1、基于单片机自动擦鞋机基于单片机的自动擦鞋机序 言 随着信息技术的普及和发展，红外技术得到了迅猛发展。红外探测/控制技术已渗透到国民经济的各行各业和人们日常生活的方方面面，在工业自动化、生产过程控制、信息采集和处理、通信、红外制导、激光武器、电子对抗、红外育种、红外加热、材料加工和处理、安全防、家用电器控制及日常生活（如自动擦鞋机、节水节能控制、红外医疗与美容、智能玩具、空调等）各个方面都得到了广泛的应用。13单片微型计算机又称嵌入式微控制器，是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件。它在一块芯片集成了计算机的各种功能部件，构成一种单片式的微型计算机。20世纪80年代以来，国际上单
2、片机的发展很快，世界上著名的半导体厂商都有它的单片机系列产品，单片机的应用不断深入到国民经济各个领域，处处可以看到电脑型的电子产品。单片机的应用技术是一项新型的软硬件工程技术，其涵随着单片机的发展而发展。7在现实生活中，擦鞋是每家每户生活中必不可少的一部分，但擦鞋又是一件比较烦琐的事情。每当出门时看见鞋子上有很多灰尘，比较脏，如果只是稍微擦一下又擦不干净，跟没擦差不多，但如果仔仔细细的擦一下的话又很费时间，而且还容易弄脏自己的手和衣物。如何让擦鞋变得既省时又省力呢？基于单片机的自动擦鞋机就能为我们解决这个问题。本擦鞋机是采用红外线发射、接收、集成电路控制的新一代电器产品，设计合理、操作简便。伸
3、脚既开，抽脚延时15秒关闭，全自动工作。还有语音提示，数码管显示时间，甚至还可以听取音乐。您要做的就是把脚伸进擦鞋机，其他的事情全部由它来完成。适合企事业单位办公室、家庭等小型服务场所。如果鞋已久未护理、干裂、泛白，可把脚移到油嘴处，用鞋把嘴滚珠轻轻托起，油便自行注到鞋面，涂多少自定，再放到抛光轮上抛光即可。鞋离开后20秒自动停止工作。 1. 进门免戴鞋套、不用换拖鞋、将尘土和病毒拒之门外 2. 快速方便的清洗鞋底、鞋面、侧面 3. 解决雨天鞋底泥水带入室的烦恼 4. 解决了购买大量拖鞋而占用室空间的问题 5. 减轻了清洁地板的劳动强度 6. 避免换鞋处各种鞋子发出的呛人气味，改善室空气质量
4、。本设计应用单片机设计一个自动擦鞋机。基于单片机的自动擦鞋机的硬件构成包括变压器、稳压集成模块7805、红外发射与接收管、AT89C2051芯片、L293D芯片等组成的电源电路、红外发射与接收电路、单片机系统控制电路、电机驱动电路和显示电路。单片机系统控制电路用来控制整个系统的正常运行，是整个系统的核心。该系统主要通过红外发射与接收电路检测信号，运用单片机的运算和处理能力来实现擦鞋机的转动，并通过显示电路显示其工作状态。第1章擦鞋机的概述1.1结构本设计是由单片机系统控制电路、电源电路、红外发射与接收电路、电机驱动电路、显示电路和外壳组成。本设计的结构实物图如图1-1所示 。图1-1 实物图1
5、.2原理基于单片机的自动擦鞋机主要由输入、控制系统和输出三部分组成。输入部分主要包括电源电路和红外发射与接收电路；控制系统部分主要有单片机和外围电路（上电自动复位电路、时钟电路、显示电路）组成，该部分是整个系统电路的核心；输出部分由驱动电路组成。基于单片机的自动擦鞋机主要通过红外发射与接收电路检测信号，运用单片机的运算和处理能力来实现擦鞋机的转动，并通过显示电路显示其工作状态。该系统电路的一般框图如图1-2所示。图1-2 一般框图1.3设计方案方案一：采用各类数字电路来组成擦鞋机的控制系统，对外围红外信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于擦鞋机智能化的扩展，对各路信号处理比较
6、困难。方案二：采用AT89C2051单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管以及接收管组成简易的遮挡式红外发射与接收电路，将感应到的红外信号通过三极管的工作状态转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。第2章 基于单片机的自动擦鞋机的硬件电路设计2.1硬件电路概述基于单片机的自动擦鞋机是用红外线发射与接收电路进行启动的，通过单片机技术编写出必要的软件程序进行控制，形成单片
7、机系统控制电路。再由其控制电路对电机驱动电路进行控制，驱动两个电机的转动，同时显示电路显示擦鞋机的运行状态，灯亮则擦鞋机正常工作。鞋子擦好后将鞋子拿出来则再由红外线发射与接收电路进行红外线感应，离开15秒后电机自动停止转动，显示电路显示灯灭则擦鞋机停止工作。硬件电路的框图如图2-1所示。图2-1 硬件电路的框图2.2各模块设计2.2.1电源电路低压线性稳压电路基本上由四部分组成：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，他们之间的组合则可构成一个最基本的，也是最可靠的线性电源电路。电源电路原理图如图2-2所示。图2-2 电源电路原理图1、变压器一般的变压器具有
8、一个初级绕组、一个或多个次级绕组，线圈绕在铁心上。给初级绕组加上交流电，由于电磁感应的原理，在次级绕组上则有电压输出。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围。这些磁力线会对附近的电路形成一定的磁干扰，所以一般要给变压器加上屏蔽壳。屏蔽壳不仅可防止变压器干扰其他电器，同时亦可防止其他杂散磁场干扰变压器的正常工作。152、整流电路整流电路是由四个型号为IN4007的整流二极管构成桥式整流电路而形成的。它的作用是将经变压器降压后的交变电压通过二极管变为单向的脉动电压15。3、滤波电路滤波电路的作用就是降低
9、整流后输出电压中的脉动成分使其变为脉动直流电压。该滤波电路是电容滤波电路。利用电抗元件在电路中有储能的作用，滤去电源中的脉动成分，从而得到比较平滑的电源波形。负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且RLC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取d = RLC （35） （2-1）式中T为电源交流电压的周期。在整流电路的阻不太大（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 =（1.11.2）V2 （2-2）总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适
10、用于负载电压较高，负载变动不大的场合。154、稳压电路电源通过降压、整流、滤波后，要提供给电子器件或芯片工作的电源，保证其正常的工作和精确的取样，还需经过稳压，滤波。为了保证稳压器正常工作，必须保证具有一定的输入、输出电压差。如果输出确定，则输入必须保证大于一定值。若输入太低，则可能导致稳压器稳压性能不好，而且输出电压的纹波也会过大。在稳压器的运行过程中，由于它要消耗一定的功率，所以一般而言，发热比较严重，在负载较大时，需使用散热片帮助其有效散热。152.2.2 红外发射与接收电路1、红外概述红外技术是现代物理和电子学的一部分，它包括电磁波红外波段的辐射、传播和波形记录及其在科学、技术、国民经
11、济和军事中的实际应用。红外技术是现代无线电电子学和物理学中的重要方向之一，它对于促进国民经济各部门采用先进技术以及加强基础科学和应用科学的研究都有极其重要的作用。今天，红外技术正被广泛地用于解决国民经济中的各种不同的问题。1采用近红外线作为红外的光源，主要基于如下理由：（1）一般的接收用的红外光电二极管、光敏三极管大都采用硅（SI）半导体材料制作而成的，这类管的接收峰值波长为7801550nm，即管子对波长为7801550nm的红外光的探测灵敏度最高。3（2）红外线的发射器件，尤其是采用GaAs、AlGaAs或GalnAsp等半导体材料制作的红外发光二极管，其发射波长在880nm1700nm围
12、，这与硅（SI）光电接收器件的响应波长相匹配，使探测灵敏度高，工作效率高。32、红外发射与接收电路的组成红外发射与接收电路主要组成部分有：红外发射电路和红外光电转换电路。（1）红外发射电路、路光电转换收电路发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光。常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通5mm发光二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约100mW。红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。13（2）红外
13、光电转换电路接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，红外接收二极管一般有圆形和方形两种。光敏二极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。33、红外发射与接收电路的工作原理（1）电路原理图电路原理图如图2-3所示。图2-3 红外发射与接收电路的原理图（2）工作原理 红外发光二极管VD1和RP1组成红外发光电路，可调电阻RP1用作降压限流，通过调节RP1的大小，使红外发光二极管VD1的
14、工作电流限制在90mA之，以免发光管电流过大而烧毁，并保证其正常工作。VD2为红外光敏二极管，它和R2组成光电转换器，在红外光发射与接收间的红外线光路不被遮挡时，VD2将VD1发来的红外光信号转换成电信号，使VD2呈低阻抗（约几千欧），使A点的电压小于等于0.35伏，VT呈截止状态，B点呈高电平。在红外光发射与接收间的红外线光路被遮挡时，VD2接收不到VD1发来的红外光，VD2呈高阻（暗阻大于或等于500 k）使A点电位升高，VT饱和导通，B点电位小于等于0.4伏。142.2.3单片机系统控制电路1、单片机的概述现在的计算机都大规模集成电路计算机，具有功能强、结构紧凑、系统可靠等特性。随着半导
15、体技术的发展，能够在一个硅片上制作几百万个晶体管，于是出现了大规模集成电路的中央处理器微处理器（up），以及大容量的半导体存贮器，通用或专用输入/输出（I/O）接口电路，包含多种类型I/O的综合外围电路，由这些大规模集成电路组成各种类型的微型计算机。4（1）单片机性能特点单片机的性能特点有：高集成度，在平方毫米级别的芯片上可制造上万个晶体管电路；结构紧凑，可靠性高；功耗小，成本低11。（2）单片机的发展趋势单片机发展趋势：增加存储器容量，片EPROM开始EEPROM化，存储器编程化，片IO多功能化及低功耗CMOS化等9。2、工作原理及电路图系统控制由微处理器完成，微处理器采用ATMEL公司的单
16、片机AT89C2051，AT89C2051是一个只有20引脚的芯片，其相对AT89C51减少了两个对外端口P0和P2，适合于对端口数量要求不高的小型系统。各I/O口的最大吸收电流为25mA，能直接驱动LED。软件能与AT89C51系列兼容。8综上所述，AT89C2051能够达到我们期望的功能和性能要求，图2-4给出了它的工作原理图。其中VCC的电压围为2.3V-6V，保证电源在较宽的围使用。单片机系统控制电路的原理图如图2-4所示。图2-4 单片机系统控制电路的原理图单片机系统控制电路有上电自动复位电路、时钟电路和显示电路三个外围电路。（1）上电自动复位电路在RST复位端接一个电容至VCC和一
17、个电阻至GND（地），就能实现上电自动复位。在加电瞬间，电容通过电阻充电，就在RST端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使MCS-51有效地复位。RST端在加电时应保持的高电平时间包括VCC的上升时间和振荡器起振的时间。所以一般为了可靠的复位，RST在上电时应保持20ms以上的高电平。RC时间常数越大，上电时RST端保持高电平的时间越长。若复位电路失效，加电后CPU从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运转。7（2）时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，单片机部有一个带反馈的线性反相放大器，外接晶振和电容组成振荡器。加电延时一段时间（约10ms）振荡器起振
18、产生时钟，不受软件控制（X2输出幅度为3V左右的正弦波）。振荡器产生的时钟频率就是晶振上表明的频率。电容C1和C2的作用有两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调作用（C1、C2大，f变小），其典型值为30PF。7（3）显示电路显示电路是由软件控制的，当P1.7口为“0”（单片机系统控制电路正常工作）时，发光二极管LED亮；当P1.7口为“1”（单片机系统控制电路停止工作）时，发光二极管LED不亮。2.2.4电机驱动电路1、电机驱动电路及分析电机驱动电路的原理图如图2-5所示。图2-5 电机驱动电路的原理图电机驱动电路是由控制系统电路控制的，控制系统电路收到信号后，由单片机的运行
19、和处理赋予驱动芯片L293D端口（EN12、EN34、IN1、IN2、IN3、IN4）逻辑电平，其中EN12控制右边电机的转动，EN34控制左边电机的转动；IN1、IN2、IN3、IN4控制电机的正反转。经过实验，VM电压应该比VCC电压高，否则有时会出现失控现象。L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流电机的大电流要求8。调试时在依照表2-1，用程序输入对应的电平，能够实现对应的动作，调试通过。表2-1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。表2-1 其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑
20、关系第3章 基于单片机的自动擦鞋机的软件设计31软件功能整个软件控制模块部分包括红外信号接收模块和信号输出模块两个部分。红外信号接收模块是将输入信号进行判断，通过主程序控制实现其功能。输出模块是将主程序输入的信号进行处理从而实现其功能。软件框图如图3-1所示。图3-1 软件框图32主程序设计1、主程序的功能分析主程序是将输入的信号进行识别和处理运算，然后输出相应的码值给驱动芯片，使驱动芯片带动电机运转，从而实现其功能。2、主程序设计流程图主程序设计流程图如图3-2所示。3、主程序MAIN: MOV P1,#80H；P1口初始定义 JNB P3.0,D1；判断P3.0口 NOP NOP SJMP
21、 MAIN；跳转NOPNOP D1:ACALL DIL；调用延时NOPNOPD3:JBP3.0,MAIN；判断P.3口MOVP1,#27H；给P1口相应的电平NOPNOPDIL:MOVR7,#200；10ms延时DIL1:MOV R6,#250DIL2:DJNZR6,DIL2DJNZ R7,DIL1RETNOPNOP图3-2 主程序流程图 图3-3 15秒延时子程序的流程图3315秒延时子程序设计1、15秒延时子程序的功能分析根据本课题设计的要求指标，在擦鞋结束后要延时15秒后自动停止转动。而该延时子程序就是为了实现这个功能而设计的。2、15秒延时子程序流程图15秒延时子程序流程图如图3-3所
22、示。3、15秒延时子程序YANSHI:MOVR5,#150Y3:MOVR4,#250Y2:MOVR3,#250Y1:DJNZ R3,Y1DJNZ R4,Y2 DJNZ R5,Y3 RET第4章 基于单片机的自动擦鞋机的软硬件调试41硬件调试4.1.1电源电路的调试1、接好电源电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据电源电路原理图仔细检查电源电路线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。5电源电路原理图如图4-1所示。图4-1 电源电路原理图2、经过上述检查确定无误后，接通电源用万用表仔细测量各点电位是否正常。通过测量各点的电位如下： U01 = 12.4V
23、 U02 = 4.8V3、经过以上两步的检查，通过所测的电位可知，该电源电路是正常工作的。4.1.2红外发射与接收电路的调试1、接好红外发射与接收电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据红外发射与接收电路原理图仔细检查红外发射与接收电路线路的正确性，特别是电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。9 红外发射与接收电路原理图如图4-2所示。图4-2 红外发射与接收电路原理图2、过上述检查确定无误后，接通电源后测量红外发射与接收电路的各点电位，通过测量各点的电位如下表4-1所示： 表4-1 红外发射与接收电路测试数据VAVB无遮挡
24、时0.24V3.8V遮挡时0.67V0.02V3、由各点的电位可知，在红外光发射与接收间的红外线光路没被遮挡时，调节RP1，使红外发光二极管的工作电流限制在90mA之，并保证其正常工作。由于A点的电压小于0.35V，B点的电压呈高电平，三极管处于截止状态，红外发射与接收电路正常工作；在红外光发射与接收间的红外线光路没被遮挡时，由于A点的电压升高，B点的电压小于0.4V，三极管处于饱和导通状态，红外发射与接收电路停止工作。同时，拉伸红外发光二极管与红外接收管，确定发射与接收的最大距离。4.1.3单片机系统控制电路的调试1、接好单片机系统控制电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据单片机系统控
25、制电路原理图仔细检查单片机系统控制电路线路的正确性，特别是电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。单片机系统控制电路原理图如图4-3所示。图4-3 单片机系统控制电路原理图2、过上述检查确定无误后，接通电源后测量单片机系统控制电路的各点电位，通过测量单片机AT89C2051各脚的电位如下表4-2所示：表4-2 单片机系统控制电路测试数据3、由单片机AT89C2051的各脚电位可知，当P3.0口的电位为高电平时，单片机系统控制电路不能正常工作；当P3.0口的电位为低电平时，单片机系统控制电路正常工作。调试时在依照上表，用程序输入对应
26、的码值，能够实现对应的动作，调试通过。4.1.4电机驱动电路的调试1、接好电机驱动电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据电机驱动电路原理图仔细检查电机驱动电路线路的正确性，特别是电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。电机驱动电路原理图如图4-4所示。2、经过上述检查确定无误后，接通电源后测量电机驱动电路的各点电位，通过测量驱动芯片L293D各脚的电位如下表4-3所示：表4-3 单片机系统控制电路测试数据电机两端的电流IM = 103mA。3、由驱动芯片L293D各脚的电位可知，当红外没被遮挡时，驱动芯片L293D各脚的电位
27、为低电平，电机驱动电路不能正常工作；当红外被遮挡，驱动芯片L293D各脚的电位如上表所示时，电机驱动电路正常工作。调试时在依照上表，用程序输入对应的电平，能够实现对应的动作，调试通过。图4-4 电机驱动电路原理图42软硬件联调软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。采用模块程序设计技术调试，则逐个模块（主程序、延时子程序）进行调试好以后，再联成一个大的程序，然后进行系统程序综合调试。6调试时，先将写好的软件程序在MedWin中编译/汇编，如果通过则说明该软件程序没有语法错误。本软件程序在编译/汇编后没有任何语法错误和警告，第一步调试通过。然后将软件程序产生代码并装入仿真器运行，观察运行结
28、果发现有点不正常，原来是程序失控，主要原因有两个：（1）红外接收信号模块有干扰；（2）软件程序在运行时有点乱。为了解决这两个问题，我对P3.0口进行了两次判断，并在中间加了一个10ms的短延时，这样就解决了红外接收模块有干扰的问题；同时，我在每个语句后加了空操作指令，用于调整CPU的时间，使软件程序在运行时趋于正常。此时，软件程序调试结束，结合硬件可以正常工作。43指标调试及结果 1、已完成的指标：（1）电源：AC 220V10% 50HZ；（2）具有上电复位功能；（3）启动方式：红外线感应，离开15秒自动关闭；（4）显示电路可显示擦鞋机的运行状态。 2、结果：通过这次课题设计我完成了具有以上
29、指标功能的基于单片机的自动擦鞋机的设计。结束语本课题设计的基于单片机的自动擦鞋机具有上电复位、红外线感应、显示状态等功能特点。经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，基于单片机的自动擦鞋机能够自动完成对鞋子的擦拭。实验结果达到本项目的设计要求，验证了本项目的正确性和可靠性。本课题设计的基于单片机的自动擦鞋机完成的主要工作：实现了红外线感应的启动方式，同时鞋子离开15秒后自动关闭的设计；实现了单片机系统控制程序的设计；实现了可显示擦鞋机的运行状态的设计。 本课题设计的基于单片机的自动擦鞋机的后续工作建议：建议对擦鞋机进行外壳设计使得擦鞋机美观大方；增加自动上油、抛光功能，建议擦鞋机在
30、除尘10秒后对鞋子上油、抛光；建议增加速度可调功能。参考文献1 永广. 现代传感技术M.： 东北大学，20012 罗志增.机器人感觉与多信息融合M.：机械工业，200263 罗志增 简易红外接近觉传感器M：全国青年第三届机器人学研讨会论文集，19904周坚.单片机轻松入门M.:航空航天大学,2004,25 毅坤等.单片微型计算机原理及应用M.：电子科技大学，19986 光斌.单片机系统实用抗干扰技术M.：人民邮电，20037 友德 志英 涂时亮. 单片微型机原理应用与实验（第四版）M.：复旦大学，20058 耿德根.单片机创新开发与机器人制作M.:航空航天大学,2005,39 文涛.单片机语言
31、C51典型应用设计M.:人民邮电,2005.1010 毅刚,谭晓均.MCS-51单片机应用设计M. ：工业大学,1997.0711 祁伟.单片机C51程序设计教程与实验M.:航空航天大学,2006.112 虹. 汇编语言程序设计M.： 中国矿业大学，200513 永甫. 红外探测与控制电路M.：人民邮电，200414 熊如贵.遮挡式红外声光报警装置J.：电子制作杂志社，200615 康华光.电子技术基础 模拟部分M.：高等教育，200416Intel.MCS-51Family of Single Chip Microcomputers Users Manual,199017Keil Software.Getting started with u Vision2 and the C51 Microsontroller Development Tools,2000附录一 整体硬件电路图附录二 元件清单附录三 完整软件
