动车组WC控制节点设计光机电一体化课程设计论文.docx

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1、 光机电一体化测控系统综合实践 动车组WC控制节点设计院系： 机电学院测控技术与仪器 班级： 测控1101 1103 组号： 第16组 组员： 何美星（11222008） 白明霞（11222001） 郑斌斌（11222080） 张旭东（11222026） 时间：2014年6月25日-2012年7月24日光机电一体化测控系统综合实践设计任务书 课程设计题目：WC控制节点设计功能要求：WC实现车内厕所的控制。能够进行有人/无人检测显示，能够在旅客离开后自动进行冲洗。并监测污物容器的液位，在液位达到限度时关闭厕所。本组任务：1、采用MCS-51单片机为核心设计WC控制系统，包括液位检测、有人无人检测

2、、占用状态显示、冲水控制等。2、设计调试红外热释电传感器的检测电路，要求避免误动作任务难点：1.WC节点的模拟与控制；2.WC节点的传感器选择与电路设计。任务解析：1.WC占位检测部分；2.WC有无人状态显示部分；3.污物池液位检测部分；4.水龙头、马桶自动冲水部分；5.通信部分。组员分工： 张旭东 测控1103 11222026整体方案研究与确定，整体单片机程序编写与确定，整体硬件电路运行与调试，与主控节点通信。何美星 测控1101 11222008整体方案研究与确定，整体硬件电路设计连接与调试，传感器选择，硬件电路运行调试。白明霞 测控1101 11222001整体方案研究与确定，LCD显

3、示及相关检测程序编写，Proteus仿真与调试。郑斌斌 测控1103 11222080整体方案研究与确定，水龙头、马桶自动冲水功能硬件设计与实现，硬件电路调试，资料整理及撰写设计报告书。摘要本文以当下发展迅速的动车组为设计背景，以动车上WC的智能控制为基础，基于51单片机设计了整套多功能控制节点。通过查阅资料设计出所需电路图，并利用Proteus软件工具进行仿真调试，最后使用红外热释电感应模块、P89v51单片机芯片、小型液位浮球开关、s0913三极管、继电器、YM1062液晶显示屏、电磁阀等元件搭接出简易的WC智能节点控制电路，实现了检测WC是否被占用和占用状态的液晶显示、感应水池和感应马桶

4、自动冲水以及WC污物池液位检测和处理等几个功能，完成了课程设计要求。关键词：动车 WC 单片机 检测执行 显示目录1 总体方案61.1动车和列车控制网络61.2 整体方案61.3 各部分功能简介71.3.1 WC占用状态检测71.3.2 感应水池、马桶自动冲水71.3.3 浮球液位开关部分71.3.4 液晶显示72 系统硬件设计72.1 主要元器件简介72.1.1 P89v51单片机72.1.2红外热释电模块92.1.3 s8050三极管102.1.4 继电器102.1.5 浮球液位开关112.1.6 YM1602液晶显示器112.1.7 电磁阀122.2调理电路132.2.1 红外热释电调理

5、部分132.2.2 浮球液位开关调理部分133 系统软件设计143.1 软件主要功能143.1.1 单片机P1.0口检测红外热释电模块的信号143.1.2 单片机P1.4口检测液位传感器输出信号143.1.3单片机与主控节点通信143.2 整体流程图154 结语15动车组WC控制节点设计1 总体方案1.1动车和列车控制网络动车一般指承载运营载荷并自带动力的轨道车辆；但在近现代的动力集中动车组中，动车更接近传统列车中的机车的角色，这类动车一般不承载运营载荷。在中国，时速高达200或以上，并使用CRH和谐号列车称为“动车组”。控制网络技术作为现代列车的关键技术，在世界范围内得到了越来越广泛的应用。

6、目前，世界上主要列车电气部件供应商都推出了基于网络的控制系统。比如Siemens 的SIBAS 32 铁路自动化系统、ADtranz 公司的MITRAC R 列车通信和控制系统、Alstom 公司的A- GATE R 控制系统以及日本三菱、东芝公司的TCMS 列车控制监视系统等。近年来，随着用户对控制网络的开放性、性价比等要求的提高，以及基于网络的远程诊断与维护、旅客信息与舒适性支持等新需求的提出，IEC TCN 列车通信网络，WorldFI ，LonWorks，CAN，工业以太网以及无线网络等技术都在车载控制系统中找到了它们最合适的应用场合，控制网络在列车上的应用将呈现出多种技术并存、相互竞

7、争和融合的局面。由于铁路运输在世界上不同地区和国家的特点和竞争程度不同，不同的国家或地区的列车控制网络技术采用了不同的技术开发路线和模式。1.2 整体方案本设计以动车上WC为背景，基于51单片机，搭接硬件电路和编写程序，主要用以实现WC占用检测及显示、感应水池和马桶自动冲水、污物池液位检测处理和与主机通信等功能。为了这些功能的实现，我们用P89v51单片机、红外热释电感应模块、LCD液晶显示器、s8050三极管、浮球液位开关、继电器、电磁阀等元件搭接简易电路图，整体方案流程图如下。液晶显示YM1602单片机P89v51调理电路红外热释电模块光电开关电磁阀 浮球液位开关风扇调理电路1.3 各部分

8、功能简介1.3.1 WC占用状态检测本部分使用安装于WC门位置的光电开关对是否有人进入WC进行检测。有人进入，则发送信号至单片机，显示有人；之后检测到人再次经过，则发送信号至单片机显示人已离开。1.3.2 感应水池、马桶自动冲水通过红外热释电模块对特定区域范围内人体动作的感应，判断是否有人需要使用水池或马桶，检测到有人即发送信号至单片机，打开电磁阀并延迟一定时间。特别地，对于感应马桶，在检测到人离开特定区域时也要发送信号使电磁阀打开冲水。1.3.3 浮球液位开关部分此部分是通过使用浮球液位开关来检测WC污物池内污物容量，当容量达到设定界限时，则使得浮球开关闭合，接通电路，单片机驱动显示屏显示污

9、物池已满信息，禁用WC。1.3.4 液晶显示 通过单片机程序编写显示字型码，本系统中的液晶显示屏能显示的信息有：“WC nobody door open”、“people in door close”、“people still in door close”、“people away door open”、“WC ordure full door close”。2 系统硬件设计任何一个测控系统均需要硬件部分来具体实现，本组设计的WC检测控制节点通过使用简单芯片搭接出硬件电路，实物如图1.图1.硬件电路实物图2.1 主要元器件简介2.1.1 P89v51单片机P89V51RD2 是一款80C51

10、 微控制器，包含64kB Flash 和1024 字节的数据RAM。(1)特性P89V51RD2 的典型特性是它的X2 方式选项。利用该特性，设计工程师可使应用程序以传统的80C51 时钟频率（每个机器周期包含12 个时钟）或X2 方式（每个机器周期包含6 个时钟）的时钟频率运行，选择X2 方式可在相同时钟频率下获得2 倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰(EMI)。80C51 核心处理单元；5V 的工作电压，操作频率为040MHz；64kB 的片内Flash 程序存储器，具有ISP（在系统编程）和IAP（在应用中编程）功能；通过软件或

11、 ISP 选择支持12 时钟（默认）或6 时钟模式；SPI（串行外围接口）和增强型UART；PCA（可编程计数器阵列），具有PWM 和捕获/比较功能；4 个8 位I/O 口，含有3 个高电流P1 口（每个I/O 口的电流为16mA）；3 个16 位定时器/计数器；可编程看门狗定时器（WDT）；8 个中断源，4 个中断优先级；2 个DPTR 寄存器；低 EMI 方式（ALE 禁能）；兼容 TTL 和CMOS 逻辑电平；掉电检测；低功耗模式掉电模式，外部中断唤醒；空闲模式；DIP40，PLCC44 和TQFP44 的封装；(2)功能框图(3)管脚图2.1.2红外热释电模块(1)原理概述热释电红外线

12、传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大 图2.红外热释电外观探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。图2为红外热释电的

13、外观图。本次实验所用的为新款大透镜BISS0001红外人体检测组件，这款是采用红外专用芯片BISS0001芯片设计的人体传感模块，它最大的优点是性能稳定可靠，应用资料齐全。 模块有三个输出脚，标有“5V”的是正电源，标有“GND”的是地，标有“OUT”的是输出脚，有人活动输出3V高电平，无人输出0V低电平，图中右上角有一个触发模式切换跳线帽，中间和H连接为重复模式，只要检测区域有人模块就一直有输出，这种模式一般称为电平输出，中间和L连接为不重复模式，这种模式下即使检测区域有人活动模块也会自动停止输出一段时间（封锁延时）然后再检测，这种模式一般习惯称为脉冲输出。模块上的105黄色电位器是动作输出

14、延时调整，就是检查到人体后输出延时若干秒高电平信号的时间，调节范围0.3秒18秒，顺时针延时变长，出厂默认9秒。如果需要光控功能，可以在CDS位置接上一个光敏电阻，光敏电阻选市场常见的品种即可。 模块采用低功耗稳压器件7133A-1，可以保证在很宽的输入电压下稳定提供3.3V的工作电压，确保模块能正常工作。技术参数：1、工作电压：DC4.520V（内部稳压成3.3V）2、电平输出：有人3V高电平，无人0V低电平3、感应角度：120度4、静态电流：小于40A5、感应距离：0.58米6、触发延时：可调5-120秒范围7、触发方式：H：重复/L：不重复8、透镜直径：28毫米（可以选配小透镜）9、外形

15、尺寸：PCB外形尺寸:32*24*25mm,螺丝孔距28mm，螺丝孔径2mm；2.1.3 s8050三极管(1)概述半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。9013型三极管是NPN型，在本系统中被用作电路放大功能。 图3.三极管管脚图(2)参数集电极-发射极电压 25V集电极-基电压 45V射极-基极电压 5V集电极电流0.5A耗散功率 0.625W

16、结温150特怔频率 最小 150MHZ放大倍数：D64-91 E78-112 F96-135 G122-166 H144-220 I190-300管脚排列顺序：E、B、C2.1.4 继电器(1)概述继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。(2)工作原理电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过 图4.继电器外观一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电

17、磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。 图5.继电器内部原理2.1.5 浮球液位开关1、液位传感器的选择本次课程实践学校所提供的传感器是使用小型浮球液位开关，是一种结构简单，使用方便

18、的液位控制元件，它没有复杂的电路，不会受到干扰，只要材质选择正确，任何性质液体、压力、温度皆可使用。产品特点： 体积轻巧、工作原理简单、可靠性高、价格便宜。 30种以上不同材质及规格的浮球可供选择。 提供PP、PVDF、NYLON、POLYSULFONE等塑料材质可耐酸碱。 不锈钢材质 SUS 304/316耐温最高可达200；耐压最高6MPa。 侧装、上装、下装皆可，牙口规格有M8 M16、1/8 1/2、PF/PT/BSP等。 导线有电线或电缆线，材质有PVC、XLPE、PTFE。 特殊规格亦可订制 产品原理： 通常将密封的非磁性金属或塑胶管内根据需要设置一点磁簧开关，再将中空而内部有环形

19、磁铁的浮球固定在杆径内磁簧开关相关位置上，浮球比重小于液体密度，液体使浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁铁去吸引磁簧开关的闭合，产生开关动作，以控制液位。常开和常闭是没有注入液体时的状态。本次课题的型号如下：o型号：ML28-1o技术参数o接点容量：70Wo最高工作电压：240VAC/200VDCo最大开关电流：0.7Ao最大压力：10Kg/cm2o浮球比重：0.8g/cm3o工作温度：-20120o浮球尺寸：28289.5o材质：SUS304orSUS316Lo过程连接：1/8PF（可定制）2.1.6 YM1602液晶显示器(1)概述1602液晶也叫1602字符型液晶它是一种专门用来显

20、示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。(2)管脚功能第1脚：VSS为电源地 第2脚：VDD接5V电源正极 图7.LCD液晶屏第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时 对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度） 第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操 作，低电平(0)时进行写操作 图8.LCD引脚图第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端第714脚：D0D7

21、为8位双向数据端第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极(3)与单片机连接参考电路图 图9.单片机驱动LCD接线图2.1.7 电磁阀(1)概述电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。(2)工作原理电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同电磁阀的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体

22、的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。2.2调理电路在本设计中，鉴于各个部件的输出信号不匹配等问题，主要在红外热释电模块输入单片机和浮球液位开关输入单片机处设置调理电路，以使系统精确反应。2.2.1 红外热释电调理部分由于红外热释电模块工作输出电压为3.3V，直接连到单片机I/O口时不足以使单片机判断此处为高电平，故此设计了如下的调理电路。用继电器作为中间环节，使得当红外热释电感应时驱动继电器，从而单片机P1.0口处判断为恒定的高电平

23、。图10.红外热释电输入单片机调理电路2.2.2 浮球液位开关调理部分与红外热释电感应部分原理类似，冲水执行处的电磁阀需用12V的电压驱动，故同样以继电器为中心搭接出如下电路以实现自动冲水功能。单片机P1.4口输出高电平，驱动三极管导通，则继电器接通，执行部分电路接通。 图11.浮球液位开关输入输出通道调理电路3 系统软件设计3.1 软件主要功能3.1.1 单片机P1.0口检测红外热释电模块的信号(1)模拟WC门时:有人靠近表示人进入WC，则光电开关输出信号使单片机管口置高电平，单片机程序运行，使LCD显示“people in door close”，延时一定时间后，显示“people sti

24、ll in door close”，再次通过光电开关，则表示人离开WC，显示屏显示“people away door open”。(2)模拟水池时:有人靠近红外热释电模块则驱动继电器打开电磁阀，延时一定时间，表示放水一定时间，之后停止防水，有人再次靠近才进行下一次放水。(3)模拟马桶时:有人靠近红外热释电模块则驱动继电器打开电磁阀，延时一定时间，表示放水一定时间，之后停止防水；之后人运动离开马桶，再次感应，使电磁阀打开，放水一段时间。3.1.2 单片机P1.4口检测液位传感器输出信号当P1.4口检测到液位开关前向电路的输入信号时，驱动LCD显示“WC ordure full door clos

25、e”。3.1.3单片机与主控节点通信使用单片机的P3.0发送WC信号、P3.1口接受主机信号、P3.7口检测通信是否正常。当主机接受到01信号时，表示WC可以使用，当主机接受到01信号时，表示厕所污物满，待修理。3.2 整体流程图4 结语在这次光机电一体化测控系统综合实践中我们小组分工明确，互帮互助，互相学习，共同完成WC控制节点的设计，将以前所学到的知识运用在实践中。首先选择传感器，通过对其输出信号的分析，运用测控电路知识设计相应的调理电路。在这个阶段选用各个方案进行对比，用LM324放大、用三极管放大、设计三极管开关结合继电器使用。通过几个方案的实际效果对比得到最佳方案。从单片机的输出到执

26、行机构的电路设计也是类似。通过电路设计我们了解了各个元器件的性质，测控电路中典型电路的分析，明白理论和实际操作间的差距。在主程序设计中，根据洗手间基本功能做出流程图后，分块编程将复杂的逻辑关系变得明晰。在用Proteus仿真中，小组成员结合实际硬件需求得到最简单的仿真电路设计。在整个课程设计中，我们遇到了很多问题。在仿真中能实现的功能在实际电路中却不可实现，硬件如LCD屏、浮球开关坏掉，面包板线路出错等等问题大多阻碍着最终功能实现。但还是出现显示问题经过这次课程设计，我们小组五人获益匪浅，书中的知识只有在实际操作中才更能够真正理解掌握，也深深感受到我们知识储备的薄弱，在很多地方我们还需要进一步

27、的学习。在设计过程中由于硬件等原因最初的理想方案的一些功能没有完善，也是遗憾之处。小组成员能力有限，设计过程中出现很多错漏，诚请老师批评指正。参考文献：1百度文档 基于单片机的液位控制系统的设计2杜太行，齐玲，李雪等. 基于单片机的电磁继电器参数检测系统的研究3许方宁 公厕自动冲水装置的设计4张元林. 列车控制网络技术的现状与发展趋势5杜军. 基于P89V51RD2的多功能蓄电池充电系统设计6胡慧慧 王平 董磊单片机的智能公厕自动冲水设计7纪亿，王康安，马雪燕. 三极管应用及其检测8百度文档. 公厕自动冲水装置的设计9江淑齐. 浅析LCD1602的编程技巧附件附件一：单片机检测控制程序#inc

28、ludesbit RS=P34;/0,lcd16024sbit RW=P33;/1,lcd16025sbit E=P32;/lcd16026sbit HWRSD=P10;/ 红外热释电I/O口sbit DCF1=P11;/继电器I/O口1 ,门的传感器sbit YW=P12;/液位检测I/O口sbit FS=P13;/风扇控制I/O口sbit DCF0=P14;/继电器I/O口0 ,冲水sbit M=P15;/unsigned code table=0x00,0x0f,0x02,0x04,0x07,0x00,0x0f,0x00, 0x10,0x1e,0x00,0x10,0x1c,0x10,0x

29、1e,0x10;unsigned code table1=0x02,0x0f,0x02,0x0f,0x09,0x0b,0x0a,0x0f, 0x10,0x1a,0x10,0x1a,0x04,0x04,0x14,0x1a;void delay(unsigned int z)unsigned char y;while(z-) for(y=123;y0;y-);void write_command(unsigned char command) RS=0;RW=0;P2=command;E=0;delay(1);E=1;void write_data(unsigned char date) RS=1;

30、 RW=0;P2=date;E=0;delay(1);E=1;void inte(void) write_command(0x01); delay(1); write_command(0x38); delay(1); write_command(0x08); delay(1); write_command(0x01); delay(1); write_command(0x06); delay(1); write_command(0x0c); delay(1);void set_xy(unsigned char x,unsigned char y) unsigned char address;

31、if(y=1) address=0x80+x; else address=0xc0+x; write_command(address);void show(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s) set_xy(x,y); while (*s) write_data(*s); s +; void write_CGRAM(unsigned char *p) unsigned char i,j,k;unsigned tmp;k=0;tmp=0x40;for(i=0;i8;i+) for(j=0;j8;j+) write_command(tm

32、p+j); write_data(pk); k+; tmp=tmp+8;void main(void) inte(); initial(); while(1)write_command(0x01);/FS=0;DCF0=0;DCF1=0;HWRSD=0;/YW=0;delay(1); if(YW=1)/污物收集满？show(0,1,WC ORDURE FULL!); show(0,2,door close);while(!end);/取得发送权限?ES=0;analyse();send_ch(1,txdate2);/发送厕所不可以用的信息end=0;ES=1;/污物已满delay(2000);

33、 elseshow(0,1,WC nobody);show(0,2,door open);/write_command(0x01);/清屏while(!end);/取得发送权限ES=0;analyse();send_ch(1,txdate);/发送厕所可以用的信息end=0;ES=1;/send(1,0x00)delay(3000);while(!HWRSD);write_command(0x01);/清屏show(0,1,people in);show(0,2,door close);DCF0=1;/打开电磁阀，冲水FS=1;/开风扇HWRSD=0;delay(3000);/DCF0=0;write_command(0x01);/清屏while(!HWRSD)/判断人是否已走show(0,1,people still in);show(0,2,door close);delay(1000);/人走了 write_command(0x01);/清屏show(0,1,people away);show(0,2,door open);DCF0=1;/打开电磁阀，冲水FS=0;/关风扇 HWRSD=0;delay(3000);DCF0=0; 附件二：仿真电路图附件三：演示图片