基于單片機(jī)的節(jié)能沖水器的結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)14000字【論文】

PAGEI基于單片機(jī)的節(jié)能沖水器的結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)摘要本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要針對(duì)低功耗場(chǎng)景下，如何使用紅外傳感器檢測(cè)物體的問(wèn)題做研究。并以節(jié)能沖水器產(chǎn)品為載體，制作出實(shí)物。制作的節(jié)能沖水器的硬件主要包含：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外發(fā)射/接收、單片機(jī)、輔助電源等部分組成。其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分用于驅(qū)動(dòng)水閥的開(kāi)關(guān)；紅外發(fā)射/接收部分用于感知設(shè)定的檢測(cè)范圍內(nèi)是否有物體；單片機(jī)負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)，對(duì)外界的變化做出相應(yīng)的反應(yīng)；輔助電源則是為系統(tǒng)的各個(gè)部分提供合適的電壓。節(jié)能沖水器的低功耗實(shí)現(xiàn)方法主要依靠單片機(jī)的定時(shí)休眠與喚醒功能。單片機(jī)以一定的時(shí)間間隔喚醒單片機(jī)，再打開(kāi)紅外發(fā)射器與接收器的電源用于檢測(cè)是否有人。如果有人就進(jìn)行相應(yīng)操作，沒(méi)人就關(guān)閉紅外發(fā)射/接收器等外設(shè)再休眠單片機(jī)，以此達(dá)到低功耗的目的。影響系統(tǒng)功耗的，主要在于傳感器打開(kāi)的這段時(shí)間。所以對(duì)這段時(shí)間功耗的控制需要著重考慮。關(guān)鍵詞：低功耗；紅外傳感器；單片機(jī)目錄1引言 12概述 22.1紅外通信原理概述 22.2研發(fā)技術(shù)關(guān)鍵 32.3主要技術(shù)指標(biāo) 33總體設(shè)計(jì) 43.1設(shè)計(jì)方案選擇 43.2待機(jī)功耗預(yù)估 64硬件設(shè)計(jì) 74.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 74.2電磁閥驅(qū)動(dòng)電路 74.3ADC采樣電路 94.4紅外發(fā)射與接收電路 104.5其它電路設(shè)計(jì) 125軟件設(shè)計(jì) 135.1總體方案 135.2相關(guān)計(jì)數(shù)器配置 145.3紅外發(fā)射與接收驅(qū)動(dòng) 145.4其他配置 166制作與調(diào)試 176.1硬件設(shè)計(jì)與制作 176.2調(diào)試過(guò)程 176.3測(cè)試結(jié)果 177總結(jié) 21參考文獻(xiàn) 23 -PAGE1-1引言我國(guó)是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國(guó)家。我國(guó)的淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，名列世界第四位。但是，我國(guó)的人均水資源量只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。然而，中國(guó)又是世界上用水量最多的國(guó)家。僅2002年，全國(guó)淡水取用量達(dá)到5497億立方米，大約占世界年取用量的13%，是美國(guó)1995年淡水供應(yīng)量4700億立方米的約1.2倍。水資源嚴(yán)重缺乏構(gòu)成的水危機(jī)已威脅到世界上的絕大多數(shù)國(guó)家，使各國(guó)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和科技發(fā)展都面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)。所以，對(duì)用水量大的設(shè)施進(jìn)行改造就顯得尤為重要。廁所在日常生活中用水量特別巨大。而傳統(tǒng)的廁所沖水器一般采用的是全機(jī)械構(gòu)造，沖水時(shí)需要人工手按，既浪費(fèi)了時(shí)間和水資源，又因手的接觸而造成不衛(wèi)生，還會(huì)因忘記沖水而造成環(huán)境污染，為適應(yīng)日益加快的現(xiàn)代生活的節(jié)奏，節(jié)約水資源，創(chuàng)造一個(gè)干凈、舒適、衛(wèi)生的環(huán)境，穩(wěn)定、可靠、方便的感應(yīng)式?jīng)_水器亟待出現(xiàn)，特別是在大型商場(chǎng)、車(chē)站、學(xué)校等人員流動(dòng)比較大的衛(wèi)生間，節(jié)水型感應(yīng)式?jīng)_水器就顯得尤為重要。智能沖水器，早已出現(xiàn)在大眾的視野，它們實(shí)現(xiàn)的方案多種多樣。目前這類(lèi)產(chǎn)品使用的傳感器主要是紅外線感應(yīng)，和紅外熱釋電傳感器。其中紅外線感應(yīng)傳感器使用得更為廣泛。以前，控制系統(tǒng)所采用的傳感器多為入射式紅外傳感器，該傳感器的光發(fā)射、接收部分需分別設(shè)置在被控區(qū)域的兩側(cè)，安裝、維修不便，且易出故障，所以用一段時(shí)間后壞了，基本上都棄之不用，浪費(fèi)現(xiàn)象依然如故。市面上一些智能沖水器的紅外傳感檢測(cè)器靈敏度較低，誤檢率較高，因而沖水器時(shí)常會(huì)產(chǎn)生誤判斷；導(dǎo)致不該沖廁而又沖廁的誤沖廁，該沖廁而又沒(méi)有沖廁的漏沖廁，和沖廁不及時(shí)的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn);導(dǎo)致廁所環(huán)境衛(wèi)生極差。市面上有的沖水感應(yīng)器的感應(yīng)距離，感應(yīng)后的沖水時(shí)間不能控制，只能給廠家提出要求更改，這就使得安裝調(diào)試不是很方便。本次設(shè)計(jì)主要的創(chuàng)新點(diǎn)在于可以使用遙控器對(duì)沖水器進(jìn)行控制。能在斷電時(shí)自動(dòng)將水閥關(guān)閉，以達(dá)到節(jié)約水資源的目的。由于設(shè)備需要長(zhǎng)時(shí)間工作，所以在低功耗上也要做相應(yīng)的優(yōu)化。

2概述2.1紅外通信原理概述2.1.1紅外線定義紅外線(Infrared)是一種電磁波，其頻率處于微波與可見(jiàn)光之間，它的波長(zhǎng)在760nm（納米）~1mm（毫米）之間。紅光的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，人眼能看出來(lái)，而紅外線人眼一般是不能看見(jiàn)的。高于絕對(duì)零度（即-273.15℃）的物質(zhì)都可以產(chǎn)生紅外線?，F(xiàn)代物理學(xué)稱(chēng)之為熱射線。2.1.2紅外發(fā)射管原理紅外線發(fā)射管也稱(chēng)紅外線發(fā)射二極管，它也是一種二極管。是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為人類(lèi)肉眼不可見(jiàn)的紅外光，并能發(fā)射到空間環(huán)境中的發(fā)光器件。紅外線發(fā)射管主要的應(yīng)用場(chǎng)景是各種光電開(kāi)關(guān)，觸摸屏及遙控發(fā)射電路中。在許多家電的遙控器中就配備了紅外發(fā)射管。普通發(fā)光二極管的內(nèi)部構(gòu)造，原理與紅外線發(fā)射管相近，只是它們使用的半導(dǎo)體材料不同，導(dǎo)致它們能夠發(fā)出不同的光。一般的，制作紅外發(fā)光二極管的材料是砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等，采用全透明或淺藍(lán)色、黑色樹(shù)脂進(jìn)行封裝。普通的紅外發(fā)射二極管與LED的外形是類(lèi)似的。使用方法也是類(lèi)似的，常用的紅外發(fā)射二極管的管壓降為1.4V，設(shè)計(jì)的電流也一般低于20mA。為了在不同的電壓下使用，一般會(huì)串聯(lián)電阻，用于分壓和限流，好為紅外發(fā)射管提供穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境。紅外線的發(fā)射距離與其發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，可以通過(guò)提高流過(guò)發(fā)射管的平均電流。一般可以通過(guò)改變限流電阻的大小或者調(diào)制時(shí)的調(diào)制波占空比實(shí)現(xiàn)。兩種方法使用的手段不同，但想改變的東西是一致的，即原理上是相似的。2.1.3紅外接收管原理紅外線接收管是一種將紅外線光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上采取了大的改變。它把PN結(jié)的面積做的盡量的大，電極的面積盡量的小，而且PN結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米，這樣做的目的是為了更多更大面積的接受入射光線。值得注意的是紅外線接收二極管是在反向電壓作用之下工作的。就是在沒(méi)有光照時(shí)，反向電流很小（一般小于0.1微安），稱(chēng)為暗電流。當(dāng)有紅外線光照時(shí)，攜帶能量的紅外線光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子空穴對(duì)（簡(jiǎn)稱(chēng)：光生載流子）。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。這種特性稱(chēng)為“光電導(dǎo)”。紅外線接收二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。光電流的大小與紅外光的光照強(qiáng)度成正比的?？梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)這個(gè)光電流的變化就可以實(shí)現(xiàn)紅外通信。不過(guò)這個(gè)光電流是比較小的，一般在使用時(shí)會(huì)添加放大電路，用以放大信號(hào)。2.2研發(fā)技術(shù)關(guān)鍵 本設(shè)計(jì)的研發(fā)技術(shù)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)低功耗的紅外檢測(cè)。低功耗就要求在能實(shí)現(xiàn)基本功能的前提下盡量地降低功耗。功耗的降低是多方面的協(xié)同，一方面在器件選型上需要注意器件的靜態(tài)電流，另一方面在硬件設(shè)計(jì)上需要能夠配合軟件達(dá)到很好的降低電流的效果。同時(shí)在檢測(cè)距離達(dá)標(biāo)的情況下應(yīng)當(dāng)盡量降低發(fā)射管的靜態(tài)電流。由于沖水器的感應(yīng)器一般都嵌在小便池或者水龍頭里。所以對(duì)于電路板的尺寸大小也有一定的要求。因此在選用的器件封裝要盡量的小，器件擺放、布線的密度要盡量的高。2.3主要技術(shù)指標(biāo)感應(yīng)距離：初始設(shè)定280mm(參照物為29.7cm*29.7cm標(biāo)準(zhǔn)白板)，可使用遙控器修改感應(yīng)距離。感應(yīng)距離誤差不超過(guò)額定距離±10﹪；感應(yīng)靈敏度：1s-2s；控制器工作電壓:：DC4.5～6V。控制器輸出：輸出電流最大800mA，輸出電壓：4.2V～6V，輸出脈沖寬度35ms；距離穩(wěn)定性：電源電壓從6V降到4.5V,距離變化不超過(guò)±5﹪；低電壓報(bào)警：工作電壓≤4.5±0.1V,進(jìn)入低電壓報(bào)警，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，不工作；距離穩(wěn)定性:電源電壓從6V降到4.5V,距離變化不超過(guò)±5﹪；控制器靜態(tài)功耗：≤35uA(≤0.25mW)；遙控功能：1號(hào)鍵：按下感應(yīng)距離20cm；2號(hào)鍵：按下感應(yīng)距離30cm；3號(hào)鍵：按下感應(yīng)距離40cm；4號(hào)鍵：按下開(kāi)水，再按關(guān)水；5號(hào)鍵：按下關(guān)閉感應(yīng)器，再按下開(kāi)啟感應(yīng)器；

3總體設(shè)計(jì)該低功耗紅外傳感器系統(tǒng)，主要以公共廁所里常用的節(jié)能沖水器為載體實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)平時(shí)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，單片機(jī)和紅外傳感器會(huì)被定時(shí)喚醒，用于檢測(cè)是否有人到來(lái)。如果檢測(cè)到人便進(jìn)行打開(kāi)水閥等一系列操作，否則繼續(xù)休眠系統(tǒng)。低功耗紅外系統(tǒng)的組成如圖3-1所示。該系統(tǒng)主要包含：紅外發(fā)射電路、ADC（analogtodigitalconvert）檢測(cè)電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路以及輔助電源電路。圖3-1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3.1設(shè)計(jì)方案選擇本系統(tǒng)的紅外發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)尤為重要，一方面會(huì)直接影響系統(tǒng)工作時(shí)的功耗，另一方面還會(huì)影響傳感器的檢測(cè)的精確度。針對(duì)于本設(shè)計(jì)的紅外有感應(yīng)距離可調(diào)的需求。主要提出以下三種設(shè)計(jì)思路。第一種是利用路程公式： (3.1)為路程，為速度，為時(shí)間。其中速度是已知量為光速299792.458km/s。只需知道發(fā)射紅外信號(hào)與接收到紅外信號(hào)的時(shí)間差便可計(jì)算出距離，進(jìn)而調(diào)節(jié)感應(yīng)距離。但該方法由于光速過(guò)快，當(dāng)感應(yīng)距離為50cm時(shí)，路程取1m。由(3.1)式可得出。選用的單片機(jī)晶振為24MHz，由公式：(3.2)可知當(dāng)時(shí)，。由于單片機(jī)的最小時(shí)鐘周期為41.7ns大于光傳播1m的時(shí)間3.34ns。所以這種方法并不適合用在此設(shè)計(jì)中。第二種方案則是在不改變發(fā)射功率的條件下，在紅外接收端添加ADC檢測(cè)。這種方法的依據(jù)是光在空氣中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生損耗，并且距離越遠(yuǎn)損耗越大。這樣到達(dá)接收端的紅外光就會(huì)減少。接收端轉(zhuǎn)換的“光電流”就相應(yīng)減少了。當(dāng)接收端加了固定負(fù)載后，負(fù)載兩端的電壓就會(huì)相應(yīng)改變。這就可以通過(guò)檢測(cè)接收端電壓大小反應(yīng)出紅外發(fā)射端與接收端的距離，從而可以達(dá)到調(diào)節(jié)檢測(cè)距離的目的。不過(guò)這種方案對(duì)于接收管的選擇有一定要求，它只能選擇模擬量輸出的接收管。并且發(fā)射端的發(fā)射功率不可改變，對(duì)功耗敏感的系統(tǒng)不太試用。第三種方案則是從發(fā)射端入手，通過(guò)控制發(fā)射端的發(fā)射功率來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)感應(yīng)距離的要求。控制發(fā)射端發(fā)射功率一種方法是使用電位器限流。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器實(shí)現(xiàn)不同的電流調(diào)節(jié)，從而使得發(fā)射功率得以調(diào)節(jié)。但是這方法的弊端在于每次想要調(diào)節(jié)檢測(cè)距離都需要轉(zhuǎn)動(dòng)電位器，這樣做不太方便。第二種方法便是使用單片機(jī)調(diào)節(jié)，單片機(jī)通過(guò)PWM（pulsewidthmodulation）波控制發(fā)射管電流，從而達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)射功率的目的。本設(shè)計(jì)采用的便是方案三，即使用PWM波來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)射功率，該方案具有方便調(diào)節(jié)，功耗低等特點(diǎn)。對(duì)于紅外接收傳感器的選擇，常用的紅外接收傳感器有兩種。一種是下圖3-2所示的接收管，它只能將接收到的紅外信號(hào)以模擬量輸出。即收到的紅外信號(hào)越強(qiáng)，輸出的“光電流”越大。另一種則是圖3-3所示的紅外一體接收管，它內(nèi)部集成了放大器，濾波器等器件，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)。如果選擇前者，那么電路設(shè)計(jì)時(shí)還須添加運(yùn)放用以放大信號(hào)和濾波。而使用后者則可以直接將傳感器的輸出口與單片機(jī)引腳連接。為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，本方案選擇了后者。圖3-2紅外接收管圖3-3紅外一體接收管對(duì)于電磁閥驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，由于本設(shè)計(jì)的電磁閥需求的電流較小，并且電磁閥的開(kāi)關(guān)需要給與不同方向的電壓，所以驅(qū)動(dòng)電路可以選擇“H”橋開(kāi)關(guān)。在這里“H”橋的實(shí)現(xiàn)主要提出兩種方案。一種是使用四顆小的低閾值電壓MOS組成“H”橋，另一種方案則是使用集成“H”橋的芯片。前者的成本較低，但是控制較為復(fù)雜，電路也較為復(fù)雜。后者電路則較為簡(jiǎn)單。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)還是選擇了后者。本設(shè)計(jì)想要實(shí)現(xiàn)低功耗紅外檢測(cè)，選擇一款合適的單片機(jī)也是很有必要的。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的休眠電流會(huì)直接影響到系統(tǒng)的待機(jī)電流。所以單片機(jī)選型時(shí)一定要選擇休眠電流盡量小的單片機(jī)。同時(shí)，的單片機(jī)還得有豐富的外設(shè)，以簡(jiǎn)化外部電路設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)的成本與復(fù)雜度。最終選擇的芯片是CX32L003F3這個(gè)32位單片機(jī)。它外設(shè)豐富，擁有設(shè)計(jì)所需的ADC通道，PWM輸出通道，以及在特定情況下低至1uA的睡眠電流。同時(shí)它的最小系統(tǒng)非常簡(jiǎn)潔，僅需少量器件便可以支持系統(tǒng)正常運(yùn)行。3.2待機(jī)功耗預(yù)估本系統(tǒng)在單片機(jī)休眠時(shí)的理論功耗組成主要包含了單片機(jī)休眠電流，ADC分壓電阻靜態(tài)電流，LDO電源靜態(tài)電流以及其他電路消耗的電流。單片機(jī)休眠時(shí)各部分消耗的電流理論值如下表3-2所示典型值最大值單片機(jī)休眠電流1.06uA1.20uALDO靜態(tài)電流2.00uA3.00uA電阻分壓采樣電路電流2.5uA2.53uA其他電路電流很小很小總計(jì)約5.56uA約6.73uA表3-1休眠時(shí)功耗理論組成當(dāng)單片機(jī)醒來(lái)后系統(tǒng)的功耗主要由單片機(jī)、紅外發(fā)射，紅外接收三部分組成。由于本系統(tǒng)使用的是單片機(jī)內(nèi)部4MHz的RC振蕩器，查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可知在系統(tǒng)主時(shí)鐘為4MHz時(shí)，單片機(jī)消耗的電流典型值為500uA。接收管消耗的電流最大不超過(guò)2mA，實(shí)際消耗的電流為多大需要測(cè)試。發(fā)射管消耗的電流約為發(fā)射管電流加上兩個(gè)三極管基極電流，實(shí)際消耗還得等綜合調(diào)試好后再確認(rèn)。系統(tǒng)的靜態(tài)電流的平均值計(jì)算是要考慮系統(tǒng)休眠的電流以和休眠時(shí)間。以及系統(tǒng)被喚醒時(shí)的電流，以及系統(tǒng)檢測(cè)周期。有了這幾個(gè)量就可以計(jì)算出系統(tǒng)的平均電流，從而計(jì)算出功耗.

4硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路本設(shè)計(jì)由于對(duì)于功耗需求較高，且要求單片機(jī)能定時(shí)喚醒，所以選取的單片機(jī)休眠電流應(yīng)該較低，并且支持定時(shí)喚醒。因此選取了一款32位單片機(jī)CX32L003F8，它具有以下特性：使用的是ARMCortex-M0+內(nèi)核，最高運(yùn)行到24MHz；內(nèi)部集成4MHz~24MHz高速時(shí)鐘，低速38.4KHz/32.768KHz時(shí)鐘；兩種低功耗工作模式：Sleep、DeepSleepMode。值得一提的是在DeepSleepMode下功耗可以低至1uA并且支持RTC（realtimeclock）從DeepSleep模式喚醒系統(tǒng)；具有7通道12位1Msps采樣速率，12位SAR型ADC；含有1個(gè)16位高級(jí)控制定時(shí)器，1個(gè)16位通用定時(shí)器，2個(gè)16/32位基礎(chǔ)定時(shí)器，1個(gè)16位低功耗定時(shí)器，自動(dòng)喚醒定時(shí)器和系統(tǒng)看門(mén)狗定時(shí)器。內(nèi)置32K字節(jié)嵌入式Flash，4K字節(jié)的SRAM。芯片最小系統(tǒng)電路外圍器件較少，僅需一顆1uF的電容，電源輸入濾波電容以及RC復(fù)位電路即可穩(wěn)定工作。該芯片的最典型應(yīng)用如圖4-1。圖4-1CX32L003F8芯片典型應(yīng)用 該芯片可使用Keil或IAR進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試，并且還支持SWD(serialwiredebug)下載。本次設(shè)計(jì)就是基于Keil5進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。Keil5是美國(guó)KeilSoftware公司出品的兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)，相對(duì)于匯編來(lái)說(shuō)，它在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此易學(xué)易用。Keil軟件提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。 下載和調(diào)試工具選用的是ST-link/V2下載器。它是一款由意法半導(dǎo)體公司推出，可以在線仿真及下載STM8系列和STM32系列單片機(jī)的開(kāi)發(fā)工具。這款開(kāi)發(fā)工具對(duì)于本芯片同樣適用。4.2電磁閥驅(qū)動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)需要驅(qū)動(dòng)的電磁閥為脈沖電磁閥。要穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)該電磁閥則需給與電磁閥脈寬不低于35ms電壓介于4.2V~6V的脈沖，并且脈沖電流能夠大于800mA。同時(shí)，由于選用的電磁閥為保持式的。對(duì)于這種保持式的脈沖電磁閥，給與電磁閥合適的正向脈沖就可打開(kāi)電磁閥，想要關(guān)閉它就得給與電磁閥合適的反向脈沖。這就給驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)提出了雙向可控的要求。目前市面上對(duì)這種電路要求應(yīng)用得較為廣泛的是“H橋”驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。4.2.1“H橋”原理表4-1MOS導(dǎo)通狀況與電路狀態(tài)表 常見(jiàn)的“H橋”驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如下圖4-2所示。它一般由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，四個(gè)開(kāi)關(guān)管得交替導(dǎo)通便可驅(qū)動(dòng)中間電機(jī)往不同方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)想要使電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)(圖4-2所示電機(jī)左端為高電壓)時(shí)，需要控制Q1，Q4管導(dǎo)通；Q2，Q3管關(guān)斷。此時(shí)電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O→Q1管→電機(jī)→Q4管→電源負(fù)極。同理，想要使電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)就控制Q1，Q4管關(guān)斷,Q2，Q3管導(dǎo)通。此時(shí)電流流向?yàn)椋弘娫凑龢O→Q2管→電機(jī)→Q3管→電源負(fù)極。四個(gè)表4-1MOS導(dǎo)通狀況與電路狀態(tài)表編號(hào)Q1001011Q2010101Q3100110Q4111000電機(jī)狀態(tài)不導(dǎo)通短路正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)短路不導(dǎo)通注：0表示關(guān)斷，1表示導(dǎo)通。定義電機(jī)左端高電壓時(shí)為正轉(zhuǎn)狀狀態(tài)圖4-2常見(jiàn)“H橋”4.2.2方案分析 本設(shè)計(jì)選取的方案是驅(qū)動(dòng)芯片MX113l。該芯片一般應(yīng)用于電動(dòng)玩具，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。它具有以下特點(diǎn)：低待機(jī)電流，它的待機(jī)電流一般小于0.1uA；內(nèi)部集成續(xù)流二極管，無(wú)需外接續(xù)流二極管；低導(dǎo)通內(nèi)阻MOSFET功率開(kāi)關(guān)管，800毫安通道功率管內(nèi)阻0.43歐姆。最大持續(xù)輸出電流可達(dá)1A，最大峰值輸出電流可達(dá)1.5A；集成約7K對(duì)地下拉電阻。芯片外部電路可省略下拉電阻；內(nèi)置具有遲滯效應(yīng)的過(guò)熱保護(hù)電路。該芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4-3所示?？梢?jiàn)其內(nèi)部集成了“H橋”，MOS管柵極驅(qū)動(dòng)，過(guò)熱保護(hù)電路、電平轉(zhuǎn)換電路等結(jié)構(gòu)。芯片的高度集成，極大的降低了外圍電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，使得硬件設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單了起來(lái)。芯片的輸入“IN1”，“IN2”與輸出“OUT1”,“OUT2”的邏輯關(guān)系真值表如表4-2所示。表4-2芯片信號(hào)輸入與輸出邏輯真值表IN1IN2OUT1OUT2功能LLZZ待機(jī)HLHL正轉(zhuǎn)LHLH反轉(zhuǎn)HHLL剎車(chē)注：“L”低電平；“H”高電平；“Z”高阻態(tài)。圖4-3芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖電磁閥的驅(qū)動(dòng)方法類(lèi)似于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它們都是感性器件，等效模型都是電感串聯(lián)電阻。對(duì)于電磁閥的驅(qū)動(dòng),需要格外注意器件產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。一般的處理方法是在電磁閥兩端并聯(lián)電容和一個(gè)二極管。電容用于濾波，二極管用于續(xù)流，以降低感性器件的反電動(dòng)勢(shì)的影響。由于芯片內(nèi)部集成了續(xù)流二極管，且符合設(shè)計(jì)需求。于是，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)只需在芯片輸出端添加一顆電容即可。4.3ADC采樣電路 由于本設(shè)計(jì)具有電源掉電/低電壓時(shí)能及時(shí)關(guān)閉水閥的功能需求。所以系統(tǒng)必須能檢測(cè)到電源電壓的變化。因此電路中需要添加ADC采樣功能。本設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)自帶ADC功能。它具有單調(diào)不失碼的12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在16MHzADC時(shí)鐘下工作時(shí)，采樣率可達(dá)到1Msps。它的參考電壓可選擇電源電壓。擁有多個(gè)外部通道，可以實(shí)現(xiàn)單次，掃描，循環(huán)轉(zhuǎn)換。由于本單片機(jī)內(nèi)部集成的ADC外設(shè)完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求，所以直接使用單片機(jī)內(nèi)部ADC進(jìn)行采樣。設(shè)計(jì)的ADC采樣電路如圖4-5所示，由圖可見(jiàn)該電路由電阻R5，R6和電容C10組成。圖4-5ADC采樣電路單片機(jī)電源使用3.3V供電，ADC模塊也使用單片機(jī)電源電壓3.3V作為參考電壓，所以采樣點(diǎn)最高電壓不應(yīng)高于3.3V。然而本設(shè)計(jì)的電源輸入范圍為要求為4.5V~6V，所以ADC采樣點(diǎn)需要使用電阻進(jìn)行分壓。由于本設(shè)計(jì)對(duì)功耗要求較高，所以分壓電阻阻值的選擇不能太小。當(dāng)然也不能選取得太大，太大了采樣就不準(zhǔn)確。在本設(shè)計(jì)中選取了兩個(gè)阻值1MΩ精度1%的電阻，同時(shí)并聯(lián)了一個(gè)0.1uF的陶瓷電容用于存儲(chǔ)電荷以及濾波。ADC的采樣和轉(zhuǎn)化其實(shí)就是ADC內(nèi)部電容的快速充放電，在這個(gè)過(guò)程中，這個(gè)電容可以快速給ADC補(bǔ)給電荷，否則ADC采樣很容易產(chǎn)生振蕩，從而導(dǎo)致采樣值不準(zhǔn)確。計(jì)算ADC采樣點(diǎn)電壓與靜態(tài)電流的公式如下：(4.1)(4.2)在理論化ADC阻抗無(wú)窮大即為無(wú)窮大時(shí)根據(jù)公式(4.2)可知。忽略電阻精度且系統(tǒng)5V供電，即，，時(shí)。由公式4.1可知。若仍考慮無(wú)窮大，加上電阻精度K，則公式4.1可修改為： (4.3)當(dāng)選用的電阻精度為1%時(shí)由公式(4.3)可以求出采樣點(diǎn)最大電壓。若考慮上ADC內(nèi)阻，采樣點(diǎn)電壓值還會(huì)更低。由推導(dǎo)可知這是符合設(shè)計(jì)要求的。若要計(jì)算靜態(tài)電流，在考慮ADC內(nèi)阻無(wú)窮大,不考慮電阻精度的情況下有公式： (4.4)當(dāng)電源電壓為時(shí)，由公式4.4可知。4.4紅外發(fā)射與接收電路本設(shè)計(jì)的核心與難點(diǎn)都在于紅外發(fā)射與紅外接收電路的設(shè)計(jì)上。這部分電路的設(shè)計(jì)最大程度上影響了系統(tǒng)的整體功耗，以及傳感器檢測(cè)的精度，距離等信息。4.4.1紅外接收電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用的方案是使用一體化紅外接收頭。該接收頭內(nèi)部電路包含了紅外監(jiān)測(cè)二極管，放大器，限幅器，帶通濾波器，積分器，比較器等電路。當(dāng)紅外監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)時(shí)，會(huì)把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，這樣紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近對(duì)最終接收頭輸出信號(hào)的幅值時(shí)沒(méi)有太大影響的。然后交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過(guò)30KHz到60KHz的負(fù)載波，最后再通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，從而還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。值得注意的是，接收頭輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的，這樣做的目的是為了提高接收的靈敏度。由于紅外接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭的VCC（電源）腳與GND（地）腳須加上濾波電容。 本設(shè)計(jì)使用的接收頭為IRM-56384，一個(gè)常用于家電等產(chǎn)品的一體化紅外接收頭。系統(tǒng)對(duì)功耗的要求較高，為達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)的需求，在不使用時(shí)最好能關(guān)斷一體化紅外接收頭的供電，僅在需要感應(yīng)時(shí)打開(kāi)供電。由于它的工作電流最大不超過(guò)2mA，所以本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)引腳對(duì)其進(jìn)行供電。同時(shí)為防止干擾，在接收頭的電源與地引腳間并聯(lián)了一顆4.7uF的0603封裝的陶瓷電容用于濾波。其具體的電路設(shè)計(jì)如圖4-6所示。圖4-6紅外接收電路4.4.2紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì) 紅外發(fā)射電路，實(shí)質(zhì)上就是調(diào)制電路。載波一般使用的是38KHz的PWM波。通過(guò)“與”門(mén)將信號(hào)調(diào)制到載波上，再通過(guò)紅外發(fā)射出去。本設(shè)計(jì)的原理圖如圖4-7所示。兩個(gè)三極管在這里組成“與”門(mén)。電阻R3的作用是限制電流大小，它的阻值大小可以很直觀地限定紅外發(fā)射的最大發(fā)射功率。兩個(gè)三極管選用的都是SS8050，封裝為SOT-23。電阻R2與R4在這里也是出于限流的作用。紅外發(fā)射管選用的是IR204A。這個(gè)發(fā)射管在正向電流IF=20mA，25℃的室溫下，正向壓降VF值大概為1.2V。圖4-7紅外發(fā)射電路當(dāng)選用的電阻R3為33Ω時(shí)，發(fā)射管正向壓降取1.2V時(shí)通過(guò)紅外發(fā)射二級(jí)管的峰值電流粗略估算可達(dá)到64mA。實(shí)際上由于三極管的集電極與發(fā)射級(jí)間還存在壓差，所以實(shí)際上導(dǎo)通時(shí)的電流應(yīng)小于這個(gè)理論計(jì)算值。查閱SS8050數(shù)據(jù)手冊(cè)，可見(jiàn)圖4-8所示的三極管的集電極電流（）與集電極-發(fā)射極電壓（）在不同基極電流（）條件下的曲線圖。圖4-8三極管-在不同條件下的曲線圖由圖可見(jiàn)，當(dāng)時(shí)最大可以超過(guò)60mA。繼續(xù)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可知當(dāng)為60mA時(shí)大概為0.75V。限流電阻取值公式：(4.5)當(dāng)，，時(shí)，由公式4.5可計(jì)算出限流電阻取值應(yīng)為10.2KΩ，這里取常用電阻值10KΩ。這時(shí)候調(diào)制波的最大占空比大概在30%左右距離調(diào)節(jié)就會(huì)變得不明顯。4.5其它電路設(shè)計(jì)除了以上提到的主要的電路設(shè)計(jì)外，還有一些電路也得提一下。雖然比較簡(jiǎn)單，但有些也扮演了不可或缺的角色。4.5.1輔助電源設(shè)計(jì) 輸入電源的電壓范圍為4.5V～6V，而本設(shè)計(jì)所用到的單片機(jī)最高只支持5.5V的電源輸入。所以還需要一個(gè)輔助電源給單片機(jī)進(jìn)行供電。一般的，由于單片機(jī)對(duì)電源功率需求不大，但對(duì)紋波，噪聲等要求會(huì)相對(duì)較高一些。所以單片機(jī)供電電源通常選取LDO電源芯片，而非開(kāi)關(guān)電源芯片。鑒于低成本，低壓差，低功耗的需求。我選取了HT7133這款芯片作為單片機(jī)供電的穩(wěn)壓芯片。該芯片采用CMOS工藝制造，最高輸入電壓可達(dá)30V，輸出電壓范圍為1.5V～12.0V；它的待機(jī)電流較低，一般小于等于3uA；并且外圍器件較少，僅需兩個(gè)電容并聯(lián)在輸入輸出端濾波即可穩(wěn)定正常工作。4.5.2防反電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的防反電路設(shè)計(jì)需求來(lái)自于電源供電接口為直接焊接導(dǎo)線。很容易由于疏忽導(dǎo)致正負(fù)極焊反，從而在上電時(shí)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)被短路燒毀。由于本設(shè)計(jì)的功耗較低。所以防反電路的設(shè)計(jì)直接使用一個(gè)二極管串接在電路中。它的原理是利用了二極管的單向?qū)щ娞匦浴．?dāng)電路中添加正向電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流經(jīng)過(guò)二極管導(dǎo)器件再到地形成回路。當(dāng)電路中添加反向電壓時(shí)，二極管截至，電流不能經(jīng)過(guò)二極管，從而無(wú)法形成回路，就達(dá)到了保護(hù)器件的目的。4.5.3LED電路 LED用于提示系統(tǒng)所處的狀態(tài)。選用的LED是0603封裝的貼片LED。它的最大正向持續(xù)電流為20mA，正向壓降典型值為3V。本設(shè)計(jì)的LED電路供電由單片機(jī)引腳提供，為3.3V。限流電阻根常用取值為1KΩ。由下面公式： (4.6)可知，當(dāng)，，時(shí)可以計(jì)算得到。一般在電流值較小時(shí)，LED的正向壓降會(huì)降低。所以計(jì)算的到的限流值理論上是偏大的。

5軟件設(shè)計(jì)5.1總體方案本設(shè)計(jì)的軟件主要包含了以下幾個(gè)部分：紅外發(fā)射接收驅(qū)動(dòng)、TIM1-PWM波輸出、LPTIM時(shí)基產(chǎn)生、Deep-Sleep休眠喚醒、ADC采樣以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)。主要的邏輯如圖所示。圖5-1系統(tǒng)程序框圖5.2相關(guān)計(jì)數(shù)器配置本設(shè)計(jì)的程序使用了三個(gè)計(jì)數(shù)器：LPTIM（lowpowertimer，低功耗計(jì)數(shù)器）、TIM1（timer1，高級(jí)計(jì)數(shù)器）、AWK（自喚醒計(jì)數(shù)器）。LPTIM是一個(gè)異步16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，它在系統(tǒng)時(shí)鐘關(guān)閉后仍然可以通過(guò)內(nèi)部低速RC時(shí)鐘或者外部低速晶體振蕩時(shí)鐘計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)。它可以通過(guò)中斷在低功耗模式下喚醒系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中低功耗定時(shí)器主要是為位紅外發(fā)射，紅外接收等驅(qū)動(dòng)提供時(shí)基。TIM1由一個(gè)16位的自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器組成，并且由一個(gè)可編程的預(yù)分頻器驅(qū)動(dòng)。它的用途廣泛?？梢杂糜跍y(cè)量輸入信號(hào)的脈沖寬度(輸入捕獲)，或者產(chǎn)生輸出波形(輸出比較、PWM、嵌入死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)PWM等)。它可以配置成向上、向下、向上/向下的自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)器。在本設(shè)計(jì)中主要用到了它的輸出PWM波的功能，用于給紅外發(fā)射提供占空比可變的載波。AWK為CX32L003芯片低功耗休眠后專(zhuān)用的喚醒定時(shí)器。在芯片進(jìn)入Sleep模式或者DeepSleep模式后它可以正常計(jì)時(shí)。為芯片在低功耗模式下提供一個(gè)喚醒事件。該定時(shí)器可以配置為內(nèi)部低速時(shí)鐘源(LIRC)、外部低速時(shí)鐘源(LXT)、外部高速時(shí)鐘(HXT)分頻后的時(shí)鐘。這三個(gè)定時(shí)器的初始化主要配置參數(shù)如下：(1)低功耗計(jì)數(shù)器主要配置：時(shí)鐘選擇內(nèi)部38KHz低速時(shí)鐘（LIRC）；定時(shí)器模式選擇自動(dòng)重載模式；自動(dòng)重裝載值為0XFFFC；使能LPTIM中斷。理論上產(chǎn)生114微秒的時(shí)基。(2)高級(jí)計(jì)數(shù)器主要配置：時(shí)鐘選擇4MHz內(nèi)部高速時(shí)鐘（HIRC）；計(jì)數(shù)方式配置計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)；自動(dòng)重裝載值為0XFFFE；時(shí)鐘分頻因子配置為0，時(shí)鐘分頻器的分頻器值為104；輸出模式選擇PWM模式1；使能TIM1中斷；將脈寬設(shè)為變量。最后理論上會(huì)輸出38KHz的PWM波。(3)自喚醒計(jì)數(shù)器主要配置：時(shí)鐘選擇內(nèi)部32.768K低速時(shí)鐘（LIRC）；時(shí)鐘預(yù)分頻值設(shè)為512；自動(dòng)重裝載值為0XC0；使能AWK中斷。設(shè)定的休眠時(shí)間理論為984毫秒。5.3紅外發(fā)射與接收驅(qū)動(dòng)本設(shè)計(jì)由于有使用紅外遙控器遙控的需求，所以得有紅外的接收驅(qū)動(dòng)。市面上多數(shù)遙控器使用的通信協(xié)議為NEC(NewEngineeringContract)協(xié)議。NEC編碼的一幀（通常按一下遙控器按鈕所發(fā)送的數(shù)據(jù)）一般包含了引導(dǎo)碼、地址碼、地址反碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼以及最后一個(gè)停止位。其中停止位主要起隔離作用，一般不進(jìn)行判斷。該協(xié)議在發(fā)射了地址碼和數(shù)據(jù)碼后都會(huì)再發(fā)送它們的反碼。這樣做的目的是為了加強(qiáng)數(shù)據(jù)的正確性。其中數(shù)據(jù)編碼總共是4個(gè)字節(jié)32位。其中第一個(gè)字節(jié)為地址碼，第二個(gè)字節(jié)為地址反碼，第三個(gè)字節(jié)就是要發(fā)送的數(shù)據(jù)碼，而第四個(gè)字節(jié)是數(shù)據(jù)碼的反碼，可用于數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)。一幀NEC協(xié)議的主要構(gòu)成如圖5-2所示。圖5-2一幀NEC協(xié)議的主要構(gòu)成NEC協(xié)議的引導(dǎo)碼與數(shù)據(jù)的波形如圖5-3所示。在協(xié)議里對(duì)于引導(dǎo)碼，1bit數(shù)據(jù)“0”，“1”的電平持續(xù)時(shí)間如下規(guī)定：引導(dǎo)碼：9ms的載波+4.5ms的空閑；數(shù)據(jù)“0”：560us的載波+560us的空閑；數(shù)據(jù)“1”：560us的載波+1.68ms的空閑。圖5-3引導(dǎo)碼與數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)波形對(duì)于發(fā)射端編程的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)協(xié)議要求，首先要發(fā)送引導(dǎo)碼，即先發(fā)送9ms的高電平，緊接著發(fā)送4.5ms的低電平。接下來(lái)就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。第一個(gè)8bit的數(shù)據(jù)是地址碼，第二個(gè)8bit的數(shù)據(jù)則是地址碼的反碼。把它們按照從低位到高位的順序發(fā)送。第三個(gè)8bit為數(shù)據(jù)碼，第四個(gè)8bit為數(shù)據(jù)碼的反碼，同樣也按照地位到高位的順序發(fā)送。發(fā)射端的載波則由16位高級(jí)定時(shí)器TIM1配置成PWM輸出模式獲得。為了和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相同，這里產(chǎn)生的載波頻率為38KHz。由于在初始化配置時(shí)將脈寬設(shè)置為了變量，所以可以設(shè)置不同脈寬對(duì)該P(yáng)WM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到調(diào)節(jié)檢測(cè)距離的要求。對(duì)于接收端的編程實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，接收端的波形與發(fā)射端是相反的。所以這里對(duì)于信號(hào)的接收，使用了單片機(jī)的外部中斷。并用下降沿作為觸發(fā)條件。首先是在第一個(gè)下降沿中斷后將相關(guān)標(biāo)志位置位，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。在下一個(gè)下降沿中斷產(chǎn)生后立刻判斷計(jì)數(shù)值是否為9ms+4.5ms，即是否為引導(dǎo)碼。如果不是則是干擾就將相關(guān)標(biāo)志位清零。如果是則可以繼續(xù)判斷后面的數(shù)據(jù)。在未接收完32位數(shù)據(jù)時(shí)，若兩次下降沿間隔不在“0”，“1”的規(guī)定時(shí)間誤差范圍內(nèi)，則可判斷接收失敗，將相關(guān)標(biāo)志位清零。若接收到了32位數(shù)據(jù)，則接收成功，并將相關(guān)標(biāo)志位清零。如果要使用NEC協(xié)議進(jìn)行距離檢測(cè)的，那么發(fā)射管工作的時(shí)間將會(huì)至少有50ms左右。這就意味著單片機(jī)被喚醒后得持續(xù)工作50ms,這樣系統(tǒng)的功耗肯定是不能達(dá)標(biāo)的。所以得重新定義發(fā)送得檢測(cè)信號(hào)，以得到最佳得功耗。首先，要使得載波占空比能夠很好得調(diào)整檢測(cè)距離，那么發(fā)射信號(hào)的高電平時(shí)間就得長(zhǎng)。但是一幀數(shù)據(jù)又不能持續(xù)太長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)闀r(shí)間太長(zhǎng)一個(gè)周期內(nèi)的平均功耗就會(huì)很高。基于114us的時(shí)基，我規(guī)定了以下格式：紅外發(fā)射管首先發(fā)射2.28ms高電平用于距離探測(cè)，再發(fā)射0.228ms的低電平，最后再發(fā)射0.228ms的高電平用于分割一幀數(shù)據(jù)。這樣發(fā)射時(shí)間計(jì)算下來(lái)理論值為2.736ms。就能使得單片機(jī)工作時(shí)間占比減小。5.4其他配置系統(tǒng)時(shí)鐘配置：本設(shè)計(jì)使用到的芯片內(nèi)部含有RC振蕩器，可以產(chǎn)生內(nèi)部高速時(shí)鐘以及內(nèi)部低速時(shí)鐘。由于在硬件設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有添加外部時(shí)鐘，所以在軟件的配置上就必須使能內(nèi)部的高速時(shí)鐘作為系統(tǒng)主時(shí)鐘。但該單片機(jī)可配置主時(shí)鐘為4MHz、8MHz、16MHz、22.12MHz、24MHz。由于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)在工作時(shí)的功耗就會(huì)相應(yīng)提高。為了低功耗，本設(shè)計(jì)使用的是最低的高速時(shí)鐘，即4MHz時(shí)鐘作為系統(tǒng)主時(shí)鐘。由于使用到了LPTIM與AWK。所以?xún)?nèi)部的低速32.768KHz與38KHz時(shí)鐘也需相應(yīng)的初始化配置好。ADC配置：該芯片的ADC為12位ADC，所以采樣值最大為4095。它具有3種轉(zhuǎn)換模式：?jiǎn)未无D(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換、累加轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中采用的轉(zhuǎn)換方式為連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。取5次采樣電壓值進(jìn)行分析，以減少誤檢測(cè)的可能性。在配置時(shí)，ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘選取系統(tǒng)時(shí)鐘4分頻，即采樣時(shí)鐘頻率為1MHz。同時(shí)打開(kāi)ADC中斷，當(dāng)連續(xù)5次的采樣值低于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉水閥，點(diǎn)亮LED燈1秒并關(guān)閉紅外檢測(cè)功能。直到ADC采樣電壓恢復(fù)正常后系統(tǒng)才能繼續(xù)運(yùn)行。電磁閥驅(qū)動(dòng)：電磁閥驅(qū)動(dòng)較為簡(jiǎn)單。控制電磁閥的單片機(jī)引腳為PC4與PC5。當(dāng)想要打開(kāi)電磁閥時(shí)只需機(jī)遇PC4高電平，PC5低電平。30ms后再都設(shè)為低電平即可。想要關(guān)閉電磁閥就給PC4低電平，PC5高電平。同樣30ms后都設(shè)為低電平。Deep-Sleep模式配置：在進(jìn)入深度睡眠模式前，我們需要失能用不到的外設(shè)。比如低功耗串口(LPUART)、下載調(diào)試口、ADC采樣等外設(shè)。還需要配置好各個(gè)引腳的狀態(tài)，以減小漏電流，使功耗能降到最低。同時(shí)還得注意當(dāng)單片機(jī)醒來(lái)時(shí)再按順序使能需要用到的外設(shè)和引腳。

6制作與調(diào)試6.1硬件設(shè)計(jì)與制作硬件電路的設(shè)計(jì)是基于AD(AltiumDesigner)的。它是原Protel軟件開(kāi)發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，可在Windows操作系統(tǒng)上運(yùn)行。這款軟件把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB(PrintedCircuitBoard）繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)做到了完美融合，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的原理圖與PCB繪制均在這款軟件上完成。設(shè)計(jì)完成后便是制作PCB與焊接。在網(wǎng)上打樣了5塊PCB樣板并購(gòu)買(mǎi)了制作所必要的電子元器件。最后對(duì)其進(jìn)行了焊接，最終成品見(jiàn)附錄。6.2調(diào)試過(guò)程調(diào)試紅外發(fā)射接收：在焊接完成后便是漫長(zhǎng)的調(diào)試過(guò)程。首先需要調(diào)試的是紅外發(fā)射與接收，使用發(fā)射管發(fā)射N(xiāo)EC協(xié)議的信號(hào)，然后使用紅外接收管接收。打開(kāi)Keil5的斷點(diǎn)調(diào)試功能查看引導(dǎo)碼，數(shù)據(jù)“0”與數(shù)據(jù)“1”分別的電平持續(xù)時(shí)間是否合理。然后就是調(diào)整PWM占空比測(cè)量不同占空比下得發(fā)射距離。調(diào)試電磁閥驅(qū)動(dòng)：當(dāng)紅外通信調(diào)試好后便是測(cè)試電磁閥驅(qū)動(dòng)。修改程序查看電磁閥是否能正確打開(kāi)與關(guān)閉，再使用示波器查看驅(qū)動(dòng)電路輸出的脈沖信號(hào)電平持續(xù)時(shí)間是否達(dá)到要求。調(diào)試深度休眠模式：配置好各模塊后再失能相關(guān)不使用的外設(shè)，然后休眠單片機(jī)，測(cè)量單片機(jī)休眠功耗。如果功耗偏高，檢查單片機(jī)引腳得配置是否合理，相關(guān)不用的外設(shè)是否有關(guān)閉。當(dāng)功耗降低到合適值后把定時(shí)喚醒功能加上，然后查看單片機(jī)是否能在規(guī)定時(shí)間醒來(lái)。調(diào)試ADC采樣：打開(kāi)編譯器Debug功能，查看ADC采樣值是否與理論計(jì)算值接近。如過(guò)接近就慢慢降低供電電壓到4.5V多次采樣查看ADC采樣值。然后記錄下來(lái)定為閾值。本設(shè)計(jì)同樣也留有串口可以引出以供調(diào)試。即可以使用串口實(shí)時(shí)打印出ADC采樣值，然后更具采樣值設(shè)定合適的閾值。6.3測(cè)試結(jié)果 在完成了PCB板的制作以及軟件調(diào)試之后。便開(kāi)始了一系列的測(cè)試，用于檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否符合要求。在本小節(jié)將會(huì)對(duì)一些在調(diào)試過(guò)程中測(cè)量的波形進(jìn)行展示。并對(duì)得到的波形做出相應(yīng)的解釋。6.3.1紅外發(fā)射波形測(cè)試 測(cè)試工具及條件：波形測(cè)量使用泰克TDS2024B示波器、無(wú)源電壓探頭。測(cè)量時(shí)將探頭調(diào)到X1檔。探頭測(cè)量單片機(jī)PD4引腳（即紅外發(fā)射信號(hào)輸出引腳）。修改程序使單片機(jī)每隔500ms發(fā)送一幀數(shù)據(jù)0XFFFF0CF3。示波器上測(cè)量到的波形如圖6-1、圖6-2、圖6-3與圖6-4所示。其中圖6-1為發(fā)射一幀數(shù)據(jù)的整體圖，圖6-2為引導(dǎo)碼的局部放大圖，圖6-3與圖6-4分別為紅外發(fā)射信號(hào)的數(shù)據(jù)“1”與“0”的局部放大圖。圖6-1一幀數(shù)據(jù)發(fā)射波形圖6-2發(fā)射波形引導(dǎo)碼局部放大圖圖6-3紅外發(fā)射數(shù)據(jù)“1”圖6-4紅外發(fā)射數(shù)據(jù)“0” 結(jié)論：由圖6-1可見(jiàn)一幀完整的紅外發(fā)射調(diào)制信號(hào)，實(shí)際發(fā)射時(shí)還需將此波調(diào)制到38KHz的載波上。圖6-2為發(fā)射時(shí)的引導(dǎo)碼，移動(dòng)光標(biāo)可測(cè)量得到其時(shí)間大概為14ms左右，與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的13.5ms基本接近。圖6-1與圖6-2分別展示了發(fā)射數(shù)據(jù)“0”與數(shù)據(jù)“1”的高低電平時(shí)間，它們實(shí)測(cè)分別為2.32ms與1.31ms。與協(xié)議規(guī)定的2.25ms以及1.25ms接近。 修改程序，使用最終的程序，即使紅外發(fā)射為自定義協(xié)議，且此時(shí)單片機(jī)定時(shí)休眠1s左右再喚醒。待系統(tǒng)正常進(jìn)入檢測(cè)程序后，再使用示波器測(cè)量單片機(jī)的PD4引腳，測(cè)量到的波形如圖6-4所示。再使用示波器測(cè)量PD3引腳（即載波信號(hào)輸出引腳），測(cè)量到的波形如圖6-5所示。圖6-5最終程序的發(fā)射波形圖6-6載波信號(hào)波形6.3.2紅外接收波形測(cè)試測(cè)試工具及條件：波形測(cè)量使用泰克TDS2024B示波器、無(wú)源電壓探頭。測(cè)量時(shí)將探頭調(diào)到X1檔。探頭測(cè)量單片機(jī)PD2引腳（即紅外接收管輸出引腳）。單片機(jī)每隔500ms發(fā)送數(shù)據(jù)0XFFFF0CF3，并在距傳感器正前方10cm處放置擋板。示波器測(cè)量到的波形如圖6-6與圖6-7所示。其中圖6-6為一幀數(shù)據(jù)接收的整體圖，圖6-7接收波形為引導(dǎo)碼局部放大圖。圖6-6一幀數(shù)據(jù)接收波形圖6-7接收波形引導(dǎo)碼局部放大圖6.3.3功耗測(cè)試 由于實(shí)驗(yàn)室的電源能夠測(cè)量到的電流最小值為10uA，精度不夠。不能很好的測(cè)量出本系統(tǒng)的平均電流。所以在測(cè)量系統(tǒng)低功耗時(shí)也是使用的示波器進(jìn)行測(cè)量，該方法使用的原理是使用電阻分壓，以及歐姆定律。實(shí)際做法就是串接電阻在供電電路上，然后測(cè)量電阻兩端的電壓再除以電阻值便可以得出實(shí)際的電流值。這樣得到的數(shù)據(jù)不是非常精確，但也能計(jì)算出個(gè)大概。測(cè)試工具及條件：波形測(cè)量使用泰克TDS2024B示波器、無(wú)源電壓探頭。測(cè)量時(shí)將探頭調(diào)到X1檔。串聯(lián)一顆100Ω的電阻在供電回路上，待系統(tǒng)進(jìn)入正常感應(yīng)模式后，使用示波器測(cè)量電阻兩端的波形。其測(cè)量波形如圖6-5所示。再修改程序使系統(tǒng)一直休眠，使用萬(wàn)用