自动干手器电路的设计.docx

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自动干手器电路的设计

自动干手器电路的设计

摘要：

自动干手器是一种高档的卫生洁具，可以取代毛巾、纸巾，对手进行干燥。

具有节能、环保、人性化的优点，被广泛应用于宾馆酒店、机场车站、体育场馆等公共场所的洗手间。

现在市场上购买的自动干手器的控制电路大多使用555时基电路和数字集成电路。

由于分立元件较多，电磁干扰较强，工作不稳定，人性化方面不够完善。

电路采用52单片机进行控制，克服了以上缺点。

用52单片机和红外感应设计的干手器具有能够自动感应人手的靠近和离开，通过硬件设计增减每次工作时间，用数码管显示干手器设定的工作时间和倒计时时间，用开关选择输出冷风或热风，以满足不同温度天气的使用。

电路在方案上有设计的可行性，也具有一定的市场前景。

对自己而言，该课题的研究可以把大学所学的专业知识应用到实际的电路设计中去，使自己的专业知识得到进一步的巩固。

关键词：

单片机；红外感应；干手器

Infra-redautomatichanddryerofdesign

Abstract:

Automatichanddryerisahigh-endsanitaryware,whichcanreplacethetowels,papertowels,opponentsofthedrying.Energysaving,environmentalprotection,human,itiswidelyusedinhotels,airportstations,sportsstadiumsandotherpublicplacestoilets.Nowonthemarkettobuytheautomatichanddryersaremostlyusedtocontrolcircuit555circuitanddigitalintegratedcircuits.Asaresultofresistors,capacitorsandotherdiscretecomponentsmore.Strongelectromagneticinterference.Jobinsecurity,humanaspectsisinadequate.Thedesignusesamicrocontrollertocontrolcircuit52,toovercometheabovedisadvantages.52microcontrollerandinfraredsensorswiththedesignofdryhandswiththeabilitytoautomaticallysenseandmanpowerintohisleave,workingthroughthehardwarecanaddandsubtracteachtime）digitaldisplaycanbeusedtosetthetimefordryhandsandworkinthedryerTheworkisdisplayedwhenthecountdowntime,selecttheoutputselectorswitchcanusecoldorhot,theweatheratdifferenttemperatureswere

Thisdesignintheschemedesignoffeasibility,alsohascertainmarketprospect.Formyself,thistopicresearchcanputacollegemajorknowledgeappliedtopracticalcircuitdesign,makemyselfoftheprofessionalknowledgetofurtherconsolidate.

Keywords:

MCU;Infraredsensing;Airingimplement

目　录

第1章绪论

1.1课题背景

近年来，随着人们生活水平的日益提高，人们对卫生的关注越来越高。

人们常用洗手来控制细菌传播，但很多人往往忽略了洗完手后使手变干的步骤，因此导致洗手效果的减弱。

英国的一项新研究显示，选择让手变干的正确方法有利于防止手上残留细菌传播与繁殖。

英国布拉德福德大学等机构的研究人员在新一期《运用微生物杂志》上申报说，洗手是有效去除细菌的方法，但还不能去除所有的细菌，如果随后不使用正确的方法让手变干，残留的细菌会在湿润的环境中继续生长扩散。

因此，让手变干的方法正确与否也对手上细菌的控制起着至关重要的作用。

调查显示，在运用纸巾、借助各类“干手器”等方法中，运用干手器最能防止细菌的扩散。

因此，研究符合市场需求的干手器对提高人们的生活质量有一定积极的意义。

1.2课题研究的目的和意义

我们都知道，卫生和环保是21世纪人们最关心的话题之一。

设计符合市场需要的环保节能产品对提高人民的生活质量有着积极意义，为了使人们洗手之后能够有效地防止细菌的再次扩散，我们迫切的需要具有人性化与智能化的东西来干手，让我们在使用时候能保持愉快的心情。

1.3设计任务及要求

电路以单片机为核心，用红外管来检测人体信号。

当单片机检测到人体信号后，通过数码管显示倒计时间，控制继电器闭使电吹风工作来实现干手的目的。

设计的自动干手器能完成以下功能：

（1）用单片机设计自动干手机，能自动识别人手的靠近与离开，在人手靠近时，干手机工作，手离开则停止工作。

（2）工作时间设定为15秒。

该时间可以更改，最大为30秒。

（3）用数码管显示干手机工作时间并在能显示工作的倒计时时间。

（4）通过开关选择输出冷风或热风，以满足不同温度天气的使用。

第2章方案论证

2.1方案一

采用如图2-1的电路框图，红外感应模块用红外对管来实现。

由单片机产生4000HZ的方波信号，驱动红外发射管向下发射红外线脉冲。

当有手伸到干手器下面时，发射的红外线脉冲被反射回来，由红外接收管接收并转换为电信号，电信号经放大后得到方波信号送至单片机，从而实现对人体信号的采集。

当单片机检测到人体信号后，通过软件来控制数码管显示倒计时间，并控制继电器闭合来控制电吹风的开关来实现干手器的设计。

图2-1方案一电路框图

2.2方案二

采用如图2-2的电路图，信号采集用热释电传感器处理芯片BIS0001和人体热释探头来实现。

图2-2方案二电路框图

当有行人进入热释电红外传感器（PIR）的探测区内时，PIR便将检测到的人体辐射出的红外信号转换为低频（0.5～9Hz）电信号，经放大、滤波和信息处理后，电路输出有一定延时的高电平信号。

将得到的高电平信号输入单片机端口，以实现对人体信号的采集。

当单片机检测到人体信号后，通过软件来控制数码管显示倒计时间，并控制继电器闭合来控制电吹风的开关来实现干手器的设计。

2.3系统方案对比论证

从以上的两个方案中，很容易看出，方案一电路简单，系统稳定性好，符合设计的要求。

方案二电路复杂，输出的信号有延时，而且感应人体信号时并不是很稳定。

所以，综合考虑选择方案一，这样设计的自动干手器具有成本低、稳定性好的特点。

第3章硬件电路

硬件电路主要由晶振电路、复位电路、数码显示电路、继电器、红外感应电路和执行电路组成。

采用AT89S52单片机完成整个系统的控制流程。

3.1硬件设计的系统框图

系统的主要设计框图如图3-1所示。

通过控制继电器闭合来控制电吹风开关

图3-1硬件设计的系统框图

电路用红外对管来实现对人体信号的采集。

由单片机产生4000HZ的方波信号，驱动红外发射管向下发射红外线脉冲。

当有手伸到干手器下面时，发射的红外线脉冲被反射回来，由红外接收管接收并转换为电信号，得到的电信号经过运放进行信号放大后得到的方波信号送至单片机，当单片机检测到人体信号后，通过数码管来显示倒计时间，并控制继电器闭合来控制电吹风的开关来实现干手器的目的。

3.2元器件介绍

3.2.1单片机AT89S52介绍

单片计算机即单片机，其全称为单片微型计算机（Single—ChipMicrocomputer）。

由于单片机原来就是为了实时控制应用而设计制造的，因此，亦称为微控制器（Microcontroller）,就是将CPU、RAM、ROM、定时/记数器和各种输入/输出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D转换器）等多种接口电路都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

单片机种类繁多，不过又以MCS-52系列的单片机使用最广泛。

而且本设计的主要功能和52系列的单片机用途很合适，所以我们选用ATMEL公司的52系列芯片。

AT89S52具有下列主要性能：

·8KB可改编程序Flash存储

·全静态工作：

0Hz～24MHz

·三级程序存储器保密

·128×8字节内部RAM

·32条可编程I/O线

·2个16位定时器/计数器

·6个中断源

·可编程串行通道

图3-2AT89S52的管脚

·片内时钟振荡器

AT89S52的引脚及功能

AT89S52单片机的管脚说明如图3-2所示。

（1）主要电源引脚

VCC电源端

②GND接地端

（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。

当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

②XTAL2接外部晶体的另一个引脚。

在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。

（3）控制或与其它电源复用引脚RST、ALE//PROG、/PSEN和/EA/VPP

RST复位输入端。

当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

②ALE//PROG当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）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（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。

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。

在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。

③/PSEN程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。

当AT89S52/LV52由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次/PSEN有效（既输出2个脉冲）。

但在此期间内，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。

④/EA/VPP外部访问允许端。

要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000H～FFFFH），则/EA端必须保持低电平（接到GND端）。

当/EA端保持高电平（接VSS端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。

（4）输入/输出引脚P0.0～P0.7、P1.0～P1.7、P2.0～P2.7和P3.0～P3.7

P0端口（P0.0～P0.7）P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。

作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。

②P1端口（P1.0～P1.7）P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P1的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

作输入口时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

③P2端口（P2.0～P2.7）P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。

P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

④P3端口（P3.0～P3.7）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，这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能，这些特殊功能见表3-1[7]。

表3-1P3端口的特殊功能

端口引脚

兼用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

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）

3.2.2红外对管

红外对管是红外线发射管与红外接收管配合在一起使用时候的总称。

红外线发射管（如图3-3所示）在LED封装行业中主要有三个常用的波段，如下850NM、875NM、940NM。

根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备、875NM主要用于医疗设备、940NM波段的主要用于红外线控制设备。

例如：

红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。

红外线接收管（如图3-4）是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接受入射光线，PN结面积尽量做的比较大，电极面积尽量减小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

红外线接收二极管是在反向电压作用之下工作的。

没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。

当有红外线光照时，携带能量的红外线光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对（简称：

光生载流子）。

它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。

这种特性称为“光电导”。

红外线接收二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。

如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

红外接收管的作用是进行光电转换，在光控、红外线遥控、光探测、光纤通信、光电耦合等方面有广泛的应用。

图3-3红外线发射管图3-4红外线接收管

3.2.3数码管

数码管如图3-5所示，是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。

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（如图3--6）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。

本设计需要用到数码管的动态显示方式。

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，所以我们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.

图3-5数码管实物图图3-6数码管原理图

3.2.4继电器

继电器是一种电子控制器件，如图3-7所示。

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

图

3-7继电器原理图

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会

在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与

静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

3.3晶振电路

晶体振荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

电路图如图3-8所示。

图3-8晶振原理图

3.4复位电路

复位操作完成单片机片内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。

当AT89S52单片机的复位引脚RST出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。

如果RST持续为高电平，则单片机就处于循环复位状态而违法执行程序。

因此要求复位后能够脱离复位状态。

根据这个要求，这里采用的是电平按钮复位方式。

上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。

当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。

通常选择电容值10～30μF，电阻值10kΩ。

电路图如图3--9所示。

图3-9复位电路图

3.5显示电路

电路采用2位共阳数码管，把7段数码管按顺序接到单片机的P0端口，而数码管的位选接到P2.0和P2.1端口。

当单片机检测到信号输入时，数码管将显示干手器的工作时间并进行倒计时。

电路如图3-10所示

图3-10数码管显示电路图

3.6开关电路

开关电路用来控制吹风机的开与关，是由电吹风、继电器K1组成。

当单片机检测到信号时，输出端输出高电平使得继电器中的线圈两端得到一个电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

电路如图3-11所示。

图3-11继电器电路图

3.4.5红外感应电路

红外线感应单片机产生4000HZ的方波信号，驱动红外发射管发射红外线脉冲。

当有手伸到干手器下面时，发射的红外线脉冲被反射回来，由红外接收管接收并转换为电信号，电信号经运放进行信号放大后得到的方波信号送至单片机，从而实现对人体信号的采集。

电路如图3-12所示。

图3-12红外感应电路图

3.4.6执行电路

执行电路主要是电吹风。

当接到冷风档时，电动机驱动转子带动风叶旋转。

当风叶旋转时，空气从进风口吸入，由此形成的离心气流再由风筒前嘴吹出，从而得到冷风。

若在电动机接通的基础上电热丝也接通到电路上，装在风嘴中的发热支架上的发热丝变热并由电动机风扇吹出，则吹出的是热风。

自动干手器主要就是通过控制电动机和电热丝的开关来实现冷风和热风的选择。

电路如图3--13所示。

图3-13电吹风电路图

第4章软件设计

本系统软件设计包含一个主程序和一个中断程序，其中主函数包括六个子函数。

4.1主程序的设计

程序的主函数中包含方波初始化和红外频率检测初始化程序，并根据标志位Flag的状态来执行显示倒计时、设置时间和按键的操作。

主程序的流程图如图4--1所示：

图4--1主程序流程图

4.2定时中断程序的设计

4.2.1实现功能

中断程序主要实现了检测接收频率是否符合发射频率，当延时检测接收频率也符合要求时，数码管显示设定时间并倒计时，继电器闭合使得电吹风工作。

4.2.2中断流程图

图4--2中断函数流程图

4.2.3关键技术

单片机定时器/计数器在测量控制系统中，常常需要实时时钟，以实现定时或延时控制；也常常需要有计数器，以实现外界事件进行计数。

MSC-52单片机内部有3个16位可编程定时器/计数器T0、T1和T2。

可编程其功能（如工作方式、定时时间、量程、启动方式等）均可由指令来设置完成、每个定时器的计数信号来自片内振荡器的12分频信号，即每个机器周期，计数器加1，直至溢出。

而计数方式是外部脉冲从引脚t0或t1加入，外部脉冲的下降沿将触发计数器计数，直至溢出。

定时器方式寄存器TMOD主要用于选定定时器的工作方式。

定时器控制寄存器TCON主要控制定时器的启动与停止。

在使用定时器/计数器前，需要对其进行初始化设置，大致步骤如下：

a.确定工作方式（对TMOD赋值）。

b.预置定时或计数初值（可直接将初值写入TH0，TL0或TH1，TL1）。

c.根据需要开放定时器/计数器的中断（直接对IE赋值）。

d.启动定时器/计数器（若已规定用软件启动（GATE=1），则需要给外加引脚启动电平。

当实现了启动要求之后，定时器/计数器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时）。

定时工作方式有四种，不同的工作方式，计数的位数不同，则最大计数值也不同。

若最大计数值为M，则各种方式下M的值如下：

工作方式0M=2^13=8192

工作方式1M=2^16=65536

工作方式2M=2^13=256

工作方式3T0分为两个8位计数器，所以两个M值均为256.因为定时器/计数器是“加1”计数，并在计满溢出是产生中断请求，因而定时器/计数器的初值也可这样计算：

X=M–计数值…………（公式1）

定时器控制字有两个分别为TNOD和TCON

定时器/计数器的方式寄存器TMOD

TMOD是一个8位的特殊功能寄存器，对应的地址是89H，不可位寻址。

主要实现三个功能：

（1）确定选择定时器还是计数器；

（2）选择何种工作方式；

（3）是否借用外中断控制定时器和计数器的启停；

TMOD的低4位是控制T0的字段（T0——P3.4定时器/计数器0外部事件脉冲输入端）。

TMOD的高4位