大学毕业设计基于单片机控制的消毒柜Word下载.docx
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1.3消毒柜的介绍
1.3.1消毒柜的种类
市场上销售的消毒柜品种多样，可根据不同的标准划分它们。
按功能分,有单功能的和多功能的两种。
单功能消毒柜通常采用高温或臭氧或紫外线等单一功能进行消毒；
多功能消毒柜多采用高温、臭氧、紫外线、蒸汽、纳米等不同组合方式来消毒，能够杀灭多种病毒、细菌。
按消毒方式分，有臭氧、紫外线臭氧、红外线高温、超温蒸汽、紫外臭氧加高温等类型。
其中，臭氧、紫外线臭氧属于超低温消毒，消毒温度一般在600C以下，适合各类餐具，特别适合于不耐高温的塑料、玻璃制品。
而红外线高温、超温蒸汽、紫外臭氧加高温属于热消毒或多重组合消毒方式，消毒温度一般在1000C以上，消毒效果好，适合于陶瓷、不锈钢等耐高温制品的消毒。
另有一些双门消毒柜上面一层属臭氧消毒，用于不耐高温的餐具消毒；
下面一层是红外线高温消毒，用于给耐高温餐具消毒。
按消毒室数量分,有单门、单门双层、双门及多门消毒柜。
单门消毒柜一般只有一种消毒功能；
双门消毒柜一般为两种或两种以上消毒方式的组合。
一般地说，单门消毒柜适用于集体饭堂和酒店等的餐具消毒，属高温消毒；
而双门宜为家庭选用，因为家庭中的餐具一般可分为耐高温和不耐高温两类，而一般的双门柜都具有高温和低温消毒两种功能。
按容积大小分,目前市场上主要有30升、50升、80升、100升、150升、250升、350升等系列。
作为日常家用的消毒柜，容积在50～80L、功率600W左右就比较适宜了。
按安装方式分，有立式、卧式、壁挂式、嵌入式、落地式、台式、开门式和抽屉式等。
目前市场上较流行与整体厨房配套的嵌入式消毒柜，这种消毒柜集食具消毒、烘干、存放于一体，非常实用。
近来市场上的消毒柜新品层出不穷，如具有VFD动态显示、数码控制、热风内循环功能的康宝系列消毒碗柜；
具有欧式豪华外形，采用微电脑控制，定时开关、自动除臭的老板牌消毒柜；
采用高新纳米磁性门封材料、排气孔特设防虫网，有效杜绝二次污染的美的消毒柜等。
1.3.2消毒柜的物理特性
1.电热食具消毒柜
指由电热元件加热空气来消毒食具的食具消毒柜，如市面上常见的单门电热型消毒柜，规定柜内消毒温度应不低于1200C，消毒时间应不少于15min；
电热食具消毒柜适用于耐高温于1500C以上的餐具消毒，如陶瓷类碗、盘、茶杯、木筷等。
2.臭氧食具消毒柜
指通过臭氧发生器产生的臭氧来消毒食具的食具消毒柜，如市面上各种臭氧保鲜食具消毒柜，规定柜内臭氧浓度应不少于13.6mg/m3，消毒时间应不少于30min；
臭氧食具消毒柜适用于非耐高温类餐具的消毒，如塑料制品等。
3.组合型食具消毒柜
指由电热消毒室和臭氧消毒室组合而成的食具消毒柜，如市面上流行的双门消毒柜，其结构特征是具有一个低温臭氧消毒室和一个高温电热消毒室，其上下室的要求同上述1、2条规定相同。
4.臭氧加紫外线食具消毒柜
指由臭氧和紫外线共同作用而成的食具消毒柜，如广东康宝牌消毒柜，特别适合于大容积消毒，臭氧产生的速度快，浓度分布均匀，消毒时间短。
1.3.3消毒柜的工作原理
食具消毒是利用物理或化学方法杀灭清洗过的食具中病原微生物的过程。
市场上五花八门的消毒柜从功能上说，通常只有高温消毒、臭氧消毒和紫外线消毒3种消毒方式，以及它们之间的组合消毒方式，比如目前市场上流行的“上层为臭氧保洁，下层为红外线加热”的消毒方式。
1.电热型消毒柜
电热型消毒柜是利用高温发挥杀菌作用。
高温对细菌有明显的致死作用。
细菌中的蛋白质因受热而发生变性凝固，活性消失，代谢发生障碍，导致死亡。
电热型消毒柜,一般以乳白石英管远红外辐射电热元件为热源,对消毒柜内腔及其中的食（饮）具加热,依赖1200C以上的高温,以物理方法杀灭或消除食具上的致命微生物,以达到无公害的目的。
乳白石英是高辐射系数的材料，其热惯性小，表面允许温度高，能将输入电能的70%转换为辐射能，因此，柜内传热方式以热辐射为主。
红外线对食具表面附着的水分和微生物，具有一定的穿透能力，杀菌效果好。
作为能量载体的红外线，具有类光特性。
它能以光速直接入射或经柜内壁反射到食具表面，使消毒工作周期相对减短。
红外线是直接传播的，被食具遮挡的部位，开成“阴影区”。
在消毒柜工作时，柜内的空气和食具托架也被加热。
柜内温度场中存在温度梯度，形成流体密度差，产生流体与固体表面之间的对流换热。
同时，柜内相接触物体及同一物体上的不同点之间，因存在温差而产生人传导。
在加热过程中，在上述三种传热方式的共同作用下，使柜内温度逐渐趋于均匀，以消除消毒“死角”，处于“阴影区”的致病微生物也能被杀灭。
2.臭氧消毒柜
臭氧消毒柜是利用臭氧的强氧化性进行消毒。
臭氧在常温下为带蓝色的爆炸性气体，有特臭，为已知最强的氧化剂之一，是一种光谱杀菌剂。
但是臭氧泄漏会危害人体健康，作业现场空气中允许的阀限值为0.2mg/m3。
所以臭氧型消毒柜需在保证臭氧在不泄漏的情况下，保持柜内臭氧的浓度，以确保消毒效果。
它是以物理方法产生一定浓度的臭氧气体，依赖生物化学反应杀灭致病微生物。
臭氧消毒作为气相消毒，与直接照射的紫外线消毒相比，不纯在“阴影区”或消毒死角，用于食具消毒的效果好。
因为臭氧分子接触细菌，才能杀菌，不仅需要一定的浓度，还需要足够的使臭氧分子充分扩散的时间，消毒过程具有积累性。
所以为达到预期的消毒效果，柜内需保持一定的臭氧体积浓度及消毒时间。
臭氧的杀菌能力还与湿度、温度及压力等空气状态参数有关。
因此，应视允许消毒时间长短而选用。
当然污染程度和消毒对象是选择臭氧发生装置的浓度和产品规格的基础。
消毒柜一旦进入运行状态，就由臭氧浓度建立起物理吸附、化学氧化、微生物杀灭与自然分解四方面综合形成的消毒空间。
如根据消毒对象预先设定好消毒时间，当运转一个周期结束后，就可以打开柜门（此时臭氧残留量应不大于0.2mg/m3）完成整个消毒过程。
它是高温杀菌与强氧化消毒相结合，其消毒原理与其上1、2相同。
臭氧加紫外线食具消毒柜是利用紫外线和臭氧作为消毒手段的消毒柜。
消毒灭菌使用的紫外灯应是高臭氧紫外灯，紫外线的波长范围是200～275nm，其中杀菌作用最强的波段是250～270nm。
用于消毒的紫外灯在电压为220V时，辐射的253.7nm紫外线强度应不低于70μw/cm2。
紫外线辐射能量低，穿透力弱，仅能杀灭直接照射到的微生物，因此消毒时必须使消毒部位充分暴露于紫外线下。
紫外灯同时产生臭氧，也起到杀菌作用。
两者的共同作用，使常温消毒扩大了灭菌范围，强化了消毒效果。
1.4研究内容
目前单片机在家用电器中得到了广泛的应用，本课题旨在通过设计基于单片机技术的消毒柜来熟悉单片机在家用电器中的应用，从而掌握一定的单片机应用电路的设计方法和编程技巧。
综合运用所学知识，学会独立分析和解决问题的能力，培养查阅文献，计算机操作和处理以及外文解说和翻译的能力。
第1章介绍了本课题的研究背景与研究内容及消毒柜的相关信息。
第2章介绍了系统方案的选择。
对于各法案进行比较论证。
第3章介绍了系统的硬件设计与实现，主要介绍了本系统中重要元器件的选取，各个单元电路的选择、原理及功能。
第4章介绍了系统的软件设计，主要介绍本系统的主程序以及各功能模块各完成的功能和流程图。
第5章介绍了系统的软件仿真，主要介绍了仿真软件以及本系统的仿真结果。
第2章系统方案的选择
2.1系统概述
该消毒柜采用臭氧消毒，具有消毒与加热功能，适合对碗筷等进行干燥和消毒。
臭氧消毒指示灯两个，假设分别为LED1，LED2；
加热指示灯两个，假设分别为LED3，LED4；
消毒按键一个，假设为A1；
消毒柜照明按键一个，假设为A2；
门吸开关一个，假设为K；
按键报鸣器一个。
开机时所有的指示灯均熄灭，按一下A1则LED1亮，臭氧发生器开始工作，45分钟后，LED1熄灭，LED2点亮；
45分钟后，LED2熄灭，LED3点亮，臭氧消毒结束，进入加热干燥阶段。
30分钟后，LED3熄灭，LED4点亮，再经过30分钟后LED4熄灭，整个消毒、加热干燥过程结束。
需要不同种类的消毒、加热干燥时，可以通过按A1进行选择，每按一次A1，点亮的LED指示灯就下移一位，只进行余下的消毒、干燥程序。
本消毒柜有四种消毒干燥程序：
1.LED1亮：
消毒45分钟→消毒45分钟→加热30分钟→加热30分钟
2.LED2亮：
消毒45分钟→加热30分钟→加热30分钟
3.LED3亮：
加热30分钟→加热30分钟
4.LED4亮：
加热30分钟
用数码管显示消毒加热的时间，需体现分钟、秒的显示。
A2单独控制，按一下A2，点亮照明灯，再按一下A2，关闭照明灯。
当A1或A2任何一个按下时，按键报鸣器都会发出“嘟”的声音。
门吸开关K，只有当消毒柜门关闭时臭氧发生器才能工作，防止臭氧的泄漏。
如果门没关好，则报警器将一直报警，直到将门关好为止。
如果在消毒过程中，将门打开，为确保安全，蜂鸣器也将一直报警。
2.2系统方案的选择与论证
2.2.1系统方案的论证
方案1：
仅由硬件电路实现。
根据系统功能的要求，它主要由电源电路、定时电路、臭氧发生电路、加热控制电路、显示电路和报警电路组成。
各电路都是由硬件来实现，不涉及到软件的设计。
原理框图如图2.1：
图2.1方案一原理框图
方案2：
由硬件电路加软件设计相结合实现。
采用单片机作为主控芯片来实现控制要求，通过软、硬件相结合的方式来完成系统功能。
原理框图如图2.2：
图2.2方案二原理框图
2.2.2系统方案的选择
从本设计的功能要求和实现的难易程度来考虑，选用第二种方案。
与第一种方案相比较，它存在各方面的优势。
从硬件电路设计上来看，采用第一种方案的电路实现复杂，每一个小功能都需要很多元器件构成电路来完成，且操作控制不精确；
同时对设计要求的多程序消毒干燥实现起来特别麻烦，工作量比较大；
然而第二种方案克服了第一种方案的诸多缺点，电路实现起来显而易见、一目了然；
许多的功能主要由软件来实现,除键盘控制模块由硬件电路实现以外，其它模块都以软件进得控制，以软件代替硬件，能够精确实现控制要求，提高了系统的控制精度。
键盘控制模块作用是人发出通过按键选择向系统发出命令进行哪种工作过程的操作，状态显示模块的功能是通过LED指示灯显示系统工作消毒或是加热干燥的哪个状态，时间显示的功能通过数码管能让使用一目了然的知道系统工作的时间；
消毒、加热，照明模块则是收到单片机的指令后对碗筷进行消毒和干燥，其中照明功能为使用者在黑暗的环境下机进操作提供了方便；
报鸣模块的作用是能让使用者确定其所进行的操作；
报警电路模块的功能是在当消毒柜门没有关好的情况下给使用者警示，提高了消毒柜的安全性和可靠性。
本方案当然也要有电源电路、臭氧发生电路，根据设计的要求，主要是实现单片机的控制功能。
第3章系统硬件电路的设计
本章将对系统的硬件电路设计进行介绍，它从芯片的选择到各个电路的设计原理，设计方案都做了详细的阐述。
3.1元器件的选择以及功能
3.1.1单片机的选择
单片机的品种很多，从它的成本上分为廉价单片机、常规单片机和高档单片机。
高档单片机用于系统比较复杂，要求实现的功能比较多，需要的I/O口比较多的场合。
如工业控制系统等。
廉价单片机用在要求实现的功能比较单一，被控对象比较少的场合。
如家用电器中广泛应用到的、价格低廉的PIC系列的单片机。
1.单片机的选型从以下几个方面考虑:
（
）单片机的系统适应性
适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以下几个方面体现。
单片机的CPU是否有合适的处理能力。
单片机是否有系统所需要的I/O端口数.
单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。
单片机片内是否有系统所需的外接口。
单片机的极限性能是否能够满足要求。
（2）单片机的市场供应情况
我们必须根据市场的供应状况来选择，只能在市场上所提供的机型中选择，特别是将作为产品生产的系统。
所以机型应较为流行、性能可靠、有稳定、充足的货源。
（3）单片机的可开发性
结合上述选型依据，虽然Microchip公司的PIC16C54单片机具有电源电压适应范围宽、抗干扰能力和驱动能力强、价格便宜等特点，是目前家用电器生产中常用的机型。
然而对这个系统来说，一个显著的缺点是，它的I/O端口太少。
另外由于本人所学的是51系列的单片机和实验室的实验器材的现实情况，该系统选用AT89C51单片机作为主控芯片。
AT89C51单片机和80C51单片机是完全兼容的，它与80C51的显著区别在于它内部有一个闪存。
2.AT89C51单片机的介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
（1）AT89C51引脚图见图3.1：
★AT89C51的主要特性：
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命：
1000写/擦循环
数据保留时间：
10年
全静态工作：
0Hz-24Hz
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
图3.1AT89C51引脚图低功耗的闲置和掉电模式
片内振荡器和时钟电路
（2）AT89C51引脚简介
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；
当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.震荡器特性
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内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.2蜂鸣器的选择
1.蜂鸣器简介
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电话机等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
在此我们选择电磁式蜂鸣器，电磁式蜂鸣器又分两种，有源和无源的。
有源蜂鸣器直接接上额定电源（新的蜂鸣器在标签上都有注明）就可连续发声，而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。
有源要单片机普通IO端口直接高低电平驱动，如果你的单片机端口驱动能力不够可以用三极管驱动。
程序也简单，但只能发出一种声音。
无源的话要频率驱动，不同频率驱动会发出不同的声音。
IO选择上最好是选择定时器的io输出，PWM输出或其他方便生成不同频率输出的端口。
程序略复杂，根据设计要求选择和编程的复杂度选择无源蜂鸣器。
1.蜂鸣器的工作原理
蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。
通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器，原理图见下面图3.2：
图3.2单片机驱动蜂鸣器原理图
如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控制，当P3.7输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；
当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
因此，我们可以通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。
3.2系统硬件电路介绍
3.2.1单片机最小系统
单片机最小系统由单片机，电源电路，时钟电路，复位电路构成。
过单片机最小系统通过软件的作用对消毒框的工作进程进行控制。
1.电源电路
由于单片机的供电电源为5V，又要保持电压稳定，所以我们必须设计一个5V的直流电源，直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，本电源电路采用采用单相桥式整流电路。
电源电路原理图见图4.5:
图3.3电源电路原理图
设变压器的原边电压为220V工频交流电，经整流桥整流后为直流6V。
其中Uc起滤波作用。
后半部分为集成稳压电路。
三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列（正电源）和CW78900系列（负电源）。
集成稳电路的确输出主要取决于集成稳压器，由于本电路所采用的集成器为CW7805所以输出
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