毕业论文设计40论文41基于单片机控制的红外线遥控电风扇设计.docx

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毕业设计（论文）

《基于单片机控制的红外线遥控电风扇设计》

摘要1

1.1.2任务要求2

1.2设计内容与要求2

摘要

本系统以51系列单片机为核心，旨在开发一种新型遥控电风扇控制系统，该系统由遥控发射模块，风扇接收控制模块组成，使系统可以以遥控或手动的方式对系统进行控制。

遥控发射模块主要以AT89C2051单片机核心，外加键盘，和红外信号整形与发射电路一起组成遥控器，键盘作入，单片机主要完成信号的编码及信号与载波的调制，调制信号经发射末端整形放大发射出。

接收部分主要以AT89C51为主控中心，配以键盘，红外接收模块，电机驱动模块，液晶显示模块，及相应指示灯；红外接收模块，键盘，液晶显示模块，指示灯共同完成人机交互功能；单片机主控中心接收各种输入，驱动液晶，指示灯，控制电机驱动模块来调节电机转速。

电机主要采用直接PWM无级调速。

关键词：

遥控电风扇控制系统；PWM无级调速；红外发射，红外接收

Abstract

Thesystemisof51seriessingle-chipmicrocomputerasthecore,todevelopanewtypeofremotecontrolelectriccontrolsystem,thesystemfiredbyremotecontrolmodule,thefancontrolmodulereceivingthecomposition,thesystemcanberemoteormanuallycontrolled.RemoteControlTransmitterModuleAT89C2051mainlysingle-chipcore,plusakeyboard,andinfraredsignalswiththelaunchofplasticcomponentswitharemotecontrolcircuit,akeyboardforentry,themainachievesingle-chipsignalencodingandsignalmodulationandcarriermodulationsignallaunchtheendoftheplasticsurgerytoenlargethelaunch.AT89C51areceivermoduleforthemaincontrolcenter,withakeyboard,infraredreceivermodules,motordrivemodules,liquidcrystaldisplaymodule,andthecorrespondingindicatorlight;infraredreceivermodule,keyboard,liquidcrystaldisplaymodule,acommonindicatorachieve-computerinteractionfunction;singlechipmaincontrolcentertoreceiveavarietyofinput,driveliquidcrystal,led,motordrivecontrolmoduletoadjustthemotorspeed.DirectPWMmotorspeedcontrol.

Keywords:

Remotefancontrolsystem;PWMspeedcontrol;infraredemission;infraredreceiver

第1章任务与要求

1.1课题概述

遥控电风扇是90年代初期在广东珠江三角洲地区作做大量的研发和生产，并有专门的掩模芯片作为主控芯片使用，现本人用单片机实现红外遥控风扇的功能。

包括：

红外发射、接受部分、PWM调速部分、定时部分、显示部分、单片机控制部分等构成。

1.1.1任务简介

采用AT89C51型号的单片机对传统的电扇系统进行改造，实现对电扇的短距离控制。

该设计利用单片机进行红外发送，红外接收，在此过程中对红外进行编码和解码，而后通过不同的编码形成对风扇的不同控制。

同时对单片机P0口的输出进行DA变换后，完成对风扇的速度的实时控制。

1.1.2任务要求

实现红外遥控，定时，三档调速以及风类选择。

1.2设计内容与要求

1）确定设计方案，绘制电路原理图。

2）设计印刷板电路。

3）试制本机（含外观设计）。

4）确定本机测试方案。

5）本课题组必须制作两组实物。

6）现场测试、写出测试报告

1.3参数要求

1）遥控距离：

0~10米

2）风类：

自然风和正常风，有相应的显示标识

3）定时：

0.5小时、1小时、1.5小时，有相应的显示标识

4）调速：

3档：

高、中、低3档，有相应的显示标识

第2章引言

2.1研究背景

随着科技的发展，人们生活的节奏也越来越快，随之人们对方便，快捷的要求也随之不断增高。

遥控器的出现，在一定程度上满足了人们这个要求。

遥控器是由高产的发明家RobertAdler在五十年代发明的[1]。

而红外遥控是20世纪70年代才开始发展起来的一种远程控制技术，其原理是利用红外线来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制，具体来讲，就是有发射器发出红外线指令信号，有接收器接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。

红外遥控具有独立性、物理特性与可见光相似性、无穿透障碍物的能力及较强的隐蔽性等特点。

随着红外遥控技术的开发和迅速发展，很多电器都应用了红外遥控，而电风扇也不例外。

从单纯的在电风扇面板上通过按钮控制，到短距离（10M以内）的遥控，虽然改变不大，但其带来的便利无疑是巨大的。

而红外遥控技术的成熟，也使得遥控电风扇变得设计简单，价格低廉。

作为一种老牌的电器，电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积轻巧等特点。

虽然现在空调在城市中已经相当普遍，并有替代电风扇的趋势，但由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一个成熟的家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额。

市场的需求促使了电风扇的发展。

随着“智能化”的兴起，电风扇的功能也越来越多，越来越贴进人们生活。

因此，对于电风扇的开发和设计依然有着较大的实用价值。

在现有市场上多功能遥控电风扇的基础上，人们提出了一种新型的智能电风扇，相对于过的电风扇，智能电风扇添加了很多人性化的设计，如安全保护，倾倒保护，智能照明等功能，使电风扇更加人性化，相信其丰富的功能，人性化的设计将会大大提高电风扇的市场竞争力[2]。

2.2论文研究目标和意义

风扇已是日常生活中常用到的电器，电风扇是通过通风换气来驱热的。

通风换气是电风扇的主要功能，也是消费者看中它的本质原因。

电风扇具有价格低和耗电量小的优势，拥有庞大的目标消费群。

现行市面上的风扇大多是手工操作，模拟调控为主要控制手段，价格低廉，功能简单，其智能及自动化程度远远跟不上现代人的生活需求和应用要求；而且在功耗方面，一般的风扇的电机是采用电机抽头的小型电机来实现调速，这种调速方式单一，消费者选择的空间不大，而且在效率方面，节能方面的表面的确令人不满意。

面对着市场压力和消费者的需求，放眼市场，各种特设功能的电风扇可谓五花八门，各种附加的新功能，彰显了个性，也在无形中提高了电风扇的档次。

而遥控电风扇也必将作为消费市场的新宠儿，为电风扇行业增加新的亮点。

而将微控制器嵌入到工业控制中，将会成为一种不可阻挡的趋势，微控制器强大的控制能力将会使工业产品的功能和性能得到很大的提升。

也对应了时下流行的几个趋势，自动化和智能化，无线化，宽带化，低功耗化等趋势。

单片机和一般的数字和模拟芯片相比有着强大的功能，而且编程简单，因此利用单片机来实现对控制电机转速与类型设置十分理想；本设计的研究目的就是实现对直流电机的控制来模拟风扇控制器；掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。

硬件部分包括有单片机最小系统，键盘输入部分，外接电机驱动部分，输出显示部分，红外发送接收部分。

软件部分包括有初始化状态，键盘输入部分，占空比控制，中断控制，控制输出显示部分，信号产生与调制部分。

风扇的控制有很多的方法，比如简单的有利用机械方式进行定时控制，有用模拟电子技术和数字电子技术进行转速等控制的。

随着人们生活水平的提高，人们对风扇的要求也越来越高，不但要求风速能够控制，而且要求风种模式能够多种选择，随着单片机技术的不断发展，单片机已广泛应用于各种家用电器产品中，它不仅大大提高了原有产品的性能质量,而且产品成本有所下降,生产也更简便。

通过单片机可以利用其本身的定时与中断功能编程实现风扇的风种控制，包括有正常风，自然风与睡眠风等的模式；而风速的控制也有多种方法，例如可以通过单片机控制双向可控硅的导通角来调节电风扇的输入电压,以实现电风扇的无级速度调节,但这里采用了通过单片机定时器输出脉宽调制PWM波控制占空比并外加一个由光耦和可控硅组成的驱动电路来控制电机的转速，通过键盘输入设置有不同占空比对应着电风扇强、中、弱的风速。

各功能状态使用液晶和发光管对应输出显示。

本系统电路设计比较简单，主要是充分利用了AT89C51单片机的资源，软件编程实现各功能，成本较低，实用性较强。

此外，在某些场合下，比如危险作业区，在人不适合作业的地方，比如有毒气产生的区域，高温或低温的地方，爆破点等危险场合，或者是家庭居室中控制，无线的应用将会得到非常广泛的应用，可见红外遥控的研究也是很有实践意义的。

2.3论文章节安排

本论文大致可分为3部分：

第一部分包含第一章到第三章，是课题论证；第二部分包含第四章至第六章，给出设计方案；第三部分包括第七章，是论文总结及未来相关展望。

本文的内容组织安排如下：

第一章主要讲述论文的研究背景、论文研究目标以及章节安排。

第二章系统地介绍；

第3章方案论证与设计

3.1总体设计分析

本课题设计的是AT89C51单片机控制中心，

3.2方案的选择与设计

在整个系统中，各个模块的方案是有多种选择的，为此，在这里我们将要作几个主要模块的方案的方案论证和比较。

3.2.1信号调制及红外信号方案

这部分的主要问题是载波的产生以及信号与载波的调制的方式。

方案－：

载波采用外部芯片信号源提供，比如555振荡电路，RC振荡器，桥氏振荡器等后接施密特触发电路整形后可得到较标准的38KHZ载波，再用键盘产生按键信号，在外部将这两个信号相与后即可获得调制波。

这种方法比较传统，成本也很低，不过设计起来比较繁琐，这种方法比较适合于一些定点发射的场合。

方案二：

信号由键盘或其他传感器产生，比如温度传感器，产生的信号送入专用的发射芯片，专用芯片将完成载波的产生及载波与信号的调制，后接发射末端将调制后红外信号发射出去，些种方法成本也不是很高，电路简洁，只不过灵活性较大，可扩展性不是很强，此种方法比较适合需要较简单应用且应用较固定的场合，比如温度采集的各个点，如果每个点都用单片机采集并发送，成本会大提高。

方案三：

时下许多行业中的专业人士曾预言，软件无线电在不久的将来将成为一种无信通信的一种新的实现手段，它可以采用同一套通用的硬件设备，配备不同的软件即可实现不同模式，不同通信方式的通信，灵活性强，成本大大降低，维护方面也大部分只是软件方面的维护，从而双可借助网络的力量进而发展出远程维护等一系列新的维护方式和手段，可见其前景是如些之广。

因此，在这种背景之下，本系统尝试将这种先进的设计理念注入本系统信号调制的实现手段中。

可以使用单片机作为发射方的主控中心，载波的产生，信号的采集，信号编码，信号与载波的调制，可都由单片机完成，输出的调制波经外接的整形放大电路后发射出去。

这种方式成本稍高，不过设计灵活，保密性也好，可扩展性也强，所以本系统采用此方案。

本系统采用软件调制的方式，在硬件上，只需完成信号的保持及功率放大，信号的载波产生及载波与信号的调制则全部由软件完成。

所以，由程序产生信号与载波调制后的信号由微控制器引脚输出，采用CD40106进行缓冲放大并整形,经过三极管9013进行放大驱动红外发射管,使其发射红外光。

3.2.2电机调速方案

此部分主要问题是电机的选择，调速方式的选择。

方案－：

采用现在通用的多抽头交流电机，通过可控硅控制或都手动直接控制抽头的选择，从而选择不同的电机线圈，电机转速因此而变化，故达到调速的目的。

如图3-1所示。

图3－1

此种方式在大多数现行的风扇中都采用到，它成本低，控制方式单一，不能满足用户需求；产品比较成熟固定，挖掘空间不大。

方案二：

采用单相交流电机或者直流电机，可控硅的导通角控制电机的开与关，而可控硅导通角可以由可变电阻来调节，这种方法可以实现无级调速。

不过控制过程不太精确。

如图3－2

图3－2

方案三：

采用单片机控制双向可控硅的导通角来调节电机速度，同时要用光耦将强电隔离开来，使电路更安全，这种方法可以实现无级调速，而且可以采用多种算法，比如直接PWM，svpwm算法等，同时也可以达到很精确的控制，便于显示控制。

如图3－3。

成本可能稍高。

综上所述，本系统采用此方案。

图3－3

3.3方案确定

本设计信号调制及红外信号采用软件调制方式，由程序产生信号与载波调制后的信号由微控制器引脚输出，采用CD40106进行放大并整形，经过三极管9013进行放大驱动红外发射管，使其发射红外光。

电机调速采用PWM脉宽调制，可实现无极调速。

第4章硬件电路设计

4.1原理分析

为了能远离距的控制电风扇，采用了红外遥控器。

通常红外遥控器由发射和接收两部分组成，发射部分由单片机80C2051等构成。

接收部分由单片机89C51等构成。

1．遥控发射工作原理

（1）发射部分包括键盘矩阵、编码调制、红外发送器。

使用89C2051芯片将按键信号调制在38KHz的载波信号上通过三极管放大后发射出去。

红外编码为：

全码=引导码+系统码+系统反码+数据码+数据反码。

89C2051的P1口构成矩阵式键盘，用INT0产生定时中断，驱动P3.3产生一个38K的方波，作为红外线的调制基波。

将发送的数据和P3.0进行逻辑与后，经过40106整形，用三极管驱动红外发射管发射。

多路控制的红外发射部分一般有许多按键，代表不同的控制功能。

当发射端按下某一按键时，相应地在接收端有不同的输出状态。

接收端的输出状态大致可分为脉冲、电平、自锁、互锁、数据五种形式。

“脉冲”输出是当按发射端按键时，接收端对应输出端输出一个“有效脉冲”，宽度一般在100ms左右。

“电平”输出是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“有效电平”，发射端松开键时，接收端“有效电平”消失。

此处的“有效脉冲”和“有效电平”，可能是高、也可能是低，取决于相应输出脚的静态状况，如静态时为低，则“高”为有效；如静态时为高，则“低”为有效。

大多数情况下“高”为有效。

“自锁”输出是指发射端每按一次某一个键，接收端对应输出端改变一次状态，即原来为高电平变为低电平，原来为低电平变为高电平。

此种输出适合用作电源开关、静音控制等。

有时亦称这种输出形式为“反相”。

“互锁”输出是指多个输出互相清除，在同一时间内只有一个输出有效。

（2）电源采用5v电源来提供电源。

（3）发射部分原理见图4－1所示。

图4－1遥控发射原理框图

2.红外发射的编码方式

（1）遥控发射器及其编码

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。

“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。

然后再通过红外发射二极管发射。

遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。

该芯片的用户识别码固定为十六进制0FFH；后16位为8位操作码（功能码）及其反码，UPD6121G最多有128种不同组合的编码。

遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。

一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间。

  当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲,这108ms发射代码由一个起始码（9ms）,一个结果码（4.5ms）,低8位地址码（9ms～18ms）,高8位地址码（9ms～18ms）,8位数据码（9ms～18ms）和这8位数据的反码（9ms～18ms）组成。

如果在键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发代码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.5ms）组成。

代码格式（以接收代码为准，接收代码与发射代码反向）

①位定义

②单发代码格式 

注释：

前16位为用户识别码，后16位为8位操作码（功能码）及其反码，

③连发代码格式

图4－2三种代码格式

（2）代码宽度算法：

16位地址码的最短宽度：

1.12×16=18ms16位地址码的最长宽度：

2.24ms×16=36ms，易知8位数据代码及其8位反代码的宽度和不变：

（1.12ms+2.24ms）×8=27ms所以32位代码的宽度为（18ms+27ms）—（36ms+27ms）

其相关的波形图如下：

图4－3遥控编码

3.电风扇接收控制板

1.工作原理及组成部分:

红外接收部分包括光电转换放大器、解调、解码电路。

（1）CPU板将单片机、控制、键盘组合在一起完成了人机对话。

用AT89C51单片机来作主芯片控制，采用红外HS0038B接收头，用双向可控硅MOC3025控制电机调速，具有红外遥控功能。

（2）电源部分：

交流220V经变压器降压为16V，经整流桥整流后再由三端稳压器LM7805稳压，供给接收控制板。

（3）电风扇控制板框图4－4

图4－4电风扇控制板框图

4.1.1硬件设计

接收控制部分

1.键盘的设计

如图4－5，和发射部分的键盘大体相同，使用外中断0；同样可以在睡眠状态下唤醒CPU，可以使用节能模式。

图4－5

（1）各按键作用

SW1：

手动模式的调速，相应的指示灯亮。

SW2:

风类手动模式切换键，相应的指示灯亮。

SW3:

定时30分钟，1小时，1.5小时。

如图4－6，相应的指示灯亮。

图4－6定时时循环图

（2）吹风模式选择

自然风的处理流程:

图4－7自然风的循环图

正常风的处理流程:

图4－8正常风循环

2.红外接收电路的设计　

（1）如图4－9。

信号线接到P3.3，使用外中断１，可在外中断１中获取接收到的码值。

下方的LED同样在接收信号的时候会闪烁，指示正在接收信号。

图4－9

（2）遥控的解码过程为编码的逆过程。

单片机收到一个中断后,开始计数，然后按一定间隔读取接收到的码，循环14次完成14个码的接收和存储。

接着解码，接着根据接收到的码作出相应的动作。

5液晶显示模块电路

（1）如图4－10，这里采用的是LCD1602液晶，调节R2滑动端可调节液晶屏亮度。

图4－10

（2）LCD1602简介

1602LCD的基本参数及引脚功能

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图4-11所示：

图4－11

1602LCD主要技术参数：

显示容量:

16×2个字符

芯片工作电压:

4.5—5.5V

工作电流:

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压:

5.0V

字符尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

引脚功能说明:

1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4-12所示:

表4-12引脚接口说明表

第1脚：

VSS为地电源。

第2脚：

VDD接5V正电源。

第3脚：

VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。

第4脚：

RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。

第5脚：

RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。

第6脚：

E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

第7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

6.电机驱动模块，如图4－13

图4－13

这里采用的是单相交流电机，单片机引脚输出经过ＰＷＭ调制后的脉宽，通过光耦控制可控硅的导通角，从而实现调节电机转速，此方法可以实现无级调速。

光耦可以将强电隔离开来，使电路更安全。

可控硅并联一个ＲＣ回路可以起到保护可控硅的作用。

7.指示灯，如图4－14，用来指示吹风的模式（手动模式，自然风，睡眠风，正常风模式）

图4－14

8．AT89C51最小系统电路，如图4－15，包括复位电路，振荡电路等。

系统在高电平时复位。

图4－15

4.1.2软件设计

1遥控发射部分软件设计

遥控发射部分主要功能是有按键按下，将按键值发送到接收方，这当中要完成键盘读取，载波的产生，编码调制，最终输出调制波。

采用中断的处理程序完成整个系统的操作，当有按键按下时，产生外中断０，外中断０处理完成键盘读取，接着定时器0中断服务子程序负责编码，定时器１中断服务子程序负责产生载波并且将载波与信号调制，调制波经引脚输出。

主程序只负责延时10s，若无按键按下，则进入休眠状态，以节省电能。

主程序和外中断0服务子程序流程，见图4－16：

图4－16

定时器0和定时器1中断服务子程序流程，见图4－17

图4－17

3.4.2接收控制部分软件设计

这部分的程序设计主要有液晶的显示驱动，电机调速算法的实现，红外接收，及键盘读取。

1.红外接收和键盘读取都采用外中断来响应输入，这样可以简化程序设计。

当有红外输出或者键盘输入时，外中断０和外中断1响应输入，当有红外输入时，配合定时器0完成接收工作，当有键盘输入时，在外中断0中完成键盘读取。

2.液晶驱动程序设计

（1）1602LCD的指令说明及时序:

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表4－18所示：

表4－18控制命令表

1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

（说明：

1为高电平、0为低电平）

指令1：

清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H。

指令3：

光标和显示模式设置ID：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效。

指令4：

显示开关控制。

D：

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示