摘要本課題主要是遠紅外按摩床控制系統設計。在設計開始之前必須先了解遠紅外按摩床設計要求、實現功能。由此設計硬件電路，并按照要求選擇合適的器件。硬件電路主要是利用單片機作為最小系統，外擴展一系列其他模塊電路來實現功能。主要包括設計霍爾傳感器電路，實現位置控制；設計繼電器電路，控制按摩、震動和遠紅外加熱；設計時針電路，實現實時時間顯示及定時控制；設計電源電路，具有12伏、5伏和6伏輸出等。軟件設計則應根據現有的硬件電路，和制定的工作流程編寫。遠紅外按摩床控制系統的工作原理主要是通過用單片機作為主控部件，霍爾傳感器作為位置采樣部件，固態繼電器及小型雙路繼電器作為開關部件，時鐘芯片作為實時時鐘及定時部件，蜂鳴器作為狀態提示部件，外擴按摩電機，震動電機，遠紅外加熱板，實現按摩床定位按摩，選擇震動，選擇遠紅外加熱及實時時間顯示和定時等功能。除此之外，還可以通過按鍵電路的按鍵進行數據的復位，確定和選擇等操作，以達到能根據用戶的實際需求靈活的修改工作參數，讓用戶可以很方便的尋找到適合的按摩方式。關鍵詞最小系統；硬件電路；工作流程；軟件設計ABSTRACTTHEMAINTOPICISTHEFARINFRAREDMASSAGEBEDCONTROLSYSTEMDESIGNATTHEBEGINNINGOFTHEDESIGNBEFORETHEJIEYUANINFRAREDMASSAGEBEDDESIGNREQUIREMENTS,TOACHIEVEFUNCTIONALTHEDESIGNOFTHEHARDWARECIRCUIT,ANDINACCORDANCEWITHTHEREQUIREMENTSTOCHOOSETHERIGHTDEVICETHEHARDWARECIRCUITISMAINLYTHEUSEOFSINGLECHIPMICROCOMPUTERASAMINIMUMSYSTEM,ANDASERIESOFOTHEREXPANSIONMODULECIRCUITTOREALIZETHEFUNCTIONOFMAINLYINCLUDESTHEDESIGNOFHOLZERSENSORCIRCUIT,TOREALIZETHEPOSITIONCONTROLDESIGNOFRELAYCIRCUIT,THECONTROLMASSAGE,VIBRATIONANDFARINFRAREDHEATINGCLOCKCIRCUITDESIGN,TOACHIEVEREALTIMEDISPLAYANDTIMINGCONTROLDESIGNOFPOWERSUPPLYCIRCUIT,WITHTHE12V,5VOLTSANDTHE6VOLTOUTPUTSOFTWAREDESIGNSHOULDBEBASEDONEXISTINGHARDWARECIRCUIT,ANDMAKETHEWORKPROCESSTOPREPAREFARINFRAREDMASSAGEBEDCONTROLSYSTEMPRINCIPLEOFWORKMAINLYBYUSINGTHESINGLECHIPASTHEMAINCONTROLUNIT,HOLZERSENSORASTHEPOSITIONSAMPLINGPART,SOLIDSTATERELAYANDSMALLDUALRELAYASPARTOFTHESWITCH,THECLOCKCHIPASAREALTIMECLOCKANDTIMINGCOMPONENTS,BUZZERASTHESTATEPROMPTINGPART,SPREADTHEMASSAGEMOTOR,VIBRATIONMOTOR,FARINFRAREDHEATINGPLATEREALIZATIONOFPOSITIONINGMASSAGE,MASSAGEBED,SELECTIONOFVIBRATION,SELECTIONOFFARINFRAREDHEATINGANDREALTIMEDISPLAYANDTIMINGFUNCTIONSINADDITION,BUTALSOTHROUGHBUTTONCIRCUITKEYSFORDATAREDUCTION,IDENTIFICATIONANDSELECTIONOFOPERATION,INORDERTOACHIEVEACCORDINGTOTHEUSERSACTUALDEMANDFORFLEXIBLEMODIFYOPERATINGPARAMETERS,SOTHATUSERSCANEASILYFINDTHESUITABLEWAYOFMASSAGEKEYWORDSMINIMUMSYSTEMHARDWARECIRCUITWORKFLOWSOFTWAREDESIGN目錄第一章緒論111引言112選題背景及現狀2第二章總體方案設計3第三章具體方案設計531單片機的選擇5311選擇AT89C52的理由5312管腳信息介紹732實時時間電路8321計時模式的選擇8322時鐘芯片的選擇8323各管腳的信息介紹833數碼顯示電路的設計933溫度檢測模塊的設計11331溫度傳感器的選擇11332各管腳的信息介紹1234霍爾電路模塊的設計1235電機及加熱模塊的設計13第四章主要硬件元器件簡介1441AT89C52單片機14411AT89C52系列單片機的優點14412AT89C52單片機的內部結構14413AT89C52單片機的引腳功能說明15414AT89C52單片機的時鐘電路16415AT89C52單片機的復位電路1642時鐘芯片（DS1302）18421引腳功能及結構18422注意事項1843溫度傳感器（DS18B20）19431特點19432DS1820使用中注意事項2044AT24C16EEPROM簡介20441特點20442引腳說明2145反相器ULN2003器件21451作用21452接線介紹2246固態繼電器22461固態繼電器的優缺點22462固態繼電器的使用注意事項23第五章功能分析及參數計算2451功能分析24511時鐘功能24512溫度檢測功能24515局部按摩功能24514按摩及熱療功能25515提示報警功能2552參數計算25521復位電路25522數碼管電路的計算26523DS1302時鐘芯片晶振的計算26第六章硬件開發工具簡介2761原理圖的繪制2762畫原理圖元件庫2863電路板設計2864繪制PCB圖2965繪圖總結31第七章軟件系統設計3271系統工作流程圖3272軟件設計33721系統初始化的程序設計33722按鍵掃描子程序設計33723選擇按摩位置的子程序設計35第八章調試過程3681硬件調試3682軟件調試37821調試軟件37822調試程序38第九章結論4191論文總結4192主要工作及結論4293存在問題4294感想42參考文獻44附錄A原理圖45附錄C程序清單47第一章緒論11引言隨著經濟的不斷發展，人民生活水平的不斷提高，溫飽已不再是困擾老百姓的頭等大事，人們已將注意力轉向各種提高精神享受、提高身體機能上。正是如此，各種保健器械如雨后春筍般不斷涌現，諸如按摩床、按摩墊、足浴盆等數不勝數其中，按摩床又以其完善的設計、強大的功能深受人們的青睞。按摩床是根據中國博大精深的經絡學、人體工程學及歐美保健科技，精心設計而成。設計獨特、輕便、簡捷，集推拿、指壓、刮沙、熱灸、遠紅外振動按摩，又分自動與手動兩種工作方式，鑒于其平臺的良好，仍可以對之進行不斷的加裝擴展其功能。輕便型設計，簡潔大方，易安裝，可折疊，空間占用率低等優點，是億萬家庭尋求健康、休閑養生的最佳保健產品。較于其他保健產品，其具有以下三大優點1、脊椎矯正床墊中置有一組電機，在微電腦控制下，按設計程序沿脊柱上下振動，對脊椎彎曲、關節功能紊亂等狀況進行矯正，對脊神經進行疏理，以糾正神經功能異常，維護神經正常傳導。神經功能的正常化能夠增強內臟器官及四肢組織的活力，以此治療多種慢性病癥。2、指壓按摩指壓醫療原理認為，疾病是體內能量得不到釋放和能量不均所引起的。指壓按摩是通過手掌、大拇指、手指關節、肘、膝、甚至是腳底進行施壓，沿著經穴線和能量導管，對全身數百個經穴進行按摩，安全、有效、簡便、易行，對維持健康、增強活力、均衡氣血起著重要的作用。采用獨特的排列方式，利用自身體重對人體背部重要穴位施壓，是一種最自然的指壓按摩方式。3、熱療熱屬于物理能量的一種，其生物學上的變化，在物理治療中是最常用的一種方法。通過對人體表面的經絡、穴位及疼痛的部位施加一定的熱量，給予經絡以溫暖的氣息，使氣血循環通暢，從而達到防病治病的目的。從現代醫學上講，利用熱療，能提高細胞組織的能力，減輕疼痛，增強血液循環，緩解炎癥性反應和水腫，從而發揮其臨床治療效果。12選題背景及現狀當今信息革命的浪潮正在沖擊著世界的每一個角落，世界同一市場正在形成，全球經濟一體化正以超乎尋常的速度發展。因此，保健業所面臨的環境比以往任何時候都要復雜多變，競爭之激烈。在時空上超越了國家、地區的界限，而延伸至全球的每個角落。保健業要有能力對其外部環境的瞬間變化作出快捷反應，必須采用先進的保健技術、戰略理念，以求得長期的生存和發展。按摩床也隨著科技進步，逐步發展，其發展趨勢有智能化、小型化、集成化、專業化、信息化等等。而國內的保健企業卻并未順應時代的潮流，而是只在中低端發展，其生產的產品集成度低，只能近乎于零。本課題的設計采用了最小系統是AT89C52單片機，這種型號的單片機有很廣泛的使用，它結構簡單使用方便，對它的硬件進行設計，這為以后的設計奠定了基礎。再加上隨著社會的迅速發展，用戶對按摩床的要求也越來越高，而本課題研究的遠紅外按摩床具有實時時間顯示及定時控制、加熱振動、溫度報警等功能，這樣更有助于實現按摩床的集成化、智能化，具有很大的經濟效益和社會效益。第二章總體方案設計這次設計主要是針對遠紅外按摩床控制系統的設計。為了使其成本小，功能齊全，所以選擇器件的時候，要科學選擇各原器件，使個器件硬件資源能得到充分的利用。硬件電路主要是利用單片機AT89C52作為最小系統，外擴展一系列其他模塊芯片來實現控制功能。主要包括霍爾傳感器電路、繼電器電路、時鐘電路、電源電路，按鍵控制電路等。其具體硬件結構框圖如圖21所示圖21系統結構遠紅外按摩床的控制系統的主要模塊可劃分為7部分1、時鐘電路。該模塊主要用于遠紅外按摩床的實時計時。2、顯示模塊。該模塊主要用于遠紅外按摩床的實時顯示和定時的倒計時顯示，便于用戶了解實時時間和按摩的進程。3、溫度檢測模塊。該模塊主要用于完成對遠紅外按摩床的溫度檢測。4、霍爾電路模塊。該模塊主要用于實現位置采樣，并送入單片機，用于了解按摩部位的狀況，使單片機及時作出決策。5、電機及加熱模塊。該模塊主要完成的是對按摩床的主電路進行控制1，按摩電機的控制；2，振動電機的控制；3，加熱電路的控制。利用固態繼電器和普通繼電器的組合對三個主電路進行控制，達到弱電控強電的目的，有效的保護用戶。單片機最小系統顯示模塊溫度檢測模塊霍爾電路模塊電機及加熱模塊蜂鳴器提示模塊按鍵輸入指示時鐘電路6、按鍵輸入指示模塊。該模塊負責響應按摩機的20個按鍵輸入信號，并利用指示燈顯示當前工作狀態。7、蜂鳴器提示模塊。該模塊完成的是按摩床的報警和工作提示，在一般工作情況下，蜂鳴器都會發聲報警（例如超溫報警，超時報警）。第三章具體方案設計31單片機的選擇這次硬件設計采用型號為AT89C52的單片機，其管腳圖如圖31所示圖31AT89C52管腳示意圖311選擇AT89C52的理由此次選擇了芯片AT98C52單片機，由于該單片機的內部ROM為8KB，比AT89C51單片機的多了4KB；而且內部RAM（256B）也比51系列的單片機（128B）多了128B，這樣就避免了因為存儲空間不足而進行的存儲器擴展，大大方便了設計的工作，而且也減少了因擴展而增加的成本價格；另一方面，52系列的單片機擁有8個中斷源，3個定時/計數器，具有比其他型號單片機更完整的功能。而且52系列單片機能和51系列單片機的指令完全兼容，這樣就為在處理一些51系列指令的時候提供了方便，進而使由單片機組成的最小系統功能更加完善。另外，52系列單片機選用的晶振頻率為110592MHZ。通常用110592MHZ晶振頻率是為了得到標準的無誤差的波特率，具體計算過程如下如我們要得到9600BIT/S的波特率，晶振頻率為110592MHZ和12MHZ，定時器1為模式2，SMOD設為0，分別看看那所要求的TH1為何值。代入公式對于110592MHZ9613259/12561MTH5TH對于12MHZ0/127上面的計算可以看出使用12MHZ晶振頻率的時候計算出來的TH1不為整數，而TH1的值只能取整數，否則它就會有一定的誤差存在不能產生精確的9600BIT/S波特率。當然一定的誤差是可以在使用中被接受的，就算使用110592MHZ的晶體振蕩器也會因晶體本身所存在的誤差使波特率產生誤差，但晶體本身的誤差對波特率的影響是十分之小的，可以忽略不計。此外，我們選擇AT89C52而沒有選擇AT89C51的單片機，這是因為前者多了一個T2定時器，在進行通信的過程中，我們要選用不同的波特率，所以只能選用方式1和方式3，其速率是取決于定時器1或定時器2的定時值（溢出速率）。AT89C51和AT89C2051等51系列芯片只有兩個定時器，定時器0和定時器1，而定時器2是89C52系列芯片才有的。這樣就使該控制系統具有更全面的功能。312管腳信息介紹此次設計主要利用單片機AT89C52作為主導模塊，擴展其他功能模塊。P0口主要控制按鍵的選擇功能如表31；P1口主要用于輸出按摩電機的啟停信號、正反轉信號、振動電機的啟停信號、熱療信號和蜂鳴器的報警信號如表31。P2口主要用于控制數碼顯示電路在數碼管上顯示時間結果。P3口主要用于輸入霍爾傳感器的位置采樣信號。時鐘振蕩器如圖32所示此次總的采用內部（見圖32左圖），其中振蕩電路中的電容有兩種材料可以選擇，一種是石英晶體，另一種是陶瓷諧振器；前者要求電容容量在30PF左右，后者為40PF左右，所以考慮到成本方面的問題，此次設計中采用石英晶體。電容容量不能過大或過小，這是因為電容的容量過大或是過小會影響到振蕩頻率的高低、震蕩器工作的穩定性、起振的難易程度及溫度的穩定性。表31P0和P1口的定義圖32振蕩電路但是用戶也可以采用外部振蕩電路（見圖32右圖），這時時鐘脈沖接XTAL1，即內部時鐘發生器的輸入端，而且XTAL2懸空。但是外部時鐘脈沖對最小高電平持續時間和最大低電平持續時間要求比較嚴格，這樣就會增加實現的難度，所以選擇了內部振蕩電路。32實時時間電路在確定了單片機的型號后，我決定按照之前劃分的功能模塊進行設計。首先進行的是實時時間模塊的設計，該模塊主要用于遠紅外按摩床的實時計時，便于用戶了解實時時間。P0口引腳功能特性P1口引腳功能特性P01按摩選擇鍵P10蜂鳴P02開關鍵P11反轉P03按摩鍵P12振動P04振動鍵P13加熱P05熱療鍵P14運轉P06時間時鍵P07時間分鍵321計時模式的選擇首先我考慮到單片機本身可以計時，這樣可以簡化設計，無需增加太多器件就可達到計時的目的。但考慮到實時的要求和用單片機計時會耗費不多的資源，所以我決定放棄用單片機計時，選用時鐘芯片計時。322時鐘芯片的選擇在放棄利用單片機計時之后，我開始搜集并比較現有的計時芯片。在參考了資料后，我選取了2種芯片進行比較、篩選，分別是都是美國DALLAS公司的DS1616和DS1302，通過比較他們的功能和成本方面的問題來決定選擇哪一型號的芯片。DS1616是美國DALLAS公司推出的一種帶實時時鐘的集成數據采集記錄器件。它由控制邏輯、實時時鐘、通信端口、溫度傳感器、A/D轉換器等構成。片內還集成了1個范圍在4085攝氏度的溫度計和3路A/D通道。DS1302也是美國DALLAS公司推出的一款計時器件。其可以工作于24小時模式和AM/PM的12小時模式。器件采用了簡單的I2C三線通信方式，便于節省芯片和與之接口的微處理器的管腳的數量。芯片有著2055V的寬供電電壓范圍，并且功耗很低，在20V供電時僅耗300MA電流。從設計的難易度、時鐘工作方式、經濟型和節約資源的角度綜合來考慮，我選擇使用DS1302時鐘芯片作為本次設計的計時芯片。323各管腳的信息介紹X1、X2連接32768KHZ晶振,為芯片提供計時脈沖。GND電源地。RST復位引腳。I/O數據輸入、輸出引腳。SCLK串行時鐘輸入。VCC1、VCC2主電源與后備電源引腳。另外，時鐘芯片DS1302與單片機的連接僅需要3條線，即SCLK、I/0、RST。33數碼顯示電路的設計在這次硬件的設計中，最后的環節就是把數據輸入到數碼顯示電路上進行顯示，數碼顯示的方式有兩種一種是動態顯示，另一種是靜態顯示。在這兩種顯示方式中，靜態顯示是指需要顯示的字符的各字段連續通電流，所顯示的字段連續發光；動態顯示是單片機依次發出段選控制字和對應哪一位LED顯示器的位選控制信號，顯示器逐個循環點亮。適當選擇掃描速度，利用人眼的“留光”效應，使得看上去好像這幾位顯示器同時在顯示一樣，而在動態掃描顯示控制中，同一時刻，實際上只有一位LED顯示器被點亮。基于以上的原理，動態顯示每個時刻都要顯示，所以會有時間的停留，大約每一位要停留1MS，再加上動態顯示顯示的亮度沒有靜態顯示高，而且靜態顯示占用單片機的時間比較少，接線也比較簡單，所以硬件的成本也比動態顯示的稍高一些，綜合兩種顯示的性能和成本情況，我選擇采用靜態顯示進行顯示。在確定了顯示方式之后，接下來就是選擇數碼顯示器件，鑒于要實現時鐘顯示，就必須擴展I/O口。要擴展I/O口，就要選用移位寄存器或利用外部RAM擴展LED。首先，我考慮的是串行輸入的移位寄存器，因為串行的接線比較簡單，這一方面能減少錯誤的肯能性，另一方面能降低設計的硬件成本；這次需要將數據顯示在數碼管上，所以需要并行輸出，基于這些要求，我選擇了74HC595系列的移位寄存器和8位LED數碼管。其具體的電路圖如圖38所示圖3774HC595的管腳示意圖QS引腳級聯輸出端。該芯片的QS引腳是為移位寄存器之間的級連而設計的。當需要使用兩片或以上的移位寄存器時，需要將此引腳接到下一移位寄存器的串行輸入端。CLR是主復位（低電平）引腳，本設計中接高電平，保證不復位。SLCK為存儲寄存器時鐘輸入引腳，該引腳接在P22引腳上，在RLCK的上升沿，即由單片機輸出的SP脈沖的上升沿，將在八位位移緩存器的數據存入到八位平行輸出緩存器。SCLK為移位寄存器時鐘輸入引腳，該引腳接在單片機的P23引腳上，在單片機輸出的SCLK的上升沿，將輸入引腳上的數據移入到移位寄存器中；SDA為數據輸入引腳，第一個移位寄存器的該引腳連接在P20引腳上，其他的SDA接前一個移位寄存器的數據輸出引腳；Q0Q7引腳為平行三態輸出，該引腳和數碼管的八段管腳相連接，進行數碼管的顯示；CLR是主復位（低電平）引腳，本設計中接高電平，保證不復位；EN為輸出有效引腳，當/E的控制訊號為低電平時，平行輸出端的輸出值，等于平行輸出緩存器所儲存的值。而當EN的控制訊號為高電位，也就是輸出關閉時，平行輸出端會維持在高阻抗狀態，在此次設計中直接接地。在本設計中，74HC595的工作過程如圖圖35圖35工作過程其工作過程大致可分為三步1、串行移位寄存器輸入端SCLK的上升沿，數據串入74HC595的移位寄存器；2、串行鎖存器輸入端SLCK的上升沿，將移入數據寄存器中的數據送入到輸出鎖存器，鎖存輸出；3、EN置高電平，鎖存器的數據并行輸出。33溫度檢測模塊的設計該模塊主要是完成對遠紅外按摩床的溫度進行檢測，在達到或超過溫限后，發出報警信號。DOTST鎖存器移位寄存器8位數碼管CP331溫度傳感器的選擇在此次設計中，要用溫度傳感器進行溫度檢測并及時提交單片機判斷，防止加熱溫度過高，避免用戶產生不舒適感和有效保護用戶的人生安全。在參考了各種資料后，我選出了三種測溫芯片，進行比較以此來挑選出最佳芯片進行測溫，分別為PT100，AD590和DS18B20。這三者是最常用的三個類型的溫度傳感器，分屬于傳統的分立式溫度傳感器、模擬集成溫度傳感器和智能溫度傳感器。PT100溫度傳感器，是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它的阻值約為1385歐姆。但是它必須無A/D功能，再利用它時我們要另外設計A/D轉換電路。AD590是美國模擬器件公司生產的模擬溫度集成傳感器，其主要特點是功能單一、測溫誤差小、響應速度快、體積小、微功耗，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準。DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后推出的一種改進型智能溫度傳感器，其獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用無需外部元件可用數據總線供電電壓范圍為30V至55V無需備用電源測量溫度范圍為55C至125。在對比了三者的設計的難易度、工作方式、購買價格等因素，我決定選用DS18B20作為設計的溫度傳感器。332各管腳的信息介紹DS18B20管腳示意圖,如下圖35DQ為數字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。34霍爾電路模塊的設計由于本次設計中要求檢測按摩部件的位置，而位置檢測最常用的就是霍爾傳感器，它的檢測對象是磁場，故按摩部件上裝有磁性剛體以便其檢測到。本部分電路最主要的元件就是霍爾傳感器，也叫霍爾接近開關，由于本次設計做的是控制系統的設計，而霍爾傳感器只是作為檢測元件將信號提供給控制系統，雖然它不在控制系統中，但其原理我們必須要掌握，這樣我們才能更好的理解電機的動作，為程序的編寫也提供了一些思路。霍爾器件以霍爾效應為其工作基礎。所謂霍爾效應，是指磁場作用于載流金屬導體、半導體中的載流子時，產生橫向電位差的物理現象。當電流通過金屬箔片時，若在垂直于電流的方向施加磁場，則金屬箔片兩側面會出現橫向電位差。半導體中的霍爾效應比金屬箔片中更為明顯，而鐵磁金屬在居里溫度以下將呈現極強的霍爾效應。圖36DS18B20管腳示意圖按照霍爾器件的功能可將它們分為霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數字量。霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達M級）。取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍寬，可達55150。所以此次設計中采用的是霍爾開關器件。應用如圖37要實現不同身體部位的準確按摩，共需要六個霍爾傳感器，分別代表如下身體部位肩部，下肢，腰部，下半身，上半身，全身。將它們固定在按摩床的六個位置上，它們的任務是檢測按摩部件的位置，并反饋給單片機。37霍爾元件應用35電機及加熱模塊的設計該模塊主要完成的是對遠紅外按摩床的主電路進行控制1，按摩電機的控制；HVCCINNSVCCGNDGND磁鋼2，振動電機的控制；3，加熱電路的控制。通過利用固態繼電器、普通繼電器和反相器ULN2003的組合對三個主電路進行控制，達到弱電控強電的目的，有效的保護用戶。設計方案為鑒于上文表31已經介紹了P0口的定義，我現在就直接就不一一介紹電路圖如圖38。由于本次設計中采用的普通電磁繼電器型號為CMP7SDC12V，它的吸合電壓為9V，即代表繼電器執行吸合動作時，其兩端的電壓差不低于9V，則ULN2003輸出的電壓值需小于3V，為一個低電平，故單片機向ULN2003輸入的是高電平，同理該繼電器的釋放電壓為12V，即ULN2003輸出的電壓值不小于108V，其大小值為高電平，則單片機向輸入的為低電平。P11和P12是單片機向ULN2003輸入信號的引腳，它們都服從上面的規律，P12控制的是振動電機的繼電器，信號經過兩次反相，故當P12為“0”時，K1吸合，振動電機接通電源，開始振動。由于振動電機僅需正轉，故設計中采用小型雙路繼電器，而用固態繼電器控制按摩電機正反轉。故P11和P14這兩個信號是相互配合工作的，當P14為“0”時，電機才能運作，這時當P11為“1”時，繼電器不吸合，電機正轉，反過來當P11為“0”時，電機反轉。P13信號控制的固態繼電器是用來控制遠紅外加熱系統，當P13為“0”時，固態繼電器開通，從而接通加熱系統的電源；反之，當P13為“1”時，停止加熱。圖38電機及加熱模塊電路圖第四章主要硬件元器件簡介41AT89C52單片機AT89C52單片機是ATMEL公司的8位FLASH單片機89系列的一種，89系列的單片機的最大特點就是片內含有FLASH存儲器。ATMEL89系列單片機是以8031核構成的。所以，它和8051系列單片機是兼容的。411AT89C52系列單片機的優點1、內部含FLASH存儲器本次畢業設計選用該系列的單片機的最主要的原因就是因為該系列的單片機內部是FLASH存儲器。在系統的開發與調試過程中可以十分容易的進行程序的修改。同時，在系統工作過程中，能有效地保存一些數據信息，即使外界電源損壞也不影響到信息的保存。2、和8051插座兼容我們所使用的教材主要是關于INTEL公司生產的MCS51系列的單片機。而89系列單片機的引腳是和8051一樣的，所以，當用89系列單片機取代8051時，可以直接進行代換。412AT89C52單片機的內部結構AT89C52單片機的存儲器組織是把程序存儲器和數據存儲器截然分開，各有自己的尋址系統、控制信號和功能。下面根據其硬件結構和功能著重分析AT89C52單片機的存儲器組織。1、程序存儲器AT89C52可尋址64KB程序存儲器，低地址區可采用駐留在片內的程序存儲器。2、數據存儲器AT89C52可直接尋址64KB外部數據存儲器，用MOVX訪問外部數據存儲器。它的內部數據存儲器是最靈活的也是最為復雜和難以掌握的地址空間現著重介紹如下內部數據存儲器分為物理上獨立的且性質不同的幾個區。低128字節的地址空間（00H7FH）為RAM區，對該區既可以直接尋址也可以間接尋址，高128字節地址空間（80HFFH）對于AT89C52來說為特殊功能寄存器。如圖41所示。堆棧指針SP是一個8位寄存器。它指示出堆棧頂部在內部RAM塊中的位置。系統復位后，SP初始化位07H，使得堆棧事實上由08H單元開始。考慮到08H1FH分屬于工作寄存器區13，最好把SP值設置的比較大些。圖41AT89C52數據存儲器413AT89C52單片機的引腳功能說明AT89C52單片機采用40腳雙列直插式封裝方式，40根引腳中包括32根并行I/O引腳，4根控制線引腳，2根電源線引腳，2根外接晶振引腳，單片機的如圖42所示。各個并行口P0P3就不再說明了。1、控制信號引腳RST/VPD,ALE/PROG，、/PSEN和/EA/VPPRST/VPD復位信號輸入端。當振蕩器工作時，在此引腳上出現兩個以上的機器周期的高電平（由低到高跳變）時，將使單片機復位。在VCC掉電時，此引腳可以接上備用電源，由VPD提供備用電源，以保持內部R145AM中數據。ALE/PROGADDRESSLATCHENABLE/PROGRAMMING地址鎖存允許信號輸出端。訪問外部存儲器時，ALE為低8位地址鎖存允許輸出信號。/PSENPROGRAMSTOREENABLE訪問外部程序存儲器讀選通信號輸出端。在訪問外部程序存儲器讀取指令時，/PSEN在每一個機器周期內兩次有效，但在訪問外部數據存儲器或訪問內部程序存儲器讀取指令時/PSEN無效。圖42引腳排列圖/EA/VPP（ENABLEADDRESS，VOLTAGEPULSEOFPROGRAMMING）/EA為訪問外部或內部程序存儲器控制信號。2、時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2接外部晶振和微調電容的一端，在單片機內部接反相放大器的輸入端。3、主電源引腳VSS和VCCVSS接地端；VCC電源輸入引腳，正常工作時接5V電源。414AT89C52單片機的時鐘電路AT89C52單片機芯片內部有一個高增益反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2。在XTAL1和XTAL2兩端接上石英晶體和微調電容就可構成自激振蕩器。電容器C1，C2通常取30PF左右，它們對振蕩頻率由微調作用。振蕩頻率通常取3MHZ至24MHZ范圍內；我用的晶振頻率為11059MHZ，根據式41可求得（式41）式中為波特率控制位；為時鐘振蕩器頻率；為定時器時間常數。SMODFOSCX本次畢業設計采用如圖43所示電路接線。415AT89C52單片機的復位電路熟悉使用PC機的人都知道，一旦PC機出現問題如死機的情況，就要使用機箱上的復位按鈕。那么單片機出現不能正常工作時，就要對單片機進行復位，這是對單片機的初始化操作。單片機復位后，程序計數寄存器PC初始化為0000H，單片機表41寄存器狀態表寄存器內容寄存器內容PC0000HTH000HACC00HTL000HB00HTH100HPSW00HTL100HSP07HTH200HDPTR0000HTL200HP0P30FFHSCON00HIP000000BSBUF不確定256132XFOSCSMOD波特率IE0000000BPCON00000BTMOD00H從0000H地址單元開始執行程序。要使單片機可靠的復位，必須使RST/VPD引腳保持兩個機器周期以上的高電平，一般上電復位時間需要大于10MS。復位后，片內各個寄存器的狀態如表41所示常用的復位操作電路有以下幾種方式上電自動復位、按鍵手動復位兩種方式。上電復位電路是利用外部復位電路的RC充電來實現的，上電后，電源對通過電阻對電容進行充電，充電時間常數為RC。本次設計采用的電路如圖44所示。圖43時鐘電路圖44上電復位電路42時鐘芯片（DS1302）DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、星期、月、日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為25V55V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號或RAM數據。DS1302內部有一個318的用于臨時30PC1JT11059C230PXTAL1XTAL200性存放數據的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。421引腳功能及結構DS1302的引腳排列,其中VCC1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續運行。DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電。當VCC2大于VCC102V時，VCC2給DS1302供電。當VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電。X1和X2是振蕩源，外接32768KHZ晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數據傳送。RST輸入有兩種功能首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節或多字節數據的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數據傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數據傳送，I/O引腳變為高阻態。上電運行時，在VCC20V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數據輸入輸出端雙向，SCLK為時鐘輸入端。下圖為DS1302的引腳功能圖45和連線圖46422注意事項要特別說明的是備用電源B1，可以用電池或者超級電容器01F以上。雖然DS1302在主電源掉電后的耗電很小，但是，如果要長時間保證時鐘正常，最好選用小型充電電池。可以用老式電腦主板上的36V充電電池。如果斷電時間較短幾小時或幾天時，就可以用漏電較小的普通電解電容器代替。100F就可以保證1小時的正常走時。DS1302在第一次加電后，必須進行初始化操作。初始化后就可以按正常方法調整時間。圖45DS1302封裝圖圖46DS1302連線圖43溫度傳感器（DS18B20）DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。431特點1、獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。2、測溫范圍55125，9位測溫分辨率05，如表45。3、多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，最多只能并聯8個，實現多點測溫，如果數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸的不穩定。4、工作電源35V/DC5、在使用中不需要任何外圍元件6、測量結果以912位數字量方式串行傳送表45溫度分辨率表432DS1820使用中注意事項DS1820雖然具有測溫系統簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題1、較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS1820與微處理器間分辨率（位）溫度最大轉換時間99375MS101875MS11375MS12750MS采用串行數據傳送，因此，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。2、在DS1820的有關資料中均未提及單總線上所掛DS1820數量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS1820，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛DS1820超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統設計時要加以注意。3、連接DS1820的總線電纜是有長度限制的。4、在DS1820測溫程序設計中，向DS1820發出溫度轉換命令后，程序總要等待DS1820的返回信號，一旦某個DS1820接觸不好或斷線，當程序讀該DS1820時，將沒有返回信號，程序進入死循環。這一點在進行DS1820硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。44AT24C16EEPROM簡介考慮到AT89C52本身存儲器不大，所以我們得另外外接一個程序存儲器AT24C16。AT24C16是串行電可改寫及可編程只讀存儲器。它寫入不需要加高電壓，操作可靠性高，讀寫壽命可達100萬次，數據可保存100年。信息傳輸采用2線I2C串行接口標準。AT24C16的結構尤其停邏輯、串行控制邏輯、地址比較器、地址計數器、數據輸出回答邏輯、存儲陣列等組成。AT24C16內部含有2048字節的存儲空間，分成8個區，每區有16頁，每頁有16字節，需要11位地址對其內部字節進行尋址。441特點1、低電壓和標準運轉電壓2、硬件數據保護的寫保護腳3、8字節記錄（1K，2K），16位記錄（4K，8K，16K）寫模式4、允許部分寫記錄5、高可靠性442引腳說明它的引腳情況如圖47所示。引腳的功能和意義如下VCC5V電源。GND地線。SCL串行時鐘輸入端。在時鐘的上升沿，把數據寫入EEPROM；在在時鐘的下降沿把數據從EEPROM讀出來。SDA串行數據輸入/輸出端，用于輸入和輸出串行數據。由于在EEPROM內部，SCL和SDA是漏極開路結構的，所以使用時需外接上拉電阻。A0，A1，A2芯片地址引腳。A0，A1，A2在使用時不接入電路。圖4724C16管腳示意圖WP寫保護端。通過此引腳可提供硬件數據保護。當把WP接地時，允許芯片執行一般的讀寫操作；當把WP接到VCC時，則對芯片實施寫保護。45反相器ULN2003器件反相器是可以將輸入信號的相位反轉180度，這種電路應用在摸擬電路，比如說音頻放大時鐘震蕩電路等。在本次設計中之所以用到ULN2003，主要是用它來驅動12V的普通繼電器。由于單片機的I/O口無法直接驅動繼電器，需要放大處理才能實現控制繼電器的通斷。451作用ULN2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中。可直接驅動繼電器等負載。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。該電路的特點如下ULN2003的每一對達林頓都串聯一個27K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統。452接線介紹ULN2003芯片連線圖如圖4846固態繼電器固態繼電器SSRSOLIDSTATERELAYS是一種無觸點通斷電子開關,它利用電子元件如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件的開關特性，可達到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，為四端有源器件，其中兩個端子為輸入控制端，另外兩端為輸出受控制端。461固態繼電器的優缺點1、優點1高壽命，高可靠由于沒有運動的零部件，因此能在高沖擊，振動的環境下工作，由于組成固態繼電器的元器件的固有特性，決定了固態繼電器的壽命長，可靠性高。圖48ULN2003連線圖2靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好固態繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅動功率低，可與大多數邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅動器。3快速轉換固態繼電器因為采用固體器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。4電磁干擾小固態繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。2、缺點1導通后的管壓降大，可控硅或雙相控硅的正向降壓可達12V，大功率晶體管的飽和壓降也在12V之間，一般功率場效應管的導通電阻也較機械觸點的接觸電阻大。2半導體器件關斷后仍可有數微安至數毫安的漏電流，因此不能實現理想的電隔離。3由于管壓降大，導通后的功耗和發熱量也大，大功率固態繼電器的體積遠遠大于同容量的電磁繼電器，成本也較高。4電子元器件的溫度特性和電子線路的抗干擾能力較差，耐輻射能力固態繼電器也較差，如不采取有效措施，則工作可靠性低。5固態繼電器的負載與環境溫度明顯有關，溫度越高，帶負載能力越低。462固態繼電器的使用注意事項1、在選用小電流規格印刷電路板使用的固態繼電器時，因引線端子為高導熱材料制成,焊接時應在溫度小于250、時間小于10S的條件下進行，如考慮周圍溫度的原因，必要時可考慮降額使用，一般將負載電流控制在額定值的1/2以內使用。2、各種負載浪涌特性對SSR的選擇許多被控負載在接通瞬間會產生很大的浪涌電流，由于熱量來不及散發，很可能使SSR內部可控硅損壞,所以用戶在選用繼電器時應對被控負載的浪涌特性進行分析,然后再選擇繼電器。使繼電器在保證穩態工作前提下能夠承受這個浪涌電流，一般在選用時遵循上述原則，在低電壓要求信號失真小可選用采用場效應管作輸出器件的直流固態繼器；3、使用環境溫度的影響固態繼電器的負載能力受環境溫度和自身溫升的影響較大，在安裝使用過程中,應保證其有良好的散熱條件。4、在具體使用時,控制信號和負載電源要求穩定，波動不應大于10，否則應采取穩壓措施。5、在安裝使用時應遠離電磁干擾,射頻干擾源，以防繼電器誤動失控。6、固態繼電器開路且負載端有電壓時,輸出端會有一定的漏電流，在使用或設計時應注意。第五章功能分析及參數計算51功能分析511時鐘功能設計要求是顯示實際時間，每次按摩床關機后時間總會終止，難道要像電腦一樣內置一電池。最后我想到利用手表的設計，設置調節按鍵，通電即可選擇按鍵FJ（時間時鍵）和SHJ（時間分鍵）進行實時時間的調節。512溫度檢測功能該功能主要是完成對遠紅外按摩床的溫度進行檢測，在達到或超過溫限后，發出報警信號。通過利用DS18B20完成對按摩床熱療溫度的檢測，并反饋給單片機處理。515局部按摩功能按摩床的按摩方式分為局部按摩和全身按摩。局部按摩又分為上半身按摩、下半身按摩、肩部按摩、腰部按摩和下肢按摩等五種按摩方式。局部按摩主要利用霍爾電路進行位置的采樣。我選用的霍爾元件是開關型的霍爾元件，利用貼在床面下的磁片和霍爾元件，當磁片與霍爾傳感器之間的磁場霍爾傳感器會在霍爾效應的影響下動作，反饋給單片機判定。514按摩及熱療功能該功能的實現主要依靠固態繼電器和普通繼電器的組合完成對按摩床主電路的控制1，按摩電機的控制；2，振動電機的控制；3，熱療電路的控制。利用固態繼電器和普通繼電器的組合對三個主電路進行控制，達到弱電控強電的目的，有效的保護用戶。515提示報警功能該功能的實現的主要依靠電路中的蜂鳴器來完成。開機時，當KGJ按下時，蜂鳴器會鳴響三聲，提醒用戶已上電。按停止鍵，蜂鳴器響一聲，提示按摩床已停止。按摩時間到，蜂鳴器則會響10聲，提示用戶。52參數計算此次所設計的遠紅外按摩床控制系統設計的硬件電路主要分這樣幾大塊復位電路，數碼顯示電路，電源電路。部分電路的參數計算如下521復位電路復位電路的主要作用是讓單片機在必要的時候進行復位，讓其從程序的開始執行，例如單片機死機，這就必須讓其復位。而復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種。這次設計中采用的是上電自動復位（如下圖51），電容和電阻的選取依據時鐘電路的晶振頻率來計算出來，一般只要高電平保持時間大于兩個機器周期就能使單片機可靠的復位。式51）由此可以知道選用的電阻和電容是符合要求的。MSTSKFRCVUCITE2003762147/50圖51自動復位圖522數碼管電路的計算數碼管的工作電壓是1721V左右，而系統提供的最低電壓為5V，之間有3V左右的差值，所以我考慮用二極管分壓。硅二極管一般的正向工作電壓VF為07V，可以通過串45個二極管來達到分壓的目的。計算如下式52）VVFU27045數碼管通過串四個二極管的方法，數碼管的電壓基本達到要求。523DS1302時鐘芯片晶振的計算這個晶振其實就像一個極其標準的時鐘，不論是哪種芯片，都要不斷的以這個時鐘頻率為基準，進行各種工作。DS1302的X1和X2管腳所連接晶振是32768K的晶振32768K152這也就意味著信號經過15次分頻得到1HZ的秒脈沖，這樣就可以直接計時了。第六章硬件開發工具簡介本次設計所用到的硬件開發工具主要，是電路圖設計軟件PROTELDXP。在硬件設計中不可避免的要繪制電路原理圖SCH，電路板PCB圖，以及進行某些電路的模擬仿真，那么PROTELDXP是首選的設計軟件。下面介紹一下電路圖設計軟件PROTELDXP的主要的功能以及在使用中常碰到的問題。61原理圖的繪制在PROTELDXP中設計電路原理圖，首先設置好該軟件繪圖的相關參數。在設計原理圖環境中進行一些重要參數的設置1、設置圖紙、柵格和標題欄（如圖61）圖61圖紙設置在SCH環境中圖紙默認大小為B號圖紙。一般我們選用A4圖紙，以方便打印。啟動DESIGN/OPTION菜單就可以進入設計環境設置窗口。我所使用圖紙的尺寸，統一選為A4大小，圖紙方向為水平方向使用圖紙，標準標題欄。為了方便元件的放置和連線，一般都是顯示可視柵格，以幫助認定元件的位置；捕捉柵格用于將元件、連線等放置在柵格上；而電氣柵格用于連線，一般要求捕捉柵格的距離