基于51單片機(jī)的智能干手器的設(shè)計(jì)

楊琳 向勝奎 王露 喬成芳 孟燕

摘要：

針對目前市場上的干手器分立元件較多、電磁滋干擾強(qiáng)、成本高、速度慢、干手效果不明顯等問題，設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的智能干手器。該系統(tǒng)采用51單片機(jī)節(jié)制電路和紅外感應(yīng)電路，克服了以上缺點(diǎn)，能夠快速、自動感應(yīng)人手的伸進(jìn)和離開，通過軟件智能加減工作時(shí)間，還能自動調(diào)節(jié)或手動改變出風(fēng)口溫度，分別滿足不同人、不同條件的需求。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能干手功能，操作簡單、運(yùn)行可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求和精度指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：

單片機(jī); 紅外感應(yīng); 干手器

中圖分類號： TP 393.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Design of Intelligent Dryer Based on 51 Single Chip Microcomputer

YANG Lin1， XIANG Shengkui1， WANG Lu1， QIAO Chengfang2， MENG Yan3

（1. College of Electronic Information and Electrical Engineering， Shangluo University， Shangluo， Shanxi 726000， China;

2. College of Chemical Engineering and Modern Materials， Shangluo University， Shangluo， Shanxi ?726000， China;

3. Shanyang Middle School， Shanyang， Shanxi ?726400， China）

Abstract：

At present， there are many problems in the hand dryers， such as more discrete components， strong electromagnetic interference， high cost， slow speed， unobvious effect of dry hands， and so on. In order to solve these problems， this paper designs an intelligent hand dryer based on MCU. The system adopts 51 MCU control circuit and infrared induction circuit to overcome the above shortcomings. It can quickly and automatically sense the entering and leaving of human hands. It can also intelligently add or subtract drying time by software， and intelligently adjust outlet temperature according to ambient temperature and humidity. This can meet the needs of different people and different conditions. The system realizes the function of intelligent dry hand， and is simple to operate， reliable to operate and stable， and it can meet the design requirements and precision targets.

Key words：

MCU; infrared induction; hand dryers

0引言

作為一種衛(wèi)生潔具，干手器遍及公共場所，然而市場上大多干手器并未達(dá)到毛巾擦干手上水分的效果，有的甚至存在質(zhì)量問題[12]。智能干手器有著巨大的研發(fā)價(jià)值[3]，所以吸引了一批知名企業(yè)和學(xué)者對其展開深入的研究。DIHOUR ABS干手器，發(fā)射X10信號給接受端利用了220v的電力線，從而達(dá)到智能化控制的目的，同時(shí)不需要額外的布線，也是ABS系統(tǒng)的一大優(yōu)勢[4]，因?yàn)槠渌闹悄芨墒侄济撾x不了布低壓線這一環(huán)節(jié)，在家庭中安裝其他的干手控制系統(tǒng)時(shí)需要在墻面或地面上開鑿，鉆孔，存在著使用不方便和人性化的問題[56]。但是該套系統(tǒng)在國內(nèi)應(yīng)用的并不十分的廣泛，是因?yàn)檫@套產(chǎn)品的價(jià)格并不十分的符合人們的需求，也存在在國內(nèi)市場上缺乏推廣的因素。PTC熱敏電阻干手器系統(tǒng)（德國），該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)利用了預(yù)埋總線技術(shù)[78]，和其智能控制系統(tǒng)一樣也采用了傳感器技術(shù)[910]、電子技術(shù)[1112]和單片機(jī)技術(shù)[1314]與中央控制的機(jī)制。但也存在工程實(shí)施復(fù)雜，要求嚴(yán)格，價(jià)格不能被人們所接受，因此自從該產(chǎn)品問世以來，一直不被國內(nèi)市場所接受。DH9922干手器（新加坡），脫離不了預(yù)處理總線機(jī)制和集中控制機(jī)制[15]。系統(tǒng)較為成熟和穩(wěn)定，在這一方面較為適合中國的國情，但是存在系統(tǒng)架構(gòu)不夠優(yōu)良，靈活性不高，價(jià)格不被大眾接受，因此在國內(nèi)的應(yīng)用較少。本文所設(shè)計(jì)的智能干手器優(yōu)化了系統(tǒng)電路，成本低，干手速度快，具有十分廣闊的市場前景。

1系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C51為核心，通過繼電器來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇控制，本設(shè)計(jì)中電源模塊不僅給單片機(jī)最小系統(tǒng)供電而且給風(fēng)扇供電，其余還包括獨(dú)立鍵盤以及相應(yīng)紅外測的操作，按鍵的掃描，進(jìn)行的狀態(tài)標(biāo)志可以進(jìn)行單片機(jī)模式的選擇，紅外感應(yīng)模塊信號端信號的讀取通過I/O口來進(jìn)行，若有信號，那么風(fēng)扇的運(yùn)作由單片機(jī)繼電器的吸合來控制，當(dāng)進(jìn)入加熱模式時(shí)，控制加熱的繼電器吸合，來實(shí)現(xiàn)環(huán)境的加熱;其中判斷依據(jù)是檢測紅外傳感器的信號是否有人體。系統(tǒng)總體方案的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主芯片及外圍電路

綜合系統(tǒng)實(shí)際要求，本系統(tǒng)共分為六個(gè)模塊，分別為復(fù)位電路單元、紅外檢測電路單元、STC89C52單片機(jī)主控單元、振蕩電路單元、LED顯示單元與繼電器驅(qū)動電路單元以及按鍵電路單元。系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖，如圖2所示。

硬件電路，如圖3所示。

2.2紅外測溫電路

本系統(tǒng)紅外傳感器采用PR35三腳封裝，更簡便易操作。該模塊實(shí)現(xiàn)對溫度的實(shí)時(shí)測量，具有對物體接近靈敏的感應(yīng)。3個(gè)引腳分別為電源負(fù)極、電源正極和信號輸出管腳，連接方式如圖4所示。

當(dāng)有手處于干手器可工作范圍內(nèi)，手將紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線脈沖反射回來，由紅外接收管接收并且轉(zhuǎn)換為電信號，電信號進(jìn)入單片機(jī)P3^4端口，從而人體信號的采集便可以實(shí)現(xiàn)了。當(dāng)人體信號被單片機(jī)檢測到后，電吹風(fēng)的開關(guān)由繼電器的閉合控制，從而實(shí)現(xiàn)干手器的設(shè)計(jì)。

2.3繼電器控制電路

本系統(tǒng)中的繼電器模塊是一種電子節(jié)制器件，它可以通過用較小的電流去控制較大電流，在控制的過程中往往通過三極管9012去驅(qū)動繼電器的閉合與開路，通過繼電器去控制風(fēng)扇，如圖5所示。

它具有高級輸入回路和被輸出回路，通?？梢栽谥鲃涌刂齐娐分袘?yīng)用。故在電路中的作用是調(diào)節(jié)主動、庇護(hù)安適、電路轉(zhuǎn)換等作用。

2.4復(fù)位電路和時(shí)鐘電路

復(fù)位和時(shí)鐘模塊：圖6為復(fù)位電路，對溫度丈量模塊舉行初始化。圖7為時(shí)鐘電路，控制溫度變化的節(jié)奏，每一秒溫度變化一次，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度的變化。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件總體設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方式采用模塊化，將各個(gè)功能分成獨(dú)立模塊，一起執(zhí)行管理系統(tǒng)和監(jiān)控程序。本設(shè)計(jì)的軟件包括主程序，紅外檢測子程序，按鍵檢測子程序。系統(tǒng)對外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，然后開始讀取紅外傳感器狀態(tài)，最終控制繼電器，進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動。系統(tǒng)整體流程圖，如圖8所示。

3.2主系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心芯片是STC89C52，通過控制繼電器電路以及讀取紅外傳感器狀態(tài)實(shí)現(xiàn)智能干手器，初始化單片機(jī)外圍設(shè)備是程序設(shè)計(jì)的主程序，其次是初始化單片機(jī)定時(shí)器，接下

來進(jìn)入循環(huán)中，讀取紅外傳感器的設(shè)備狀態(tài)以及控制繼電器。繼電器吸合的操作由程序中主函數(shù)根據(jù)標(biāo)志位Flag的狀態(tài)來執(zhí)行。系統(tǒng)主程序流程，如圖9所示。

3.3定時(shí)中斷程序的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中繼電器的吸合來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，15秒即風(fēng)扇工作時(shí)間，50 ms為定時(shí)器的溢出時(shí)間，即中斷計(jì)數(shù)標(biāo)志位flag達(dá)到20次時(shí)就代表1 s的時(shí)間，以此為依據(jù)那么15 s的計(jì)數(shù)就不難實(shí)現(xiàn)了，實(shí)現(xiàn)這部分具體的流程，如圖10所示。

4系統(tǒng)調(diào)試

4.1調(diào)試過程

系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、紅外傳感器電路、繼電器驅(qū)動電路、LED顯示、等幾部分組成，系統(tǒng)硬件如圖11所示。

程序調(diào)試時(shí)，將每個(gè)模塊單獨(dú)調(diào)試，使其達(dá)到最佳狀態(tài)，每個(gè)模塊調(diào)試通過后，整合資源，合理分配MCU，使其發(fā)揮最大作用，然后進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)最佳效果。

系統(tǒng)上電前，需要保證以下幾點(diǎn)：

（1） 該系統(tǒng)上的總電源開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài);檢查相關(guān)傳感器是否安裝良好。以上檢查完畢后，就可以給系統(tǒng)供電;

（2） 開機(jī)后，看到LED顯示狀態(tài)，以及本地傳感器指示燈;

（3） 紅外傳感器處于檢測狀態(tài)，當(dāng)有人手經(jīng)過時(shí)，就會觸發(fā)繼電器導(dǎo)致風(fēng)扇的導(dǎo)通。

調(diào)試部分分為以下幾部分：

（1） 設(shè)置調(diào)試定時(shí)器中初始化部分的定時(shí)器初值;

（2） 調(diào)試程序設(shè)計(jì)中的led燈，設(shè)置斷點(diǎn)的位置即led燈亮的位置;

（3） 調(diào)試紅外傳感器靈敏度。

4.2調(diào)試中的問題

單片機(jī)中燒入程序，電路中插入芯片，啟動按鍵時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，但是有時(shí)會出現(xiàn)按鍵效果不靈敏的問題，經(jīng)分析，出現(xiàn)了按鍵抖動情況，解決的方法就是增加消除按鍵抖動的語句。經(jīng)反復(fù)修改程序中定時(shí)參數(shù)，消除抖動，克服了按鍵不靈敏的情況。

5總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的智能干手器由單片機(jī)最小系統(tǒng)，繼電器電路，紅外傳感電路接口等部分組成。實(shí)現(xiàn)了干手功能的設(shè)計(jì)要求和精度指標(biāo)：

（1） 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)了所設(shè)定的要求，且操作簡單，運(yùn)行可靠。

（2） 系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)境溫度和人體溫度、濕度，智能調(diào)節(jié)出風(fēng)口的溫度和烘干時(shí)間，優(yōu)化每個(gè)人的用戶體驗(yàn)。

（3） 為提高在現(xiàn)場環(huán)境運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了部分硬件和軟件的抗干擾設(shè)計(jì)，效果良好。

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（收稿日期： 2019.05.16）

基金項(xiàng)目：

國家自然科學(xué)基金（21703135）;教育部高等教育司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201802047133）;陜西省2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S201911396057）。

作者簡介：

楊琳（1985），女，碩士，講師，研究方向：信號處理。

向勝奎（1997），男，本科，研究方向：信號處理。

王露（1994），女，本科，研究方向：信號處理。

喬成芳（1984），女，博士，副教授，研究方向：材料學(xué)。

孟燕（1980），女，本科，講師，研究方向：中學(xué)教育。

文章編號：1007757X（2020）08000104