基于单片机的红外自动淋浴器设计毕业论文.doc
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1、 基于单片机的红外自动淋浴器设计毕业论文目 录第一章绪论11.1 红外技术的特点11.2 课题背景与意义11.3 国外的研究现状21.4 论文的主要研究容3第二章系统整体方案设计42.1系统设计思路42.2系统方案设计42.2.1 方案一42.2.2 方案二5第三章系统硬件设计63.1单片机的选择63.1.1 STC89C52单片机的特点63.1.2 STC89C52单片机的管脚说明83.2红外信号的采集电路设计93.2.1 RE200B热释红外传感器结构图与工作原理103.2.2热释电红外传感器RE200B处理芯片BISS0001113.2.3 红外采集电路123.3显示电路设计133.3.
2、1 1602液晶模块JHD162A 简介133.3.2单片机与1062LCD接口电路设计163.4 报警电路设计173.5 电磁阀控制电路设计17第四章系统软件设计194.1 主程序设计194.2 红外信号采集程序194.3 报警程序194.4液晶显示驱动程序19致谢22参考文献23附录24附录A 开发板原理图24附录B 程序清单2541 / 44 第一章 绪论近年来单片机技术发展很快,已广泛应用于军事、通信、消费类电子等领域正成为各行业不可缺少的技术,是电子类科研和工程技术人员必须掌握的技术之一。1.1 红外技术的特点红外技术能够得到众多厂家的支持和青睐,是和其本身的优点是分不开的。一般人体
3、都有恒定的体温,一般在37度,所以会发出特定波长10UM左右的红外线,被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件,这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡,向外释放电荷,后续电路经检验处理后即可产生报警信号型还是B型,其引线只有4根,2根数据线,一根电源线,一根地线。释电红外传感技术在红外探测、夜视装置、防入侵、安全防、自动门控制、自动灯控制、交通管制、温度监测以与观点玩具等方面有着广泛应用1。因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎:
4、“有电危险”安全警示电路:用于有电场合时,通过发出声音和声光提醒人们注意安全。自动门:主要用于银行、宾馆;当有人来到时,大门自动打开,人离开后又自动关闭。红外防盗报警器:用于银行、办公楼、家庭等场合的防盗报警器。高速公路车辆、车流计数器。自动开、关的照明灯,人体自动开关等。1.2 课题背景与意义我国国有企业、事业单位、学校等都有许多公共浴室,其中大多是传统淋浴设备;这些设备旧,造成大量淡水资源的浪费。这些浴室每个喷头没一小时浪费掉0.25吨水,一天工作八小时就浪费2吨水,那么一千个、十万个这样的喷头将浪费多么大的淡水资源;浪费主要是因为水阀,其中主要与出水阀有关目前传统公共浴室应用较广泛的阀门
5、有两种。第一中是手动阀。这是最原始,但价格低廉,在我国广大城乡地区仍应用广泛。第二种是脚踏弹簧阀。这种阀门采用机械性原理,实现半自动控制。现在基于单片机的红外测控系统,它采用了单片机控制技术和红外感应技术,集成了光学、电子、单片机和机械等技术于一体。该系统应用于自动淋浴器的实例说明:系统工作可靠,成本低廉,经济效益显著。1.3 国外的研究现状21世纪是迈向信息化社会的崭新阶段,其中,红外技术已成为这一时期科学技术发展的重要标志,并最有寻求更大的突破与飞跃。市场上有许多种类的红外淋浴器,如学校和高级宾馆所设的红外淋浴器,是利用红外发射接收方式达到控制淋浴器水龙头开或关的装置,当人手将红外光线切断
6、, 接收器与控制器件将淋浴器打开供水,由于发射器所发出的是一束光线,所以手放的位置受限,而且还要一个长期工作的红外发射器,用电量大、成本高易损坏、安装困难、使用不方便。同时现阶段又出现红外自动淋浴器,利用人的手和身体所发出的红外线直接控制淋浴器水龙头开或关的人体红外传感自动淋浴器。产品主要特点:1、自动淋浴器采用红外遥控原理,自动感应人体的来去,人到水流,人去水停。 2、节水效果明显,达30%以上。 3、具有极强的防水垢、防污能力。 4、控制器不怕潮气、不怕水淋、不怕浓雾。 5、控制器和喷头之间采用电线连接。 6、恒温供水,供水方式可明可暗。 7、适合厂矿、公共浴池等使用环境。 8、喷头与电磁
7、阀合二为一,便于检修、除垢。9、浴池整体布局合理,墙面整洁,管路明快简捷,方便浴后清理卫生。 10、人在淋浴时不用触摸开关,温馨舒适,充分享受高科技带来的全自动的文明服务。1.4 论文的主要研究容针对目前国淡水资源大量浪费的现状,结合国外现有的相关研究成果与现有的成熟技术。本论文进行了基于单片机的红外淋浴器系统的研究与设计。论文的主要容有:第1章 绪论。简要介绍本文的研究目的与意义、红外传感技术在国外发展和现状。第2章 系统整体方案设计。主要包括系统的设计思路与系统方案对比。第3章 系统硬件设计。这部分主要包括系统各模块的主要芯片选型、各芯片的功能介绍、各模块的功能作用阐述与其红外传感模块与报
8、警显示模块硬件电路设计等。第4章 系统软件设计。软件设计部分包括系统主程序、红外采集程序、显示程序与报警程序等,并给出了各自的设计流程图。第二章 系统整体方案设计本章提出了系统的设计思路,明确了系统的功能特点。制定了系统方案框图 在系统结构设计部分给出了红外淋浴系统的结构图。2.1系统设计思路红外淋浴系统的设计思路:当人靠近淋浴器时,系统中的红外传感器检测模块便器检测到相应的人体红外信号,系统便被触发;送给单片机控制系统进行判断处理后,打开电磁阀、触发报警、时间显示等一系列操作。2.2系统方案设计2.2.1 方案一采用SNS9201红外传感器进行对人体红外信号采集,经SNS9201芯片处理之后
9、传给单片机,单片机作相应的操作,如电磁阀和蜂鸣器的开关,并将时间用数码管显示出来。但SNS9201芯片处理红外信号时有延时电路,电磁阀不能马上打开;其次数码管功耗大并对电流非常敏感,不能极好显示时间。所以该方案只能较好完成系统功能。图2-1 方案一2.2.2 方案二采用RE200B红外传感器进行对人体红外信号采集,经BISS0001芯片处理之后传给单片机,单片机作相应的操作。如电磁阀和蜂鸣器的开关,并将时间用LCD显示出来。BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路,能与时对红外信号进行采集并触发单片机的控制操作;LCD体积小、工作电流比LED小几个数量级,故其功耗低,且有着良好
10、的人机界面。该方案能很好完成系统功能。图2-2 方案二从以上两种方案,采用方案二。电路比较简单、费用较低、可靠性高、软件设计也比较简单,故采用了方案二。第三章系统硬件设计根据系统采用的方案,本章设计了系统的总体结构图。阐述了系统硬件的总体结构;其次进行系统的硬件设计,包括红外信号采集模块设计和电磁阀控制模块设计,液晶显示模块设计,报警电路设计等。详细阐述了各个模块的芯片选型,根据所选芯片的功能特点、工作原理与接口电路,设计了各模块的具体硬件电路。3.1单片机的选择STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K可编程Flash存储器2。使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业
11、80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案3。3.1.1 STC89C52单片机的特点1、 超低功耗(1)掉电模式:典型功耗 0.5uA,可由外部中断唤醒,中断返回后,继续执行原程序(2)空闲模式:典型功耗 2mA(3)正常工作模式:典型功耗 4mA - 7mA2、 超强抗干扰(1)I/O口输入/输出口经过特殊处理,很多干扰是从I/O进去的,每个I/O均有对VCC/对GND二级管箝位保护。(2)电源单片机部的电源供
12、电系统经过特殊处理,很多干扰是从电源进去的。(3)时钟单片机部的时钟电路经过特殊处理,很多干扰是从时钟部分进去的。(4)看门狗单片机部的看门狗电路经过特殊处理,打开后无法关闭,可放心省去外部看门狗。(5)复位电路单片机部的复位电路经过特殊处理,很多干扰是从复位电路部分进去的。STC89C51RC/RD+系列单片机为高电平复位。推荐外置复位电路为MAX810/STC810,STC6344,STC6345,813L,706P;也可用R/C复位 10uF电容/10k电阻,22uF/8.2k等。(6)宽电压 不怕电源抖动,5v: 6v - 3.4v 3v: 4v - 1.9v。3、 具体特征如下:(1
13、)增强型6时钟、机器周期 12时钟、机器周期 8051 CPU。(2)工作电压:5.5V - 3.4V(5V单片机)/ 3.8V - 2.0V(3V单片机)。(3)工作频率围:0 40MHZ 相当于普通8051的 080MHZ。实际工作频率可达48MHZ。(4)用户应用程序空间4K / 8K / 13K / 16K / 32K / 64K 字节。(5)片上集成1280字节 / 512字节 RAM。(6)通用I/O口(32/36个) 复位后为:P1/P2/P3/P4是准以向口/弱上拉(普通8051传统I/O口)P0口是开漏输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻。(
14、7)ISP(系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器/仿真器可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户SK程序3秒即可完成一片。(8)CCPROM功能。(9)看门狗电路。(10)部集成MAXS10专用复位电路(D版本才有)外部晶体20M以下时,可省外部复位电路。(11)共3个16位定时器/计数器。其中定时器0还不可以当成2个8位定时器使用。(12)外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。(13)通用异步串行口(UART) 还可用定时器软件实现多个UART。(14)工作温度围:0-750C/-400C -+850C。(1
15、5)封装:LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44。3.1.2 STC89C52单片机的管脚说明STC89C52芯片如图3-17:图3-1 STC89C52管脚图具体介绍如下:(1)主电源引脚(2根)VCC(Pin40):电源输入接5V电源;GND(Pin20):接地线;(2)外接晶振引脚(2根)XTAL1(Pin19):片振荡电路的输入端;XTAL2(Pin20):片振荡电路的输出端;(3)控制引脚(4根)RST/VPP(Pin9):复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30):地址锁存允许信号;PSEN(Pin29):外部存储
16、器读选通信号;(4)可编程输入/输出引脚(32根)STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口。分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚)共32根。PO口(Pin39Pin32):8位双向I/O口线,名称为P0.0P0.7;P1口(Pin1Pin8):8位准双向I/O口线,名称为P1.0P1.7;P2口(Pin21Pin28):8位准双向I/O口线,名称为P2.0P2.7; P3口(Pin10Pin17):8位准双向I/O口线,名称为P3.0P3.7;STC89C52主要功能如表3.1所示。表3.1 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Fl
17、ash ROM32个双向I/O口256x8bit部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.2红外信号的采集电路设计红外信号采集都是指从传感器或者其他待测的设备等模拟被测单元或数字被测单元中自动采集信息的一个过程。信号采集系统是结合计算机的测量软硬件相关产品来实现灵活、用户自定义的测量系统4。一个完备的数据采集系统应该包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、驱动程序和应用软件等等。本系统中被检测的信号为模拟量,要经过BISS0001
18、转换成数字量,才能实现单片机的控制。数据采集模块是将人体红外的传感器信号,经过BISS0001送给单片机进行处理,终端单片机判断处理并作时间数码显示与蜂鸣器报警。在数据采集模块部分,本系统采用STC89C52单片机作为前端警情采集中心控制单元,主要完成对所采集数据的处理。下面介绍采集模块各芯片的选型。3.2.1 RE200B热释红外传感器结构图与工作原理RE200B热释电红外传感器5的通常由热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET和电阻等部分组成。热释电晶体一般采用PZT或其他压电晶体材料,将敏感材料PZT的上、下表面做成电极,并在其上表面上加1层黑色氧化膜,以提高转换效率。在管壳顶端
19、装有滤光镜片,它可以阻止不需要的红外线或其他光线进入传感器,其结构如图3-2所示。红外传感器工作原理与红外线有关,它是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器,热释电红外传感器部的热释电晶体具有极化现象,并且随温度的变化而变化。这种传感器对于不同波长的光线照射都能产生不同程度的响应,因此在传感器前会加入一个滤镜窗口,这就是为什么我们能看到的RE200B的to5封装形式中有一个像玻璃似的小窗。当然通过这个滤镜可以限定晶体对特定波长的光线产生响应,一般在8um14um,这样就非常接近人体辐射的红外线波长了。当恒定的红外辐射照射在探测器上时,热释电晶体温度不变,晶体对外呈电中性,探测器没有电信号输出,
20、因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时,晶体温度迅速变化,这时才发生电荷的变化,从而形成一个明显的外电场,这种现象称为热释电效应。由于热释电晶体输出的是电荷信号,不能直接使用,需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104兆,故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。热释电红外传感器,其部结构示意图如图3-3所示。该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联,用来防止其他红外光引起传感器误动作。另外,当环境温度改变时,两个晶体的参数会同时发生变化,这样可以相互抵消,避免出现检测误差。该传感器使用时,D端接电源正极,G端接电源负极,S端为信号输
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