正文 自动干手器的设计

自动干手器设计

引言

自动干手器是一种高档卫生洁具，广泛应用于学校、机场车站、宾馆酒店、体育场等公共场所的洗手间。当洗手后，将双手伸在自动干手器的出风口下，自动干手器会自动送出舒适的冷风或者热风，迅速使你的双手去湿吹干，而当你把手一离开自动干手器的吹风口时它又自动停风关机，可达到不要毛巾擦干手上水分和防止疾病交叉感染的要求。市场上的自动干手器的控制电路大多使用555时基电路和数字集成电路。由于采用电阻，电容等分立元件较多。电磁干扰较强。工作不稳定。本设计采用单片机进行电路控制，克服了以上缺点。而且用单片机和红外感应设计的干手器还具有实现烘手时间可调、能够显示干手器的倒计时间等具有人性化的功能。

国内外发展方向及现状

随着红外技术的高速发展，红外焦平面阵列技术出现了，并且迅速得到发展。美、英、法、德、日、加拿大、以色列等西方发达国家都在竞相研制和生产先进的红外焦平面阵列摄像仪，其中美国在红外焦平面阵列传感器的发展水平方面处于遥遥领先地位，其焦平面阵列规模已达2048×2048元，已接近与可见光硅CCD摄像阵列水平。日本在世界上最先实现了100万像元集成度的单片式红外焦平面阵列等种类产品推向市场，抢占商机，法国、荷兰、瑞典、英国、德国和意大利等在非制冷红外热摄像仪技术的发展方面，已显示出其处于前沿的竞争地位。

此外，加拿大、以色列、韩国、澳大利亚、波兰、新加坡的一些公司和机构都在尽力发展先进红外焦平面阵列热摄像仪技术，竞争已遍及全球几大洲。

近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发展，与西方的差距正在逐步缩小，有些设备的先进性也同西方同步。如目前已能生产面积小于

30um21000×1000像素的探测器阵列，由于采用了基于锑化铟的新器件，目前已达到了分辨率小于0.01℃的温差，使对目标的识别达到更高的水平。

1 绪论

1.1 课题背景

近年来，随着人们生活水平的日益提高，人们对卫生的关注越来越高。人们常用洗手来控制细菌传播，但很多人往往忽略了洗完手后使手变干的步骤，因此导致洗手效果的减弱。英国的一项新研究显示，选择让手变干的正确方法有利于防止手上残留细菌传播与繁殖。英国布拉德福德大学等机构的研究人员在新一期《运用微生物杂志》上申报说，洗手是有效去除细菌的方法，但还不能去除所有

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的细菌，如果随后不使用正确的方法让手变干，残留的细菌会在湿润的环境中继续生长扩散。因此，让手变干的方法正确与否也对手上细菌的控制起着至关重要的作用。调查显示，在运用纸巾、借助各类“干手器”等方法中，运用干手器最能防止细菌的扩散。因此，研究符合市场需求的干手器对提高人们的生活质量有一定积极的意义。

1.2 课题研究的目的和意义

我们都知道，卫生和环保是21世纪人们最关心的话题之一。设计符合市场需要的环保节能产品对提高人民的生活质量有着积极意义，为了使人们洗手之后能够有效地防止细菌的再次扩散，我们迫切的需要具有人性化与智能化的东西来干手，让我们在使用时候能保持愉快的心情。

1.3 课题研究内容

本次设计以单片机为核心，用红外感应原理来检测人体信号。当单片机检测到人体信号后。通过单片机来控制数码管显示倒计时间，并控制继电器闭合来控制电吹风的开关来实现干手器的设计。设计的自动干手器能完成以下功能：（1）用单片机设计自动干手机，能自动识别人手的伸进与离开，在人手伸进干手可工作范围内，干手机工作，手离开则立刻停止工作。（2）一次工作设定时间为15秒。此时间可以通过硬件改变，最大30秒。（3）用数码管显示干手机设定的时间并在干手机工作时显示此次工作倒计时时间，当不工作时不显示任何时间。（4）使用选择开关选择输出冷风或热风，分别满足不同温度天气的使用。

1.4工作原理

自动干手机的工作原理只是采用一种红外线控制的电子开关，当有人手伸过来时，红外线开关将电热吹风机自动打开，人离开时又自动将吹风机关闭。成品的自动干手机将红外线控制开关和电热吹风机制作为一体，根据这个基本原理，用一只普通的电热吹风机，加装一个红外控制开关，就可组成一个自动千手器，其效果与成品自动干手器是一样的。该红外线自动干手器电路由红外线发射器、红外线接收放大器和开关控制器组成。

根据设计任务与要求,当人们需要干手时，人们把手靠近干手机时，自动干手机会自动打开加热装置和吹风装置，一段时间后会自动停止，并可以调节加热和吹风的时间。

2 方案论证

2.1 方案一：

采用如图2--1的电路框图，红外感应模块用红外对管来实现。由单片机产生

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4000HZ的方波信号，驱动红外发射管向下发射红外线脉冲。当有手伸到干手器下面时，发射的红外线脉冲被反射回来，由红外接收管接收并转换为电信号，电信号经运放进行信号放大后得到的方波信号送至单片机P3^4端口，从而实现对人体信号的采集。当单片机检测到人体信号后，通过软件来控制数码管显示倒计时间，并控制继电器闭合来控制电吹风的开关来实现干手器的设计。

用红外对管来 AT89S52 数码管显示 检测物体信号 通过控制继电器闭合来控制电吹风开关 时间控制按键

图2--1 方案一电路框图

2.2 方案二

采用如图2--2的电路图，红外感应模块用热释电传感器处理芯片BIS0001和人体热释探头来实现，当有行人进入热释电红外传感器(PIR)的探测区内时，PIR便将检测到的人体辐射出的红外信号转换为低频(0.5～9Hz)电信号，加至BISS0001的运算放大器的输入端(14脚)，经放大、滤波和信息处理后，在其输出端（2脚）输出有一定延时的高电平控制信号。将得到的高电平信号输入单片机端口，也可以实现对人体信号的采集。当单片机检测到人体信号后，通过软件来控制数码管显示倒计时间，并控制继电器闭合来控制电吹风的开关来实现干手器的设计。

用人体热释探头来检测人体 信号 通过控制继电器闭合来控制电吹风开关 AT89S52 数码管显示 时间控制按键 图2--2 方案二电路框图

2.3 系统方案对比论证

从以上的两个方案中，很容易看出，方案一电路简单，系统稳定性好，符合

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设计的要求。方案二电路复杂，输出的信号有延时，而且感应人体信号时并不是很稳定。所以，综合考虑选择方案一，这样设计的自动干手器具有成本低、稳定性好的特点。

3 硬件电路

3.1 硬件电路的设计原理

硬件电路主要由晶振电路、复位电路、数码管显示电路、继电器电路、红外感应电路和电吹风电路组成。本设计采用AT89S52单片机完成整个系统的控制流程。红外感应模块用红外对管来实现人体信号的采集。由单片机产生4000HZ的方波信号，驱动红外发射管向下发射红外线脉冲。当有手伸到干手器下面时，发射的红外线脉冲被反射回来，由红外接收管接收并转换为电信号，得到的电信号经过运放进行信号放大后得到的方波信号送至单片机P3^4端口，从而实现对人体信号的采集。当单片机检测到人体信号后，通过软件来控制数码管来显示倒计时间，并控制继电器闭合来控制电吹风的开关来实现干手器的设计。

3.2 硬件设计的系统框图

系统的主要设计框图如图3--1所示。

用红外对管来用红外对管来 AT89S52 时间控制按键

检测人体信号检测人体信号 通过控制继电通过控制继电器闭合来控制器闭合来控制电吹风开关电吹风开关 数码管显示 图3--1硬件设计的系统框图

3.3 硬件电路的芯片介绍

3.3.1 单片机AT89S52介绍

单片计算机即单片机，其全称为单片微型计算机（Single—Chip Microcomputer）。由于单片机原来就是为了实时控制应用而设计制造的，因此，亦称为微控制器（Microcontroller）,就是将CPU、RAM、ROM、定时/记数器和各种输入/输出(I/O)接口(如并行I/O口、串行I/O口和A/D转换器)等多种接口电

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路都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

本电路是用单片机来实现的,单片机种类繁多，不过又以MCS-52系列的单片机使用最广泛。而且本设计的主要功能和52系列的单片机用途很合适，所以我们选用ATMEL公司的52系列芯片。 AT89S52具有下列主要性能： ·8KB可改编程序Flash存储 ·全静态工作：0Hz～24MHz ·三级程序存储器保密 ·128×8字节内部RAM ·32条可编程I/O线 ·2个16位定时器/计数器 ·6个中断源 ·可编程串行通道 ·片内时钟振荡器 AT89S52的引脚及功能

AT89S52单片机的管脚说明如图3--2所示。 (1) 主要电源引脚

①VCC 电源端 ②GND 接地端

(2) 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

①XTAL1 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。

②XTAL2 接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。 (3) 控制或与其它电源复用引脚RST、ALE//PROG、/PSEN和/EA/VPP

①RST 复位输入端。 当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

②ALE//PROG 当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）[6]。 ③/PSEN 程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号。当

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1234567891011121314151617181920P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7RSTP3.0(RXD)P3.1(TXD)P3.2(INT0)P3.3(INT1)P3.4(T0)P3.5(T1)P3.6(WR)P3.7(RD)XTAL2XTAL1GNDVCCP0.0(AD0)P0.1(AD1)P0.2(AD2)P0.3(AD3)P0.4(AD4)P0.5(AD5)P0.6(AD6)P0.7(AD7)EA/VPPALE/PROGPSENP2.7(A15)P2.6(A14)P2.5(A13)P2.4(A12)P2.3(A11)P2.2(A10)P2.1(A9)P2.0(A8)4039383736353433323130292827262524232221图3--2 AT89S52的管脚

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TMOD的高4位是控制T1的字段（T1——P3.5 定时器/计数器1外部事件脉冲输入端）。

M1（TMOD.5），M0（TMOD.4）

用M1，M0来控制定时器/计数器的4种工作方式： 方式0：M1=0，M0=0. 13位定时/计数方式 方式1：M1=0，M0=1. 16位定时/计数器

方式2：M1=1，M0=0. 8位初值自动重新装入的8位定时/计数器 方式3：M1=1，M0=1. 仅适用于T0，分为两个8位计数器，T1停止计数 定时器/计时器控制寄存器TCON

TCON是一个8位的特殊功能寄存器，对应的地址为88H，可为寻址。 控制字的格式和含义：

TF1（TCON.7）,TF0(TCON.5)---T1、T0计数溢出标志位

设计的程序用TO计数，T1计时，T0、T1都工作于自启动、方式2。故TMOD=ox15；

本程序需要用10ms的定时，由单片机晶振Fosc=12MHz，所以机器周期T=12*t0=12*（1/12MHz）=1us设定定时器T1初始值为X，则：（2^16-X）*1us=10ms 从而可知定时器T1初始值X=65536-10000=55536=d8f0H，因而可得到定时10ms计算频率的程序： #define TIMER_H 0xd8； #define TIMER_L 0xf0；

定时计数器T2具有时钟输出方式，当RCLK=TCLK=0，T2OE=1，C/T’=0时，T2处于时钟输出方式，T2的溢出脉冲从P1.0输出，输出脉冲的频率f由下式决定：f=Fosc/[4*(65536-(RCAP2H,RCAP2L))]

本设计需要产生一个20 KHz的方波信号来调制红外线发射，由20×1000=12×1000000÷(65536-(RCAP2H,RCAP2L)(RCAP2H,RCAP2L)=65386=ff6aH #define RCAP2_H 0xff； #define RCAP2_L 0x6a；

得

5系统制作及调试

5.1 系统制作

单片机的应用开发可分为以下四个过程：

（1）硬件系统设计调试。如电路设计、PCB印制板绘制等。 （2）应用程序的设计。如程序的构思、用软件编写等。

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（3）应用程序的调试。对硬件进行在线调试，在调试中不断修改、完善硬件及软件。

（4）系统脱机运行检查。进行全面检查，针对出现的问题修正硬件、软件或总体

设计方案。

5.2 电路板的制作

电路设计好以后，需要用画图软件对电路图经行设计。PCB板的设计也是一个十分重要的内容，在画图中器件的布局要合理，围绕核心元件布局，考虑实际的元件连接，那样设计的电路图才较美观。电路线条的大小要注意，过小的线条腐蚀的时候容易被腐蚀掉。自己第一次画图的时候没有注意焊盘的大小，导致钻孔之后得到的电路板焊接情况不理想。经过改进后得到理想的电路板。

5.3 硬件调试

在制作完硬件后，我根据设计的步骤要求我对自己的硬件电路板进行了调试工作，首先是检测器件的好坏，是否正常工作，导线是否导通等。具体的实现方法是先检测电容、电阻及导线是否短接，采用的工具是万用表。在测试的时候发现红外感应电路中的运放器LM358没有工作，经检查是地线没有接好。接着检查各个引脚的信号，给电路接通电源，大概用手摸一下元器件是否发热，有的话，关掉电源，进行再次检测；没有的话，则测试所有芯片的VCC端电压是否达到要求，接地端是否都接地，无误后，则开始对电路中所用到的引脚进行信号波形测试，所使用的工具最好是示波器。在测试中发现红外感应输出的波形不甚理想，经检查是输入方波信号经过电容后波形会上漂，所以在电路中增加了一个上拉电阻，使得输出的波形达到理想状态。最后进行联机调试。调试的时候，采用的是也是部分调试。原来测试的时候能够检测到单片机，但是再次检测时发现电脑检测不到单片机。将检查发现单片机和下载线都没有问题。最后经过逐步排查发现是晶振坏了，通过换好的晶振使得单片机正常工作。

5.4 软件调试

本设计系统的控制程序是采用C51语言编程，编程所采用的软件是Keil uVision3 MCS-51编程软件。关于单片机C语言软件调试，在语句中出现的语法错误，该软件会提示出来，以便于更正。因此，软件调试主要的工作是检查头文件是否正确，是否与单片机的端口地址相匹配。其次，就是检查初始化程序的正确性，根据设计的要求定义正确的初始化程序，为后面程序的执行做好铺垫作用。然后就是根据软件实现步骤逐个检查程序的可行性，以及程序的嵌套性是否都能达到设计的要求。在编译的过程中发现软件找不到T2定时器，经过多次检查是自己漏写了头文件“sfr T2MOD = 0xC9;”经过改正后系统达到了初步预期的结果。在调试的时候发现红外感应误判的情况较严重。经过修改程序，使新的程序能够

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对红外感应接收到的频率进行再次确认之后才进行相应的操作。使得误判的情况基本消失。

5.5整机调试

整机调试主要是测试按键时候符合要求，接线时候正确等。通过各个模块的、各个功能的测试并改进最终使得设计的系统达到预期的目的。

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6 结论

经过一个学期的努力，顺利的完成了毕业设计所要求的任务。期间，我收集了大量的关于红外感应和单片机方面的资料，经过比较分析得出此设计方案。

本课题设计的自动感应干手器，硬件方面的主要设计在于主动式红外感应电路和单片机控制电路的设计和制作，然后用电吹风就能实现冷风和热风的功能了。这样就能实现了一个自动干手器的设计。

本设计所制作的基于单片机控制的干手器能够实现自动识别人手的伸进与离开，在人手伸进干手机可工作范围内，干手机工作，手离开则立刻停止工作。用数码管显示干手机设定的时间并在干手机工作时显示此次工作倒计时时间，当不工作时不显示任何时间。使用选择开关选择输出冷风或热风，分别满足不同温度天气的使用。

通过毕业设计我不但学到了很多新的知识，而且巩固了原来学过的知识，把所学的东西贯通起来，能够把硬件的知识和软件的知识很好的结合在一起，学会如何使软件与硬件配合工作。还学会了在调试过程中遇到问题的解决方法，验证电路的可行性，对自己以后的学习和工作有很大的好处。

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致 谢

不知不觉，毕业设计就要结束了。我的毕业论文也已经整理完毕，达到了预期的结果。毕业设计的完成意味着我的大学学习生活即将结束，从此我将进入一个新的人生旅途、开始一段崭新的生活和工作。在此，我衷心地感谢所有在我上课期间教过我知识的老师。

老师渊博的学识、严谨的治学态度和为人给了我很大的教育，这些将使我终身受益。在此，我衷心感谢老师给予我的帮助和教育。真诚感谢给予我热情帮助和关注的所有人。

在校期间，这里给我留下了美好的回忆。特别是在我即将踏上工作岗位的同时，毕业设计整个过程给了我这样一个锻炼的机会，使我加深了对以前知识的理解和巩固，拓宽了知识面，也提高了我对所学知识的综合应用能力。祝愿母校能够培养更多对社会有贡献的人才！

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参考文献

[1] 《单片机微型计算机与接口技术》[M]. 李群芳,张士军,黄建，北京：电子工业出版社，

2005

[2]单片机原理及接口技术（第3版）[M]. 李朝青编 北京航天航空大学出版社，2005 [3] 单片机原理与接口技术，李华．北京：清华大学出版社，33－80．

[4] 单片机C51程序设计教程与实验[M]. 祁伟, 杨亭.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5] 电路设计与制版Protel 98[M]. 谈世哲,胡少宏.北京：人民邮电出版社，1998 [6] 张茂青,吴坚,胡继康等.AVR单片机在新型干手机中的应用[J].江苏电器,2003（03）：27～

29,38

[7] 现代电子技术, 张杨.2011(01):143～145

[8] Tomas C.Bartee. Computer Architecture and Logic Design. McGraw-Hill Inc.1991 [9] 模拟电子电路基础. 王卫东，西安电子科技大学出版社, 2003.2 [10]数字电子技术基础（第五版）. 阎石， 高等教育出版社，2006.5.

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附 录

附录一：单片机控制原理图

附录二：红外感应原理图

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附录三：单片机控制程序

#include sfr T2MOD = 0xC9; #define TIMER_H 0xd8 #define TIMER_L 0xf0 #define RCAP2_H 0xff; #define RCAP2_L 0x6a;

//定时器2的初值，20kHz的红外发射频率

//定时器1的初值，10ms的定时计算接收频率

#define FREQUENT_MIN 190 //频率比较范围 #define FREQUENT_MAX 220

1

#define START #define STOP 2 #define RUNNING 3 #define INVERIFY 4 #define HAVE_INVERIFY 5 #define SETINGTIME 6

#define LEDPORT P0 #define KEYPORT P1 sbit LED_0=P2^1; sbit LED_1=P2^0; sbit Relay_0=P1^3; sbit KEY_0=P1^6; sbit KEY_1=P1^5; sbit KEY_3=P1^4;

void Time2_xkHz_inital(); 化

void Start_timing(unsigned char settime); //开始倒计时 void LED_bit_print(unsigned char num, unsigned char printdata); void LED_all_print(unsigned char printdata); void delayms(unsigned int ms); unsigned char GetKeyboardVal();

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//方波发生初始化 //红外频率检测初始

void frequent_test_inital();

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volatile unsigned int timecount,settimecounter;

volatile unsigned char timesecond,ctrlcount,Flag,settime; unsigned char code

LED_tab[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90}; main() {

unsigned char key; Relay_0=1; Flag=START; settime=15;

Time2_xkHz_inital(); delayms(2000);

frequent_test_inital(); timesecond=0; while(1) {

if(Flag==RUNNING) {//显示 }

else if(Flag==SETINGTIME) { }

key=GetKeyboardVal(); switch(key) {

case 1: {

if(Flag!=RUNNING) {

if(settime>0)settime--; settimecounter=0; Flag=SETINGTIME;

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LED_all_print(timesecond);

LED_all_print(settime);

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} break;

}

case 2: { if(Flag!=RUNNING) { if(settime<30)settime++; settimecounter=0; Flag=SETINGTIME;

} break;

}

}

}

}

void T1_interrupt() interrupt 3 using 2 {

unsigned int fre_count; TF1=0; TR1=0; TR0=0;

if(Flag==RUNNING) { timecount++; if(timecount==100) { timecount=0; timesecond--; if(timesecond==0) { //停止吹风

Relay_0=1;

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//定时器1中断程序

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