丹麦热电周供热电厂等等。在丹麦节能这个词已经深入了人们的内心，节能装置随处可见。而且，能源的利用率方面他们也很重视。因此，他们能源使用总效率值达到了百分之九十。丹麦居民住房用电节能装置在他们搬入新建住房时就已经被安装，提前设立了的诸多要求，对不符合节能要求的新建房屋将不被看中。数据显示，丹麦居民宁愿多支付百分之八的费用购买入住有节能设施的房子，也不去考虑相对比较便宜的没有节能方案的房屋。欧盟很多国际都学习借鉴了丹麦在节能项目经验。并且，欧司朗公司在照明设备发面不断有新型高输出效率的照明设备涌现，新型设备相较之前的产品不但节约系统功率，还提升了光通量和平均光通量。以上种种，皆表明能源问题已经被越来越多国家所重视，各国都在致力于对能源的合理运用与开发，提高能源的利用率，来节约能源。在我国，自从改革开放以来，国民经济持续多年的稳步发展，伴随着经济增上也造成了环境的破坏与资源的浪费，由于对能源的不合理运用，设备的简陋使得如煤炭之类的能源得不到充分燃烧，一氧化碳等不完全燃烧物的排放，造成酸雨，土地酸化，臭氧空洞等严重后果，自然灾害频繁，不利于未来的可持续发展。目前能源问题已经成为我国经济发展的强大阻力。虽然在能源总储量方面我们处于领先地位不低，但由于我国的社会主义国家，所以在人均储量我国则不尽人如意，单位产值的能耗是发达国家的3-10倍。能从粗多角度出发，能源问题也是我国长期可持续发展战略中一个关键因素。当能源不能满足人们的日常用度时，工厂停产，工人待业，经济发展受到抵制，还会引起社会的动荡，不利于国家的长治久安。为了提倡节能意识，绿色照明工程渐渐的走进了人们的视线，他是以绿色环保节能为理念的希望工程。其目标是在未来的五年内，向广大群众推广节能灯大约1.5亿只节能灯，电能节约290亿度。有些地方为了推广节能灯，人们在购买节能等的同时，将会的到一定的经济补贴，这样就带动了群众节能的积极性，有助于节能灯的普遍推广。以前的油灯在到后来的白炽灯，最终到现在的高效节能灯，中国见证里照明设备的日新月异的变化。现在，现在人们再也不拘泥于仅仅是为了照明，更重要的是为了我们的国家能过发展的更快，更稳，我们应该从节能入手，改善我们的生活质量。从用电量来看，数据显示照明设别上的用电量大约占总用电量的五分之一，其比重不小，考虑到我国人口众多，不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海，若以高效的节能灯来代替普通的白炽灯，其节约的电能可想而知，数字十分可观，大约可以节约电能60%-80%。政府已经在学校、医院、商厦等更换了24万只节能灯。通过对国内外能源状况的分析无处不透露“节能”这两个字，所以设计一种能自动控制换气扇和照明灯的电子装置是非常有意义的。1.3 课题的研究目的及意义目前我国生产的换气扇大都没有定时装置，为了能及时地将卫生间内的异味排出，很多家庭都装了换气扇。但一些来客或小孩常常忘记打开换气扇，即使打开了，使用完换气扇后，往往忘记关，有时甚至到下次使用时才发现，白白浪费电能，也影响换气扇的寿命。在夜间，上厕所对于小孩来说是一件困难的事情，因为他们对于找到照明灯的开关是一件困难的事情。为了解决上述问题，设计了一种能自动控制换气扇和照明灯的电子装置，根据排污量的多少选择定时长短，就能克服上面的不足，这样不给上卫生间的人增添任何麻烦，又能自动换气和开、关灯，节能而方便。通过这次的课题研究我希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高我们的动手能力，创新意识，及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。同时我也希望这次的研究能让我进一步地了解卫生间照明、换气自动控制器系统，而不是仅局限与课本知识以内。从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，从而实现课堂外的又一次提高,为现代教育科学尽一份力量！1.4设计的主要内容设计出卫生间照明、换气自动控制器电路。要求：在夜间，当有人进入卫生间时，控制照明灯亮，换气扇开始换气，人离开卫生间时，照明灯灭，换气扇继续工作30-60秒后关闭。用Protel等软件设计电路原理图（SCH）、电路板（PCB）。写出必要的C语言或汇编程序，并调试通过，程序和硬件能正确的运行结果。如有条件，要求做出实际产品，如无条件则要求用软件仿真。本课题的研究内容有以下几点：（1）单片机系统设计；（2）光强检测方案设计；（3）人员检测方案设计；（4）气味检测方案设计；（5）照明灯和风扇控制方案研究；本设计方案需要解决如下关键性问题：(1)环境光检测参数输入和采集问题；(2)人体红外传感器的参数输入和采集问题；(3)开灯及关灯的自动与手动相兼容的措施；(4)照明灯及风扇与传感器的配合安装问题；第二章 方案设计2.1 设计要求及功能介绍本文以单片机STC89LE516RD+作为系统控制的核心，设计一个能够自动照明和排气的自动控制系统。采用热释红外人体传感器作为人体红外感应模块，检测人体的存在，采用光敏电阻作为光源检测模块构成的电路检测环境光的强度，然后根据卫生间合理开灯的条件，通过对人体存在信号和环境光信号的识别与判断，最后通过单片机STC89LE516RD+完成对卫生间灯光的智能控制。采用气味传感器检测卫生间气味浓度，当浓度超过某阈值时，通过单片机STC89LE516RD+完成对卫生间风扇的自动控制，实现自动排气功能3。2.2 系统方案设计根据该课题设计要求，设计分为信号检测，信号处理及控制和信号响应三部分。其总体设计框图如2.1所示。本系统的核心主体是单片机最小系统，还包括：光敏元件、红外传感器（模拟开关代替）、气味传感器（模拟开关代替）、继电器、风扇（继电器弹片发出响声）、照明灯（继电器弹片发出响声）、电源模块5 。系统的具体设计见第三章。图2.1 系统的整体框架图2.2.1信号检测模块2.2.1.1 光强信号检测本设计中日光强度检测器件使用的光敏传感器为光敏电阻GL5516，光敏电阻GL5516是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小；当受到光照时，半导体材料电导率增加，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高、光谱响应范围宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。所以选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，于是，就把对光照信号的处理转化为对电压信号V的处理19。光敏电阻GL5516的光照特性如图2.2所示。在外加电压为5V的情况下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。在光照较强时，流过光敏电阻GL5516的电流较大，此时电阻较小；在光照较弱时，流过光敏电阻GL5516的电流较小，此时电阻较大20。可以将其串联一个电阻，将其连接到地，通过检测GL5516两端的电压差，实现对光强信号的检测。具体实现见3.4.1。图2.2 光敏电阻GL5516的光照特性2.2.1.2 人体信号检测本设计采用的人体信号检测器件为双元热释电红外传感器RE200B。该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。本设计所用的红外传感器就采用这种双探测元的结构。其工作电路原理及设计电路如图2.3所示, 利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平20。图2.3 红外传感器RE200B内部电路原理图2.2.1.3 气味信号检测本设计中检测气味浓度的器件使用的是气体传感器MQ135。MQ135气体传感器所使用的材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在污染气体时,传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高,对烟雾和其它有害的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体,是一款适合多种应用的低成本传感器4。图2.4是传感器典型的灵敏度特性曲线图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro 表示传感器在100ppm 氨气中的电阻值。从表中可以得出：随着气体浓度的增加气体传感器MQ135的电阻会降低。根据气体传感器MQ135的这个特性，可以通过检测其电阻值，进而粗略得到卫生间其他浓度。利用这个原理，可以将该气体传感器串联一个电阻到地。将电阻端的电压作为比较器LM339的输入电压，设置适当的参考电压（即卫生间气体浓度阈值），当输入的电压大于参考电压（浓度大于浓度阈值）时，比较器LM339输出高电平（高电平有效）15。单片机通过检测LM339是为高电平，则气体浓度超过了阈值浓度。2.2.2 信号处理及控制模块本系统信号处理和控制模式使用的是单片机STC89LE516RD+，该单片机具有带ISP功能的Flash EPROM的低功耗微控制器，可用于固件升级2。它的指令集同标准的8051指令集完全兼容。STC89LE516RD+包含64K字节的Flash存储器；1280字节片内RAM；四个8位双向、可以位寻址的I/O口；一个附件的4位I/O口P4；2个16位定时/计数器及一个串口。为了方便用户进行编程和验证，STC89LE516RD+内含的存储器允许电编程和点续写，通过串口进行烧写。0信号处理及控制信号输出的主要过程为：单片机STC89LE516RD+通过检测连接相应信号引脚的电平来得到相应的信号。对于照明灯相关信号的处理过程，当检测到光强信号和人体信号同时有效时，将控制照明灯的引脚置为高电平（高有效）；当光强信号和人体信号两个都无效或者其中一个无效时，将控制照明灯的引脚置为低电平。对于风扇相关信号的处理过程，当检测到气味信号有效时，将控制风扇的引脚置为高电平（高有效），此时单片机STC89LE516RD+的定时器开始计时，当计时器的时间为60s后，将控制风扇的引脚置为低电平8。2.2.3 信号响应模块本设计是用单片机控制继电器达到以弱电控强电的电路，下面再来介绍一下单片机和强电之间的桥梁：电磁继电器。电磁继电器是有触点电继电器是有触点电继电器的一种。它是利用电磁效应实现电路开、关控制作用的原件，广泛应用在电子设备、仪器仪表及自动化设备中。在各种自动设备中，都要求用一个低电压电路控制一个高电压的电器电路。这样不仅可以为电子线路和电器电路提供良好的电隔离，还可以保护电子电路和人员安全。2.3 本章小结本章介绍了卫生间自动照明和排气系统的工作原理及其硬件组成，分别从系统原理图，主要的芯片，系统的工作流程图、各模块工作原理和系统程序调试来阐述，给出卫生间自动照明和排气系统具体的设计方案。卫生间自动照明和排气系统可实现实际的卫生间灯光人性化智能控制和卫生间排气风扇人性化的自动控制，输入参数主要是环境光信号、人体存在信号以及卫生间气味浓度。第三章 硬件设计3.1 系统整体方案设计本设计以STC89LE516RD+作为控制核心，采用热释红外人体传感器作为人体红外感应模块RE200B来检测是否有人体的存在，采用光敏电阻构成的电路作为光源检测模块构成的电路检测环境光的强弱程度，采用气体传感器MQ135来检测卫生间气味情况；通过控制MOS管导通情况，进而控制继电器的开闭情况，最好实现对照明灯和风扇的控制。在本节中将详细介绍具体的硬件电路实现。3.2 电源模块设计在本系统的设计中，所需要的电压为：12V、5V、3.3V。即控制继电器正常耦合和断开需要的电压为12V、串口芯片Max232的电源电压为5V、单片机工作电压为3.3V。为了让本系统能够在现实中更实用，电源的输入选择为市电，及220V交流电压。系统中最大的直流稳压电源使用的是12V，首先需将220V的交流市电经过变压、整流、滤波和稳压后转换成12V直流电压，供给整个控制系统的输入端，12V电源输入后经过电源芯片LM2596-5将12V电压转换为5V电压，5V电压经过电源芯片LM1117-3.3将5V电压转换成稳定的3.3V电压。其所对应的框图如图所示，以下就对各部分加以介绍。图 3.1电源设计框图输入端输入的电压为220V的交流电压，此时需要通过220V17V的变压器对输入电压降压，降压得到的输输出电源为17V，通过整流桥对17V的交流电压进行整流，将交流电源转换成直流电压，此整流电路可以通过4个二极管即可实现。由于整流之后的直流电中均含有较大的交流分量，这样将会对负载电路的造成一定的冲击，需通过电容滤波电路滤波，将输出的直流电趋于平滑。在理想情况下，交流分量应当全部滤除，使输出的电压就为稳定的12V直流电压。变压整流滤波的电路图如图所示22。将12V直流电压转换成5V直流电压的电路图如图所示。使用的电源芯片是ADI公司的LM2596-521。图3.2 12V转5V的电路原理图将5V直流电压转换成3.3V直流电压的电路图如图所示。使用的电源芯片是ADI公司的LM1117-3.3。图3.3 5V转3.3V的电路原理图3.3 单片机最小系统设计单片机最小系统分为四个部分：单片机、晶振电路、复位电路。1.晶振，至于大小由你单片机时钟周期要求而决定（用于计时，与两个电容并联使用，电容大小由你的晶振决定，一般用22pF）2.复位电路（用于复位）3.电源（用于供电，一般用电脑的USB口供电）4.烧制程序的口（可用串口配合MAX232配合使用，也可以做个并口输入，这个要根据你使用单片机的种类决定，比如ATC可用并口，STC一般只用串口输入等等）0图3.4 单片机电路3.3.1 时钟电路单片机的时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供时钟，单片机中各功能部件的运行都是以时钟频率为基准。如果运行时钟为0，单片机就不工作，当然超过单片机的工作频率的时钟也会导致单片机不工作。STC89LE516RD+的时钟频率范围为0到80MHz，本系统中使用的时钟为20MH16，如电路图3.5所示。图3.5 时钟电路原理图3.3.2 复位电路系统的复位电路是将核心控制芯片回到默认的硬件状态下，即将单片机的片内电路初始化，使得单片机能够从一种确定的默认状态下开始运行，它是每个微机系统必须执行的第一步。单片机STC89LE516RD+的复位是通过外部的复位电路来实现的，其复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中。复位电路原理图如所示，在VCC上电瞬间，电容器C2随之充电，在电阻R1上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒之后，电容器C2充满，通过电阻R2上的电流将降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下按钮SW1，电容器C2放电，松开按键按钮，电容器C2又开始充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒之后，单片机进入工作状态。图3.6 复位电路原理图3.3.3程序烧录接口1.名词解释：OTP：一次性可编程（One Times Program：只能烧录一次程序）；FLASH芯片：可反复擦除烧录程序的芯片;掩膜：即MASK，就是MCU在出厂的时候程序已经固化到里面去了，不能再写程序进去。编程芯片：将程序烧录进空白芯片里则叫编程芯片。所有FLASH芯片都是编程芯片。 全双工串口：在发数据的同时也能收数据，毫无影响的串口。中断：中断就是有一个硬件事件产生，引起CPU从原来的程序中断，去执行另外一段程序，然后返回。现场保护：在另外一段程序运行时，需要进行现场的保护，以不影响原程序的运行。2、芯片的烧录方式：目前芯片烧录主要有联机和脱机两种烧录方式（1）脱机烧录是指在烧录芯片时不需要使用电脑，只需将代码程序事先烧录进一个EPROM芯片里，然后把这个写好程序的芯片作为母片，（等同于样片吗？)再通过专用的烧录设备将母片里的程序复制到我们要烧录的空白芯片里以完成程序的烧录工作13。（2） 联机烧录是指在烧录芯片时先在电脑中打开此芯片所对应的烧录软件，然后把要烧录的程序载入到烧录软件的BUFFER区内，最后通过编程器将BUFFER区内的程序复制到要烧录的空白芯片里以完成程序的烧录工作11。图3.7 串口原理图3.4 信号采集模块3.4.1 日光强度检测采用集成电压比较器LM339作为信号处理的核心元件，电路连接如图所示。LM339比较器中的参考电压为：Vf= 3.9*5/(1.5+3.9)，光敏电阻输入到比较器中的电压为：Vin= 1*5/(1+Rgl)，当Vin大于Vf时，Lm339输出高电压，LM339中的该输出引脚是连接在单片机中的P1.2引脚，单片机会接收到高电平，当Vin小于Vf时，Lm339输出低电压，单片机的P1.2会接收到低电平。这样就实现了日光强度的检测。图3.8 光敏电阻的电路原理图3.4.2 红外传感器热释电红外传感器RE200B的主要工作参数有工作电压(常用的热释电红外传感器工作电压范围为315V)、工作波长(通常为7.514m)、输出信号电压(通常大于2.0V)。在本设计中，RE200B的工作电源为5V，输出信号电压大于2V，所以R2/(R1+R2)2/5，即2R23R1，选择R1的阻值为2K，R2的阻值为1K，这样比较器的参考电压为：5*R2/(R1+R2) = 5*1/(1+2) = 1.67K。图3.9 红外传感器电路原理图红外传感器部分的工作原理：当有人进入到红外传感器的检测范围之内时，红外传感器RE200B输出高电平（大于2V），该高电平大于比较器LM339的参考电压，比较器的输出out为高电平，有人信号有效；当没有人在红外传感器的检测范围之内时，红外传感器RE200B输出低电平（低于1V），该高电平小于比较器LM339的参考电压，比较器的输出out为低电平，有人信号无效。3.4.3 气味传感器气味传感器部分的工作原理：随着卫生间气体浓度的增加到一定程度时，比较器LM339的输入电压大于参考电压时，比较器会输出一个高电平，这时，气味信号有效，其气味传感器工作电路如图3.10。图3.10 气味传感器电路原理图3.5 控制模块继电器是整个系统的强弱电的中间体，其驱动电路如图3.11所示，这里由MOS芯片FDS9926A来驱动继电器。图3.11 控制模块电路原理图3.5.1 照明灯的控制在系统开机时，单片机的RESET信号将STC89LE516RD+单片机初始化，P1.6管脚是低电平，FDS9926A内部的MOS管处于截止状态，因此开机之后继电器始终处于常开状态，照明灯熄灭。只有当光敏电阻检测到日光强度较弱或者处于黑暗，并且人体红外传感器检测到有人体存在信号时，单片机的P1.6管脚将输出高电平，此时FDS9926A内部的MOS管处于导通状态，12V电压加载到继电器线圈的两端，继电器吸合，继电器的常开触点闭合，从而使负载得以驱动，点亮照明灯。当人体离开检测位置后，单片机的P1.6管脚将输出低电平，此时FDS9926A内部的MOS管处于截止状态，继电器线圈的两端的电源为0，继电器断开，继电器的常开触点释放，照明灯熄灭18。3.5.2 风扇的控制在系统开机时，单片机的RESET信号将STC89LE516RD+单片机初始化，P1.7管脚是低电平，FDS9926A内部的MOS管处于截止状态，因此开机之后继电器始终处于常开状态，风扇没有转动。只有当气味传感器检测到气味时，单片机的P1.7管脚将输出高电平，此时FDS9926A内部的MOS管处于导通状态，12V电压加载到继电器线圈的两端，继电器吸合，继电器的常开触点闭合，从而使负载得以驱动，风扇转动，开始排气14 。3.6 本章小结本章主要介绍了本次设计中的硬件部分。包括：系统整体设计方案以STC89LE516RD+作为整个硬件部分的控制核心；电源模块设计，各元器件所需电压以及电压的转换；单片机的内部构造电路图；程序的烧录方式方法；以及信号的采集与与照明灯、风扇的的控制。第四章 软件设计4.1 系统软件整体流程本系统流程图中的气味信号和有人信号采用模拟实现，也就是用开关形式假设有人在上卫生间或者有一些气体（氨气等）产生，风扇和照明灯才进行工作，实际硬件是没有气味传感器和红外传感器的，其系统软件整体流程如图4.117。图4.1系统软件整体流程4.2系统监控主程序模块系统的监控观测程序按模块可分成中断子程序和监控观测主程序。照明灯光自动控制的整个系统的核心就是监控观测主程序，通过人体红外传感器反馈给单片机的信息由用户编写好的程序进行判断，最终将显示的结果在LCD1602液晶显示屏中显示出来。4.3系统自检初始化为了保证整个控制系统能够正常运行，系统的自检初始化是很必要的条件。系统在加电复位以后，就进入了自检初始化程序，从而系统的自检初始化被完成。初始化主要对一些数据区、控制寄存器和外部芯片进行初始的参数设置以及定义。在本系统中主要指的是系统内部寄存器的初始化、各接口芯片的检测及芯片内部设定参数的初始化。检测各接口芯片主要是对各芯片是否已经准备就绪的检测，在无硬件方面是否存在故障等。如果时钟芯片正处于启动的状态，就需要对时钟芯片进行初始化并且启动实时时钟。系统内部寄存器初始化一般指的是在数据缓冲区之内，部分特殊功能寄存器SFR的复位初始化和各用户定义的数据变量的初始化赋值，当单片机复位之后，计数器PC就会指向程序存储器的入口地址，程序状态字寄存器PSW被清零，片内存储器选择工作寄存器，用户的标志位F0是0状态，堆栈指针SP指向07H,其它中断允许寄存器IE、定时器,累加器ACC等等都是00H。4.4定时中断处理设计定时中断是在用单片机内部定时器定时，计数值已满或是时间到而引起的中断，内部定时器的计数器可以对从外部引线T0和T1输入的外部脉冲或内部时钟进行计数。计数器的溢出的信号就会引起中断，去置位定时器溢出的标志位，向单片机CPU申请中断。定时中断是周期性的中断，每过一定的时间要中断一次。这个系统里设定的定时中断主要是用来构造多任务的操作系统，响应中断之后，无必要对断点进行现场的保护，可以直接进入多任务时间划分的工作，使得相应的操作任务准备就绪10。第五章 系统调试基于单片机的开发过程中，硬件和软件设计都要做到准确无误，所以系统的调试是单片机系统设计中非常重要的部分而且工作量还比较大。调试是否成功直接关系到整个系统运行的可行性。调试通常是先排除明显的硬件故障后，在和软件结合起来调试以进一步排除故障。5.1 硬件调试5.1.1 硬件调试方法及步骤硬件调试方法主要分为分块调试和整体调试。但不论采用分块调试，还是整体调试，通常电子电路的调试步骤如下：1.检查电路任何组装好的电子电路，在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否有错误。对照电路图，按一定的顺序逐级对应检查。特别要注意检查电源是否接错，电源与地是否有短路，二极管方向和电解电容的极性是否接反，集成电路和晶体管的引脚是否接错，轻轻拔一拔元器件，观察焊点是否牢固等。2通电观察一定要调试好所需要的电源电压数值，并确定电路板电源端无短路现象后，才能给电路接通电源。电源一经接通，不要急于用仪器观测波形和数据，而是要观察是否有异常现象，如冒烟、异常气味、放电的声光、元器件发烫等。如果有，不要惊慌失措，而应立即关断电源，待排除故障后方可重新接通电源。然后，再测量每个集成块的电源引脚电压是否正常，以确信集成电路是否已通电工作。3静态调试先不加输入信号，测量各级直流工作电压和电流是否正常。直流电压的测试非常方便，可直接测量。而电流的测量就不太方便，通常采用两种方法来测量。若电路在印制电路板上留有测试用的中断点，可串连电流表直接测量出电流的数值，然后再用焊锡连接好。若没有测试孔，则可测量直流电压，再根据电阻值大小计算出直流电流。一般对晶体管和集成电路进行静态工作点调试。4动态调试加上输入信号，观测电路输出信号是否符合要求。也就是调整电路的交流通路元件，如电容、电感等，使电路相关点的交流信号的波形、幅度、频率等参数达到设计要求。若输入信号为周期性的变化信号，可用示波器观测输出信号。当采用分块调试时，除输入级采用外加输入信号外，其他各级的输入信号应采用前输出信号。对于模拟电路，观测输出波形是否符合要求。对于数字电路，观测输出信号波形、幅值、脉冲宽度、相位及动态逻辑关系是否符合要求。在数字电路调试中，常常希望让电路状态发生一次性变化，而不是周期性的变化。因此，输入信号为开关信号，用以观察电路状态变化的逻辑关系。5指标测试电子电路经静态和动态调试正常之后，便可对课题要求的技术指标进行测量。测试并记录测试数据，对测试数据进行分析，最后得出测试结论，以确定电路的技术指标是否符合设计要求。如有不符，则应仔细检查问题所在，一般是对某些元件参数加以调整和改变。若仍达不到要求，则应对某部分电路进行修改，甚至要对整个电路重新加以修改。因此，要求在设计的全过程中，要认真、细致，考虑问题要更周全。尽管如此，出现局部返工也是难免的12。5.1.2 硬件调试细节及遇到的问题本系统调试主要分为四个部分来进行，即电源模块，单片机最小系统，信号检测模块和控制模块。电源模块的调试也需要逐级进行，首先调试的是降压整形部分的电路，确定变压器输出的电压峰峰值为V，如果不是这个值，需要更换变压器，接着测试整流滤波后的电压值是否为12V；在确定整流滤波输出电压为12V后，再调试的是LM2596-5的输出，LM2596-5输出的电压值为5V ；将5V电压作为LM1117-3.3的输入电压，输出电源应该为3.3V。单片机系统正常工作的保证是振荡器正常起振。如果振荡器不起振，系统将不能工作；假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差。本系统中使用的是有源晶振，如果不能正常起振，一般都是晶振有问题，换一个就好了。信号检测模块和控制模块只有在前面两个模块都正常工作后才能进行，这两个模块的测试采用的方法是动态测试，即给他们一个有效的信号，检测相应的响应信号。在该系统制作调试过程中，曾遇到以下问题：（1）电源供电电路里集成稳压器LM2596-5温度太高。其中一个原因是：变压器整流滤波之后加到集成稳压器输入端的电压比较高，使得LM2596-5上的压降过大。这个问题可通过使用输出电源低些的变压器来解决，或是在集成稳压器前面串联两只二极管来降压，同时还可以增大散热片。（2）传感器当有人存在的时候输出高电平电压比较低。这种现象会让单片机产生误判，可能采集不到理想的信号，因此系统在人体存在传感器输出端口加入了一个100千欧的上拉电阻。（3）当卫生间内的人超过十秒没有活动时，人体传感器就不会有输出信号，那么应该如何判定现在卫生间内是不是有人呢？这个问题在系统软件设计的时候，把有人体存在时的状态保持34min然后继续采集信号，加以处理。（4）单片机控制信号的输出后，继电器没有按照预定设计产生相应的动作。单片机输出控制信号，在控制继电器的时候，必须加入MOS管驱动，不然信号电流太小，继电器将不能产生吸合的动作。5.2 软件调试软件调试，是将编制的程序投入实际运行前，用手工或编译程序等方法进行测试，修正语法错误和逻辑错误的过程。这是保证计算机信息系统正确性的必不可少的步骤。编完计算机程序，必须送入计算机中测试。0软件调试步骤：首先，了解硬件接口以及功能，以便于配置IO端口；第二，根据硬件设计以及功能需要，编写单片机程序；第三，编译程序，把程序烧写到单片机中，或者链接debug调试器，在线对单片机进行仿真；第四，在线仿真可以支持单步调试和断点调试，测试单片机的软件功能；第五，如果出现问题，首先分析是软件逻辑的问题，还是硬件方面的问题，以便于对症下药；最后，将软件写入单片机的flash中，将单片机加密，防止其他人窃取单片机内部代码9。程序调试原则：一，用头脑去分析思考与错误征兆有关的信息。二，避开死胡同。三，只把调试工具当做手段。利用调试工具，可以帮助思考，但不能代替思考，因为调试工具给的是一种无规律的调试方法。四，避免用试探法，最多只能把它当做最后手段。五，再出现错误的地方，可能还有别的错误。六，修改错误的一个常见失误是只修改了这个错误的征兆或这个错误的表现，而没有修改错误本身。如果提出的修改不能解释与这个错误有关的全部线索，那就表明只修改了错误的一部分。七，注意修正一个错误的同时可能会引入新的错误。八，修改错误的过程将迫使人们暂时回到程序设计阶段。修改错误也是程序设计的一种形式。九，修改源代码程序，不要改变目标代码6。第六章 设计总结2013年的寒假，我就开始了我的毕业论文设计工作，时至今日，历时将近半年的时间，毕业设计基本完成。想想这段难忘的岁月，从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路的逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。遇到困难，我会觉得无从下手，不知从何写起；当困难解决了，我会觉得豁然开朗，思路打开了；当毕业设计经过一次次的修改后，基本成形的时候，我觉得很有成就感。毕业设计的写作是一个长期的过程，需要不断的进行精心的修改，不断地去整理各方面的资料，不断的想出新的创意，认真总结。历经了这么久的努力，紧张而又充实的毕业设计终要落下帷幕。在这次毕业设计的写作的过程中，我拥有了无数难忘的感动和收获。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。注重理论与实践的相结合。大四下学期，我们开始毕业设计的选题，我所选的设计题目是卫生间照明、换气自动控制器电路的设计，在指导老师徐国旺老师的指点下，寒假里通过各种渠道立刻着手于资料的搜集工作中。在我查找资料的过程中，让我对我所学过的知识有所巩固和提高，使我学到了新知识，增长了见识。资料已经查找完毕了，接下来我开始对所搜集的资料进行整理、分析研究。我在电脑中都进行分类的整理，然后针对不同部分的写作内容进行归纳和总结。尽量使我的资料和毕业设计的内容符合，这有利于毕业设计的撰写。整理好资料后，在老师的指导基础上，完成了毕业设计的开题报告，并及时提交给老师进行沟通，听取老师的意见。老师的意见总是很宝贵的，可以很好的指出开题报告中的不足，以及需要什么样的资料来完善文章。4月中旬，当一切准备工作就绪，我开始着手毕业设计初稿的写作。在写作过程中遇到就及时和指导老师联系沟通，请教老师，并和同学互相交流。在指导老师徐老师的帮助下，困难一个一个解决掉。经过大约一个多月的时间，终于完成了毕业设计的初稿。此时我整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计初稿，我的心里是甜的，我觉得这一切都很值。因为这次毕业设计的制作过程是我的一次再学习、再提高的过程，同时也是对我大学四年所学知识的检验。5月21日我按时提交了毕业设计的初稿，请指导老师审阅、修改。老师将初稿出现的问题及时反馈给我时，我才发现毕业设计中得漏洞很多。初稿的写作显得逻辑结构有点不清晰，当初总是想到什么相关的问题就去写，而没有很好的分出清晰的层次，让文章显得有点凌乱繁杂，这样的文章必然是不符合要求的。在老师的指导下我开始进行毕业设计反复的修改过程。我非常耐心的，带着一个严谨认真的态度，进行毕业设计的修改。经过老师的指导，这次思路清晰了很多，经过多次修改，毕业设计基本成形。看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。写作毕业设计是我们每个大学生必须经历的一段过程，也是我们毕业前的一段宝贵的回忆。当我们看到自己的努力有收获的时候，总是会有那么一点点自豪和激动。任何事情都是这样子，需要我们脚踏实地的去做，一步一个脚印的完成，认真严谨，有了好的态度才能做好一件事情，一开始都觉得毕业设计是一个很困难的任务，大家都难免会有一点畏惧之情，但是经过长时间的努力和积累，经过不断地查找资料后写作总结，我们都很好的按老师的要求完成了毕业设计的写作，这种收获的喜悦相信每个人都能够体会到。我在这次毕业设计的写作过程中可谓是获益匪浅，最大的收益就是让我培养了脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神。写作中，需要的是耐心，还要用心。每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，我就会出现浮躁的情绪，但是我没有放弃，而是适时地调节自己的心态，最关键是在困难面前，理顺思路，寻找突破点，一步一个脚印的慢慢来实现自己既定的目标。越是不懂的东西才要去学，在学习的过程中你会收获很多，在学习之后你会感觉到很有成就感，这也是我在完成毕业设计之后体会到的。我想这是一次对意志的磨练，也是对我实际能力的一次提升，相信这对我今后走向工作岗位是至关重要的。一篇优秀的论文不是写出来的，而是修改出来的，这需要的是耐心，还要用心。在卫生间照明、换气自动控制器电路的设计过程中，我遇到的问题很多，有些是在自己技术所在范围之外，每当无法实现自己的想法或者运行不下去的时候，我就会出现浮躁的情绪，但是我没有放弃，而是适时地调节自己的心态，在同学老师的帮助下，完成了初次的设计。越是不懂的东西才要去学，在学习的过程中你会收获很多，其中一点就是互相学习是最好的学习途径，在学习之后你会感觉到很有成就感，这也是我在完成卫生间照明、换气自动控制器电路的设计之后体会到的。各方面工作都做好之后就剩毕业论文答辩了，在未进行之前，我自己感觉论文答辩可能很难，心里难免有些许担心。真正经历之后才发现，任何在你认为难得事情都是因为你没有很好把握或者是准备工作没有做好。毕业论文答辩稿是我花了两天的时间写的，在答辩的过程中，自我感觉还是不错的，虽然开始有些紧张，两分钟之后就进入状态，因为是自己在讲解自己做的东西，感觉轻车熟路，流畅地给老师同学们论述了我的毕业设计。 在整个毕业论文设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。致 谢为期一个学期的毕业论文（设计）已经接近尾声了，我的四年大学生涯也即将圈上一个句号。此刻我的心中却有些怅然若失，因为那些熟悉的理学院的恩师们和各位可爱的同学们，我们也即将挥手告别了。四年间，每次走进理学院教研室都会让我感受到一种亲切热情的氛围。无论是学习、工作生活上的问题，恩师们都会悉心给以指导解答，让我倍受感动。也就是在这里，给我的大学生涯设计点上了