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基于ATMega28的智能马桶设计与实现
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"基于ATMegal28的智能坐便器设计与实现" 这篇硕士学位论文主要探讨了智能马桶的设计与实现,作者是张永征,导师是王卫红,来自浙江工业大学,专业为计算机系统结构。论文的核心是利用ATMega28微控制器作为智能马桶主机控制系统的中心处理单元,以及采用Samsung公司的AR/V19S3C2410A处理器来设计红外遥控系统。智能马桶作为一种结合了嵌入式技术的家用洁具,由于其复杂的功能和高昂的价格,目前尚未广泛普及。因此,作者旨在设计一个更实用且经济的智能马桶原型。 在深入研究市场上的智能马桶产品并与制造商和用户交流后,确定了所需研发的智能马桶功能,包括基本的清洁、加热、烘干等。在主机系统设计中,ATMega28处理器用于处理各种控制任务,同时结合角度传感器和闭环控制技术,确保了盖板开启和关闭过程中的安全,防止电机或盖板在异常情况下受损。此外,遥控器系统由3C2410A处理器驱动,实现了远程操作和MP4功能,提升了用户体验。 为了增强系统的稳定性和效率,论文还涉及了软硬件抗干扰技术和低功耗设计。用户测试结果显示,设计的智能马桶功能满足了普通用户的实际需求,动态保护功能有效,优化措施提升了系统的整体性能。 关键词包括:ATMega28、嵌入式系统、智能马桶、步进电机、伺服系统和传感器。这篇论文不仅提供了一种具体的智能马桶设计方案,也为后续的智能家居产品设计提供了参考。
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浙江工业大学硕士学位论文
复杂,嵌入式软件的规模也随之变得愈加庞大,传统的嵌入式开发方法已经无法
满足当今嵌入式软件开发的需要。为了满足复杂嵌入式软件开发的需要,软件工
程和设计模式方面的技术不断地被应用到嵌入式软件开发中。
1.3智能坐便器
1.3.1智能坐便器概述
智能化已成为卫浴产品设计与发展的趋势,智能坐便器就是智能控制技术运
用于卫浴产品而设计出的智能产品。智能坐便器集智能、时尚、美观、环保于一
体,能为人们营造出更高品质的生活。目前在国内外市场,智能坐便器主要分为
两类:一类是智能坐便器盖,这种产品是将智能坐便器的主要功能设计在智能马
桶盖内部,然后将这种智能坐便器盖安装在普通马桶上使用,卫洗丽就是这类产
品的典型代表,从上个世纪八十年代至今,卫洗丽已经售出了三千万多台;另外
一类是一体化智能坐便器,这类产品就是将智能设备与马桶整合在一起,价格也
比前一类产品昂贵的多。
1.3.2智能坐便器的功能与发展现状
在智能坐便器功能方面,自动冲水、自动清洗、暖风烘干和水温加热这些功
能一般都是必须具备的。另外随着医疗技术与信息技术融入智能坐便器设计领
域,出现了一种可以检测和跟踪人的体重、血压、尿液的PH值和人体血糖等人
体指标的智能坐便器,此类智能坐便器通过无线局网将这些数据反馈到家用PC
机上,使用户可以跟踪和了解自己的健康状况,目前最先进的智能坐便器可以经
互联网将这些人体指标上报到专家系统,然后专家系统可以向用户反馈健康报
告。另外有些智能坐便器还提供了一些娱乐功能,如:MP3、MP4、FM广播等。
1.3.3智能坐便器的发展趋势
目前,智能坐便器的设计明显出现了两种趋势:
一种趋势是智能坐便器的结构和功能越来越复杂,价格也越来昂贵。随着嵌
入式技术和智能控制技术的不断发展,智能坐便器功能也越来越强大,但功能的
增加也导致了系统稳定性的降低,往往导致返修率较高。另一方面,随着功能的
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增加,产品的设计、制造成本也随之增加,导致市场上的成品价格昂贵,有的甚
至高达到几万元,很难被普通消费者所接受。厂家在生产制造这些产品的前期投
入也大幅提高,增加了厂家的投资风险。
另一种趋势是在智能坐便器设计上坚持功能精简完备、价格相对低廉的原贝IJ。
如果对智能坐便器的功能进行一个划分,区分哪些是必须的、常用的功能,哪些
是不必要、奢侈的功能,设计出一款具有完备的常用功能、价格合理的产品,这
样的产品更能为市场和大多数消费者所接受,才能使智能坐便器走进千家万户。
1.3.4本文创新特色
在对目前市场上智能坐便器各种功能的实用性进行分析后,本文中设计并实
现了一款具有完备常用功能的智能坐便器,由于设计中省去了体检、保健等不常
用的功能,此款智能坐便器生产成本明显降低,价格可以被普通消费者所接受。
在智能坐便器自动翻盖/圈过程中,常常会因受到障碍物或人为的阻挡,而造成
电机或盖圈损坏。目前,在所有智能坐便器生产厂家中,只有日本伊奈公司的智
能坐便器产品成功地解决了翻盖/圈过程中的动态保护问题,但伊奈公司对此项
技术实行严格的保密措施,目前无法获得相关的技术资料。而国内较为著名的生
产智能坐便器的厂家,均未推出成功解决该问题的产品。在最初的实验中,采用
扭矩传感器判断盖圈翻转是否异常,盖圈在翻转过程中所产生的扭矩是动态变化
的,因无法构建可用的数学模型,最终实验未能成功。经分析发现:步进电机在
驱动盖/圈翻转过程中,盖和圈在单位时间内的角度变化量在一定范围内波动,
因此采用角度传感器并以角度变化量合理波动范围的上下限作为判断盖和圈翻
转是否异常的依据,成功地解决了翻盖/圈过程中的动态保护问题。
1.4论文的内容和结构
本论文总共分为六章:
第一章首先介绍了嵌入式系统的基本概念、分类、研究现状以及发展趋势,
然后对智能坐便器的现状及发展趋势进行了介绍。
第二章运用系统工程、软件工程的思想与方法对智能坐便器进行了需求分析
和总体设计。
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第三章阐述了系统关键部件的选型和相关理论,介绍了主处理芯片
ATMegal28和遥控器处理芯片¥3C2410A。详细介绍和分析了步进电机和传感器
的原理、分类、结构以及伺服系统的相关理论。
第四章系统硬件设计,对智能坐便器的主机系统和遥控器系统进行软硬件的
功能分配与设计。重点介绍步进电机驱动电路设计、红外遥控器的电路设计。
第五章系统软件设计,重点介绍主机系统主程序工作流程、步进电机控制模
块、红外遥控和MP4软件实现。
第六章系统性能优化与运行分析,采用步进电机和角度传感器实现了智能坐
便器翻盖/圈功能和翻盖/圈过程中的动态保护功能,并运用软硬件抗干扰措施和
低功耗设计方法对系统性能进行优化。对智能坐便器系统进行整体软硬件联调,
智能坐便器能够完成所有功能,符合最初设计要求。
最后对全文做一个最后总结,并分析了智能坐便器的发展方向。
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2.1系统设计
第2章
系统设计与需求分析
.由于目前嵌入式系统在规模上比以前的系统更加庞大,传统的设计方法已无
法应对这样大规模系统的开发,因此,许多软件工程与系统工程的方法被引入到
嵌入式系统的开发过程中来,缩短了嵌入式系统的研发周期,降低了嵌入式系统
的开发成本。本文中智能坐便器的系统设计借鉴了软件工程中的瀑布模型㈣和系
统工程方法【12】的基本步骤,本系统的设计流程如下图2.1所示:
图2-1系统设计流程图
瀑布模型是Winston
Royce在1970年提出的,在上个世纪八十年代,瀑布
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模型曾是唯一被广泛采用的软件开发模型。该模型的理论依据是软件生命周期方
法学,模型的各个阶段自项向下,从抽象到具体依次完成各阶段的任务。瀑布模
型各步骤如下图2.2所示,在模型中各阶段的任务在完成并得到确认后,形成相
应成果与文档交予下一阶段,否则,则需返回上一阶段或更早的阶段返工,直至
这些任务都得到完成确认,通常不同阶段的开发任务由不同级别的开发人员来完
成。
图2-2瀑布模型【12】
系统工程方法【13J是从系统整体观念出发,从系统与要素间、系统与环境间的
相互联系与作用等因素来考虑对象,以期达到最佳的处理问题的科学方法,系统
工程方法的基本步骤:第一步,调查研究、确定目标,通过调查研究尽量收集相
关资料,系统全面地了解问题的历史、现状以及发展趋势,以确定系统研究最终
所要达到的目标,然后提出要达到目标所必须具备的条件;第二步,系统分析与
综合,运用各种方案进行定性与定量分析和实验,为最终确定方案提供理论与数
据上的依据;第三步,系统选择与批准,通过分析与实验,从备选方案中选出最
优的方案,最优的方案有可能不止一个,最终方案的决定交予决策者来完成;第
四步,系统的实施与投入运行,根据最终的方案,制定目标计划,将系统投入运
行,同时还需对系统的运行结果和状态进行检验和评价。
本系统的具体设计过程如下:
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