专业课程设计说明指导书自动擦鞋机的设计.doc

专业课程设计说明指导书自动擦鞋机的设计

哈尔滨理工大学课程设计说明书
XX大学XX学院课程设计任务书

姓
名

学
号

班
级
机电13-
专
业
机械电子工程
设计题目

设计内容：【把题目的具体任务要求书写在此】

1、根据设计要求，确定系统总体方案；
2、结构设计：
（1）根据确定的总体方案，计算各部件的结构参数及电气参数；
（2）画出系统的结构图或硬件电路图、接线图。
3、程序设计：
（1）根据系统功能要求，设计系统的软件流程，画出总体流程图；
（2）画出各功能模块的流程图，编写各功能模块程序。
4、撰写课程设计论文（字数不少于3500字。）

任务分配：
总体方案、控制电路、软件编程：XXX
机械结构：XXX
编写说明书：XXX
设计时间：2016年12月12日至12月23日
主要参考文献、资料：

目录
第1章 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.2 设计的主要任务 1
第2章 总体方案设计 2
2.1 设计原理 2
2.2 方案设计 2
2.2.1 结构方案设计 2
2.2.2 控制系统方案设计 2
第3章 结构设计 4
3.1 XXXXX 4
3.2 XXXXX 4
3.2.1 XXXXX 4
3.2.2 XXXXX 4
第4章 控制系统设计 6
4.1 控制原理设计 6
4.2 硬件部分设计 6
4.3 软件部分设计 6
第5章 软硬件调试 7
5.1 硬件调试 7
5.1.1 电源电路的调试 7
5.1.2 红外发射与接收电路的调试 7
5.1.3 控制电路的调试 8
5.1.4 电机驱动电路的调试 9
5.2 软硬件联调 10
5.3 指标调试及结果 11
课程设计心得 12
参考文献 13
附录1 15
附录2 16
附录3 17

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第1章 绪论
1.1 设计背景
随着信息技术的普及和发展，尤其是跨入2000年后，红外技术得到了迅猛发展。红外探测/控制技术已渗透到国民经济的各行各业和人们日常生活的方方面面，在工业自动化、生产过程控制、信息采集和处理、通信、红外制导、激光武器、电子对抗、红外育种、红外加热、材料加工和处理、安全防范、家用电器控制及日常生活（如自动擦鞋机、节水节能控制、红外医疗与美容、智能玩具、空调等）各个方面都得到了广泛的应用。单片微型计算机又称嵌入式微控制器，是20世纪70年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件。它在一块芯片内集成了计算机的各种功能部件，构成一种单片式的微型计算机。20世纪80年代以来，国际上单片机的发展很快，世界上著名的半导体厂商都有它的单片机系列产品，单片机的应用不断深入到国民经济各个领域，处处可以看到电脑型的电子产品。单片机的应用技术是一项新型的软硬件工程技术，其内涵随着单片机的发展而发展。
在现实生活中，擦鞋是每家每户生活中必不可少的一部分，但擦鞋又是一件比较烦琐的事情。每当出门时看见鞋子上有很多灰尘，比较脏，如果只是稍微擦一下又擦不干净，跟没擦差不多，但如果仔仔细细的擦一下的话又很费时间，而且还容易弄脏自己的手和衣物。如何让擦鞋变得既省时又省力呢？基于单片机的自动擦鞋机就能为我们解决这个问题。本擦鞋机是采用红外线发射、接收、集成电路控制的新一代电器产品，设计合理、操作简便。伸脚既开，抽脚延时15秒关闭，全自动工作。您要做的就是把脚伸进擦鞋机，其他的事情全部由它来完成。适合企事业单位办公室、家庭等小型服务场所。
1.2 设计的主要任务
本设计应用单片机设计一个自动擦鞋机。基于单片机的自动擦鞋机的硬件构成包括变压器、稳压集成模块7805、红外发射与接收管、AT89C2051芯片、L293D芯片等组成的电源电路、红外发射与接收电路、单片机系统控制电路、电机驱动电路和显示电路。单片机系统控制电路用来控制整个系统的正常运行，是整个系统的核心。该系统主要通过红外发射与接收电路检测信号，运用单片机的运算和处理能力来实现擦鞋机的转动，并通过显示电路显示其工作状态。

第2章 总体方案设计
2.1 设计原理
该自动擦鞋机的设计是由单片机系统控制电路、电源电路、红外发射与接收电路、电机驱动电路、显示电路和外壳组成。
本设计的结构实物图如图2-1所示。

图2-1 实物图
2.2 方案设计
2.2.1 结构方案设计
基于单片机的自动擦鞋机主要由输入、控制系统和输出三部分组成。输入部分主要包括电源电路和红外发射与接收电路；控制系统部分主要有单片机和外围电路（上电自动复位电路、时钟电路、显示电路）组成，该部分是整个系统电路的核心；输出部分由驱动电路组成。基于单片机的自动擦鞋机主要通过红外发射与接收电路检测信号，运用单片机的运算和处理能力来实现擦鞋机的转动，并通过显示电路显示其工作状态。该系统电路的一般框图如图2-2所示。

图2-2 一般框图
2.2.2 控制系统方案设计
方案一：采用各类数字电路来组成擦鞋机的控制系统，对外围红外信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于擦鞋机智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。
方案二：采用AT89C2051单片机来作为整机的控制单元。红外线探头采用市面上通用的发射管以及接收管组成简易的遮挡式红外发射与接收电路，将感应到的红外信号通过三极管的工作状态转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。
第3章 结构设计
3.1 XXXXX
低压线性稳压电路基本上由四部分组成。

3.2 XXXXX
3.2.1 XXXXX
电源电路原理图如图3-1所示。

图3-1 电源电路原理图
一般的变压器具有一个初级绕组、一个或多个次级绕组，线圈绕在铁心上。给初级绕组加上交流电，由于电磁感应的原理，在次级绕组上则有电压输出。
为了得到平滑的负载电压，一般取τd如式(3-1)所示
(3-1)
式中 T为电源交流电压的周期。
在整流电路的内阻不太大（几欧）和放电时间满足上式的关系时，电容滤波电路的负载电压VL与V2的关系如式(3-1)所示，约为
VL =（1.1~1.2）V2 (3-2)
总之，电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，故适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。
3.2.2 XXXXX
红外技术是现代物理和电子学的一部分，它包括电磁波红外波段内的辐射、传播和波形记录及其在科学、技术、国民经济和军事中的实际应用。红外技术是现代无线电电子学和物理学中的重要方向之一，它对于促进国民经济各部门采用先进技术以及加强基础科学和应用科学的研究都有极其重要的作用。今天，红外技术正被广泛地用于解决国民经济中的各种不同的问题。

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第4章 控制系统设计
4.1 控制原理设计
整个软件控制模块部分包括红外信号接收模块和信号输出模块两个部分。红外信号接收模块是将输入信号进行判断，通过主程序控制实现其功能。输出模块是将主程序输入的信号进行处理从而实现其功能。软件框图如图4-1所示。

图4-1 软件框图

4.2 硬件部分设计
主程序的功能分析
主程序是将输入的信号进行识别和处理运算，然后输出相应的码值给驱动芯片，使驱动芯片带动电机运转，从而实现其功能。

4.3 软件部分设计
根据本课题设计的要求指标，在擦鞋结束后要延时15秒后自动停止转动。而该延时子程序就是为了实现这个功能而设计的。
2、15秒延时子程序流程图

第5章 软硬件调试
5.1 硬件调试
5.1.1 电源电路的调试
1.接好电源电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据电源电路原理图仔细检查电源电路线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。电源电路原理图如图5-1所示。

图5-1 电源电路原理图

2.经过上述检查确定无误后，接通电源用万用表仔细测量各点电位是否正常。通过测量各点的电位如下：
U01 = 12.4V U02 = 4.8V
3.经过以上两步的检查，通过所测的电位可知，该电源电路是正常工作的。
5.1.2 红外发射与接收电路的调试
1.接好红外发射与接收电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据红外发射与接收电路原理图仔细检查红外发射与接收电路线路的正确性，特别是电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。红外发射与接收电路原理图如图5-2所示。

图5-2 红外发射与接收电路原理图
2.上述检查确定无误后，接通电源后测量红外发射与接收电路的各点电位，通过测量各点的电位如下表5-1所示：

表5-1 红外发射与接收电路测试数据

VA
VB
无遮挡时
0.24V
3.8V
遮挡时
0.67V
0.02V

3.由各点的电位可知，在红外光发射与接收间的红外线光路没被遮挡时，调节RP1，使红外发光二极管的工作电流限制在90mA之内，并保证其正常工作。由于A点的电压小于0.35V，B点的电压呈高电平，三极管处于截止状态，红外发射与接收电路正常工作；在红外光发射与接收间的红外线光路没被遮挡时，由于A点的电压升高，B点的电压小于0.4V，三极管处于饱和导通状态，红外发射与接收电路停止工作。同时，拉伸红外发光二极管与红外接收管，确定发射与接收的最大距离。
5.1.3 控制电路的调试
1.接好单片机系统控制电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据单片机系统控制电路原理图仔细检查单片机系统控制电路线路的正确性，特别是电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。单片机系统控制电路原理图如图5-3所示。

图5-3 单片机系统控制电路原理图

2.过上述检查确定无误后，接通电源后测量单片机系统控制电路的各点电位，通过测量单片机AT89C2051各脚的电位如下表5-2所示：
表5-2 单片机系统控制电路测试数据

3.由单片机AT89C2051的各脚电位可知，当P3.0口的电位为高电平时，单片机系统控制电路不能正常工作；当P3.0口的电位为低电平时，单片机系统控制电路正常工作。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，调试通过。
5.1.4 电机驱动电路的调试
1.接好电机驱动电路后，在通电之前，首先用万用表等工具，根据电机驱动电路原理图仔细检查电机驱动电路线路的正确性，特别是电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。通过检查确定无误。电机驱动电路原理图如图5-4所示。

图5-4 电机驱动电路原理图

2.经过上述检查确定无误后，接通电源后测量电机驱动电路的各点电位，通过测量驱动芯片L293D各脚的电位如下表5-3所示：

表5-3 单片机系统控制电路测试数据

电机两端的电流IM = 103mA。
3.由驱动芯片L293D各脚的电位可知，当红外没被遮挡时，驱动芯片L293D各脚的电位为低电平，电机驱动电路不能正常工作；当红外被遮挡，驱动芯片L293D各脚的电位如上表所示时，电机驱动电路正常工作。调试时在依照上表，用程序输入对应的电平，能够实现对应的动作，调试通过。
5.2 软硬件联调
软件调试与所选用的软件结构和程序设计技术有关。采用模块程序设计技术调试，则逐个模块（主程序、延时子程序）进行调试好以后，再联成一个大的程序，然后进行系统程序综合调试。
调试时，先将写好的软件程序进行编译/汇编，如果通过则说明该软件程序没有语法错误。本软件程序在编译/汇编后没有任何语法错误和警告，第一步调试通过。然后将软件程序产生代码并装入仿真器运行，观察运行结果发现有点不正常，原来是程序失控，主要原因有两个：
（1） 红外接收信号模块有干扰；
（2）软件程序在运行时有点乱。
为了解决这两个问题，对P3.0口进行了两次判断，并在中间加了一个10ms的短延时，这样就解决了红外接收模块有干扰的问题；同时，在每个语句后加了空操作指令，用于调整CPU的时间，使软件程序在运行时趋于正常。此时，软件程序调试结束，结合硬件可以正常工作。
5.3 指标调试及结果
1.已完成的指标：
（1）电源：AC 220V±10% 50HZ；
（2）具有上电复位功能；
（3）启动方式：红外线感应，离开15秒自动关闭；
（4）显示电路可显示擦鞋机的运行状态。
2.结果：
通过这次课题设计完成了具有以上指标功能的基于单片机的自动擦鞋机的设计。

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课程设计心得
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会从事职业工作前一个必不可少的过程。通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义。我今天学会认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

参考文献
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[12] 熊如贵.遮挡式红外声光报警装置[J].北京：《电子制作》杂志社，2006
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[14]Intel.MCS-51 Family of Single Chip Microcomputers User’s Manual，1990
[15]Keil Software.Getting started with u Vision2 and the C51 Microsontroller Development Tools，2000

附录1
结构图纸（A4时放在此附录中，其他均单独打印）

附录2
硬件电路图
附录3
软件控制程序