解密智能马桶结构控制

　　第一章绪 论

　　1_1引言

　　随着信息和科学技术不断发展，嵌入式系统渗透于人们生活的各个角落一电器、玩具、 汽车、电视、录像机、医疗器械、飞机、导弹等等，很难给出它的确切定义，一般指嵌入 到工业系统、武器系统、机电仪表、消费电子类产品内部，完成一种或多种特定功能的专 用计算机系统。其中，智能坐便器也是M于嵌入式系统一种。

　　智能坐便器是集合臀部清洗、下身清洗、自动除臭、座圈保温、自我清洁、定时节水 等功能的智能马桶。相对于传统马桶，智能马桶节水效果可达到40%以上。由于它具有卫 生、环保、节能以及舒适等优点，被广泛应用于各种公共场所。目前在智能坐便器方面， 日本的TOTO、INAX开发的产品处于世界的领先水平。这些产品价格昂贵，有一些设置 不符合国情，国内同朽次产品存在不同设计问题。

　　本文采用基于AVR先进微处理器，涉及到多种传感器，采用机电一体化的先进技术。 智能坐便器具有自动翻盖、防污除臭、温水清洗、暖风烘干、座圈加温、红外遥控、智能 存储及id忆等功能。由于智能坐便器作为一种产品投入市场，稳定性与可靠性都是至关重 要的环节。所以，研究嵌入式抗干扰原理和一些具体措施，并在智能坐便器控制系统中硬 件设计与软件设计部分都应用到抗干扰措施。最后，在生产方负责下，智能坐便器经过两 个月的自动老化程序检测，仍然能够平稳运行，实践说明智能坐便器具有较高的稳定性和 可靠性，能够满足生产方的需求。

　　1.2嵌入式系统

　　1.2.1嵌入式系统概述

　　随着电子数字计算机诞生于1946年，漫长的历史进程中，计算机由于其大型和昂贵 价格，一直处于实验室和机房。直到20世纪70年代，微处理器出现，才让计算机发生历 史性的变化。由于微处理器为核心的计算机具有其小型、廉价、可靠性高，迅速走出机房。 微型计算机经电气加固、机械加固、并配上外围电路，这样讣算机楚嵌入到对象体系中，

　　实现对对象体系进行控制的计算机，称作嵌入式计算机系统nl。

　　最初的嵌入式系统应用是基于单片机的。20佾纪70年代单片机的出现，使得汽车、 家电、工业机器、通信装質以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装茛来获得更佳的使用 性能，更容易使用，更快、更便立。这些装冒已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这 时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。

　　从80年代初期开始，嵌入式系统的程序员开始用商业级的“操作系统”编写嵌入式 应用软件，这使得开发人员可以进一步缩短开发周期，降低开发成本并提高开发效率。1981 年，Ready System开发出世界上第一个商业嵌入式实时内核。这个实时内核包含了许多传 统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通信、同步与相互排斥、中断支持、内存管理 等功能。进入90年代，随着计算机和电子通信技术的髙速发展，带动了嵌入式系统在手 机、信息家电等消费类电子领域的应用，并逐步渗透到军事、网络、工业控制等领域。

　　根据IEEE的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装 置”。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装背[2】。

　　如果从功能角度定义，嵌入式系统可以视为执行独立功能的专用计算机系统。它由包 括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片和器件，及嵌入式 存储器中的微型操作系统和控制应用软件组成，实现渚如实时控制、监视、管理、移动计

　　算、数据处理等各种0动化任务。

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　　1.2.2嵌入式系统特点

　　嵌入式系统是：以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系 统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它是将先进的计算机 的技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，由于这个特点决 定了嵌入式系统必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统

　　1、 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小遛电子装背的，系统资源相对冇限, 所以内核较之传统的操作系统要小得多。

　　2、 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密， 一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬 件的变化和W减不断进行修改。同时针对不H的任务，往往需要对系统进行较大更改，程 序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

　　3、 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求K功能

　　设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

　　4、 高实时性的系统软件(0S)是嵌入式软件的基本要求。而且，软件要求固态存储，以 提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。

　　5、 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的 应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资 源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS (Real—Time Operating System)开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少幵发时间，保障软 件质：i：。

　　6、 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自主开发能力，即使设 计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境 才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析 仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标 机作为最后的执行机，开发时需要交荇结合进行。

　　嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段：

　　第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指 示设备相配合的功能;

　　第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统;

　　第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统;

　　第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目 前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，随着Internet的发展以及Internet技术与信 息家电、工业控制技术等结合F1益密切，嵌入式设备与Internet的结合将代表着嵌入式技 术的真正未来&81。

　　1.2.3嵌入式微处理器

　　嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种 数M已经超过1000多种，流行体系结构有30几个，其中8051体系占大多数。生产8051 单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。

　　目前嵌入式处理器的寻址空间可以从64KB到256MB,处理速度从0.1M IPS到2000 MIPS。一般可以将嵌入式处理器分成4类：即嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor UniUEMPU)、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)、嵌入式 DSP 处理器(Embedded

　　Digital Signal Processor，EDSP)和嵌入式片上系统(System on Chip,SOC)【91"〇

　　(1) 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit EMPU)

　　嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设 计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。 为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一 样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种増强。和工业控制计算 机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重M轻、成本低、可靠性髙的优点，但是在电路板 上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件。嵌入式微处理器目前主要有 Aml86/88、386EX、S0400、Power PC、68000、MIPS、ARM 系列等。

　　(2) 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit MCU)

　　嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、 总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片 机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的 配贾及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少 功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从 而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是0前嵌入式系统工业的主流。微控制器的 片上资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

　　(3) 嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

　　DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了 特殊设计，在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。DSP的理 论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法 只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编 码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到 了通信和计算机方面。目前敁为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/ C5000系列，另外如丨ntel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

　　(4) 嵌入式片上系统(System On Chip, SOC)

　　SoC就是System on Chip，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。它结合了许 多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微

　　处理器核心，加上通信的接口单元，像是通用串行端口(USB)、TCP/IP通信单元、GPRS 通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、蓝牙模块等等，这些单元以往都是依照各单元的 功能做成一个个独立的处理芯片。

　　嵌入式处理器一般具有以下4个特点：

　　1、 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力。能够实现多任务并且有较短的中断 响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。

　　2、 具有功能很强的存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构一般为模块化，为 了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也 有利于软件故障诊断。

　　3、 处理器结构可扩展。能够快速开发出满足各种应用和高性能的嵌入式微处理器。

　　4、 低功耗。尤其是用于便携式的无线及移动计算和通信设备的嵌入式系统，功耗可 以达到mW级甚至uW级。

　　近年来嵌入式微处理器的主要发展方向是小体积、高性能、低功耗。专业分工也越来 越明显，出现了专业的1P( Intellectual Property Core,知识产权核)供应商，如ARM、MIPS 等，他们通过提供优质高性能嵌入式微处理器内核，由各个半导体厂商生产面向各个应用 领域的芯片[^151。 1.2.4嵌入式系统前景

　　嵌入式系统无疑是当前最热门发展前途的IT领域之一。由于嵌入系统体积小、可靠性 高、功能强大、灵活方便等特点，才使其在众多邻域中得到应用。嵌入式系统应用苺本在 生活中是无所不在：移动电话、家电、汽车、工业控制领域、商业金融领域、信息家电， 工业制造、过程控制、网络、航天、通讯、仪器、船舶、军事领域等。针对嵌入式系统的 研发具有相当广范应用前景。

　　1.3智能坐便器

　　1.3.1智能坐便器概述

　　智能坐便器具有瞬间即热，拆洗方便且价廉物美的特点，是淸洁人体下身的最佳卫生 洁具。按照医学界长期研究的结果，以及人们长期保洁、保健的经验和共同认识：人体下 身皱褶，大小便之后只用卫生纸擦拭，效果不是很理想。最好的办法是及时地用流动的温

　　水冲洗，并配合热风烘干，真正做到了又干又净。这样，即可清洁下身，又可活血保健， 预防各种肛肠疾病、妇科疾病的发生，起到保键养颜的作用[161。智能坐便器能把每天用温 水冲洗人体下身这一繁琐的事变为方便、舒适、快捷、卫生的保健活动。它是现代人居家 生活必备的新型卫生洁具。 1.3.2智能坐便器特点

　　1. 座圈暖座功能：按下座圈加热按键，可使用户冬天使用时便座温暖、舒适。

　　2. 温水冲洗功能：通用冲洗为三孔温水冲洗，对臀部可深层护理。妇女冲洗为独特 的多孔结构，冲洗柔和舒适。水温设三档可调。

　　3. 瞬间即热式：本产品采用即热式水箱，即使在冬天也可以在启动30秒后加热至设 定温度。能做到即丌即用，即使长时间冲洗也可以持续不断地供应热水。

　　4. 超强的喷头自洁功能：当喷头伸出冲洗时，微电脑控制磁阀快速喷出小股水流5 秒钟即达到自洁效果。

　　5. 耐高水压水路系统：本机设有内、外二级减压阀，可将高达lMpa(10Kg£^m2)的水 压(额定水压为0.7Mpa)减至0.07Mpa(0.71Cgfitm2),而低于0.07Mpa的水则畅通无阻。

　　6. 热风烘干功能：冲洗结束后即可进行热风烘千，有冷风、温风、热风三档可选择, 运行90秒即自行停止，若需继续使用可以再次按动按键。

　　7. 可靠的安全保护功能：整机电源通过漏电保护插头引入，确保用电安全。水箱加 热系统设置可靠的防止过热及防止干烧的保护装贾;暖座系统及暖风烘干系统均设置防过 热装置。

　　智能坐便器是集合臀部清洗、下身清洗、自动除臭、座圈保温、自我淸洁、定时节水 等功能的马桶。相对于传动马桶，智能马桶节水效果可达到40%以上。由于它具有卫生、 环保、节能以及舒适等优点，被广泛应用于各种公共场所。

　　1.3.3智能坐便器的应用现状

　　随着中国经济髙速的发展，人们对生活品质要求也越来越高，在卫浴方面，人们从蹲 着上M所，到坐着上厕所，再到上完厕所不用动手就能清洗臀部的飞跃，速度可iS?— R千 里。据传，智能马桶最早是FI本人发明，目的为让不少痔疮患者上卫生间觉得方便。结果, 这个发明受到广大人们欢迎，最后风靡日本和西方一些发达国家。日本几乎家家户户都有 智能马桶，普及率是相当高。相对于我国目前市场，特别在南方这些市场，智能马桶普及

　　相当低。目前在智能座便器方面，日本的TOTCKINAX开发的产品处于世界的领先水平11\ 而国内在这方面做的就要差一点，其中，做得比较好如浙江星星便洁宝有限公司，维为有 限公司。主要是山于在设计上的缺陷，国内的产品在智能控制上都存在着不同程度的问题。 研究智能坐便器是非常有实际意义。

　　1.4论文的内容和结构

　　本论文总共分为七章

　　第一章，介绍嵌入式系统概念、特点、及其研究现状。介绍智能坐便器特点、发展现 状和未來发展趋势。

　　第二章，对于智能坐便器嵌入式系统进行霈求分析，根据需求对整个系统进行总体设 计，并针对各种功能进行划分，并给出功能模块图。

　　第三章，智能坐便器外围设备选择和相关部件进行介绍。针对于主机控制芯片 ATmega64和遥控器芯片HT49R30进行介绍。重点研究电机和传感器分类、原理、及其一 些相关的功能。

　　第四章，介绍嵌入式系统的硬件设计与实现。重点介绍电机硬件驱动电路设计思想和 原理。还介绍红外接收电路、红外发射、遥控器键盘设计等设计思想。

　　第五章，介绍嵌入式系统软件设计与实现。重点介绍主机翻盖_控制、温度控制、清 洗装置控制等。介绍遥控器软件设汁。

　　第六章，介绍嵌入式抗干扰原理和一些措施，及其在智能座便器系统中的应用^

　　第七章，嵌入式系统调试与运行分析，整个嵌入式系统运行稳定，正常，符合需求。

　　最后，对于全文进行一个总结，分析智能坐便器研究成果，提出有待改进的不足之处。