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毕业设计论文单片机红外线控制自动水龙头管理资料
河南工业职业技术学院
HenanPolytechnicInstitute
毕业设计(论文)
题目:
红外线自动水龙头
班级:
姓名:
指导教师:
设计任务书
一、设计题目
红外线控制自动水龙头
二、设计的目的
1)掌握光电传感器的原理及使用方法。
2)掌握用51单片机开发数据采集系统的流程及方法。
三、设计要求
红外线控制水龙头在生活中应用广泛,主要应用光电传感器对水龙头的开关进行自动控制。
其设计要求如下:
1)采用光电传感器采集数据;
2)用51系列单片机进行数据处理;
3)用电磁阀控制水龙头的开关;
4)当水龙头长时间开启,进行声音报警;
5)根据需要控制水流的大小。
四、设计任务
要求在规定时间内独立完成下列工作量:
说明详细,字迹工整,原理正确,元件选择有理。
图纸规范,图形清晰,符号标准,线条均匀。
1)撰写总体设计方案(设计说明书,15000以上);
2)电路原理图设计、绘制;
3)元器件的选型依据及计算;
4)元器件明细表;
5)撰写程序设计说明书
6)编写程序
五、参考文献
红外线控制自动水龙头
摘要
水龙头是室内水源的开关,负责控制和调节水的流量大小,是每个家庭必备的材料。
本文所介绍的是一种新型红外线控制自动水龙头,红外式自动水龙头由红外发射电路、红外接收放大电路、控制电路,电磁阀,电源组成。
用51系列单片机进行数据处理,电路简单,既防止了其它光源的干扰,又简化电路,降低成本,使用和安装都很方便。
成本低,体积小,安装简单。
自动水龙头接通电源,当手伸到水龙头下时,使水龙头放自来水,根据需要调节水流大小,手离开水龙头后,停止放水。
关键词:
红外线控制,自动水龙头,51系列,电磁阀
ABSTRACT
Tapwaterisusedindoorandresponsiblefortheswitchcontrolandjusttheflowofwater,isrequiredmaterialsineachfamily.Thispaperintroducesanewkindofinfraredcontrolwhichisautomaticinfraredautomaticsystemismadeupofinfraredtransmissioncircuit,faucetinfraredreceivingamplifiercircuit,controlcircuit,solenoidvalvesandpowersupply.Withsimplecircuitof51seriesmicrocontroller,whichpreventtheotherlightcircuitissimplify,cheapandveryconvenientandiseasyforinstallation.Lowcost,smallvolume,simpleinstallation.Automaticfaucetswitchonthepower,whenthehand,maketotapwaterfaucets,needadjustmentaccordingtoputhandsoffthetapwater,water,stop.
Keywords:
infraredcontrol,automaticfaucet,51series,solenoidvalves
第一章绪论……………...................………….........................……….1
…………………………..................................…...…1
…………….........................................................…2
第二章设计方案………………………………………………..…..5
……………………………………...……..........5
单片机控制方案....................................................................................7
第三章硬件设计………………………………................…………9
………………………………............…….....….9
…………………………………….....….......…16
……………………………………………....…23
第四章软件设计……………………………................….…....….27
……………………………..…........…27
……………………………………………….......…29
………………………………………………....…...30
结束语………………………………………………………………......32
参考文献…………………………………………………..…………...35
附录…………..……………………............................................36
致谢……………………………………………...………………….....…41
一、绪论
设计的目的与意义
水龙头,自从它发明的那天起,就成为人类的朋友,但随着时间的推移,科学技术的不断发展,人们对生活要求越来越高,追求自动化,智能化。
怎样让其更好的服务人民,怎样让我们的老朋友焕发青春呢?
这就要求人们不断设计出新型水龙头。
作为本设计核心元件的单片机自20世纪70年代问世以来,以其极高的性能价格比,受到人们的重视和关注,应用很广、发展很快。
单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。
由于具有以上优点,在我国,单片机已广泛的应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面,而51单片机是各单片机中较为典型和具有代表性的一种。
随着单片机的不断发展其应用的不断扩展,它的作用也越来越重要,家电智能化是人类日常生活必然趋势。
节能环保是当今世界发展的主题,而健康舒适的生活一直是人孜孜不倦的追求。
不管是在厨房里取水,还是卫生间里的洗手,水龙头上的细菌与病毒在所难免都要接触到,尤其是公共场所中的水龙头最为让人头痛。
怎样能避免某些传染疾病通过水龙头交叉感染,就是现在不得不考虑的一个问题。
此外,传统水龙头的流量变化因取决于水龙头的开口大小,而人为调节一直是困扰水龙头发展的一个难题。
本设计从日常生活中常见的事物入手通过对水龙头的设计,使我们认识到单片机已经深入到我们生活的各个领域。
该设计不仅可以锻炼我们的动手能力,而且可以加深我们对单片机的认识和激发我们对未知科学领域的探索,使得我们原本枯燥的学习变得更有趣味和更加形象。
单片机也被称为微控制器(Microcontroller),是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合,甚至比人类的数量还要多。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
1在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。
如:
音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。
在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。
单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器,GPS导航系统,ABS防抱死系统,制动系统等等。
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
第二章设计方案
设计方案的选择与论证
市场上流行的红外自动水龙头控制方案大都采用555控制、红外线传感器控制。
因红外自动水龙头要求简单,因此很少采用单片机控制。
555控制设计方案
555控制型自动水龙头
在图1中,555电路主要用来产生脉冲信号,有555振荡电路所产生的一定频率的脉冲信号,通过驱动红外线发射管发出相同频率的红外线信号,实现红外线控制电路的功能。
此控制电路采用红外线反射的控制方式,红外线发射管与接收管都暗中在同一平面。
平时,红外线接收管接受不到发射管发射的红外信号,LM567的⑧脚输出高电平,VT3截止,继电器不吸合,水阀关闭。
当有人接近时,通过人体发射使接收管接受到红外线反射信号,信号经过放大、译码后使LM567的⑧脚输出低电平,VT3导通,继电器Y吸合将水阀电源接通,水阀打开。
图自动水龙头工作示意图
装置由于采用了555电路组成的脉冲振动器,电路组成与调整简单,工作稳定可靠,场合广,成本低。
但是缺点也是显而易见的:
人一旦进入反射范围内,水阀就打开,水流量无法控制。
如图是采用SM9576型号的红外传感器自动水龙头控制原理图:
SM9576型号的红外传感器控制原理图
SM9576是一种性能可靠的单片红外线传感器。
它内部包含红外发射驱动电路和红外接收放大电路,其接收灵敏度由的容量大小决定。
SM9576有三组控制输出端Q0~Q2,分别对应于12脚、7脚、8脚,Q0~Q2的输出状态由10、11脚上所接的电位决定。
13脚为红外发射输出端,该脚输出的红外信号经VT1功率放大后,由VD2向外发射红外信号,20脚为红外信号输入端,VD2发射的红外信号由VD1接收,经C7、R6输入至20脚,并由SM9576内部放大整形,最后用于控制Q0~Q2的输出状态。
由图可知,在没有人洗手或无物体靠近时,Q0~Q2均为低电平,三极管VT2~VT4均于截止状态,继电器K1~K3均打开,皂液供应阀Y1、供水阀Y2及干手用的电吹风均不工作。
有人洗手时,即有物体靠近时,Q0变成高电平,VT2导通,K1得电吸合,接通供水阀Y2交流电源,Y2动作,水龙头放出自来水供人们洗手,4秒后,Q1输出高电平,VT3导通,K2得电吸合,接通皂液供应阀Y1的交流电源,Y1工作2秒钟,放出2秒钟的皂液后停止。
再洗手6秒后,Q2变为高电平,VT4导通,K3得电吸合,接通电吹风的交流电源,电吹风吹出热风。
在正常洗手过程中,如果时间超过60秒,Q2将变低电平,电吹风停止工作,以免浪费电能。
洗完手离开后,Q0、Q2均变为低电平,供水阀、电吹风均停止工作,同时Q1输出高电平,放出8秒钟的皂液在容器内以供下次使用。
相比较而言,采用单片机控制更智能化、人性化。
以上这两种方案都不能很好的解决水流量自动调节的难题。
但都有可取之处,因此根据设计要求结合着市场上的流行控制方案,初步思路如下:
使用555振荡电路所产生的一定频率的脉冲信号,通过驱动红外线二极管发出相同频率的红外线的脉冲信号。
单片机通过改变555集成电路输出端的电阻大小,进而改变了红外线的最大探测距离。
当人的手触及到红外线有效发射范围内时,红外线经反射后被相应的红外线接收管检测到。
采用51系列单片机作为数据处理,把相应的红外线接收管开关信号转化为控制水龙头流量的开关信号。
单片机根据红外线最大有效探测距离通过驱动电路自动控制三个电磁阀的通断,随时调整流量。
。
在图中单片机、红外线发射电路及接受电路三者紧密联系。
这种关系不仅体现在硬件上,而且在软件程序上三者是互为一体,是程序的主要部分。
第三章硬件设计
控制电路设计
控制电路主要用来数据的处理、信号的转换、逻辑控制。
控制电路设计主要包括:
单片机的选型、时钟电路、复位电路。
国内流行的8位单片机主要是51系列。
8051是单片机早期的经典产品,以后的51系列单片机都是据此发展起来的。
但实际上,标准的8051单片机,其功能简单,储存方式过于落后,这给单片机的开发与使用带来了诸多不便。
随着科技日新月异的发展,现在市场上已有许多优秀的替代品,AT89C51就是其中的代表。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
AT89C单片机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。
外形及引脚排列如图所示
一、芯片的引脚描述
如图,是AT89C51的符号图。
在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚,2条外接晶体的引脚,4条控制或与其它电源复用的引脚,32条输入/输出(I/O)引脚。
下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。
1、主电源引脚VCC和GND
VCC——(40脚)接+5V电压;
GND——(20脚)接地。
2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚)接外部晶体的一个引脚。
XTAL2(18脚)接外晶体的另一端。
在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时,对HMOS单片机,该引脚接外部振荡器的信号,即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端;对XHMOS,此引脚应悬浮。
AT89C51引脚图
3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
①RST/VPD(9脚)当振荡器运行时,在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。
推荐在此引脚与VCC引脚之间连接一个约10k的下拉电阻,与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容,以保证可靠地复位。
VCC掉电期间,此引脚可接上备用电源,以保证内部RAM的数据不丢失。
当VCC主电源下掉到低于规定的电平,而VPD在其规定的电压范围(5±)内,VPD就向内部RAM提供备用电源。
②ALE/PROG(30脚):
当访问外部存贮器时,ALE(允许地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。
即使不访问外部存储器,ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此,它可用作对外输出的时钟,或用于定时目的。
然而要注意的是,每当访问外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
ALE端可以驱动(吸收或输出电流)8个LS型的TTL输入电路。
③PSEN(29脚):
此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。
在从外部程序存储器取指令(或常数)期间,每个机器周期两次PSEN有效。
但在此期间,每当访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
PSEN同样可以驱动(吸收或输出)8个LS型的TTL输入。
④EA/Vpp(引脚):
当EA端保持高电平时,访问内部程序存储器,但在PC(程序计数器)值超过0FFFH(对851/8751/80C51)或1FFFH(对8052)时,将自动转向执行外部程序存储器内的程序。
当EA保持低电平时,则只访问外部程序存储器,不管是否有内部程序存储器。
对于常用的8031来说,无内部程序存储器,所以EA脚必须常接地,这样才能只选择外部程序存储器。
4、输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2、P3(共32根)
①P0口(39脚至32脚):
是双向8位三态I/O口,在外接存储器时,与地址总线的低8位及数据总线复用,能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。
②P1口(1脚至8脚):
是准双向8位I/O口。
由于这种接口输出没有高阻状态,输入也不能锁存,故不是真正的双向I/O口。
P1口能驱动(吸收或输出电流)4个LS型的TTL负载。
对8052、8032,,、重装触发,即T2的外部控制端。
对EPROM编程和程序验证时,它接收低8位地址。
③P2口(21脚至28脚):
是准双向8位I/O口。
在访问外部存储器时,它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。
在对EPROM编程和程序验证期间,它接收高8位地址。
P2可以驱动(吸收或输出电流)4个LS型的TTL负载。
④P3口(10脚至17脚):
是准双向8位I/O口,在MCS-51中,这8个引脚还用于专门功能,是复用双功能口。
P3能驱动(吸收或输出电流)4个LS型的TTL负载。
作为第一功能使用时,就作为普通I/O口用,功能和操作方法与P1口相同。
作为第二功能使用时,各引脚的定义如表所示。
值得强调的是,P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
表P3各口线的第二功能定义
口线引脚第二功能
10RXD(串行输入口)
11TXD(串行输出口)
12INT0(外部中断0)
13INT1(外部中断1)
14T0(定时器0外部输入)
15T1(定时器1外部输入)
16WR(外部数据存储器写脉冲)
17RD(外部数据存储器读脉冲)
主要特性:
1. 与MCS-51兼容
2. 4K字节可编程闪烁存储器
3. 寿命:
1000写/擦循环
4. 数据保留时间:
10年
5. 全静态工作:
0Hz-24MHz
6. 三级程序存储器锁定
7. ·28×8位内部RAM
8. 32可编程I/O线
9. 两个16位定时器/计数器
10. 5个中断源
11. 可编程串行通道
12. 低功耗的闲置和掉电模式
13. 片内振荡器和时钟电路
二、MCS-51单片机的片外总线结构
综合上面的描述可知,I/O口线都不能当作用户I/O口线。
除8051/8751外真正可完全为用户使用的I/O口线只有P1口,以及部分作为第一功能使用时的P3口。
单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入,用户I/O口外,其余管脚是为实现系统扩展而设置的。
这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构,即:
①地址总线(AB):
地址总线宽为16位,因此,其外部存储器直接寻址为64K字节,16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址(A0至A7);P2口直接提供8位地址(A8至A15)。
②数据总线(DB):
数据总线宽度为8位,由P0提供。
③控制总线(CB):
由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、ALE、PSEN组成。
时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。
单片机在时钟信号控制下,各种部件之间协调一直工作,时钟信号控制计算机的工作节奏。
单片机的时钟时序就是微处理器在执行指令时所需控制信号的时间顺序。
通常采用振荡电路能产出非常精确地正弦波,然后通过变换电路形成方波,这种方波在数字电路中作为触发器的时钟信号。
51单片机的时钟信号通常有两种产生方式:
一种是内部时钟方式;一种是外部时钟方式。
在单片机的XTAL1和XTAL2两个引脚间,接一只晶振及两只电容就构成了单片机的时钟电路,。
电路中的器件选择可以通过计算和实验确定,也可以参考一些典型电路的参数。
电路中,电容器C1和C2对振荡频率有微调作用,通常的取值范围30-100PF;石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。
其结果只是机器周期时间不同,影响计数器的计数初值。
复位电路
复位的目的是使单片机或系统中的其他部件处于某种确定的初始状态。
复位是单片机进入工作状态的初始化操作,是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
另外,当程序运行错误或由于错误操作而使单片机进入锁死状态时,也可以通过复位进行重新启动。
复位后,单片机内部寄存器的初始化。
MCS—51系列单片机的RS
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