解密智能馬桶結構控制

添加時間: 2017-08-21 16:54:26
推薦度:

介紹

introduction

打印本文             

 

第一章緒

1_1引言

隨著信息和科學技術不斷發展,嵌入式系統滲透于人們生活的各個角落一電器、玩具、 汽車、電視、錄像機、醫療器械、飛機、導彈等等,很難給出它的確切定義,一般指嵌入 到工業系統、武器系統、機電儀表、消費電子類產品內部,完成一種或多種特定功能的專 用計算機系統。其中,智能坐便器也是M于嵌入式系統一種。

智能坐便器是集合臀部清洗、下身清洗、自動除臭、座圈保溫、自我清潔、定時節水 等功能的智能馬桶。相對于傳統馬桶,智能馬桶節水效果可達到40%以上。由于它具有衛 生、環保、節能以及舒適等優點,被廣泛應用于各種公共場所。目前在智能坐便器方面, 日本的TOTOINAX開發的產品處于世界的領先水平。這些產品價格昂貴,有一些設置 不符合國情,國內同朽次產品存在不同設計問題。

本文采用基于AVR先進微處理器,涉及到多種傳感器,采用機電一體化的先進技術。 智能坐便器具有自動翻蓋、防污除臭、溫水清洗、暖風烘干、座圈加溫、紅外遙控、智能 存儲及id憶等功能。由于智能坐便器作為一種產品投入市場,穩定性與可靠性都是至關重 要的環節。所以,研究嵌入式抗干擾原理和一些具體措施,并在智能坐便器控制系統中硬 件設計與軟件設計部分都應用到抗干擾措施。最后,在生產方負責下,智能坐便器經過兩 個月的自動老化程序檢測,仍然能夠平穩運行,實踐說明智能坐便器具有較高的穩定性和 可靠性,能夠滿足生產方的需求。

1.2嵌入式系統

1.2.1嵌入式系統概述

隨著電子數字計算機誕生于1946年,漫長的歷史進程中,計算機由于其大型和昂貴 價格,一直處于實驗室和機房。直到20世紀70年代,微處理器出現,才讓計算機發生歷 史性的變化。由于微處理器為核心的計算機具有其小型、廉價、可靠性高,迅速走出機房。 微型計算機經電氣加固、機械加固、并配上外圍電路,這樣訃算機楚嵌入到對象體系中,


實現對對象體系進行控制的計算機,稱作嵌入式計算機系統nl

最初的嵌入式系統應用是基于單片機的。20佾紀70年代單片機的出現,使得汽車、 家電、工業機器、通信裝質以及成千上萬種產品可以通過內嵌電子裝茛來獲得更佳的使用 性能,更容易使用,更快、更便立。這些裝冒已經初步具備了嵌入式的應用特點,但是這 時的應用只是使用8位的芯片,執行一些單線程的程序,還談不上“系統”的概念。

80年代初期開始,嵌入式系統的程序員開始用商業級的“操作系統”編寫嵌入式 應用軟件,這使得開發人員可以進一步縮短開發周期,降低開發成本并提高開發效率。1981 年Ready System開發出世界上第一個商業嵌入式實時內核。這個實時內核包含了許多傳 統操作系統的特征,包括任務管理、任務間通信、同步與相互排斥、中斷支持、內存管理 等功能。進入90年代,隨著計算機和電子通信技術的髙速發展,帶動了嵌入式系統在手 機、信息家電等消費類電子領域的應用,并逐步滲透到軍事、網絡、工業控制等領域。

根據IEEE的定義,嵌入式系統是“控制、監視或者輔助設備、機器和車間運行的裝 置”。從中可以看出嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體,可以涵蓋機械等附屬裝背[2】。

如果從功能角度定義,嵌入式系統可以視為執行獨立功能的專用計算機系統。它由包 括微處理器、定時器、微控制器、存儲器、傳感器等一系列微電子芯片和器件,及嵌入式 存儲器中的微型操作系統和控制應用軟件組成,實現渚如實時控制、監視、管理、移動計

算、數據處理等各種0動化任務。

?

1.2.2嵌入式系統特點

嵌入式系統是:以應用為中心,以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系 統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。它是將先進的計算機 的技術、半導體技術和電子技術和各個行業的具體應用相結合后的產物,由于這個特點決 定了嵌入式系統必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創新的知識集成系統

1、 系統內核小。由于嵌入式系統一般是應用于小遛電子裝背的,系統資源相對冇限, 所以內核較之傳統的操作系統要小得多。

2、 專用性強。嵌入式系統的個性化很強,其中的軟件系統和硬件的結合非常緊密, 一般要針對硬件進行系統的移植,即使在同一品牌、同一系列的產品中也需要根據系統硬 件的變化和W減不斷進行修改。同時針對不H的任務,往往需要對系統進行較大更改,程 序的編譯下載要和系統相結合,這種修改和通用軟件的“升級”是完全兩個概念。

3、 系統精簡。嵌入式系統一般沒有系統軟件和應用軟件的明顯區分,不要求K功能


設計及實現上過于復雜,這樣一方面利于控制系統成本,同時也利于實現系統安全。

4、 高實時性的系統軟件(0S)是嵌入式軟件的基本要求。而且,軟件要求固態存儲,以 提高速度;軟件代碼要求高質量和高可靠性。

5、 嵌入式軟件開發要想走向標準化,就必須使用多任務的操作系統。嵌入式系統的 應用程序可以沒有操作系統直接在芯片上運行;但是為了合理地調度多任務、利用系統資 源、系統函數以及和專家庫函數接口,用戶必須自行選配RTOS (Real—Time Operating System)開發平臺,這樣才能保證程序執行的實時性、可靠性,并減少幵發時間,保障軟 件質:i:。

6、 嵌入式系統開發需要開發工具和環境。由于其本身不具備自主開發能力,即使設 計完成以后用戶通常也是不能對其中的程序功能進行修改的,必須有一套開發工具和環境 才能進行開發,這些工具和環境一般是基于通用計算機上的軟硬件設備以及各種邏輯分析 儀、混合信號示波器等。開發時往往有主機和目標機的概念,主機用于程序的開發,目標 機作為最后的執行機,開發時需要交荇結合進行。

嵌入式技術的發展大致經歷了四個階段:

第一階段是以單芯片為核心的可編程控制器形式的系統,同時具有與監測、伺服、指 示設備相配合的功能;

第二階段是以嵌入式CPU為基礎、以簡單操作系統為核心的嵌入式系統;

第三階段是以嵌入式操作系統為標志的嵌入式系統;

第四階段是以基于Internet為標志的嵌入式系統,這是一個正在迅速發展的階段。目 前大多數嵌入式系統還孤立于Internet之外,隨著Internet的發展以及Internet技術與信 息家電、工業控制技術等結合F1益密切,嵌入式設備與Internet的結合將代表著嵌入式技 術的真正未來&81

1.2.3嵌入式微處理器

嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器。據不完全統計,全世界嵌入式處理器的品種 M已經超過1000多種,流行體系結構有30幾個,其中8051體系占大多數。生產8051 單片機的半導體廠家有20多個,共350多種衍生產品,僅Philips就有近100種。

目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB256MB,處理速度從0.1M IPS2000 MIPS一般可以將嵌入式處理器分成4類:即嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor UniUEMPU)、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)、嵌入式 DSP 處理器(Embedded


Digital Signal ProcessorEDSP)和嵌入式片上系統(System on Chip,SOC)【91"〇

(1) 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit EMPU)

嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU在應用中,將微處理器裝配在專門設 計的電路板上,只保留和嵌入式應用有關的功能,這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。 為了滿足嵌入式應用的特殊要求,嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一 樣的,但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種増強。和工業控制計算 機相比,嵌入式微處理器具有體積小、重M輕、成本低、可靠性髙的優點,但是在電路板 上必須包括ROMRAM總線接口、各種外設等器件。嵌入式微處理器目前主要有 Aml86/88、386EXS0400Power PC68000、MIPS、ARM 系列等。

(2) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機,顧名思義,就是將整個計算機系統集成到一塊芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核為核心,芯片內部集成ROM/EPROMRAM 總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDogI/O、串行口、脈寬調制輸出、A/DD/A、Flash RAMEEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求,一般一個系列的單片 機具有多種衍生產品,每種衍生產品的處理器內核都是一樣的,不同的是存儲器和外設的 配賈及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配,功能不多不少,從而減少 功耗和成本。和嵌入式微處理器相比,微控制器的最大特點是單片化,體積大大減小,從 而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是0前嵌入式系統工業的主流。微控制器的 片上資源一般比較豐富,適合于控制,因此稱微控制器。

(3) 嵌入式 DSP 處理器Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器,其在系統結構和指令算法方面進行了 特殊設計,在數字濾波、FFT譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。DSP的理 論算法在70年代就已經出現,但是由于專門的DSP處理器還未出現,所以這種理論算法 只能通過MPU等由分立元件實現。1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語音合成和編 碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP的運算速度進一步提高,應用領域也從上述范圍擴大到 了通信和計算機方面。目前敁為廣泛應用的嵌入式DSP處理器是TITMS320C2000/ C5000系列,另外如丨ntelMCS-296SiemensTriCore也有各自的應用范圍。

(4) 嵌入式片上系統(System On Chip, SOC)

SoC就是System on ChipSoC嵌入式系統微處理器就是一種電路系統。它結合了許 多功能區塊,將功能做在一個芯片上,像是ARM RISC、MIPS RISCDSP或是其他的微


處理器核心,加上通信的接口單元,像是通用串行端口USB)、TCP/IP通信單元GPRS 通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍牙模塊等等,這些單元以往都是依照各單元的 功能做成一個個獨立的處理芯片。

嵌入式處理器一般具有以下4個特點:

1、 對實時多任務操作系統具有很強的支持能力。能夠實現多任務并且有較短的中斷 響應時間,從而使內部的代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度。

2、 具有功能很強的存儲區保護功能。由于嵌入式系統的軟件結構一般為模塊化,為 了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用,需要設計強大的存儲區保護功能,同時也 有利于軟件故障診斷。

3、 處理器結構可擴展。能夠快速開發出滿足各種應用和高性能的嵌入式微處理器。

4、 低功耗。尤其是用于便攜式的無線及移動計算和通信設備的嵌入式系統,功耗可 以達到mW級甚至uW級。

近年來嵌入式微處理器的主要發展方向是小體積、高性能、低功耗。專業分工也越來 越明顯,出現了專業的1P( Intellectual Property Core,知識產權核)供應商,如ARM、MIPS 等,他們通過提供優質高性能嵌入式微處理器內核,由各個半導體廠商生產面向各個應用 領域的芯片[^151 1.2.4嵌入式系統前景

嵌入式系統無疑是當前最熱門發展前途的IT領域之一。由于嵌入系統體積小、可靠性 高、功能強大、靈活方便等特點,才使其在眾多鄰域中得到應用。嵌入式系統應用苺本在 生活中是無所不在:移動電話、家電、汽車、工業控制領域、商業金融領域、信息家電, 工業制造、過程控制、網絡、航天、通訊、儀器、船舶、軍事領域等。針對嵌入式系統的 研發具有相當廣范應用前景。

1.3智能坐便器

1.3.1智能坐便器概述

智能坐便器具有瞬間即熱,拆洗方便且價廉物美的特點,是淸潔人體下身的最佳衛生 潔具。按照醫學界長期研究的結果,以及人們長期保潔、保健的經驗和共同認識:人體下 身皺褶,大小便之后只用衛生紙擦拭,效果不是很理想。最好的辦法是及時地用流動的溫

水沖洗,并配合熱風烘干,真正做到了又干又凈。這樣,即可清潔下身,又可活血保健, 預防各種肛腸疾病、婦科疾病的發生,起到保鍵養顏的作用[161。智能坐便器能把每天用溫 水沖洗人體下身這一繁瑣的事變為方便、舒適、快捷、衛生的保健活動。它是現代人居家 生活必備的新型衛生潔具。 1.3.2智能坐便器特點

1. 座圈暖座功能:按下座圈加熱按鍵,可使用戶冬天使用時便座溫暖、舒適。

2. 溫水沖洗功能:通用沖洗為三孔溫水沖洗,對臀部可深層護理。婦女沖洗為獨特 的多孔結構,沖洗柔和舒適。水溫設三檔可調。

3. 瞬間即熱式:本產品采用即熱式水箱,即使在冬天也可以在啟動30秒后加熱至設 定溫度。能做到即丌即用,即使長時間沖洗也可以持續不斷地供應熱水。

4. 超強的噴頭自潔功能:當噴頭伸出沖洗時,微電腦控制磁閥快速噴出小股水流5 秒鐘即達到自潔效果。

5. 耐高水壓水路系統:本機設有內、外二級減壓閥,可將高達lMpa(10Kg£^m2)的水 壓(額定水壓為0.7Mpa)減至0.07Mpa(0.71Cgfitm2),而低于0.07Mpa的水則暢通無阻。

6. 熱風烘干功能:沖洗結束后即可進行熱風烘千,有冷風、溫風、熱風三檔可選擇, 運行90秒即自行停止,若需繼續使用可以再次按動按鍵。

7. 可靠的安全保護功能:整機電源通過漏電保護插頭引入,確保用電安全。水箱加 熱系統設置可靠的防止過熱及防止干燒的保護裝賈;暖座系統及暖風烘干系統均設置防過 熱裝置。

智能坐便器是集合臀部清洗、下身清洗、自動除臭、座圈保溫、自我淸潔、定時節水 等功能的馬桶。相對于傳動馬桶,智能馬桶節水效果可達到40%以上。由于它具有衛生、 環保、節能以及舒適等優點,被廣泛應用于各種公共場所。

1.3.3智能坐便器的應用現狀

隨著中國經濟髙速的發展,人們對生活品質要求也越來越高,在衛浴方面,人們從蹲 著上M所,到坐著上廁所,再到上完廁所不用動手就能清洗臀部的飛躍,速度可iS?R 里。據傳,智能馬桶最早是FI本人發明,目的為讓不少痔瘡患者上衛生間覺得方便。結果, 這個發明受到廣大人們歡迎,最后風靡日本和西方一些發達國家。日本幾乎家家戶戶都有 智能馬桶,普及率是相當高。相對于我國目前市場,特別在南方這些市場,智能馬桶普及


相當低。目前在智能座便器方面,日本的TOTCKINAX開發的產品處于世界的領先水平11\ 而國內在這方面做的就要差一點,其中,做得比較好如浙江星星便潔寶有限公司,維為有 限公司。主要是山于在設計上的缺陷,國內的產品在智能控制上都存在著不同程度的問題。 研究智能坐便器是非常有實際意義。

1.4論文的內容和結構

本論文總共分為七章

第一章,介紹嵌入式系統概念、特點、及其研究現狀。介紹智能坐便器特點、發展現 狀和未來發展趨勢。

第二章,對于智能坐便器嵌入式系統進行霈求分析,根據需求對整個系統進行總體設 計,并針對各種功能進行劃分,并給出功能模塊圖。

第三章,智能坐便器外圍設備選擇和相關部件進行介紹。針對于主機控制芯片 ATmega64和遙控器芯片HT49R30進行介紹。重點研究電機和傳感器分類、原理、及其一 些相關的功能。

第四章,介紹嵌入式系統的硬件設計與實現。重點介紹電機硬件驅動電路設計思想和 原理。還介紹紅外接收電路、紅外發射、遙控器鍵盤設計等設計思想。

第五章,介紹嵌入式系統軟件設計與實現。重點介紹主機翻蓋_控制、溫度控制、清 洗裝置控制等。介紹遙控器軟件設汁。

第六章,介紹嵌入式抗干擾原理和一些措施,及其在智能座便器系統中的應用^

第七章,嵌入式系統調試與運行分析,整個嵌入式系統運行穩定,正常,符合需求。

最后,對于全文進行一個總結,分析智能坐便器研究成果,提出有待改進的不足之處。


 

第二章智能坐便器系統需求分析和總體設計

2.1智能坐便器系統功能需求分析














如圖2-1所示,智能坐便器由主機控制系統與遙控器控制系統所組成,智能坐便器主 機系統具備功能有:電源控制、自動沖水、自動翻蓋、臀部清冼及往復、臀部柔和清洗及 往復、女用淸洗及往復、干燥、除臭、坐溫調節、水溫凋節、風溫調節、增壓、按摩STOP 等多種功能;同時具有翻蓋自動保護、自動老化程序、水溫過熱保護、坐溫過熱保護、漏 電電保護等多種保護措施。遙控器控制系統具有:鍵盤輸入,LCD顯示,紅外發射這三大 主要功能模塊。


(1) 主機控制系統功能需求

1. 電源鍵:實現主機電源開關的控制。

2. 噴頭淸洗功能:可以分為3秒鐘淸洗和90秒的噴頭清洗,主要是保持噴頭的潔凈。

3. 除臭功能:當人坐上坐便器后,除臭裝S就開始工作,臭氣觸媒催化反應后被排 除,使衛生間淸新芬芳。

4. 干燥功能:五檔可調式的溫暖烘干氣流,令便后臀部干燥舒適。

5. 臀部淸洗功能:可以在臀部柔和淸洗和臀部強力淸洗之間切換,又具備增壓功能, 滿足不同的需要。清洗時,可以使用有節奏的按摩功能。

6. 女用清洗功能:根據女性生理結構特點設計,具有增壓功能和按摩功能,既讓人 感覺舒適,同時達到最佳清洗效果。

7. 沖水功能:根據不同的情況,自動判別沖大水或小水。充分考慮了節水。

8. 翻蓋和圈功能:當感應到人的時候,自動開啟坐蓋,當人離幵的時候,自動關坐 蓋。通過遙控器控制翻蠱和_動作。

9. 坐溫調節功能:可預設四檔坐圈溫度凋節,分為室溫(不加熱)2檔:30° C 3 檔34° C 4檔:37° C默認.?室溫。用戶通過遙控器中相應按鍵設定。

? 10.水溫調節功能:可預設四檔水溫調節,分為室溫2檔:36° C 3檔38° C 4檔: 40° C。用戶通過遙控器中相應按鍵設定。

11. 節電功能:在長時間不使用的前提下,系統自動進入節電模式。可分為水加熱節 電和坐圈加熱節電。在水加熱節電模式中,水加熱裝置檔位溫度設定值強制設定到25° C 在坐圈加熱節電模式中,坐圈檔位溫度設定值強制設定到25° C

12. 微光燈功能:微光燈主要是起到照明和指示作用。

13. 指示燈功能:通過主機中的指示燈,可以判斷某種功能處于何種狀態。在主機指 示燈可分為水加熱指示燈、坐圈加熱指示燈、電源指示燈、節電指示燈、0動沖水指示燈、 自動翻說指示燈。

14. 異常處理功能:在系統進入異常狀態時,系統自動鎖定所有功能,切斷主電源, 同時采取聲光報膂,提醒用戶。

15. 故障代碼顯示功能:為了便于技術維修人員對系統故障的判斷,使用發光二極管 顯示故障代碼。

16. 自動老化功能:便于產品在出廠時的自動檢測和演示整個坐便器的功能,系統自 動按照預先設定的順序和步驟,依次執行各個功能。

(2) 遙控器功能需求

遙控器主要具備三個功能:鍵盤輸入、發送信號和LCD顯示。鍵盤輸入:獲得用戶 在鍵盤上輸入,獲得用戶輸入命令。發送信號:主要建立和主控制系統的通信,將遙控器


按鍵的信號傳送給主控制系統,根據不同的按鍵發送對應信號給主機。LCD顯示:在遙控 器的液晶面板上,需要顯示相應按鍵的狀態。其顯示的狀態如下:

1. 圈蓋自動翻轉設定狀態

2. 節電模式設定狀態

3. 微光燈設定狀態

4. 增壓功能設定狀態

5. 自動沖水設定狀態

6. 水溫調節檔位設定狀態

7. 坐溫調節檔位設定狀態

8. 風溫調節檔位設定狀態

9. 水勢檔位、按摩功能設定狀態

10. 清洗位背、往復功能設定狀態

11. 紅外發射狀態

2.2智能坐便器系統總體設計

對應于上面的需求,對各項功能進行總體設計如下:

(1) 電源控制功能

通過主機或遙控器的POWER鍵實現主機開啟和關閉;系統關閉,切斷水溫、分溫和 座溫三路高壓的供電,單片機進入等待狀態,不響應任何控制命令,除非接收到POWER 鍵的信號。

(2) 自動沖水功能

沖水功能分為自動沖水和手動沖水。自動沖水的狀態通過遙控器中丨自動沖水B 鈕設定。在自動沖水狀態下,在圈蓋都翻起后,同時紅外測距傳感器2檢測到人在其前面 大于15秒,隨后在沒有檢測到人時,沖小水;著坐傳感器檢測到人坐下6秒以后,隨后 檢測到人離開沖大水。手動沖水只沖大水。利用直流電機正轉或反轉,實現沖大小水。

(3) 自動翻蓋圈功能

在自動翻盞圈功能開啟的情況下,根據傳感器檢測到人的到達或來開狀態,自動進行 蓋的向下或向上翻轉。圈的翻轉通過遙控器實現。同時也可以根據接受到的遙控器控制命 令實現蓋圈的動作。翻蓋圈實現下面進行具體介紹。

(4) 臀部強力淸洗及往復功能

臀部強力淸洗功能周期為90秒,開啟為手動,停止可以手動或正常自動結束。控制系 統打開電磁閥和泵,轉動電機,使噴管伸縮自如,水勢大小預設五檔,通過遙控器中的水 勢WX(A)和水勢WX(V)按鈕調節,系統默認為1檔。著坐傳感器檢測到人坐下,且使用 主機中SWASH遙控器中『臀部強力及往復j按鈕,可以反復在臀部強力清洗強力往復 清洗一臀部強力清洗強力往復清洗…循環切換。

(5) 臀部柔和清洗及往復功能

臀部柔和清洗功能周期為90秒,開啟為手動,停止可以手動或正常自動結束。控制系 統打開電磁閥和泵,轉動電機,使噴管伸縮自如,水勢大小預設五檔,通過遙控器中的水 勢WX(A)和水勢WX(V)按鈕調節,系統默認為1檔。著坐傳感器檢測到人坐下,且使用 遙控器中〖臀部柔和及往復J按鈕,可以反復在臀部柔和清洗一柔和往復淸洗一臀部柔和 淸洗一柔和往復淸洗…循環切換。

(6) 女用清洗及往復功能

女用淸洗功能周期為90秒,開啟為手動,停止可以手動或正常自動結束。控制系統打

開電磁閥和泵,轉動電機,使噴管伸縮自如,水勢大小預設五檔,通過遙控器中的水勢

#

WX(A)和水勢按鈕調節,系統默認為1檔。著坐傳感器檢測到人坐下,且使用遙 控器中r女用及往復』按鈕,可以反復在女用清洗一女用往復清洗一女用淸洗一女用往復 淸洗…循環切換。

(7) 干燥功能

千燥功能具有三檔可調的風溫,風溫分為三檔低檔:45° C中檔:50° C髙檔60 ° C。系統默認為低檔。用戶可以通過遙控器上的風溫設賈按鈕進行設置,系統帶有id 功能。工作原理是:先開啟干燥風機,然后給電熱絲通電。風溫是可以調節的。風溫的調 節是通過控制通電脈沖的占空比來實現的。

(8) 除臭功能

人在坐上便座,除臭裝置就自動開始工作,臭氣觸媒催化反應后被排除。當干燥功能 開啟后,須停止除臭裝置工作。通過持續按住主機中STOPJ按鈕10秒,可強行關閉或 者開啟自動除臭功能。

(9) 噴頭淸洗功能

噴頭淸冼分為甜噴頭淸3秒、后噴頭淸3秒和噴頭清90秒三種情況,其主要作用是確 保噴頭潔凈。人在坐下后以及人在離開后系統ft動進行噴頭淸洗,持續時間為3秒;同時 為了方便人手工清洗噴頭,設買了持續時間為90秒的噴孓淸洗。


浙江工業人,碩士學位論文

(10) 坐溫調節功能

坐溫凋節主要是調節坐圈的溫度,用戶可以在遙控器中調節,坐溫分為四檔:室溫(不 加熱),2檔:30° C, 3檔34° C , 4檔:37° C,默認:室溫。主要通過鋁箔加熱器、 數字式溫度傳感器調節坐圈的冷暖。

(11) 水溫調節功能

水溫凋節主要是調節小水箱中水的溫度,供噴頭淸洗和臀部、女用淸洗使用。用戶可 以在遙控器中調節,水溫分為四檔:1檔:室溫,2檔:36度,3檔:38度,4檔:40度, 默認.?室溫。主要通過電熱管、數字式溫度傳感器、磁敏溫度開關進行精確加熱。

(12) 節電功能

為了節約產品的能耗,在用戶長時間不使用產品的時候,系統自動轉入節電模式。節 電模式分為:水加熱節電和坐圈加熱節電兩種。系統初試默認節電模式關。可以通過遙控 器中r節電j按鈕開啟節電模式。水加熱節電模式是水溫檔位不設置在室溫檔位,在10 分鐘內檢測不到人使用時,強制將水溫設定到25° C座溫節電模式是在10分鐘內檢測不 到人使用時,強制將座溫設定到25° C

(13) 報繁功能

智能平便器在使用過程中出現異常狀態則停止所有功能并聲光報警。系統共分為6種 故障異常。

1) 水位傳感器在10分鐘后檢測水位仍未滿。

2) 水加熱裝W.中,過熱異常超過磁敏溫度開關值)。

3) 座溫傳感器故障。

4) 水溫傳感器故障。

5) 自動放水裝置,電機尋找零位過程中,10秒后電機轉一圈為3秒),霍爾傳感器 仍檢測不到對零位信號。

座圈和座蓋自動翻轉裝貿,過載異常連續三次都無法正常翻到位)。

(14) 自動老化檢測功能

自動老化程序主要用于演示或進行老化測試。持續按住主機中丨DRYfSWASHj 按鈕>=10秒(提示音嘀),啟動自動老化程序。按照一定的次序依次執行。自動老化檢測 程序執行的順序如下:

1) 關閉原先所有功能

2) 自動向上翻蓋(若原來蓋已翻起則先翻下


3) 噴頭3秒淸洗

4) 臀部強力清洗,調節淸洗位背與水勢到檔位3,隨后執行往復淸洗30秒,執行增 壓功能15秒,再執行按摩功能15秒。

5) 停止臀部強力清洗,隨后噴頭淸洗3秒

6) 由停止到女用淸洗,隨后執行往復清洗30秒

7) 停止淸洗裝背

8) 干燥30秒

9) 除臭30秒,同時向上翻豳

10) 關閉除臭

11) 自動放大水

12) 先向下翻圈,后向下翻蓋

等待10分鐘進入下一輪自動老化。

(15) 紅外接收功能

智能坐便器主控制系統的大部分控制信息來自于遙控器。紅外接收頭采用一體頭,利 用脈寬檢測,接收紅外信號。

(16) 遙控器鍵盤檢測

由于智能坐便器系統的控制信息很多,同時,大部分信息都是由遙控器控制,所以遙 控器上的按鍵就很多,我們采用鍵盤陣列的布局。

(17) 遙控器LCD顯示功能

遙控器芯片本身帶有LCD驅動模塊,所以大大簡化了 LCD顯示的設計。對應于LCD 面板上的每個點,芯片里面有一塊內存與此相對應。往內存的某個地址寫1,就點亮了相 應的點;往內存的某個地址寫0,就熄滅了相應的點。

(18) 遙控器發射功能

紅外發射采用芯片的定時器產生38k載波,再用程序調制。具體實現在下面的詳細設 計里說明。

(19) 遙控器電源控制功能

功能描述:遙控器的POWER鍵實現主機開啟和關閉,同時控制遙控器顯示、鍵盤、 發射關閉或打開。操作說明:按下電源D,可啟動(己處于關閉狀態或關閉(已處于工 作狀態主機。開啟遙控器現象:點亮液晶,發射信號給主機;關閉遙控器現象:關閉 液晶,發射信號給主機。


 

第三章智能坐便器外圍設備選擇及抗干擾相關技術介紹

3.1嵌入式系統控制芯片

3.1.1 AVR單片機

AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發出的培強型內胥FlashRlSC(Reduced Instruction Set CPU)精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應用于計算機外 部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電器等各個領域。

早期單片機主要由于工藝及設計水平不高、功耗髙和抗干擾性能差等原因,所以采取 穩妥方案:即采用較髙的分頻系數對時鐘分頻,使得指令周期長,執行速度慢以后的 CMOS單片機雖然采用提高時鐘頻率和縮小分頻系數等措施,但這種狀態并未被徹底改觀 (51以及51兼容)。此間雖有某些精簡指令集單片機(RISC)問世,但依然沿襲對時鐘分頻的 作法。

AVR單片機的推出,徹底打破這種舊設計格局,廢除了機器周期,拋棄復雜指令計算 (CISC)追求指令完備的做法;采用精簡指令集,以字作為指令長度單位,將內容豐富的 操作數與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數的單周期指令都是如此),取指周期短, 又可預取指令,實現流水作業,故可高速執行指令。當然這種速度上的升躍,是以高可靠 性為其后盾的。

AVR單片機主要特性:

高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位,一直是衡量單片機性能的重要指標, 也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件[1+2()1

(1) AVR單片機硬件結構采取8位機與16位機的折中策略,即采用局部寄存器存堆 (32個寄存器文件)和單體高速輸入/輸出的方案(即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器 及相應控制邏輯)。提高了指令執行速度(IMips/MHz),克服了瓶頸現象,增強了功能;同 時又減少了對外設管理的開銷,相對簡化了硬件結構,降低了成本。故AVR單片機在軟/ 硬件開銷、速度、性能和成木諸多方而取得了優化平衡,是卨性價比的單片機。

(2) AVR單片機內嵌高質量:的Flash程序存儲器,擦寫方便,支持ISP1AP,便于

產品的調試、幵發、生產、更新。內嵌長壽命的EEProm可長期保存關鍵數據,避免斷電

-21 —

丟失。片內大容fiRAM不僅能滿足一般場合的使用,同時也更有效的支持使用高級語 言開發系統程序,并可像MCS-51單片機那樣擴展外部_。

(3) AVR單片機的I/O線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入/輸出、可設 定(初始高阻輸入、驅動能力強(可省去功率驅動器件)等特性,使的I/O 口資源靈活、 功能強大、可充分利用。

(4) AVR單片機片內具備多種獨立的時鐘分頻器,分別供URATI2CSPI使用。 其中與8/16位定時器配合的具有多達10位的預分頻器,可通過軟件設定分頻系數提供多 種檔次的定時時間。AVR單片機獨有的“以定時器/計數器(單)雙向計數形成三角波,再 與輸出比較匹配寄存器配合,生成占空比可變、頻率可變、相位可變方波的設計方法(即脈 寬調制輸出PWM)”更是令人耳目一新。增強性的高速同/異步串口,具有硬件產生校驗碼、 硬件檢測和校驗偵錯、兩級接收緩沖、波特率自動調整定位接收時)、屏蔽數據幀等功 能,提高了通信的可靠性,方便程序編寫,更便于組成分布式網絡和實現多機通信系統的 復雜應用,串口功能大大超過MCS-51/96單片機的串口,加之AVR單片機高速,中斷服 務時間短,故可實現高波特率通訊。面向字節的高速硬件串行接口 TW〖、SPITWII2C 接口兼容,具備ACK信號硬件發送與識別、地址識別、總線仲裁等功能,能實現主/從機 的收/發全部4種組合的多機通信。SPI支持主/從機等4種組合的多機通信。

(5) AVR單片機有自動上電復位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路BOD, 多個復位源(自動上下電復位、外部復位、看門狗復位、BOD復位),可設置的啟動后延時 運行程序,增強了嵌入式系統的可靠性

(6) AVR單片機具有多種省電休眠模式,且可寬電壓運行5_2.7V),抗干擾能力強, 可降低一般8位機中的軟件抗干擾設計工作量和硬件的使用量。

(7) AVR單片機技術體現了單片機集多種器件(包括FLASH程序存儲器、看門狗、 EEPROM/界步串行口、TWISPIA/D模數轉換器、定時器/計數器等)和多種功能(增 強可靠性的復位系統、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統、具輸入捕 獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器/汁數器、具替換功能的I/O端口)于一身,充分體 現了單片機技術的從“片自為戰〃“片上系統SoC過波的發展方向。

3.1.2主機芯片ATmega64特性介紹

ATmega64是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。山于其先進 的指令集以及單時鐘周期指令執行時間,ATmega64的數據吞吐率高達lMIPS/MHz,從而


可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega64是以Atmel高密度非易失性存儲 器技術生產的P231片內ISP Flash允許程序存儲器通過ISP串行接口,或者通用編程器 進行編程,也可以通過運行于AVR內核之中的引導程序進行編程。通過將8位RISC CPU 與系統內可編程的Flash集成在一個芯片內,ATmega64成為一個功能強大的單片機,為許 多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。

ATmega64芯片主要特征:

(1) ATmega64因為采用了先進的RISC精簡指令集結構,所以具有足夠快的運行速度, 可達1MIPS/MHZ,是普通CISC單片機的10倍。

(2) 兩路8位PWM通道6路編程分辨率從1到16位可變的PWM通道,可實現任意小 16位、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出。

(3) 35個不同的獨立中斷源,并有特定的中斷允許位,提高了系統的安全性。 ⑷片內集成了 64K字節的系統內可編程Flash,2K字節的EEPR0M,4K字節片內SRAM,

64K字節可選外部存儲空間,存儲空間足以滿足系統需要,并為系統的擴展提供了必要保 證。

(5) 53個可編程的I/O 口,可任意定義I/O的輸入/輸出方向;驅動能力強,可直接 驅動LED等大電流負載,且多數的I/O 口為復用口,除了作為通用數字I/O使用外,其第 二功能可作為芯片內部其他外圍電路的接口。

(6) 具有四個定時/計數器,除了能夠實現通常的定時和計數功能外,還具有捕捉、 比較、脈寬調制輸出、實時時鐘計數等更為強大的功能。

(7) ADCDAC轉換,可直接輸入模擬毋、輸出數字量。

(8) 有看門狗電路,一旦程序進入死循環能自動復位,保證系統工作的可靠性。

(9) 有空閑、省電、掉電三種低功耗方式,很適合低功耗系統的要求。

由于鑒于ATMega64具有速度相對較快,性能穩定,內部資源比較豐富,能夠很好滿 足智能坐便器控制的需求,所以選擇它作為我們開發智能坐便器主機芯片。

3.1.3遙控器芯片HT49R30介紹

HT49R308位高性能、高效益的RISC結構申片機,適用于LCD控制產品的應用124] 內部的特殊特性,如鋝停、喚醒功能、振蕩器選擇、蜂鳴器驅動和UART等,增加了單片 機的靈活度,而這些特性也同時保證實際應用時只需要最少的外部組件,進而降低了整個 產品成本。有了低功耗、高性能、靈活控制的輸入/輸出和低成本等優勢,這些芯片具有許


多功能,并適合被廣泛應用在以LCD為主的場合。

HT49R30芯片的主要特性如下:

(1) 6位輸入口,8位雙向輸入/輸出口,完全能滿足遙控器對輸入輸出的要求。

(2) 2個外部中斷輸入。外部中斷輸入還能喚醒休眠模式下的單片機。

(3) —個8位可編程定時/計數器,具有溢出中斷和8級預分頻器并支持PFD(可編程 分頻)。這個功能可以用來發射紅外信號。

(4) 19X2、19X318X4段的LCD驅動器,足夠系統對LCD的要求。

(5) 2KX 14位的程序存儲器ROM, 96X8位的數據存儲器RAM,能很好的滿足程序和 數據的空間。

(6) 實時時鐘RTC),實時時鐘RTC)8位預分頻器,讓系統有靈活的定時系統。

(7) 看門狗定時器可防止程序跑飛。

(8) HALT和喚醒功能可減少功耗。

(9) 指令執行時間皆為1或2個指令周期,程序的執行效率較好。

若遙控器僅僅只需要實現一個具有紅外發送功能,可以選用的芯片很多,甚至最基本 51單片機都能滿足要求,但是遙控器還需求里有一個LCD顯示功能。對于這個問題有 兩種方案可以解決。

(1) 另外設計LCD驅動電路。在這種情況下,遙控器芯片可以選用成本較低的芯片。 但是程序的控制將比較復雜,并且自行設計的LCD驅動電路,將增加PCB板上電路的復 雜性,降低系統的穩定性。

(2) 選用帶LCD驅動的芯片。選用這種類型的芯片(如HT49系列芯片),LCD的驅 動電路不用自己設計,而且程序的控制將大大的簡化。但是成本會相對荇所増加。

硬件系統設計的原則是PCB板上的器件越少越好1251。從這方面考慮,第二種方案將 優于第一種方案。而且第二種方案的選用將大大簡化硬件和軟件的設計。對于成本問題, 遙控器的成本對于主機的成本來說是很小的一部分。基于上面的分析,我們決定釆用第二 種方案。

3.2電機

許多應IH都會用到功率低于300W的小型電機。整體而言,電機的產量約和其功率大 小成反比,這表示小型電機的產量遠超過大型電機。應用最廣泛的小型電機包括科刷直流 電機、無刷直流屯機和步進電機。根據智能坐便器系統具體需求和不同電機的特性,在適 當的位S選擇合適的電機。下面通過分析直流電機和步進電機的結構和控制原理來陳述我

-24 -


們選擇電機的理由 3.2.1電機定義

英文[electric machinery]泛指能使機械能轉化為電能、電能轉化為機械能的一切機 126]。特指發電機、電能機、電動機。

3.2.2電機分類

(1) 按工作電源分類根據電動機工作電源的不同,可分為直流電動機和交流電動機。 其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。

(2) 按結構及工作原理分類根據電動機按結構及工作原理的不同,可分為直流電動 機,異步電動機和同步電動機。

同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻N步電動機和磁滯同少電動機。異步電動 機可分為感;、V:電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步電動機、單相異步 電動機和罩極異步電動機等。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動 機和推斥電動機。直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動 機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機又分為串 勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機又 分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。

(3) 按起動與運行方式分類根據電動機按起動與運行方式不同,可分為電容起動式 單相異步電動機、電容運轉式單相異步電動機、電容起動運轉式單相異步電動機和分相式 單相異步電動機。

(4) 按用途分類可分為驅動用電動機和控制用電動機。

驅動用電動機又分為電動工具(包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具 用電動機、家電(包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸 塵器、照相機、電吹風、電動剃須刀等)用電動機及其它通用小型機械設備(包括各種小 型機床、小型機械、醫療器械、電子儀器等用電動機。控制用電動機又分為步進電動機 和伺服電動機等。

(5) 按轉子的結構分類根據電動機按轉子的結構不同,可分為籠型感;、V:電動機(舊 標準稱為鼠籠型異步電動機和繞線轉子感)、V:電動機(舊標準稱為繞線型異步電動機)。

(6) 按運轉速度分類根據電動機按運轉速度不N,可分為商速電動機、低速電動機、


恒速電動機、調速電動機。

低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機 等。調速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變速電動機和無級變速 電動機外,還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變頻調速電動機和開關磁 阻調速電動機。異步電動機的轉子轉速總是略低于旋轉磁場的同少轉速。同步電動機的轉 子轉速與負載大小無關而始終保持為同步轉速。

3.2.3直流電機結構和控制原理

(1) 直流電機定義

輸出或輸入為直流電能的旋轉電機,稱為直流電機,它是能實現直流電能和機械能互 相轉換的電機|271。當它作電動機運行時是直流電動機,將電能轉換為機械能;作發電機運 行時是直流發電機,將機械能轉換為電能。

(2) 直流電機結構:

直流電機由定子和轉子兩部分組成,其間有一定的氣隙。其構造的主要特點是具有一 個帶換向器的電樞。直流電機的定子山機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件 組成^1。其中主磁極是產生直流電機氣隙磁場的主要部件,由永磁體或帶有直流勵磁繞組 的疊片鐵心構成。直流電機的轉子則由電樞、換向器又稱整流子)和轉軸等部件構成。 其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成,在其外圓處均勻分 布著齒槽,電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機械糧流部件。山換向片疊成圓筒 形后,以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質量對運行可靠 性有很大影響。

永磁式直流電動機:

永磁式直流電動機也由定子磁極、轉子、電刷、外殼等組成,定子磁極采用永磁體(永 久磁鋼),有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料。按其結構形式可分為P筒型和瓦塊型等兒 種。錄放機中使用的電多數為岡筒M磁體,而電動工具及汽車用電器中使用的電動機多數 采用專塊型磁體。

轉子一般采用硅鋼片疊壓而成,較電磁式直流電動機轉子的槽數少。錄放機中使用的 小功率電動機多數為3槽,較A檔的為5槽或7梢。漆鈕線繞在轉子鐵心的兩槽之間(三 槽即有三個繞組),其各接頭分別焊在換各器的金屈片上。電刷是連接電源與轉子繞組的 導電部件,具備導電與耐磨兩種性能。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金M石墨電刷、


 

電化石墨電刷。

錄放機中使用的永磁式直流電動機,采用電子穩速電路或離心式穩速裝置。

無刷直流電動機:

無刷直流電動機是采用半導體幵關器件來實現電子換句的,即用電子開關器件代替傳 統的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機械噪聲低等優點,廣泛應用 于高檔錄音座、錄像機、電子儀器及自動化辦公設備中。

無刷直流電動機由永磁體轉子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位背傳感按轉子 位置的變化,沿著一定次序對定子繞組的電流進行換流(即檢測轉子磁極相對定子繞組的 位背,并在確定的位置處產生位置傳感信號,經信號轉換電路處理后去控制功率開關電路, 按一定的邏輯關系進行繞組電流切換)。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電 子開關電路提供。

位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。

采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機,其磁敏傳感器件(例如檟爾元件、磁敏二 極管、磁敏詁極管、磁敏電阻器或專用集成電路等)裝在定子組件上,用來檢測永磁體、 轉子旋轉時產生的磁場變化。

采用光電式位置傳感器的無刷直流電動機,在定子組件上按一定位背配黃了光電傳感 器件,轉子上裝有遮光板,光源為發光二極管或小燈泡。轉子旋轉時,由于遮光板的作用, 定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇間生脈沖信號。

采用電磁式位背傳感器的無刷直流電動機,是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件 (例如耦合變壓器、接近開關、lc諧振電路等),當永磁體轉子位a發生變化時,電磁效 應將使電磁傳感器產生高頻調制信號(其幅值隨轉子位背而變化)。

直流電機特點:

1) 調速性能好。所謂“調速性能”,是指電動機在一定負載的條件下,根裾需要,人 為地改變電動機的轉速。直流電動機可以在重負載條件下,實現均勻、平滑的無級調速, 而且調速范削較寬l29L

2) 起動力矩大。可以均勻而經濟地實現轉速凋節。因此,凡是在重負載下起動或要 求均勻凋節轉速的機械,例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等,都用直流電 動機拖動。

(3) 無刷直流電機控制原理

現以三相Y型連接全控橋兩兩導通方式,說明無刷H流電動機運行原理,如圖3-1, 所謂兩兩導通方式,是指每一瞬間有兩個功率開關導通,每隔1/6周期(60°電角度)換相一 次,每次換相一個功率管,每一功率管導通1200電角度。當功率管TIT2導通時,電流從 T1管流入A相繞組,再從C相繞組流出,經T2管回到電源。假設流入繞組的電流所產生 的磁勢為正,那么從繞組流出的電流所產生的磁勢為負。當電機轉過60°電角度后,由 TIT2換相為T2T3,這時,電流從T3管流入B相繞紐,再從C相繞組流出,經T2回到電 源,此時合成磁勢矢t方向已經轉過了 60°電角度。而后每次換相一個功率管,合成磁勢 矢It方向就轉過60°電角度,但大小始終保持萬凡不變。由此也可以看出,三相電流兩兩 導通方式所產生的合成磁勢不是一個連續的旋轉磁勢,而是一個跳躍式的步進磁勢。于是 在定轉子磁勢的相互作用下使轉子沿一定方向旋轉。

 

3-1星型橋式三相無刷直流電動機原理圖

3.2.4步進電機結構和控制原理

步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構[3()]。通俗一點講:當少進驅動器接 收到一個脈沖信號,它就驅動少進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(及步進角)。 您可以通過控制脈沖個數來控制角位移量,從而達到準確定位的目的?,同時您可以通過控 制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度,從而達到調速的目的。

步進電機的特點:

1. 般步進電機的粘:度為步進角的3-5%,且不累積。

2. 步進電機外表允許的最高溫度。

步進電機溫度過髙首先會使電機的磁性材料退磁,從而導致力矩下降乃至于失步,因 此電機外表允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點;一般來講,磁性材料的 退磁點都在攝氏130度以上,有的甚至高達攝氏200度以上,所以少進電機外表溫度在攝 氏80-90度完全常1311

3. 步進電機的力矩會隨轉速的升髙而下降。


當步進電機轉動時,電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢;頻率越高,反向電 動勢越大。在它的作用下,電機隨頻率(或速度)的增大而相電流減小,從而導致力矩下 降。

4. 步進電機低速時可以JH常運轉,但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。

步進電機有一個技術參數:空載啟動頻率,即少進電機在空載情況下能夠正常啟動的 脈沖頻率,如果脈沖頻率高于該值,電機不能iH常啟動,可能發生丟步或堵轉。在有負載 的情況下,啟動頻率應更低。如果要使電機達到高速轉動,脈沖頻率應該有加速過程,即 啟動頻率較低,然后按一定加速度升到所希望的高頻(電機轉速從低速升到高速)。步進 電動機以其顯著的特點,在數字化制造時代發揮著重大的用途。伴隨漪不同的數字化技術 的發展以及步進電機本身技術的提高,步進電機將會在更多的領域得到應用

單極性unipolar)和雙極性bipolar)是步進電機最常采用的兩種驅動架構。

單極性步進電機:

單極性驅動電路使用四顆晶體管來驅動步進電機的兩組相位,電機結構則如圖3-2 示包含兩組帶有中N抽頭的線圈,整個電機共有六條線與外界連接。這類電機有時又稱為 四相電機,但這種稱呼容易令人混淆又不正確,因為它其實只有兩個相位,精確的說法應 是雙相位六線式步進電機。六線式步進電機雖又稱為單極性步進電機,實際上卻能同時使 用單極性或雙極性驅動電路l3W5]

supply

 

3-2單極性步進屯機驅動屯路

雙極性步進電機:

雙極性步進電機的驅動電路則如圖3-3所示,它會使用八顆晶體管來驅動兩組相位。 雙極性驅動電路可以同時驅動四線式或六線式步迸電機,雖然四線式電機只能使用雙極性 驅動電路,它卻能大幅降低成本。雙極性步進電機驅動電路的晶休1?數目是單極性驅動電

路的兩倍,其中四顆下端晶體管通常是由微控制器直接驅動,上端晶體管則需要成本較高 的上端驅動電路。雙極性驅動電路的晶體管只需承受電機電壓,所以它不像單極性驅動電 路一樣需要箝位電路。

?supply





control

°—G



0 ^

0000





k「f

X

3-3雙極性步進電機驅動電路

步進電機控制方式:

步進電機的驅動電路根據控制信號工作,控制信號由單片機產生。其基木原理作用如

T

1) 控制換相順序

通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如:三相步進電機的三拍工作方式,其各相通電 順序為ABCD,通電控制脈沖必須嚴格按照這一順序分別控制A, B, C, D相的通 136】。

2) 控制步進電機的轉向

如果給定工作方式正序換相通電,步進電機正轉,如果按反序通電換相,則電機就反 轉。

3) 控制步進電機的速度

如果給步進電機發一個控制脈沖,它就轉一步,再發一個脈沖,它會再轉一步。兩個 脈沖的間隔越短,步進電機就轉得越快。調整單片機發出的脈沖頻率,就可以對步進電機 進行調速。

3.2.5電機選擇

根據上述電機特性的分析,步進電機、直流電機的主要區別在于他們的驅動方式。步

進電機是以步階方式分段移動,直流電機和無刷直流電機通常采用連續移動的控制方式。 步進電機采用直接控制方式,它的主要命令和控制變量都是步階位置。直流電機則是以 電機電壓為控制變童,以位置或速度為命令變量。直流電機需要反饋控制系統,他會以 間接方式控制電機位置。步進電機系統多半以“開環方式”進行操作。

閥門分配器是控制清洗類型和出水大小的裝置。在閥門分配器上不同位置上很多大小 不同的通水孔,把閥門分配器轉到不同的角度,水就從不同的的孔中噴出,一個孔是從小 到大的形狀,可以控制水勢從小到大的變化。關鍵技術是需要能夠精確控制閥門分配器的 電機能夠旋轉到所需的角度。

往復裝置是跟淸洗用的水管連在一起,可以控制水管出水的位置,它的移動由往復步 進電機控制。女用淸洗和臀部清洗功能利用遙控器調節清洗的位S的單位調節,及其來往 復的移動功能,利用往復裝背的步進電機通過單片機精確控制轉動角度,實現清洗裝S 置精確移動,及其往復功能。

翻蓋和圈電機利用兩個步進控制分別控制蓋和圈的翻轉。利用單片機控制蓋和圈上 翻,下翻,停止翻轉、翻轉速度等。利用單片機內部定時器產生PWM作為步進電機的電 脈沖轉化為角位移,實現蓋和圈的翻轉動作。

自動沖水裝置由一個直流電機來控制,利用單機片控制直流電機實現正轉或反轉,實 現沖大水和小水功能。利用單片機好端口控制直流電機開關動作。

步進電機主要特點是步階方式分段控制的,所以其控制要復雜一點,成本也相對較高, 但是它不存在直流電機的干擾大,慣性大的問題。直流電機的控制比步進電機要簡單很多, 而且直流電機的成本比步進電機低。根據以上智能坐便器的實際需求和不同電機的特性分 析。需要精確控制角度如閥門分配器、往復裝置、翻蓋和圈采用步進電機采用步進電機, 沖水裝背采用價格便宜、控制簡單直流電機實現。

3.3傳感器

3.3.1傳感器定義

傳感器英文名字是transducer/sensor,傳感器是一種物理裝置或生物器官,能夠探測、 感受外界的信號、物理條件(如光、熱、濕度或化學組成如煙霧),并將探知的信息 傳遞給其他裝S或器宮137]

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是:“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉 換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝黃,


能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所 需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實 現自動檢測和自動控制的首要環節。

3.3.2傳感器的分類

可以從輸入物理最,工作原理,輸出信號的性質,能量轉換原理,制造工藝,檢測量 等不同的觀點對傳感器進行分類。

(1) 根據輸入物理量可分為.?位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器 及氣敏傳感器等。

(2) 根據工作原理可分為:電阻式、電感式、電容式及電勢式等。

(3) 根據輸出信號的性質可分為:模擬式傳感器和數字式傳感器。即模擬式傳感器 輸出模擬信號,數字式傳感器輸出數字信號。

(4) 根據能量轉換原理可分為:有源傳感器和無源傳感器。有源傳感器將非電景轉 換為電能貴,如電動勢、電荷式傳感器等;無源程序傳感器不起能堡:轉換作用,只是將被 測非電量轉換為電參數的量,如電阻式、電感式及電容光煥發式傳感器等1381

(5) 根據其制造工藝可分為:集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器 等。

(6) 根據檢測量分類可分為:物理量傳感器、化學量傳感器、生物最傳感器等。 還有很多種分類方式,這里不一一舉例了。

3.3.3傳感器的特性

傳感器的特性是指傳感器的輸入量和輸出量之間的對應關系。通常把傳感器的特性分 為兩種:靜態特性和動態特性[39】。靜態特性是指輸入不隨時間而變化的特性,它表示傳 感器在被測儀各個值處于穩定狀態下輸入輸出的關系。動態特性是指輸入隨時N而變化 的特性,它表示傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性。一般來說,傳感器的輸入和 輸出關系可用微分方程來描述。理論上,將微分方程中的一階及以上的微分項取為零時, 即可得到靜態特性。因此傳感器的靜特性是其動特性的一個特例。傳感器除了描述輸入與 輸出量之間的關系特性外,還有與使用條件、使用環境、使用要求等有關的特性。

(1) 傳感器的靜特性

傳感器的輸入-輸出關系:輸入(外部影響:沖振、電磁場、線性、滯后、重復性、靈

敏度、誤差因素)一傳感器一輸出(外部影響:溫度、供電、各種干擾穩定性、溫漂、穩 定性(零漂)、分辨力、誤差因素)。

人們總希望傳感器的輸入與輸出成唯一的對應關系,而且最好呈線性關系。但一般情 況下,輸入輸出不會完全符合所要求的線性關系,因傳感器本身存在著遲滯、蠕變、摩擦 等各種因素,以及受外界條件的各種影響。傳感器靜態特性的主要指標有:線性度、靈 敏度、重復性、遲滯、分辨率、漂移、穩定性等。

1、 線性度

通常情況下,傳感器的實際靜態特性輸出是條曲線而非直線。在實際工作中,為使儀 表具有均勻刻度的讀數,常用一條擬合直線近似地代表實際的特性曲線、線性度非線性 誤差)就是這個近似程度的一個性能指標。

擬合直線的選取有多種方法。如將零輸入和滿最程輸出點相連的理論直線作為擬合直 線;或將與特性曲線上各點偏差的平方和為最小的理論直線作為擬合直線,此擬合直線稱 為最小二乘法擬合直線。

2、 靈敏度

靈敏度是指傳感器在穩態工作情況下輸出量變化Ay對輸入量變化Ax的比值。它是 輸出一輸入特性曲線的斜率。如果傳感器的輸出和輸入之間顯線性關系,則靈敏度S是一 個常數。否則,它將隨輸入量的變化而變化。靈敏度的量綱是輸出、輸入量的最綱之比。 例如,某位移傳感器,在位移變化lmm時,輸出電壓變化為200mV,則其靈敏度應表示 200mV/mni當傳感器的輸出、輸入量的量綱相同時,靈敏度可理解為放大倍數。提高 靈敏度,可得到較高的測量精度。但靈敏度愈高,測量范_愈窄,穩定性也往往愈差。

3、 分辨率

分辨力是指傳感器可能感受到的被測最的最小變化的能力。也就是說,如果輸入量從 某一非零值緩慢地變化。當輸入變化值未超過某一數值時,傳感器的輸出不會發生變化, 即傳感器對此輸入量的變化是分辨不出來的。只有當輸入量的變化超過分辨力時,其輸出 才會發生變化。

通常傳感器在滿量程范圍內各點的分辨力并不相同,因此常用滿M程中能使輸出貴產 生階躍變化的輸入景中的最大變化值作為衡最分辨力的指標。上述指標若用滿S程的百分 比表示,則稱為分辨率。分辨率與傳感器的穩定性有負相相關性。

4、 遲滯特性

遲滯特性表征傳感器在正向(輸入量增大和反向(輸入M減小)行程間輸出一輸入 特性曲線不一致的程度,通常用這兩條曲線之間的最大差值AMAX與滿錄程輸出rs的百 分比表示。遲滯可由傳感器內部元件存在能景的吸收造成。

(2) 傳感器的動特性

動特性是指傳感器對隨時間變化的輸入量的響應特性l4〇L很多傳感器要在動態條件下檢 測,被測量可能以各種形式隨時間變化。只要輸入量是時間的函數,則其輸出量也將是時 間的函數,其間關系要用動特性來說明。設計傳感器時要根據其動態性能要求與使用條件 選擇合理的方案和確定合適的參數;使用傳感器時要根據其動態特性與使用條件確定合適 的使用方法,同時對給定條件下的傳感器動態誤差作出估計。總之,動特性是傳感器性能 的一個重要方面,對其進行研究與分析十分必要。總的來說,傳感器的動特性取決于傳感 器本身,另一方面也與被測量的形式有關。

1、 規律性

1) 周期性的.? IK弦周期輸入、復雜周期輸入。

2) 非周期性的:階躍輸入、線性輸入、其他瞬變輸入。

2、 隨機性

1) 平穩的:多態歷經過程、非多態歷經過程。

2) 非平穩的隨機過程。

在研究動態特性時,通常只能根據“規律性”的輸入來考慮傳感器的響應。復雜周期輸 入信號可以分解為各種諧波,所以可用正弦周期輸入信號來代替。其它瞬變輸入不及階躍 輸入來得嚴峻,可用階躍輸入代表。因此,“標準”輸入只有三種;正弦周期輸入、階躍 輸入和線性輸入。而經常使用的是前兩種。

3.3.3傳感器的選擇

(1) 霍爾傳感器選擇:

霍爾元件是一種基于霍爾效應的磁傳感器,已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品族, 并已得到廣泛的應用。

霜爾器件具有許多優點,它們的結構牢固,體積小,重量輕,壽命長,安裝方便,功 耗小,頻率高(可達1MHZ),耐震動,不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍 爾線性器件的精度高、線性度好;霍爾開關器件無觸點、無麼損、輸出波形淸晰、無抖動、 N跳、位置重復精度高(可達pm)。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫 度范寬,可達一55C?150X:。


按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬M, 者輸出數字量。按被檢測的對象的性質可將它們的應用分為:直接應用和間接應用。前者 是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性,后者是檢測受檢對象上人為設背的磁場, 用這個磁場來作被檢測的信息的載體,通過它,將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、 壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生 變化的時間等,轉變成電貴來進行檢測和控制。

在智能坐便器系統中,利用霍爾傳感器檢測翻蓋和圈是否翻轉到制定的位置。

(2) 溫度傳感器選擇

DS18B20DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器,具有3引腳TO—92小體積 封裝形式;溫度測最范圍為一55X?+125°C可編程為9位?12位A/D轉換精度,測溫分 辨率可達0.0625C,被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出;其工作電源既可 在遠端引入,也可采用寄生電源方式產生;多個DS18B20可以并聯到3根或2根線上, CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可節省大量 的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。 2DS18B20的內部結構:

 

3*4DS8B20的閃部結構















> l)sutB:〇z MysmiW4*


3-5 DS18B20的管腳排列

DS18B20內部結構如圖34所示,主要由4部分組成:64ROM溫度傳感器、非 揮發的溫度報繁觸發器THTL配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖3-5所示DQ 為數字信號輸入/輸出端;GND為電源地;VDD為外接供電電源輸入端。

在智能坐便器系統中,利用DS18I320溫度傳感器檢測水箱的水溫,便于單片機對于水 溫的控制。

(3) 紅外測距傳感器選擇

紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理,進行 障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管,發射管發射特 定頻率的紅外信號,接收管接收這種頻率的紅外信號,當紅外的檢測方向遇到障礙物時, 紅外信號反射回來被接收管接收,經過處理之后,通過數字傳感器接口返回到單片機。

在智能坐便器系統中,利用GP2Y0A02紅外測距傳感器用于檢測用戶是否站在坐便器 fT面,同時可以可通過凋傳感器電阻來控制紅外測距傳感器檢測距離。

(4) 著座傳感器

著座感應:只有人坐在座圈上且壓力傳感器感應到有人在使用的時候,各項功能才會 啟動,可防止小孩玩弄。在智能坐便器系統中,利用若座傳感器用于檢測用戶是否人坐 在坐便器上一種狀態信息。

3.4其它部件及其功能簡介

(1) 噴頭

出水裝置。水在水壓的作用下從噴頭的出水孔噴出,用于臀部淸洗等。


(2) 電磁閥

電磁閥是連接水箱與出水裝背主要是噴頭)之間的用于控制水的開關的裝置。電磁 閥開,則水通?,電磁閥關,則水不通。

(3) 水泵

用于清洗時的增壓效果。

(4) 千燥風機

用于干燥功能中。在開啟千燥風機的同時還會幵啟電熱絲,這樣從風機里吹出來的風 就是熱的。

(5) 微光燈和蜂鳴器

微光燈一方面用于指示主機的工作狀態,另外一方面用于指示主機的故障情況顯示。 蜂鳴器用于提示用戶遙控器信息有效接收,同時,用于異常處理報瞀作用。

3.5抗干擾技術 3.5.1干擾來源

影響單片機系統可靠安全運行的主要因素主要來自系統內部和外部的各種電氣干擾, 并受系統結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構成單片機系統的干擾因 素,常會導致單片機系統運行失常,輕則影響產品質量和產量,重則會導致事故,造成重 大經濟損失。形成干擾的基本要素有三個:

(1) 干擾源。指產生千擾的元件、設備或信號,用數學語R描述如下:du/dt, di/clt 大的地方就是干擾源f41]如:雷電、繼電器、可控硅、電機、高頻時鐘等都可能成為干擾 源。

(2) 傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路 徑是通過導線的傳導和空間的輻射。

(3) 敏感器件。指容易被干擾的對象。如:A/DD/A變換器,單片機,數字1C,

弱信號放大器等。

3.5.2干擾分類

千擾的分類有好多種,通常可以按照噪盧產生的原因、傳導方式、波形特性等等進行 不同的分類。


1) 按產生的原因分:可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。

2) 按傳導方式分:可分為共模噪聲和串模噪聲。

3) 按波形分:可分為持續正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等等。

3.5.3干擾的耦合方式

千擾源產生的干擾信號是通過一定的耦合通道彳對測控系統產生作用的[42]。因此,我們 有必要看看干擾源和被干擾對象之間的傳遞方式。干擾的耦合方式,無非是通過導線、空間、 公共線等等,細分下來,主要有以下幾種:

(1) 直接耦合

這是最直接的方式,也是系統中存在最普遍的一種方式。比如干擾信號通過電源線侵入 系統。對于這種形式,最有效的方法就是加入去耦電路。

(2) 公共阻抗耦合

這也是常見的耦合方式,這種形式常常發生在兩個電路電流有共同通路的情況。為了防 止這種耦合,通常在電路設計上就要考慮。使干擾源和被干擾對象間沒有公共阻抗。

(3) 電容耦合

它又稱電場耦合或靜電耦合,是由于分布電容的存在而產生的耦合。

(4) 電磁感應鍋合

它又稱磁場耦合,是由于分布電磁感應而產生的耦合。

(5) 漏電耦合

這種耦合是純電阻性的,在絕緣不好時就會發生。

3.5.4硬件抗干擾

(1) 硬件抗干擾的原理

1) 電源隔離

微機系統供電線路是干擾的主要來源,單片機工作電路的電源要采取獨立的供電回 路、其電源變壓器同其他大功率電路的電源變壓器要分別使用。在兩電路的電氣連接處, 可使用光電耦合器、光可控硅等器件加以隔離。

2) 口線隔離

單片機的輸入、輸出口線,特別是參與控制大功率電路的口線,在其與外電路的電氣

連接處都要通過光電耦合器進行隔離。


3) 空間隔離

單片機控制回路與其他大功率回路之間能夠分開放置的,盡量不要放背在同一空間 中,如果二者必須在同,空間中的。要盡量加大二者的電氣距離,盡可能減小空間的電 磁感應耦合和輻射耦合,或者將單片機控制電路放在由金屬網或金屬盒構成的屏蔽體內。

(2) 具體硬件抗干擾的措施

1、 抑制千擾源常用措施

(1) 給繼電器線圈增加續流二極管,消除斷電時產生的反電動勢。

(2) 在繼電器接點兩端并接火花抑制電路,(一般為RC串聯電路,電阻一般為幾? 幾十kn,電容為0. Ol^iF)減小電火花影響。

(3) 給電機加濾波電路,注意電容、電感連線要盡量靠近電機。

(4) 電路板上每個1C要并接一個0. 01?0. lpF高頻電容,減小1C對電源的影響。 注意高頻電容的布線應靠近電源端,并盡最短,否則等于增大了電容的等效串聯電阻,會 影響濾波效果。

(5) 避免90°折線,減小高頻噪聲發射。

(6) 在可控硅兩端并接RC抑制電路,減小可控硅噪聲。

2、 切斷干擾傳播途徑措施

(1) 充分考慮電源對單片機的影響。給單片機電源加濾波電路,減小電源噪聲對單 片機的干擾。

(2) 若用單片機的I/O 口來控制電機等噪聲器件,在I/O 口與噪聲源之間應加II 形濾波電路,或進行光電隔離。

(3) 注意品振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近,用地線把時鐘區隔離起來,晶振 外殼接地并固定。

(4) 電路板合理分區,如數字信號、模擬信號盡可能使干擾源與敏感器件遠離。

(5) 用地線將數字區與模擬區隔離,數字地與模擬地分離,最后接在一點接于電源 地。

(6) 單片機和大功率器件的地線要單獨接地,以減小相互之間的干擾。

(7) 在單片機I/O 口、電源線、電路板連線等關鍵地方使用抗干擾元件,如磁環、 電源濾波器、屏蔽罩等。

3、 提高敏感器件的抗干擾性能

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件考慮盡量減小對干擾噪聲的拾取,以及從

不正常狀態盡快恢復的方法。常用措施:

(1) 布線時盡量減少回路面積,降低感應噪盧;

(2) 布線時電源線與地線盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲;

(3) 對單片機的閑置I/O,不能懸空,應接地或電源,其他1C的閑背口一樣;

(4) 加單片機硬件看門狗電路;

(5) 滿足要求的前提下,盡量降低單片機晶振和選用低速數字電路;

4、其它抗干擾措施

(1) 交流端用電感電容濾波:去掉高頻低頻干擾脈沖。

(2) 變壓器雙隔離措施:變壓器初級輸入端串接電容,初、次級線圈間屏蔽層與初 級間電容中心接點接大地,次級外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關鍵手段。次級 加低通濾波器:吸收變壓器產生的浪涌電壓。

(3) 采用集成式直流穩壓電源:有過流、過壓、過熱等保護作用。

(4) I/O 口采用光電、磁電、繼電器隔離,同時去掉公共地。

(5) 通訊線用雙絞線:排除平行互感。

(6) 防雷電用光纖隔離最為有效。

(7) A/D轉換用隔離放大器或采用現場轉換減少誤差。

(8) 外殼接大地:解決人身安全及防外界電磁場干擾。

(9) 加復位電壓檢測電路。防止復位不充分,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件, 復位不充份會改變EEPROM的內容。

(10) 提高印制板工藝抗干擾。

3.5.5軟件抗干擾

軟件的可靠性問題常常容M被人們忽視,但隨著嵌入式測控系統越來越復雜,工作環 境干擾越來越嚴重,軟件可靠性問題逐漸為人們所重視。軟件的可靠性問題雖然和硬件的 可靠性問題不盡相同,但在基于單片機的測控系統中,軟件與硬件是處干同等重要的地位

[43]

嵌入式系統軟件設計要求:

單片機測控系統對程序設計的要求除了可靠準確、易理解、易維護和可測試外,還有 以下要求:

(1)容錯性。在工業控制中,由于單片機側控系統所處的環境比較惡劣,常存在干


擾源,如環境溫度、電場、磁場等,使數據采集不可靠、控制失靈或程序運行失常。當發 生這些錯誤或故障時,測控軟件要能夠不受影響,從錯誤或故障中恢復,保證系統的正常 工作。

(2) 實時性。實時性是測控系統的普遍要求,即要求系統及時響應外部事件的發生, 并及時給出處理結果。在工程應用程序設計中,采用匯編語言要比高級語言更具有實時性。

(3) 足夠的時序裕度。時序是程序設計中必須考慮的問題。

嵌入式軟件抗干擾措施:

在嵌入式控制系統中,如能正確地采用軟件抗干擾措施與硬件抗干擾措施構成雙道抗 干擾防線,無疑將大大提高控制系統的可靠性。采取抗干擾主要手段如下:

(1) 結構化程序設計

把程序要求分成若干獨立的、更小的程序要求或模塊化的功能要求,分別提出各自的 要求/規格說明,并注明如何與程序的其他部分接口,還必須指出所有的輸入與輸出,以及 測試要求1441

(2) 容錯技術

對于軟件錯誤所引起的后果特別嚴重的情況,需采用容錯軟件,其途徑有:

1) 加強軟件的健壯性rf史程序設計能夠緩解錯誤的影響,不致造成諸如死鎖或崩潰這 樣的嚴重后果,并能指出錯誤源。

2) 采用N(N>2)版本編程法盡可能用不同的算法與編程語言,經不同的班組編制,以 提高各版本軟件的獨立性。這N個軟件版本同時在X臺計算機下運行,各計算機間能進行 高效通信,并做山快速比較。當結果不一致時,按表決或預定的策略選擇輸出。

3) 恢復塊法:給需要做容錯處理的塊提供備分塊,并附加錯誤檢測和恢復措施。

4) 選擇性控制:為一個控制系統研制兩套不同的算法,一種是正常情況控制算法,另 種是應付異常事故處理方法。若趨于危險或故障區域,用后一種算法,驅使系統脫離危 險狀態,待系統恢炱常后,又按正常控制算法進行。

(3) 加強測試

為最大限度地除去軟件中的差錯,改進軟件的可雒性,就要對軟件進行完備測試。

(4) 系統“死鎖”的軟件對策

在工業控制系統中,A/DD/A顯示等輸入/輸出接口電路是必不可少的。這些接口 與CPU之間采用査詢或中斷方式工作,而這些設備或接口對干擾很敏感,干擾信號一旦 破壞了某一接口的狀態字后,就會導致CPU誤認為該接日有輸人/輸出請求而停止現行工 作,轉去執行相應的輸人輸出服務程序。但由于該接口本身并沒有輸人/輸出數據,從而使 CPU資源被該服務程序長期占用,而不釋放,其他任務程序無法執行,使整個系統出現“死 鎖”。對這種干擾造成的“死鎖”問題,在軟件編程中,可采用“時間片”的方法來解決。

其具體步驟為:根據不同的輸人/輸出外設對時間的要求,分配相應的燉大正常的輸入 /輸出時間。在每一輸入/輸出的任務模塊中,加入相應的超時判斷程序。這樣當干擾破壞 了接口的狀態造成CPU誤操作后,由干該外設準備好信息長期無效,經一定時間后,系統 會從該外設的服務程序中白動返回,保證整個軟件的周期性不受影響,從而避免“死鎖” 情況的發生。

(5) 數據采集誤差的軟件對策

根據數據受千擾性質及干擾后果的不同,采取的軟件對策各不相同,沒有固定的模 式。對于實時數據采集系統,為了消除傳感器通道屮的干擾信號,在硬件措施上常采取有 源或無源RLC網絡,構成模擬濾波器對信號實現頻率濾波。同樣,運用CPU的運算、控 制功能也可以實現頻率濾波,完成模擬濾波器類似的功能,這就是數字濾波。隨著計算機 運算速度的提髙,數字濾波在實時數據采集系統中的應用將愈來愈廣。在一般數據采集系 統中,可以采用一些簡單的數值、邏輯運算處理來達到濾波的效果。使用的方法有算術平 均值法、比較取舍法、中值法、一階遞推數字濾波法等。 _

(6) 指令冗余技術

程序“跑飛”后往往將一些操作數當作指令代碼來執行,從而引起整個程序的混亂。 采用“指令冗余技術”是使程序從“跑飛”狀態恢復正常的一種有效措施。所謂軟件冗余, 就是在程序的關鍵地方人為地加入一些單字節指令NOP,或將有效單子節指令重寫,當程 “跑飛”到某條單字節指令上,就不會發生將操作數當作指令來執行的錯誤。這些指令 在程序中是冗余的,但能提高軟件系統的可靠性。

(7) 軟件陷阱技術

指令容錯使彈飛的程序納人正軌是有條件的,首先彈飛的程序必須落到程序區,其次 必須執行到冗余指令。當彈飛的程序落到非程淨區(如EPROM中未使用的區域、程序中 的數據表格區等)時,第一個條件便不滿足;當彈飛的程序落到一個已形成死循環的程序中, 第二個條件也不滿足。對前一種情況采取的措施是設立軟件陷阱,對后一種情況可采取“看 門狗”技術解決。

(8) 看門狗技術

看門狗技術的工作原理是,在系統主程序工作循環中,不斷地向看門狗電路發送喂狗 信號,一旦程序工作異常,脫離了正常的工作循環,看門狗電路會因為失去喂狗信號,而 向主機發送一個復位脈沖信號,強迫單片機復位,從而使系統恢復正常若單片機系統的自 身定時器有空余,可以采用它作為“看門狗”電路。一旦系統因干擾而使程序彈飛或陷入 死循環,進人不了系統主程序,而發不出喂狗信號(重新設置定時器的初值),那么定時器 產生中斷,強制系統恢復正常[451。另一種方法是配置專用看門狗電路。實驗表明:看門狗 技術一般可以檢出98%的故障。

(9) 程序的寫保護

某些程序段,正常時只能讀,不能寫。可檢査是否有向這些部分寫入的動作。

(10) 智能化動態保護

針對一些人為誤操作或惡意的破壞單片機TH常工作流程,如步進電機動態保護。


第四章智能坐便器系統的硬件設計與實現 4.1智能坐便器系統硬件設計槪述

硬件設計在整個智能坐便器控制系統占據至關重要位置,正確硬件設計是嵌入式系統 開發成功不可缺少的基礎。整個系統硬件設計包括主機智能坐便器控制系統硬件設計和智 能坐便器的遙控器這兩部分組成。主機控制系統采用ATMega64作為芯片,由于它不僅具 有強大高速的運算處理能力,而且在片內集成了豐富的電機控制外圍部件,這就大大簡化 了控制電路的硬件設計。遙控器采用HT49R30作為主芯片,因為它具有低功耗、I/O使 用靈活、可編程分頻器、計數器、振蕩類型選擇、暫停和喚醒、另有靈活的蜂鳴器輸出以 LCD顯示功能,該芯片集載波振蕩、編碼、發射于一體,具有很強的抗干擾能力,外 圍屯路簡單,使用方便等特點,專門為需要LCD顯示功能的產品而設計。

整個智能叱便器系統分為七大模塊,紅外通信驅動(波形輸入)、電機驅動、光耦隔離 驅動、聲光驅動、三級管驅動、開關向量、其它驅動。遙控器分為三大模塊,紅外發射驅 動、LCD顯示驅動、鍵盤輸入驅動。智能坐便器控制系統硬件設計中關鍵難點是步進電機 的兩種不同驅動模式設計,紅外通信驅動硬件設計,抗干擾措施。































































4-1智能坐便器控制系統硬件主框架






4.2紅外驅動電路設計


紅外接收電路如圖4-2所示。標有VccOutGND的那塊是紅外接收頭。標有pC 矩形表示中片機。紅外接收頭的輸出信號直接供給單片機。47#的電容與47Q的電阻組 RC濾波電路。接在VccOut之間的>10Kfi的上拉電阻,作用是確保Out輸出波形的 完整性。

紅外接收頭跟ATMega6427引腳INT2)相連接,主要利用27引腳的一個外部中 斷作用,實現對紅外信號接收。采用一個內部定時器3的去檢測接收脈沖的波長。

4.3電機驅動電路
4.3.1 PWM輸出步進電機驅動電路設計

 

根據圖4-3電路圖,單片機向L297提供時鐘信號、正反轉信號、復位信號及使能控制 等信號。電路中,電阻R6, R7用來調節斬波器電路的參考電壓,該電壓將與通過管腳13, 14所反饋的電位的大小比較,來確定是否進行斬波控制,以達到控制電機繞組電流峰值、 保護步進電機的目的。

如圖4-3上是翻蓋和圈的電路設計,控制方式很簡單,步進電機四個引腳插在JP6, ATmega64的引腳43 口PG2)是控制步進電機方向,蓋向上翻,需要把PG2值為1,蓋 向下翻,需要把PG2值為0。引腳28 (PD3)控制步進電機使能作用,開啟電機時候,需 要把28 口值1,關閉電機,需要把28值為0。引腳16 (PB6)為由定時器1為芯片L297 提供時序PWM通過引腳29 口控制繼電器是選擇輸出信號到COVER__STEP翻蓋的少進 電機四個引腳,或是到CIRCLE_STEP翻圈的步進電機四個引腳。利用一個繼電器節約了 電子材料,不用再設計一個L297L298的驅動電路去控制翻圈。

4.3.2控制波形輸出步進電機驅動電路設計


44閥門分配器,往復等的步進電機驅動屯路

閥門分配器主要控制出水的情況,上面有許多大小不同的空,根據轉動的不同的方向, 控制出水的大小的作用。往復是控制清洗管子前后移動。臀部清洗和女用清洗中都有使用 到往復這項功能。

如圖44, 6, 7, 8, 9分別對應的ATmega64上面的四個引腳,根據四個引腳電平變 化快慢,控制電機轉速,根據四個引腳電平的變化個數,控制電機的轉角度。這里采用電 機是四相八拍的步進電機。電路上三級管采用2SD1768,啟到電流放大作用。二極管D8 之類作用能夠是起到回流保護電路作用。電路中R7作用保護三級管作用。

以上電路圖往復電機驅動設計,閥門分配器驅動也是采用類似的設計,它使用 ATmega64上面的引腳對應的是2, 3, 4, 5這幾個引腳。

4.3.3直流電機驅動電路設計


PUSH STEP

 

沖水功能,分為沖大水和沖小水的功能,是坐便器最基本主要功能。

直流電機控制方式相對與步進電機控制方式要簡單的的多。單片機引腳10 (PBO) 責控制放水電機轉動方向。引腳11 (PB1)負責控制放水電機的使能。電路上三級管采用 2SD1762,啟到電流放大作用。二極管IN4007之類作用能夠是起到回流保護電路作用。

4.4光耦隔離驅動

 

坐溫利用鋁箔器在來圈里,加熱;水溫利用電熱符在水筘m對水進行加熱;風溫利用 電熱絲在干燥風機中M而進行加熱。這些加熱要求220V電源,采用可控硅BTA12驅動, 在電路中使用光電隔離MOC3061。加熱控制方式利用占空比的方式,例如4ms加熱,然


6ms停止加熱,這樣不斷循環加熱,來控制溫度。ATmega64的引腳36 (PC1)控制風 溫,引腳37 (PC2)控制水溫,引腳38 (PC3)控制坐溫。

4.5聲光驅動

蜂鳴器控制電路:

 

4-7蜂鳴器屯路圖

如圖4-7所示,單片機引腳33連接一個2.4k電阻,在串聯到三級管9013的基極,在 三級管集電極連接一個LSI蜂鳴器,蜂鳴器另一端連接一個正5V的電源,通過ATMega64 引腳33 (PG0)對蜂鳴器進行控制。單片機把PG0置為1開啟蜂鳴器,把PG0值為0關 閉蜂鳴器。控制方式最簡單一種。

工作指示燈和故障指示燈的控制電路:

由于ATMega64的引腳有限,所以在工作指示燈和故障指示燈是共用PA0PA7, 間連接一個緩存器74HC574,當需要輸出指示燈的時候,打開緩存器74HC574,讀取PINA 口的值,然后對應的顯示指示燈。緩存器打開只是需要在CLK部分產生一段上升沿跳變 去觸發讀取PINA 口的內容。工作指示燈的緩存器74HC574CLK的引腳迮接ATMega64 的引腳41 (PC6),故障指示燈的緩存器74HC574CLK的引腳連接ATMega64的引腳 40 (PC5)-

4.6三極管驅動

電磁閥、水泵、干燥風機和除臭風機的控制電路:


 




















如圖4-8所示,控制電路主要是利用一個三級管放大控制信號,驅動設備的運行。三 級管集電極接一個二極管到電源,主要是防止器件上電壓過高,起到保護作用。其中電磁 閥和水栗采用24V電源,干燥風機和除臭風機采用9V電源。它們采用三級管都是2S1762。 開啟除臭風機功能,把引腳15 (PB5)設置為1,關閉除臭風機功能,把引腳15 (PB5) 設貿為0。電磁閥、水泵、干燥風機利用同樣的方式進行控制。


4.7開關輸入向量

開關輸入電路重要包含一些傳感器狀態紅外測距傳感、霍爾傳感器、數字溫度感傳 器、著座傳感器的輸入。





紅外測距傳感器的控制電路:


4-9上支點紅外測距傳感器電路圖

紅外測距傳感器用于檢測人是否進入有效區域,用于自動沖水和自動翻蓋功能中。霾 爾傳感器主要用于檢測蓋足否翻轉到特定的位黃的功能。數字溫度傳感器主要是檢測水加 熱的時候,水溫是否達到設定的溫度。著座傳感器用于檢測人是否坐下的狀態。如圖4-9
所示,系統使用傳感器一般分為三個口,一端接電源,一端接地,一端直接與ATMega64 的一個引腳直接相連接。

4.8其他輸入

主機鍵盤設計:

由于ATMega64I/O資源非常有限,所以鍵盤輸入是與其它設備共用單片機引腳PAO PA7的資源。主機的ATMEGA64芯片上,PAOPA7與芯片74HC245的芯片AOA7 相連,主機上按鍵連接到芯片74HC245的芯片的BOB7,芯片74HC245DIR 口連接 到主芯片ATMEGA64上的引腳42(PC7)。PC7輸入低電壓,把鍵盤按鍵輸入值從芯片 74HC245 BOB7 口端值,傳到 PAOPA7 口。

4.9遙控器發射

 

4-10中,R46fi, R3120Q, N2釆用9013。單片機上送紅外信號的引腳采用 PFD 口。當遙控器的某個按鍵按下,其內部的信號發射器產生遙控編碼脈沖,這些指令信 號由MCUPFD供能調制成38KHZ的信號,經調制后輸出,最后山驅動電路驅動紅外 發射器件(L2)串行輸出紅外遙控信號。圖4-10中只顯示一個紅外發射頭,實際設計是由兩 個紅外發射頭并聯組成,提高發射角度更寬廣。

4.10遙控器鍵盤


'圖4>11遙控器鍵盤屯路

鍵盤電路如圖4-11所示。由于遙控器采用電池供電,所以節點是電路設計的一個重要 目標。我們所采用的芯片具有休眠模式,在休眠模式下,當芯片進入此模式,正常的工作 電流降到很低,所以功耗一會很低。但是休眠模式的喚醒需要中斷。圖4-11中的六個二極 管就是為此而設計的。六個二極管連接到芯片的一個具有中斷功能的引腳。當按鍵按下時, 下降沿的來到會觸發中斷,從而喚醒芯片。

4.11遙控器顯示

?液品顯示很簡單,只是需要把液品的幾個seg 口和com 口連接到ATMega64單片機對 應幾個seg 口與com 口上面。

4.12硬件設計抗干擾措施

4.12.1電源隔離措施

單片機系統供電線路是干擾的主要來源,單片機工作電路的電源要采取獨立的供電回 路、其電源變壓器同其他大功率電路的電源變壓器要分別使用W。在兩電路的電氣連接處, 可使用光電耦合器、光可控硅等器件加以隔離。我們設計中,鋁箔加熱器、電熱絲和電熱 管都分別使用到220V的電源,根據電源隔離措施,我們分別在這些電路中使用光電耦合 MOC3061光可控硅BTA12等器件進行隔離。

(1) 光電耦合器

設計與研究智能控制系統中,鋁箔加熱器、電熱絲和電熱管的控制電路中,我們使用


了光電隔離MOC3061,有利于提高系統抗干擾能力。

 

光電耦合器件具有以下特點:

1. 體積小,mm輕,使用方便,性能穩定;

2. 不受磁場影響,不需磁屏蔽,抗干擾能力強;

3. 無觸點壽命長,響應速度快,可以傳輸髙達幾MHz的脈沖信號;

4. 隔離電壓等級高,輸入和輸出兩端之間絕緣電壓可達萬伏以上;

由于光電耦合器件具有上述一系列特點,目前己廣泛應用于計算機測量控制系統中, 成為接口技術中十分重要的隔離器件。

(2) 可控硅

可控硅是一種有源開關元件,平時它保持在非導通狀態,直到由一個較少的控制信號 對其觸發或稱“點火”使其導通,一旦被點火就算撤離觸發信號它也保持導通狀態,要使 其截止可在其陽極與陰極間加上反向電壓或將流過可控硅二極管的電流減少到某一個值 以下。

可控硅使用時候,用了 RC抑制電路,減少可控硅產生干擾。RC電路是一個電阻與一 個電容串聯。RC為電阻值與電容值之乘積,稱為“時間常數”。電流變化快慢與RC之乘 積來決定,RC越大,衰減越慢,RC越小,則衰減越慢。根據RC這種特性,由于在鋁箔 加熱器、電熱絲和電熱管的控制電路中,使用可控硅BTA12驅動,我們使用RC抑制電路 并接在可控硅BTA12兩端,減小可控硅噪聲。

4.12.2紅外信號抗干擾

(1) 紅外信號接收部分抗干擾措施

紅外接收處理的時候,由于紅外接收采用一體化接收頭,所以不需要解碼、信號放大


等電路,紅外線接收部分需要設計一個RC濾波電路對紅外信號進行濾波處理。沒有增加 RC濾波電路之前,紅外信號經常接收不到,后來通過示波器觀察紅外線發射信號波形, 發現有許多毛刺,增加RC濾波電路之后,有效去掉毛刺的干擾,保證紅外信號接收可靠 性。

為了進一步增加紅外信號接收的可靠性,把原先一個紅外接收頭,改為兩個紅外接收 頭,這樣有利于培加接收范圍,減少因人為或物體阻擋,而導致信號不能IF.常接收。

(2) 紅外信號發射部分抗干擾措施

紅外信號發射采用HT49R30單片機上的PFD 口進行發射,同時為了增加紅外信號發 射強度和廣度,把原先設計一個紅外發射頭,改為兩個紅外發射頭,有利于減少人為或物 體對遙控器阻擋,或遙控器發射角度問題,造成信號不能及時接收。

4.12.3翻蓋與圈的抗干擾措施

翻圈的定位器總共有三根線,翻圈的ADC的讀取口與ATMega64的引腳61 (ADCO) 連接,與一個1K的電阻和一個電容串聯,然后一根線連接電源5V,還有一根線接地。我 們采用查洵方式讀取ADC單端通道,數字濾波。同理,翻蓋的ADC的讀取口與ATMega64 的引腳58 (ADC3)連接。增加定位器,應用到翻蓋和圈的抗人為干擾的應用上。

翻蓋和圈是由L297L298組成的步進電機驅動電路。由于該驅動電路功率較大,運 行時壓降較高,從而拉低了單片機的電源電壓。當電源電壓低于單片機的復位電壓時,單 片機就會復位。為了防止這種情況出現,在電源和地之間并連一個HMKVF的電容,在電 源電壓被拉低時,電容里的電量會瞬間釋放出來,以維持電源電壓的穩定。

4.12.4芯片的選擇

選擇一塊穩定性高,工作可靠的芯片做為系統的芯片,是有利于保證系統運行穩定性 1471。由于AVR單片機具有多種畨電休眠模式,且可寬電壓運行5-2.7V),抗千擾能力強, 可降低一般8位機中的軟件抗干擾設計工作量和硬件的使用量。選擇ATMega64芯片,作 為系統主芯片,系統運行電壓范圍在4.55.5V,提高系統一個抗干擾能力。這款芯片內置 孬門狗功能,不用外部設計看門狗電路,看門狗技術也是提高系統穩定性一種重要保障手


4.12.5提高敏感器件抗干擾能力

提高敏感器件的抗干擾性能是指從敏感器件考慮盡量減小對干擾噪聲的拾取,以及從 不正常狀態盡快恢復的方法。常用措施:

(1) 布線時盡量減少回路面積,降低感應噪聲;

(2) 布線時電源線與地線盡量粗。除減小壓降外,更重要的是降低耦合噪聲;

(3) 對單片機的閑背I/O,不能懸空,應接地或電源,其他1C的閑H  一樣;ATMega64 嵌入式系統設計中,只有一個引腳是空閑,我們采用芯片引腳接電源。

(4) 滿足要求的前提下,盡量降低單片機晶振和選用低速數字電路。

4.12.6空間隔離

單片機控制回路與其他大功率回路之間能夠分開放置的,盡量不要放置在同一空間 中,如果二者必須在同,空間中的。要盡量加大二者的電氣距離,盡可能減小空間的電 磁感應耦合和輻射耦合,或者將單片機控制電路放在由金屬網或金屬盒構成的屏蔽體內。 基于ATMega64嵌入式系統中涉及到增壓功能,由于增壓電機啟動之后,遙控器信號接收 造成很大干擾,我們利用空間隔離的原則,把增壓水泵放置在遠離接收頭位置,這樣基本 不大干擾遙控器紅外信號的接收。電路板設計上,大功率的驅動設計是遠離主芯片,避免 大功率的部件對芯片造成干擾。

4.12.7其他抗干擾措施

(1) 交流端用電感電容濾波:去掉高頻低頻干擾脈沖。

(2) 變壓器雙隔離措施:變壓器初級輸入端串接電容,初、次級線圈間屏蔽層與初 級間電容中心接點接大地,次級外屏蔽層接印制板地,這是硬件抗干擾的關鍵手段。次級 加低通濾波器,吸收變壓器產生的浪涌電壓。

(3) 采用集成式直流穩壓電源:有過流、過壓、過熱等保護作用。

(4) I/O 口采用光電、磁電、繼電器隔離,同時去掉公共地。

(5) 通訊線用雙絞線:排除平行互感。

(6) 防靂電用光纖隔離最為有效。

(7) A/D轉換爪隔離放大器或采用現場轉換減少誤差。

(8) 外殼接大地:解決人身安全及防外界屯磁場干擾。

(9) ft位電壓檢測電路。防止復位不充分,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,


復位不充份會改變EEPROM的內容。

(10) 提高印制板工藝抗干擾。


 

第五章智能坐便器系統的軟件設計與實現 5.1智能坐便器系統軟件設計概述

主機智能控制系統采用C語言進行編寫,主要為了提高系統可移植性、可維護性、可 擴展性,同時,AVR芯片下C語言開發環境與平臺比較成熟,應用實例比較廣泛,容易進 行程序編寫。我們使用WinAVRGCC編譯器ATMEL AVR Studio集成開發環境(IDE) 作為JTAG調試、仿真。

遙控器系統由于我們采用的芯片HT49R30C的支持并不是很好,所以我們采用匯編 語言編寫。由于遙控器要實現的功能相對比較簡單,所以采用匯編語言編寫并不會降低系 統的穩定性。

智能坐便器控制系統包含以下功能

































































智能控制系統功能


5-1智能控制系統功能

智能控制系統軟件采用模塊化設計思想,主要包含主程序、狀態采集程序、設備驅動 程序、紅外通信程序、異常處理程序和自動老化程序。主程序按照一定優先級調用各個模 塊進行合理協調工作。主程序流程如圖5-2所示。MCU初始化完成順序是丨/0、定時器、 A/D、中斷設背等等,等待主機電源Power按鍵啟用,啟用后讀取保存在EEPROM中的系

統設置,是否啟動自動化老程序,紅外信號采集,狀態信息采集處理,設備控制程序,判 斷關閉Power等。

)

 

5.2狀態信號采集處理程序

采用一個定時器進行掃描,定時5ms采集系統信息,包括鍵盤輸入信息、霍爾傳感 器信息、紅外測距傳感器信息、著座傳感器信息、紅外接受信息等,根據采集信息按照一 定邏輯處理,設青控制設備的標志位。

5.3紅外信號采集處理程序

5.3.1紅外通信協議設計

紅外發射原理是遙控器發射端表示“1”、“0”的卨低電平信號被調制在38kHz40kHz 或其它頻率的高頻信號上,然后通過紅外線發射二極管向接收目標發射出去;接收端對高 頻紅外線信號放大、整形還原成代表編碼“1”、“0”的高、低電平脈沖,通過單片機或邏 輯電路譯碼,驅動執行所需要的動作[48]

紅外線遙控編碼基本可分為以下三大類。


(1) 脈沖寬度調制編碼

脈沖寬度調制編碼楚用不同的脈沖長度表示編碼“1”、“0”,通常為了省電,發射端 發射極短的一固定時間長度的紅外線信號,用靜默時間(不發射)的長短表示數字編碼“1” 和 “0”。

(2) 脈沖相位調制編碼

通過檢測在采樣時間中點處脈沖跳變沿來表示“1”、“0”的編碼,如上升沿表示編碼 “1”,則下降沿表示編碼“0”;反之,如上升沿表示編碼“0”,則下降沿表示編碼“1”。

(3) 脈寬脈相混合調制編碼

顧名思義,就是脈沖寬度調制編碼和脈沖相位調制編碼混合起來的一種編碼脈沖寬度 調制編碼1491

由于我們的遙控信號的發射端在遙控器上,所以省電是編碼選擇的一個重要參數。只 要我們在信號協議上加如足夠的保證措施,脈沖寬度調制編碼能夠提供安全、可靠、穩定 的通訊效果。

下面是紅外信號的具體編碼和協議格式。

















我們用先0.5ms低電平后0.5ms高電平表示編碼“0”,先0.5ms高電平后0.5ms低電 平表示編碼“1”。每次信號的接收先從引導碼開始。引導碼由9ms的低電平和4.5ms的高 電平組成。在引導碼之后是8位系統碼,系統碼是:01011010。在系統碼之后是我們要傳 輸的32位數據。具體的編碼與協議如圖5-3所示。



5-3紅外信號的編碼與協議

遙控器每按一次按鍵,將傳輸上面所述的由引導碼、系統碼和數據所紺成的信號3遍。 引導碼、系統碼和每次三遍的傳輸為信號的iE確傳輸和接收提供了可靠的保證。

有了編碼的格式和協議,我們就可以編寫紅外接收程序了。接收程序的核心是對編碼 “1”和“0”的識別。“1”和“0”的組合有四種,分別是:“11”、“10”、“00”、“01”。這 些組合的波形如圖54所示。

11


10


00


01

54 “11”、io”、“〇〇”、“or 的波形圖

5.3.2紅外接收具體軟件實現

如圖5-5所示,利用ATMega64引腳27第二功能外部屮斷INT2和一個16位定時器 3,實現對40位紅外信號接收功能。利用INT2對于脈沖邊沿觸發中斷功能,然后啟動定 時器3對觸發脈沖的長度進行測量,按照一定算法判斷信號的波形。根據需求制定了遙控 器和主控系統的通信協議,分為引導碼、識別碼碼、狀態碼、控制碼四個部分l5(y。下面 種自己設計對于紅外信號接收算法:

(1) 下邊沿觸發情況下分為:

1. 接收到0.5 ms脈寬,信號設W1,定時器3時間設置為0.5ms

2. 接收到1 ms脈寬,信號不設置,定時器3時間設置為Oms

3. 接收到1.5 ms脈寬,信號設置為1,定時器3時間設置為0.5ms

(2) 上邊沿觸發情況下分為:

1. 接收到0.5 ms脈寬,信號設置為0,定時器3時間設置為0.5ms

2. 接收到lms脈寬,信號不設置,定時器3時間設置為Oms

3. 接收到1.5 ms脈寬,信號設置為0,定時器3時間設置為0.5ms

遙控器總共進行三次40位紅外信息發送,只要有兩次接收紅外信息比對相同,確認 為接收信號正確,把信息反饋給主機,主機對信號進行相應邏輯判斷,運行對應功能。

C

a

始)

f


開廟夕卜咅B中斷2







>1、部中斷邊沿跳變?

 

5_5紅外信號采集處理

5.4設備驅動控制程序

處理外圍各個裝貿的控制,主要包括兩個單極性步進電機、兩個雙極性步進電機、一 個直流電機、干燥裝置、電磁閥控制、除臭裝置、工作指示燈、微光燈、紅外傳感器等。 翻蓋和圈的控制方法,利用一個T/C1調制出PWM輸出,作為控制步進電機的時序脈沖, 同時利用一個T/CO定時輪詢法,在翻圈蓋的過程中,每隔lms去采集一次精密電位器值, 實現翻圈蓋的動態保護。清冼裝置的控制分為女用清洗、臀部強力清洗、臀部柔和清洗; 清洗具有各種功能選擇:按摩、往復、增壓、淸洗位置檔位調節、水勢檔位調節等。

5.4.1翻蓋和圈電機控制

翻蓋和圈是由于采用了 L297+L298的驅動電路,軟件的控制就比較簡單。當要轉動電 機時,先設究好定時器(本系統用了定時器1)以產生合適的PWM波,然后再設置好連 L297enbcw/~cw引腳的I/O 口,以提供使能和方向信號。這樣屯機就能正常運轉 了。在馬桶上支點和下支點分別裝霍爾傳感器,當蓋向上翻轉到指定位置,霍爾傳器檢測 到,通過單片機通過控制電機使能端口值為0,停止電機轉動。若實現蓋向下翻轉,只要 單片機改變電機的方向端口,實現蓋向下翻轉。圈的控制也是同樣道理。圈與蓋之間的切


換通過繼電器的切換來實現。 5.4.2閥門分配器和往復電機控制

根據上面閥門分配器電路圖,單片機對應步進電機的是四個端口進行控制。根據步進 電機四項八拍的脈沖順序,我們建立一張表MotorTB表中的數據如下: (^01,0\03,加02,0\06,0\04,0\0(:,0\08,0\09。少進電機控制程序循環順序讀取這張表的數據, 依次送到四個引腳。這樣就完成了步進電機的控制。控制程序的電路圖如圖54所示。在 圖中,我們假設電機要走的步數為600。

 

(^束)

54步進電機的控制流程圖

5.4.3自動沖水電機控制

自動沖水功能,利用一個艱片機引腳10 (PB0)控制電機的方向,另外一個單片機引 ll(PBl)拉制電機的開關。通過電機正轉實現沖大水,電機反轉實現沖小水。例如實現 沖大水功能,電機正轉一秒鐘,循環等待電機轉到零位位置,到零位關閉電機。

5.4.3風溫、座溫、水溫控制





控制風溫的電熱絲,控制坐溫的鋁箔加熱器,控制水溫的電熱管,這三個器件都是用 于加熱的。單片機的引腳送出高電平,電熱絲開始加熱;單片機的引腳送出低電平,電熱 絲停止加熱。通過控制高電平時間和低電平時間的比例,我們就可以控制電熱絲的溫度了。 占空比是在定時器1的溢出中斷處理函數里實現的。定時器溢出中斷中,若以10次中斷 為一個周期,4次中啟開加熱,6次停止加熱。則我們占空比就是4/10。下面程序流程圖, 定時器中斷中加熱占空比4/10流程。


5.5主機各模塊間處理

模塊化是解決一個復雜問題時自頂向下逐層把軟件系統劃分成若干模塊的過程。每個 模塊完成一個特定的子功能,所有的模塊按某種方法組裝起來,成為一個整體,完成整個 系統所要求的功能。前面已經按照智能坐便器系統功能需求分為:除臭功能、、干燥功能、 翻蓋圈功能等功能模塊。由于智能坐便器整個系統控制設備眾多,功能與功能之間調用都 是相互關聯,并不是完全獨立,如何合理組合模塊,協調好多種外圍設備工作順序是一個 關鍵所在。

(1) 軟件設計模塊化

1) 采集信息

利川狀態信號采集處理程序,把所有傳感器獲得信息與外_狀態設置為對應的系統變
量。例如,坐蓋下止點霍爾傳感器信息標志為Cover_Down_Hall當坐蓋下止點稹爾傳感 器檢測到蓋轉到下止點位置,設置CVer_Down_Hall1,若沒有檢測到,設背為 Cover_Down_Hall0。通過5ms定時器中輪訓更新各種設備的標志位。

2) 邏輯處理

邏輯處理是關鍵,根據系統設計需求和系統標志即系統狀態信息進行邏輯判斷,調用 對應的模塊程序。下面列舉四個模塊邏輯處理情況。

1、 干燥功能

啟動情況:

a) 著坐傳感器檢測到人坐下,按下主機干燥按鈕或遙控器中干燥按鈕

停止情況:

a) STOP強行結束

b) 著座傳感器檢測到人離開

c) 干燥運行情況下,按下女用按鈕

d) 干燥運行情況下,按下臀部按鈕

e) 電源按鈕按下切斷電源

f) 以上情況未發生,90秒后

2、 翻蓋和圈功能

手動翻轉條件(動作過程中,所有翻轉命令無效):

著坐傳感器沒有檢測到人前提:

a) 按一下翻蓋,只向上翻蓋;

b) 按一下關蓋和圈,向下翻蓋和圈;

c) 按一下翻蓋和圈,同時向上翻蓋和圈;(蓋向上翻到位后,然后圈向上翻)

自動向上翻M條件:

a)自動翻蓋開啟的條件下,紅外傳感檢測到人6秒以后,同時著坐傳感器沒有檢測 到人坐下,進行自動向上翻蓋。

自動向下翻蓋和圈(圈向下翻到位后,然后蓋向下翻):

a) 自動翻蓋開啟的條件下,紅外傳感器檢測到人6秒以后,隨后紅外傳感器檢測到 人離開60秒后

b) 自動翻蓋開啟的條件下,紅外傳感器檢測到人6秒以后,并且著坐傳感器檢測到 人坐下,隨后若坐傳感器檢測不到人坐下,60秒后


沖大水:電機順時針轉動(從電機輸出軸看)

條件:

а) 自動沖水幵關幵啟,著坐傳感器檢測到人坐下6秒以后,隨后檢測到人離開,立 即充大水。

3) 模塊調用

調用相關部件的模塊函數。例如開啟除錯裝置,調用Dedorize(imsignedcharOn_Off) 函數,On__Off傳遞1是開啟除臭,On_Off傳遞0是關閉除錯。

(2) 軟件程序組織結構模塊化

1) 每一個C源文件都要建立一個與之名字一樣的H文件,里面僅僅包括該C文件的 函數的聲明,其他的什么也。不會有,比如變量的定義等等不應該有。

2) 建立一個所有的文件都要共同使用的頭文件,里面當然就是單片機的管腳使用 的定義,還有里面放那些需要的AVR系統的頭文件,比如#include <avr/io.h>,#include <util/delay.h>,#include<avr/intermpt.h>等等,把這個文件命名為 main.h

3) 每個C源文件應該包含自己的頭文件以及那個共同的使用的頭文件,里面還放 自己本文件內部使用的全局變量或者以extern定義的全局變量。

4) 主文件main.c里而包含所有的頭文件包括那個共同使用的文件,main.c里面的函 數可以再做一個頭文件,也可以直接放在文件的開頭部分聲明就可以了,里面一般還有中 斷服務程序也放在mainx里而。

5) 對于那些貫穿整個工程的變量,可以放在那個共同的使用的頭文件里面,也可 以用extern關鍵字在某個C源文件里面定義,哪個文件要使用就重復定義一下。

б) 建立工程的時候,只要把C源文件加到工程中,把H文件直接放到相應的目錄 下面就可以了,不需要加到工程里面。

(3) 模塊化優缺點

模塊化優點:

1) 信息進行封裝與隱藏,例如操作除錯裝置,只是需要調用函數調用 Deodorize(unsigned char On_Off)函數,隱藏函數具體操作內容

2) 設計具有較好擴展性和靈活性。例如設計蜂鳴器的函數設計成為 speaker(unsigned int time),根批輸入參數時間,來設定蜂鳴器鳴叫的時間,時間可以動態 變化,具有很好靈活性。

3) 對于后期維護擴展,只需修改邏輯層,不用操作具體硬件端口,便于擴展功能。

4) 一個新項目只需把要用到的文件加入工程,簡單修改調試就出來了。

5) 隨著模塊的不斷積累,新的項目將越來越容易完成,后期的維護擴展也變得非 常簡單了。

6) 對于C語言編程,只需簡單修改物理層就可完成不同單片機間的移植。

模塊化缺點:

1) 不那么直接對于硬件操作,對于硬件一些細節操作不夠靈活。避免這個問題, 考慮到一部分硬件細節操作比較復雜,調用次數不多的流程,采用直接對硬件端口進行操 作。

2) 不了解模塊內部實現具體原理。避免這個缺點,針對每個函數功能模塊進行詳 細注釋,便于使用者每個功能模塊調用。

5.6遙控器軟件設計





遙控器軟件設計采用模塊化設計思想進行設計。模塊設計是指一個復雜的應用程序可 以劃分成若干功能相對立、界限明確的較小程序模塊,各個模塊單獨設計、編程、調試和 排錯,然后裝配起來聯調,最終成為一個功能完整的實用程序[511。模塊化程序設計的優點 是:功能單一明確的程序模塊的設計和調試簡單,一個模塊可以為多個程序所共享,可以 盡量利用現有的程序模塊。如圖5-8遙控器按結構分為紅外發射模塊、鍵盤模塊、顯示模 塊。


5.6.1遙控器發射

遙控器發射是利用HT49R30里的PFD 口功能簡化了紅外發射程序的設計PFD 口的 功能和控制描述如下。PFD輸出與輸入/輸出引腳PA3共用。PFD功能通過掩膜選項來選 擇。定時/計數器的溢出信號是PFD電路的時鐘源。定時器由內部系統時鐘驅動,向預筲 寄存器內寫值可以控制它的初始值。定時器從預背寄存器內的值開始卩0上計數,直到溢出, 并由此產生溢出信號而導致PFD改變輸出狀態。接下來定時器會自動重新載入預背寄存器 內的值并繼續計數。PFD的頻率是定時/計數器溢出信號頻率的一半。只有PA3被清“0”,















































PH)的輸出才有效。這個輸出數據位相當于PFD輸出的開/關控制位。如果PA3輸出數據 位被設為“1”,則PFD輸出邏輯低。程序流程圖如圖5-9所示。


5.6.2遙控器液晶顯示

對大多數包含LCD的設計應用而言,與較昂貴的以字符為基礎的顯示方式相比,用戶 自定義的顯示方式能有效地降低成本[5'但因為需要有可變增益和時間的對應信號來驅動 此類自定義顯示器,因此為了適當的操作此類LCD需要有特殊的考慮。盛群公司的LCD 系列單片機有內部LCD信號產生電路及多種掩膜選項,可以自動地產生時間與增益可變 的信號直接驅動LCD,與用戶LCD的接口連接也相當容易。


5-10液晶系統顯示內容

遙控器采用點陣式LCD顯示,把表格5-1看做一個坐標,com代表是y軸,seg代表 x軸,液晶每一個圖標對應坐標軸上一個點。如表5-1所示,要顯示S這個圖標,MP1 值為40,然后IAR1.0置為1,就可以顯示S這個圖標。不顯示S圖標,只是需要把IAR1.0 置為0。同理,要顯示S10這個圖標,MP1值覚為42,把IAR1.1背為1。

表格5-1液晶點陣表

SEG




40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

4A

4B

4C

4D

4E

4F

PIN

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

COMO




S

S14

Sll

S18

DR

DR3

SE1

WA3


S5

P02

P03

S3

PR

PR1


COMl




S15

S12

S10

S17

SE

DR2

SE2

WA2

S8

S4

POl

P04

S2

PR5

PR2


COM2





S13

S9

S16

WA

DR1

SE3

WA1

S7

S6

PO

P05

SI

PR4

PR3


動態液晶效果實現,利用RTC設靑中斷,中斷服務程序中進行邏輯判斷,例如啟動女

-69 -


用往復功能時候,需要水勢P01P05顯示出不斷增減過程,通過中斷時間設置為0.25s, 每過0.25s時間,就改變水勢的狀態,達到水勢從P01P05顯示不斷滾動效果。同時, 當時間進入90秒時候,設置女用清洗動作結束標志,結束女用清洗和往復功能。水勢回 到設定的檔位。若關閉往復同理,按摩動態顯示,采用類似的辦法解決。

5.6.3遙控器鍵盤

 

程序開始,進行系統變量的初始化,然后,檢測鍵盤端口是否有信息觸發按鍵,假如 有按鍵事件觸發,延時nms,主要目的是消抖的處理,然后重新判斷鍵盤端口是否有按下, 若還是有相同鍵按下,進行邏輯判斷,處理相應的琪件,最后檢測按鍵是否釋放,若沒有 釋放就一直等待,直到按鍵釋放為止,才重新丌始檢測鍵盤是否有按下。

5.7智能坐便器系統抗干擾軟件設計 5.7.1看門狗設置


 


5-12看門狗

看門狗的作用,當程序跑飛的情況的發生時,進行軟件復位操作。ATMega64芯片有 一個看門狗定時器,由獨立的IMhz片內振蕩器驅動,通過設置看門狗定預分頻器調節看 門狗的復位的時間間隔。軟件設計中,保證程序每隔一定時間(此時間小于WDT溢出時 間)輸出一個清OWDT (俗稱“喂狗”)信號,防止WDT溢出1531

程序正常運行情況下,不停定時“喂狗”,WDT永遠不會溢出,不會產生輸出信號, 只有當系統出現故障,例如死循環或跑飛,不能及時“喂狗”,WDT復位系統,自動將“死 ”的系統給“救活”。

(1) 主機看門狗設賈

主機在啟動之后設置看門狗,在5ms的定時器中斷中設置喂狗事件。當主機因為外部 事件的干擾,導致程序跑飛,而讓主程序跑飛,看門狗得不到及時喂狗,就會自動重啟控 制系統,讓控制系統出于剛開機狀態。若沒有看門狗,主程序跑t之后,坐便器可能會出 現誤動作,造成人員受傷,器件的損壞。

(2) 遙控器看門狗設置

遙控器在設置掩膠的方式,里面選擇啟動看門狗,然后在RTC中斷進行喂狗處理。若 受到外部事情的干擾,導致遙控器出現死機或不正常現象,看門狗就會讓遙控器自動復位, 恢復到剛上電池的狀態。

5.7.2鍵盤軟件抗干擾

由于按鍵的操作都是通過機械的觸點實現,存在著抖動現象,影響按鍵操作,因此鍵 盤電路都需要有消抖動的措施,消抖動方法有硬件消抖動和軟件消抖動兩種辦法。硬件消 抖動增加硬件成本,我們采用軟件消抖動方法。基本思想,利用檢測到按鍵按下時候,過 一段很短時間例如12ms然后再去檢測按鍵是杏依然處于按下狀態,若檢測到鍵盤依然按 下,表示本次按鍵足有效,若沒有檢測到,放棄本次按鍵的事件處理。在遙控器和主機上 按鍵都采用類似處理。


5.7.3紅外信號抗干擾

(1) 紅外信號發送抗干擾

紅外信號發送抗干擾主要手段是編碼采用類似于差分曼徹斯規則,信號1用先0.5ms 高電平,然后一個0.5ms低電平,信號0JH好相反。這樣好處,無論信號1或0 ,中間都 存在信號跳變,利于外部中斷對信號檢測,避免誤差累積的情況出現。若簡單把信號1作 為高電平,信號0作為低電平,若出現信號中包含連續幾個信號1出現時候,由于中間 誤差累積,導致多出一個信號或少掉一個信號可能性。信號發送一次可能會又丟失可能性, 提高抗干擾能力,遙控器會連續發送三次信號,保證信號發送可靠性。信息包含客戶碼, 主要是區別不同的機器作用,防止別的遙控器信號對本系統的干擾。發送信息中包含一位 奇偶校驗碼,有效判斷本次發送是否包含錯誤可能性。發送信息中包含一位包序列號,用 于分組作用。

(2) 紅外信號接收抗干擾

紅外信號接收范圍內,由于紅外線經過空氣傳播會一些損耗或干擾,最后紅外接收頭 接收到信號波長不是百分之百精確,所以對于每一個信號的脈沖寬度,增加一定接收范圍, 例如接收一個范丨1彳為0.5ms,設定的接收范圍為0.4nif0.6ms都是有效信號,同時又不能 把信號范圍調整過大,界易導致對接收信號一種不錯判斷。

5.7.4翻蓋和圈抗干擾

根據正常翻轉情況下,人為去阻擋電機的翻轉過程,加速或阻止蓋的翻轉,很可能導 致步進電機的破壞。需要采取保護措施。翻轉過程中加入定位器。勻速翻轉蓋的過程中, 讀取定位器的值是一個種均勻增加過程,但是人為干擾正常翻轉,就可能導致定位器讀取 的值出現變化不穩定的情況,根據這種原理,對翻蓋和圈進行動態保護。研究主要難點是, 翻蓋的開始階段,由于翻蓋啟動開始,出現一種自然抖動過程,容舄導致引起系統不錯誤 的判斷。通過大景翻蓋丈驗,統計定位器的值,設置一個合理范圍的值,實現對步進電機 的動態保護。


5-13翻蓋動態保護

程序開始,判斷翻蓋是否己經啟動,若翻蓋啟動成功,每隔lms,就去讀取定位器的 值,判斷翻蓋是否已經超過啟動初期一段時間,若超過這段時間,進入動態保護判斷,若 查洵出來定位器的值得變化超過正常值,程序進入動態保護,關閉歩進電機運行,起到保 護步進電機作用。動態保護有三次機會,若連續三次干擾翻蓋動作之后,系統發出聲光報 聱,提示用戶,并停止其它動作。

5.7.5系統容錯設計

對于軟件錯誤所引起的后果特別嚴重的情況,需采用容錯軟件,其途徑有:

(1) 加強軟件的健壯性:使程序設計能夠緩解錯誤的影響,不致造成諸如死鎖或崩 潰這樣的嚴重后果,并能指出錯誤源l54L軟件內部健壯性,對于整個系統抗干擾性提商也 是相當蜇要作用。由于ATMega64芯片連接外圍設備,可能會因為一些人為或自然老化原 因導致出現故障,軟件設計時候需要考慮這些情況干擾,提供相應的燈光和聲音,進行報 錯處理。

1) 過熱異常:當磁敏溫度開關檢測達到過熱動作時(>=47° C),切斷主電源繼電器和 電磁閥,H時聲光報鳘蜂鳴器聲音和數碼管顯示異常代碼)。

2) 水位傳感器在10分鐘檢測水位仍未滿時,出現異常,切斷主電源繼電器和電磁閥,


同時聲光報聱蜂鳴器聲音和數碼管顯示異常代碼)。

3) 程序對EEPROM讀寫出現異常,進行復位處理。

4) 翻蓋和圈出現問題,關閉蓋和圈的步進電機,同時聲光報警

5) 自動化老程序出現問題,進行聲光報鳘

6) 其它情況下,可能出現錯誤,例如紅外信號接收異常,出現邏輯不符合現象,都 需要軟件設計時候重復考慮到,并進行相應處理。

(2) 恢復塊法.?給需要做容錯處理的塊提供備分塊,并附加錯誤檢測和恢復措施。 基于ATMega64嵌入系統中,主要是針對看門狗恢復之后,根據嵌入設賈一些標志,進行 相應復位,使程序運行具有連續性,使用戶感受不到程序被重新復位。 5.7.6老化程序設計

1) 關閉原先所有功能

2) 自動向上翻蓋(若原來蓋己翻起則先翻下

3) 噴頭3秒清洗

4) 臀部強力淸洗,調節清洗位置與水勢到檔位3,隨后執行往復清洗30秒,執行增 壓功能15秒,再執行按摩功能15秒。

5) 停止臀部強力淸洗,隨后噴頭清洗3秒

6) 由停止到女用淸洗,隨后執行往復清洗30秒

7) 停止清洗裝罝

8) 千燥30秒

9)

9) 關閉除臭

10) 自動放大水

11) 先向下翻圈,后向下翻蓋

按照1->12先后次序循環往復動作。執行自動老化程序時,坐溫和水溫要在加熱狀態, 水溫加熱到設定檔位溫度40度)后停止加熱,坐溫加熱到設定溫度37度)后停止加 熱。自動老化程序目標是更好檢測出系統在K期運行情況下,可能出現一些問題,是提髙 系統抗千擾能力-種重要手段,及時發現設計中不足之處,及時改進軟件或硬件設計。


5.7.7遙控器抗干擾設計

遙控器是采用匯編語言進行編寫,相對與C語言,要低級很多,很多東西都需要進行 自己來控制。程序在中斷處理的時候,應該在中斷向量的位置放冒一條中斷返回指令RETI (對于中斷向量占據2字節空間的處理器,應該連續放貿兩條RETI指令),這樣做目的是 在正式系統應用中,可以提高系統抗干擾能力。主機程序用C語言開發,程序調用中斷函 數時候,編譯環境自動處理這個問題,不需要自己手動處理。

遙控器采用軟件陷阱方式,作為抗干擾措施。所謂軟件陷阱,就是一條引導指令,強 行將亂飛的程序引向個指定的地址,在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序155] 如果我們把這段程序的入口標號稱為ERR的話,軟件陷阱即為一條UMP ERR指令。為 加強其捕捉效果,一般還在它前面加2條NOP指令。例如NOP, NOP, UMPERR 種形式。然后程序運行到每一功能段都設背一個旗標,通過這個值來判斷程序是從哪単.跑 飛的,再做相應的恢復處理。

5.7.8結構化程序設計

基于ATMega64嵌入式智能坐便器系統,采用結構化程序設計方式,把程序要求分成 若干獨立的、更小的程序要求或模塊化的功能要求。例如,按照系統的功能,分為清洗模 塊、蓋圈模塊、臀部淸洗模塊等。然后繼續把程序的分為更加細小模塊,如延時模塊、閥 門分配器模塊、往復電機模塊、蜂鳴器模塊。每個模塊都注明如何與程序的其他部分接口, 還必須指出所有的輸入與輸出,作者,函數書寫日期,以及測試要求。

5.7.9 EEPROM 讀寫

采用EEPROM的主要作用是保存用戶設定的內容,在斷電之后,重新啟動,能夠按 照用戶的設定而繼續運行程序。我們對EEPROM讀寫,為了避免干擾,前而的10個字節 都空余。EEPROM讀寫采用三次數據讀寫方式,只要EEPROM的數據包中,有兩次數據 包是相同,就代表EEPROM的讀寫成功,盡量提高抗干擾能力。


 

第六章智能坐便器系統調試與運行分析

6.1系統軟、硬件調試

對于智能坐便器的調試我們采用從局部到整體的方式,先是把每個功能模塊單獨調試 通,然后再把模塊都集成起來,作為一個整體的調試。以下簡要論述在調試過程中遇到的 一些有價值的問題即解決辦法。

(1)軟件運行環境AVR Studio 4


























完全免費的ATMELAVR單片機的集成環境匯編級開發調試軟件ATMELAVR Studio 集成開發環境(IDE),包括了 AVR Assembler編譯器AVR Studio調試功能AVR Prog 行、并行下載功能和JTAG ICE仿真等功能。運行環境如圖6-1所示。


AVR Studio 4集成環境

(2)翻蓋圈的調試

對于蓋圈運動過程中的動態保護,調試過程中發現由于其裝置齒輪之間的間隙過大及 傳感器安裝位賈的原因,在達到保護的時間內蓋圈的齒輪組己經發生跳齒現象,無法實現 動態保護效果。通過減少裝冒齒輪組的配合間隙,將傳感器安裝位賈rt丨原先的電機轉軸處
調整到圈蓋轉軸處,同時對ATmega64ADC相關引腳加入LCRC濾波電路,對讀入 的模擬數據進行數字濾波等處理,提高數值轉換精度。通過該方法能夠達到在蓋圈運動過 程中,遇到拉、推蓋圈時,電機自動轉入停止運行狀態,實現了對蓋_運動的動態保護。

(3) 清洗裝置調試

在涉及電磁閥、水泵和管路分配器的控制中,必須注意各自打開的順序,否則可能裝 置無法正常工作。管路分配器轉到位后打開電磁閥,防止水壓過大,管路分配電機力矩不 夠而失步;電磁閥打開后延遲幾秒后啟動水泵,防止水泵吸力過大而導致閥心不動作。

(4) 溫度傳感器

系統中多處用到對時序要求較高的DS18B20傳感器、精確的時間定時等,需將編譯器 的優化級別設為-Os,提高定時精度,同時優化代碼大小。但必須注意有些全局變董需要使 volatile聲明,程序結構的書寫也需特別注意,防止某些語句在優化過程中丟失。對于 DS18B20傳感器的操作過程中,特別要注意初始化的時序關系,如圖6-2所示。

 

6-2 DS18B20初始化時序

(5) 遙控器的調試

遙控器軟件設計中,新燒錄遙控器運行功能都IH常,但是遙控器多次按鍵以后出現假 死機的情況,我先是檢測一邊硬件的設備,發現一切都正常,然后通過仿真器上多次凋試, 彈出一個錯誤提示“幀堆棧檢測溢出”的窗體。査看HT49R30的幫助文檔,發現函數嵌 套層次不能多于3層,不然出現堆棧溢出。由于我把很多小功能封裝,最后導致闡數嵌套 層次太多而出現死機。還有一次出現假死機情況,我通過在仿真器中設背斷點,進行調試 運行,遙控器電源標志位突然出現零,在沒有按下遙控器電源鍵的情況下。査找多方面的 資料,發現由于進中斷時候涉及到電源鍵的變量,進入中斷時候需要把主程序變貴進行保 護,不然,可能出現主程序屮變量莫名被改變現象。

6.2系統運行分析

本項目經過理論研究、硬件設計、軟件編程和系統調試,完成了智能少便器嵌入式系


 


 

 


 

系統上電以后,通過遙控器開啟主機或通過主機上按鍵開啟主機。由于自動翻起蓋。 開機之后,默認自動翻蓋圈功能是開啟狀態。人走近時,裝載坐便器上面的紅外測距傳感 器檢測到人,上面藍色微光燈自動點亮,連續檢測到人6秒,動翻起蓋。滿足自動翻蓋 功能。

蓋翻起后,我們把一塊濕布放在座圈上代荇人坐上去),著坐傳感器檢測到人坐下, 噴頭里面就有水流出,大概有3秒左右。滿足噴頭3秒前清洗功能。

在次按遙控器上的“翻圈”按鍵,坐便器“滴”一聲,沒其他動作。這不是表示紅外 信息丟失了。“滴”的一聲表示紅外信號正確接收。圈沒有翻起是因為著傳感器還檢測到 人在坐著是不允許翻圈命令的。所以這是系統IH常運行的表現。

我們再按一下“臀部清洗”按鍵,坐便器“滴”的一聲之后,聽到電機轉動的聲音, 不一會就有水從臀部淸洗噴頭噴出。再用遙控器調節水勢,噴出的水就會隨養遙控器水勢 檔位變化而變化。可以通過遙控器調節噴管位置,噴管位置隨著遙控器顯示清冼位置改變 而改變,過了 90秒,噴頭停止出水,噴管自動縮回去。臀部清洗的時間到了,系統自動 停止臀部清洗動作。我們可以在淸洗過程中用遙控器或主機上的STOP按鍵強行停止臀部 清洗。去掉坐圈上面的濕布。噴頭再次出水3秒鐘,這是后3秒噴頭淸洗。再過了大約5 秒鐘,從水箱里傳來了較大的水聲,那是智能坐便器在自動沖水。然后人離開紅外測距傳 感器的檢測范圍。等待約60秒,原來翻著的蓋自動蓋上了。這是自動關蓋功能,也可以 通過遙控器實現手動關蓋圈的動作。

按下關閉遙控器電源鍵,可以同時關閉主機,再次按主機其他按鍵除了電源鍵,無任 何反應。再次按下遙控器上電源鍵或主機上電源鍵,重新開啟主機。

智能坐便器系統其它功能運行一切正常,最后,在生產方負責下,智能坐便器經過兩 個月的自動老化程序檢測,仍然能夠平穩運行,實踐說明智能坐便器具有較高的穩定性和 可靠性,能夠滿足生產方的需求。


結論與展望

通過本文的研究和分析得出,基于ATMega64單片機智能坐便器控制系統設計方案是 可行,同時,提出如何提高智能坐便器穩定性,提高抗干擾性一些措施。本課題選用 ATmega64作為整個嵌入式系統的核心控制器,充分利用了其強大高速的運算處理能力以 及其片內集成的豐富的外圍部件驅動能力,通過硬、軟件較好的協同設計,實現了系統各 個控制電路和軟件的設計,針對在智能坐便器的硬件與軟件上提出一些抗干擾措施,致力 于讓設計智能坐便器具有更好穩定性與安全性。經過兩個多月自動老化程序檢測,發現智 能坐便器能夠穩定的運行,未出現異常情況。事實說明智能坐便器控制系統具有較高的穩 定性和可靠性。

本論文研究中完成的主要工作有:

(1) 研究了嵌入式系統的設計;

(2) 研究了電機的系統結構、控制規律和運行特性;

(3) 由于在智能來便器系統中采用了眾多的傳感器,所以對傳感器的應用做了一定的研 究;

(4) 研究智能來便器控制抗干擾技術,目的是提高坐便器控制系統穩定性;

(5) 設計了眾多外_設備智能坐便器控制系統硬件驅動和軟件驅動;

(6) 設計的智能坐便器嵌入式系統功能完善,采用了多個高端傳感器,機電一體化等先 進技術;

(7) 把設計的軟硬件系統安裝到智能坐便器實物當中,并進行了調試。論述了軟、硬件 調試中的一些問題及解決方案。最后運行證明了本文設計的控制系統性能符合設計要求, 運行效果良好。

本系統與M內外現杳的其他智能坐便器系統相比具有一下幾個特點:

1. 相對于目前國內多種智能坐便器,我們設計坐便器控制系統是功能最齊全,基本上 集合大部分智能功能。0前W內的如便潔寶公司生產的智能座便器采用的是直流電機,國 外如H木的TOTOINAX等公司奮采用渦輪蝸桿減速機的,而本系統采用的是少進電機。 在克服了步進電機噪聲大的問題后,采用/少進電機可以克服使用苴流電機時干擾大、慣性 大的缺點。當然,步進電機在噪聲、機械死角等性能方面是沒法跟渦輪蝸桿相比的。但是


目前國內的生產工藝還沒有足夠的實力能生產渦輪蝸桿,而且渦輪蝸桿的成本要比少進電 機高很多。綜合各方面的因素,我們采用步進電機作為翻蓋和圈的電機具有較高的性價比。 翻蓋和圈的過程中,加入動態保護措施,這是國產產品中較為有特色亮點。

2. 遙控器LCD顯示方面,本系統采用了帶有LCD顯示驅動的芯片作為控制芯片,避 免了額外的LCD驅動電路的設計,而且簡化了 LCD的顯示控制,增加了系統的穩定性。

3. 智能坐便器特色功能

智能坐便器通過遙控器直接控制坐便器的啟動與關機。智能坐便器遙控器可以在10 分鐘之內無人操作,自動進入待機狀態,目的是節約電池。智能坐便器中設計自動老化檢 測程序,一方面是檢測智能坐便器長時間運行穩定性,及早發現坐便器存在問題,另一方 面用于展示智能坐便器功能給用戶觀看。

下一階段工作任務可以在以下幾方面進行研究:

1. 智能坐便器通過插入U盤,直接進行歌曲播放功能。

2. 智能坐便器可以稱人體的體重,測量尿液的PH值等功能。




上一篇產品展示十
下一篇衛生潔具:用水器具

評論

Comment

用戶名 Name
評論 Comment

聯系我們

contact

電 話
0551-63819315
在線客服
客服一客服二
地 址
安徽省合肥市經濟技術開發區芙蓉路268號
關注官方微信


職位招聘

您好 Say hello.歡迎您給我們提出問題

姓名Name
標題Title
郵 箱Emali
聯系電話Tel
內容Content
掃描訪問手機版
熱門關鍵詞: 88888 請輸入查詢信息!
一元可存款的菠菜手机客户端 尚义县| 宿松县| 井陉县| 汽车| 合水县| 周口市| 沅江市| 宝清县| 江孜县| 平武县| 万年县| 米脂县| 佛山市| 紫阳县| 安仁县| 湖口县| 昌乐县| 镇原县| 镇康县| 长宁县| 赫章县| 济南市| 亚东县| 台中市| 大石桥市| 滁州市| 曲松县| 泸西县| 苏尼特右旗| 铜鼓县| 江口县| 永康市| 民县| 舞阳县| 江北区| 孟连| 兴国县| 离岛区| 政和县| 镇江市| 建水县| 申扎县| 吉林市| 黄山市| 南京市| 那坡县| 修水县| 夹江县| 奉化市| 历史| 永新县| 万宁市| 临泉县| 甘孜| 察隅县| 石嘴山市| 钦州市| 赣榆县| 商城县| 苍溪县| 合水县| 新巴尔虎左旗| 城口县| 阿瓦提县| 金华市| 玛沁县| 静安区| 十堰市| 禹州市| 临沭县| 元朗区| 高淳县| 龙陵县| 陇西县| 武穴市| 格尔木市| 江城| 宜黄县| 汕尾市| 合肥市| 类乌齐县| 赤壁市| 乌兰浩特市| 库车县| 沂水县| 阿尔山市| 瑞金市| 石渠县| 麻阳| 清远市| 吉安市| 宿松县| 湖州市| 鸡泽县| 静乐县| 龙井市| 浑源县| 门源| 古蔺县| 松滋市| 凉城县| 桦南县| 曲阜市| 普格县| 凤翔县| 达孜县| 贵南县| 新巴尔虎左旗| 和林格尔县| 穆棱市| 成都市| 汉川市| 安仁县| 和龙市| 普安县| 新营市| 镇沅| 新邵县| 临沂市| 响水县| 肥乡县| 洛隆县| 普洱| 泽库县| 泗阳县| 石渠县| 泰和县| 双江| 宁化县| 邯郸县| 吉木乃县| 绥阳县| 苏尼特右旗| 阿尔山市| 凉山| 神池县| 修水县|