智能自动擦鞋机的设计.docx
《智能自动擦鞋机的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能自动擦鞋机的设计.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能自动擦鞋机的设计
2015届
分类号：
TP368
单位代码：
10452
毕业论文（设计）
智能自动擦鞋机的设计
姓名 李玉青
学号 XXXXXXXXXXXXX
年级XXXX级
专业 XXXXXXXXXXXXXXXXXX
系 （院） XXXXXXXX
指导教师 XXXXXXXXX
2015年04月10日
摘要
本论文撰写的是智能自动擦鞋机的设计。
本次设计的系统的主控芯片使用的是51系列的AT89C51单片机，该系统还包括变压器、稳压集成电路7805、对射式红外光电开关、L293D芯片等。
这些硬件组成了系统的单片机最小系统模块、电源模块、红外感应模块、电机驱动模块。
其中的单片机最小系统模块是最重要的，单片机最小系统模块的用途是控制系统的正常运行，是全部系统的核心。
该系统的工作方式是通过红外感应模块检测信号，运用AT89C51单片机的运用和处理能力最终实现了擦鞋机传动的目的。
关键字：
智能自动；擦鞋机；单片机；红外光电开关
Abstract
Writingofthispaperisthedesignofintelligentautomaticshoemachine.Thedesignofthesystemofthemaincontrolchipisusing51seriesofAT89C51singlechipmicrocomputer,thesystemalsoincludestransformer,voltageregulatorIC7805,correlationtypeinfraredelectricswitch,L293Dchip,etc.Thehardwarecompositionofthesystemofsinglechipmicrocomputerminimumsystemmodule,powermodule,infraredsensormodule,motordrivermodule.Thesinglechipmicrocomputerminimumsystemmoduleisoneofthemostimportant,singlechipmicrocomputerminimumsystemmoduleUSESisthenormaloperationofthecontrolsystem,isthecoreofthewholesystem.Bytheinfraredsensingmoduleandthesystemworksbydetectingsignal,usingtheapplicationofAT89C51andprocessingpowertoachievetransmissionwiththeshoepolisher.
Keywords:
Intelligentautomatic;Shoemachine;Singlechipmicrocomputer;Infraredelectricswitch
1绪论
1.1擦鞋机的概述
随着生活水平的提高，一双光洁的皮鞋不再是奢侈品而是人们着装的日用品，衣着光鲜亮丽也就成为了人们的一种生活习惯。
但是皮鞋穿在脚上，走在路上，不能避免的会沾到灰尘、污水等。
皮鞋变脏后继续穿不仅不舒服而且会影响到别人对穿鞋人的印象。
在出席重要场所甚至是到他人家做客时，穿着不净都是一种不礼貌的行为。
因此人们为了使皮鞋时刻保持整洁光亮，就经常对皮鞋进行擦拭。
擦鞋过程是一个十分繁琐的过程，大体的过程有清洁、上光、抛光、补色等。
一系列步骤操作下来，会消耗大量时间。
有时人们根本没有时间去进行繁琐的擦鞋，或者不乐意去做这些琐碎的事情。
故而，社会上出现了一批做擦鞋生意的人，从擦鞋摊到擦鞋店规模不等。
擦鞋生意人的出现在一定程度上方便了人们的生活。
但是也存在着局限性，并不是任何地方都有做擦鞋生意的人，人们有时没有时间为了擦一双鞋特地到擦鞋摊或擦鞋店去。
而且这只是将擦鞋的繁琐过程从大众转移到了一部分人身上而已，并没有在根本上解决擦鞋的问题。
为了帮助人们从繁琐的擦鞋过程中解脱出来,人们就发明了擦鞋机。
擦鞋机的出现，使人们不再需要进行传统的擦鞋过程，远离了原来手握鞋刷两手油的窘境。
而且擦鞋机一般体积小，占用空间小适用场所十分广，像是家庭、样板房、工厂、写字楼等地方都可以使用。
这样就不会再产生自己不想擦鞋为擦鞋到处跑的情况了。
随着科学技术的不断进步，擦鞋机同样在不断更新换代。
比较原始的擦鞋机一般采用电动机直接带动带有毛刷的转轴的形式，结构上具有电源、逆变器、电动机、转轴等。
市面上就有一款结构极为类似的擦鞋机产品。
这种传统的擦鞋机结构简单、体积小巧而且使用方式十分简单能够代替人们进行重复的擦鞋动作。
可是这种擦鞋机仍然需要使用用户自己亲自上手操作。
为了方便用户的使用，立式按键擦鞋机被生产出来。
这种擦鞋机为站立姿态，用户在使用时需要将鞋探入开口中。
然后通过使用擦鞋机上的各个按键控制擦鞋机对鞋子进行擦拭。
虽然这种擦鞋机大大减少了用户的操作，但是用户需要弯腰使用按键仍然有一定的麻烦。
那么有没有一种不需要用户操作，只要将脚放上去就能自动进行擦鞋的智能自动擦鞋机呢？
1.2本设计的主要工作
本文开始给大家简单的介绍了擦鞋机的出现与发展，之后罗列设计方案，通过比较，匹配设计要求，综合考虑多方面因素，选出一个最合适的设计方案。
然后依据擦鞋机的组成部分，在硬件电路设计中将每一部分的工作原理及电路设计分别作了详细的介绍与讲解。
接着进行软件编写环节。
最后将设计做成实物并进行调试，通过反复的调试，使实物得到最初的设计要求，最终完成设计。
2智能设自动擦鞋机的设计选定方案
2.1设计方案比较
考虑本次课题的设计要求和其他因素，智能自动擦鞋机的设计有下面两种设计方案：
（1）使用数字逻辑电路组成控制系统设计智能自动擦鞋机
擦鞋机的控制系统由各种类型的数字逻辑电路配合使用组成，对感应到的红外信号进行处理。
但是这个方案设计的电路十分复杂，而且灵活性也不高，不能做到高效率的工作，对于智能擦鞋机的扩展十分不利，处理起各路信号来也是十分困难。
（2）使用单片机组成控制系统设计智能自动擦鞋机
将AT89C51单片机做成擦鞋机机的控制模块。
红外感应部分采用市面上常见的对射式红外光电开关组成红外感应模块，对射式红外光电开关将感应到的红外信号转变成数字信号传递给单片机系统处理。
这个系统的设计方案比较灵活，使用软件来解决系统硬件复杂的问题，将硬件电路变得简洁清晰，最终实现各种功能也会更加容易。
综合对比上面讲到的两种设计方案的优缺点，方案2更加符合我们的设计。
而且方案2具有良好的可扩展性，因此最终采用方案2来设计本次课题。
3智能自动擦鞋机的硬件部分设计
3.1硬件部分概述
本次课题设计的智能自动擦鞋机首先利用对射式红外光电开关来进行开启的。
然后使用程序编辑软件编辑软件程序拷入单片机，做成单片机最小系统模块。
最后由其控制电路对电机驱动模块进行控制，驱使左右电机开始运动，左右电机的传动轴上都装有毛刷，毛刷随着电机转动而转动对鞋子进行擦拭。
当鞋子擦拭干净后，取出鞋子。
红外感应模块红外感应到鞋子离开，等过2秒后左右电机即刻自动停止转动。
硬件部分的框图如图3-1所示：
图3-1硬件部分的框图
3.2单片机最小系统模块设计
3.2.1单片机的概述及应用
单片机最初是在1971年诞生的，它的主要结构有运算器、控制器以及主要寄存器。
最原始的单片机是SCM系统的单片机，只有四位或者八位。
后来又演变出了MCU系统。
这个系统的单片机至今仍然被应用于很多方面。
为了进一步满足工业生产的要求，十六位单片机也被开发出来。
但由于性能和价格方面的不匹配没有得到推广。
然而八位单片机在性能方面确实飞快提升，而且价格便宜，受到市场的广泛亲睐。
（1）单片机性能特点
单片机的性能特征有：
大量的上万级别的晶体管电路被安装与仅有平方毫米级别的芯片上；结构紧凑，可靠性高；功耗小，成本低。
（2）单片机的发展趋势
单片机发展趋势：
单片机将在内部结构、功耗以及工艺等三个方面取得长足发展。
3.2.2单片机最小系统的设计
一、使用单片机实现系统控制，单片机采用89系列的AT89C51单片机，AT89C51单片机具有4000字节Flash和32个I/O口线，同精简版的AT89C2051单片机作比较，可以看到AT89C51单片机增加了P0对外端口和P2对外端口，更加高效。
综合考虑，AT89C51单片机可以满足本科的设计要求，最终实现我们的设计。
单片机最小系统模块如图3-2所示：
其中VCC的电压范围为+5V。
图3-2单片机最小系统模块图
二、最小系统上设有上电自动复位电路、时钟电路。
（1）上电自动复位电路
如图3-2所示这个最小系统使用的是高电平自动复位，就是在的复位端接一个10uF的电容到VCC和一个8.2K的电阻至接地，就可以做到高电平自动复位。
参照图3-2，可以看出它的工作方式是在通电的极短时间内，在复位端制造一定时间的高电平，如果高电平出现的时间达到足够时间，就能让MCS-51成功地复位。
假如复位电路不能奏效，通电后单片机由随机状态转态，系统将难以正常工作。
为了保障复位效果，复位端应该保持20毫秒以上时间高电平。
（2）时钟电路
时钟电路是单片机的节拍器，时钟电路操控着单片机的运转节奏。
在单片机内设计安装有振荡器。
这个振荡器由反相放大器，晶振，电容组成。
工作方式是，振荡器产生正弦波，正弦波被分频处理后分到设计好的地方。
这样系统就可以按设计好的节拍运行了。
3.3电源模块设计
该设计对于电源的要求较高，因此电源模块采用低压线性稳压电路。
低压线性稳压电路主要由四部分构成依次是：
变压器降压、二极管或桥堆整流、电容或电感滤波、三端稳压块（或稳压电路）稳压。
其原理如图3-3所示：
图3-3线性电源原理图
（1）变压器
变压器的主要由初级绕组、次级绕组和铁芯（磁芯）构成。
在使用时注意在给变压器的初级绕组通以交流电时，绕组周围会产生磁场，尽管有铁心给绝大部分磁力线构成磁路，但仍有一些磁力线散布在变压器附近的一定空间范围内。
这些磁力线将会因为磁干扰影响到周围的电路。
为了解决这一问题，可以给变压器安装屏蔽外壳。
（2）整流电路
安装整流电路目的是为了把交变电压通变成脉动电压。
本次设计中我们使用的是IN4007的整流二极管组成的桥式整流电路。
（3）滤波电路
本次设计使用的为电容滤波电路。
它可以降低整流结束后输送出电压中的脉动成分将其改成脉动直流电压。
VL增大，纹波降低，而且RLC愈高，电容的放电效率将变慢。
为了取得要求的负载电压，大多取
d=RLC
（3~5）
（2-1）
公式里的T是电源交流电压的周期。
在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间满足上式的关系时，电容滤波电路的负载电压VL与V2的关系约为
VL=（1.1~1.2）V2（2-2）
（4）稳压电路
电源通过上述三个步骤后，想作为芯片等电子元件工作的电源，保证工作正常还需要通过稳压，滤波。
为了保障稳压器运转，一定要提供一定的输入、输出电压差。
本设计电源模块图如图3-4所示：
图3-4电源模块图
3.4红外感应模块设计
3.4.1红外概述及应用
红外是一种电磁波。
自从在1800年发现之后，就得到了广泛的使用。
红外多用于红外传输技术，尤其是一点相对一点的无线传输。
而且，红外技术成本低，性价比高。
这些都促进了红外技术被市场广泛使用。
3.4.2红外感应模块的设计
使用对射式红外光电开关组成红外感应模块。
对射式红外光电开关的组成包括红外发射电路和红外光电转换电路。
（1）红外发射电路
红外发光二极管被使用当做发射单元的发射电子器件，工作时红外发光二极管会发出不可见的红外线。
被人们经常使用的红外线的波长大约是940nm。
挑选较好的红外发光二极管方法和挑选普通二极管的方法类似。
一个红外发光二极管其发射功率大约是100mW。
在缺少专业仪器的条件下判断红外发光二极管发光效率，可以使用拉距法来大概判断一下。
（2）红外光电转换电路
接收电路在设计红外接收管可以选用光敏电阻器或者是光敏二极管，而在本次设计中我们选用的是光敏二极管。
选用其的原因是光敏二极管相对于光敏电阻器，光敏二极管的灵敏性更高而且还具有良好的可靠性。
又因为其体积较小，在安装使用上也更加的容易便利。
在将光敏二极管安装在电路上时应该注意要将其反接，也就是正极接电源负极，负极接电源正极。
3.4.3红外感应模块的工作原理
（1）工作方式图
工作方式图如图3-5所示：
图3-5红外感应模块工作方式图
（2）模块原理图
红外感应模块原理图如图3-6所示：
图3-6红外感应模块原理图
（3）工作原理
如图3-6所示的红外发光电路是使用红外发光二极管和可调电阻构成的，分别标记为VD1、RP1。
在此红外发光电路中被用来RP1减小电压和限制电流，最终的目的是管控VD1的工作电流。
使其维持在90mA之内，避免红外发光二级管的通过电流过大被烧坏。
红外感应模块还包括光电转换电路，本设计的光电转换电路组成部分是红外光敏二极管和100K电阻。
分别标记为VD2与R2。
当红外感应模块的红外线光路没有受到阻挡时，红外光敏二极管将红外发光二极管发送出的红外光信号转变成电信号。
此时红外光敏二极管将会呈现低阻抗状态，造成A处的电压在0.35V之内（包括0.35V）。
VT将处于截止状态，B点产生高电平。
在红外感应模块的红外线光路被阻挡地时候，红外光敏二极管接收不到红外发光二极管送出的红外光。
红外光敏二极管将会呈现高阻抗状态使A处电压升高，VT会饱和导通，B处电压在0.4V以内（包括0.4V）。
3.5电机驱动模块设计
电机驱动电模块图如图3-7所示：
图3-7电机驱动模块图
如图3-7所示，本设计采用L293D芯片构成电机驱动模块。
并且其受控于单片机最小系统模块单片机。
单片机最小系统模块接收信号后，AT89C51单片机开始运转之后赋予驱动芯片L293D端口（EN12、EN34、IN1、IN2、IN3、IN4）逻辑电平。
本设计的右电机的运转受制于EN12，控制左电机的运转受制于EN34。
IN1、IN2、IN3、IN4控制电机的正反转。
并且通过多次实际运转，发现有时电机驱动模块会失去控制，经过检查最终得到VM处电压要高于VCC处电压，否则就会出现失控。
4智能自动擦鞋机的程序编辑
4.1程序设计
（1）编辑系统
程序编辑可以使用C语言和汇编语言。
本次设计的程序编辑使用的是C语言，C语言相对于汇编语言具有良好的可读性能，而且移植时更加方便。
为编辑C语言选择使用的是KeilC51。
KeilC51是一款应用在为51系列单片机编辑C语言软件的开发系统。
KeilC51使用的是Windows界面，能够提供十分全面的库函数和功效可靠的集成开发调试工具。
KeilC51提供的开发环境包含：
编译器、汇编器、管理器等。
（2）序设计流程图
程序设计流程图如图4-1所示：
图4-1程序设计流程图
（3）程序编写如附录2：
源程序所示
（4）其中延时函数保证，鞋子离开2秒后电机自停止
延时函数程序举例
/************************************************************************/
voiddelay（unsignedintk）//延时函数
{
unsignedintx,y;
for（x=0;xfor（y=0;y<500;y++）;
}
5智能自动擦鞋机的实物焊接和调试
5.1实物焊接
按照附录1：
系统总电路图所示一一对比将实物进行焊接。
实物焊接效果如图5-1所示：
图5-1实物焊接效果图
5.2单片机最小系统模块调试
（1）按图3-2所示，将单片机最小系统模块焊接完成后，在通上电源之前，应该先使用电压表等检测设备，依照单片机最小系统模块图对比着查看单片机最小系统模块线路焊接是否符合最初地设计。
尤其要注意电源线，避免出现短路将元件烧毁的事故。
并且还要注意检查元器件的规格以及安装等是不是达到本次设计的要求。
经过核准后判定没有错误。
（2）经历上面的检测判定没有错误后，连接电源后测量单片机最小系统模块的各处电压。
通过测量单片机AT89C51各脚的电压如下表5-1所示：
表5-1单片机最小系统模块测试数据
P2.3
P2.0
P2.1
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
没遮挡时
3.8V
0V
0V
0V
0V
0V
0V
遮挡时
0.02V
5.0V
5.0V
5.0V
0V
5.0V
0V
（3）由上表的测量数据可以得出，当P2.3口的电位为高电平时，单片机最小系统模块无法正常运转；当P2.3口的电位为低电平时，单片机最小系统模块正常运转。
对比上表，使用程序写入匹配的值，可以实现对应的运转动作，调试通过。
5.3电源模块调试
（1）按图3-4所示，将电源模块焊接好后，在通上电源之前，应该先使用电压表等检测设备，依照电源模块图对比着查看电源模块线路焊接是否符合最初地设计。
尤其要注意电源线，避免出现短路将元件烧毁的事故。
并且还要注意检查元器件的规格以及安装等是不是达到本次设计的要求。
经过核准后判定没有错误。
（2）经历上面的检测判定没有错误后，接上电源使用电压表细致地测量各点电位是不是符合设计要求。
通过测量各点的电位如下：
U01=12.3VU02=5.0V
（3）通过上述测试得到的数据，可以得知该电源模块是符合设计要求的。
5.4红外感应模块调试
（1）按图3-6所示，将红外感应模块焊接完成后，在通上电源之前，应该先使用电压表等检测设备，依照红外感应模块图对比着查看红外感应系统模块线路焊接是否符合最初地设计。
尤其要注意电源线，避免出现短路将元件烧毁的事故。
并且还要注意检查元器件的规格以及安装等是不是达到本次设计的要求。
经过核准后判定没有错误。
（2）经历上面的检测判定没有错误后，连接电源后测量红外感应模块的各处电位。
通过测量各点的电位如下表5-2所示：
表5-2红外感应模块测试数据
VA
VB
无遮挡时
0.24V
3.8V
遮挡时
0.67V
0.02V
（3）由上表的测试数据可看出，当红外感应模块的红外线光路没有受到阻挡时，调整可调电阻，将红外发光二极管限制在90mA的电流之间，且保障红外发光二极管正常运转。
因为A处的电位在0.35V之内，B处的电位处于高电平状态，VT呈现截止状态，红外感应模块正常运转；当红外感应模块的红外线光路受到阻挡时，因为A处的电位上升，B处的电位处于0.4V之内，VT呈现饱和导通状态，红外感应模块停止运转。
5.5电机驱动模块调试
（1）按图3-7所示，将电机驱动模块焊接完成后，在通上电源之前，应该先使用电压表等检测设备，依照电机驱动模块图对比着查看电机驱动模块线路焊接是否符合最初地设计。
尤其要注意电源线，避免出现短路将元件烧毁的事故。
并且还要注意检查元器件的规格以及安装等是不是达到本次设计的要求。
经过核准后判定没有错误。
（2）经历上面的检测判定没有错误后，接上电源使用电压表细致地测量各点电位是不是符合设计要求。
通过测量各点的电位如下表5-3所示：
表5-3电机驱动模块测试数据
EN12
EN34
IN1
IN2
IN3
IN4
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
没遮挡
0V
0V
0V
0V
0V
0V
0V
0V
0V
0V
遮挡
5.0V
5.0V
5.0V
0V
5.0V
0V
12.3V
0V
5.0V
0V
电机两端的电流IM=103mA。
（3）由上表的测试数据可以得出，当红感应模块外不被遮住时，电机驱动模块各脚的电压为0V，电机驱动模块无法运转；当红外感应模块受到遮盖时，电机驱动模块各脚的电压如上表测试的数据所示，电机驱动模块可以正常运转。
调试可以参照上面测试的数据，用程序写入匹配的码值，可以正常运转，说明调试通过。
5.6软硬件联合调试
调试开始前，首先要把编辑完成的C语言函数在KeilC51中编译，假如KeilC51软件界面内的提示框没有提示错误。
这说明编辑的C语言函数没有错误。
那么说明，第一次调试通过。
第二步，使用下载器将C语言函数下载到AT89C51单片机内。
下载结束后，运行本次设计的智能自动擦鞋机。
如果能够按照最初的设计要求运转说明，调试通过。
5.7最终组装结果
调试结束后，将焊接好的实物组装成一个完整的智能自动擦鞋机整体。
组装时要考虑本次设计的自能自动擦鞋机的工作方式等因素。
实物最终组装效果如图5-2所示：
图5-2实物最终组装效果图
结束语
本文撰写的是智能自动擦鞋机的设计论文。
通过完成本文，实现了以下几点成果。
（1）利用AT89C51单片机设计完成了单片机最小系统模块，并具有上电自动复位功能。
（2）利用低压差差线性稳压电路设计了电源模块。
（3）利用对射式红外光电开关设计完成了红外感应模块。
（4）利用驱动芯片L293D设计完成了电机驱动模块。
（5）最终经过实物焊接和软硬件调试完成了智能自动擦鞋机的设计，并且得到了最初感应到鞋子电机自动转动，鞋子离开2秒后电机自动停止的要求。
本设计的不足之处：
（1）本次设计在功能上仍然具有缺陷，不能完成全部的擦鞋步骤。
参考文献
[1]郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:
电子工业出版社,2009.
[2]张义和.例说51单片机（C语言版）[M].北京:
人民邮电出版社,2008.
[3]万文略,赵利,蔡静之.单片机原理及应用[M].重庆:
重庆大学出版社,2004.
[4]吕勇军.传感器技术实用教程[M].北京:
机械工业出版社,2012.
[5]王迪.传感器电路制作与调试项目教程[M].北京:
电子工业出版社,2011.
[6]何金田,刘晓旻.智能传感器原理、设计及应用[M].北京:
电子工业出版社,2012.
[7]涂序彦,王枞,刘建毅.智能控制论[M].北京:
科学出版社,2010.
[8]李泓.智能仪器设计基础[M].北京:
清华大学出版社,2010.
[9]赵俊生.单片机技术应用与实训[M].北京：
国防工业出版社,2011.
[10]李少远,王景成.智能控制[M].北京:
机械工业出版社,2005.
[11]张俊谟.单片机的发展与应用[J].电子制作,2007,（08）:
06-09.
[12]邱方长,梁萍.对市面现有自动擦鞋机的分析和几点改进意见[J].机械与工艺,2013,（11）:
107.
[13]周怀芬.基于AT89S52单片机自动擦鞋器的设计与实现[J].天津职业院校联合学报,2012,（8）:
58-61.
[14]张长春,张元涛,陈冬.基于MSP430单片机的智能擦鞋系统设计[J].技术与市场,2013,（6）:
9-11.
[15]唐颖,程菊花,任条娟,谭保华.单片机技术及C51程序设计[
升级会员 