单片机自动风淋室模型设计与制作文档格式.docx

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infraredsensors

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目 录

引言 1

1风淋室产生的意义 2

2风淋室研究的前提 2

2.1研究的技术基础 2

2.2制作任务及要求 2

2.3制作内容 2

3风淋室系统模型方案选择 3

3.1系统方案的整体设计 3

3.1.1硬件部分 3

3.1.2软件部分 3

3.2系统方案论证与比较 3

3.2.1单片机的选择 3

3.2.2电机的选择 3

3.2.3电源的选择 4

3.2.4显示的选择 4

3.2.5语音系统的选择 4

4系统硬件的设计与制作 4

4.1单片机最小系统及其主要芯片 4

4.1.1单片机最小系统的应用 4

4.1.2AT89S52主要特

性 5

4.1.3外部特性 5

4.2数码管显示 6

4.2.1产品分类 6

4.2.2驱动方式 6

4.2.3主要参数 7

4.2.4常见问题 7

4.3步进电机 9

4.3.1步进电机概述及工作原理 9

4.3.2步进电机的分

类 10

4.3.3步进电机基原

理 10

4.3.4步进电机的一些基本参

数 10

4.3.5步进电机特

点 11

4.3.6步进电机的特

征 11

4.3.7驱动控制系统组

成 12

4.3.8步进电机的应

用 13

4.3.9UCN5804B芯片 14

4.3.10保护电路的设计 15

4.4语音系统 15

4.4.1特点 15

4.4.2电特性 15

4.4.3独立按键工作模式 16

4.4.4管脚功能说明 17

4.4.5ISD1720的典型电路 19

4.4.6系统原理图 19

4.5传感器的设计 20

5系统软件设计 20

6系统的整体调试 22

6.1硬件调试 22

6.2软件调试 22

7 结论 24

谢辞 25

参考文献 26

附录 27

引言

随着社会的不断发展，推动社会进步的工业对无尘也有了较大的提高，风淋室应运而生。

风淋室,英文名为Air shower,又称风淋房,风淋门,风淋机,风淋设备等,因各地用户的习惯,叫法不一,但原理却是相同的. 风淋室是操作人员进入洁净室时使用的人身净化装置。

它利用高速洁净气流吹淋除掉进入室内人员身上的污物。

其喷嘴可调节，以便有效除去人身上的灰尘，并阻止外界污染进入洁净区域。

它也可应用于大件货物的吹淋。

风淋室是洁净厨房和装配式洁净室的洁净设备,用于吹除进入净化厂房的人体和携带物品表面的尘埃,同时风淋室又起到气闸缓冲的作用,防止未经净化的空气进入洁净区域,是进行人体净化和阻止外空气污染洁净区的有效设备。

风淋室功能的实现是全自动化的，自动化技术是近年来新技术发展的重要领域之一，是以微电子技术为主导的多种新兴技术与机械技术交叉、融合而成的一种综合性的高薪技术。

随着智能技术的不断发展，检测系统的技术融合了造型技术、机械、电子、计算机软件、硬件和人工智能等众多先进技术，充分地体现了当代信息技术多个领域的先进技术，是信息技术的重要内容，更是人为智能技术的结晶。

1风淋室产生的意义

风淋室的产生，满足了现在工业生产对无尘的要求。

为了研究风淋室，使专业知识更好的服务于现代生产，特制作该风淋室系统模型，整个系统模型包括硬件部分

（其中包括电路板的制作和机构部分的制作）、软件部分两大部分，从经济型、兼容型、方便型、专业型、实用型等着手设计软硬件部分，使其能够完整配合工作，尽可能提

高其性价比，使其在这日益竞争激烈的社会中也有广阔的市场和发展前景，以及较强的生命力。

随着电子科技的飞速发展，自动控制领域均得到了空前的发展。

通过对机电系统进行系统设计，有利于学生掌握控制电路原理设计，机械结构创新设计等方法，同时也能通过实际制作掌握机电系统的整体设计开发过程。

2风淋室研究的前提

2.1研究的技术基础

利用本专业机械设计制造及其自动化（机电一体化方向）所学专业知识实现各个模块的功能，其中用到单片机系统，电力拖动与控制，传感器原理及应用，语音系统，数码显示系统。

根据系统模型的要求和结合最高性价比选择相应的方案和材料；

同时硬件设施齐全，具有电脑，网路，调试用的万用表，电烙铁，腐蚀等做板相应的器材和设施，可以充分发挥自己的主观能动性来实现风淋室系统的实现。

2.2制作目的及要求

1、具体认识日常生活中的各种产品、设备，了解产品的各种功能；

2、查找相关文献资料，了解前沿科技动态，善于发现并培养创新意识；

3、制定课题大致方向，明确作品应达到的效果、功能及指标，制定有计划制作流

程；

4、熟练应用机械设计自动化软件，通过仿真等软件设计出合理的机械机构；

5、熟练掌握并能灵活应用KEIL程序调试及PROTEL电路设计等软件；

6、掌握数字电路基本设计方法，逻辑门的合理组合，最简式连接；

数字电路抗干扰电路设计，多余输入端的处理方法，数字电路响应速度对系统所产生的影响等。

7、系统整体设计应遵循电子产品设计规范及相关指标要求，如操控灵活性、人机界面友好性、功能完善性、绿色节能指标、系统安全稳定可靠性、整机性价比特性等；

8、掌握编写自动控制相关的电子产品设计方案、论证报告等。

2.3制作内容

风淋室系统模型设计及要求：

利用不锈钢焊接一房间模型，当按下一按键时，房间前门自动打开，3秒钟后房间自动关闭，当红外感应不到人存在时，语音提示人站在感应区呢，当红外感应到人存在时，风扇开始吹风，同时数码管进行倒计时，当倒计时结束时，风扇停止吹风，后面打开，3秒钟后房间自动关闭，语音提示从后门出去。

整个过程有单片机控制，全自动化的实现。

扩展：

1、加入语音系统

2、将配合精度尽可能提高，即误差小于1s

3风淋室系统模型方案选择

3.1系统方案的整体设计

3.1.1硬件部分：

l机构设置

采用不锈钢焊接房间模型，在房间内部焊接电风扇、功放及红外感应装置，在房间的前后门焊接两个步进电机，实现前后的门的控制。

通过各个模块的配合，实现自动化吹风的全过程。

l电路板的制作

采用AT89S52单片机作为主控制系统，前后门采用相同的步进电机驱动模块，房间内部配有语音模块、红外感应模块、吹风模块。

3.1.2软件部分：

本系统各个模块通过学习相关资料，结合自己所学实际情况均采用C语言进行编程，通过KEIL软件和PROGISP软件进行程序调试。

3.2系统方案论证与比较

3.2.1单片机的选择

方案一：

采用传统的89S52作为风淋室系统模型的控制核心。

52具有价格低廉使用简单等特点，其运算速率已满足要求，对风淋室系统模型的控制已经做够用了。

方案二：

采用AVR单片机作为风淋室系统模型的控制核心。

AVR单片机具有丰富的

资源，指令周期短，工作速度快、耗能低，低电压，内部有A/D转换和PWM控制输出功能，易于调试等优点，配置较高，对于风淋室系统模型的控制和信息处理有些资源浪费。

基于上述分析，拟选方案一。

3.2.2电机的选择

采用步进电机对风淋室系统模型进行控制，步进电机具有快速的启动能力，如果负荷不超过步进电机所提供的转矩，就能够立即使步进电机启动或反转；

另一个显著特点就是转换精度高，转速度容易控制，正反转控制灵活。

步进电机运动精确，控制方便，很适合风淋室系统模型。

采用直流电机直接实现对风淋室系统前后门的运动进行控制，直流电机具有过载能力强、无级调速度等一些优良特性。

但是不能精确控制转速，控制精度不高，较难把握，正反转控制不灵活。

不适合本次的风淋室模型系统。

3.2.3电源的选择

双电源供电。

用两个电源分别给控制系统和电机供电，将两个系统隔离，利用电感将两个电源的地线连接，将电机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但与此同时也提高了制作成本。

用单电源直接给控制系统和电机系统供电。

通过调试了解到本电机负载不大，电机本身不能承受过大电压，可与控制系统共用5V电源。

能够实习模型的正常运行。

基于上述分析，采用方案二。

3.2.4显示的选择

采用液晶显示。

液晶显示常用的分为12864和1602两种，这两种均具有制作简单，显示方便等特点，不过该产品价格较高，提高了制作成本，同时对于该系统有些资源浪费。

采用数码管显示。

数码管具有制作简单，价格低廉等优点，本次系统只需实现两位数字的倒计时，已满足该系统的需求，

3.2.5语音系统的选择

本系统需要两句提示语音，结合系统的实际情况和为提高系统的性源浪费。

价比，

选择具有能够播放20S语音功能的1720芯片，既能够实现语音功能又不浪费资源。

4系统硬件的设计与制作

4.1单片机最小系统及其主要芯片

4.1.1单片机最小系统的应用

单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）,又称微控制器

（MicrocontrollerUnit）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。

它的诞生标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两个分支。

通用计算机系统主要用于海量高速数值运算，不必兼顾控制功能；

单片机作为最典型的嵌入式系统，由于其微小的体积和极低的成本，广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。

因此，单片机的出现大大促进了现代计算机技术的飞速发展，成为近代计算机发展史上一个重要里程碑。

单片机的应用已经越来越广泛，而对工科大学生来说，掌握单片机的基本知识，具备一定的单片机系统设计能力，对于不管是即将参加工作，还是继续进行学习研究，都是必不可少的。

4.1.2AT89S52主要特性：

1〉与MCS-51单片机产品兼容；

2〉8K字节在系统可编程Flash存储器；

3〉1000次擦写周期；

4〉全静态工作：

0Hz—33MHz；

5〉32个可编程I/O口线；

6〉2个16位定时器/计数器；

7〉6个中断源；

8〉全双工UART串行通道；

9〉低功耗空闲和掉电模式；

10〉掉电后中断可唤醒；

11〉看门狗定时器；

12〉双数据指针；

13〉灵活的ISP编程（字或字节模式）；

14〉4.0---5.5V电压工作范围。

4.1.3外部特性（引脚功能） 图4.1 AT89S52引脚图

AT89S52芯片有40条引脚，双列直插式封装引脚图如4所示：

1.Vcc（40）：

电源+5V

2.Vss（20）:

接地

3.XTAL1（19）和XTAL2（18）：

使用内部如图一所示，振荡电路时，用来接石英，

晶体和电容；

使用外部时钟时，用来输入时钟脉冲。

图4

4.P0口（39—32）：

双向I/O口，既可作地址/数据总线口用，也可作普通I/O

口用。

5.P1口（1—8）：

准双向通用I/O口。

6.P2口（21—28）：

准双向口，既可作地址总线口输出地址高8位，也可作普通

I/O口用。

7.P3口（10—17）：

多用途口，既可作普通I/O口，也可按每位定义的第二功能操作。

8.ALE/~PROG（30）：

地址锁存信号输出端。

在访问片外丰储器时，若ALE为有效高电平，则P0口输出地址低8位，可以用ALE信号作外部地址锁存信号。

公式

（2—1）fALE=1/6fOSC ,也可作系统中其它芯片的时钟源。

第二功能~PROG是对

EPROM编程时的编程脉冲输入端。

9.RST/VPD（9）：

复位信号输入端。

AT89S51接能电源后，在时钟电路作用下，该脚上出现两个机器周期以上的高电平，使内部复位。

第二功能是VPD，即备用电源输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，VPD将为RAM提供备用电源，发保证存储在RAM中的信号不丢失。

10.~EA/Vpp（31）:

内部和外部程序存储器选择线。

~EA=0时访问外部ROM0000H—

FFFFH；

~EA=1时，地址0000H—0FFFH空间访问内部ROM，地址1000H—FFFFH

空间访问外部ROM。

11.~PSEN（29）：

片外程序存储器选通信号，低电平有效。

4.2数码管显示

数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

4.2.1产品分类

图4.2 数码管实物图

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；

按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位

等等数码管；

按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。

共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。

共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。

当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

4.2.2驱动方式

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出所需要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

（1）静态显示驱动：

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动

5个数码管静态显示则需要5×

8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

（1）动态显示驱动：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"

a,b,c,d,e,f,g,dp"

的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

5.2.2主要参数

8字高度：

8字上沿与下沿的距离。

比外型高度小。

通常用英寸来表示。

范围一般为0.25-20英寸。

长*宽*高：

长——数码管正放时，水平方向的长度；

宽——数码管正放时，垂直方向上的长度；

高——数码管的厚度。

时钟点：

四位数码管中，第二位8与第三位8字中间的二个点。

一般用于显示时钟中的秒。

数码管应用

数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流会使其发亮从而显示出数字

能够显示时间日期温度等所有可用数字表示的参数

由于它的价格便宜使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛空调热水器冰箱等等

绝大多数热水器用的都是数码管其他家电也用液晶屏与荧光屏数码管使用的电流与电压

电流：

静态时，推荐使用10-15mA；

动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA

，峰值电流50-60mA。

电压：

查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？

当红色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；

当绿色时，使用2.1V乘以每段的芯片串联的个数。

5.2.3常见问题

（1）恒流驱动与非恒流驱动对数码管的影响

①显示效果：

由于发光二极管基本上属于电流敏感器件，其正向压降的分散性很大，并且还与温度有关，为了保证数码管具有良好的亮度均匀度，就需要使其具有恒定的工作电流

，且不能受温度及其它因素的影响。

另外，当温度变化时驱动芯片还要能够自动调节输出电流的大小以实现色差平衡温度补偿。

②安全性：

即使是短时间的电流过载也可能对发光管造成永久性的损坏，采用恒流驱动电路后可防止由于电流故障所引起的数码管的大面积损坏。

另外，所采用的超大规模集成电路还具有级联延时开关特性，可防止反向尖峰电压对发光二极管的损害。

超大规模集成电路还具有热保护功能，当任何一片的温度超过一定值时可自动关断，并且可在控制室内看到故障显示。

（2）为什么数码管亮度不均匀？

关于亮度一致性的问题是一个行业内的常见问题。

有两个大的因素影响到亮度一致性：

一是使用原材料芯片的选取，一是使用数码管时采取的控制方式。

①原材料--芯片的VF和亮度和波长是一个正态分布，即使筛选过芯片，VF和亮度和波长已在一个很小的范围了，生产出来的产品还是在一个范围内,结果就是亮度不一致。

②要保证数码管亮度一样，在控制方式选取上也有差别，最好的办法是恒流控制

，流过每一个发光二极管的电流都是相同的，这样发光二极管看起来亮度就是一样的了。

如恒压控制，则导致VF不相同的发光二极管分到的电流不相同，所以亮度也不同

当然以上二个条件是相辅相成的。

⑶怎样测量数码管引脚，分共阴和共阳?

找公共共阴和公共共阳：

首先，找个电源（3到5伏）和1个1K（几百欧的也行

）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的，找到一个就够了，然后GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴的了。

相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚

，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳的。

也可以直接用数字万用表，红表笔是电源的正极，黑表笔是电源的负极。

该设计中用到两位数字的倒计时，采用了两个共阴数码管，因为数码管数目较少就没有用到数码管的驱动芯片74H573，直接用两个三极管和单片机的两个I/O口相连接，同时风扇也有单片机直接控制。

原理图如下：

图4.3单片机及数码管显示原理图

5.3步进电机

5.3.1步进电机概述及工作原理

图4.4步进电机实物图

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；

同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误