毕业设计基于单片机控制的红外烘手器论文

1、毕毕业业设设计计红外线感应烘手器的设计红外线感应烘手器的设计专业专业应用电子技术（汽车电子）应用电子技术（汽车电子）学生学生昌昌班级班级1010 应电应电 3333学号学号10010833191001083319指导教师指导教师静静1 / 30完成日期完成日期20132013 年年 4 4 月月 2626 日日目目 录录摘要前言第一章方案设计11.1 信号采集模块的选择.11.2 单片机控制模块的选择11.3 电机驱动模块的选择.21.4 热风电路模块的选择.2第二章系统硬件设计32.1 电源电路设计.32.2 单片机最小系统42.3 显示电路设计52.4 加热电路设计52.5 红外发射电路设

2、计62.6 红外接收电路设计62.7 电机驱动电路设计72.8 按键电路设计82.9 硬件电路总电路图.9第三章 软件设计.103.1 主程序流程图.103.2 红外检测子程序.113.3 按键子程序.113.4 加热子程序.123.5 电机控制子程序133.6 显示输出子程序14第四章 红外线感应烘手器调试结果154.1 调试仿真结果16第五章总结23致24参考文献251112 / 30I / 30摘摘 要要本文设计了一种红外线感应烘手器，该烘手器由红外发射模块、红外接收模块、单片机控制模块、数码管显示模块、按键模块、电机驱动电路组成，采用红外感应技术采集信号，并将此信号送入单片机，通过单片

3、机控制烘手器工作，基本工作原理是：当有人手伸过来时，红外线开关将风机自动打开，人离开时又自动将吹风机关闭，需要速度调节的可以通过强风与弱风选择风速的快慢，还可以选择加热模式，产生热风。红外线感应烘手器将红外线控制开关和电热吹风机作为一体，用一只普通的电热吹风机，加装一个红外控制开关，就可以组成一个红外线感应烘手器，其效果与成品烘手器是一样的。关键词关键词: :单片机；风速电机；驱动芯片 L298；红外感应技术；II / 30前前 言言随着电子工业的发展，我们的日常生活与电子信息工业息息相关。电子工业的发展带动整个人类前进的步伐。本课题设计的红外线模拟烘手器的设计与制作，主要利用单片机 AT89

4、S52 实现电路的整体功能。红外线因为其发射接收装置简单造价低廉因而被广泛应用生产、生活、医疗、军事等领域。本文介绍的红外线控制的模拟烘手器，非常适应于公共洗手间卫生等场所，使用方面、卫生，而且制作、安装极为简单。单片机作为整个控制系统的核心，其性能好坏对整个系统起着至关重要的作用。早期的单片机 8031，89c51 等，大多采用紫外线擦除或需要专用的烧录器，在实验调试仿真时比较麻烦，且存储容量低，做大型的控制程序时，需要外接扩展存储器，造价和电路设计上都不划算，因此不宜使用。自动烘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。其工作原理与要求;只是采用一种

5、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。成品的自动烘手器将红外线控制开关和电热吹风机制作为一体，本设计根据这个基本原理，自制了自动烘手器，该红外线自动烘手器电路由单片机，红外线发射器、红外线接收放大器和开关控制器组成。随着自动烘手器广泛推广和自动控制应用的普与，红外线自动烘手器设计课题有着更深远的意义1 / 30第一章第一章 方案设计方案设计1.11.1 信号采集模块的选择信号采集模块的选择方案一方案一：采用压片薄膜式传感器进行信号采集。压片薄膜式传感器是指将其贴在车门边沿上，当有乘客被夹到时会产生微弱的电荷量的变化，经放大滤波后再经

6、 A/D 转换器转换成单片机所识别的数字信号。方案二方案二：采用超声波技术进行信号采集。超声波是高于听觉频率阈值的机械波，其频率在 104Hz1012Hz 之间。超声波具有直线传播特性，频率越高，反射能力越强，而绕射能力越弱，表现出更强的方向性。利用超声波的这种特性，采用时间差值检测法(常称渡越时间检测法)进行距离的测量。其工作原理是：声波发射探头向介质发射超声波，声波遇到目标后有反射回波作用到接收探头，测量发射时刻与接收时刻的时间差 t，然后根据以下公式计算距离 s： s=ct/2 （1-1）其中c 为超声波在介质中的传播速度(m/s)。由于超声波在空气中传播速度与温度有关。如果环境温度变化

7、显著，必须考虑温度补偿的问题。空气中的声速c 与温度T(单位：C)的关系可以表示为：c331.45+0.607T （1-2）方案三方案三：采用红外线技术进行信号采集。红外探测器是由收、发装置两部分组成。发射装置向装在几米甚至于几百米远的接收装置辐射一束红外线，当被遮断时，接收装置即发出信号，因此，它也是阻挡式报警器，或称对射式探测器。通常，发射装置由多谐振荡器、波形变换电路、红外发光管与光学透镜等组成。振荡器产生脉冲信号，经波形变换与放大后控制红外发光管产生红外脉冲光线，通过聚焦透镜将红外光变为较细的红外光束，射向接收端。接收装置由光学透镜、红外光电管、放大整形电路、功率驱动器与执行机构等组成

8、。光电管将接收到的红外光信号转变为电信号，经整形放大后推动执行机构启动设备。主动式红外报警器有较远的传输距离，因红外线属于非可见光源，入侵者难以发觉与躲避，防御界线非常明确。方案选择：方案选择：方案一是利用传感器技术采集信号，它具有采集信号稳定性好，且安装简便价格便宜等，但是其检测的灵敏度较差，且硬件电路较复杂，软件设计较繁琐，故舍弃方案一；方案二采用的是超生波技术进行采集信号，但是由于其采集信号的稳定性较差，且在具体应用上的可操作性亦较差，故舍弃方案二；方案三采用的是红外线技术，此技术采集信号较稳定，且安装方便，灵敏度高，故选用此种方案进行信号采集。1.21.2 单片机控制模块单片机控制模块

9、的选择的选择方案方案 1 1：采用 FPJA 作为控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行2 / 30的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。方案方案 2 2：采用 AT89S52 作为控制器。AT89S52 单片机式是一种低功耗，高性能的 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80S51 产品指令和引脚完全兼容。片上的 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器11。在单芯片

10、上拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。方案选择：方案选择：方案一适合作为大规模控制系统的控制核心，而方案二则为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。比较之下，故而舍弃方案一。采用方案二。1.31.3 电机驱动模块电机驱动模块的选择的选择方案一方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短可靠性不高。 方案二方案二：采用功率管组成桥型电机驱动电路，并利用 PWM 波来实现对输出电

11、压的有效值大小和极性进行控制。这种调速方式具有调速特性优良、调整平滑、调速围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，能耗小等优点，还可以实现频繁的无级快速启动和反转等优点。方案三方案三：采用L298专用芯片进行驱动，该芯片有二个TTLTTL/CMOSCMOS兼平电容的输入，具有良好的抗干扰能力，4个输出端具有较大的电流驱动能力，可以方便的驱动二个直流电动机或一个两相步进电机。方案选择：方案选择：由于使用的是永磁式直流电机，因此只能对电枢电压进行控制来实现电机转速和方向的控制，因此电机驱动模块要能方便的实现对输出电压的大小和极性控制。L298 芯片的工作原理和方案二一致，但是其工作时较方案二稳定，

12、且编程较为简单，便于调试。另外 L298 部集成了两个 H 桥，能同时驱动两个电机，硬件实现较方案二简单。基于上述理论分析，拟定选择方案三。1.41.4 热风电路热风电路模块的选择模块的选择方案方案 1 1：电吹风的电动机用直流电源供电，电热丝用交流电源供电。优点是直流电动机运转平稳，便宜。 方案方案 2 2：电吹风和电热丝并联应用交流电源，优点是电路简单。将热风电阻用 220V 的交流电流直接驱动。热风电路主要有两部分组成，即风热部分和吹风部分。将两部分并接到交流电源，在 220V 电压下即可同时工作。缺点是不利于控制风速。方案选择：方案选择：考虑到便于控制风速与相关因素，故而采用方案一。3

13、 / 30第二章第二章 红外线烘手器系统硬件设计红外线烘手器系统硬件设计红外感应烘手器以单片机 AT89S52 系列为核心，外围电路包括电源电路、红外发射电路、红外接收电路、按键电路、显示电路、电机驱动电路等组成。其工作过程：红外发射红外接收启动电机按键模式显示模式。系统框图如图 2.1 示：AT89S52单 片 机电源电路反相器红外线发射显示电路按键电路风扇电路红 外 接 收加热电路图 2.1 红外线烘手器硬件电路结构框图采用 AT89S52 单片机，反相器 74LS14D 等芯片。其工作过程大概如下：当人手接近红外探头时，则红外线被认为挡住而使接收电路无法接收到红外线，此时当检测到光束被遮

14、挡时，由单片机给驱动电路提供信号，启动烘手器，默认情况下是冷风模式，但冷风模式下还可以选择强冷风还是弱冷风，同时还可以选择热风模式，在热风模式下也可以选择强热风和弱热风，此外默认情况下冷风时，显示 0001；强冷风模式时，显示 0002；弱冷风模式时，显示 0003；在热风模式时，显示 0004；强热风模式时，显示 0005；弱热风时模式时，显示 0006；当人手离开时，电路复原，电机停止工作，等待下一次的工作信号。2.12.1 电源电路设计电源电路设计 电源开关 SW1 送入 220V 经过保险丝后送入变压器，保险丝起保护电路的作用。变压器 TR1 将 220V 的交流电源经磁场耦合转换成

15、12V 的交流电源，四个全波整流二极管将 12V 交流源整流为直流 12V 电源提供给后面电路。由电容组成的滤波电路将整流后的电源进行纹波滤除，滤除频率较高的干扰纹波。再经一稳压芯片 L7805 即可转换出 5V 电源为后端电路供电。如下图 2.1 所示：4 / 30图 2.1 电源电路图2.22.2 单片机最小系统单片机最小系统单片机最小系统是单片机连接电路中最基本的部分，它主要由电源电路、复位电路、时钟震荡电路三部分组成。其电路图如图 2.2 所示：图2.2 最小系统整体电路图1.1.电源电路电源电路电源电路是单片机最小系统的重要组成部分，它的主要功能能给单片机电路持续供电。通过 LM78

16、05稳压成+5V 来为单片机供电，LM7805是+5V 的集成稳压电源。5 / 302.2.复位电路复位电路为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V5%，即 4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当 VCC 超过 4.75V 低于 5.25V 以与晶体振荡器 稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。3.3.时钟电路时钟电路XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和瓷振荡均可采用。如采

17、用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应不接。因为一个机器周期含有 6 个状态周期，而每个状态周期为 2 个振荡周期，所以一个机器周期共有 12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ，一个振荡周期为 1/12us，故而一个机器周期为 1us5。2.32.3 显示电路设计显示电路设计本设计红外线感应烘手机默认冷风，共设有热风键，强风键，弱风键和开关键 4 个键，当烘手机在无效工作状态，即红外感应检测电路没有检测到信号，显示“0000” ；当烘手机有效工作时，即红外感应检测电路检测到信号时，显示“0001”如下图 2.3 所示：图 2.3 显示电路图2.42.4 加热电路设计加热

18、电路设计继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用，继电器在本设计中用于控制模拟加热丝加热，工作时灯亮。6 / 30如图 2.4 所示：图 2.4 加热电路图2.52.5 红外发射电路设计红外发射电路设计 红外线发射电路主要由红外线发射管组成。红外发射管的负极接到单片机P1.4 口，当电源接通时，单片机的 P1.4 口设为输出状态，当 P1.4 口输出为“0”时，二极管均成导通状态，发出红外光，正常情况下没有遮挡时 P1.

19、4 口输出为 00H。红外线发射二极管在使用时，须由电流驱动，在进行设计时，最重要的是在 IF电流的控制，设计出的驱动电流 IF不能太大，若大于 IF(max)则元件有烧毁之虑，IF若太小，则其发射束就会变小。通过查阅资料可知IF(max)在 20mA 左右，通过计算可得限流电阻的最小值为 200 欧，本电路选取470 欧。如图 2.5 所示：图 2.5 红外发射电路图2.62.6 红外接收电路设计红外接收电路设计红外线接收电路主要由红外线接收二极管组成，主要功能是用来接收发射的红外线，正常情况下能够成功接收，如果有手伸入，中断红外线，将接受不到红外线，此时判断为应当有物体，由单片机控制风机转

20、。具体电路连接如下图，红外线接收管的负极与反相器芯片 74LS14D 的 A1 脚，当没有遮挡时接收管正常接收到红外线时并导通，+5V 电源通过 D1 的正极加到反相器 74LS14D 的7 / 30输入端，进行反相为低电平，输出管脚接单片机的 P3.0，这时的 P3.0 口为低电平：而当有人伸入使红外线被遮挡时，接收管截止，反相器输入端为低电平，反相后输出高电平，这时的单片机的 P3.0 口为高电平。当检测到光束被遮挡时。此脉冲信号驱动电机电路与相关电路工作，直至当人手离开为止，停止工作。如下图 2.6 所示：图 2.6 红外接收电路图2.72.7 电机驱动电路设计电机驱动电路设计 该电路利

21、用单片机的中断技术和定时器技术可调占空比的PWM波，P1.1口接的是强风按键，P1.2接口是弱风按键，PWM脉冲调制量通过L298控制直流电机的速度，在实际应用当中VS的电压比VCC的电压高。否则会出现失控现象。L298的IN1驱动输入引脚接单片机的P1.6口，IN2驱动输入引脚接单片机的P1.7口，该芯片有二个TTL/CMOS兼平电容的输入，具有良好的抗干扰能力，4个输出端具有较大的电流驱动能力，可以方便的驱动二个直流电动机或一个两相步进电机。如下图 2.7 所示：图 2.7 电机驱动电路图8 / 302.82.8 按键电路设计按键电路设计 可分为冷风和热风两部分：电源开关 K0，模拟接收红

22、外开关 K1，强风开关 K2，弱风开关 K3，加热开关 K4。冷风：（1）当烘手机无效工作时，显示“0000” ，灯泡不亮，风扇不转；继电器断开。（2）当烘手机有效工作时，显示“0001” ，灯泡不亮，风扇中速；继电器断开。（3）当烘手机有效工作时，按下强风键时，显示“0002” ，灯泡不亮，风扇高速；继电器断开。（4）当烘手机有效工作时，按下弱风键时，显示“0003” ，灯泡不亮，风扇低速；继电器断开热风：（5）当烘手机有效工作时，显示“0004” ，灯泡亮，风扇中速；灯泡亮，继电器吸合。（6）当烘手机有效工作时，按下强风键时，显示“0005” ，灯泡亮，风扇高速；继电器吸合。（7）当烘手机

23、有效工作时，按下弱风键时，显示“0006” ，灯泡亮，风扇低速；继电器吸合。如下图 2.8 所示：图 2.8 按键电路图2.92.9 硬件电路总电路图硬件电路总电路图红外线感应烘手机由电源电路、红外线发射电路、红外线接收电路、单片机控制部分电路、显示电路、风扇电路、加热（用灯泡红外线感应电热丝）电路等组成。9 / 30电源开关 K0，强风开关 K2，弱风开关 K3，加热开关 K4。如图 2.9 所示：图 2.9 红外线感应烘手器总电路图10 / 30第三章第三章 软件设计软件设计3.13.1 主程序流程图主程序流程图主程序模块主要完成编程芯片的初始化与按需要调用各模块（子程序） ，设计流程图如

24、图 3.1 所示，其中电源开关 K0，模拟接收红外信号开关 K1，强风开关 K2，弱风开关 K3，加热开关 K4。如图 3.1 所示：图 3.1 主程序流程图开 始初始化不加热k0=0?k2=0?k3=0?k2.k4=0?加 热冷 风强冷风弱冷风显示 0001k4=0?k3.k4=0?热 风显示 0004强 热 风弱 热 风显示 0005显示 0006显示 0002显示 0003NNNNNNYYYYYYYNNY11 / 303.23.2 红外检测子程序红外检测子程序红外检测子程序主要是指当手伸入时，红外线采集信号系统开始工作，当手离开时会将红外线信号切断，当单片机 P3.0 口为低电平时，单片

25、机自动控制烘手器开始工作。否则当单片机 P3.0 口为高电平时，烘手器停止工作。如图 3.2 所示：红外线信号被切断？P3.0=0烘手器工作 P3.0=1烘手器不工作 结 束NY初始化图 3.2 红外检测子程序3.33.3 按键子程序按键子程序按键子程序主要选用了四个按键对烘手器进行控制，电源开关 K0，强风开关 K2，弱风开关 K3，加热开关 K4。通过按键对应单片机口处电平的高低控制烘手器的运行，主要是通过判断是否需要加热，然后在判断热风中是否需要强热风还是弱热风，同时在冷风当中判断是否需要强冷风还是弱冷风。具体流程图如图 3.3 所示：开始开始K1=0?k4=0?NYYK2 且 k4=0

26、?K3 且 k4=0?K2=0?K3=0?强 热 风弱 热 风强 冷 风弱 冷 风热 风冷 风YNNNYYYNN12 / 30图 3.3 按键子程序3.43.4 加热子程序加热子程序加热子程序主要是通过继电器的吸合来控制模拟加热丝加热，工作时灯亮，主要是通过控制 P3.1 口的高低电平来驱动继电器的吸合与关闭，从而控制热丝的加热与不加热。若 P3.1=0，则继电器不吸合，即热丝不加热，加热灯丝不亮。若P3.1=1，则继电器吸合，即加热灯丝灯亮。3.53.5 电机控制子程序电机控制子程序电机控制子程序主要利用定时器 T0 产生一个周期为 4ms 占空比可调的PWM 波，用 P1.6 口和 P1.

27、7 口，作为输出口 PWM 波，强风键实现占空比增加，接到 P1.1 口，弱风键实现占空比降低，接到 P1.2 口，再将 P1.6 和 P1.7 口得到的 PWM 波送到 L298 的 IN1 和 IN2 引脚上可以驱动点击的运转。如图 3.5 所示：13 / 30图 3.5 电机控制子程序 开 始初始化占空比加键按下？PWMH=PWM?PWMH+1=PWM?停止定时器PWMH=02H?占空比减键按下？PWMH=01H?PWMH-1=01H?PWMH-1=PWMH?停止定时器PWMH+1启动定时器PWMH-1启动定时器NNNNNNNYYYYYNYYY14 / 303.63.6 显示输出子程序显

28、示输出子程序显示输出子程序主要选用了数码管显示对烘手器进行显示，通过按键对应单片机口角处电平的高低控制烘手器的运行来显示相对应的工作状态。如图 3.6所示:确认显示数字送段码 数码管初始化送位码系统初始化 返回NY显示完？ 图 3.6 显示输出子程序15 / 30第四章第四章 红外线感应烘手器调试结果红外线感应烘手器调试结果在对红外线感应烘手器进行设计后，为了对各个功能模块进行验证，需要确保本设计能够正确运行，首先使用 Keil 软件对部分电路进行编程，根据提示的错误进行修改，直到程序能正常运行，再将所编写的程序导入要仿真的电路，确保工作电路能实现红外线感应烘手器所要求的功能。各部分电路的仿真

29、图如下：4.14.1 调试仿真结果调试仿真结果红外线感应烘手机可以根据情况，实现热风与凉风，强风与弱风换挡。基本工作原理是：红外发射红外接收继电器电热丝L298 芯片驱动电吹风五个过程,；电源开关 K0，模拟接收红外开关 K1，强风开关 K2，弱风开关K3，加热开关 K4, 冷风：（1）当烘手机无效工作时，显示“0000” ，灯泡不亮，风扇不转；继电器断开。（2）当烘手机有效工作时，显示“0001” ，灯泡不亮，风扇中速；继电器断开。（3）当烘手机有效工作时，按下强风键时，显示“0002” ，灯泡不亮，风扇高速；继电器断开。（4）当烘手机有效工作时，按下弱风键时，显示“0003” ，灯泡不亮，

30、风扇低速；继电器断开热风：（5）当烘手机有效工作时，显示“0004” ，灯泡亮，风扇中速；灯泡亮，继电器吸合。（6）当烘手机有效工作时，按下强风键时，显示“0005” ，灯泡亮，风扇高速；继电器吸合。（7）当烘手机有效工作时，按下弱风键时，显示“0006” ，灯泡亮，风扇低速；继电器吸合。各功能其仿真图如下所示:冷风：（1）当烘手机不工作时,模拟接收红外开关 K1 关闭，显示“0000” ，加热灯泡不亮，风扇不转；继电器不吸合，转速为 0，如下图所示：16 / 30不工作时仿真结果图17 / 30（2）当烘手机有效工作时，模拟接收红外开关 K1 打开，显示“0001” ，加热灯泡不亮，风扇中速

31、；继电器不吸合，转速为 196，如下图所示：冷风仿真结果图18 / 30（3）当烘手机有效工作时，模拟接收红外开关 K1 打开，按下强风开关 K2时，显示“0002” ，加热灯泡不亮，继电器不吸合，风扇高速；转速为 460，如下图所示：强冷风仿真结果图19 / 30（4）当烘手机有效工作时，模拟接收红外开关 K1 打开，按下弱风开关 K3时，显示“0003” ，加热灯泡不亮，继电器不吸合，风扇低速；转速为 122，如下图所示： 弱冷风仿真结果图20 / 30热风：（5）当烘手机有效工作时，模拟接收红外开关 K1 打开，按下加热开关 K4 时，显示“0004” ，加热灯泡亮，风扇中速；继电器吸合

32、，转速为192，如下图所示： 热风仿真结果图21 / 30（6）当烘手机有效工作时，模拟接收红外开关 K1 打开，按下强风开关 K2和加热开关 K4 时，显示“0005” ，加热灯泡亮，风扇高速；继电器吸合，转速为 450，如下图所示: 强热风仿真结果图22 / 30（7）当烘手机有效工作时，模拟接收红外开关 K1 打开，按下弱风开关 K3 和加热开关 K4 时，显示“0006” ，加热灯泡亮，继电器吸合，风扇低速；转速为105，如下图所示：弱热风仿真结果图23 / 30第五章第五章 总总 结结在本次论文的设计过程中，参考了各方面的相关文献资料，使本人对单片机以与红外技术的使用和设计有了更深刻的认识。本设计研究的是一种红外感应自动烘手器，基于单片机控制和红外信号的采集与接收，按键功能的选择与运行状态的数码显示，从系统的基本原理、系统硬件的组成、系统软件的设计等对该烘手器系统进行了设计。它是以AT89C52 单片机作为中心控制单元，通过红外线信号的发射与接收来检测信号的，还可以通过按键调整风速的快慢，以与可以用数码显示器显示当时的工作状态，采用四位数码管可显示数值，使人们做出相应的操作，虽然实际操作中有点电机运转不平稳的误差，但是能够满