基于STC单片机的吸尘器设计

目录摘要及关键字····························11.绪论·······························12.整体设计思路···························23.硬件设计·····························23.1单片机控制电路························23.2超声波检测电路的设计·····················33.3垃圾桶检测装置的设计·····················53.4电机驱动电路的设计······················63.5时钟电路的设计························73.6电源电路的设计························73.7报警电路的设计························84.软件设计·····························94.1智能吸尘器主软体的设计····················94.2吸尘器工作1软体的设计···················104.3吸尘器工作2软体的设计···················104.4吸尘器控制系统程序·····················115．总结······························20参考文献·····························21致谢·······························23DirectoryAbstractandkeyword·······················11Introduction··························12overalldesign·························23hardwaredesign························23.1singlechipcontrolcircuit·················23.2ultrasonicdetectioncircuitdesign·············33.3trashdetectiondevicedesign················53.4motordrivecircuitdesign·················63.5clockcircuitdesign····················73.6powersupplycircuitdesign·················73.7alarmcircuitdesign····················84softwaredesign························94.1intelligentcleanermainsoftwaredesign··········94.2cleaner1softwaredesign·················104.3Cleaner2softwaredesign·················104.4Vacuumcontrolsystemprogram················115Summary····························20References···························21Acknowledgements························23基于STC单片机的吸尘器设计摘要本设计的吸尘器是AT89C51单片机为控制核心，加以步进电机、光电传感器、压敏传感器和电源电路以及其他电路构成。系统是由AT89C51单片机通过I/O口控制吸尘器的前进后退以及转向。超声波传感器对垃圾进行检测。压敏传感器是用来检测吸尘器的垃圾桶是否装满再经过蜂鸣器进行报警提示。一个按键进行吸尘器电路的工作状态启动和关闭控制。在检测到垃圾时，通过吸尘器电机，利用流体压强与流速的关系，可以将纸屑等垃圾进行吸附。关键字单片机；光电传感器；红外线热释电传感器；松耦合变压器；步进电机1绪论吸尘器是现代家庭中受到人们广泛喜爱的清洁用具，传统的用具清扫房间往往不能将家里的微细尘埃清扫干净，尘埃总是从一处转移到另一处，尤其是地毯﹑窗帘等处的灰尘就更难以清除，利用吸尘器来做清洁工作就无此弊。吸尘器不但可以清洁地面，也可以用来清洁一般的器具难以清洁的地方，如沙发，墙壁等。吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成，一般包括串激整流子电动机、离心式风机、滤尘器（袋）和吸尘附件。一般吸尘器的功率为400-1000W或更高，便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。近几年来，国内吸尘器市场发展迅速，每年的增幅都保持在15%以上，在中国消费者对家庭装修有了更高要求的同时，对保持家庭环境卫生的吸尘器也就渐渐重视起来。吸尘器对中国人来说曾经是奢侈品，但现在这种情况发生了变化，吸尘器正在中国家庭迅速普及。在吸尘器逐步走进中国消费者视野的同时，拥有时尚外观、能够提升生活档次的吸尘器也在“攀比”中得到了发展空间。2整体设计思路图1-1智能吸尘器控制系统的基本方框图本系统的设计，是采用可篇程控制器对垃圾检测信号进行采集处理和控制信号输出控制。本系统设计的原理是利用超声波传感器对垃圾进行检测，接收电路将接收到的信号发送给控制模块，控制模块对发送过来的数据信息进行处理，然后启动吸尘器电机，对垃圾进行清理。在超神波传感器检测不倒垃圾时，控制系统控制电机不工作，当垃圾出现在检测范围之内时，传感灯会亮起来，此时电机工作。在垃圾桶满时，桶内的应变式传感器会产生微笑形变，并将此装换成电信号，报警电路工作，发出蜂鸣声，便可知道此时垃圾桶已经装满，此时我们将垃圾桶内的垃圾倾倒出来，接着继续让吸尘器工作。3硬件设计3.1单片机控制电路本系统的功能比较大，用到的I/O口也多，因此，为了满足要求，采用了一块I/O扩展芯片8255来扩展AT89C52单片机的I/O口。下面图是51系统与I/O扩展芯片的电路图：图3-1AT89C52单片与的I/O接口电路3.2超声波检测电路的设计3.2.1超声波传感器的基本原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。3.2.2超声波发射电路和设计超声波发射电路是采用一个超声波频率通过电声转换器将该频率成折射式发射在介质空间里。本系统是设计一个40KHZ的超声波发射器。图3-240kHZ超声波发射电路图3-2由LM555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器RP阻值，可以改变振荡频率。由LM555第3脚输出端驱动超声波换能器T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压9V，工作电流40~50mA。发射超声波信号大于8m。3.2.3超声波接收电路的设计超声波接收电路是一个将接收到指定超声波声信号转换成电信的转置，本系统设计的是一个40KHZ的超声波接收器。图3-340kHZ超声波接收电路图3-3是个单稳式超声波接收器电路原理图，超声波换能器R40-16谐振频率为40kHZ，经R40-16选频后，将40kHZ以外的干扰信号衰减，只有谐振于40kHZ的有用信号（发射机信号）送入VT1~VT3组成的高通放大器放大，经C5、VD1检出直流分量，控制VT4、VT5组成的电子开关带动继电器K工作。由于该电路仅作单路信号放大，当发射机每发射一次超声波信号时，接收机的继电器吸合一次（吸合时间同发射机发射信号时间相同），无记忆保持功能。电路中VT1β≥200，VT2β≥150，其他元件自定。电路不需调试即可工作。如灵敏度和抗干扰不够，可检查三极管的β值与电容C4的容量是否偏差太大。经实测，配合相应的发射机，遥控距离可达8m以上。在室内因墙壁反射，故没有方向性。电路工作电压3V，静态电流小于10mA。3.3垃圾桶检测装置的设计3.3.1应变式传感器原理应变式传感器是根据应变原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应变力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的放大器进行放大，再传输给处理电路或执行机构。3.3.2垃圾桶检测装置电路的分析垃圾桶检测装置主要是由一个压敏传感器对垃圾桶内的垃圾量达到一定的升度时触发到它而产生的一个物理量变化转可控制电量信号的装置，具体情况如图3-4所示，当电阻应变片压敏传感器触发到外力的作用时，电阻应变片的阻值产生变化，应变电桥RP输出的电压也随之而变，应应变电桥输出的电压微弱，所以还要经过VT101、VT102两个放大管与其它分立元件制成的二极放大器放大后采送给后续的处理器。图3-4中FB101电感和C102电容是起耦合滤波作用，而U302运放集成LM393和R104、R105组成一个比较器。改变可调电阻R104的阻值可以调解垃圾桶检测装置的敏度。图3-4电阻应变片传感器检测压力的压敏电路3.4电机驱动电路的设计采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计如图3-5所示：图3-5L298电机驱动电路L298N的IN1、IN2、IN3、IN4四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个步进电机的正反转和转速。3.5时钟电路的设计由555时基振荡芯片不主设计的时钟延时电路。其中555构成多谐振荡器，振荡频率fo＝1.43/[（RI＋2R2）C]，如图3-6所示。图3-6NE555时基振荡延时时钟电路3.6电源电路的设计采用供电电源12V蓄电池做为主电源，再采用现代的LCDTV上的DC－DC处理技术处理后，给系统供电。这是在实际产品上的需求而设计的。不过，本课题所设计的是一个智能吸尘器的控制系统虚似系统，因此，本课题在供电上没做重点要求。不过，下面图3-7就是一个LCDTV上的DC－DC处理技术原理图。图3-7电源电路图3-8中的U701、U702、U703、U704是个稳压集成芯，此芯片稳压性能非常好。电路中的R701、R702、R706是个限流电阻。另外，电路中的Q701与Q702和其它元件是构成一个电压开关电路。Q701是一个开关管，它主要是当G脚电压为高电平时电压会从S脚流向D脚，当G脚的电压为低时，S脚与D脚断开，电压无法从S脚流向D脚而输出。3.7报警电路的设计在吸尘器装满垃圾的状态下能发出足够响的响声提示。采用单片机的P2.7口做为报警器的出输出信号，另外，犹于单片机输出的信号比较弱，无法使蜂鸣器发出足够响亮的响声，所以，在单片机送出的信号加以简易放大器和放大之后在去推动蜂鸣器工作。具体如下图3-8所示。图3-8蜂鸣报警器电路4软件设计4.1智能吸尘器主软体的设计主软体是编写一个对按键扫描的软体程序，扫描【ON/OFF】键与【定时/OFF】键的按键是否动作。【ON/OFF】键是一个开关键。此键没动作下面的程序将都无法运行。此键偶次动作下面的程序也一样的无法运行。【ON/OFF】键奇次动作后紧接着就是【定时/OFF】键的扫描，【定时/OFF】是一个定时工作的开关键，也是吸尘器的两种工作状态的选择键。软体的设计流程请参见图4-1流程图。在主软体里还有对整个系统初时化。图4-1智能吸尘器主软体设计的流程图4.2吸尘器工作1软体的设计吸尘器工作1软体是一个采集寻迹电路信号与避障电路信号后进行处理，并做相对应的反应去控制吸尘器做智能化的行走工作。吸尘器工作1是以扫描形式进行扫描处理信号。软体具体设计的思路见图4-2流程图。图4-2智能吸尘器工作形式1软体设计的流程图4.3吸尘器工作2软体的设计吸尘器工作2的软体是建立在工作1的状态下在加以定时时间同步运行一个软体，软体的设计流程见图4-3流程图。图4-3智能吸尘器定时工作软体设计的流程图4.4吸尘器控制系统程序＝＝＝＝主程序＝＝＝＝org0000hajmpstinorg0030hstin:movdptr,#0ff7fhmova,#0b8hmovx@dptramova,#00hmovx@dptr.amovpa,amovpb,amovpc,cmovp0,#00hmovp1,#00hmovp2,#00hmovp3,#00hajmpstartstart:org0089hjnbp2.3,startmovp2.4,#01hjbP2.2,timingwork1:movp2.4,#01hmovp1.7,#00h＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝work1＝＝＝＝work1:movp2.4,#01hmovp1.7,#00hjbp1.2,ir1jbp1.3,ir2jbp1.4,ir3jbp1.0,uas1jbp1.1,uas2jbp1.5,psSmova,#0ffhmovp2,#30hmov@drtr,aajmpwort1＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝timing＝＝＝＝timing:movp2.4,#01hmovp1.7,#00hjbp2.2,work1Jbp2.1,whenJbp2.0,minJbp2.2,wok2ajmpriming＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝work2＝＝＝＝work2:movp2.4,#01hmovp1.7,#01hacalltimtimstart:acallledacallworkjnbr6,timstartajmpstart＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝work＝＝＝＝＝work:acallsxxs0acalladzhacallxjqkcljnbxjjs,xunjiyxclrzjenclryjenmovxczt,#00hmovysss,#03hsetbysztxunjiyx01:jbyszt,$clrxjjsxunjiyx02:acallcshmovxczt,#01hacallxcqjclrp2.5clrp2.7ajmpmain0main0:callsxxsmovr3,#07m001:acalladzhmovr7,#20djnzr7,$djnzr3,m001acallqkcljnbmgjs,main0clrzjenclryjenmovxczt,#00hmovysss,#03hsetbysztjbyszt,$ajmpxunjiyxqkcl:movr7,xcztcjner7,#00h,qkcl000ajmpqkclfhqkcl000:acallqkcl010mova,ad04clrcsubba,#20hjcqkcl001mova,ad05clrcsubba,#20h;jcqkcl001setbmgjsajmpqkclfhqkcl001:mova,ad01decntwkyclrcsubba,ad02jncqkcl002incntwkzincntwkzmova,ad02clrcsubba,ad01qkcl002:cjnea,#10h,qkcl003qkcl003:jnzqkcl004clrpwmtzmovntwkz,ntwkzymovntwky,ntwkzyacallqkcl010ajmpqkclfhqkcl004:setbpwmtzqkclfh:retqkcl010:mova,xcztcjnea,#01h,qkcl020mova,ad00cjnea,#05h,qkcl011qkcl011:jncqkcl020acallpztfjncqkcl020acallpytfjncqkcl020movxczt,#04hacallxchtajmpqkfhqkcl020:acallpztfjncqkcl021acallpytfjncqkcl021ajmpqkfhqkcl021:mova,xcztcjnea,#01h,qkcl022movlsjsl,#34qkcl022:cjnea,#04h,qkcl023movlsjsl,#10qkcl023:setblsjstbmovntwkz,ntwkzymovntwky,ntwkzyclrpwmtzjblsjstb,$clrzjenclryjenmovr3,#07m003:acalladzhmovr7,#20djnzr7,$djnzr3,m003movr7,xcztcjner7,#01h,q040acallpqtfjncqkcl024acallpztfjncqkcl025acallpytfjncqkcl026movxczt,#04hacallxchtajmpqkfhq040:ajmpqkcl040qkcl024:acallpztfjncqkcl027acallpytfjncqkcl028acallxcqjajmpqkfhqkcl025:acallpytfjncqkcl029movxczt,#02hmovlsjsl,#15setblsjstbacallxczzjblsjstb,$movxczt,#01hacallxcqjajmpqkfhqkcl026:movxczt,#03hmovlsjsl,#15setblsjstbacallxcyzjblsjstb,$movxczt,#01hacallxcqjajmpqkfhqkcl027acallpytfjncqkcl030incjdzzmova,#jdzqadda,jdzzmovr1,amov@r1,#00000110bmovxczt,#02hmovlsjsl,#16setblsjstbacallxczzjblsjstb,$movxczt,#01hacallxcqjajmpqkfhqkcl028:incjdzzmova,#jdzqadda,jdzzmovr1,amov@r1,#00000011b;movxczt,#01hacallxcqjajmpqkfhqkcl029:incjdzzmova,#jdzqadda,jdzzmovr1,amov@r1,#00000101bmovxczt,#02hmovlsjsl,#16setblsjstbacallxczzjblsjstb,$movxczt,#01hacalxcqjajmpqkfhqkcl030:incjdzzmova,#jdzqadda,jdzzmovr1,amov@r1,#00000111bmovxczt,#02hmovlsjsl,#16setblsjstbacallxczzjblsjstb,$movxczt,#01hacallxcqjajmpqkfheng＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝5总结项目设计中采用AT89C52单片机和光电传感器、金属传感器、超声波传感器等，实现相应信号的检测与吸尘器的控制，系统结构简单、稳定、具有较高的控制精度、抗干扰能力强，实现了智能吸尘器能智能化的在工作范围内进行吸尘。在本次设计过程中出现过许多的小问题。首先是单片机语言由于很长一段时间没有接触的原因，又得重新熟悉，浪费了很长一段时间。其次就是传感器方面，有一段时间学了检测技术这门课，但里面所讲的传感器知识都画在书本，很少接触到现实中的传感器，这次的设计我在传感器方面也是无从下手，不知道怎么选择该用什么样型号的传感器，它们的和类特性又是怎样。所以我在做硬件设计的时候,我只才用了比较常用的传感器与比较器来制作传感探测电路。在设计本项目时，我不知道往学校图书管走了有多少回，在网上泡了多少天，所收集到的书籍、材料虽然重多，但是能用上的不多。一路走过来真的是很辛苦。参考文献[1]张洪润,单片机原理及应用.北京:清华大学出版,2005,4[2]张毅刚,单片机原理及应用.北京:高等教育出版社,2005,5[3]孙育才,AT89S51系列单片机及其应用.北京:清华大学出版社,2005,1[4]黄智伟,全国大学生电子设计竞赛训练教程,学京:电子工业出版社,2007,6[5]眭碧霞,单片机及其应用,西安:电子科技大学出版社,2003,4[6]邹振春,单片机原理及接口技术,学京:机械工业出版社,2002,7[7]沙占友,单片机外围电路设计,北京：电子工业出版社,2003,1[8]王煜东,传感器及应用,学京:机械工业出版,2007,7[9]陈杰,传感器与检测技术,学京:高等教育出版社,2002,2[10]赵负,传感器集成电路手册,北京：化学工业出版社,2002,3[11]刘征宇,最新74系列IC特性代换手册,福建:科学技术出片,2003,4VacuumcleanerdesignbasedonSTCsinglechipmicrocomputerWangXiaoyun(DepartmentofPhysics,DezhouUniversity,Dezhou,253023)AbstractVacuumcleanerofthisdesignisthe