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1、第1章 绪论随着人们的生活质量的提高，对于健康生活的要求也随之提高，饮食健康成为了人们所关注的重点问题。消毒柜的诞生和普及，适应了人们对于健康生活的要求。本章就本课题的研究意义及研究现状等做详细的概述。1.1 研究意义臭氧技术产品功能强，产品新颖，属高科技环保型产品，符合国家21世纪优先项目计划中的清洁产品行业，而且涉及国内各种产业，潜力极大。由于小型臭氧技术产品对发生器性能要求较低，由于小型臭氧技术产品对发生器性能要求较低，价格便宜，应用面广，因此从八十年代中期开始在我国迅速发展。在国内大市场的吸引下，在短短十几年内，发展了不下十几种小型臭氧产品如矿泉水处理设备、臭氧管、臭氧发生器、空气净化
2、器、消毒柜、消毒盒等。随着人们对消毒柜的需求要求，各厂家也在相继改进自己的产品。同时随着技术的不断发展，消毒柜新品的高技术含量也体现在模糊逻辑化的控制、触摸屏式面板、数码、微电脑液晶显示和纳米等新材料的使用上。可以说，家电产品的新技术已全面使用在消毒柜上了。1.2 研究现状我国臭氧技术的研究及应用起步较晚，70年代中期由华东化工学院、北京环保所、清华大学的水处理技术人员借鉴国外技术，进行了试验性研究。80年代在蛋果蔬易腐食品防霉保鲜、食品加工、杀菌净化领域有一定发展。90年代，臭氧技术进入医疗、家电行业。到目前有机构或企业研究生产、使用和研制用于水消毒、食品加工杀菌净化、易腐仪器储藏防霉保鲜、
3、医疗卫生与家庭消毒净化等方面臭氧产品。但生产单位分解，规模小，技术力量不足，资金短缺，目前最高水平仅停留在1kg/h的水平。按产品应用领域分属国家环保局（建设部）、医药管理局、轻工总会等部门管理。主要部门近来陆续制定了臭氧消毒柜、家用食具消毒柜的二个行业标准。从对家用电器的控制手段来看，经历了两个阶段，在上世纪70年代到80年代，家用电器基本上属于机电控制功能；进入90年代，家用电器出现了智能化，转向电脑控制的智能化型家电，这种智能家电一般通过微控制器（即单片机）实现对家电的控制操作；未来的家电将实现网络化，Bluetooth,HomeRF以及IEEE802.15等标准的制定表明了这个趋势。
4、单片机的产生，使计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统的分支。在单片机产生之前，为了满足工控对象的嵌入式应用要求，只能将通用计算机进行机械加固，电气加固后嵌入到对象体系（如船舰）中构成诸如自动驾驶仪、轮机监控系统等。由于通用计算机的巨大体积和高成本，无法嵌入到大多数对象体系（如家用电器、汽车、机器人、仪器仪表）中。单片机则应嵌入式应运而生，单片机单芯片的微小体积和极低成本，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。单片机应用的意义绝不限于它的功能以及
5、所带来的经济效益上；更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件方法实现了，这种以软件取代硬件，并能提高系统性能的控制技术，称之为控制技术，这标志着一种全新概念的建立。1.3 消毒柜的介绍1.3.1 消毒柜的种类市场上销售的消毒柜品种多样，可根据不同的标准划分它们。按功能分, 有单功能的和多功能的两种。单功能消毒柜通常采用高温或臭氧或紫外线等单一功能进行消毒；多功能消毒柜多采用高温、臭氧、紫外线、蒸汽、纳米等不同组合方式来消毒，能够杀灭多种病毒、细菌。按消毒方式分，有臭氧、紫外线臭氧
6、、红外线高温、超温蒸汽、紫外臭氧加高温等类型。其中，臭氧、紫外线臭氧属于超低温消毒，消毒温度一般在600C以下，适合各类餐具，特别适合于不耐高温的塑料、玻璃制品。而红外线高温、超温蒸汽、紫外臭氧加高温属于热消毒或多重组合消毒方式，消毒温度一般在1000C以上，消毒效果好，适合于陶瓷、不锈钢等耐高温制品的消毒。另有一些双门消毒柜上面一层属臭氧消毒，用于不耐高温的餐具消毒；下面一层是红外线高温消毒，用于给耐高温餐具消毒。按消毒室数量分, 有单门、单门双层、双门及多门消毒柜。单门消毒柜一般只有一种消毒功能；双门消毒柜一般为两种或两种以上消毒方式的组合。一般地说，单门消毒柜适用于集体饭堂和酒店等的餐具
7、消毒，属高温消毒；而双门宜为家庭选用，因为家庭中的餐具一般可分为耐高温和不耐高温两类，而一般的双门柜都具有高温和低温消毒两种功能。按容积大小分, 目前市场上主要有30升、50升、80升、100升、150升、250升、350升等系列。作为日常家用的消毒柜，容积在5080 L、功率600W左右就比较适宜了。按安装方式分，有立式、卧式、壁挂式、嵌入式、落地式、台式、开门式和抽屉式等。目前市场上较流行与整体厨房配套的嵌入式消毒柜，这种消毒柜集食具消毒、烘干、存放于一体，非常实用。近来市场上的消毒柜新品层出不穷，如具有VFD动态显示、数码控制、热风内循环功能的康宝系列消毒碗柜；具有欧式豪华外形，采用微电
8、脑控制，定时开关、自动除臭的老板牌消毒柜； 采用高新纳米磁性门封材料、排气孔特设防虫网，有效杜绝二次污染的美的消毒柜等。1.3.2 消毒柜的物理特性1. 电热食具消毒柜指由电热元件加热空气来消毒食具的食具消毒柜，如市面上常见的单门电热型消毒柜，规定柜内消毒温度应不低于1200C，消毒时间应不少于15min；电热食具消毒柜适用于耐高温于1500C以上的餐具消毒，如陶瓷类碗、盘、茶杯、木筷等。2. 臭氧食具消毒柜指通过臭氧发生器产生的臭氧来消毒食具的食具消毒柜，如市面上各种臭氧保鲜食具消毒柜，规定柜内臭氧浓度应不少于13.6mg/m3，消毒时间应不少于30min；臭氧食具消毒柜适用于非耐高温类餐具
9、的消毒，如塑料制品等。3. 组合型食具消毒柜指由电热消毒室和臭氧消毒室组合而成的食具消毒柜，如市面上流行的双门消毒柜，其结构特征是具有一个低温臭氧消毒室和一个高温电热消毒室，其上下室的要求同上述1、2条规定相同。4. 臭氧加紫外线食具消毒柜指由臭氧和紫外线共同作用而成的食具消毒柜，如广东康宝牌消毒柜，特别适合于大容积消毒，臭氧产生的速度快，浓度分布均匀，消毒时间短。 1.3.3 消毒柜的工作原理食具消毒是利用物理或化学方法杀灭清洗过的食具中病原微生物的过程。市场上五花八门的消毒柜从功能上说，通常只有高温消毒、臭氧消毒和紫外线消毒3种消毒方式，以及它们之间的组合消毒方式，比如目前市场上流行的“上
10、层为臭氧保洁，下层为红外线加热”的消毒方式。1. 电热型消毒柜电热型消毒柜是利用高温发挥杀菌作用。高温对细菌有明显的致死作用。细菌中的蛋白质因受热而发生变性凝固，活性消失，代谢发生障碍，导致死亡。电热型消毒柜,一般以乳白石英管远红外辐射电热元件为热源,对消毒柜内腔及其中的食(饮)具加热,依赖1200C以上的高温,以物理方法杀灭或消除食具上的致命微生物,以达到无公害的目的。乳白石英是高辐射系数的材料，其热惯性小，表面允许温度高，能将输入电能的70%转换为辐射能，因此，柜内传热方式以热辐射为主。红外线对食具表面附着的水分和微生物，具有一定的穿透能力，杀菌效果好。作为能量载体的红外线，具有类光特性。
11、它能以光速直接入射或经柜内壁反射到食具表面，使消毒工作周期相对减短。红外线是直接传播的，被食具遮挡的部位，开成“阴影区”。在消毒柜工作时，柜内的空气和食具托架也被加热。柜内温度场中存在温度梯度，形成流体密度差，产生流体与固体表面之间的对流换热。同时，柜内相接触物体及同一物体上的不同点之间，因存在温差而产生人传导。在加热过程中，在上述三种传热方式的共同作用下，使柜内温度逐渐趋于均匀，以消除消毒“死角”，处于“阴影区”的致病微生物也能被杀灭。2. 臭氧消毒柜臭氧消毒柜是利用臭氧的强氧化性进行消毒。臭氧在常温下为带蓝色的爆炸性气体，有特臭，为已知最强的氧化剂之一，是一种光谱杀菌剂。但是臭氧泄漏会危害
12、人体健康，作业现场空气中允许的阀限值为0.2mg/m3。所以臭氧型消毒柜需在保证臭氧在不泄漏的情况下，保持柜内臭氧的浓度，以确保消毒效果。它是以物理方法产生一定浓度的臭氧气体，依赖生物化学反应杀灭致病微生物。臭氧消毒作为气相消毒，与直接照射的紫外线消毒相比，不纯在“阴影区”或消毒死角，用于食具消毒的效果好。因为臭氧分子接触细菌，才能杀菌，不仅需要一定的浓度，还需要足够的使臭氧分子充分扩散的时间，消毒过程具有积累性。所以为达到预期的消毒效果，柜内需保持一定的臭氧体积浓度及消毒时间。臭氧的杀菌能力还与湿度、温度及压力等空气状态参数有关。因此，应视允许消毒时间长短而选用。当然污染程度和消毒对象是选择
13、臭氧发生装置的浓度和产品规格的基础。消毒柜一旦进入运行状态，就由臭氧浓度建立起物理吸附、化学氧化、微生物杀灭与自然分解四方面综合形成的消毒空间。如根据消毒对象预先设定好消毒时间，当运转一个周期结束后，就可以打开柜门（此时臭氧残留量应不大于0.2mg/m3）完成整个消毒过程。3. 组合型食具消毒柜它是高温杀菌与强氧化消毒相结合，其消毒原理与其上1、2相同。4. 臭氧加紫外线食具消毒柜臭氧加紫外线食具消毒柜是利用紫外线和臭氧作为消毒手段的消毒柜。消毒灭菌使用的紫外灯应是高臭氧紫外灯，紫外线的波长范围是200275nm ，其中杀菌作用最强的波段是250270nm。用于消毒的紫外灯在电压为220V时，
14、辐射的253.7nm紫外线强度应不低于70w/cm2。紫外线辐射能量低，穿透力弱，仅能杀灭直接照射到的微生物，因此消毒时必须使消毒部位充分暴露于紫外线下。紫外灯同时产生臭氧，也起到杀菌作用。两者的共同作用，使常温消毒扩大了灭菌范围，强化了消毒效果。1.4 研究内容目前单片机在家用电器中得到了广泛的应用，本课题旨在通过设计基于单片机技术的消毒柜来熟悉单片机在家用电器中的应用，从而掌握一定的单片机应用电路的设计方法和编程技巧。综合运用所学知识，学会独立分析和解决问题的能力，培养查阅文献，计算机操作和处理以及外文解说和翻译的能力。第1章介绍了本课题的研究背景与研究内容及消毒柜的相关信息。第2章介绍了
15、系统方案的选择。对于各法案进行比较论证。第3章介绍了系统的硬件设计与实现，主要介绍了本系统中重要元器件的选取，各个单元电路的选择、原理及功能。第4章介绍了系统的软件设计，主要介绍本系统的主程序以及各功能模块各完成的功能和流程图。第5章介绍了系统的软件仿真，主要介绍了仿真软件以及本系统的仿真结果。第2章 系统方案的选择2.1 系统概述该消毒柜采用臭氧消毒，具有消毒与加热功能，适合对碗筷等进行干燥和消毒。臭氧消毒指示灯两个，假设分别为LED1，LED2；加热指示灯两个，假设分别为LED3，LED4；消毒按键一个，假设为A1；消毒柜照明按键一个，假设为A2；门吸开关一个，假设为K；按键报鸣器一个。开
16、机时所有的指示灯均熄灭，按一下A1则LED1亮，臭氧发生器开始工作，45分钟后，LED1熄灭，LED2点亮；45分钟后，LED2熄灭，LED3点亮，臭氧消毒结束，进入加热干燥阶段。30分钟后，LED3熄灭，LED4点亮，再经过30分钟后LED4熄灭，整个消毒、加热干燥过程结束。需要不同种类的消毒、加热干燥时，可以通过按A1进行选择，每按一次A1，点亮的LED 指示灯就下移一位，只进行余下的消毒、干燥程序。本消毒柜有四种消毒干燥程序：1. LED1亮：消毒45分钟消毒45分钟加热30分钟加热30分钟2. LED2亮：消毒45分钟加热30分钟加热30分钟3. LED3亮：加热30分钟加热30分钟4
17、. LED4亮：加热30分钟用数码管显示消毒加热的时间，需体现分钟、秒的显示。A2单独控制，按一下A2，点亮照明灯，再按一下A2，关闭照明灯。当A1或A2任何一个按下时，按键报鸣器都会发出“嘟”的声音。门吸开关K，只有当消毒柜门关闭时臭氧发生器才能工作，防止臭氧的泄漏。如果门没关好，则报警器将一直报警，直到将门关好为止。如果在消毒过程中，将门打开，为确保安全，蜂鸣器也将一直报警。2.2 系统方案的选择与论证2.2.1 系统方案的论证方案1：仅由硬件电路实现。根据系统功能的要求，它主要由电源电路、定时电路、臭氧发生电路、加热控制电路、显示电路和报警电路组成。各电路都是由硬件来实现，不涉及到软件的
18、设计。原理框图如图2.1：图2.1 方案一原理框图方案2：由硬件电路加软件设计相结合实现。采用单片机作为主控芯片来实现控制要求，通过软、硬件相结合的方式来完成系统功能。原理框图如图2.2： 图2.2 方案二原理框图2.2.2 系统方案的选择从本设计的功能要求和实现的难易程度来考虑，选用第二种方案。与第一种方案相比较，它存在各方面的优势。从硬件电路设计上来看，采用第一种方案的电路实现复杂，每一个小功能都需要很多元器件构成电路来完成，且操作控制不精确；同时对设计要求的多程序消毒干燥实现起来特别麻烦，工作量比较大；然而第二种方案克服了第一种方案的诸多缺点，电路实现起来显而易见、一目了然；许多的功能主
19、要由软件来实现,除键盘控制模块由硬件电路实现以外，其它模块都以软件进得控制，以软件代替硬件，能够精确实现控制要求，提高了系统的控制精度。键盘控制模块作用是人发出通过按键选择向系统发出命令进行哪种工作过程的操作，状态显示模块的功能是通过LED指示灯显示系统工作消毒或是加热干燥的哪个状态，时间显示的功能通过数码管能让使用一目了然的知道系统工作的时间；消毒、加热，照明模块则是收到单片机的指令后对碗筷进行消毒和干燥，其中照明功能为使用者在黑暗的环境下机进操作提供了方便；报鸣模块的作用是能让使用者确定其所进行的操作；报警电路模块的功能是在当消毒柜门没有关好的情况下给使用者警示，提高了消毒柜的安全性和可靠
20、性。本方案当然也要有电源电路、臭氧发生电路，根据设计的要求，主要是实现单片机的控制功能。第3章 系统硬件电路的设计本章将对系统的硬件电路设计进行介绍，它从芯片的选择到各个电路的设计原理，设计方案都做了详细的阐述。3.1 元器件的选择以及功能3.1.1 单片机的选择单片机的品种很多，从它的成本上分为廉价单片机、常规单片机和高档单片机。高档单片机用于系统比较复杂，要求实现的功能比较多，需要的I/O口比较多的场合。如工业控制系统等。廉价单片机用在要求实现的功能比较单一，被控对象比较少的场合。如家用电器中广泛应用到的、价格低廉的PIC系列的单片机。1. 单片机的选型从以下几个方面考虑:(1)单片机的系
21、统适应性 适应性指单片机能否完成应用系统的控制功能，它主要从以下几个方面体现。单片机的CPU是否有合适的处理能力。单片机是否有系统所需要的I/O端口数.单片机是否含有系统所需的中断源和定时器。单片机片内是否有系统所需的外接口。单片机的极限性能是否能够满足要求。(2) 单片机的市场供应情况我们必须根据市场的供应状况来选择，只能在市场上所提供的机型中选择，特别是将作为产品生产的系统。所以机型应较为流行、性能可靠、有稳定、充足的货源。(3)单片机的可开发性结合上述选型依据，虽然Microchip公司的PIC16C54单片机具有电源电压适应范围宽、抗干扰能力和驱动能力强、价格便宜等特点，是目前家用电器
22、生产中常用的机型。然而对这个系统来说，一个显著的缺点是，它的I/O端口太少。另外由于本人所学的是51系列的单片机和实验室的实验器材的现实情况，该系统选用AT89C51单片机作为主控芯片。AT89C51单片机和80C51单片机是完全兼容的，它与80C51的显著区别在于它内部有一个闪存。2. AT89C51单片机的介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的M
23、CS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）AT89C51引脚图见图3.1：AT89C51的主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道图3.1 AT89C51引脚图 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路（2）AT89C51引脚简介VCC：供电电压。 G
24、ND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，
25、将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.
26、2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要
27、注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部
28、程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3. 震荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.2 蜂鸣器的选择1. 蜂鸣器简介蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、
29、电话机等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 在此我们选择电磁式蜂鸣器，电磁式蜂鸣器又分两种，有源和无源的。有源蜂鸣器直接接上额定电源(新的蜂鸣器
30、在标签上都有注明)就可连续发声，而无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声。 有源要单片机普通IO端口直接高低电平驱动，如果你的单片机端口驱动能力不够可以用三极管驱动。程序也简单，但只能发出一种声音。无源的话要频率驱动，不同频率驱动会发出不同的声音。IO选择上最好是选择定时器的io输出，PWM输出或其他方便生成不同频率输出的端口。程序略复杂， 根据设计要求选择和编程的复杂度选择无源蜂鸣器。1. 蜂鸣器的工作原理蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不
31、了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。通过一个三极管来放大驱动蜂鸣器，原理图见下面图3.2： 图3.2 单片机驱动蜂鸣器原理图如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控制，当P3.7输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。3.2 系统硬件电路介绍3.2.1 单片机最小系统单片机最小系统由单片机，电源电路，时钟电路，复位电路构成。过单片
32、机最小系统通过软件的作用对消毒框的工作进程进行控制。1. 电源电路由于单片机的供电电源为5V，又要保持电压稳定，所以我们必须设计一个5V的直流电源，直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，本电源电路采用采用单相桥式整流电路。电源电路原理图见图4.5:图3.3 电源电路原理图设变压器的原边电压为220V 工频交流电，经整流桥整流后为直流6V。其中Uc起滤波作用。后半部分为集成稳压电路。三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列（正电源）和CW78900系列（负电源）。集成稳电路的确输出主要取决于集成稳压器，由于本电路所采用的集成器为CW7805 所以输出的确电压为+5V
33、，额定输出电流为1.5A。其中C3可以起抵消电感效应，以防止起自激振荡，还可以抑制电源高频脉冲干扰，一般取0.11uF。输出端电容C2 C3用以改善负载的瞬态响应,消除电路的高频噪声,同时也具有消振作用,二级管是用来防止输入端短路时输出电容C3 所储存电荷通过稳压器放电而损坏器件。2. 时钟电路时钟信号通常由两种方式产生：一是内部振荡方式，二是外部时钟方式。在AT89C51芯片内部有一个高增益的反相放大器，其输入端为引脚X1，输出端为引脚X2，而在AT89C51芯片 X1和X2之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器，在单片机内部产生时钟脉冲信号。这就是时钟电路，电路图见图3
34、.4：图3.4 时钟电路电容C1和C2一般取30pF左右，作用是稳定频率和快速起振,而晶体的振荡频率范围通常是1.2MHz-12MHz,晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机运行的速度也就快但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高，对印刷电路板的工艺要求也高。这里我们采用晶振频率为12MHz。故机器周期为1微秒。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内。此方式常用于多片单片机同时工作，以便于各单片机的同步。一般要求外部信号高电平的持续时间大于20ns，且为频率低于12MHz的方波。3复位电路单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于在一个确定的初始状态，并且从这个状态开始工
35、作。复位操作有两种基本形式：一种是上电自动复位，另一种是按键手动复位。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。我们采用按键复位电路,电路图见图3.5：图3.5 复位电路3.2.2 状态显示电路1. 指示电路柜内工作状态通过4只LED指示灯指示，它们分别由单片机的P1.1P1.4口控制。在选择程序时，指示灯根据按键次数来显示相应的位
36、（按第一次只有LED1亮，按第二次只有LED2亮，按第三次只有LED3亮，按第四次则只有LED4亮）。2. 照明电路为方便用户在昏暗环境下使用，设置了照明灯，由P1.0口控制。3消毒和干燥电路因为在此设计中主要体现单片机消毒柜中的控制作用，故这两个电路不在此做详细介绍，用两个发光二极管来代替，消毒电路由接在P1.5上的发光二极管代替，二极管亮则代表启动了臭氧发生电路。干燥电路由接在P1.6上的发光二极管代替，二极管亮则代表启动了干燥电路。图3.6 状态显示电路3.2.3 时间显示电路1. 数码管简介数码管由7个发光二极管组成,行成一个日字形,它门可以共阴极,也可以共阳极.通过解码电路得到的数码
37、接通相应的发光二极而形成相应的字,这就是它的工作原理.基本的半导体数码管是由7个条状的发光二极管排列而成的，可实现数字09及少量字符的显示。另外为了显示小数点，增加了1个点状的发光二极管，因此数码管就由8个LED组成，排列顺序如下图3.7，我们分别把这些发光二极管命名为 a,b,c,d,e,f,g,dp。图3.7 数码管LED数码显示器的内部结构共有两种不同形式，一种是共阳极显示器，一种是共阴极显示器。共阳极接法是把LED的阳极连接在一起，使用时公共阳极接+5V，这时阴极接低电平的段发光二极管就导通点亮，而接高电平的则不亮。共阴极接法是把LED的阴极连在一起，使用时公共阴极接地，这时阳极接高电
38、平的段发光二极管就导通点亮，而接低电平的则不点亮。LED显示器见图3.8：图3.8 数码管共阴共阳接法以及外部引脚图2. 数码管显示在单片机应用系统中，LED数码显示器的显示方法有两种：静态显示法和动态扫描显示法。（1） 静态显示静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，一个89S51单片机可用的I/O端口才32个，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。（
39、2） 动态显示动态显示是把所有显示器的8个笔画段的各同段名端互相并接在一起，并把它们接到字段输出口上。为了防止各个显示器同时显示相同的数字，各个显示器的公共端COM还要受到另一组信号的控制，即把它们接到位输出口上。这样，对于一组LED数码显示器需要由两组信号来控制：一组是字段输出口输出的字形码，用来控制显示的字形，称为段码；另一组是位输出口输出的控制信号，用来控制第几位显示器工作，称为位码。在这两组信号的控制下，可以一位一位地轮流点亮各个显示器显示各自的数码，以实现动态扫描显示。在轮流点亮一遍的过程中，每位显示器点亮的时间则是极为短暂的。由于LED具有余辉特性以及人眼视觉的惰性，尽管各位显示器
40、实际是分时断续地显示，但只要适当选择扫描频率，给人眼的视觉印象就会是在稳定连续地显示，并不察觉有闪烁的现象。动态扫描显示由于各个数码管的字段线是并联使用的，因而大大简化了硬件线路。这两种显示方式各有利弊；静态显示虽然数据稳定，占用很少的CPU时间，但每个显示单元都需要单独的显示驱动电路，使用的硬件较多；动态显示虽然有闪烁感，占用的CPU时间多，但使用的硬件少，能节省线路板空间。 在此选择动态显示方式。原理图如图3.9所示图3.9 单片机控制数码管原理图3.2.4 键盘控制电路图3.10 键盘控制电路按一下A1则LED1亮，臭氧发生器开始工作，45分钟后，LED1熄灭，LED2点亮；45分钟后，
41、LED2熄灭，LED3点亮，臭氧消毒结束，进入加热干燥阶段。30分钟后，LED3熄灭，LED4点亮，再经过30分钟后LED4熄灭，整个消毒、加热干燥过程结束。需要不同种类的消毒、加热干燥时，可以通过按A1进行选择，每按一次A1，点亮的LED 指示灯就下移一位按键报鸣器都会发出“嘟”的声音。如果在消毒或干燥过程中，对于已选定的工作方式不满意，可以通过A3键（复位键）重新选择工作方式。A2单独控制，按一下A2，点亮照明灯，再按一下A2，关闭照明灯。门吸开关S1，只有当消毒柜门关闭时臭氧发生器才能工作，防止臭氧的泄漏。3.2.5 报警电路压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、
42、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.515V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.52.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。蜂鸣器的原理跟发光二极管一样，只要在它的正极加高电平，在它的负极加低电平，就能使蜂鸣器工作，为了提高蜂鸣器的电流，就需要加驱动电路，在这里加PNP型三极管做驱动。在进行键操作时，每按一次，蜂鸣器响叫一声。蜂鸣器由P3.7来控制，从P3.7输出不同频率的方波促使蜂鸣器产生不同音调的声音，以区分功能键按键和灯控键的按键操作，该功能的实现由软件来实现。报鸣电路图见图3.11 图3.11 报鸣电路如果A1键按下，则启动蜂鸣器，延时0.5
43、S时间后再将蜂鸣器关闭，构成提示音，如果在没有关好门的情况下启动臭氧发生电路或者在消毒期间将门打开，蜂鸣器将会一直响，直到将门关好为止。第4章 系统软件设计 本章根据硬件电路，进行系统的软件设计，根据硬件的设计，程序可分为主程序、按键识别子程序、A1键保存子程序、A2键保存子程序、键处理子程序、工作流程执行子程序、定时中断子程序、显示子程序、报警子程序。4.1 主程序 图4.1 主程序流程图在主程序中主要完成对于各中断的初始化，以及键值处理程序的调用。此系统中用到了定时计数器中断0以及外部中断0外部中断1. 定时计数器中断0用来对消毒和干燥程序执行时间进行控制。外部中断0接A1按键，用来选择工
44、作方式。外部中断1接A2键，为照明开关的控制。设置外部中断1为高优先级。然后循环调用键值处理子程序，对于在外部中断0中得到得键值，也就是工作方式进行相应的操作，即再转到各工作方式的处理程序。如果没有外部中断产生，将循环调用键值处理子程序，直到产生中断即有键值为止。4.2 各子程序4.2.1 键值处理子程序在系统中将会循环调用键值处理子程序，对于键的处理没有用到独立式或者矩阵式键盘，而是直接将两个按键A1,A2接到了外部中断0和外部中断1.在外部中断中得到键值。然后转去执行相应子程序，图4.2为键值处理程序的流程框图。图4.2 键值处理子程序流程图在此程序中，开始延时两秒钟的时间，等待外部中断，
45、如果没有则没有键值，这时就不能执行相应的工作方式程序。等待两秒后将直接结束返回主程序。因为在主程序中将会不断的调用这个键值处理子程序，而返回跟调用的时间几微妙相对于两秒的时间来说可以忽略。所以可以认为是在此一直等待中断。有中断后将会得到键值。在两秒的时间内如果对于选择的工作方式不满意，可以重新选择。两秒以后关闭外部中断0，这时将根据键值执行相应的工作方式。4.2.2 时间显示子程序对于时间显示，采用的是动态显示方式。具体方法如图4.3图4.3时间显示子程序流程图此程序将在各工作方式在循环调用，这样就可以将定时的时间，实时的显示。4.2.3 消毒处理子程序消毒处理程序属于工作方式一和工作方式二中
46、的一部分。中间涉及到了报警程序，时间显示程序的调用。首先程序将点亮各阶段所对应的发光二极管，然后判断门是否关好，如果门没有关好将启动报警电路，直到门关好为止。这时程序继续往下，启动臭氧发生电路，启动定时计数器，然后循环的调用时间显示程序，检测门是否被打开，并判断消毒时间到了没有。如果门被打开，启动报警，直到门关好消毒程序继续往下。如果定时时间到了，则关闭定时计数器，并将在定时计数器中断0中用到得各存储单元清零。这个子程序将在各键值处理程序中被调用到。图4.4消毒处理子程序4.2.4 干燥处理子程序 干燥处理程序相对于消毒程序来说比较容易，因为在干燥过程中可以将门打开。不用时刻检测门是否被打开。只需循环调用时间显示以及判断定时时间。图4.5消毒处理子程序4.2.5 报警子程序图4.6 报警子程序流程图报警程序在消毒处理程序在将被调用到，当程序执行到消毒时，会判断门是否关好，在消毒过程中也会判断门是否被打开。如果没有关好则调用此程序。首先将启动蜂鸣器，然后关闭定时计数器。四个数码管全部显示0。直到门关好，关闭蜂鸣器，程序结束。4.2.6 外部中断0子程序外部中断0引脚接的是A1按键，在整个系统的设计中没有用到独立式或者矩阵式键盘。A1键是对工作方式的选择。系统一共有四种工作方式。如果有外部中断产生，a1加1，如果a1的值为5，将a1赋值为1。两秒之内如果没有改变
