多功能智能干燥机设计与制作（硬件设计） 毕业论文.doc

毕 业 设 计题 目 多功能智能干燥机设计与制作（硬件设计） 系 别 电子工程系 年级专业 电子信息工程技术（智能家电） 学生姓名 指导教师 专业负责人 答辩日期 2012年12月21日 毕业论文任务书电子工程系 电子信息工程技术（家电）专业 电子信息 班 姓名： 一、毕业论文课题多功能智能干燥机设计与制作二、毕业论文内容和目标 针对广东地区天气特点设计，为人们创造美好生活。 对市面上原有产品的功能、结构加以分析，并结合简单的物理原理，使其更加完善，并且实现多功能。灵感源于生活，应用服务于生活。实用为主，为使其应用简单方便，操作尽量简化，简单易懂。三、参考资料美国空调窗机原理图(芯片转换）美的豆浆机原理图综合项目设计指导手册家用电器通用电气测试实训教程家电控制器开发与制作四、毕业论文课题时间： 2010年 02月 23日至 2010年 06月 6日五、进度安排：周 次工作内容预定目标及检查方式13资料收集学习相关的知识确定方向，收集相关资料。45硬件电路的设计元件选用并画出电路原理图及PCB图。6制版焊接调试焊接控制器，测试79软件的调试略软硬件的完善对不完善的地方进行适当的修改。论文撰写按照论统一的要求撰写论文。六、 备注：1、 本任务书一式三份，系、指导教师和学生各执一份；2、 学生须将此任务书按装订要求进行装订。指导老师： 系主任： 07级电子信息工程技术（智能家电）专业毕业设计制作说明书目录摘要1第一章 绪论11.1 个人职务11.2 设计的灵感来源11.3 设计所能实现的功能2第二章 硬件设计及选用32.1 机械机构设计 所有的图加标号及说明 如图2.1机械结构设计32.2 元器件的选用42.3 主体电路设计5第三章 硬件制作113.1 按照电路图画出PCB板113.2电路板制作与焊接123.3功能实现133.4功能测试143.5最终修改15心得体会18参考资料18第5页 共 22 页 摘要现在社会，随着人们的生活水提高，人们对家电的要求也提出新的要求，家电不再是以往的能用，除了能稳定使用，操作方便外，人们更希望它能实现其他功能和有时尚的外观，为了能够实现不同功能，现在的很多家电产品中都加入了单片以及配套的外设。所以本次项目也会把单片机应用到设计中。第5页 共 22 页第一章 绪论1.1 个人职务 在本项目中，我负责硬件设计、制作，功能规划、测试。首先先与组员确定下所做的项目，然后搜集该类型产品资料，分析可改进地方及实施方法，确定可行的功能项目。芯片和其他器件的选用，提供芯片各管脚所控制硬件以及各个功能项主要器件工作流程给编程的组员，并协商进行适当修改。1.2 设计的灵感来源我国南方大部分地区十分流行湿冷天气。例如在我们得得，年平均湿度就达到50%，在雨天和初春时期更加会超过80%，在这种天气下，更别说衣服难干，在室内，也会感觉得到湿湿的，地面墙壁也会有水滴，床上的被子也需要定期的烘一下，以确保卫生健康。纵观市面上的产品，大多都能实现干衣和烘被功能，但仍然存在着不足，本项目主要是针对此类产品进行改进。1.2.1 市面产品种类ABCD图1.1 A:小天使 B:艾美特 C:格力 D:爱达1.2.2 功能分析 以上的几类产品，有的功能比较单一（A、B、C），有的用途很多（D）。机器主体部原理一样，而结构和外设不同，配备不同的外设，便能实现不同的功能，如配合烘被袋，就能实现烘被功能。 以上产品在干衣功能时基本原理都一样，都是用热风把衣服烘干，但这种方式就如风筒，大多都是运行了之后就是一直吹热风（艾美特的估计不是）进烘衣柜，这样在烘衣柜排气口出来的空气大多都是很热的，虽然有效的把里面的湿气带走，但这热量也就等于浪费了，也就等于没有很好地利用所消耗的电能。1.3 设计所能实现的功能 由于以往产品存在这种缺陷，对干燥机的改进也得先从这方面出发，要充分利用烘衣柜排出的热“废气”，最直接简单的方法就是干燥机和烘衣柜形成一个空气内循环，“废气”留回干燥机内按需要进行加热，再排放到烘衣柜里去，这样可以有效避免热量严重散失。这里就出现一个新问题，内部空气的湿度可能会越来越高，干衣效率会下降。温度升高使衣物的水分蒸发到空气中，使内部空气的湿度增加。蒸发会降温，而空气中的水蒸气遇冷又会凝结成水。也就是说，当衣物中水分蒸发后，衣物温度降低，而空气的湿度又很高，水蒸气会重新凝结到衣物上。要解决这个问题就要给里面的空气除湿，最简单直接的方法就是用半导体制冷片，因为它体积小，而且制冷效率也不俗。用了半导体制冷片，机器的耗电量会增加多少？一块半导体制冷片的72W，加上12V电源，估计12V电源转换效率为80%，72W/80%=90W，即如果全部器件都工作，整机功耗增加90W左右，但比起能使几百瓦甚至一千多瓦的加热丝休息一定时间，这90W的功耗也值得。 因为加进了半导体制冷片给空气除湿，所以设计比以往的产品多了一个抽湿功能，可以直接面向室内。那么基本的功能就定下来了：干衣，烘被，取暖，除湿。 第二章 硬件设计及选用2.1 机械机构设计 图2.1 原构思图图2.2 机械结构图 要达到有抽湿功能，其结构要有与抽湿机类似的结构。抽湿机大体上有2种，化学抽湿（用吸水性比较强的固体或液体），物理抽湿（降温或压缩空气再把水分离）。再家电产品中要求能够循环利用（非一次性），所以选择物理除湿，在小家电中增加压缩机显然不合理，而且功耗和重量都比较大，所以本次设计中应用半导体制冷片。 以上两图是原来的构想设计，图2.1保留了出风口，作为换气之用。但考虑到换气后，空气要重新加热，而且从外界进入的空气也有可能湿度比较高，特别在潮湿天气，所以后来去掉了换气口。但这图的方案也不可行，因为通用性差，而且装配麻烦，这样的设计看起来更像个恒温储物柜，估计人们也不喜欢一个只能干衣的家伙霸占那么多位置。最后设计定为把风扇，发热体，半导体制冷片全部装配到一个箱子内。如图2.2。并在机器的进出风口加设一个温度传感器，作为单片机的眼睛，单片机度取温度，执行程序中相应条件的操作。 最后确定基本设计就是这样，空气从进风口进入通道，在通道内半导体制冷片作用下除去一部分水分，经过干燥的空气继续往风机里走，最后经过发热体并且送到外面，那就得到高温干燥的空气。本来设计打算是能够放在普通衣柜里进行干衣的，但考虑到干衣过程有高温，机器控制板的器件容易损坏，而且也容易发生事故。最终在进、出风口连接导风管，连接到烘衣柜里面；而不装上导风管时候，就是给室内送暖风或者抽湿。如图这种形式：图2. 3 贝尔莱德暖风干衣机 要使机器能循环利用内部热空气，烘衣柜的架构相比其他的略为有点变化，与其他的一样都有进出气口，但本设计中的进气口在烘衣柜中上部分，而排气口则要设计在底部位置。因为热气上升，当排气口送到机器进风口的空气也达到一定温度，说明烘衣柜内部已经充满热气，暂时无需加热。为了减少气流的影响，所以把两个孔开在相隔比较远的地方。2.2 元器件的选用 完成了机械结构设计，之后就到控制板的设计，参考了几款家电，我们都觉得家电的操作应该简单明了，所以，我们参照鸿运扇的控制旋钮，确定只用一个按键，定时方面就用一个风扇用的机械定时器，这样能使控制更加简单明了。 要利用内部空气的余热，则要求机器有半自动化的控制，最后是单片机的选用。一如既往，我们采用了熟悉的JL3，因为对这单片机的认识比其他的略为深，方便电路设计和编程。由于以前用的都是通过按键来设置定时，而这次用的定时方式是机械定时器，电路还有编程方面都要灵活处理。2.2.1 芯片介绍 概述：MC68HC（9）08JL3 ，后简称JL3，JL3是MC68家族中高性能、低价位的一员。基于用户定义的集成电路（CSIC）的设计思想，68HC08单片家族使用增强型68HC08 CPU 配以各种I/O模块和不同大小及类型的存储器，组成不同的单片机系列。 性能：VDD=5V/10% 3V/10% 与68HC05目标码向上兼容 内部总线速度8MHz 4096字节闪存存储器或ROM/内带960字节监控与自检程序 128字节RAM 有flash/ROM加密、内带看门狗 12路8位A/D 7个键盘中断位 可编程低压复位 可选用RC振荡器或石英振荡器 28脚中I/O脚有23个 2路25mA漏级开路式可编程上拉电阻输出2.2.2 其他器件 发热体：PTC发热体。发热效率更高 风扇：涡轮风扇。为了能实现烘被子功能，一定要够风压鼓起烘被袋。 如不需要实现烘被功能，则可用风量大的轴流式风扇。 半导体制冷片：72W 12V开关电源：要求8A 。半导体制冷片供电12V小变压器：单片机供电7805三端稳压管 铝散热片：要求足大，以便半导体制冷片散热。 有机玻璃：箱体制作单片机外围电路的基本元件按键、开关、LED若干 继电器、保险丝、普通风扇机械定时器温度传感器（10K3850）、电容：点解电容（滤波用），陶瓷电容，震荡电路及部分电路用电阻、三极管、接线座若干。2.3 主体电路设计 第 19 页 共 19 页图2.4初步原理 初步原理图我把定时器应用到单片机供电输入部分，意为一扭动定时，单片机就开始工作，这样单片机工作就比较傻瓜式，通电就开始执行按键选择的对应的程序，这样对编程的难度也不大。但后来想到，程序不可能与机械定时器的时间完全协调，意思就是说，当计时器计时完毕时，机器有可能正在加热，这时候全部都停止了，发热体仍有余热，很可能损坏箱体结构，也是个防火隐患。另一方面，单片机在通电时就开始执行程序控制外部设备，但在通电时晶振开始起振，还没到稳定状态，可能使程序错乱。为解决这一问题，后来将定时器接到单片机管脚上，判断定时器是否接通来控制时间，并在计时器断开后延时一小段时间，让风扇给发热体散热，以起保护作用。图2.5 电源输入图2.6 按键及机械定时器 由于JL3芯片的PTA脚有内置上拉，所以按键及计时器可以不用接上拉电阻。图2.7 热敏线转换电路以上是传感器的转换电路，本设计中用了两个10K3850温度传感器，这传感器主要表现为电阻的变化。上图用的是一个上拉接法，传感器随温度产生电阻变化，在R17和C10端的电位也会发生变化，单片机读取电位，加上程序的AD表，就可以转换为温度。热敏电压与AD可按照如下公式计算： 图2.8 数码管及功能LED电路 此为显示部分驱动电路。为了能够方便调试及充分利用芯片，最后接上了一个数码管用以显示传感器温度。数码管为共阳，功能显LED也是共阳接法，所以接芯片端只要提供低电平就可以使其工作。 图2.9 晶振电路 由于元件供应问题，由陶振改为晶振。 图 2.10 硬件设计方框图 JL3芯片硬件连接图MC68HC908JL3按键方面，因为PTA有内置上拉，所以按键可以简单地连接到芯片。数码管方面，为避免编程出现错乱，把位选的全部脚接到芯片的PTD端。与以往一样，PTB作为继电器驱动电路的控制。改动： 本意是把PTA的所有脚作为输入，以方便组员编程，后来在老师指导下，原来PTB以及PTD03有AD转换功能，这更有助于编程，于是把传感器输入与继电器控制的部分管脚调换。在接好数码管后，发现可用的脚已经为零，没有办法去接蜂鸣。为节省成本，而且也只是一个脚引起的问题，所以坚决不用外接芯片。因为温度显示是显示整数位温度，所以不需要用到数码管上的小数点，所以把位选小数点的脚改为连接蜂鸣，这样就确定下一个新的电路原理图图2.11 系统电路图第三章 硬件制作3.1 按照电路图画出PCB板 最终电路原理图定下了，然后就是画出PCB图，采用的软件是Protel 99 SE。在PCB图基本画好的时候，由于刻板机的精度问题，观察了几组刻出来的板都存在同样问题：如果用线线宽小，就会刻断，而且线间距刻出来后会偏大。所以，在画板时要注意不要把线排得太密，而且在软件设置方面要把线间距最设为0.3MM左右，线宽方面最小要达到1MM，焊盘直径也要大，因为很多小钻头已经损坏。我的设置时线距0.3MM，最小线宽1.5MM，焊盘最小直径为2.1MM。根据经验，在画板时铺铜越多，刻板机效率越快。 根据以往画图经验，强弱电分开，而本电路分界点就是继电器。所以先要处理好继电器处的强弱电分隔（12V和220V），如果按照原理图的连线直接摆放继电器，会出现线交叉。特别是针对发热体控制的强电电路，需要一个半功率控制，在画图中发现难以满足半功率控制电路，由于发热体的功率不少，几百到一千瓦以上。所以一定要有一定线宽，线距也要增大。而我个人而言，我实在不想使强电电路走蛇形线，更何况这是火线的电路。为此我对两继电器间的电路作了小许修改： A B图3.1 发热体控制电路 图A为原图，图B为修改后的图 修改后，上面的继电器不再是作为发热体控制的总开关。而是两个继电器分别控制半功率和全功率，而PCB板方面画起来就比较方便。 强电部分布线已经比较理想，之后就到芯片外围电路，对JL3芯片也是相识已久，它没有提供仿真器，在以前的调试中都是刷一次测一次，要经常拆装芯片，所以，在芯片座的外围最好不放置过高过大的、比较脆弱元器件，免得拆装麻烦，也避免在频繁的拆装芯片过程中损坏到这些器件。而且由于本专业对此款家电没有实物提供，也暂时不必要分开控制板和电源板，对此，主要为了方便组员进行调试，我把全部电路画在同一块板上。最终PCB图：图3.2 PCB图3.2电路板制作与焊接 PCB图画好，也为适应刻板机作了小部分修改，之后就到刻板。经过之前其他班同学的通宵作业，刻板机的精度明显下降，底盘也有点不平整，下刀深度要小许加大，刻出来的板还好，在合理范围之内，线宽有的变为1MM，线距普遍达到0.7MM，因为画板时作了预计，板没有作废，更重要的是资源短缺！钻孔方面，实验室残存的钻头太大，钻头是自备的，钻孔方面没有破坏到焊盘。 最后就到电路板的焊接，在指导下，芯片的空脚要接地，但这设计中空的脚只有一个，而且是外中断脚，在画图是后是进行了接地，但我们以往没有外中断脚接地的经验，所以我在焊接时把那脚电路刮开，焊上两脚接线柱加上跳线作为调试用，以防对程序有影响。为方便程序调试，使现象更容易观察，我先分开变压器与强电部分，使变压器另接电源线，在板上强电部分通上12V电源，加串一个电阻，在继电器对应的硬件接线座上接上发光二极管，这样就可以直观地知道那个继电器工作。实物：图3.5 控制板实物为方便调试，后来在RESET脚引出一根线接了个复位键。3.3功能实现 要实现不同功能，就需要硬件作一定规律的协作。3.3.1要求 1.按键响蜂鸣并切换功能功能一LED1功能二LED2功能三LED3功能四LED4图3.6每按一次按键，切换功能。2.当定时器状态为闭合时，所对应的功能程序才会运行。3.在工作中能切换功能。3.3.2 各功能描述 功能一：干衣。图3.7 产品链接结构图如图3.7所示为干衣时机器与烘衣柜的安装连接方式。1. 当机器出风口温度超过70摄氏度，发热体关（过热保护）2. 当出风口温度低于55摄氏度，发热体全功率加热，反之半功率（维持一定温度）3. 入风口温度达到45摄氏度，发热体关（表明烘衣柜内基本上充满热气）4. 入风口温度跌落到35摄氏度，发热体启动。5. 发热体除外的器件一直运行。 功能二：暖风1. 当出风口温度超过45摄氏度，发热体关（过热保护）2. 当出风口温度低于35摄氏度，发热体全功率加热，反之半功率（因为此功能直接向室内排放热器，温度要控制在较低范围，与过热保护一样，也为了保护使用者）3. 风扇一直开，半导体制冷关。 功能三：抽湿 风扇与半导体制冷全开。 功能四：干燥风（暖风加除湿） 功能二与功能三结合。3.4功能测试 1.外中断接地导致不能启动 在烧写完程序后，发现控制板首次运行不了，之前在焊板时候在1脚加了个跳线，直接把跳线拔掉，上电就启动了。2.条件冲突 功能二、三、四都能如计划实现，但功能一未如所愿。 原因估计是给出的条件问题，因为是两个温度传感器控制通一个器件，出现了冲突情况。在软件调试的过程中，比较理想的情况是达到了设想情况的70%，而程序也在不断调试和修改中。 3.杂音 在我们共同试验控制板运行的过程中，我们发现在功能一时候有杂音，起初认为是蜂鸣器受到程序的影响，但在不断调试中反复出现这问题，在老师指导下，初步断定是硬件问题，于是我查过电路，没有短路情况，而且线距也比较大，出现干扰情况可能性很低。后来发现，在功能四中没有出现杂音，而且功能四与功能一是基本相同的，所以我断定不是硬件问题。在查看功能程序后发现，为了使功能四切换到功能一时没有功能四对继电器控制的“残留”，在功能一的开头设置了继电器全关，下面再判断温度启动或关闭，程序时不断地循环跑的，这种使继电器一开一关的方式，因为程序跑得很快，继电器机械部分未完全反应过来，看不出现象，但这却产生了震动，估计是继电器内部的铁片，在这种一开一关的方式中震动产生杂音。最后根据这问题修改程序，杂音就消失了。 4.数码管亮度高 在组员调试以及测试过程中，我发现了硬件部分的失误。之前没有用过JL3直接驱动数码管的经验，用的都是显示驱动芯片作扩展，使我误认为JL3管脚输出的电平比较低，但事实却相反，在我没有串联电阻在数码管和芯片之间的情况下，数码管的亮度很高，达到了眼睛比较难接受的程度，然后我去测量了对应位选的管脚，电压竟然达到5V,也就是说，JL3输出的电平几乎没有内部压降，这情况实在是预想不到。 5.接触不良 芯片座质量问题，在调试、测试中也经常出现以下情况：数码管不显示或显示不全、上电完全没反应、复位键失灵、有显示但对操作没反应。电路板电路全部测过，没有断路、短路情况，检查过也没有虚焊情况，装上芯片后测量发现芯片座与芯片间有的地方接触不良，现象为有小幅度的电平差异。因为JL3没有仿真器提供，在组员调试程序过程中要反复地刷写和安装芯片，反复的插拔，使芯片座部分簧片出现大幅度变形，使其接触不好。3.5最终修改 针对在3.4中出现的不良情况，作出以下修改。最终原理图 3.8：图3.8 系统原理图 除了在数码管每个位选脚上串上限流电阻，本次最大改动在于下图的过热保护电路，因为在程序中废除了出风口温度对加热的控制，避免程序条件冲突。图 3.9 出风口过热保护电路（硬件） 出风口传感器同样为负温度系数热敏电阻，分压电路基本与之前相同，但R32电阻值需要改动。情况1：单片机输出加热信号，使Q9导通，由Q9流出的电流经过与R16分压，输出到继电器驱动电路（加热丝总开关），D10在此有钳位作用，保证输出到继电器驱动电路的电压不会过高。在没过热情况下电路以上述方式运作。 情况2：在加热时出风口出现过热状况。由于所采用的传感器为负温度系数热敏电阻，在RT与R32分压电路中，温度越高，RT电阻越小，则Q5基极电压越高（逐渐接近5V），最终使Q5导通，把输出到继电器驱动电路的电平拉低，使驱动电路不工作，从而达到保护效果。在此，为解决临界状态对电路的损坏（在温度升高过程中，Q5基极电压逐渐升高，继电器驱动电路的电平在逐渐降低，在某一点将出现驱动电路处于导通与截止的临界点，此时继电器可能会出现闭合-分-闭合-分。使其不断拍打，不仅影响器件寿命，而所接的PTC发热体功率也不少，此过程会对外电路造成一定影响。）为避免这类情况，在Q5基极与地之间接一电容，由于电容的特性，当Q5基极电压低于或略高于导通要求电压，电流会先给电容充电，当电容未充满电，Q5基本上达不到导通状态。而电容内的电荷会经过R15消耗掉。当真正过热时，Q5基极电路会有更大电流给电容充电，而这充电效率高于R15的消耗效率，使基极电平稳定，Q5导通，并且达到稳定状态。在Q9没有导通情况下，Q5不导通。图3.10最终原理图制热过热保护：电机温度超过120时，消毒柜自动关机。心得体会 在这个综合项目设计中，感觉很实在，比之前的任何一次课程都要实在，不再是按照原理图画新的PCB，也不是在别人程序上作改动，有种白手起家的感觉。应用到很多方面的知识。例如画板，原理图方面，我们这个设计都是以简单为主，基本上很多电路都可以从以前课程中套用过来，然而也发生了些新情况，例如直接驱动数码管的问题；还有那个外中断脚接地问题。在画PCB时，与以往一样我都特意把强弱电隔得很开，不是一般的距离，但这就造成刻板时等待时间很长，毕竟后面还有很多同学在等。而画板过程中不再像以前一样单位用mil，而是直接用mm；更加没有想到的是，画PCB时要迁就着刻板机的特性去画，“U”型弯最好不要出现，要么就在那种区域铺多点铜或加大线宽，以免机器把电路刻断。另外要注意的一点就是封装，在本次设计中提供的部分元件与书上所标的不一样，最明显就是提供的共阳数码管，管脚排布完全跟书上的是反的，在做封装前必须逐一测量和量好元件所占位置并作1mm左右的预留，也要注重元件分布的美观度。在做好硬件后，觉得有点兴奋，也觉得十分可惜，可惜是因为在最后阶段才碰到这种课程，虽然之前的课程是个准备，但在第一年时候已经被很多与本专业无关紧要的课程占了大部分时间，所以我觉得课程要是对专业没直接关系的，应该多删减，留多点时间进行类似综合项目设计的课，这才能充分发挥自主创作性，而不是死死的钉在课本上。本次的设计做得并不出色，也不能体现什么高科技、高技术，但感觉非常实在。十分感谢老师的指导！在设计中也出现了不少错漏，在老师的指导下方能得以及时解决。而且我是负责硬件部分的，硬件存在诸多问题的话，整盘计划也会挂掉。整个过程中除了运用到很多以前所学知识，也纠正了不少错误，最重要是体会到自己所在岗位的责任。参考资料美国空调窗机原理图(芯片转换）美的豆浆机原理图综合项目设计指导手册家用电器通用电气测试实训教程家电控制器开发与制作