解密智能马桶结构控制

添加时间: 2017-08-21 16:54:26
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介绍

introduction

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第一章绪

1_1引言

随着信息和科学技术不断发展,嵌入式系统渗透于人们生活的各个角落一电器、玩具、 汽车、电视、录像机、医疗器械、飞机、导弹等等,很难给出它的确切定义,一般指嵌入 到工业系统、武器系统、机电仪表、消费电子类产品内部,完成一种或多种特定功能的专 用计算机系统。其中,智能坐便器也是M于嵌入式系统一种。

智能坐便器是集合臀部清洗、下身清洗、自动除臭、座圈保温、自我清洁、定时节水 等功能的智能马桶。相对于传统马桶,智能马桶节水效果可达到40%以上。由于它具有卫 生、环保、节能以及舒适等优点,被广泛应用于各种公共场所。目前在智能坐便器方面, 日本的TOTOINAX开发的产品处于世界的领先水平。这些产品价格昂贵,有一些设置 不符合国情,国内同朽次产品存在不同设计问题。

本文采用基于AVR先进微处理器,涉及到多种传感器,采用机电一体化的先进技术。 智能坐便器具有自动翻盖、防污除臭、温水清洗、暖风烘干、座圈加温、红外遥控、智能 存储及id忆等功能。由于智能坐便器作为一种产品投入市场,稳定性与可靠性都是至关重 要的环节。所以,研究嵌入式抗干扰原理和一些具体措施,并在智能坐便器控制系统中硬 件设计与软件设计部分都应用到抗干扰措施。最后,在生产方负责下,智能坐便器经过两 个月的自动老化程序检测,仍然能够平稳运行,实践说明智能坐便器具有较高的稳定性和 可靠性,能够满足生产方的需求。

1.2嵌入式系统

1.2.1嵌入式系统概述

随着电子数字计算机诞生于1946年,漫长的历史进程中,计算机由于其大型和昂贵 价格,一直处于实验室和机房。直到20世纪70年代,微处理器出现,才让计算机发生历 史性的变化。由于微处理器为核心的计算机具有其小型、廉价、可靠性高,迅速走出机房。 微型计算机经电气加固、机械加固、并配上外围电路,这样讣算机楚嵌入到对象体系中,


实现对对象体系进行控制的计算机,称作嵌入式计算机系统nl

最初的嵌入式系统应用是基于单片机的。20佾纪70年代单片机的出现,使得汽车、 家电、工业机器、通信装質以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装茛来获得更佳的使用 性能,更容易使用,更快、更便立。这些装冒已经初步具备了嵌入式的应用特点,但是这 时的应用只是使用8位的芯片,执行一些单线程的程序,还谈不上“系统”的概念。

80年代初期开始,嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式 应用软件,这使得开发人员可以进一步缩短开发周期,降低开发成本并提高开发效率。1981 年Ready System开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核。这个实时内核包含了许多传 统操作系统的特征,包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理 等功能。进入90年代,随着计算机和电子通信技术的髙速发展,带动了嵌入式系统在手 机、信息家电等消费类电子领域的应用,并逐步渗透到军事、网络、工业控制等领域。

根据IEEE的定义,嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装 置”。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体,可以涵盖机械等附属装背[2】。

如果从功能角度定义,嵌入式系统可以视为执行独立功能的专用计算机系统。它由包 括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片和器件,及嵌入式 存储器中的微型操作系统和控制应用软件组成,实现渚如实时控制、监视、管理、移动计

算、数据处理等各种0动化任务。

1.2.2嵌入式系统特点

嵌入式系统是:以应用为中心,以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它是将先进的计算机 的技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物,由于这个特点决 定了嵌入式系统必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统

1、 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小遛电子装背的,系统资源相对冇限, 所以内核较之传统的操作系统要小得多。

2、 专用性强。嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密, 一般要针对硬件进行系统的移植,即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬 件的变化和W减不断进行修改。同时针对不H的任务,往往需要对系统进行较大更改,程 序的编译下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

3、 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求K功能


设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系统安全。

4、 高实时性的系统软件(0S)是嵌入式软件的基本要求。而且,软件要求固态存储,以 提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。

5、 嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的 应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资 源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS (Real—Time Operating System)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少幵发时间,保障软 件质:i:。

6、 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力,即使设 计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境 才能进行开发,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析 仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标 机作为最后的执行机,开发时需要交荇结合进行。

嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段:

第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统,同时具有与监测、伺服、指 示设备相配合的功能;

第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统;

第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统;

第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统,这是一个正在迅速发展的阶段。目 前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外,随着Internet的发展以及Internet技术与信 息家电、工业控制技术等结合F1益密切,嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技 术的真正未来&81

1.2.3嵌入式微处理器

嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种 M已经超过1000多种,流行体系结构有30几个,其中8051体系占大多数。生产8051 单片机的半导体厂家有20多个,共350多种衍生产品,仅Philips就有近100种。

目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64KB256MB,处理速度从0.1M IPS2000 MIPS一般可以将嵌入式处理器分成4类:即嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor UniUEMPU)、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)、嵌入式 DSP 处理器(Embedded


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

(1) 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit EMPU)

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU在应用中,将微处理器装配在专门设 计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 为了满足嵌入式应用的特殊要求,嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一 样的,但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种増强。和工业控制计算 机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重M轻、成本低、可靠性髙的优点,但是在电路板 上必须包括ROMRAM总线接口、各种外设等器件。嵌入式微处理器目前主要有 Aml86/88、386EXS0400Power PC68000、MIPS、ARM 系列等。

(2) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit MCU)

嵌入式微控制器又称单片机,顾名思义,就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM/EPROMRAM 总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDogI/O、串行口、脉宽调制输出、A/DD/A、Flash RAMEEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求,一般一个系列的单片 机具有多种衍生产品,每种衍生产品的处理器内核都是一样的,不同的是存储器和外设的 配贾及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配,功能不多不少,从而减少 功耗和成本。和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从 而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是0前嵌入式系统工业的主流。微控制器的 片上资源一般比较丰富,适合于控制,因此称微控制器。

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

DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了 特殊设计,在数字滤波、FFT谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP的理 论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法 只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编 码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高,应用领域也从上述范围扩大到 了通信和计算机方面。目前敁为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TITMS320C2000/ C5000系列,另外如丨ntelMCS-296SiemensTriCore也有各自的应用范围。

(4) 嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)

SoC就是System on ChipSoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。它结合了许 多功能区块,将功能做在一个芯片上,像是ARM RISC、MIPS RISCDSP或是其他的微


处理器核心,加上通信的接口单元,像是通用串行端口USB)、TCP/IP通信单元GPRS 通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块等等,这些单元以往都是依照各单元的 功能做成一个个独立的处理芯片。

嵌入式处理器一般具有以下4个特点:

1、 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较短的中断 响应时间,从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

2、 具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化,为 了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也 有利于软件故障诊断。

3、 处理器结构可扩展。能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式微处理器。

4、 低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统,功耗可 以达到mW级甚至uW级。

近年来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来 越明显,出现了专业的1P( Intellectual Property Core,知识产权核)供应商,如ARM、MIPS 等,他们通过提供优质高性能嵌入式微处理器内核,由各个半导体厂商生产面向各个应用 领域的芯片[^151 1.2.4嵌入式系统前景

嵌入式系统无疑是当前最热门发展前途的IT领域之一。由于嵌入系统体积小、可靠性 高、功能强大、灵活方便等特点,才使其在众多邻域中得到应用。嵌入式系统应用苺本在 生活中是无所不在:移动电话、家电、汽车、工业控制领域、商业金融领域、信息家电, 工业制造、过程控制、网络、航天、通讯、仪器、船舶、军事领域等。针对嵌入式系统的 研发具有相当广范应用前景。

1.3智能坐便器

1.3.1智能坐便器概述

智能坐便器具有瞬间即热,拆洗方便且价廉物美的特点,是淸洁人体下身的最佳卫生 洁具。按照医学界长期研究的结果,以及人们长期保洁、保健的经验和共同认识:人体下 身皱褶,大小便之后只用卫生纸擦拭,效果不是很理想。最好的办法是及时地用流动的温

水冲洗,并配合热风烘干,真正做到了又干又净。这样,即可清洁下身,又可活血保健, 预防各种肛肠疾病、妇科疾病的发生,起到保键养颜的作用[161。智能坐便器能把每天用温 水冲洗人体下身这一繁琐的事变为方便、舒适、快捷、卫生的保健活动。它是现代人居家 生活必备的新型卫生洁具。 1.3.2智能坐便器特点

1. 座圈暖座功能:按下座圈加热按键,可使用户冬天使用时便座温暖、舒适。

2. 温水冲洗功能:通用冲洗为三孔温水冲洗,对臀部可深层护理。妇女冲洗为独特 的多孔结构,冲洗柔和舒适。水温设三档可调。

3. 瞬间即热式:本产品采用即热式水箱,即使在冬天也可以在启动30秒后加热至设 定温度。能做到即丌即用,即使长时间冲洗也可以持续不断地供应热水。

4. 超强的喷头自洁功能:当喷头伸出冲洗时,微电脑控制磁阀快速喷出小股水流5 秒钟即达到自洁效果。

5. 耐高水压水路系统:本机设有内、外二级减压阀,可将高达lMpa(10Kg£^m2)的水 压(额定水压为0.7Mpa)减至0.07Mpa(0.71Cgfitm2),而低于0.07Mpa的水则畅通无阻。

6. 热风烘干功能:冲洗结束后即可进行热风烘千,有冷风、温风、热风三档可选择, 运行90秒即自行停止,若需继续使用可以再次按动按键。

7. 可靠的安全保护功能:整机电源通过漏电保护插头引入,确保用电安全。水箱加 热系统设置可靠的防止过热及防止干烧的保护装贾;暖座系统及暖风烘干系统均设置防过 热装置。

智能坐便器是集合臀部清洗、下身清洗、自动除臭、座圈保温、自我淸洁、定时节水 等功能的马桶。相对于传动马桶,智能马桶节水效果可达到40%以上。由于它具有卫生、 环保、节能以及舒适等优点,被广泛应用于各种公共场所。

1.3.3智能坐便器的应用现状

随着中国经济髙速的发展,人们对生活品质要求也越来越高,在卫浴方面,人们从蹲 着上M所,到坐着上厕所,再到上完厕所不用动手就能清洗臀部的飞跃,速度可iS?R 里。据传,智能马桶最早是FI本人发明,目的为让不少痔疮患者上卫生间觉得方便。结果, 这个发明受到广大人们欢迎,最后风靡日本和西方一些发达国家。日本几乎家家户户都有 智能马桶,普及率是相当高。相对于我国目前市场,特别在南方这些市场,智能马桶普及


相当低。目前在智能座便器方面,日本的TOTCKINAX开发的产品处于世界的领先水平11\ 而国内在这方面做的就要差一点,其中,做得比较好如浙江星星便洁宝有限公司,维为有 限公司。主要是山于在设计上的缺陷,国内的产品在智能控制上都存在着不同程度的问题。 研究智能坐便器是非常有实际意义。

1.4论文的内容和结构

本论文总共分为七章

第一章,介绍嵌入式系统概念、特点、及其研究现状。介绍智能坐便器特点、发展现 状和未來发展趋势。

第二章,对于智能坐便器嵌入式系统进行霈求分析,根据需求对整个系统进行总体设 计,并针对各种功能进行划分,并给出功能模块图。

第三章,智能坐便器外围设备选择和相关部件进行介绍。针对于主机控制芯片 ATmega64和遥控器芯片HT49R30进行介绍。重点研究电机和传感器分类、原理、及其一 些相关的功能。

第四章,介绍嵌入式系统的硬件设计与实现。重点介绍电机硬件驱动电路设计思想和 原理。还介绍红外接收电路、红外发射、遥控器键盘设计等设计思想。

第五章,介绍嵌入式系统软件设计与实现。重点介绍主机翻盖_控制、温度控制、清 洗装置控制等。介绍遥控器软件设汁。

第六章,介绍嵌入式抗干扰原理和一些措施,及其在智能座便器系统中的应用^

第七章,嵌入式系统调试与运行分析,整个嵌入式系统运行稳定,正常,符合需求。

最后,对于全文进行一个总结,分析智能坐便器研究成果,提出有待改进的不足之处。


 

第二章智能坐便器系统需求分析和总体设计

2.1智能坐便器系统功能需求分析














如图2-1所示,智能坐便器由主机控制系统与遥控器控制系统所组成,智能坐便器主 机系统具备功能有:电源控制、自动冲水、自动翻盖、臀部清冼及往复、臀部柔和清洗及 往复、女用淸洗及往复、干燥、除臭、坐温调节、水温凋节、风温调节、增压、按摩STOP 等多种功能;同时具有翻盖自动保护、自动老化程序、水温过热保护、坐温过热保护、漏 电电保护等多种保护措施。遥控器控制系统具有:键盘输入,LCD显示,红外发射这三大 主要功能模块。


(1) 主机控制系统功能需求

1. 电源键:实现主机电源开关的控制。

2. 喷头淸洗功能:可以分为3秒钟淸洗和90秒的喷头清洗,主要是保持喷头的洁净。

3. 除臭功能:当人坐上坐便器后,除臭装S就开始工作,臭气触媒催化反应后被排 除,使卫生间淸新芬芳。

4. 干燥功能:五档可调式的温暖烘干气流,令便后臀部干燥舒适。

5. 臀部淸洗功能:可以在臀部柔和淸洗和臀部强力淸洗之间切换,又具备增压功能, 满足不同的需要。清洗时,可以使用有节奏的按摩功能。

6. 女用清洗功能:根据女性生理结构特点设计,具有增压功能和按摩功能,既让人 感觉舒适,同时达到最佳清洗效果。

7. 冲水功能:根据不同的情况,自动判别冲大水或小水。充分考虑了节水。

8. 翻盖和圈功能:当感应到人的时候,自动开启坐盖,当人离幵的时候,自动关坐 盖。通过遥控器控制翻蛊和_动作。

9. 坐温调节功能:可预设四档坐圈温度凋节,分为室温(不加热)2档:30° C 3 档34° C 4档:37° C默认.•室温。用户通过遥控器中相应按键设定。

 10.水温调节功能:可预设四档水温调节,分为室温2档:36° C 3档38° C 4档: 40° C。用户通过遥控器中相应按键设定。

11. 节电功能:在长时间不使用的前提下,系统自动进入节电模式。可分为水加热节 电和坐圈加热节电。在水加热节电模式中,水加热装置档位温度设定值强制设定到25° C 在坐圈加热节电模式中,坐圈档位温度设定值强制设定到25° C

12. 微光灯功能:微光灯主要是起到照明和指示作用。

13. 指示灯功能:通过主机中的指示灯,可以判断某种功能处于何种状态。在主机指 示灯可分为水加热指示灯、坐圈加热指示灯、电源指示灯、节电指示灯、0动冲水指示灯、 自动翻說指示灯。

14. 异常处理功能:在系统进入异常状态时,系统自动锁定所有功能,切断主电源, 同时采取声光报膂,提醒用户。

15. 故障代码显示功能:为了便于技术维修人员对系统故障的判断,使用发光二极管 显示故障代码。

16. 自动老化功能:便于产品在出厂时的自动检测和演示整个坐便器的功能,系统自 动按照预先设定的顺序和步骤,依次执行各个功能。

(2) 遥控器功能需求

遥控器主要具备三个功能:键盘输入、发送信号和LCD显示。键盘输入:获得用户 在键盘上输入,获得用户输入命令。发送信号:主要建立和主控制系统的通信,将遥控器


按键的信号传送给主控制系统,根据不同的按键发送对应信号给主机。LCD显示:在遥控 器的液晶面板上,需要显示相应按键的状态。其显示的状态如下:

1. 圈盖自动翻转设定状态

2. 节电模式设定状态

3. 微光灯设定状态

4. 增压功能设定状态

5. 自动冲水设定状态

6. 水温调节档位设定状态

7. 坐温调节档位设定状态

8. 风温调节档位设定状态

9. 水势档位、按摩功能设定状态

10. 清洗位背、往复功能设定状态

11. 红外发射状态

2.2智能坐便器系统总体设计

对应于上面的需求,对各项功能进行总体设计如下:

(1) 电源控制功能

通过主机或遥控器的POWER键实现主机开启和关闭;系统关闭,切断水温、分温和 座温三路高压的供电,单片机进入等待状态,不响应任何控制命令,除非接收到POWER 键的信号。

(2) 自动冲水功能

冲水功能分为自动冲水和手动冲水。自动冲水的状态通过遥控器中丨自动冲水B 钮设定。在自动冲水状态下,在圈盖都翻起后,同时红外测距传感器2检测到人在其前面 大于15秒,随后在没有检测到人时,冲小水;着坐传感器检测到人坐下6秒以后,随后 检测到人离开冲大水。手动冲水只冲大水。利用直流电机正转或反转,实现冲大小水。

(3) 自动翻盖圈功能

在自动翻盏圈功能开启的情况下,根据传感器检测到人的到达或来开状态,自动进行 盖的向下或向上翻转。圈的翻转通过遥控器实现。同时也可以根据接受到的遥控器控制命 令实现盖圈的动作。翻盖圈实现下面进行具体介绍。

(4) 臀部强力淸洗及往复功能

臀部强力淸洗功能周期为90秒,开启为手动,停止可以手动或正常自动结束。控制系 统打开电磁阀和泵,转动电机,使喷管伸缩自如,水势大小预设五档,通过遥控器中的水 势WX(A)和水势WX(V)按钮调节,系统默认为1档。着坐传感器检测到人坐下,且使用 主机中SWASH遥控器中『臀部强力及往复j按钮,可以反复在臀部强力清洗强力往复 清洗一臀部强力清洗强力往复清洗…循环切换。

(5) 臀部柔和清洗及往复功能

臀部柔和清洗功能周期为90秒,开启为手动,停止可以手动或正常自动结束。控制系 统打开电磁阀和泵,转动电机,使喷管伸缩自如,水势大小预设五档,通过遥控器中的水 势WX(A)和水势WX(V)按钮调节,系统默认为1档。着坐传感器检测到人坐下,且使用 遥控器中〖臀部柔和及往复J按钮,可以反复在臀部柔和清洗一柔和往复淸洗一臀部柔和 淸洗一柔和往复淸洗…循环切换。

(6) 女用清洗及往复功能

女用淸洗功能周期为90秒,开启为手动,停止可以手动或正常自动结束。控制系统打

开电磁阀和泵,转动电机,使喷管伸缩自如,水势大小预设五档,通过遥控器中的水势

#

WX(A)和水势按钮调节,系统默认为1档。着坐传感器检测到人坐下,且使用遥 控器中r女用及往复』按钮,可以反复在女用清洗一女用往复清洗一女用淸洗一女用往复 淸洗…循环切换。

(7) 干燥功能

千燥功能具有三档可调的风温,风温分为三档低档:45° C中档:50° C髙档60 ° C。系统默认为低档。用户可以通过遥控器上的风温设贾按钮进行设置,系统带有id 功能。工作原理是:先开启干燥风机,然后给电热丝通电。风温是可以调节的。风温的调 节是通过控制通电脉冲的占空比来实现的。

(8) 除臭功能

人在坐上便座,除臭装置就自动开始工作,臭气触媒催化反应后被排除。当干燥功能 开启后,须停止除臭装置工作。通过持续按住主机中STOPJ按钮10秒,可强行关闭或 者开启自动除臭功能。

(9) 喷头淸洗功能

喷头淸冼分为甜喷头淸3秒、后喷头淸3秒和喷头清90秒三种情况,其主要作用是确 保喷头洁净。人在坐下后以及人在离开后系统ft动进行喷头淸洗,持续时间为3秒;同时 为了方便人手工清洗喷头,设買了持续时间为90秒的喷孓淸洗。


浙江工业人,硕士学位论文

(10) 坐温调节功能

坐温凋节主要是调节坐圈的温度,用户可以在遥控器中调节,坐温分为四档:室温(不 加热),2档:30° C, 3档34° C , 4档:37° C,默认:室温。主要通过铝箔加热器、 数字式温度传感器调节坐圈的冷暖。

(11) 水温调节功能

水温凋节主要是调节小水箱中水的温度,供喷头淸洗和臀部、女用淸洗使用。用户可 以在遥控器中调节,水温分为四档:1档:室温,2档:36度,3档:38度,4档:40度, 默认.•室温。主要通过电热管、数字式温度传感器、磁敏温度开关进行精确加热。

(12) 节电功能

为了节约产品的能耗,在用户长时间不使用产品的时候,系统自动转入节电模式。节 电模式分为:水加热节电和坐圈加热节电两种。系统初试默认节电模式关。可以通过遥控 器中r节电j按钮开启节电模式。水加热节电模式是水温档位不设置在室温档位,在10 分钟内检测不到人使用时,强制将水温设定到25° C座温节电模式是在10分钟内检测不 到人使用时,强制将座温设定到25° C

(13) 报繁功能

智能平便器在使用过程中出现异常状态则停止所有功能并声光报警。系统共分为6种 故障异常。

1) 水位传感器在10分钟后检测水位仍未满。

2) 水加热装W.中,过热异常超过磁敏温度开关值)。

3) 座温传感器故障。

4) 水温传感器故障。

5) 自动放水装置,电机寻找零位过程中,10秒后电机转一圈为3秒),霍尔传感器 仍检测不到对零位信号。

座圈和座盖自动翻转装貿,过载异常连续三次都无法正常翻到位)。

(14) 自动老化检测功能

自动老化程序主要用于演示或进行老化测试。持续按住主机中丨DRYfSWASHj 按钮>=10秒(提示音嘀),启动自动老化程序。按照一定的次序依次执行。自动老化检测 程序执行的顺序如下:

1) 关闭原先所有功能

2) 自动向上翻盖(若原来盖已翻起则先翻下


3) 喷头3秒淸洗

4) 臀部强力清洗,调节淸洗位背与水势到档位3,随后执行往复淸洗30秒,执行增 压功能15秒,再执行按摩功能15秒。

5) 停止臀部强力清洗,随后喷头淸洗3秒

6) 由停止到女用淸洗,随后执行往复清洗30秒

7) 停止淸洗装背

8) 干燥30秒

9) 除臭30秒,同时向上翻豳

10) 关闭除臭

11) 自动放大水

12) 先向下翻圈,后向下翻盖

等待10分钟进入下一轮自动老化。

(15) 红外接收功能

智能坐便器主控制系统的大部分控制信息来自于遥控器。红外接收头采用一体头,利 用脉宽检测,接收红外信号。

(16) 遥控器键盘检测

由于智能坐便器系统的控制信息很多,同时,大部分信息都是由遥控器控制,所以遥 控器上的按键就很多,我们采用键盘阵列的布局。

(17) 遥控器LCD显示功能

遥控器芯片本身带有LCD驱动模块,所以大大简化了 LCD显示的设计。对应于LCD 面板上的每个点,芯片里面有一块内存与此相对应。往内存的某个地址写1,就点亮了相 应的点;往内存的某个地址写0,就熄灭了相应的点。

(18) 遥控器发射功能

红外发射采用芯片的定时器产生38k载波,再用程序调制。具体实现在下面的详细设 计里说明。

(19) 遥控器电源控制功能

功能描述:遥控器的POWER键实现主机开启和关闭,同时控制遥控器显示、键盘、 发射关闭或打开。操作说明:按下电源D,可启动(己处于关闭状态或关闭(已处于工 作状态主机。开启遥控器现象:点亮液晶,发射信号给主机;关闭遥控器现象:关闭 液晶,发射信号给主机。


 

第三章智能坐便器外围设备选择及抗干扰相关技术介绍

3.1嵌入式系统控制芯片

3.1.1 AVR单片机

AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的培强型内胥FlashRlSC(Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外 部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。

早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗髙和抗干扰性能差等原因,所以采取 稳妥方案:即采用较髙的分频系数对时钟分频,使得指令周期长,执行速度慢以后的 CMOS单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施,但这种状态并未被彻底改观 (51以及51兼容)。此间虽有某些精简指令集单片机(RISC)问世,但依然沿袭对时钟分频的 作法。

AVR单片机的推出,彻底打破这种旧设计格局,废除了机器周期,抛弃复杂指令计算 (CISC)追求指令完备的做法;采用精简指令集,以字作为指令长度单位,将内容丰富的 操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此),取指周期短, 又可预取指令,实现流水作业,故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃,是以高可靠 性为其后盾的。

AVR单片机主要特性:

高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位,一直是衡量单片机性能的重要指标, 也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件[1+2()1

(1) AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略,即采用局部寄存器存堆 (32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器 及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(IMips/MHz),克服了瓶颈现象,增强了功能;同 时又减少了对外设管理的开销,相对简化了硬件结构,降低了成本。故AVR单片机在软/ 硬件开销、速度、性能和成木诸多方而取得了优化平衡,是卨性价比的单片机。

(2) AVR单片机内嵌高质量:的Flash程序存储器,擦写方便,支持ISP1AP,便于

产品的调试、幵发、生产、更新。内嵌长寿命的EEProm可长期保存关键数据,避免断电

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丢失。片内大容fiRAM不仅能满足一般场合的使用,同时也更有效的支持使用高级语 言开发系统程序,并可像MCS-51单片机那样扩展外部_。

(3) AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设 定(初始高阻输入、驱动能力强(可省去功率驱动器件)等特性,使的I/O 口资源灵活、 功能强大、可充分利用。

(4) AVR单片机片内具备多种独立的时钟分频器,分别供URATI2CSPI使用。 其中与8/16位定时器配合的具有多达10位的预分频器,可通过软件设定分频系数提供多 种档次的定时时间。AVR单片机独有的“以定时器/计数器(单)双向计数形成三角波,再 与输出比较匹配寄存器配合,生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法(即脉 宽调制输出PWM)”更是令人耳目一新。增强性的高速同/异步串口,具有硬件产生校验码、 硬件检测和校验侦错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位接收时)、屏蔽数据帧等功 能,提高了通信的可靠性,方便程序编写,更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的 复杂应用,串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口,加之AVR单片机高速,中断服 务时间短,故可实现高波特率通讯。面向字节的高速硬件串行接口 TW〖、SPITWII2C 接口兼容,具备ACK信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能,能实现主/从机 的收/发全部4种组合的多机通信。SPI支持主/从机等4种组合的多机通信。

(5) AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD, 多个复位源(自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、BOD复位),可设置的启动后延时 运行程序,增强了嵌入式系统的可靠性

(6) AVR单片机具有多种省电休眠模式,且可宽电压运行5_2.7V),抗干扰能力强, 可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。

(7) AVR单片机技术体现了单片机集多种器件(包括FLASH程序存储器、看门狗、 EEPROM/界步串行口、TWISPIA/D模数转换器、定时器/计数器等)和多种功能(增 强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕 获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/汁数器、具替换功能的I/O端口)于一身,充分体 现了单片机技术的从“片自为战〃“片上系统SoC过波的发展方向。

3.1.2主机芯片ATmega64特性介绍

ATmega64是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。山于其先进 的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega64的数据吞吐率高达lMIPS/MHz,从而


可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。ATmega64是以Atmel高密度非易失性存储 器技术生产的P231片内ISP Flash允许程序存储器通过ISP串行接口,或者通用编程器 进行编程,也可以通过运行于AVR内核之中的引导程序进行编程。通过将8位RISC CPU 与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,ATmega64成为一个功能强大的单片机,为许 多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

ATmega64芯片主要特征:

(1) ATmega64因为采用了先进的RISC精简指令集结构,所以具有足够快的运行速度, 可达1MIPS/MHZ,是普通CISC单片机的10倍。

(2) 两路8位PWM通道6路编程分辨率从1到16位可变的PWM通道,可实现任意小 16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出。

(3) 35个不同的独立中断源,并有特定的中断允许位,提高了系统的安全性。 ⑷片内集成了 64K字节的系统内可编程Flash,2K字节的EEPR0M,4K字节片内SRAM,

64K字节可选外部存储空间,存储空间足以满足系统需要,并为系统的扩展提供了必要保 证。

(5) 53个可编程的I/O 口,可任意定义I/O的输入/输出方向;驱动能力强,可直接 驱动LED等大电流负载,且多数的I/O 口为复用口,除了作为通用数字I/O使用外,其第 二功能可作为芯片内部其他外围电路的接口。

(6) 具有四个定时/计数器,除了能够实现通常的定时和计数功能外,还具有捕捉、 比较、脉宽调制输出、实时时钟计数等更为强大的功能。

(7) ADCDAC转换,可直接输入模拟毋、输出数字量。

(8) 有看门狗电路,一旦程序进入死循环能自动复位,保证系统工作的可靠性。

(9) 有空闲、省电、掉电三种低功耗方式,很适合低功耗系统的要求。

由于鉴于ATMega64具有速度相对较快,性能稳定,内部资源比较丰富,能够很好满 足智能坐便器控制的需求,所以选择它作为我们开发智能坐便器主机芯片。

3.1.3遥控器芯片HT49R30介绍

HT49R308位高性能、高效益的RISC结构申片机,适用于LCD控制产品的应用124] 内部的特殊特性,如锊停、唤醒功能、振荡器选择、蜂鸣器驱动和UART等,增加了单片 机的灵活度,而这些特性也同时保证实际应用时只需要最少的外部组件,进而降低了整个 产品成本。有了低功耗、高性能、灵活控制的输入/输出和低成本等优势,这些芯片具有许


多功能,并适合被广泛应用在以LCD为主的场合。

HT49R30芯片的主要特性如下:

(1) 6位输入口,8位双向输入/输出口,完全能满足遥控器对输入输出的要求。

(2) 2个外部中断输入。外部中断输入还能唤醒休眠模式下的单片机。

(3) —个8位可编程定时/计数器,具有溢出中断和8级预分频器并支持PFD(可编程 分频)。这个功能可以用来发射红外信号。

(4) 19X2、19X318X4段的LCD驱动器,足够系统对LCD的要求。

(5) 2KX 14位的程序存储器ROM, 96X8位的数据存储器RAM,能很好的满足程序和 数据的空间。

(6) 实时时钟RTC),实时时钟RTC)8位预分频器,让系统有灵活的定时系统。

(7) 看门狗定时器可防止程序跑飞。

(8) HALT和唤醒功能可减少功耗。

(9) 指令执行时间皆为1或2个指令周期,程序的执行效率较好。

若遥控器仅仅只需要实现一个具有红外发送功能,可以选用的芯片很多,甚至最基本 51单片机都能满足要求,但是遥控器还需求里有一个LCD显示功能。对于这个问题有 两种方案可以解决。

(1) 另外设计LCD驱动电路。在这种情况下,遥控器芯片可以选用成本较低的芯片。 但是程序的控制将比较复杂,并且自行设计的LCD驱动电路,将增加PCB板上电路的复 杂性,降低系统的稳定性。

(2) 选用带LCD驱动的芯片。选用这种类型的芯片(如HT49系列芯片),LCD的驱 动电路不用自己设计,而且程序的控制将大大的简化。但是成本会相对荇所増加。

硬件系统设计的原则是PCB板上的器件越少越好1251。从这方面考虑,第二种方案将 优于第一种方案。而且第二种方案的选用将大大简化硬件和软件的设计。对于成本问题, 遥控器的成本对于主机的成本来说是很小的一部分。基于上面的分析,我们决定釆用第二 种方案。

3.2电机

许多应IH都会用到功率低于300W的小型电机。整体而言,电机的产量约和其功率大 小成反比,这表示小型电机的产量远超过大型电机。应用最广泛的小型电机包括科刷直流 电机、无刷直流屯机和步进电机。根据智能坐便器系统具体需求和不同电机的特性,在适 当的位S选择合适的电机。下面通过分析直流电机和步进电机的结构和控制原理来陈述我

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们选择电机的理由 3.2.1电机定义

英文[electric machinery]泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机 126]。特指发电机、电能机、电动机。

3.2.2电机分类

(1) 按工作电源分类根据电动机工作电源的不同,可分为直流电动机和交流电动机。 其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

(2) 按结构及工作原理分类根据电动机按结构及工作原理的不同,可分为直流电动 机,异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻N步电动机和磁滞同少电动机。异步电动 机可分为感;、V:电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步 电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动 机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动 机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串 励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又 分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

(3) 按起动与运行方式分类根据电动机按起动与运行方式不同,可分为电容起动式 单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式 单相异步电动机。

(4) 按用途分类可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电动工具(包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具 用电动机、家电(包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸 尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等)用电动机及其它通用小型机械设备(包括各种小 型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等用电动机。控制用电动机又分为步进电动机 和伺服电动机等。

(5) 按转子的结构分类根据电动机按转子的结构不同,可分为笼型感;、V:电动机(旧 标准称为鼠笼型异步电动机和绕线转子感)、V:电动机(旧标准称为绕线型异步电动机)。

(6) 按运转速度分类根据电动机按运转速度不N,可分为商速电动机、低速电动机、


恒速电动机、调速电动机。

低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机 等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速 电动机外,还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁 阻调速电动机。异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同少转速。同步电动机的转 子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。

3.2.3直流电机结构和控制原理

(1) 直流电机定义

输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能互 相转换的电机|271。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运 行时是直流发电机,将机械能转换为电能。

(2) 直流电机结构:

直流电机由定子和转子两部分组成,其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一 个带换向器的电枢。直流电机的定子山机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件 组成^1。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件,由永磁体或带有直流励磁绕组 的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器又称整流子)和转轴等部件构成。 其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成,在其外圆处均匀分 布着齿槽,电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械粮流部件。山换向片叠成圆筒 形后,以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠 性有很大影响。

永磁式直流电动机:

永磁式直流电动机也由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成,定子磁极采用永磁体(永 久磁钢),有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为P筒型和瓦块型等儿 种。录放机中使用的电多数为岡筒M磁体,而电动工具及汽车用电器中使用的电动机多数 采用专块型磁体。

转子一般采用硅钢片叠压而成,较电磁式直流电动机转子的槽数少。录放机中使用的 小功率电动机多数为3槽,较A档的为5槽或7梢。漆钮线绕在转子铁心的两槽之间(三 槽即有三个绕组),其各接头分别焊在换各器的金屈片上。电刷是连接电源与转子绕组的 导电部件,具备导电与耐磨两种性能。永磁电动机的电刷使用单性金属片或金M石墨电刷、


 

电化石墨电刷。

录放机中使用的永磁式直流电动机,采用电子稳速电路或离心式稳速装置。

无刷直流电动机:

无刷直流电动机是采用半导体幵关器件来实现电子换句的,即用电子开关器件代替传 统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点,广泛应用 于高档录音座、录像机、电子仪器及自动化办公设备中。

无刷直流电动机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。位背传感按转子 位置的变化,沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流(即检测转子磁极相对定子绕组的 位背,并在确定的位置处产生位置传感信号,经信号转换电路处理后去控制功率开关电路, 按一定的逻辑关系进行绕组电流切换)。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电 子开关电路提供。

位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。

采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机,其磁敏传感器件(例如檟尔元件、磁敏二 极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等)装在定子组件上,用来检测永磁体、 转子旋转时产生的磁场变化。

采用光电式位置传感器的无刷直流电动机,在定子组件上按一定位背配黃了光电传感 器件,转子上装有遮光板,光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时,由于遮光板的作用, 定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。

采用电磁式位背传感器的无刷直流电动机,是在定子组件上安装有电磁传感器部件 (例如耦合变压器、接近开关、lc谐振电路等),当永磁体转子位a发生变化时,电磁效 应将使电磁传感器产生高频调制信号(其幅值随转子位背而变化)。

直流电机特点:

1) 调速性能好。所谓“调速性能”,是指电动机在一定负载的条件下,根裾需要,人 为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下,实现均匀、平滑的无级调速, 而且调速范削较宽l29L

2) 起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速凋节。因此,凡是在重负载下起动或要 求均匀凋节转速的机械,例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等,都用直流电 动机拖动。

(3) 无刷直流电机控制原理

现以三相Y型连接全控桥两两导通方式,说明无刷H流电动机运行原理,如图3-1, 所谓两两导通方式,是指每一瞬间有两个功率开关导通,每隔1/6周期(60°电角度)换相一 次,每次换相一个功率管,每一功率管导通1200电角度。当功率管TIT2导通时,电流从 T1管流入A相绕组,再从C相绕组流出,经T2管回到电源。假设流入绕组的电流所产生 的磁势为正,那么从绕组流出的电流所产生的磁势为负。当电机转过60°电角度后,由 TIT2换相为T2T3,这时,电流从T3管流入B相绕纽,再从C相绕组流出,经T2回到电 源,此时合成磁势矢t方向已经转过了 60°电角度。而后每次换相一个功率管,合成磁势 矢It方向就转过60°电角度,但大小始终保持万凡不变。由此也可以看出,三相电流两两 导通方式所产生的合成磁势不是一个连续的旋转磁势,而是一个跳跃式的步进磁势。于是 在定转子磁势的相互作用下使转子沿一定方向旋转。

 

3-1星型桥式三相无刷直流电动机原理图

3.2.4步进电机结构和控制原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构[3()]。通俗一点讲:当少进驱动器接 收到一个脉冲信号,它就驱动少进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。 您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的•,同时您可以通过控 制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。

步进电机的特点:

1. 般步进电机的粘:度为步进角的3-5%,且不累积。

2. 步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过髙首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因 此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的 退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以少进电机外表温度在摄 氏80-90度完全常1311

3. 步进电机的力矩会随转速的升髙而下降。


当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电 动势越大。在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下 降。

4. 步进电机低速时可以JH常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数:空载启动频率,即少进电机在空载情况下能够正常启动的 脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能iH常启动,可能发生丢步或堵转。在有负载 的情况下,启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即 启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。步进 电动机以其显著的特点,在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随漪不同的数字化技术 的发展以及步进电机本身技术的提高,步进电机将会在更多的领域得到应用

单极性unipolar)和双极性bipolar)是步进电机最常采用的两种驱动架构。

单极性步进电机:

单极性驱动电路使用四颗晶体管来驱动步进电机的两组相位,电机结构则如图3-2 示包含两组带有中N抽头的线圈,整个电机共有六条线与外界连接。这类电机有时又称为 四相电机,但这种称呼容易令人混淆又不正确,因为它其实只有两个相位,精确的说法应 是双相位六线式步进电机。六线式步进电机虽又称为单极性步进电机,实际上却能同时使 用单极性或双极性驱动电路l3W5]

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3-2单极性步进屯机驱动屯路

双极性步进电机:

双极性步进电机的驱动电路则如图3-3所示,它会使用八颗晶体管來驱动两组相位。 双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步迸电机,虽然四线式电机只能使用双极性 驱动电路,它却能大幅降低成本。双极性步进电机驱动电路的晶休1?数目是单极性驱动电

路的两倍,其中四颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动,上端晶体管则需要成本较高 的上端驱动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受电机电压,所以它不像单极性驱动电 路一样需要箝位电路。

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3-3双极性步进电机驱动电路

步进电机控制方式:

步进电机的驱动电路根据控制信号工作,控制信号由单片机产生。其基木原理作用如

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1) 控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如:三相步进电机的三拍工作方式,其各相通电 顺序为ABCD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A, B, C, D相的通 136】。

2) 控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电,步进电机正转,如果按反序通电换相,则电机就反 转。

3) 控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲,它就转一步,再发一个脉冲,它会再转一步。两个 脉冲的间隔越短,步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率,就可以对步进电机 进行调速。

3.2.5电机选择

根据上述电机特性的分析,步进电机、直流电机的主要区别在于他们的驱动方式。步

进电机是以步阶方式分段移动,直流电机和无刷直流电机通常采用连续移动的控制方式。 步进电机采用直接控制方式,它的主要命令和控制变量都是步阶位置。直流电机则是以 电机电压为控制变童,以位置或速度为命令变量。直流电机需要反馈控制系统,他会以 间接方式控制电机位置。步进电机系统多半以“开环方式”进行操作。

阀门分配器是控制清洗类型和出水大小的装置。在阀门分配器上不同位置上很多大小 不同的通水孔,把阀门分配器转到不同的角度,水就从不同的的孔中喷出,一个孔是从小 到大的形状,可以控制水势从小到大的变化。关键技术是需要能够精确控制阀门分配器的 电机能够旋转到所需的角度。

往复装置是跟淸洗用的水管连在一起,可以控制水管出水的位置,它的移动由往复步 进电机控制。女用淸洗和臀部清洗功能利用遥控器调节清洗的位S的单位调节,及其来往 复的移动功能,利用往复装背的步进电机通过单片机精确控制转动角度,实现清洗装S 置精确移动,及其往复功能。

翻盖和圈电机利用两个步进控制分别控制盖和圈的翻转。利用单片机控制盖和圈上 翻,下翻,停止翻转、翻转速度等。利用单片机内部定时器产生PWM作为步进电机的电 脉冲转化为角位移,实现盖和圈的翻转动作。

自动冲水装置由一个直流电机来控制,利用单机片控制直流电机实现正转或反转,实 现冲大水和小水功能。利用单片机好端口控制直流电机开关动作。

步进电机主要特点是步阶方式分段控制的,所以其控制要复杂一点,成本也相对较高, 但是它不存在直流电机的干扰大,惯性大的问题。直流电机的控制比步进电机要简单很多, 而且直流电机的成本比步进电机低。根据以上智能坐便器的实际需求和不同电机的特性分 析。需要精确控制角度如阀门分配器、往复装置、翻盖和圈采用步进电机采用步进电机, 冲水装背采用价格便宜、控制简单直流电机实现。

3.3传感器

3.3.1传感器定义

传感器英文名字是transducer/sensor,传感器是一种物理装置或生物器官,能够探测、 感受外界的信号、物理条件(如光、热、湿度或化学组成如烟雾),并将探知的信息 传递给其他装S或器宫137]

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转 换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装黃,


能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所 需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实 现自动检测和自动控制的首要环节。

3.3.2传感器的分类

可以从输入物理最,工作原理,输出信号的性质,能量转换原理,制造工艺,检测量 等不同的观点对传感器进行分类。

(1) 根据输入物理量可分为.•位移传感器、压力传感器、速度传感器、温度传感器 及气敏传感器等。

(2) 根据工作原理可分为:电阻式、电感式、电容式及电势式等。

(3) 根据输出信号的性质可分为:模拟式传感器和数字式传感器。即模拟式传感器 输出模拟信号,数字式传感器输出数字信号。

(4) 根据能量转换原理可分为:有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电景转 换为电能贵,如电动势、电荷式传感器等;无源程序传感器不起能堡:转换作用,只是将被 测非电量转换为电参数的量,如电阻式、电感式及电容光焕发式传感器等1381

(5) 根据其制造工艺可分为:集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器 等。

(6) 根据检测量分类可分为:物理量传感器、化学量传感器、生物最传感器等。 还有很多种分类方式,这里不一一举例了。

3.3.3传感器的特性

传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分 为两种:静态特性和动态特性[39】。静态特性是指输入不随时间而变化的特性,它表示传 感器在被测儀各个值处于稳定状态下输入输出的关系。动态特性是指输入随时N而变化 的特性,它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。一般来说,传感器的输入和 输出关系可用微分方程来描述。理论上,将微分方程中的一阶及以上的微分项取为零时, 即可得到静态特性。因此传感器的静特性是其动特性的一个特例。传感器除了描述输入与 输出量之间的关系特性外,还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。

(1) 传感器的静特性

传感器的输入-输出关系:输入(外部影响:冲振、电磁场、线性、滞后、重复性、灵

敏度、误差因素)一传感器一输出(外部影响:温度、供电、各种干扰稳定性、温漂、稳 定性(零漂)、分辨力、误差因素)。

人们总希望传感器的输入与输出成唯一的对应关系,而且最好呈线性关系。但一般情 况下,输入输出不会完全符合所要求的线性关系,因传感器本身存在着迟滞、蠕变、摩擦 等各种因素,以及受外界条件的各种影响。传感器静态特性的主要指标有:线性度、灵 敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性等。

1、 线性度

通常情况下,传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中,为使仪 表具有均勻刻度的读数,常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度非线性 误差)就是这个近似程度的一个性能指标。

拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满最程输出点相连的理论直线作为拟合直 线;或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线,此拟合直线称 为最小二乘法拟合直线。

2、 灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Ay对输入量变化Ax的比值。它是 输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系,则灵敏度S是一 个常数。否则,它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的最纲之比。 例如,某位移传感器,在位移变化lmm时,输出电压变化为200mV,则其灵敏度应表示 200mV/mni当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。提高 灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范_愈窄,稳定性也往往愈差。

3、 分辨率

分辨力是指传感器可能感受到的被测最的最小变化的能力。也就是说,如果输入量从 某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时,传感器的输出不会发生变化, 即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时,其输出 才会发生变化。

通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同,因此常用满M程中能使输出贵产 生阶跃变化的输入景中的最大变化值作为衡最分辨力的指标。上述指标若用满S程的百分 比表示,则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。

4、 迟滞特性

迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大和反向(输入M减小)行程间输出一输入 特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值AMAX与满录程输出rs的百 分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能景的吸收造成。

(2) 传感器的动特性

动特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性l4〇L很多传感器要在动态条件下检 测,被测量可能以各种形式随时间变化。只要输入量是时间的函数,则其输出量也将是时 间的函数,其间关系要用动特性来说明。设计传感器时要根据其动态性能要求与使用条件 选择合理的方案和确定合适的参数;使用传感器时要根据其动态特性与使用条件确定合适 的使用方法,同时对给定条件下的传感器动态误差作出估计。总之,动特性是传感器性能 的一个重要方面,对其进行研究与分析十分必要。总的来说,传感器的动特性取决于传感 器本身,另一方面也与被测量的形式有关。

1、 规律性

1) 周期性的.IK弦周期输入、复杂周期输入。

2) 非周期性的:阶跃输入、线性输入、其他瞬变输入。

2、 随机性

1) 平稳的:多态历经过程、非多态历经过程。

2) 非平稳的随机过程。

在研究动态特性时,通常只能根据“规律性”的输入來考虑传感器的响应。复杂周期输 入信号可以分解为各种谐波,所以可用正弦周期输入信号来代替。其它瞬变输入不及阶跃 输入来得严峻,可用阶跃输入代表。因此,“标准”输入只有三种;正弦周期输入、阶跃 输入和线性输入。而经常使用的是前两种。

3.3.3传感器的选择

(1) 霍尔传感器选择:

霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族, 并已得到广泛的应用。

霜尔器件具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功 耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍 尔线性器件的精度高、线性度好;霍尔开关器件无触点、无麽损、输出波形淸晰、无抖动、 N跳、位置重复精度高(可达pm)。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温 度范宽,可达一55C150X:。


按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟M, 者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者 是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性,后者是检测受检对象上人为设背的磁场, 用这个磁场来作被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、 压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生 变化的时间等,转变成电贵来进行检测和控制。

在智能坐便器系统中,利用霍尔传感器检测翻盖和圈是否翻转到制定的位置。

(2) 温度传感器选择

DS18B20DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO—92小体积 封装形式;温度测最范围为一55X+125°C可编程为9位〜12位A/D转换精度,测温分 辨率可达0.0625C,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可 在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上, CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量 的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。 2DS18B20的内部结构:

 

3*4DS8B20的闪部结构















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3-5 DS18B20的管脚排列

DS18B20内部结构如图34所示,主要由4部分组成:64ROM温度传感器、非 挥发的温度报繁触发器THTL配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3-5所示DQ 为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端。

在智能坐便器系统中,利用DS18I320温度传感器检测水箱的水温,便于单片机对于水 温的控制。

(3) 红外测距传感器选择

红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理,进行 障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管,发射管发射特 定频率的红外信号,接收管接收这种频率的红外信号,当红外的检测方向遇到障碍物时, 红外信号反射回来被接收管接收,经过处理之后,通过数字传感器接口返回到单片机。

在智能坐便器系统中,利用GP2Y0A02红外测距传感器用于检测用户是否站在坐便器 fT面,同时可以可通过凋传感器电阻来控制红外测距传感器检测距离。

(4) 着座传感器

着座感应:只有人坐在座圈上且压力传感器感应到有人在使用的时候,各项功能才会 启动,可防止小孩玩弄。在智能坐便器系统中,利用若座传感器用于检测用户是否人坐 在坐便器上一种状态信息。

3.4其它部件及其功能简介

(1) 喷头

出水装置。水在水压的作用下从喷头的出水孔喷出,用于臀部淸洗等。


(2) 电磁阀

电磁阀是连接水箱与出水装背主要是喷头)之间的用于控制水的开关的装置。电磁 阀开,则水通•,电磁阀关,则水不通。

(3) 水泵

用于清洗时的增压效果。

(4) 千燥风机

用于干燥功能中。在开启千燥风机的同时还会幵启电热丝,这样从风机里吹出来的风 就是热的。

(5) 微光灯和蜂鸣器

微光灯一方面用于指示主机的工作状态,另外一方面用于指示主机的故障情况显示。 蜂鸣器用于提示用户遥控器信息有效接收,同时,用于异常处理报瞀作用。

3.5抗干扰技术 3.5.1干扰来源

影响单片机系统可靠安全运行的主要因素主要来自系统内部和外部的各种电气干扰, 并受系统结构设计、元器件选择、安装、制造工艺影响。这些都构成单片机系统的干扰因 素,常会导致单片机系统运行失常,轻则影响产品质量和产量,重则会导致事故,造成重 大经济损失。形成干扰的基本要素有三个:

(1) 干扰源。指产生千扰的元件、设备或信号,用数学语R描述如下:du/dt, di/clt 大的地方就是干扰源f41]如:雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰 源。

(2) 传播路径。指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。典型的干扰传播路 径是通过导线的传导和空间的辐射。

(3) 敏感器件。指容易被干扰的对象。如:A/DD/A变换器,单片机,数字1C,

弱信号放大器等。

3.5.2干扰分类

千扰的分类有好多种,通常可以按照噪卢产生的原因、传导方式、波形特性等等进行 不同的分类。


1) 按产生的原因分:可分为放电噪声音、高频振荡噪声、浪涌噪声。

2) 按传导方式分:可分为共模噪声和串模噪声。

3) 按波形分:可分为持续正弦波、脉冲电压、脉冲序列等等。

3.5.3干扰的耦合方式

千扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道彳对测控系统产生作用的[42]。因此,我们 有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。干扰的耦合方式,无非是通过导线、空间、 公共线等等,细分下来,主要有以下几种:

(1) 直接耦合

这是最直接的方式,也是系统中存在最普遍的一种方式。比如干扰信号通过电源线侵入 系统。对于这种形式,最有效的方法就是加入去耦电路。

(2) 公共阻抗耦合

这也是常见的耦合方式,这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。为了防 止这种耦合,通常在电路设计上就要考虑。使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。

(3) 电容耦合

它又称电场耦合或静电耦合,是由于分布电容的存在而产生的耦合。

(4) 电磁感应鍋合

它又称磁场耦合,是由于分布电磁感应而产生的耦合。

(5) 漏电耦合

这种耦合是纯电阻性的,在绝缘不好时就会发生。

3.5.4硬件抗干扰

(1) 硬件抗干扰的原理

1) 电源隔离

微机系统供电线路是干扰的主要來源,单片机工作电路的电源要采取独立的供电回 路、其电源变压器同其他大功率电路的电源变压器要分别使用。在两电路的电气连接处, 可使用光电耦合器、光可控硅等器件加以隔离。

2) 口线隔离

单片机的输入、输出口线,特别是参与控制大功率电路的口线,在其与外电路的电气

连接处都要通过光电耦合器进行隔离。


3) 空间隔离

单片机控制回路与其他大功率回路之间能够分开放置的,尽量不要放背在同一空间 中,如果二者必须在同,空间中的。要尽量加大二者的电气距离,尽可能减小空间的电 磁感应耦合和辐射耦合,或者将单片机控制电路放在由金属网或金属盒构成的屏蔽体内。

(2) 具体硬件抗干扰的措施

1、 抑制千扰源常用措施

(1) 给继电器线圈增加续流二极管,消除断电时产生的反电动势。

(2) 在继电器接点两端并接火花抑制电路,(一般为RC串联电路,电阻一般为几〜 几十kn,电容为0. Ol^iF)减小电火花影响。

(3) 给电机加滤波电路,注意电容、电感连线要尽量靠近电机。

(4) 电路板上每个1C要并接一个0. 01〜0. lpF高频电容,减小1C对电源的影响。 注意高频电容的布线应靠近电源端,并尽最短,否则等于增大了电容的等效串联电阻,会 影响滤波效果。

(5) 避免90°折线,减小高频噪声发射。

(6) 在可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅噪声。

2、 切断干扰传播途径措施

(1) 充分考虑电源对单片机的影响。给单片机电源加滤波电路,减小电源噪声对单 片机的干扰。

(2) 若用单片机的I/O 口來控制电机等噪声器件,在I/O 口与噪声源之间应加II 形滤波电路,或进行光电隔离。

(3) 注意品振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振 外壳接地并固定。

(4) 电路板合理分区,如数字信号、模拟信号尽可能使干扰源与敏感器件远离。

(5) 用地线将数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地分离,最后接在一点接于电源 地。

(6) 单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互之间的干扰。

(7) 在单片机I/O 口、电源线、电路板连线等关键地方使用抗干扰元件,如磁环、 电源滤波器、屏蔽罩等。

3、 提高敏感器件的抗干扰性能

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件考虑尽量减小对干扰噪声的拾取,以及从

不正常状态尽快恢复的方法。常用措施:

(1) 布线时尽量减少回路面积,降低感应噪卢;

(2) 布线时电源线与地线尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声;

(3) 对单片机的闲置I/O,不能悬空,应接地或电源,其他1C的闲背口一样;

(4) 加单片机硬件看门狗电路;

(5) 满足要求的前提下,尽量降低单片机晶振和选用低速数字电路;

4、其它抗干扰措施

(1) 交流端用电感电容滤波:去掉高频低频干扰脉冲。

(2) 变压器双隔离措施:变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初 级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印制板地,这是硬件抗干扰的关键手段。次级 加低通滤波器:吸收变压器产生的浪涌电压。

(3) 采用集成式直流稳压电源:有过流、过压、过热等保护作用。

(4) I/O 口采用光电、磁电、继电器隔离,同时去掉公共地。

(5) 通讯线用双绞线:排除平行互感。

(6) 防雷电用光纤隔离最为有效。

(7) A/D转换用隔离放大器或采用现场转换减少误差。

(8) 外壳接大地:解决人身安全及防外界电磁场干扰。

(9) 加复位电压检测电路。防止复位不充分,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件, 复位不充份会改变EEPROM的内容。

(10) 提高印制板工艺抗干扰。

3.5.5软件抗干扰

软件的可靠性问题常常容M被人们忽视,但随着嵌入式测控系统越来越复杂,工作环 境干扰越来越严重,软件可靠性问题逐渐为人们所重视。软件的可靠性问题虽然和硬件的 可靠性问题不尽相同,但在基于单片机的测控系统中,软件与硬件是处干同等重要的地位

[43]

嵌入式系统软件设计要求:

单片机测控系统对程序设计的要求除了可靠准确、易理解、易维护和可测试外,还有 以下要求:

(1)容错性。在工业控制中,由于单片机侧控系统所处的环境比较恶劣,常存在干


扰源,如环境温度、电场、磁场等,使数据采集不可靠、控制失灵或程序运行失常。当发 生这些错误或故障时,测控软件要能够不受影响,从错误或故障中恢复,保证系统的正常 工作。

(2) 实时性。实时性是测控系统的普遍要求,即要求系统及时响应外部事件的发生, 并及时给出处理结果。在工程应用程序设计中,采用汇编语言要比高级语言更具有实时性。

(3) 足够的时序裕度。时序是程序设计中必须考虑的问题。

嵌入式软件抗干扰措施:

在嵌入式控制系统中,如能正确地采用软件抗干扰措施与硬件抗干扰措施构成双道抗 干扰防线,无疑将大大提高控制系统的可靠性。采取抗干扰主要手段如下:

(1) 结构化程序设计

把程序要求分成若干独立的、更小的程序要求或模块化的功能要求,分别提出各自的 要求/规格说明,并注明如何与程序的其他部分接口,还必须指出所有的输入与输出,以及 测试要求1441

(2) 容错技术

对于软件错误所引起的后果特别严重的情况,需采用容错软件,其途径有:

1) 加强软件的健壮性rf史程序设计能够缓解错误的影响,不致造成诸如死锁或崩溃这 样的严重后果,并能指出错误源。

2) 采用N(N>2)版本编程法尽可能用不同的算法与编程语言,经不同的班组编制,以 提高各版本软件的独立性。这N个软件版本同时在X台计算机下运行,各计算机间能进行 高效通信,并做山快速比较。当结果不一致时,按表决或预定的策略选择输出。

3) 恢复块法:给需要做容错处理的块提供备分块,并附加错误检测和恢复措施。

4) 选择性控制:为一个控制系统研制两套不同的算法,一种是正常情况控制算法,另 种是应付异常事故处理方法。若趋于危险或故障区域,用后一种算法,驱使系统脱离危 险状态,待系统恢炱常后,又按正常控制算法进行。

(3) 加强测试

为最大限度地除去软件中的差错,改进软件的可雒性,就要对软件进行完备测试。

(4) 系统“死锁”的软件对策

在工业控制系统中,A/DD/A显示等输入/输出接口电路是必不可少的。这些接口 与CPU之间采用査询或中断方式工作,而这些设备或接口对干扰很敏感,干扰信号一旦 破坏了某一接口的状态字后,就会导致CPU误认为该接日有输人/输出请求而停止现行工 作,转去执行相应的输人输出服务程序。但由于该接口本身并没有输人/输出数据,从而使 CPU资源被该服务程序长期占用,而不释放,其他任务程序无法执行,使整个系统出现“死 锁”。对这种干扰造成的“死锁”问题,在软件编程中,可采用“时间片”的方法来解决。

其具体步骤为:根据不同的输人/输出外设对时间的要求,分配相应的燉大正常的输入 /输出时间。在每一输入/输出的任务模块中,加入相应的超时判断程序。这样当干扰破坏 了接口的状态造成CPU误操作后,由干该外设准备好信息长期无效,经一定时间后,系统 会从该外设的服务程序中白动返回,保证整个软件的周期性不受影响,从而避免“死锁” 情况的发生。

(5) 数据采集误差的软件对策

根据数据受千扰性质及干扰后果的不同,采取的软件对策各不相同,没有固定的模 式。对于实时数据采集系统,为了消除传感器通道屮的干扰信号,在硬件措施上常采取有 源或无源RLC网络,构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样,运用CPU的运算、控 制功能也可以实现频率滤波,完成模拟滤波器类似的功能,这就是数字滤波。随着计算机 运算速度的提髙,数字滤波在实时数据采集系统中的应用将愈来愈广。在一般数据采集系 统中,可以采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果。使用的方法有算术平 均值法、比较取舍法、中值法、一阶递推数字滤波法等。 _

(6) 指令冗余技术

程序“跑飞”后往往将一些操作数当作指令代码来执行,从而引起整个程序的混乱。 采用“指令冗余技术”是使程序从“跑飞”状态恢复正常的一种有效措施。所谓软件冗余, 就是在程序的关键地方人为地加入一些单字节指令NOP,或将有效单子节指令重写,当程 “跑飞”到某条单字节指令上,就不会发生将操作数当作指令来执行的错误。这些指令 在程序中是冗余的,但能提高软件系统的可靠性。

(7) 软件陷阱技术

指令容错使弹飞的程序纳人正轨是有条件的,首先弹飞的程序必须落到程序区,其次 必须执行到冗余指令。当弹飞的程序落到非程淨区(如EPROM中未使用的区域、程序中 的数据表格区等)时,第一个条件便不满足;当弹飞的程序落到一个已形成死循环的程序中, 第二个条件也不满足。对前一种情况采取的措施是设立软件陷阱,对后一种情况可采取“看 门狗”技术解决。

(8) 看门狗技术

看门狗技术的工作原理是,在系统主程序工作循环中,不断地向看门狗电路发送喂狗 信号,一旦程序工作异常,脱离了正常的工作循环,看门狗电路会因为失去喂狗信号,而 向主机发送一个复位脉冲信号,强迫单片机复位,从而使系统恢复正常若单片机系统的自 身定时器有空余,可以采用它作为“看门狗”电路。一旦系统因干扰而使程序弹飞或陷入 死循环,进人不了系统主程序,而发不出喂狗信号(重新设置定时器的初值),那么定时器 产生中断,强制系统恢复正常[451。另一种方法是配置专用看门狗电路。实验表明:看门狗 技术一般可以检出98%的故障。

(9) 程序的写保护

某些程序段,正常时只能读,不能写。可检査是否有向这些部分写入的动作。

(10) 智能化动态保护

针对一些人为误操作或恶意的破坏单片机TH常工作流程,如步进电机动态保护。


第四章智能坐便器系统的硬件设计与实现 4.1智能坐便器系统硬件设计槪述

硬件设计在整个智能坐便器控制系统占据至关重要位置,正确硬件设计是嵌入式系统 开发成功不可缺少的基础。整个系统硬件设计包括主机智能坐便器控制系统硬件设计和智 能坐便器的遥控器这两部分组成。主机控制系统采用ATMega64作为芯片,由于它不仅具 有强大高速的运算处理能力,而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件,这就大大简化 了控制电路的硬件设计。遥控器采用HT49R30作为主芯片,因为它具有低功耗、I/O使 用灵活、可编程分频器、计数器、振荡类型选择、暂停和唤醒、另有灵活的蜂鸣器输出以 LCD显示功能,该芯片集载波振荡、编码、发射于一体,具有很强的抗干扰能力,外 围屯路简单,使用方便等特点,专门为需要LCD显示功能的产品而设计。

整个智能叱便器系统分为七大模块,红外通信驱动(波形输入)、电机驱动、光耦隔离 驱动、声光驱动、三级管驱动、开关向量、其它驱动。遥控器分为三大模块,红外发射驱 动、LCD显示驱动、键盘输入驱动。智能坐便器控制系统硬件设计中关键难点是步进电机 的两种不同驱动模式设计,红外通信驱动硬件设计,抗干扰措施。































































4-1智能坐便器控制系统硬件主框架






4.2红外驱动电路设计


红外接收电路如图4-2所示。标有VccOutGND的那块是红外接收头。标有pC 矩形表示中片机。红外接收头的输出信号直接供给单片机。47#的电容与47Q的电阻组 RC滤波电路。接在VccOut之间的>10Kfi的上拉电阻,作用是确保Out输出波形的 完整性。

红外接收头跟ATMega6427引脚INT2)相连接,主要利用27引脚的一个外部中 断作用,实现对红外信号接收。采用一个内部定时器3的去检测接收脉冲的波长。

4.3电机驱动电路
4.3.1 PWM输出步进电机驱动电路设计

 

根据图4-3电路图,单片机向L297提供时钟信号、正反转信号、复位信号及使能控制 等信号。电路中,电阻R6, R7用来调节斩波器电路的参考电压,该电压将与通过管脚13, 14所反馈的电位的大小比较,来确定是否进行斩波控制,以达到控制电机绕组电流峰值、 保护步进电机的目的。

如图4-3上是翻盖和圈的电路设计,控制方式很简单,步进电机四个引脚插在JP6, ATmega64的引脚43 口PG2)是控制步进电机方向,盖向上翻,需要把PG2值为1,盖 向下翻,需要把PG2值为0。引脚28 (PD3)控制步进电机使能作用,开启电机时候,需 要把28 口值1,关闭电机,需要把28值为0。引脚16 (PB6)为由定时器1为芯片L297 提供时序PWM通过引脚29 口控制继电器是选择输出信号到COVER__STEP翻盖的少进 电机四个引脚,或是到CIRCLE_STEP翻圈的步进电机四个引脚。利用一个继电器节约了 电子材料,不用再设计一个L297L298的驱动电路去控制翻圈。

4.3.2控制波形输出步进电机驱动电路设计


44阀门分配器,往复等的步进电机驱动屯路

阀门分配器主要控制出水的情况,上面有许多大小不同的空,根据转动的不同的方向, 控制出水的大小的作用。往复是控制清洗管子前后移动。臀部清洗和女用清洗中都有使用 到往复这项功能。

如图44, 6, 7, 8, 9分别对应的ATmega64上面的四个引脚,根据四个引脚电平变 化快慢,控制电机转速,根据四个引脚电平的变化个数,控制电机的转角度。这里采用电 机是四相八拍的步进电机。电路上三级管采用2SD1768,启到电流放大作用。二极管D8 之类作用能够是起到回流保护电路作用。电路中R7作用保护三级管作用。

以上电路图往复电机驱动设计,阀门分配器驱动也是采用类似的设计,它使用 ATmega64上面的引脚对应的是2, 3, 4, 5这几个引脚。

4.3.3直流电机驱动电路设计


PUSH STEP

 

冲水功能,分为冲大水和冲小水的功能,是坐便器最基本主要功能。

直流电机控制方式相对与步进电机控制方式要简单的的多。单片机引脚10 (PBO) 责控制放水电机转动方向。引脚11 (PB1)负责控制放水电机的使能。电路上三级管采用 2SD1762,启到电流放大作用。二极管IN4007之类作用能够是起到回流保护电路作用。

4.4光耦隔离驱动

 

坐温利用铝箔器在來圈里,加热;水温利用电热符在水筘m对水进行加热;风温利用 电热丝在干燥风机中M而进行加热。这些加热要求220V电源,采用可控硅BTA12驱动, 在电路中使用光电隔离MOC3061。加热控制方式利用占空比的方式,例如4ms加热,然


6ms停止加热,这样不断循环加热,來控制温度。ATmega64的引脚36 (PC1)控制风 温,引脚37 (PC2)控制水温,引脚38 (PC3)控制坐温。

4.5声光驱动

蜂鸣器控制电路:

 

4-7蜂鸣器屯路图

如图4-7所示,单片机引脚33连接一个2.4k电阻,在串联到三级管9013的基极,在 三级管集电极连接一个LSI蜂鸣器,蜂鸣器另一端连接一个正5V的电源,通过ATMega64 引脚33 (PG0)对蜂鸣器进行控制。单片机把PG0置为1开启蜂鸣器,把PG0值为0关 闭蜂鸣器。控制方式最简单一种。

工作指示灯和故障指示灯的控制电路:

由于ATMega64的引脚有限,所以在工作指示灯和故障指示灯是共用PA0PA7, 间连接一个缓存器74HC574,当需要输出指示灯的时候,打开缓存器74HC574,读取PINA 口的值,然后对应的显示指示灯。缓存器打开只是需要在CLK部分产生一段上升沿跳变 去触发读取PINA 口的内容。工作指示灯的缓存器74HC574CLK的引脚迮接ATMega64 的引脚41 (PC6),故障指示灯的缓存器74HC574CLK的引脚连接ATMega64的引脚 40 (PC5)-

4.6三极管驱动

电磁阀、水泵、干燥风机和除臭风机的控制电路:


 




















如图4-8所示,控制电路主要是利用一个三级管放大控制信号,驱动设备的运行。三 级管集电极接一个二极管到电源,主要是防止器件上电压过高,起到保护作用。其中电磁 阀和水栗采用24V电源,干燥风机和除臭风机采用9V电源。它们采用三级管都是2S1762。 开启除臭风机功能,把引脚15 (PB5)设置为1,关闭除臭风机功能,把引脚15 (PB5) 设貿为0。电磁阀、水泵、干燥风机利用同样的方式进行控制。


4.7开关输入向量

开关输入电路重要包含一些传感器状态红外测距传感、霍尔传感器、数字温度感传 器、着座传感器的输入。





红外测距传感器的控制电路:


4-9上支点红外测距传感器电路图

红外测距传感器用于检测人是否进入有效区域,用于自动冲水和自动翻盖功能中。霾 尔传感器主要用于检测盖足否翻转到特定的位黃的功能。数字温度传感器主要是检测水加 热的时候,水温是否达到设定的温度。着座传感器用于检测人是否坐下的状态。如图4-9
所示,系统使用传感器一般分为三个口,一端接电源,一端接地,一端直接与ATMega64 的一个引脚直接相连接。

4.8其他输入

主机键盘设计:

由于ATMega64I/O资源非常有限,所以键盘输入是与其它设备共用单片机引脚PAO PA7的资源。主机的ATMEGA64芯片上,PAOPA7与芯片74HC245的芯片AOA7 相连,主机上按键连接到芯片74HC245的芯片的BOB7,芯片74HC245DIR 口连接 到主芯片ATMEGA64上的引脚42(PC7)。PC7输入低电压,把键盘按键输入值从芯片 74HC245 BOB7 口端值,传到 PAOPA7 口。

4.9遥控器发射

 

4-10中,R46fi, R3120Q, N2釆用9013。单片机上送红外信号的引脚采用 PFD 口。当遥控器的某个按键按下,其内部的信号发射器产生遥控编码脉冲,这些指令信 号由MCUPFD供能调制成38KHZ的信号,经调制后输出,最后山驱动电路驱动红外 发射器件(L2)串行输出红外遥控信号。图4-10中只显示一个红外发射头,实际设计是由两 个红外发射头并联组成,提高发射角度更宽广。

4.10遥控器键盘


'图4>11遥控器键盘屯路

键盘电路如图4-11所示。由于遥控器采用电池供电,所以节点是电路设计的一个重要 目标。我们所采用的芯片具有休眠模式,在休眠模式下,当芯片进入此模式,正常的工作 电流降到很低,所以功耗一会很低。但是休眠模式的唤醒需要中断。图4-11中的六个二极 管就是为此而设计的。六个二极管连接到芯片的一个具有中断功能的引脚。当按键按下时, 下降沿的来到会触发中断,从而唤醒芯片。

4.11遥控器显示

液品显示很简单,只是需要把液品的几个seg 口和com 口连接到ATMega64单片机对 应几个seg 口与com 口上面。

4.12硬件设计抗干扰措施

4.12.1电源隔离措施

单片机系统供电线路是干扰的主要来源,单片机工作电路的电源要采取独立的供电回 路、其电源变压器同其他大功率电路的电源变压器要分别使用W。在两电路的电气连接处, 可使用光电耦合器、光可控硅等器件加以隔离。我们设计中,铝箔加热器、电热丝和电热 管都分别使用到220V的电源,根据电源隔离措施,我们分别在这些电路中使用光电耦合 MOC3061光可控硅BTA12等器件进行隔离。

(1) 光电耦合器

设计与研究智能控制系统中,铝箔加热器、电热丝和电热管的控制电路中,我们使用


了光电隔离MOC3061,有利于提高系统抗干扰能力。

 

光电耦合器件具有以下特点:

1. 体积小,mm轻,使用方便,性能稳定;

2. 不受磁场影响,不需磁屏蔽,抗干扰能力强;

3. 无触点寿命长,响应速度快,可以传输髙达几MHz的脉冲信号;

4. 隔离电压等级高,输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上;

由于光电耦合器件具有上述一系列特点,目前己广泛应用于计算机测量控制系统中, 成为接口技术中十分重要的隔离器件。

(2) 可控硅

可控硅是一种有源开关元件,平时它保持在非导通状态,直到由一个较少的控制信号 对其触发或称“点火”使其导通,一旦被点火就算撤离触发信号它也保持导通状态,要使 其截止可在其阳极与阴极间加上反向电压或将流过可控硅二极管的电流减少到某一个值 以下。

可控硅使用时候,用了 RC抑制电路,减少可控硅产生干扰。RC电路是一个电阻与一 个电容串联。RC为电阻值与电容值之乘积,称为“时间常数”。电流变化快慢与RC之乘 积来决定,RC越大,衰减越慢,RC越小,则衰减越慢。根据RC这种特性,由于在铝箔 加热器、电热丝和电热管的控制电路中,使用可控硅BTA12驱动,我们使用RC抑制电路 并接在可控硅BTA12两端,减小可控硅噪声。

4.12.2红外信号抗干扰

(1) 红外信号接收部分抗干扰措施

红外接收处理的时候,由于红外接收采用一体化接收头,所以不需要解码、信号放大


等电路,红外线接收部分需要设计一个RC滤波电路对红外信号进行滤波处理。没有增加 RC滤波电路之前,红外信号经常接收不到,后来通过示波器观察红外线发射信号波形, 发现有许多毛刺,增加RC滤波电路之后,有效去掉毛刺的干扰,保证红外信号接收可靠 性。

为了进一步增加红外信号接收的可靠性,把原先一个红外接收头,改为两个红外接收 头,这样有利于培加接收范围,减少因人为或物体阻挡,而导致信号不能IF.常接收。

(2) 红外信号发射部分抗干扰措施

红外信号发射采用HT49R30单片机上的PFD 口进行发射,同时为了增加红外信号发 射强度和广度,把原先设计一个红外发射头,改为两个红外发射头,有利于减少人为或物 体对遥控器阻挡,或遥控器发射角度问题,造成信号不能及时接收。

4.12.3翻盖与圈的抗干扰措施

翻圈的定位器总共有三根线,翻圈的ADC的读取口与ATMega64的引脚61 (ADCO) 连接,与一个1K的电阻和一个电容串联,然后一根线连接电源5V,还有一根线接地。我 们采用查洵方式读取ADC单端通道,数字滤波。同理,翻盖的ADC的读取口与ATMega64 的引脚58 (ADC3)连接。增加定位器,应用到翻盖和圈的抗人为干扰的应用上。

翻盖和圈是由L297L298组成的步进电机驱动电路。由于该驱动电路功率较大,运 行时压降较高,从而拉低了单片机的电源电压。当电源电压低于单片机的复位电压时,单 片机就会复位。为了防止这种情况出现,在电源和地之间并连一个HMKVF的电容,在电 源电压被拉低时,电容里的电量会瞬间释放出来,以维持电源电压的稳定。

4.12.4芯片的选择

选择一块稳定性高,工作可靠的芯片做为系统的芯片,是有利于保证系统运行稳定性 1471。由于AVR单片机具有多种畨电休眠模式,且可宽电压运行5-2.7V),抗千扰能力强, 可降低一般8位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。选择ATMega64芯片,作 为系统主芯片,系统运行电压范围在4.55.5V,提高系统一个抗干扰能力。这款芯片内置 孬门狗功能,不用外部设计看门狗电路,看门狗技术也是提高系统稳定性一种重要保障手


4.12.5提高敏感器件抗干扰能力

提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件考虑尽量减小对干扰噪声的拾取,以及从 不正常状态尽快恢复的方法。常用措施:

(1) 布线时尽量减少回路面积,降低感应噪声;

(2) 布线时电源线与地线尽量粗。除减小压降外,更重要的是降低耦合噪声;

(3) 对单片机的闲背I/O,不能悬空,应接地或电源,其他1C的闲H  一样;ATMega64 嵌入式系统设计中,只有一个引脚是空闲,我们采用芯片引脚接电源。

(4) 满足要求的前提下,尽量降低单片机晶振和选用低速数字电路。

4.12.6空间隔离

单片机控制回路与其他大功率回路之间能够分开放置的,尽量不要放置在同一空间 中,如果二者必须在同,空间中的。要尽量加大二者的电气距离,尽可能减小空间的电 磁感应耦合和辐射耦合,或者将单片机控制电路放在由金属网或金属盒构成的屏蔽体内。 基于ATMega64嵌入式系统中涉及到增压功能,由于增压电机启动之后,遥控器信号接收 造成很大干扰,我们利用空间隔离的原则,把增压水泵放置在远离接收头位置,这样基本 不大干扰遥控器红外信号的接收。电路板设计上,大功率的驱动设计是远离主芯片,避免 大功率的部件对芯片造成干扰。

4.12.7其他抗干扰措施

(1) 交流端用电感电容滤波:去掉高频低频干扰脉冲。

(2) 变压器双隔离措施:变压器初级输入端串接电容,初、次级线圈间屏蔽层与初 级间电容中心接点接大地,次级外屏蔽层接印制板地,这是硬件抗干扰的关键手段。次级 加低通滤波器,吸收变压器产生的浪涌电压。

(3) 采用集成式直流稳压电源:有过流、过压、过热等保护作用。

(4) I/O 口采用光电、磁电、继电器隔离,同时去掉公共地。

(5) 通讯线用双绞线:排除平行互感。

(6) 防雳电用光纤隔离最为有效。

(7) A/D转换爪隔离放大器或采用现场转换减少误差。

(8) 外壳接大地:解决人身安全及防外界屯磁场干扰。

(9) ft位电压检测电路。防止复位不充分,CPU就工作,尤其有EEPROM的器件,


复位不充份会改变EEPROM的内容。

(10) 提高印制板工艺抗干扰。


 

第五章智能坐便器系统的软件设计与实现 5.1智能坐便器系统软件设计概述

主机智能控制系统采用C语言进行编写,主要为了提高系统可移植性、可维护性、可 扩展性,同时,AVR芯片下C语言开发环境与平台比较成熟,应用实例比较广泛,容易进 行程序编写。我们使用WinAVRGCC编译器ATMEL AVR Studio集成开发环境(IDE) 作为JTAG调试、仿真。

遥控器系统由于我们采用的芯片HT49R30C的支持并不是很好,所以我们采用汇编 语言编写。由于遥控器要实现的功能相对比较简单,所以采用汇编语言编写并不会降低系 统的稳定性。

智能坐便器控制系统包含以下功能

































































智能控制系统功能


5-1智能控制系统功能

智能控制系统软件采用模块化设计思想,主要包含主程序、状态采集程序、设备驱动 程序、红外通信程序、异常处理程序和自动老化程序。主程序按照一定优先级调用各个模 块进行合理协调工作。主程序流程如图5-2所示。MCU初始化完成顺序是丨/0、定时器、 A/D、中断设背等等,等待主机电源Power按键启用,启用后读取保存在EEPROM中的系

统设置,是否启动自动化老程序,红外信号采集,状态信息采集处理,设备控制程序,判 断关闭Power等。

)

 

5.2状态信号采集处理程序

采用一个定时器进行扫描,定时5ms采集系统信息,包括键盘输入信息、霍尔传感 器信息、红外测距传感器信息、着座传感器信息、红外接受信息等,根据采集信息按照一 定逻辑处理,设青控制设备的标志位。

5.3红外信号采集处理程序

5.3.1红外通信协议设计

红外发射原理是遥控器发射端表示“1”、“0”的卨低电平信号被调制在38kHz40kHz 或其它频率的高频信号上,然后通过红外线发射二极管向接收目标发射出去;接收端对高 频红外线信号放大、整形还原成代表编码“1”、“0”的高、低电平脉冲,通过单片机或逻 辑电路译码,驱动执行所需要的动作[48]

红外线遥控编码基本可分为以下三大类。


(1) 脉冲宽度调制编码

脉冲宽度调制编码楚用不同的脉冲长度表示编码“1”、“0”,通常为了省电,发射端 发射极短的一固定时间长度的红外线信号,用静默时间(不发射)的长短表示数字编码“1” 和 “0”。

(2) 脉冲相位调制编码

通过检测在采样时间中点处脉冲跳变沿来表示“1”、“0”的编码,如上升沿表示编码 “1”,则下降沿表示编码“0”;反之,如上升沿表示编码“0”,则下降沿表示编码“1”。

(3) 脉宽脉相混合调制编码

顾名思义,就是脉冲宽度调制编码和脉冲相位调制编码混合起来的一种编码脉冲宽度 调制编码1491

由于我们的遥控信号的发射端在遥控器上,所以省电是编码选择的一个重要参数。只 要我们在信号协议上加如足够的保证措施,脉冲宽度调制编码能够提供安全、可靠、稳定 的通讯效果。

下面是红外信号的具体编码和协议格式。

















我们用先0.5ms低电平后0.5ms高电平表示编码“0”,先0.5ms高电平后0.5ms低电 平表示编码“1”。每次信号的接收先从引导码开始。引导码由9ms的低电平和4.5ms的高 电平组成。在引导码之后是8位系统码,系统码是:01011010。在系统码之后是我们要传 输的32位数据。具体的编码与协议如图5-3所示。



5-3红外信号的编码与协议

遥控器每按一次按键,将传输上面所述的由引导码、系统码和数据所绀成的信号3遍。 引导码、系统码和每次三遍的传输为信号的iE确传输和接收提供了可靠的保证。

有了编码的格式和协议,我们就可以编写红外接收程序了。接收程序的核心是对编码 “1”和“0”的识别。“1”和“0”的组合有四种,分别是:“11”、“10”、“00”、“01”。这 些组合的波形如图54所示。

11


10


00


01

54 “11”、io”、“〇〇”、“or 的波形图

5.3.2红外接收具体软件实现

如图5-5所示,利用ATMega64引脚27第二功能外部屮断INT2和一个16位定时器 3,实现对40位红外信号接收功能。利用INT2对于脉冲边沿触发中断功能,然后启动定 时器3对触发脉冲的长度进行测量,按照一定算法判断信号的波形。根据需求制定了遥控 器和主控系统的通信协议,分为引导码、识别码码、状态码、控制码四个部分l5(y。下面 种自己设计对于红外信号接收算法:

(1) 下边沿触发情况下分为:

1. 接收到0.5 ms脉宽,信号设W1,定时器3时间设置为0.5ms

2. 接收到1 ms脉宽,信号不设置,定时器3时间设置为Oms

3. 接收到1.5 ms脉宽,信号设置为1,定时器3时间设置为0.5ms

(2) 上边沿触发情况下分为:

1. 接收到0.5 ms脉宽,信号设置为0,定时器3时间设置为0.5ms

2. 接收到lms脉宽,信号不设置,定时器3时间设置为Oms

3. 接收到1.5 ms脉宽,信号设置为0,定时器3时间设置为0.5ms

遥控器总共进行三次40位红外信息发送,只要有两次接收红外信息比对相同,确认 为接收信号正确,把信息反馈给主机,主机对信号进行相应逻辑判断,运行对应功能。

C

a

始)

f


开庙夕卜咅B中断2







>1、部中断边沿跳变?

 

5_5红外信号采集处理

5.4设备驱动控制程序

处理外围各个装貿的控制,主要包括两个单极性步进电机、两个双极性步进电机、一 个直流电机、干燥装置、电磁阀控制、除臭装置、工作指示灯、微光灯、红外传感器等。 翻盖和圈的控制方法,利用一个T/C1调制出PWM输出,作为控制步进电机的时序脉冲, 同时利用一个T/CO定时轮询法,在翻圈盖的过程中,每隔lms去采集一次精密电位器值, 实现翻圈盖的动态保护。清冼装置的控制分为女用清洗、臀部强力清洗、臀部柔和清洗; 清洗具有各种功能选择:按摩、往复、增压、淸洗位置档位调节、水势档位调节等。

5.4.1翻盖和圈电机控制

翻盖和圈是由于采用了 L297+L298的驱动电路,软件的控制就比较简单。当要转动电 机时,先设究好定时器(本系统用了定时器1)以产生合适的PWM波,然后再设置好连 L297enbcw/~cw引脚的I/O 口,以提供使能和方向信号。这样屯机就能正常运转 了。在马桶上支点和下支点分別装霍尔传感器,当盖向上翻转到指定位置,霍尔传器检测 到,通过单片机通过控制电机使能端口值为0,停止电机转动。若实现盖向下翻转,只要 单片机改变电机的方向端口,实现盖向下翻转。圈的控制也是同样道理。圈与盖之间的切


换通过继电器的切换来实现。 5.4.2阀门分配器和往复电机控制

根据上面阀门分配器电路图,单片机对应步进电机的是四个端口进行控制。根据步进 电机四项八拍的脉冲顺序,我们建立一张表MotorTB表中的数据如下: (^01,0\03,加02,0\06,0\04,0\0(:,0\08,0\09。少进电机控制程序循环顺序读取这张表的数据, 依次送到四个引脚。这样就完成了步进电机的控制。控制程序的电路图如图54所示。在 图中,我们假设电机要走的步数为600。

 

(^束)

54步进电机的控制流程图

5.4.3自动冲水电机控制

自动冲水功能,利用一个艰片机引脚10 (PB0)控制电机的方向,另外一个单片机引 ll(PBl)拉制电机的开关。通过电机正转实现冲大水,电机反转实现冲小水。例如实现 冲大水功能,电机正转一秒钟,循环等待电机转到零位位置,到零位关闭电机。

5.4.3风温、座温、水温控制





控制风温的电热丝,控制坐温的铝箔加热器,控制水温的电热管,这三个器件都是用 于加热的。单片机的引脚送出高电平,电热丝开始加热;单片机的引脚送出低电平,电热 丝停止加热。通过控制高电平时间和低电平时间的比例,我们就可以控制电热丝的温度了。 占空比是在定时器1的溢出中断处理函数里实现的。定时器溢出中断中,若以10次中断 为一个周期,4次中启开加热,6次停止加热。则我们占空比就是4/10。下面程序流程图, 定时器中断中加热占空比4/10流程。


5.5主机各模块间处理

模块化是解决一个复杂问题时自顶向下逐层把软件系统划分成若干模块的过程。每个 模块完成一个特定的子功能,所有的模块按某种方法组装起来,成为一个整体,完成整个 系统所要求的功能。前面已经按照智能坐便器系统功能需求分为:除臭功能、、干燥功能、 翻盖圈功能等功能模块。由于智能坐便器整个系统控制设备众多,功能与功能之间调用都 是相互关联,并不是完全独立,如何合理组合模块,协调好多种外围设备工作顺序是一个 关键所在。

(1) 软件设计模块化

1) 采集信息

利川状态信号采集处理程序,把所有传感器获得信息与外_状态设置为对应的系统变
量。例如,坐盖下止点霍尔传感器信息标志为Cover_Down_Hall当坐盖下止点稹尔传感 器检测到盖转到下止点位置,设置CVer_Down_Hall1,若没有检测到,设背为 Cover_Down_Hall0。通过5ms定时器中轮训更新各种设备的标志位。

2) 逻辑处理

逻辑处理是关键,根据系统设计需求和系统标志即系统状态信息进行逻辑判断,调用 对应的模块程序。下面列举四个模块逻辑处理情况。

1、 干燥功能

启动情况:

a) 着坐传感器检测到人坐下,按下主机干燥按钮或遥控器中干燥按钮

停止情况:

a) STOP强行结束

b) 着座传感器检测到人离开

c) 干燥运行情况下,按下女用按钮

d) 干燥运行情况下,按下臀部按钮

e) 电源按钮按下切断电源

f) 以上情况未发生,90秒后

2、 翻盖和圈功能

手动翻转条件(动作过程中,所有翻转命令无效):

着坐传感器没有检测到人前提:

a) 按一下翻盖,只向上翻盖;

b) 按一下关盖和圈,向下翻盖和圈;

c) 按一下翻盖和圈,同时向上翻盖和圈;(盖向上翻到位后,然后圈向上翻)

自动向上翻M条件:

a)自动翻盖开启的条件下,红外传感检测到人6秒以后,同时着坐传感器没有检测 到人坐下,进行自动向上翻盖。

自动向下翻盖和圈(圈向下翻到位后,然后盖向下翻):

a) 自动翻盖开启的条件下,红外传感器检测到人6秒以后,随后红外传感器检测到 人离开60秒后

b) 自动翻盖开启的条件下,红外传感器检测到人6秒以后,并且着坐传感器检测到 人坐下,随后若坐传感器检测不到人坐下,60秒后


冲大水:电机顺时针转动(从电机输出轴看)

条件:

а) 自动冲水幵关幵启,着坐传感器检测到人坐下6秒以后,随后检测到人离开,立 即充大水。

3) 模块调用

调用相关部件的模块函数。例如开启除错装置,调用Dedorize(imsignedcharOn_Off) 函数,On__Off传递1是开启除臭,On_Off传递0是关闭除错。

(2) 软件程序组织结构模块化

1) 每一个C源文件都要建立一个与之名字一样的H文件,里面仅仅包括该C文件的 函数的声明,其他的什么也。不会有,比如变量的定义等等不应该有。

2) 建立一个所有的文件都要共同使用的头文件,里面当然就是单片机的管脚使用 的定义,还有里面放那些需要的AVR系统的头文件,比如#include <avr/io.h>,#include <util/delay.h>,#include<avr/intermpt.h>等等,把这个文件命名为 main.h

3) 每个C源文件应该包含自己的头文件以及那个共同的使用的头文件,里面还放 自己本文件内部使用的全局变量或者以extern定义的全局变量。

4) 主文件main.c里而包含所有的头文件包括那个共同使用的文件,main.c里面的函 数可以再做一个头文件,也可以直接放在文件的开头部分声明就可以了,里面一般还有中 断服务程序也放在mainx里而。

5) 对于那些贯穿整个工程的变量,可以放在那个共同的使用的头文件里面,也可 以用extern关键字在某个C源文件里面定义,哪个文件要使用就重复定义一下。

б) 建立工程的时候,只要把C源文件加到工程中,把H文件直接放到相应的目录 下面就可以了,不需要加到工程里面。

(3) 模块化优缺点

模块化优点:

1) 信息进行封装与隐藏,例如操作除错装置,只是需要调用函数调用 Deodorize(unsigned char On_Off)函数,隐藏函数具体操作内容

2) 设计具有较好扩展性和灵活性。例如设计蜂鸣器的函数设计成为 speaker(unsigned int time),根批输入参数时间,來设定蜂鸣器鸣叫的时间,时间可以动态 变化,具有很好灵活性。

3) 对于后期维护扩展,只需修改逻辑层,不用操作具体硬件端口,便于扩展功能。

4) 一个新项目只需把要用到的文件加入工程,简单修改调试就出来了。

5) 随着模块的不断积累,新的项目将越来越容易完成,后期的维护扩展也变得非 常简单了。

6) 对于C语言编程,只需简单修改物理层就可完成不同单片机间的移植。

模块化缺点:

1) 不那么直接对于硬件操作,对于硬件一些细节操作不够灵活。避免这个问题, 考虑到一部分硬件细节操作比较复杂,调用次数不多的流程,采用直接对硬件端口进行操 作。

2) 不了解模块内部实现具体原理。避免这个缺点,针对每个函数功能模块进行详 细注释,便于使用者每个功能模块调用。

5.6遥控器软件设计





遥控器软件设计采用模块化设计思想进行设计。模块设计是指一个复杂的应用程序可 以划分成若干功能相对立、界限明确的较小程序模块,各个模块单独设计、编程、调试和 排错,然后装配起來联调,最终成为一个功能完整的实用程序[511。模块化程序设计的优点 是:功能单一明确的程序模块的设计和调试简单,一个模块可以为多个程序所共享,可以 尽量利用现有的程序模块。如图5-8遥控器按结构分为红外发射模块、键盘模块、显示模 块。


5.6.1遥控器发射

遥控器发射是利用HT49R30里的PFD 口功能简化了红外发射程序的设计PFD 口的 功能和控制描述如下。PFD输出与输入/输出引脚PA3共用。PFD功能通过掩膜选项来选 择。定时/计数器的溢出信号是PFD电路的时钟源。定时器由内部系统时钟驱动,向预筲 寄存器内写值可以控制它的初始值。定时器从预背寄存器内的值开始卩0上计数,直到溢出, 并由此产生溢出信号而导致PFD改变输出状态。接下来定时器会自动重新载入预背寄存器 内的值并继续计数。PFD的频率是定时/计数器溢出信号频率的一半。只有PA3被清“0”,















































PH)的输出才有效。这个输出数据位相当于PFD输出的开/关控制位。如果PA3输出数据 位被设为“1”,则PFD输出逻辑低。程序流程图如图5-9所示。


5.6.2遥控器液晶显示

对大多数包含LCD的设计应用而言,与较昂贵的以字符为基础的显示方式相比,用户 自定义的显示方式能有效地降低成本[5'但因为需要有可变增益和时间的对应信号来驱动 此类自定义显示器,因此为了适当的操作此类LCD需要有特殊的考虑。盛群公司的LCD 系列单片机有内部LCD信号产生电路及多种掩膜选项,可以自动地产生时间与增益可变 的信号直接驱动LCD,与用户LCD的接口连接也相当容易。


5-10液晶系统显示内容

遥控器采用点阵式LCD显示,把表格5-1看做一个坐标,com代表是y轴,seg代表 x轴,液晶每一个图标对应坐标轴上一个点。如表5-1所示,要显示S这个图标,MP1 值为40,然后IAR1.0置为1,就可以显示S这个图标。不显示S图标,只是需要把IAR1.0 置为0。同理,要显示S10这个图标,MP1值覚为42,把IAR1.1背为1。

表格5-1液晶点阵表

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


动态液晶效果实现,利用RTC设靑中断,中断服务程序中进行逻辑判断,例如启动女

-69 -


用往复功能时候,需要水势P01P05显示出不断增减过程,通过中断时间设置为0.25s, 每过0.25s时间,就改变水势的状态,达到水势从P01P05显示不断滚动效果。同时, 当时间进入90秒时候,设置女用清洗动作结束标志,结束女用清洗和往复功能。水势回 到设定的档位。若关闭往复同理,按摩动态显示,采用类似的办法解决。

5.6.3遥控器键盘

 

程序开始,进行系统变量的初始化,然后,检测键盘端口是否有信息触发按键,假如 有按键事件触发,延时nms,主要目的是消抖的处理,然后重新判断键盘端口是否有按下, 若还是有相同键按下,进行逻辑判断,处理相应的琪件,最后检测按键是否释放,若没有 释放就一直等待,直到按键释放为止,才重新丌始检测键盘是否有按下。

5.7智能坐便器系统抗干扰软件设计 5.7.1看门狗设置


 


5-12看门狗

看门狗的作用,当程序跑飞的情况的发生时,进行软件复位操作。ATMega64芯片有 一个看门狗定时器,由独立的IMhz片内振荡器驱动,通过设置看门狗定预分频器调节看 门狗的复位的时间间隔。软件设计中,保证程序每隔一定时间(此时间小于WDT溢出时 间)输出一个清OWDT (俗称“喂狗”)信号,防止WDT溢出1531

程序正常运行情况下,不停定时“喂狗”,WDT永远不会溢出,不会产生输出信号, 只有当系统出现故障,例如死循环或跑飞,不能及时“喂狗”,WDT复位系统,自动将“死 ”的系统给“救活”。

(1) 主机看门狗设賈

主机在启动之后设置看门狗,在5ms的定时器中断中设置喂狗事件。当主机因为外部 事件的干扰,导致程序跑飞,而让主程序跑飞,看门狗得不到及时喂狗,就会自动重启控 制系统,让控制系统出于刚开机状态。若没有看门狗,主程序跑t之后,坐便器可能会出 现误动作,造成人员受伤,器件的损坏。

(2) 遥控器看门狗设置

遥控器在设置掩胶的方式,里面选择启动看门狗,然后在RTC中断进行喂狗处理。若 受到外部事情的干扰,导致遥控器出现死机或不正常现象,看门狗就会让遥控器自动复位, 恢复到刚上电池的状态。

5.7.2键盘软件抗干扰

由于按键的操作都是通过机械的触点实现,存在着抖动现象,影响按键操作,因此键 盘电路都需要有消抖动的措施,消抖动方法有硬件消抖动和软件消抖动两种办法。硬件消 抖动增加硬件成本,我们采用软件消抖动方法。基本思想,利用检测到按键按下时候,过 一段很短时间例如12ms然后再去检测按键是杏依然处于按下状态,若检测到键盘依然按 下,表示本次按键足有效,若没有检测到,放弃本次按键的事件处理。在遥控器和主机上 按键都采用类似处理。


5.7.3红外信号抗干扰

(1) 红外信号发送抗干扰

红外信号发送抗干扰主要手段是编码采用类似于差分曼彻斯规则,信号1用先0.5ms 高电平,然后一个0.5ms低电平,信号0JH好相反。这样好处,无论信号1或0 ,中间都 存在信号跳变,利于外部中断对信号检测,避免误差累积的情况出现。若简单把信号1作 为高电平,信号0作为低电平,若出现信号中包含连续几个信号1出现时候,由于中间 误差累积,导致多出一个信号或少掉一个信号可能性。信号发送一次可能会又丢失可能性, 提高抗干扰能力,遥控器会连续发送三次信号,保证信号发送可靠性。信息包含客户码, 主要是区别不同的机器作用,防止别的遥控器信号对本系统的干扰。发送信息中包含一位 奇偶校验码,有效判断本次发送是否包含错误可能性。发送信息中包含一位包序列号,用 于分组作用。

(2) 红外信号接收抗干扰

红外信号接收范围内,由于红外线经过空气传播会一些损耗或干扰,最后红外接收头 接收到信号波长不是百分之百精确,所以对于每一个信号的脉冲宽度,增加一定接收范围, 例如接收一个范丨1彳为0.5ms,设定的接收范围为0.4nif0.6ms都是有效信号,同时又不能 把信号范围调整过大,界易导致对接收信号一种不错判断。

5.7.4翻盖和圈抗干扰

根据正常翻转情况下,人为去阻挡电机的翻转过程,加速或阻止盖的翻转,很可能导 致步进电机的破坏。需要采取保护措施。翻转过程中加入定位器。匀速翻转盖的过程中, 读取定位器的值是一个种均匀增加过程,但是人为干扰正常翻转,就可能导致定位器读取 的值出现变化不稳定的情况,根据这种原理,对翻盖和圈进行动态保护。研究主要难点是, 翻盖的开始阶段,由于翻盖启动开始,出现一种自然抖动过程,容舄导致引起系统不错误 的判断。通过大景翻盖丈验,统计定位器的值,设置一个合理范围的值,实现对步进电机 的动态保护。


5-13翻盖动态保护

程序开始,判断翻盖是否己经启动,若翻盖启动成功,每隔lms,就去读取定位器的 值,判断翻盖是否已经超过启动初期一段时间,若超过这段时间,进入动态保护判断,若 查洵出来定位器的值得变化超过正常值,程序进入动态保护,关闭歩进电机运行,起到保 护步进电机作用。动态保护有三次机会,若连续三次干扰翻盖动作之后,系统发出声光报 聱,提示用户,并停止其它动作。

5.7.5系统容错设计

对于软件错误所引起的后果特别严重的情况,需采用容错软件,其途径有:

(1) 加强软件的健壮性:使程序设计能够缓解错误的影响,不致造成诸如死锁或崩 溃这样的严重后果,并能指出错误源l54L软件内部健壮性,对于整个系统抗干扰性提商也 是相当蜇要作用。由于ATMega64芯片连接外围设备,可能会因为一些人为或自然老化原 因导致出现故障,软件设计时候需要考虑这些情况干扰,提供相应的灯光和声音,进行报 错处理。

1) 过热异常:当磁敏温度开关检测达到过热动作时(>=47° C),切断主电源继电器和 电磁阀,H时声光报鳘蜂鸣器声音和数码管显示异常代码)。

2) 水位传感器在10分钟检测水位仍未满时,出现异常,切断主电源继电器和电磁阀,


同时声光报聱蜂鸣器声音和数码管显示异常代码)。

3) 程序对EEPROM读写出现异常,进行复位处理。

4) 翻盖和圈出现问题,关闭盖和圈的步进电机,同时声光报警

5) 自动化老程序出现问题,进行声光报鳘

6) 其它情况下,可能出现错误,例如红外信号接收异常,出现逻辑不符合现象,都 需要软件设计时候重复考虑到,并进行相应处理。

(2) 恢复块法.•给需要做容错处理的块提供备分块,并附加错误检测和恢复措施。 基于ATMega64嵌入系统中,主要是针对看门狗恢复之后,根据嵌入设賈一些标志,进行 相应复位,使程序运行具有连续性,使用户感受不到程序被重新复位。 5.7.6老化程序设计

1) 关闭原先所有功能

2) 自动向上翻盖(若原來盖己翻起则先翻下

3) 喷头3秒清洗

4) 臀部强力淸洗,调节清洗位置与水势到档位3,随后执行往复清洗30秒,执行增 压功能15秒,再执行按摩功能15秒。

5) 停止臀部强力淸洗,随后喷头清洗3秒

6) 由停止到女用淸洗,随后执行往复清洗30秒

7) 停止清洗装罝

8) 千燥30秒

9)

9) 关闭除臭

10) 自动放大水

11) 先向下翻圈,后向下翻盖

按照1->12先后次序循环往复动作。执行自动老化程序时,坐温和水温要在加热状态, 水温加热到设定档位温度40度)后停止加热,坐温加热到设定温度37度)后停止加 热。自动老化程序目标是更好检测出系统在K期运行情况下,可能出现一些问题,是提髙 系统抗千扰能力-种重要手段,及时发现设计中不足之处,及时改进软件或硬件设计。


5.7.7遥控器抗干扰设计

遥控器是采用汇编语言进行编写,相对与C语言,要低级很多,很多东西都需要进行 自己来控制。程序在中断处理的时候,应该在中断向量的位置放冒一条中断返回指令RETI (对于中断向量占据2字节空间的处理器,应该连续放貿两条RETI指令),这样做目的是 在正式系统应用中,可以提高系统抗干扰能力。主机程序用C语言开发,程序调用中断函 数时候,编译环境自动处理这个问题,不需要自己手动处理。

遥控器采用软件陷阱方式,作为抗干扰措施。所谓软件陷阱,就是一条引导指令,强 行将乱飞的程序引向个指定的地址,在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序155] 如果我们把这段程序的入口标号称为ERR的话,软件陷阱即为一条UMP ERR指令。为 加强其捕捉效果,一般还在它前面加2条NOP指令。例如NOP, NOP, UMPERR 种形式。然后程序运行到每一功能段都设背一个旗标,通过这个值來判断程序是从哪単.跑 飞的,再做相应的恢复处理。

5.7.8结构化程序设计

基于ATMega64嵌入式智能坐便器系统,采用结构化程序设计方式,把程序要求分成 若干独立的、更小的程序要求或模块化的功能要求。例如,按照系统的功能,分为清洗模 块、盖圈模块、臀部淸洗模块等。然后继续把程序的分为更加细小模块,如延时模块、阀 门分配器模块、往复电机模块、蜂鸣器模块。每个模块都注明如何与程序的其他部分接口, 还必须指出所有的输入与输出,作者,函数书写日期,以及测试要求。

5.7.9 EEPROM 读写

采用EEPROM的主要作用是保存用户设定的内容,在断电之后,重新启动,能够按 照用户的设定而继续运行程序。我们对EEPROM读写,为了避免干扰,前而的10个字节 都空余。EEPROM读写采用三次数据读写方式,只要EEPROM的数据包中,有两次数据 包是相同,就代表EEPROM的读写成功,尽量提高抗干扰能力。


 

第六章智能坐便器系统调试与运行分析

6.1系统软、硬件调试

对于智能坐便器的调试我们采用从局部到整体的方式,先是把每个功能模块单独调试 通,然后再把模块都集成起来,作为一个整体的调试。以下简要论述在调试过程中遇到的 一些有价值的问题即解决办法。

(1)软件运行环境AVR Studio 4


























完全免费的ATMELAVR单片机的集成环境汇编级开发调试软件ATMELAVR Studio 集成开发环境(IDE),包括了 AVR Assembler编译器AVR Studio调试功能AVR Prog 行、并行下载功能和JTAG ICE仿真等功能。运行环境如图6-1所示。


AVR Studio 4集成环境

(2)翻盖圈的调试

对于盖圈运动过程中的动态保护,调试过程中发现由于其装置齿轮之间的间隙过大及 传感器安装位贾的原因,在达到保护的时间内盖圈的齿轮组己经发生跳齿现象,无法实现 动态保护效果。通过减少装冒齿轮组的配合间隙,将传感器安装位贾rt丨原先的电机转轴处
调整到圈盖转轴处,同时对ATmega64ADC相关引脚加入LCRC滤波电路,对读入 的模拟数据进行数字滤波等处理,提高数值转换精度。通过该方法能够达到在盖圈运动过 程中,遇到拉、推盖圈时,电机自动转入停止运行状态,实现了对盖_运动的动态保护。

(3) 清洗装置调试

在涉及电磁阀、水泵和管路分配器的控制中,必须注意各自打开的顺序,否则可能装 置无法正常工作。管路分配器转到位后打开电磁阀,防止水压过大,管路分配电机力矩不 够而失步;电磁阀打开后延迟几秒后启动水泵,防止水泵吸力过大而导致阀心不动作。

(4) 温度传感器

系统中多处用到对时序要求较高的DS18B20传感器、精确的时间定时等,需将编译器 的优化级别设为-Os,提高定时精度,同时优化代码大小。但必须注意有些全局变董需要使 volatile声明,程序结构的书写也需特别注意,防止某些语句在优化过程中丢失。对于 DS18B20传感器的操作过程中,特别要注意初始化的时序关系,如图6-2所示。

 

6-2 DS18B20初始化时序

(5) 遥控器的调试

遥控器软件设计中,新烧录遥控器运行功能都IH常,但是遥控器多次按键以后出现假 死机的情况,我先是检测一边硬件的设备,发现一切都正常,然后通过仿真器上多次凋试, 弹出一个错误提示“帧堆栈检测溢出”的窗体。査看HT49R30的帮助文档,发现函数嵌 套层次不能多于3层,不然出现堆栈溢出。由于我把很多小功能封装,最后导致阐数嵌套 层次太多而出现死机。还有一次出现假死机情况,我通过在仿真器中设背断点,进行调试 运行,遥控器电源标志位突然出现零,在没有按下遥控器电源键的情况下。査找多方面的 资料,发现由于进中断时候涉及到电源键的变量,进入中断时候需要把主程序变贵进行保 护,不然,可能出现主程序屮变量莫名被改变现象。

6.2系统运行分析

本项目经过理论研究、硬件设计、软件编程和系统调试,完成了智能少便器嵌入式系


 


 

 


 

系统上电以后,通过遥控器开启主机或通过主机上按键开启主机。由于自动翻起盖。 开机之后,默认自动翻盖圈功能是开启状态。人走近时,装载坐便器上面的红外测距传感 器检测到人,上面蓝色微光灯自动点亮,连续检测到人6秒,动翻起盖。满足自动翻盖 功能。

盖翻起后,我们把一块湿布放在座圈上代荇人坐上去),着坐传感器检测到人坐下, 喷头里面就有水流出,大概有3秒左右。满足喷头3秒前清洗功能。

在次按遥控器上的“翻圈”按键,坐便器“滴”一声,没其他动作。这不是表示红外 信息丢失了。“滴”的一声表示红外信号正确接收。圈没有翻起是因为着传感器还检测到 人在坐着是不允许翻圈命令的。所以这是系统IH常运行的表现。

我们再按一下“臀部清洗”按键,坐便器“滴”的一声之后,听到电机转动的声音, 不一会就有水从臀部淸洗喷头喷出。再用遥控器调节水势,喷出的水就会随养遥控器水势 档位变化而变化。可以通过遥控器调节喷管位置,喷管位置随着遥控器显示清冼位置改变 而改变,过了 90秒,喷头停止出水,喷管自动缩回去。臀部清洗的时间到了,系统自动 停止臀部清洗动作。我们可以在淸洗过程中用遥控器或主机上的STOP按键强行停止臀部 清洗。去掉坐圈上面的湿布。喷头再次出水3秒钟,这是后3秒喷头淸洗。再过了大约5 秒钟,从水箱里传来了较大的水声,那是智能坐便器在自动冲水。然后人离开红外测距传 感器的检测范围。等待约60秒,原來翻着的盖自动盖上了。这是自动关盖功能,也可以 通过遥控器实现手动关盖圈的动作。

按下关闭遥控器电源键,可以同时关闭主机,再次按主机其他按键除了电源键,无任 何反应。再次按下遥控器上电源键或主机上电源键,重新开启主机。

智能坐便器系统其它功能运行一切正常,最后,在生产方负责下,智能坐便器经过两 个月的自动老化程序检测,仍然能够平稳运行,实践说明智能坐便器具有较高的稳定性和 可靠性,能够满足生产方的需求。


结论与展望

通过本文的研究和分析得出,基于ATMega64单片机智能坐便器控制系统设计方案是 可行,同时,提出如何提高智能坐便器稳定性,提高抗干扰性一些措施。本课题选用 ATmega64作为整个嵌入式系统的核心控制器,充分利用了其强大高速的运算处理能力以 及其片内集成的丰富的外围部件驱动能力,通过硬、软件较好的协同设计,实现了系统各 个控制电路和软件的设计,针对在智能坐便器的硬件与软件上提出一些抗干扰措施,致力 于让设计智能坐便器具有更好稳定性与安全性。经过两个多月自动老化程序检测,发现智 能坐便器能够稳定的运行,未出现异常情况。事实说明智能坐便器控制系统具有较高的稳 定性和可靠性。

本论文研究中完成的主要工作有:

(1) 研究了嵌入式系统的设计;

(2) 研究了电机的系统结构、控制规律和运行特性;

(3) 由于在智能來便器系统中采用了众多的传感器,所以对传感器的应用做了一定的研 究;

(4) 研究智能來便器控制抗干扰技术,目的是提高坐便器控制系统稳定性;

(5) 设计了众多外_设备智能坐便器控制系统硬件驱动和软件驱动;

(6) 设计的智能坐便器嵌入式系统功能完善,采用了多个高端传感器,机电一体化等先 进技术;

(7) 把设计的软硬件系统安装到智能坐便器实物当中,并进行了调试。论述了软、硬件 调试中的一些问题及解决方案。最后运行证明了本文设计的控制系统性能符合设计要求, 运行效果良好。

本系统与M内外现杳的其他智能坐便器系统相比具有一下几个特点:

1. 相对于目前国内多种智能坐便器,我们设计坐便器控制系统是功能最齐全,基本上 集合大部分智能功能。0前W内的如便洁宝公司生产的智能座便器采用的是直流电机,国 外如H木的TOTOINAX等公司奋采用涡轮蜗杆减速机的,而本系统采用的是少进电机。 在克服了步进电机噪声大的问题后,采用/少进电机可以克服使用苴流电机时干扰大、惯性 大的缺点。当然,步进电机在噪声、机械死角等性能方面是没法跟涡轮蜗杆相比的。但是


目前国内的生产工艺还没有足够的实力能生产涡轮蜗杆,而且涡轮蜗杆的成本要比少进电 机高很多。综合各方面的因素,我们采用步进电机作为翻盖和圈的电机具有较高的性价比。 翻盖和圈的过程中,加入动态保护措施,这是国产产品中较为有特色亮点。

2. 遥控器LCD显示方面,本系统采用了带有LCD显示驱动的芯片作为控制芯片,避 免了额外的LCD驱动电路的设计,而且简化了 LCD的显示控制,增加了系统的稳定性。

3. 智能坐便器特色功能

智能坐便器通过遥控器直接控制坐便器的启动与关机。智能坐便器遥控器可以在10 分钟之内无人操作,自动进入待机状态,目的是节约电池。智能坐便器中设计自动老化检 测程序,一方面是检测智能坐便器长时间运行稳定性,及早发现坐便器存在问题,另一方 面用于展示智能坐便器功能给用户观看。

下一阶段工作任务可以在以下几方面进行研究:

1. 智能坐便器通过插入U盘,直接进行歌曲播放功能。

2. 智能坐便器可以称人体的体重,测量尿液的PH值等功能。




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