自然风发生电路 电子信息工程专业本科学位论文.docx
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自然风发生电路电子信息工程专业本科学位论文
JIUJIANGUNIVERSITY
毕业论文（设计）
题目自然风发生电路
英文题目Theelectriccircuitofthenaturalwind
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α，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。
α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.
11～150，234～250
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北京航空航天大学出版社，2003.34～
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[3]龚华生.元器件自学通.北京：
电子工业出版社，2005.50～470
[4]王港元.电工电子实践指导.南昌：
江西科学技术出版社，2003.107～108
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α，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。
α角的变化又可通过电容C1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
Abstract
Ifwanttomaketheelectricfantoproducethenaturalwind,namelychangingtheelectricfanblaststrongandtheweak,theonlywaywastochangeelectricalmachinery’svoltageandtheelectriccurrent.Tochangesthebidirectionaltransistor’sphase-controlanglea,itismeansthecontrolthetimewhichleadspassesoftransistor,canthevoltageandtheelectriccurrentoftheloadintheelectricalmachinery.Thecapacitor’schargeanddischargetimecanalsochangingtheanglea.TheAT89C51MCUchoosesresistanceRxregularity,byusingchangecapacitor’schargeanddischargetimetoachievethegoalwaswhichcanchangeelectricfanblastthestrongandtheweak.
【keyword】MicrocontrollerUnit,Transistor,Electricfan,
Thenaturalwind
目录
前言2
第一章设计思路与系统设计3
1.1问题的提出3
1.2几个设计方案的比较3
1.3系统设计框图5
1.4小结5
第二章系统的硬件设计6
2.1整体硬件电路设计6
2.2过零检测电路10
2.3RC吸收电路11
2.4小结12
第三章软件程序设计13
3.1程序流程图14
3.2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P2.0—P2.7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α，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0→7，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α，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]。
（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α，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）8031CPU与MCS-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-24KHz
4）三级程序存储器保密锁定
5）128*8位内部RAM
6）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MCS—51系列单片机AT89C51作为核心的发生电路。
1.3系统设计框图
用MCS—51系列单片机作为控制芯片的设计框图如图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MCS—51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（～２２０Ｖ）、负载（电风扇）、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Ｒx、电容Ｃ1、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α，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α角和电机负载电压的关系。
图2.1α角和电机负载电压的关系
α角的变化又可通过电容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α和强弱风的关系如表2.1所示[4]。
表2.1控制角α和强弱风的关系
正半周
a=
0°
30°
60°
90°
120°
150°
180°
负半周
a=
180°
210°
240°
270°
300°
330°
360°
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，
、
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η=0.63，。
电容C1取值0.047μF。
根据（2-3）式，对应不同α的设定值，求得Rx值见表2.2：
表2.2Rx的取值
R7=220K
R8=180K
R9=150K
R10=120K
R11=89K
R12=62K
R13=33K
R14=1K
Rx接于AT89C51单片机的P2.0—P2.7口。
二极管D1—D8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（Up≈ηUbb,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MAC97A6,由ＮＰＮＰＮ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]：
①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2.4C、D点电压波形和P0.7端口波形图
2.3RC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P2.0—P2.7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65536μs、方式2最长可定时256μs
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/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T1[7]。
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3.2：
图3.230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2[7][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η，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
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