自然风发生电路 电子信息工程专业本科学位论文.docx

1、自然风发生电路 电子信息工程专业本科学位论文 JIU JIANG UNIVERSITY 毕 业 论 文（设 计）题 目 自然风发生电路 英文题目The electric circuit of the natural wind院 系 电子工程学院 专 业 电子信息工程 姓 名 年 级 指导教师 二零零七年六月毕业论文（设计）选题报告院（系）：电子工程学院学 生 姓 名论文（设计）题目自然风发生电路题目来源及意义现在微电脑（单片机）控制的智能家电日益受到欢迎，是家电的必然发展趋势。使用单片机制作了一种电扇自然风发生电路，它能有规律地控制风扇送风的强弱。传统的电扇通过它可产生自然风，亦可将它直接做在

2、电扇里，即是自然风电扇。论文题目研究领域状况目前已有人使用美国Microchip公司推出的8位PIC系列PIC16C5X单片机和NE555制作自然风发生电路。 内容提要或实施方案 要让电风扇产生自然风，即改变电风扇送风的强弱，只有改变电机端的电压和电流。改变晶闸管控制角，即控制晶闸管开始导通的时间，就能使电机负载上的电压和电流发生变化。角的变化又可通过电容C1的放电时间的改变来实现。单片机有规律地选择电阻Rx，即可改变电容C1的充放电时间，从而达到改变电风扇送风的强弱的目的。主要观点或主要技术指标基本要求：1、用单片机实现自然风模拟控制电路； 2、控制分为三挡：自然风模拟、自然风定时模拟，普通

3、模式； 3、操作用单触方式完成。发挥部分：1、用LED显示风力大小；主要参考文献1 潘永雄.新编单片机原理与应用.西安：西安电子科技大学出版社,2003.11150，2342502 刘启中.PIC单片机原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，2003.34443 龚华生.元器件自学通.北京：电子工业出版社，2005.504704 王港元.电工电子实践指导.南昌：江西科学技术出版社，2003.107108摘 要 要让电风扇产生自然风，即改变电风扇送风的强弱，只有改变电机端的电压和电流。改变双向晶闸管控制角，即控制晶闸管开始导通的时间，就能使电机负载上的电压和电流发生变化。角的变化又可通过电容C

4、1的充放电时间的改变来实现。应用AT89C51单片机有规律地选择电阻Rx，即可改变电容C1的充放电时间，从而达到改变电风扇送风的强弱的目的。【关键词】 MCU 晶闸管 风扇 自然风 AbstractIf want to make the electric fan to produce the natural wind, namely changing the electric fan blast strong and the weak, the only way was to change electrical machinerys voltage and the electric curre

5、nt. To changes the bidirectional transistors phase-control angle a, it is means the control the time which leads passes of transistor, can the voltage and the electric current of the load in the electrical machinery. The capacitors charge and discharge time can also changing the angle a. The AT89C51

6、MCU chooses resistance Rx regularity, by using change capacitors charge and discharge time to achieve the goal was which can change electric fan blast the strong and the weak.【key word】Microcontroller Unit, Transistor, Electric fan, The natural wind 目 录前 言 2第一章 设计思路与系统设计 31.1 问题的提出 31.2 几个设计方案的比较 31

7、.3系统设计框图 51.4小结 5第二章 系统的硬件设计 62.1整体硬件电路设计 62.2过零检测电路 102.3 RC吸收电路 112.4小结 12第三章 软件程序设计 133.1程序流程图 143.2小结 15第四章 测试结果及误差分析 17总 结 18参 考 文 献 19致 谢 20附录 1 系统整体硬件原理图 21附录 2 软件程序清单 22前 言自然风是指自然界里的天然阵风，风量时大时小，给人以舒适感觉。而电风扇的风量则不同，它是固定不变的，虽然配以摇头装置，仍不能达到自然风的效果。长时间吹固定不变的风量，不但会感到不舒服，而且对人的健康也不利，解决的方法是使用单片机制作了一种电扇

8、自然风发生电路，它能有规律地控制风扇送风的强弱。传统的电扇通过它可产生自然风，亦可将它直接做在电扇里，即是自然风电扇。有了它可使电风扇发出变化的风量，好像自然界里的天然阵风，这种模拟自然风对老人和小孩尤为适宜，同时也适合夜间睡眠使用。要使电风扇产生自然风，即改变电风扇送风的强弱，本设计利用AT89C51单片机隔10s依次从P2.0P2.7端口输出高电平给Rx，可以改变电容C1的充放电时间，通过单结晶体管产生振荡，触发双向晶闸管控制极，达到改变双向晶闸管控制角，即控制晶闸管开始导通的时间，就能使电机负载上的电压和电流发生变化。从而达到改变电风扇送风的强弱的目的。发生电路的控制设置三档：自然风发生

9、电路开始工作、停止工作和定时工作，定时设置为30分钟。LED显示“11”符号是表示发生器未启动或停止，显示“三”符号表示发生器开始工作，并紧接着显示数字07，每个数字隔10s,表示风力在不断地变化。因双向晶闸管导通角的导通时间是从零电压开始计算，设计中采用了交流电零相位检测电路，使控制导通角更加准确文章就本系统设计分作四章，介绍其设计过程。第一章 设计思路与系统设计本章节主要介绍自然风发生电路的设计意义，对系统设计的三种方案进行论证比较，选择较合适的设计方法，设计出系统框图。1.1 问题的提出夏天的气温一年比一年高，在炎热的夏天，我们最需要的家电是空调或电风扇。在使用空调时，空调室环境中负氧离

10、子数目显著减少而正离子过多，影响了空气的清洁度和人体正常的生理活动，造成人体内分泌和自主神经功能紊乱，细菌、病毒和真菌等病原体容易存活，威胁人体健康。目前市场上出售的电风扇绝大部分是5档和3档固定风力型。当使用电风扇吹风时，由于风力持久不变，风源集中，会使人出现打喷嚏、流鼻涕、乏力、头痛、头晕、失眠、肩痛、食欲不振等症状。另外，电风扇的回旋风对人的耳膜有震动作用，耳膜震动过久，也会使人感到疲倦，对人的健康很不利。人们需要的是能送出凉爽的风而又不危害身体健康的家电，因此自然风电扇越来越受到人们的欢迎，是电风扇发展的必然趋势。1.2 几个设计方案的比较（1） 以NE555为核心的发生电路通过调节可

11、调电阻，改变555电路中电容的冲、放电时间常数，可调节风扇的转速，即调节其风力强弱，转速慢时似有微风吹拂，风扇周转频率约在0.5-30HZ范围1 2。电路特点：结构简单、易实现、无需编程，但需手动调节电阻、风力显示较难实现、功能不易扩展3。（2） 以PIC系列单片机为核心的发生电路使用美国Microchip公司的PIC16C5X单片机作为控制电路，有规律地选择电阻Rx，即可改变电容C1的充放电时间，改变晶闸管控制角，从而达到改变电风扇送风的强弱的目的4 5。电路特点：PIC16C5X是低价商用单片机，编程指令简单、处理速度快,但PIC单片机是一次性可编程型芯片，且RAM，ROM一般不做扩展6。

12、（3） 以MCS-51系列单片机为核心的发生电路使用AT89C51单片机作为控制电路，同样是有规律地选择电阻Rx，即可改变电容C1的充放电时间，改变晶闸管控制角，从而达到改变电风扇送风的强弱的目的。电路特点：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。其主要特性有7：1) 8031 CPU与MCS-

13、51 兼容2) 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)3) 全静态工作：0Hz-24KHz4) 三级程序存储器保密锁定5) 128*8位内部RAM6) 32条可编程I/O线7) 两个16位定时器/计数器8) 6个中断源9) 可编程串行通道10) 低功耗的闲置和掉电模式11) 片内振荡器和时钟电路综合比较上述三种方案，后两种方案都能实现智能化，但对于学习和研发，需要的是可多次修改编程、处理速度快、易功能扩展的芯片，选用第三方案更优越，所以本设计采用的是第三方案，用MCS51系列单片机AT89C51作为核心的发生电路。1.3系统设计框图用MCS51系列单片机作为控制芯片的设计框

14、图如图1.1图1.1系统设计框图1.4小结本章主要是综合比较自然风发生电路的三种设计方案，根据设计要求和三个方案的优缺点，选择了用MCS51系列单片机作为控制芯片的设计方案，并设计出了系统框图。第二章 系统的硬件设计针对第一章选择的方案及设计方框图，进行硬件电路的设计，首先解决系统主要模块的设计，即硬件电路中的控制电路、触发电路和主电路的设计，根据设计要求的性能和参数，选择合适的元器件。2.1整体硬件电路设计2.1.1整体硬件电路的组成 整个硬件电路设计由主电路、RC吸收电路、触发电路、显示驱动电路、键盘电路、过零检测电路、单片机复位和时钟电路组成，电路图见附录1。主电路由电源（）、负载（电风

15、扇）、双向晶闸管组成。RC吸收电路由电阻R1和电容C2组成。触发电路由电阻x、电容1、单结晶体管BT33组成张弛振荡电路。显示驱动电路采用正向驱动LED，显示0-7数字。过零检测电路由桥式整流二极管、分压电阻、滤高频电容、三极管和上拉电阻组成。键盘电路由上拉电阻和按键开关组成，分别控制自然风发生电路开始、停止、定时三种工作方式。 2.1.2硬件电路的实现要让电风扇产生自然风，即改变电风扇送风的强弱，只有改变电机端的电压和电流。改变晶闸管控制角，即控制晶闸管开始导通的时间，就能使电机负载上的电压和电流发生变化。图2.1展示了角和电机负载电压的关系。 图2.1 角和电机负载电压的关系角的变化又可通

16、过电容C1的充放电时间的改变来实现。AT89C51单片机有规律地选择电阻Rx，即可改变电容C1的充放电时间，从而达到改变电风扇送风的强弱的目的。控制角和强弱风的关系如表2.1所示4。表2.1 控制角和强弱风的关系正半周a=0306090120150180负半周a=180210240270300330360超强风强风凉风常风微风超微风停止交流电频率f=50Hz,则可得下式： （2-1）而根据RxC1充电回路：则有： （Vp-Vv）（VBB-Vv）（1）其中，Vv为充电初值；Vp为充电后值；VBB为充电电源电压，t为充电时间。整理可得：t= （2-2）8 其中为单结晶体管的分压比，ln为自然对数，

17、、为单结晶体管的正向电阻。由式(2-1)和式(2-2)即可得出 （2-3） 触发电路中，单结晶体管（双基极二极管）BT33的分压比=0.63，。电容C1取值0.047F。根据（2-3）式，对应不同的设定值，求得Rx值见表2.2：表2.2 Rx的取值R7=220KR8=180KR9=150KR10=120KR11=89KR12=62KR13=33KR14=1K Rx接于AT89C51单片机的P2.0P2.7口。二极管D1D8是为了防止P2口电位受到影响. Rx、C1和BT33组成张弛振荡电路，振荡频率可通过改变Rx和C1的数值调整，单结晶体管BT33是一种具有负阻特性的器件，即当流经它的电流增加

18、时，电压降不是随之增加而是随之减小9 10。单片机输出高电平，通过Rx向电容C1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压Up（UpUbb,Ubb为b1、b2间电压8）时，单结晶体管导通，电容通过变压器放电，输出脉冲触发双向晶闸管。同时由于放电时间常数很小，C1两端电压很快下降到单结晶体管的谷点电压Uv,单结晶体管关断，C1再次冲电，周而复始，在电容两端呈现锯齿波形，在变压器输出尖脉冲（如图2.2）。充电时间常数由电容和Rx等决定，选择不同的Rx改变C1的充电时间，控制第一个尖脉冲的出现时刻，实现脉冲的移相控制11。图2.2电容两端锯齿波和变压器输出的尖脉冲8本设计采用的双向晶闸管是MAC97A

19、6,由五层硅组成，具有正、反两个方向都能控制导电的特性，它实质上是两个逆阻晶闸管的反并联。双向晶闸管的特点是正、反向输出特性近乎理想的匹配，并且仅利用一个门极即可实现正、反向开通的控制12。MAC97A6控制极触发电流和电压为5mA、2V。基本特点13：能由阻断变为导通状态，表明具有开关功能。只有主电极加电压，而控制极不加电压时，只要阳极电压低于转折电压，双向晶闸管不导通电流。无论主电极电压极性如何，控制极是正或负，均能触发双向晶闸管导通，双向晶闸管导电与否也受控制极控制，但主电路导通电流的方向由主电压的方向决定。双向晶闸管导通后，即使撤消控制极触发电压，仍能继续保持导通状态。当主电极电压降至

20、零，或主电路中电阻大到某一较大数值时，双向晶闸管就由导通转变为截止状态。双向晶闸管在触发导通时，采用负极性触发比采用正极性触发所需的触发电流小，工作也可靠。在交流电路中，用双向晶闸管代替一组反并联的逆阻晶闸管,简化了线路，减小了装置的体积和重量,节省了投资。因而它是交流功率控制电路中较理想的器件。 晶闸管过零触发，常用的触发电路与主回路之间由于有电的联系，易受电网电压的波动和电源波形畸变的影响，在触发电路中加隔离变压器，隔离交流电串扰。键盘设置如下：P0.0口为启动信号输入口，当A键按下时，则自然风发生电路开始工作。 P0.1口为停止信号输入口，当B键按下时，则自然风发生电路停止工作。P0.2

21、口为定时信号输入口，当C键按下时，则自然风发生电路以定时方式工作。D按键为单片机复位按键。2.2过零检测电路过零检测的作用可以理解为给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，可控硅导通角的大小就是依据这个标准。也就是说电风扇转速都对应一个导通角，而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因此电风扇的转速就不一样。2.2.1 电路原理图图2.3 过零检测电路2.2.2 工作原理P0.7口为零电位检测输入口，检测交流电零相位检测交流电压取自变压器次级A、B两点(6v)，经过全波整流，形成脉动直流波形，电阻分压后，再经过电容滤波，滤去高频成分，形成C点电

22、压波形（如图2.4上图）；当C点电压大于0.7V时，三极管Q2导通，在三极管集电极形成低电平,三极管Q3截止，集电极通过上拉电阻R17形成高电平；当C点电压低于0.7V时，三极管Q2截止，三极管集电极通过上拉电阻R16，形成高电平,三极管Q3导通,集电极形成低电平，这样通过三极管的反复导通、截止，在芯片过零检测端口P0.7口形成100Hz脉冲波形（如图2.4下图），芯片通过判断，检测电压的零点。检测到零电位就开始输出高电平给P2口。图2.4 C、D点电压波形和P0.7端口波形图2.3 RC吸收电路 自然风发生电路的负载是电风扇电机，属感性负载。 电感器在断开电源一瞬间（一般为几微秒），会产生很

23、高的感应电动势，电风扇电机就是一个大电感，工作在交流点过零或关断电源时刻，都会产生很大的感应电压。由于电机与晶闸管串联在主电路中，感应电压就会沿主回路加在晶闸管两个主电极上，这样将会带来两种危害：一是高感应电压将引起晶闸管误导通，使本要关断的电风扇又转起来；二是高感应电压会击穿晶闸管，造成永久性损坏。为了克服这两方面害处，加吸收电路，与晶闸管并联，电风扇电机工作在交流过零时刻，无论电机线圈产生感应电压的方向如何，都会形成闭合回路。在这个回路中，由于有R1、C2与晶闸管并联,较高感应电压就通过R1给电容C2充电,使线圈中磁能转变为电容中的电能,从而将感应电压吸收掉,然后通过电阻放电,把能量逐渐消

24、耗在电阻上,这就使感应电动势幅值不能形成长久电压,以保护晶闸管不被击穿和不出现误触发13。2.4小结本章节主要解决了系统硬件电路的设计问题，设置了三档控制方式按键和风力显示，根据RC充放电时间和单结晶体管的分压比，计算出P2端口所接的Rx的电阻值。在触发电路中，应用单结晶体管的负阻特性，与Rx、C1形成张弛振荡电路，通过变压器输出不同相位的尖脉冲给双向晶闸管的控制极，使双向晶闸管导通。双向晶闸管每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，所以在硬件电路设计中加入了过零检测电路，该电路是利用三极管基极截止电压为0.7V的特性，对交流电零相位进行检测。由于电风扇属感性负载，工作在交流过零点或关断电源

25、时刻，会产生很大的感应电压，为了保护晶闸管不被击穿和不出现误触发，电路设计中增加了RC保护电路。第三章 软件程序设计 根据硬件设计要求，先给程序和定时器T0、T1设定复位地址，各个要用到的寄存器赋值，给单片机P0端口置1，作为输入端口。再检测三个工作方式的按键，这时LED显示“11”，当A键按下，LED显示“三”，程序向下运行检测P0.7口交流电零相位，等待零相位，有就开始继续向下运行，同时启动10s延时，依次隔10s给从P2.0P2.7端口输出高电平。B键按下，程序停止向下运行，跳回初始化阶段，LED显示“11”。如B键未按下，继续检测C键，C键按下启动30分钟定时。定时器T0、T1工作方式

26、的选择：由定时器的各种工作方式的特性，可以计算出：方式1最长可定时65536s、方式2最长可定时256s由于本设计的定时器定时时间是50ms，由此选方式1，每隔50ms中断一次，中断20次为1s。定时器T0、T1定时50ms初值：在AT89C51中，与定时/计数T0、T1工作方式有关的寄存器为TMOD和TCON。其中TMOD控制定时/计数器TO、T1的工作方式，而TCON控制定时/计数器的启动方式和禁止/允许定时中断。1)工作方式寄存器TMOD 在源程序中TMOD=00010001即M1、M0=01选择工作方式1，16位定时/计数器；C/T是定时/计数选择位，当C/T=0是指处于定时方式，当C

27、/T=1处于计数方式，计数脉冲来自P3.4；GATE=0是定时/计数控制位要与TCON的TR联合起来使用，当TR=1时启动定时器，TR=0时停止工作。2）中断允许控制寄存器IE：在IE中EA是中断允许/禁止位，在源程序中EA=1说明打开中断请求；ET0、ET1是允许/禁止定时器中断位，在源程序中ET0、ET1都被置了1说明允许定时器的中断。3）中断允许优先级控制寄存器IP：在IP中PT0是定时器T0优先级低位，在源程序中PT0=1说明定时器T0优先级为1级。因此定时器T0的优先级高于定时器T17。3.1程序流程图 主程序流程图如图3.1:图3.1 主程序流程图30分定时和10s延迟流程图如图3

28、.2：图3.2 30分定时和10s延迟流程图3.2小结本章根据硬件电路的设计和AT89C51单片机的性能，设计出软件程序流程图，应用汇编语言可编写出系统软件程序，程序清单见附录27 14 15。第四章 测试结果及误差分析 硬件电路完成后，接上直流5V和交流220V电源后，数码管显示“11”，电风扇不转动。按下启动键A，显示“三”，接着隔10s依次显示0-7，同时电风扇风力变化，接着循环运行。按下定时C键，开始30分定时，30分钟后定时停止，按下B键，显示“11”,发生电路停止工作。基本能实现设计要求功能。 在测试中，发现硬件电路工作时存在一定误差，主要体现在以下几个方面：1、用秒表测试计时，发

29、现10s和30分定时有一定误差，时间稍微偏长，分别相差0.05s和2s，这与定时/计数器产生中断和程序运行时间有关。2、由于有些元器件参数达不到理论计算数据要求，因此不能严格按理论设计的风力产生自然风，在触发电路部分，单结晶体管BT33的分压比，是用万用表测量的正向电阻值计算得出的，存在一定误差。3、由于过零检测电路采用的是2个三极管，截止电压为0.7V，使零相位检测产生较大误差，影响单片机输出高电平的起始时刻，从而导致导通角控制存在一定的误差，与理论导通角相差左右。 本设计还可增加不同定时按键，使设计更完善。另外，我们还可以设计用遥控器来控制发生电路工作，可更加方便地使用。总 结 通过查阅与

30、论文题相关的资料，再根据设计要求，最先是想试着采用PIC单片机来控制，看了些介绍PIC单片机书后，发现PIC单片机不能多次修改编程,而自身学的MCS-51系列单片机，可多次擦除、写入，在设计时更加适合。在设计硬件电路时，一开始在头脑中虽有个框架，也初步设计出了电路图，但在考虑实际电路时，发现了许多问题：怎么检测交流电零相位、触发电路的设计采用什么电路较合适等。在程序设计时也遇到了应该输出什么电平触发晶闸管、延时和定时等问题，最后通过指导老师的指导和查阅相关资料，都一一得到了排除。通过这次设计，学到了很多相关专业知识，比如所用到元器件的参数和功能、MCS-51单片机汇编等，掌握了思考分析问题的方法，收获很大。参 考 文 献1 陈永甫.新编555集成电路应用800例.北京：电子工业出版社，2000.4002 项新建.电风扇模拟自然风发生器.家用电器科技.1992年4期，35353 张庆双. 实用电子电路200例. 北京：机械工业出版社. 2003.1982104 李东星，陈小牧.用PIC单片机制作电扇自然风发生器.电子技术（上海）.1993年11期，