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【摘 要】本文介绍了基于AvR单片机的多外围设备控制系统的设计。分析了其中的多个步进电机的驱动电路以及一些其它外围电路的设计。
【关键词】AVR；控制系统；pWM传感器智能座便器；AvR单片机步进电机
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-8283(2009)03-0110-01
1 系统测试及存在的问题
系统的测试分为独立测试和联合测试。独立测试是为了确认该电路及相关的程序是否工作正常，而联合测试则是确保这些外围电路及相关程序之间的配合运行能顺利进行。独立测试时遇到的一个较隐蔽的问题出现在翻盖和翻圈步进电机的驱动电路中，就是前文提到的巴97和巴98组成的步进电机驱动电路。在用该电路驱动步进电机转动时，会有一定几率出现单片机复位的情况。出现该问题是由于该驱动电路功率暗夜，运行时压降较高，从而拉低了单片机的电源电压。当电源电压低于单片机的复位电压时，单片机就会复位。解决方法是在电源和地之间并了一个1000卜｢的电容，在电源电压被拉低时，电容里的电量会瞬间释放出来，以维持电源电压的稳定。
2 思路及解决办法
高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机工艺及设计水平不高、功耗高、抗干扰性能差、指令周期长、执行速度慢。自从AVR单片机推出以后，彻底改变了这种状态。它采用精简指令集，硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，采用局部寄存器存堆和单体高速输入/输出的方案。这样，既提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能；又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本[1]。AVR单片机的先进性和特点有很多，如脉宽调制(PWM)输出，看门狗定时器，休眠模式(低功耗)的应用，片内A/O转换器的使用，异、同步串口通信，软件O从等。所以对于现在一般的嵌入式控制应用，AvR单片机是一个很好的选择。本文充分利用AvR单片机的优势，开发一个有众多外围设备的控制系统—智能座便器控制系统。
2.1 系统结构和功能
设计该系统所需要的外围设备包括：步进电机、红外测距传感器、霍尔传感器、温度传感器、水位传感器、IC传感器等等。各种步进电机需要通过三极管跟MCU相连加以驱动。红外测距传感器得到的是模拟信号，所以MCU要得到红外测距传感器的信号，要用
①基金项目：浙江省科技厅重点项目(2侧抖C23034)，2系统建设SystemC~ction
2.2 期计算机系统应用
A/O加以转换。霍尔传感器、温度传感器、水位传感器、!C传感器得到的都是数字信号，所以可以直接跟MCU的输入引脚相连。此外还有一些简单的外设，需要相应的一些驱动主机系统的硬件工作框图智能座便器主机控制系统的功能主要有：喷头清洗功能、除臭功能、干燥功能、臀部清洗功能、女用清洗功能、ST0p功能、冲水功能、翻圈和盖功能、坐温调节功能、水温调节功能、风温调节功能、红外接收功能等等。
3 系统的硬件设计
(1)PWM输出电动机控制器。L298是双H桥式驱动器。这种组合方式的优点是，需要的元件很少，从而使得装配成本低仁2〕，可靠性高和占空间少，并且大大的简化了单片机的负担，程序只需要控制PWM波的输出就行了。单片机的控制原理如下：ATmega64内部的16位定时器/计数器产生pWM波，提供给L297的CLK信号，L297产生的步进电机控制信号经由L298来驱动翻盖和翻圈的步进电机运行。电机的转速可以过调节pWM波的频率来控制。户柑M波的频率是由16位定时器/计数器的比较溢出寄存器控制的。
(2)控制波形输出电路往复、阀门分配器和自动放水的步进电机都需要控制角度。往复步进电机需要调节清洗的位置，阀门分配器需要通过控制控制旋转的角度来控制出水的速度，自动放水步进电机要控制放水的大小。所以这三个步进电机的相电流采用ATmego64的四个引脚的输出电平来控制，改变四个引脚的输出电平就能控制电机的转向，控制电平脉冲的个数就能控制电机转动的角度，控制电平脉冲的速度就能控制电机的转速每一个引脚输出的电平经由三极管放大，接到步进电机的一相电路上。每一相上再反接一个二极管到电源组成回流保护电路。
(3)开关量输出电路铝箔加热器、电热丝和电热管需要22OV的电压，所以采用可控硅BTA12驱动，并在电路中间加了光电隔离MOC3061。水泵由场效应管驱动。蜂鸣器、电磁阀和两个直流风机由三极管驱动所示。各种指示灯经由锁存器和缓冲器连接到ATmego64的引脚。
(4)开关量输入电路，所有传感器除了红外测距传感器图2L297和L298组成的步进电机驱动电路由L297和L298组成。L297是步进之外，输出的都是数字信号，直接连接到ATmegO64的引脚上。红外测距传感器输出的是模拟信号，所以需要在传感器和ATmego64之间加一个AO转换电路Syst阴eons加etion系统建设13机系统应用2008年第2期，阅r阅份，告叼月月进电机控制波形输出电路些鲡库库声里匡匡高压器件驱动电路JP19MGNETVAL电磁阀等的驱动电路
(5)红外接收电路，红外接收采用一体化接收头，所以不需要解码、信号放大等电路，只需要设计一个RC滤波电路对红外信号进行滤波处理。
(6)键盘输入电路，本系统的功能很多，大部分的功能都通过遥控器来控制，在主机上只有几个按键来控制一些基本的功能，如：冲水、清洗、干燥、STOp等等。键盘输入电路采用普通单排的键盘电路计。系统的软件设计考虑到系统可移植性及便于维护和扩充，系统软件采用C语言编写。智能座便器主机控制系统的主要功能有：喷头清洗功能、除臭功能、干燥功能、臀部清洗功能、女用清洗功能、STOp功能、冲水功能、翻圈和盖功能、坐温调节功能、水温调节功能、风温调节功能、红外接收功能等等。在这些功能中，涉及到对各种步进电机的控制，对红外测距传感器、霍尔传感器状态的读取。实现自动翻圈盖功能，首先利用红外测距传感器检测到人的靠近，然后控制步进电机实现自动翻盖，在翻盖过程中要读取霍尔传感器的状态以制翻盖的角度以及停止的位置。
参考文献：
[1]孙祥国，基于ARM单片机的步进电机控制系统设计，机电工程技术，2007，36(6)：71一73.
[2]王鸿枉，步进电机控制技术入门，上海：同济大学出版社，1990.
[3]王田苗，嵌入式系统设计与实例开发，北京：清华大学出版社，2003.
【关键词】AVR；控制系统；pWM传感器智能座便器；AvR单片机步进电机
中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-8283(2009)03-0110-01
1 系统测试及存在的问题
系统的测试分为独立测试和联合测试。独立测试是为了确认该电路及相关的程序是否工作正常，而联合测试则是确保这些外围电路及相关程序之间的配合运行能顺利进行。独立测试时遇到的一个较隐蔽的问题出现在翻盖和翻圈步进电机的驱动电路中，就是前文提到的巴97和巴98组成的步进电机驱动电路。在用该电路驱动步进电机转动时，会有一定几率出现单片机复位的情况。出现该问题是由于该驱动电路功率暗夜，运行时压降较高，从而拉低了单片机的电源电压。当电源电压低于单片机的复位电压时，单片机就会复位。解决方法是在电源和地之间并了一个1000卜｢的电容，在电源电压被拉低时，电容里的电量会瞬间释放出来，以维持电源电压的稳定。
2 思路及解决办法
高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机工艺及设计水平不高、功耗高、抗干扰性能差、指令周期长、执行速度慢。自从AVR单片机推出以后，彻底改变了这种状态。它采用精简指令集，硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，采用局部寄存器存堆和单体高速输入/输出的方案。这样，既提高了指令执行速度，克服了瓶颈现象，增强了功能；又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本[1]。AVR单片机的先进性和特点有很多，如脉宽调制(PWM)输出，看门狗定时器，休眠模式(低功耗)的应用，片内A/O转换器的使用，异、同步串口通信，软件O从等。所以对于现在一般的嵌入式控制应用，AvR单片机是一个很好的选择。本文充分利用AvR单片机的优势，开发一个有众多外围设备的控制系统—智能座便器控制系统。
2.1 系统结构和功能
设计该系统所需要的外围设备包括：步进电机、红外测距传感器、霍尔传感器、温度传感器、水位传感器、IC传感器等等。各种步进电机需要通过三极管跟MCU相连加以驱动。红外测距传感器得到的是模拟信号，所以MCU要得到红外测距传感器的信号，要用
①基金项目：浙江省科技厅重点项目(2侧抖C23034)，2系统建设SystemC~ction
2.2 期计算机系统应用
A/O加以转换。霍尔传感器、温度传感器、水位传感器、!C传感器得到的都是数字信号，所以可以直接跟MCU的输入引脚相连。此外还有一些简单的外设，需要相应的一些驱动主机系统的硬件工作框图智能座便器主机控制系统的功能主要有：喷头清洗功能、除臭功能、干燥功能、臀部清洗功能、女用清洗功能、ST0p功能、冲水功能、翻圈和盖功能、坐温调节功能、水温调节功能、风温调节功能、红外接收功能等等。
3 系统的硬件设计
(1)PWM输出电动机控制器。L298是双H桥式驱动器。这种组合方式的优点是，需要的元件很少，从而使得装配成本低仁2〕，可靠性高和占空间少，并且大大的简化了单片机的负担，程序只需要控制PWM波的输出就行了。单片机的控制原理如下：ATmega64内部的16位定时器/计数器产生pWM波，提供给L297的CLK信号，L297产生的步进电机控制信号经由L298来驱动翻盖和翻圈的步进电机运行。电机的转速可以过调节pWM波的频率来控制。户柑M波的频率是由16位定时器/计数器的比较溢出寄存器控制的。
(2)控制波形输出电路往复、阀门分配器和自动放水的步进电机都需要控制角度。往复步进电机需要调节清洗的位置，阀门分配器需要通过控制控制旋转的角度来控制出水的速度，自动放水步进电机要控制放水的大小。所以这三个步进电机的相电流采用ATmego64的四个引脚的输出电平来控制，改变四个引脚的输出电平就能控制电机的转向，控制电平脉冲的个数就能控制电机转动的角度，控制电平脉冲的速度就能控制电机的转速每一个引脚输出的电平经由三极管放大，接到步进电机的一相电路上。每一相上再反接一个二极管到电源组成回流保护电路。
(3)开关量输出电路铝箔加热器、电热丝和电热管需要22OV的电压，所以采用可控硅BTA12驱动，并在电路中间加了光电隔离MOC3061。水泵由场效应管驱动。蜂鸣器、电磁阀和两个直流风机由三极管驱动所示。各种指示灯经由锁存器和缓冲器连接到ATmego64的引脚。
(4)开关量输入电路，所有传感器除了红外测距传感器图2L297和L298组成的步进电机驱动电路由L297和L298组成。L297是步进之外，输出的都是数字信号，直接连接到ATmegO64的引脚上。红外测距传感器输出的是模拟信号，所以需要在传感器和ATmego64之间加一个AO转换电路Syst阴eons加etion系统建设13机系统应用2008年第2期，阅r阅份，告叼月月进电机控制波形输出电路些鲡库库声里匡匡高压器件驱动电路JP19MGNETVAL电磁阀等的驱动电路
(5)红外接收电路，红外接收采用一体化接收头，所以不需要解码、信号放大等电路，只需要设计一个RC滤波电路对红外信号进行滤波处理。
(6)键盘输入电路，本系统的功能很多，大部分的功能都通过遥控器来控制，在主机上只有几个按键来控制一些基本的功能，如：冲水、清洗、干燥、STOp等等。键盘输入电路采用普通单排的键盘电路计。系统的软件设计考虑到系统可移植性及便于维护和扩充，系统软件采用C语言编写。智能座便器主机控制系统的主要功能有：喷头清洗功能、除臭功能、干燥功能、臀部清洗功能、女用清洗功能、STOp功能、冲水功能、翻圈和盖功能、坐温调节功能、水温调节功能、风温调节功能、红外接收功能等等。在这些功能中，涉及到对各种步进电机的控制，对红外测距传感器、霍尔传感器状态的读取。实现自动翻圈盖功能，首先利用红外测距传感器检测到人的靠近，然后控制步进电机实现自动翻盖，在翻盖过程中要读取霍尔传感器的状态以制翻盖的角度以及停止的位置。
参考文献：
[1]孙祥国，基于ARM单片机的步进电机控制系统设计，机电工程技术，2007，36(6)：71一73.
[2]王鸿枉，步进电机控制技术入门，上海：同济大学出版社，1990.
[3]王田苗，嵌入式系统设计与实例开发，北京：清华大学出版社，2003.