畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
題目： 便攜式家用衣物烘干機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（英文）： System Design of a Portable Home Clothes Dryer
院 別： 機(jī)電學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械電子工程
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
日 期：
便攜式家用衣物烘干機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
隨著生活水平的日益提高，生活方式的日益豐富，人們?cè)絹?lái)越注重生活的舒適和方便。但在我國(guó)南方以及國(guó)外一些氣候比較潮濕的地區(qū)，經(jīng)常一連幾個(gè)星期都是雨天，空氣濕度很大，洗過(guò)的衣服很難晾干，因此越來(lái)越多的家庭開(kāi)始使用衣物烘干機(jī)。
本設(shè)計(jì)是基于89C51單片機(jī)控制的便攜式家用衣物烘干機(jī)。該烘干機(jī)系統(tǒng)采用了精密的檢測(cè)電路（包括精密對(duì)稱(chēng)方波發(fā)生器、對(duì)數(shù)放大電路、溫度補(bǔ)償及溫度自動(dòng)校正及濾波電路等幾部分電路），能夠自動(dòng)、準(zhǔn)確檢測(cè)衣罩中的相對(duì)濕度, 最終通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的自動(dòng)反饋控制實(shí)現(xiàn)工作模式的智能選擇。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，還可以利用鍵盤(pán)進(jìn)行“標(biāo)準(zhǔn)”、“快速”、“手動(dòng)”三種模式的人工選擇，并可對(duì)工作時(shí)間、溫度、風(fēng)量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和顯示。
關(guān)鍵詞：烘干機(jī)；單片機(jī)；濕度；溫度
System Design of a Portable Home Clothes Dryer
Abstract
With the increasing of life standard, lifestyle in becoming richer, there are more emphasis on comfort and convenience in people’s life. But in southern China, as well as the humid areas in foreign countries, it often rains for a few weeks and the air is very humid and washed clothes is difficult to dry, so the clothes dryer are widely used by more and more families.
Based on the 89C51 microcontroller, a portable home clothes dryer is designed. Sophisticated detection circuits are adopted in my design, such as precision symmetric square wave generator, logarithmic amplifier circuit, automatic temperature compensation && temperature correction circuit and filter circuit, etc. The relative humidity can be automatically and accurately detected and operating mode is intelligently chose by the automatic feedback control of the detection signal. In other way, we can also use the keyboard to choose the mode: "standard", "fast", "manual", to set and display the work time, temperature, air flow and other parameters.
Key Words: Dryer; Single chip micyoco; Humidity ; Temperature
目錄
第1章 緒論 1
1.1干衣機(jī)的發(fā)展及前景 1
1.1.1現(xiàn)有干衣機(jī)的類(lèi)型 1
1.1.2現(xiàn)有干衣機(jī)的工作原理 2
1.1.3現(xiàn)有干衣機(jī)的不足之處 3
1.1.4新型干衣機(jī)的研制 4
1.2課題背景與設(shè)計(jì)意義 4
1.2.1課題設(shè)計(jì)的背景 4
1.2.2課題設(shè)計(jì)的意義 5
1.2.3課題設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新點(diǎn) 5
1.3課題簡(jiǎn)介 6
第2章 烘干機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案 7
2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 7
2.2系統(tǒng)的控制特點(diǎn)及性能要求 8
2.2.1系統(tǒng)控制的結(jié)構(gòu)組成 8
2.2.2系統(tǒng)的性能特點(diǎn) 8
2.3烘干機(jī)的結(jié)構(gòu) 9
2.3.1外部整體結(jié)構(gòu) 9
2.3.2衣物烘干機(jī)的優(yōu)勢(shì) 10
第3章 烘干機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 11
3.1功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 11
3.1.1PTC發(fā)熱元件的設(shè)計(jì) 11
3.1.2 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型 13
3.1.3 風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì) 14
3.1.4 電機(jī)的調(diào)速設(shè)計(jì) 17
3.2處理器模塊設(shè)計(jì) 18
3.2.1單片機(jī)89C51的主要功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 18
3.2.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 21
3.2.3時(shí)鐘晶振電路的設(shè)計(jì) 22
3.3控制模塊設(shè)計(jì) 23
3.3.1電源電路的設(shè)計(jì) 23
3.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì) 25
3.3.3按鍵、顯示器設(shè)計(jì) 28
3.4檢測(cè)調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì) 32
3.4.1濕度傳感器的特點(diǎn)及補(bǔ)償電路 32
3.4.2風(fēng)溫調(diào)節(jié)的原理與設(shè)計(jì) 38
3.4.3調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì) 39
3.5本章小結(jié) 39
第4章 烘干機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 40
4.1系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì) 41
4.1.1系統(tǒng)初始程序設(shè)計(jì) 41
4.1.2系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)模式設(shè)計(jì) 43
4.1.3系統(tǒng)快速模式設(shè)計(jì) 45
4.1.4系統(tǒng)手動(dòng)模式設(shè)計(jì) 47
4.2系統(tǒng)控制程序的設(shè)計(jì) 49
4.2.1A/D轉(zhuǎn)換子程序的設(shè)計(jì) 49
4.2.2調(diào)速調(diào)溫子程序的設(shè)計(jì) 51
4.2.3時(shí)間中斷子程序的設(shè)計(jì) 54
4.3顯示子程序的設(shè)計(jì) 55
4.3.1系統(tǒng)顯示程序的設(shè)計(jì) 55
4.3.2倒計(jì)時(shí)程序的設(shè)計(jì) 56
4.4按鍵掃描處理程序的設(shè)計(jì) 57
4.4.1矩陣鍵盤(pán)程序的設(shè)計(jì) 57
4.4.2按鍵調(diào)節(jié)子程序的設(shè)計(jì) 58
4.5本章小結(jié) 59
第5章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 60
5.1掛衣架的設(shè)計(jì) 60
5.1.1掛衣架的設(shè)計(jì) 60
5.1.2掛衣架的強(qiáng)度校核 61
5.2腳架的設(shè)計(jì) 63
5.3防水罩的設(shè)計(jì) 64
5.4本章小結(jié) 64
總結(jié)與展望 65
參考文獻(xiàn) 66
致謝 68
附錄Ⅰ系統(tǒng)電路原理圖 69
便攜式家用衣物烘干機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1干衣機(jī)的發(fā)展及前景
隨著科學(xué)的進(jìn)步,人類(lèi)文明不斷進(jìn)入新境界,家庭電氣化已成為人類(lèi)進(jìn)步的標(biāo)志。在我國(guó)南方以及國(guó)外一些氣候比較潮濕的地域,衣物洗滌后往往幾日都不能干燥,人們深受其苦。隨著干衣機(jī)的問(wèn)世為人們解決了這一困惑,給生活在潮濕地帶的人們帶來(lái)了極大的便利。它既能快速方便的烘干衣物,免除晾曬的麻煩,又可不為連綿陰雨季節(jié),衣物難晾干、晾衣空間小而煩惱。干衣機(jī)在日本及西方發(fā)達(dá)國(guó)家也已經(jīng)比較普及。據(jù)介紹，在日本就有70% 以上的家庭干衣機(jī)是和洗衣機(jī)配套使用的。在中國(guó)，尤其是在氣候潮濕的南方地區(qū)，如同其它家電和工業(yè)設(shè)備一樣，隨著人們生活水平的提高，也逐步產(chǎn)生了社會(huì)需求。[1]
1.1.1現(xiàn)有干衣機(jī)的類(lèi)型
按照不同的分類(lèi)原則，現(xiàn)有干衣機(jī)可以分為不同的類(lèi)別。[1]
按照烘干所使用的能源可以分為燃?xì)馐?、電熱絲加熱式、PTC自限溫元件加熱式。其中，燃?xì)馐礁梢聶C(jī)在我國(guó)不多見(jiàn)，在歐美卻很流行，這主要是與這些國(guó)家的住宅配置、能源供給形式有關(guān)。早期的蒸汽加熱或電加熱干衣機(jī)的干衣效果和質(zhì)量隨環(huán)境條件的變化而波動(dòng)較大，時(shí)有未干透就停機(jī)或干燥過(guò)頭而損壞衣物及浪費(fèi)能源的現(xiàn)象產(chǎn)生。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，上述缺陷有所改善。90年代初，國(guó)外開(kāi)始將PTC 自限溫發(fā)熱元件用于家用干衣機(jī)領(lǐng)域，并設(shè)計(jì)定型成目前的旋轉(zhuǎn)式干燥桶結(jié)構(gòu)。PTC發(fā)熱材料升溫較迅速且無(wú)明火，與控制技術(shù)結(jié)合使用，提高了干衣機(jī)的安全性；另外，用渦輪式或貫流式風(fēng)機(jī)代替了原來(lái)的軸流式風(fēng)機(jī)，降低了風(fēng)機(jī)的功耗和噪聲。
按照外形分為柜式（圖1.1）和滾筒式（圖1.2），柜式機(jī)容量較大，可將衣服懸掛在烘箱內(nèi)進(jìn)行干燥；滾筒式體積比柜式機(jī)小，也可使用支架與洗衣機(jī)組合在一起使用。
按照與洗衣機(jī)的關(guān)系可分為洗衣干衣一體式、與洗衣機(jī)上下分立式、獨(dú)立式（立柜式、嵌入式）。從消費(fèi)者使用方便及節(jié)約室內(nèi)空間角度來(lái)看 ，家用干衣機(jī)以采取第一種方式為佳。
按照控制方式可分為機(jī)械式和電腦程控式。
最后，還可按照水分排除方式分為排氣式和排水式。
圖1.1 滾筒式干衣機(jī) 圖1.2 分柜式干衣機(jī)
1.1.2現(xiàn)有干衣機(jī)的工作原理
干衣機(jī)依靠?jī)?nèi)部的加熱元件對(duì)進(jìn)入機(jī)體內(nèi)的外界空氣進(jìn)行加熱，同時(shí)依靠電機(jī)帶動(dòng)滾筒或葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使加熱后的空氣與衣物接觸，增濕后經(jīng)過(guò)濾排出機(jī)外。
現(xiàn)有干衣機(jī)為全新風(fēng)型式，在空氣i—d 圖上其工作過(guò)程可表示為圖1.3。具體分析如下：[2]
1、環(huán)境狀態(tài)空氣（點(diǎn)1）進(jìn)入干衣機(jī)；
2、利用PTC 或電加熱元件將空氣加熱至狀態(tài)點(diǎn)2。在此過(guò)程中，空氣干球溫度t 升高，絕對(duì)含濕量d 不變，相對(duì)濕度φ降低；
3、狀態(tài)點(diǎn)2 的高溫低濕空氣流經(jīng)衣物，由于空氣中的水蒸氣分壓力低于衣物表面的水蒸氣分壓力，使得衣物中的水分不斷地?cái)U(kuò)散到空氣中。對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，此過(guò)程為等焓過(guò)程?？諝獾母汕驕囟萾降低，絕對(duì)含濕量d 和相對(duì)濕度φ均增加，到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)3；
4、狀態(tài)點(diǎn)3的潮濕空氣排至干衣機(jī)外。
1
2
3
i
(溫度)
d (濕度)
圖1.3 空氣濕度i-d圖
1.1.3現(xiàn)有干衣機(jī)的不足之處
1、能耗指標(biāo)不理想。首先，為全新風(fēng)形式，排出空氣中仍然含有大量的熱能，這會(huì)造成能源的浪費(fèi)；其次，現(xiàn)有干衣機(jī)不管是電加熱還是PTC 加熱，均為能量轉(zhuǎn)換裝置，即衣物中水分蒸發(fā)所需要的熱量完全由電能轉(zhuǎn)化而來(lái)。以干衣機(jī)工作溫度6 0 ℃計(jì)，此時(shí)水的汽化潛熱為2359kJ/kg，也就是說(shuō)要蒸發(fā)衣物中的1kg 水至少要消耗2359kJ 的電能?？紤]風(fēng)機(jī)、漏熱、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件等因素，實(shí)際耗電量將大于該值。我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T6219-1999工業(yè)干衣機(jī)》中對(duì)電加熱干衣機(jī)的能耗指標(biāo)規(guī)定為；蒸發(fā)每千克水所消耗的電量應(yīng)不大于1.5kW·h，即5400kJ。
2、干衣過(guò)程工作溫度高，一般在60℃以上，對(duì)絲綢、羊絨等高檔衣料有很大損害，限制了其使用范圍。
3、干衣機(jī)常用于陰雨天氣，此時(shí)環(huán)境濕度高，但某些類(lèi)型的干衣機(jī)將吸收水分之后的潮濕空氣排向室內(nèi)，將進(jìn)一步惡化室內(nèi)空氣條件。有些類(lèi)型干衣機(jī)則利用排風(fēng)管將空氣排至室外，但這樣占地面積大，影響室內(nèi)美觀，且安裝施工均較為不便。某些類(lèi)型的干衣機(jī)利用機(jī)體內(nèi)的循環(huán)熱風(fēng)，把衣物內(nèi)蒸發(fā)出來(lái)的水蒸氣通過(guò)特定的冷凝器冷凝成水，再?gòu)臋C(jī)內(nèi)的排水管流出。這種方式雖然一般不會(huì)對(duì)室內(nèi)空氣環(huán)境造成影響，但是因?yàn)榻?jīng)歷了一個(gè)冷凝過(guò)程，導(dǎo)致它比排氣式要耗電（或者耗能）。
目前，帶有烘干功能的洗衣機(jī)已經(jīng)面市，但其原理仍為PTC 元件加熱，并且售價(jià)較高，多在RMB5000 元以上，另外，其干衣容量往往僅為其洗滌容量的一半左右，往往造成一次洗滌的衣物不能一次烘干。
由此可見(jiàn)，及時(shí)研發(fā)節(jié)能、工作溫度低、適用衣料范圍廣、可靠性高、售價(jià)適中的工業(yè)用和家用干衣機(jī)是很有潛力的。
1.1.4新型干衣機(jī)的研制
鑒于以上原因，國(guó)內(nèi)外許多科研人員都曾研究、試制過(guò)干衣機(jī)。有多種類(lèi)型的干衣機(jī)，下面分別予以簡(jiǎn)要介紹。
第一類(lèi)是蒸汽壓縮式熱泵干衣機(jī)，這種類(lèi)型的干衣機(jī)利用蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器對(duì)來(lái)自衣物的潮濕空氣進(jìn)行降溫除濕，冷凝器用來(lái)對(duì)空氣進(jìn)行等濕升溫，加熱后的空氣再去對(duì)衣物進(jìn)行干燥。由于蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)是一種非常成熟的技術(shù)，用于熱泵工況時(shí)供熱效率高，工作安全可靠，因而這種類(lèi)型的干衣機(jī)得到了最為廣泛的研究。
第二類(lèi)是一種具有微波加熱功能的全自動(dòng)洗衣機(jī)，其特點(diǎn)是可全自動(dòng)連續(xù)完成洗衣干衣功能，且干衣時(shí)間比電加熱式可縮短一半左右，但與原有PTC、電加熱型洗衣機(jī)一樣同屬能量轉(zhuǎn)換裝置，能耗大。[3]
第三類(lèi)是。曾偉杰[4]等研制的一種醫(yī)院用抽真空式干衣機(jī)，其原理是利用真空泵將密閉容器內(nèi)的絕對(duì)壓力降至0.2kPa 以下，使衣物中水分子在真空條件下蒸發(fā)出去。同時(shí)為了提高水分子的動(dòng)能，在密閉容器內(nèi)使用低功率遠(yuǎn)紅外線發(fā)熱管進(jìn)行加熱，使容器內(nèi)的溫度保持在50±5℃，輔助提高其干衣效率。該種干衣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是干后衣物蓬松，但密閉容器制造要求較高。
1.2課題背景與設(shè)計(jì)意義
1.2.1課題設(shè)計(jì)的背景
隨著生活水平的日益提高，生活方式的日益豐富，人們?cè)絹?lái)越注重生活的舒適和方便。在南方地區(qū)的梅雨季節(jié)，經(jīng)常一連幾個(gè)星期都是雨天，空氣的濕度很大，洗過(guò)的衣服很難晾干，因此越來(lái)越多的家庭開(kāi)始使用衣物烘干機(jī)?，F(xiàn)在的衣物烘干機(jī)倡導(dǎo)了一種現(xiàn)代人的生活方式：一是四季干衣無(wú)煩惱。二是居室環(huán)境優(yōu)美，不再有下雨天居室的“萬(wàn)國(guó)旗”，也不必為高層住房，不能設(shè)露天衣架，景觀路段不能臨街晾衣而煩惱。三是適應(yīng)生活快節(jié)奏，只需要三五十分鐘就能解決問(wèn)題。四是干衣效果良好，恒溫烘干，衣物纖維合理蓬松，并能去除日曬不死的細(xì)菌。五是操作方便，因此，在長(zhǎng)期的陰雨、潮濕、多風(fēng)沙、室外多工業(yè)煙塵、住房擁擠不適宜晾曬衣物的條件下，使用干衣機(jī)對(duì)家庭來(lái)說(shuō)是非常方便的。[5]
1.2.2課題設(shè)計(jì)的意義
市場(chǎng)上比較多的干衣機(jī)都是滾筒式，其結(jié)構(gòu)造型類(lèi)似洗衣機(jī)，拆卸與收納困難，一般放在某個(gè)位置就不會(huì)去移動(dòng)它，這樣相當(dāng)占面積，也不易用戶(hù)搬運(yùn)。其次，干衣機(jī)的內(nèi)筒在帶傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，烘干后的衣物經(jīng)常發(fā)生褶皺，不利于正裝、高檔衣物的烘干。再次，通過(guò)噴管?chē)娙雰?nèi)桶的熱濕氣在桶中停留時(shí)間不長(zhǎng)，不足以使熱空氣有效地和含有水分的衣物進(jìn)行熱交換。雖然在整個(gè)干衣過(guò)程中，熱空氣不斷產(chǎn)生，但由于上訴缺陷的存在，則耗電明顯增加。[6]最后，影響客戶(hù)購(gòu)買(mǎi)最重要的因素是價(jià)格，一臺(tái)滾筒式的干衣機(jī)市場(chǎng)價(jià)接近3000元，而便攜式衣物烘干機(jī)的市場(chǎng)價(jià)普遍都是200元。綜于以上原因，就需要設(shè)計(jì)適合大眾所能接受的，又能方便使用的干衣機(jī)。
1.2.3課題設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新點(diǎn)
干衣機(jī)是利用PTC發(fā)熱體產(chǎn)生熱能，微電腦智能芯片控制的直流風(fēng)機(jī)把熱能送進(jìn)干衣罩里，通過(guò)熱風(fēng)的循環(huán)對(duì)流原理把衣物的水份從排氣孔內(nèi)排出而達(dá)到干衣的效果的小型家用電器。干衣過(guò)程自動(dòng)變溫，可連續(xù)工作600小時(shí)以上；超溫雙重干燒保護(hù)，絕對(duì)安全。干衣機(jī)正常工作時(shí)，內(nèi)部溫度最高可達(dá)75度，可除菌99.3%。一機(jī)多用，只要一臺(tái)電器的支出，就等于買(mǎi)進(jìn)了烘干機(jī)、取曖器、殺菌器、衣帽架、空氣凈化器幾樣電器。體積小，容量大（一次干衣可達(dá)10KG），易裝卸。
本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)：
1、設(shè)計(jì)了“標(biāo)準(zhǔn)”、“快速”、“手動(dòng)”三種智能的工作模式，用戶(hù)可根據(jù)不同的需要選用相應(yīng)的模式。
2、去除了傳統(tǒng)的機(jī)械定時(shí)方式，改用單片機(jī)控制的智能方式，用戶(hù)只需通過(guò)按鍵設(shè)置工作時(shí)間、溫度、風(fēng)量，就可智能工作。
3、采用新型的牛津布材料，有效的防止熱量損失，節(jié)約能源，又提供了一個(gè)相對(duì)封閉的干衣環(huán)境，使衣物不被灰塵細(xì)菌等污染。
1.3課題簡(jiǎn)介
課題名稱(chēng)：便攜式家用衣物烘干機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
主要任務(wù)：通過(guò)單片機(jī)智能控制衣物的烘干時(shí)間及溫度風(fēng)量，以達(dá)到快速、便捷、智能烘干衣物，并對(duì)現(xiàn)有的烘干機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，使其更節(jié)能，使用更方便。
開(kāi)發(fā)環(huán)境：本衣物烘干機(jī)系統(tǒng)的軟件部分是通過(guò)Kell進(jìn)行編譯，并由Proteus進(jìn)行仿真測(cè)試。
技術(shù)指標(biāo)：1、以單片機(jī)為控制核心
2、以PTC作為發(fā)熱元件
3、以電機(jī)、風(fēng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件
4、以匯編語(yǔ)言為軟件實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言
功能概述：本系統(tǒng)選用單片機(jī)89C51為控制核心，采用薄膜鍵盤(pán)和LED數(shù)碼管作為輸入輸出設(shè)備。PTC恒溫發(fā)熱體、風(fēng)機(jī)、電機(jī)是采用交流220伏市電驅(qū)動(dòng)的，CPU與這些部件之間，要通過(guò)數(shù)據(jù)鎖存、I/O緩沖、光電隔離觸發(fā)器和可控硅來(lái)控制。過(guò)熱保護(hù)開(kāi)關(guān)、濕度傳感器等組成自動(dòng)控制和保護(hù)電路。以此達(dá)到既能快速干衣又安全可靠、不傷衣物。
第2章 烘干機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案
2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理
本系統(tǒng)主要由濕度檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)控制模塊、雙向可控硅調(diào)功調(diào)速模塊、矩陣鍵盤(pán)輸入模塊、數(shù)碼管顯示模塊組成。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先掃描鍵盤(pán)模塊，判斷輸入信號(hào)，根據(jù)輸入信號(hào)來(lái)選擇不同的工作模式。系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定“”標(biāo)準(zhǔn)、“快速”、“手動(dòng)”三種模式，確定模式后，系統(tǒng)則調(diào)用調(diào)功調(diào)速模塊來(lái)控制電機(jī)與PTC工作，并開(kāi)啟濕度檢測(cè)模塊檢測(cè)實(shí)時(shí)濕度并進(jìn)行判斷處理，當(dāng)濕度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，則停止工作。若系統(tǒng)進(jìn)入“手動(dòng)”模式，則可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定工作的“時(shí)間”、“溫度”、“風(fēng)量”，設(shè)定值由數(shù)碼管顯示，并根據(jù)設(shè)定值控制系統(tǒng)進(jìn)行工作。[7]系統(tǒng)原理電路如圖2.1所示：
圖2.1 系統(tǒng)原理電路圖
2.2系統(tǒng)的控制特點(diǎn)及性能要求
2.2.1系統(tǒng)控制的結(jié)構(gòu)組成
1、功率驅(qū)動(dòng)元件：由電機(jī)、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，用PTC恒溫發(fā)熱元件發(fā)熱
2、濕度檢測(cè)電路：用于檢測(cè)衣罩中的濕度
3、微控制器：采用單片機(jī)芯片作為主控制器
4、電源穩(wěn)壓電路：用于對(duì)輸入的220V交流電壓進(jìn)行變壓、整流
5、LED顯示電路：用于顯示時(shí)間與濕度
單片機(jī)
89C51
電源電壓的設(shè)計(jì)
按鍵輸入電路
LED顯示電路
功率驅(qū)動(dòng)電路
電機(jī)、風(fēng)機(jī)
功率驅(qū)動(dòng)電路
PTC發(fā)熱
濕度檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路
濕度傳感器
圖2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2.2系統(tǒng)的性能特點(diǎn)
1、自動(dòng)檢測(cè)出衣罩中的濕度
2、鍵盤(pán)設(shè)置干衣模式、干衣時(shí)間、風(fēng)量大小
3、數(shù)碼顯示器顯示濕度或干衣時(shí)間及風(fēng)量大小
4、選擇相應(yīng)的干衣方式對(duì)衣物進(jìn)行烘干，利用濕度傳感器檢測(cè)衣罩中的濕度，以此來(lái)變換不同的風(fēng)量及熱量，已達(dá)到既快速又節(jié)能的烘干衣物。
2.3烘干機(jī)的結(jié)構(gòu)
2.3.1外部整體結(jié)構(gòu)
便攜式衣物烘干機(jī)主要由五部分組成：主機(jī)、連接桿、掛衣架、腳架、防水罩，主機(jī)包括電機(jī)、風(fēng)機(jī)、發(fā)熱元件。主機(jī)外殼、腳架、掛衣架主要由耐高溫、抗壓、抗磨的有機(jī)材料做成，連接桿由鋁合金材料做成，耐高溫不易變形，風(fēng)口罩由不銹鋼制造。整體由各個(gè)部件組裝而成，組裝簡(jiǎn)單、拆卸方便。當(dāng)用戶(hù)需要時(shí)，則取出各個(gè)部件按螺紋連接上即可使用，使用完后也可輕松拆卸裝箱，占地面積少。若想當(dāng)暖風(fēng)機(jī)用時(shí)，只需在主機(jī)上裝連接桿及腳架即可使用。整體結(jié)構(gòu)圖2.3如下：
圖2.3 整體結(jié)構(gòu)圖
2.3.2衣物烘干機(jī)的優(yōu)勢(shì)
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：組裝與拆卸方便，占地面積少，在任何地方都能使用。重量輕，方便攜帶與搬運(yùn)
2、成本低：內(nèi)部有電機(jī)、風(fēng)機(jī)、發(fā)熱元件及集成電路，便于保養(yǎng)與維修，若出現(xiàn)故障也比較容易查出與解決。制造所用材料廉價(jià)，整體成本是滾筒式干衣機(jī)的十分之一，適合普遍大眾使用。
3、一機(jī)多用：整體組裝起來(lái)可以作為干衣機(jī)使用，若只組裝主體則可當(dāng)做暖風(fēng)機(jī)使用，平時(shí)不工作時(shí)，還能當(dāng)做衣柜。
第3章 烘干機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
3.1功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
3.1.1PTC發(fā)熱元件的設(shè)計(jì)
1、PTC的功能特點(diǎn)
PTC加熱器是利用恒溫加熱PTC熱敏電阻恒溫發(fā)熱特性設(shè)計(jì)的加熱器件。恒溫加熱PTC熱敏電阻具有恒溫發(fā)熱特性，其原理是PTC熱敏電阻加電后自熱升溫使阻值進(jìn)入躍變區(qū)，恒溫加熱PTC熱敏電阻表面溫度將保持恒定值，該溫度只與PTC熱敏電阻的居里溫度和外加電壓有關(guān)，而與環(huán)境溫度基本無(wú)關(guān)。PTC加熱器具有恒溫發(fā)熱、無(wú)明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。[8]
2、PTC的分類(lèi)
（1）按傳導(dǎo)方式分：以熱傳導(dǎo)為主的PTC陶瓷加熱器；
以所形成的熱風(fēng)進(jìn)行對(duì)流式傳熱的PTC陶瓷熱風(fēng)器；
以紅外線輻射加熱器；
（2）按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分：普通實(shí)用型PTC陶瓷加熱器；
自動(dòng)恒溫型PTC加熱器；
熱風(fēng)PTC加熱器
3、PTC的選型
（1）根據(jù)烘干機(jī)的設(shè)計(jì)，選用空氣加熱用的PTC熱敏電阻。
外形結(jié)構(gòu)如圖3.1a、b、c：
圖3.1a PTC發(fā)熱元件1
圖3.1b PTC發(fā)熱元件2
圖3.1c PTC發(fā)熱元件3
（2）型號(hào)參數(shù)如下：
根據(jù)系統(tǒng)要求選用MZ9Q-L72W22T15V220W270的PTC發(fā)熱管。
（3）使用說(shuō)明：
應(yīng)使用風(fēng)機(jī)帶走熱量，以提高加熱功率。風(fēng)速對(duì)發(fā)熱功率的影響很大，一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)速越大，功率越大。在沒(méi)有風(fēng)吹時(shí)，加熱器也不會(huì)損壞，當(dāng)功率會(huì)明顯下降。1000小時(shí)功率老化率在10%以?xún)?nèi)，電阻老化率在50%以?xún)?nèi)，產(chǎn)品有絕緣型與非絕緣型兩種結(jié)構(gòu)。[17]
3.1.2 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型
風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的軸功率為：
=
式中：流量；全壓升；全壓效率；傳動(dòng)效率。
根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，取=0.95，=0.98，得軸功率：
==13.07(W)
因主扇設(shè)計(jì)工況一般為效率最高時(shí)的工況，其安裝角不是最大值（），考慮到實(shí)際工作時(shí)安裝角最大可能達(dá)到，偏安全考慮，需要在設(shè)計(jì)計(jì)算功率的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)1.8的系數(shù)（若考慮可能工作的最大安裝角，可乘以1.57的系數(shù)），然后再乘以一個(gè)富裕系數(shù)k，作為選擇電動(dòng)機(jī)功率的參考值。[21]
所需要的電動(dòng)機(jī)功率為：
k―容量富裕系數(shù)，一般取k＝1.05～1.15。計(jì)算的所需的電動(dòng)機(jī)功率為：
N=24.7 (W)
選擇YJF61型電機(jī)，額定功率25W，額定電壓220V，額定電流0.11A，轉(zhuǎn)速2400r/min。
風(fēng)機(jī)和電機(jī)選擇直聯(lián)傳動(dòng)形式。
3.1.3 風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)
在進(jìn)行葉輪葉柵氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理地選取葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如輪轂比、葉片數(shù)和外徑等。［16］
1、 輪轂比
式中：為輪轂直徑；為外徑。輪轂比是一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)風(fēng)機(jī)的壓強(qiáng)、流量和效率都有影響。經(jīng)推導(dǎo)，可得：
由上式可以看出，與全壓成正比，與成反比。當(dāng)風(fēng)機(jī)壓強(qiáng)或壓強(qiáng)系數(shù)較高時(shí)，應(yīng)取較大的，但是過(guò)大，葉片過(guò)短，流速損失大，效率降低，使風(fēng)機(jī)性能惡化，如圖3.2所示。當(dāng)較大時(shí)，可以選較小一些的，這樣較高。對(duì)于風(fēng)壓高流量小的風(fēng)機(jī)可取較高的，風(fēng)壓低流量大的風(fēng)機(jī)取較小的。太小，葉片過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引起葉片根部氣流發(fā)生分離。一般常用的輪轂比范圍為0.25～0.75。當(dāng)采用單獨(dú)葉輪時(shí)，可取0.3～0.45。對(duì)于其他方案的通風(fēng)機(jī)級(jí)，可取0.5～0.7，也有取低于0.5的。
圖3.2風(fēng)機(jī)壓強(qiáng)系數(shù)和效率隨輪轂比的變化曲線
根據(jù)大量試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，與的關(guān)系如圖3.3所示：
圖3.3 風(fēng)機(jī)輪轂比隨比轉(zhuǎn)速的變化曲線
且近似滿(mǎn)足下列關(guān)系式：
， ≤35
，
2、 葉輪外徑
在給定風(fēng)機(jī)全壓和流量的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，葉輪外徑也就基本確定了。由圖3.4可知：
圖3.4風(fēng)機(jī)葉輪外徑系數(shù)隨比轉(zhuǎn)速的變化曲線
比轉(zhuǎn)速與系數(shù)基本呈直線關(guān)系。其中
根據(jù)圖3.4，求出下的，然后可以計(jì)算出：
與的近似關(guān)系為：
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣（）：
3、計(jì)算圓周速度及壓力系數(shù)
圓周速度限制如下：如果要求低噪聲，則一般為60～80m/s；
4、葉片數(shù)的選取
一般規(guī)律是：葉片數(shù)少，葉片寬，支桿直徑大；葉片數(shù)多，葉片窄，支桿直徑小。
根據(jù)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，[18]對(duì)于按孤立葉型設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)，其最佳葉片數(shù)推薦如下：
輪轂比 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
葉片數(shù) 2～6 4～8 6～12 8～16 10～20
因此，對(duì)烘干機(jī)的風(fēng)機(jī)選取葉片數(shù)為4.
根據(jù)以上各參數(shù)的選擇，下面對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算：
計(jì)算比轉(zhuǎn)數(shù)：
由圖查圖3.2和圖3.3根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列－GB3235-82選取輪轂比=0.43，=1.82。
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣（）取：
==11.6c
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系列－GB3235-82選取，。
計(jì)算圓周速度及壓力系數(shù)：
=
3.1.4 電機(jī)的調(diào)速設(shè)計(jì)
電機(jī)調(diào)速是整個(gè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的方面。本系統(tǒng)通過(guò)控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，使輸出電壓發(fā)生改變，從而使施加在風(fēng)機(jī)的輸入電壓發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的無(wú)級(jí)調(diào)速。[9]
可控硅的導(dǎo)通條件如下：
1、陽(yáng)-陰極間加正向電壓；
2、控制極-陰極間加正向觸發(fā)電壓；
3、陽(yáng)極電流IA 大于可控硅的最小維持電流IH。
當(dāng)系統(tǒng)選擇標(biāo)準(zhǔn)或快速模式時(shí)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)速設(shè)為高、低兩檔，各檔風(fēng)速都有一個(gè)限定值。在額定電壓、額定功率下，以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要求風(fēng)葉最大圓周上的線速度不大于2150m/min。且線速度可由下列公式求得：
3
式中，V為扇葉最大圓周上的線速度(m/min),D為扇中的最大頂端掃出圓的直徑(mm)；n為風(fēng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速(r/min)。
代入數(shù)據(jù)求得n高=1555r/min,取 n高 =1250 r/min.又因?yàn)?
可取n低=875 r/min。
由于負(fù)載上電壓的有效值
其中，u1為輸入交流電壓的有效值，α為控制角。
當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)時(shí)，按照所求得的觸發(fā)時(shí)間延時(shí)發(fā)脈沖，便可實(shí)現(xiàn)預(yù)期轉(zhuǎn)速。所以，當(dāng)系統(tǒng)選擇手動(dòng)模式設(shè)置風(fēng)量時(shí)，只需設(shè)定控制角的大小就能控制風(fēng)量的大小，以方便不同場(chǎng)合的需要。
3.2處理器模塊設(shè)計(jì)
3.2.1單片機(jī)89C51的主要功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)
1、AT89C51性能及特點(diǎn)
AT89C51是一種與MCS—51單片機(jī)相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引腳DIP封裝，片內(nèi)帶有4KB的快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM）。是當(dāng)前較先進(jìn)的一種電擦除8位單片機(jī)，它與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容，片內(nèi)FPEROM允許對(duì)程序存儲(chǔ)器在線重新編程。也可用常規(guī)的EPROM編程器編程。具有超強(qiáng)的加密功能。ATMEL公司生產(chǎn)的這種89C51微控制器，將具有多種功能的8位CPU與FPEROM結(jié)合在同一芯片上，可完全替代87C51和8751/8752，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)靈活且價(jià)格適宜的方案，深受用戶(hù)歡迎。此外,AT89C51還增加了在零頻下工作的靜態(tài)邏輯方式及空閑和掉電兩種可選的省電模式,在空閑模式下,CPU停止工作,但RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器,串行口和中斷系統(tǒng)仍然工作.在掉電模式下,只保存RAM的內(nèi)容,振蕩器停振,關(guān)閉芯片的所有其它功能,直到下一次硬件復(fù)位為止.其空閑和掉電兩種工作方式以及靜態(tài)邏輯運(yùn)作等情況,與MCSC51相同。［10］引腳如圖3.5：
圖3.5 AT89C51引腳圖
AT89C51主要特性如下：
與MCS-51產(chǎn)品兼容；4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器；壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)；數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定；128*8位內(nèi)部RAM；32可編程I/O線；兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；可編程全雙工串行；4KB的在線可重復(fù)編程快閃存儲(chǔ)器，寫(xiě)/擦可達(dá)1000次以上。
2、AT89C51內(nèi)部結(jié)構(gòu)說(shuō)明
AT89C51的FLASH存儲(chǔ)器有4KB，RAM只有128字節(jié)，加密位有三位，加密位為L(zhǎng)B1，LB2。AT89C51是一帶有2KB字節(jié)的閃速可編程可擦除的只讀存儲(chǔ)器（PEOM），低電壓，高性能的8位CMOS微型計(jì)算機(jī)，有如下特性；和MCS—51系列產(chǎn)品完全兼容，2KB的FLASH的程序存儲(chǔ)器，可擦寫(xiě)1000次，2.7—6V電壓范圍，靜態(tài)工作方式，可外接0—24MHZ的晶體振蕩器，；兩級(jí)程序存儲(chǔ)器，；128字節(jié)SRAM；32根可編程I/O引線；三個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，六個(gè)中斷源，可編程UART串行口，直接LED驅(qū)動(dòng)輸出，片內(nèi)模擬比較器，低功耗空閑方式和掉電工作方式[11]
AT89C51是ATMEL微控器家族中廉價(jià)的成員，它含有2KB字節(jié)的快閃存儲(chǔ)器和MCS—51結(jié)構(gòu)兼容并可用MCS—51指令集進(jìn)行編程，89C51程序存儲(chǔ)器大小的物理范圍為000H---7FFH，且89C51中已保留了標(biāo)準(zhǔn)中斷服務(wù)的子程序的地址，AT89C51包含128字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這樣8951中堆棧的深度局限于內(nèi)部RAM的128字節(jié)范圍內(nèi)，它既不支持外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，也不支持外部程序存儲(chǔ)器的訪問(wèn)的執(zhí)行，因此，程序中不應(yīng)該包含MOV[]指令
3、端口介紹
ALE端口：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時(shí)ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。
PSEN端口：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。
EA/Vpp：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。
RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入
XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。。
P0 口： P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須接上拉電阻。
P1 口 ：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。
P1 口第2 功能，T2(P1.0) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部計(jì)數(shù)輸入/時(shí)鐘輸出(見(jiàn)可編程輸出)，T2EX(P1.1) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 重裝載/捕捉/方向控制。
P2 口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。
P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。
P3 口還具有以下特殊功能。
表3.1 P3口特殊功能
P3口
第二功能
P3.0
RXD(串行口輸入)
P3.1
TXD(串行口輸出)
P3.2
INTO(外部中斷0)
P3.3
INT1(外部中斷1)
P3.4
T0(外部定時(shí)輸入0)
P3.5
T1(外部定時(shí)輸入1)
3.2.2復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端。復(fù)位信號(hào)是高電平有效。高電平有效的持續(xù)時(shí)間應(yīng)為24個(gè)振蕩周期以上。若時(shí)鐘頻率為6MHz，則復(fù)位信號(hào)至少應(yīng)持續(xù)4微秒以上，才可以使單片機(jī)復(fù)位。本次設(shè)計(jì)中采用手動(dòng)復(fù)位和自動(dòng)復(fù)位的方法進(jìn)行復(fù)位操作。[25]如下圖3.6所示。
手動(dòng)復(fù)位是利用開(kāi)關(guān)按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即通電后，按下開(kāi)關(guān)，使得瞬間RST端的電位與VCC相同，隨著電容上儲(chǔ)能增加，電容電壓也增大，充電電流減少，RESET端的電位逐漸下降。這樣在RST端就會(huì)建立一個(gè)脈沖電壓，調(diào)節(jié)電容與電阻的大小可對(duì)脈沖持續(xù)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。自動(dòng)復(fù)位在這里采用 MAx813L 實(shí)現(xiàn)，以防程序跑飛使系統(tǒng)失控，如果在1.65s內(nèi)微處理器 AT89C51 不給 MAxsl3L 的“看門(mén)狗”輸入端 WDI 觸發(fā)信號(hào)，說(shuō)明程序已跑飛或程序已進(jìn)入了死循環(huán)， MAX813L 將發(fā)出復(fù)位信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位重新運(yùn)行。
3.2.3時(shí)鐘晶振電路的設(shè)計(jì)
時(shí)鐘電路對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)而言是必需的。由于單片機(jī)內(nèi)部是由各種各樣的數(shù)字邏輯器件(如觸發(fā)器寄存器存儲(chǔ)器等)構(gòu)成，這些數(shù)字器件的工作必須按時(shí)間順序完成，這種時(shí)間順序就稱(chēng)為時(shí)序.時(shí)鐘電路就是提供單片機(jī)內(nèi)部各種操作的時(shí)間基準(zhǔn)的電路,沒(méi)有時(shí)鐘電路單片機(jī)就無(wú)法工作。此次設(shè)計(jì)中，我們采用由內(nèi)部方式產(chǎn)生時(shí)鐘的方法形成時(shí)鐘電路，具體如圖3.6所示：
圖3.6 時(shí)鐘復(fù)位電路
內(nèi)部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作定時(shí)元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻，即若石英頻率fosc＝6MHz，則時(shí)鐘頻率＝3MHZ，因此，時(shí)鐘是一個(gè)雙向信號(hào)，由P1相和P2相構(gòu)成。fosc可在2MHZ-12MHZ選擇。小電容可以取30PF左右。
3.3控制模塊設(shè)計(jì)
3.3.1電源電路的設(shè)計(jì)
穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流器和穩(wěn)壓器三大部分組成，變壓器把市電交流電壓變?yōu)樗枰牡蛪航涣麟?。整流器把交流電變?yōu)橹绷麟?。?jīng)濾波后，穩(wěn)壓器再把不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓輸出。
穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)及對(duì)穩(wěn)壓電源的要求，穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電流及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類(lèi)是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)（輸出電阻）、紋波電壓及溫度系數(shù)等。對(duì)穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個(gè)方面的要求：1、定性好，2、輸出電阻小，3 、電壓溫度系數(shù)小，4、輸出電壓紋波小。
我設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源是以78XX和79XX系列穩(wěn)壓器為基礎(chǔ)的，這類(lèi)電源能夠產(chǎn)生±5V，±15V。它是先將來(lái)自交流電的電壓通過(guò)變壓器（即將220V轉(zhuǎn)換為20V），然后通過(guò)78XX和79XX穩(wěn)壓器，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。首先來(lái)介紹一下78XX和79XX的基本情況。78XX和79XX系列是常用三端固定電壓集成線形穩(wěn)壓器，78XX系列為正電壓輸出穩(wěn)壓器，79XX系列為負(fù)電壓輸出穩(wěn)壓器。除了輸出電壓極性不同外，其他方面基本相同，因此，本節(jié)以78XX系列為例進(jìn)行介紹。型號(hào)78XX/79XX系列中的XX數(shù)字表示集成穩(wěn)壓器的輸出電壓的數(shù)值，以V為單位，例如：7805表示輸出正電壓為+5V，7924表示輸出負(fù)電壓-24V等。有5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等7種不同的輸出電壓檔，能滿(mǎn)足大多數(shù)電子設(shè)備所用的電源電壓。此外，型號(hào)中還有英文字母：數(shù)字前面的字母如LM78XX等，通常表示生產(chǎn)廠家，LM表示美國(guó)MULB公司。中間的字母如78LXX等，通常表示電流等級(jí)，L表示的是小電流（100mA），M表示中電流（500 mA）。圖3.7示出了78XX/79XX的管腳與封裝形式，集成穩(wěn)壓作為穩(wěn)壓電源的一般接法如圖3.8所示。[23]
1.輸入端，2.輸出端，3.公共端
1.公共端，2.輸入端，3.輸出端
圖3.7
圖3.8
基于我要得到正負(fù)電源同時(shí)使用和電路電源要求，我選用正負(fù)三種集成穩(wěn)壓器（7805、、7812、7815、7905、7912、7915），按圖3.9所示設(shè)計(jì)：
圖
圖3.9
C1、C2是用以抵消其較長(zhǎng)接線的電感效應(yīng)，防止產(chǎn)生自激震蕩，接線不長(zhǎng)時(shí)可以不用，C1、C2一般在（0.1~1）μF，輸出端的電容C3、C4用來(lái)改善暫態(tài)響應(yīng)，使瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)，削弱電路的高頻噪聲，C3、C4可用10μF。
由此得到穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖3.10
圖3.10 電源電路圖
在圖中A端輸出+15V，B端輸出+12V，C端輸出+5V，D端輸出-15V，E端輸出-12V、F端輸出-5V，這6種電源可以供我們后來(lái)設(shè)計(jì)器件的備用電源，如：濕度檢測(cè)電路、單片機(jī)電源、A/D轉(zhuǎn)換ICL7135、繼電器的電源等。
3.3.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)
1、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器
能夠完成將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件叫模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱(chēng)A/D轉(zhuǎn)換器。
A/D轉(zhuǎn)換器的種類(lèi)很多，按位數(shù)來(lái)分，有8位、10位、12位、16位。位數(shù)越高，其分辨率也越高，但價(jià)格也越高。
A/D轉(zhuǎn)換器就其結(jié)構(gòu)來(lái)分，有單獨(dú)的A/D轉(zhuǎn)換器；有的A/D轉(zhuǎn)換器帶多路開(kāi)關(guān)；有的帶多數(shù)開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)放大器、采樣/保持及A/D轉(zhuǎn)換器，其本身就是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
A/D轉(zhuǎn)換器按轉(zhuǎn)換原理分：計(jì)算器式A/D轉(zhuǎn)換、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、雙積分式A/D、并行A/D轉(zhuǎn)換、串-并行A/D轉(zhuǎn)換等。在這些轉(zhuǎn)換方式中，計(jì)數(shù)器式A/D線路比較簡(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換速度比較慢，所以現(xiàn)在應(yīng)用很少。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換精度高，多用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及精度比較高的場(chǎng)合。并行及串-并A/D轉(zhuǎn)換速度比較快，多用于雷達(dá)及圖象處理等要求比較高的場(chǎng)合。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換既照顧了轉(zhuǎn)換速度，有具有一定的精度，是目前工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種。目前，絕大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器都采用這種轉(zhuǎn)換方法。
2、 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135
ICL7135是目前市場(chǎng)上廣泛流行的單片集成4位半雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。由于ICL7135具有4位半的精度（相當(dāng)于14位二進(jìn)制數(shù)）、自動(dòng)校零、自動(dòng)極性輸出、單一參考電壓、動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出、自動(dòng)量程控制信號(hào)輸出、價(jià)格低等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于微控制器的應(yīng)用系統(tǒng)和各種精度較高的數(shù)字儀器等領(lǐng)域。[12]
（1） 主要參數(shù)
①CMOS集成電路；②雙積分轉(zhuǎn)換技術(shù)；③單一參考電壓；④采用BCD碼掃描輸出；⑤能用閃爍顯示的方式表示超量程狀態(tài)；⑥具有六路輸入/輸出（I/O）輔助信號(hào)，可以和微處理器相連，進(jìn)行復(fù)雜的控制；⑦具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的過(guò)和欠量程信號(hào)；⑧允許差分輸入；⑨具有自動(dòng)極性辨別功能和自動(dòng)校零電路；⑩雙電源供電；準(zhǔn)確度高0.005%±1個(gè)字；輸入漏電流低 1pA；分辨率高 14位；零讀數(shù)漂移 0.5μV/℃；輸入阻抗高 109Ω；轉(zhuǎn)換速度慢 3次/秒；噪聲低 15μV。
（2）引腳排列合引腳說(shuō)明，如圖3.11
V-：負(fù)電源輸入端，典型值為-5V。
VREF：參考電源輸入端，典型值為1V，參考電壓的精度合穩(wěn)定度將直接影響轉(zhuǎn)換精度。
D5、D4、D3、D2、D1：BCD碼數(shù)據(jù)的位選通信號(hào)輸出端，分別分位萬(wàn)、千、百、十、個(gè)位。
B1、B2、B4、B8：BCD碼數(shù)據(jù)輸出線。
BUSY：轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志輸出端。積分器在積分過(guò)程中（對(duì)信號(hào)積分和反向積分）BUSY輸出高電平，積分器反向積分過(guò)零后輸出低電平。
CLK：時(shí)鐘輸入端。雙極性模式：最高時(shí)鐘頻率為125Hz,轉(zhuǎn)換速度為3次/秒；單極性模式：最高頻率為1MHz，這時(shí)轉(zhuǎn)換速度為25次/秒。
AGND：模擬地，
INTOUT：積分器輸出。
AZIN：自調(diào)零輸入端。
BUFOUT：緩沖放大器輸出端。
REFCAP-：外接參考電容引腳。
REFCAP+：外接參考電容引腳。
INLO：信號(hào)輸入低端。
INHI：信號(hào)輸入高端。
V+：正電源輸出端，典型值為+5V。
DGND：數(shù)字接地。
圖3.11 ICL7135引腳排列圖
POL：極性輸出端。當(dāng)信號(hào)為正時(shí)，POL極性輸出為高電平；輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，POL極性輸出為低電平。
R/：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)換/保持控制端。該端接高電平時(shí)，ICL7135為自動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)， 1/2。一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，該端輸出5個(gè)負(fù)脈沖，分別選通高位到低位的BCD碼數(shù)據(jù)輸出，可利用該信號(hào)把數(shù)據(jù)打入到并行接口中供CPU讀取，這在和微處理接口時(shí)顯得非常重要。
OVERRANG：過(guò)量標(biāo)志輸入端。當(dāng)輸入信號(hào)讀數(shù)超過(guò)轉(zhuǎn)換記數(shù)范圍時(shí)，該引腳輸出高電平。
UNDER：欠量程標(biāo)志輸入端。當(dāng)輸入信號(hào)讀數(shù)小于9%或者更小時(shí)，該端輸出高電
3、ICL7135與單片機(jī)的接口
單片機(jī)與ICL7135接口：ICL7135的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果是動(dòng)態(tài)分時(shí)輪流輸出的BCD碼，因此它與89C51只能通過(guò)并行I/O接口或擴(kuò)展I/O接口與其相連。這里采用并行I/O接口連接，為了節(jié)省I/O接口的開(kāi)銷(xiāo)，使用了74LS157四2選1的選擇器，使萬(wàn)位輸出及其它的三個(gè)標(biāo)志信號(hào)（過(guò)量程、欠量程、極性輸出）與BCD碼數(shù)據(jù)輸出的B8、B4、B2、B1公用89C51的P2.0～P2.3四條I/O接口線。其分時(shí)傳送通過(guò)D5控制74LS157的選擇端SEL實(shí)現(xiàn)。SEL輸入低電平時(shí)選擇1A～3A輸出，輸入高電平選擇1B～3B輸出。因?yàn)槿f(wàn)位只能輸出0或1，是半個(gè)位，所以正好和OR（過(guò)量程）、UR（欠量程）和POL（正負(fù)極性）三位構(gòu)成四位數(shù)據(jù)輸出，供89C51讀取，這樣就可以使用7135的“萬(wàn)”位選通位信號(hào)D5作為74LS157的選擇端控制信號(hào)。[26]
ICL7135與單片機(jī)的接口電路如圖3.12：
圖3.12 ICL7135與單片機(jī)的接口電路
3.3.3按鍵、顯示器設(shè)計(jì)
1、按鍵模塊的設(shè)計(jì)
（1）鍵盤(pán)接口工作原理
鍵盤(pán)可分兩類(lèi)：獨(dú)立式和矩陣式。該設(shè)計(jì)因按鍵比較多，所以選用矩陣式。下面將對(duì)矩陣式鍵盤(pán)做詳細(xì)介紹。
Ⅰ、矩陣式鍵盤(pán)模式以N個(gè)端口連接控制N*N個(gè)按鍵，實(shí)時(shí)在LED數(shù)碼管上顯示按鍵信息。顯示按鍵信息，既降低了成本，又提高了精確度，省下了很多的I/O端口為他用，相反，獨(dú)立式按鍵雖編程簡(jiǎn)單，但占用I/O口資源較多，不適合在按鍵較多的場(chǎng)合應(yīng)用。
Ⅱ、控制方式：先判斷是否有鍵按下。如有，再判斷哪一鍵按下，并得到鍵碼值，然后根據(jù)鍵碼值轉(zhuǎn)向不同的功能程序。
判斷是否有鍵按下的方法：
①向所有的列輸出口線輸出低電平（不能為高電平，因?yàn)槿魹楦唠娖?，按鍵按下與否都不會(huì)引起行線電平的變化），然后將行線的電平狀態(tài)讀入。
②若無(wú)鍵按下，所有的行線仍保持高電平狀態(tài)
③若有鍵按下，行線中至少應(yīng)有一條線為低電平
例如：第2行與第2列交叉點(diǎn)的鍵被按下，則第2行與第2列導(dǎo)通，第2行電平被拉低，讀入的行信號(hào)就為低電平，表示有鍵按下。
Ⅲ、識(shí)別方式：最常用的識(shí)別方法是鍵盤(pán)掃描法。
采用鍵盤(pán)掃描，我們?cè)賮?lái)觀察第2行與第2列交叉點(diǎn)的鍵按下時(shí)的判斷過(guò)程，當(dāng)?shù)?列送出低電平時(shí)，讀第2行為低電平，而其他列送出低電平時(shí)，讀第2行卻為高電平，由此即可斷定按下的鍵應(yīng)是第2行與第2列交叉點(diǎn)的鍵。
（2）單片機(jī)與鍵盤(pán)的接口
本系統(tǒng)有9個(gè)按鍵，采用矩陣式鍵盤(pán)。89C51的I/O口P2.3-P2.5接行線，P2.0-P2.2接列線。對(duì)鍵盤(pán)的檢測(cè)掃描先從P2口的P2.3-P2.5輸出低電平，P2.0-P2.2輸出高電平，從P2口的P2.0-P2.2讀取鍵盤(pán)狀態(tài)。再?gòu)腜2口的P2.0-P2.2輸出低電平，P2.3-P2.5輸出高電平，從P2口的P2.3-P2.5讀取鍵盤(pán)狀態(tài)。將兩次讀取結(jié)果組合起來(lái)就可以得到當(dāng)前按鍵的特征編碼。使用上述方法我們得到9個(gè)鍵的特征編碼。[13]接線圖如圖3.13：
圖3.13 鍵盤(pán)接線圖
（3）按鍵產(chǎn)生抖動(dòng)原因及解決方案
實(shí)際中，在按下某個(gè)鍵時(shí)，被按按鍵的彈簧總會(huì)有輕微的抖動(dòng)，如下圖3.14所示。t1，t3分別是閉和和釋放的抖動(dòng)時(shí)間，抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短與按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5ms-20ms。為確保CPU對(duì)鍵的一次閉和僅做一次處理，必須去抖動(dòng)，這可以分別通過(guò)軟件和硬件兩種方法實(shí)現(xiàn)。如果用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)去抖動(dòng)，那就需要增加必要的元器件這樣就使得電路變的復(fù)雜，而且也不經(jīng)濟(jì)，所以在本例中選用了，選用了軟件去抖動(dòng)的方法。
圖3.14 按鍵抖動(dòng)
具體實(shí)現(xiàn)的方法就是，當(dāng)CPU檢測(cè)到有按鍵按下后通過(guò)軟件延時(shí)（5ms-20ms）一段時(shí)間后再進(jìn)行掃描，如果延時(shí)后檢測(cè)到仍然有鍵按下，這時(shí)才讀取鍵值并存入寄存器，從而達(dá)到了去抖動(dòng)的效果。
（4）竄鍵的處理
用戶(hù)在操作時(shí)常常因不小心同時(shí)按下了一個(gè)以上的鍵鍵的處理一般用軟件的方法解決，也有用硬件方法實(shí)現(xiàn)的，但是用硬件的方法既復(fù)雜有不經(jīng)濟(jì)，而用軟件的方法只需幾行程序就能夠解決，所以在本例中我選用了用軟件的方法完成竄鍵的處理。具體方法如下：
在8951單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中預(yù)先設(shè)定了竄鍵標(biāo)志寄存器。竄鍵標(biāo)志寄存器在行掃描期間用于記錄被按按鍵個(gè)數(shù)，故發(fā)生竄鍵時(shí)竄鍵標(biāo)志必大于01H。CPU在行掃描時(shí)不以發(fā)生第一個(gè)被按按鍵為滿(mǎn)足，而是繼續(xù)完成對(duì)所有鍵的一遍掃描，并在該鍵掃描結(jié)束后根據(jù)竄鍵標(biāo)志來(lái)判斷是否發(fā)生竄鍵。如果未發(fā)現(xiàn)竄鍵，則CPU再進(jìn)行一遍掃描就可以獲得最后放開(kāi)鍵的鍵值了。從而解決了竄鍵的問(wèn)題。
2、顯示模塊的設(shè)計(jì)
（1）LED數(shù)碼管的介紹
LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管組，其結(jié)構(gòu)如圖所示，其中7個(gè)發(fā)光二極管按“8”行排列，用于顯示數(shù)字，字母等符號(hào)，一個(gè)發(fā)光二級(jí)管圓點(diǎn)形狀，右下角用于顯示小數(shù)點(diǎn)，LED數(shù)碼管共陰極和共陽(yáng)極兩種類(lèi)型。[14]
當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一段筆畫(huà)成小數(shù)點(diǎn)亮，對(duì)共陰極顯示器，將共陰極COM接地，在a_q段加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是高電平時(shí)，相應(yīng)段發(fā)光；對(duì)共陽(yáng)極數(shù)碼管，將共陽(yáng)極COM極接高電平，在a_q段幾加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是低電平時(shí)，相應(yīng)段發(fā)光，從而顯示相應(yīng)字符。不同的顯示字符其驅(qū)動(dòng)代碼是不一樣的，發(fā)光二極管每段流過(guò)5mA的平均電流就可以有較滿(mǎn)意的亮度，最大電流不得超過(guò)30A，由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動(dòng)設(shè)備，一般的I/O接口驅(qū)動(dòng)能力是都是有限的，在發(fā)光二極管與接口芯片間要接驅(qū)動(dòng)電路，常用的CMOS或TTL驅(qū)動(dòng)器有：LS7448、LS7449。
（2）單片機(jī)與LED接口
在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中LED顯示器有動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種顯示方式，所謂的靜態(tài)顯示方式就是需要在顯示的字符各段通過(guò)連續(xù)的電流，動(dòng)態(tài)顯示方式就是需要顯示的字符斷續(xù)通過(guò)電流，對(duì)于動(dòng)態(tài)顯示，當(dāng)需要顯示多個(gè)字符時(shí)輪流給每個(gè)字符通以電流，由于輪流的速度很快，發(fā)光二極管的余輝以及人的視覺(jué)暫留等因素，雖然在同一時(shí)刻只有一個(gè)顯示器通電，但人們看起來(lái)都是所有的顯示器都穩(wěn)定的顯示。[22]
動(dòng)態(tài)顯示的特點(diǎn)是：?jiǎn)纹瑱C(jī)既要控制數(shù)碼管的公共端又要控制各段發(fā)光二極管。各數(shù)碼管的相應(yīng)顯示發(fā)光二極管的段選信號(hào)都并聯(lián)起來(lái)，接單片機(jī)的同一個(gè)I/0口，單片機(jī)控制數(shù)碼管公共端的信號(hào)，稱(chēng)為位選信號(hào)，控制數(shù)碼管各顯示字段的信號(hào)稱(chēng)為段選信號(hào)，需要