基于stc5410ad的智能电风扇控制系统学位论文.docx
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基于stc5410ad的智能电风扇控制系统学位论文
基于STC5410AD的智能电风扇控制系统
摘要：
本设计以STC5410AD作为智能风扇的核心，巧妙的采用单片机控制技术,无级调速技术,PWM技术,温度传感技术,把智能控制技术应用于一般风扇之中,将电风扇的电机转速作为被控制量，由单片机分析采集到的数据温度信号，再通过可控硅对风扇进行调速，从而达到无须人为控制便可以自动调整风力大小的效果,通过时钟芯片DS1302实现定时功能,通过软件编程,实现睡眠风和自然风。
关键词：
STC5410AD，DS18B20，DS1302，MOC3041，开关霍尔;可控硅，电风扇，PWM技术，模糊控制，PID算法
目录
1.系统方案选择和论证
1.1设计要求
1.1.1基本要求
1.1.2发挥部分
1.2系统基本方案
1.2.1各模块方案选择和论证
1.2.2系统各模块的最终方案
2.系统硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成
2.2主要单元电路的设计
2.2.1检测部分电路的单元电路设计
2.2.2智能控制部分的单元电路设计
3.系统软件设计
3.1数字温度传感器模块子程序设计
3.2定时功能子程序
3.3时钟模块子程序设计
3.4按键功能子程序
3.5系统主程序流程图
4.系统测试
4.1测试仪器
4.2指标测试
4.2.1温度检测测试
4.2.2风速检测精确度测试
4.2.3风速响应时间测试
4.2.4电源波动风速稳定测试
4.3结论
5.总结
参考文献
1.系统方案选择和论证
1.1设计要求
1.1.1基本要求
1.1.2发挥部分
1.2系统基本方案
根据题目要求，系统可以划分为控制部分、信号检测部分。
其中控制部分包括：
主控制器模块、电机控制模块、计时模块、显示模块、模拟自然风模块。
信号检测部分：
包括温度检测、风速检测模块、按键检测模块。
模块框图如图1.2.1所示。
为实现各模块功能，分别做拉几种不同的设计方案并进行论证。
图1.2.1智能电风扇系统框图
1.2.1各模块方案选择和论证
（1）主控单元
方案一：
采用89C51单片机。
键盘与显示电路、A/D转换电路的接口电路比较复杂；本系统还要控制控制风速，需要PWM模块还需增加专门的模块电路，外围电路比较烦琐。
方案二：
采用凌阳SPCE061A单片机作为主控制器，该单片机内置A/D转换模块，在32个I/O口中，两路DAC、14个中断源等丰富的硬件资源，但本系统需要无级调速和模拟自然风，所以需要外加EEPROM、控制模块和外加控制电路，电路复杂，且价格昂贵。
方案三：
采用STC5410AD单片机作为主控制器，该单片机主要优点是：
高速速度比普通8051快8~12倍、宽电压5.5~3.8.V、低功耗设计、12K字节片内flash程序存储器，擦写次数10万次以上512字节片内RAM数据存储器、芯片内部EEPROM功能、10位ADC，8通道、4路PWM、2个硬件16位定时器、硬件看们狗（WDT），由于高速，所以控制精确，内部具有PWM，10位ADC，简化外部电路。
本方案设计简单可靠，调试容易，在系统稳定的前提下，同时可以实现很好的人—机交互界面，性价比高。
经比较以上三种方案，拟采用方案三。
（2）温度检测模块
方案一：
二极管温度传感器MTS102，二极管作为温度传感器常常用在温度变化范围大、精度要求适中的温度检测电路中，但是它还有激励电路，补偿电路和放大电路，电路设计很麻烦。
方案二：
采用Pt100铂电阻组建电桥电路，运用仪表放大器对电桥输出的变化电压进行差动放大，由A/D采样数据，送入微处理器，完成温度测量，PT100线性度不够好，再加上输出需要差动放大，存在温漂，本题目要求控制量非常精确，采用PT100不能达到题目要求。
方案三：
采用AD590温度传感器。
AD590是美国AD公司生产的二端式集成温度一电流传感器，该器件体积小、重量轻、性能稳定。
测温范围为-50～+150℃；线性电流输出为1μA／K；线性度好，测量精度为±0.3℃；但AD590需要外围电路复杂,且需要占用较多的I/O口,在本题目要求测量的量比较多,所以I/O资源相对缺乏,加重了电路的复杂性。
方案四：
利用单线数字温度传感器DS18B20，只需要一根总线接口，这样可以大大节省系统的I/O资源。
基于上述考虑，拟采用方案四
（3）电机控制模块
电机调速是整个控制系统中的重要方面之一，电机控制的精确性会影响整个系统的性能。
方案一:
由单片机来的控制信号经光电耦合器MOC3041或者（4N25）耦合后，接可控硅MAC223的门极，控制双向可控硅的导通角，使输出端电压改变，从而是施加在电风扇的是输入电压发生变化，调节电风扇的转速，实现自然风，睡眠风等各挡无级调速。
过零双向可控硅型光耦MOC3041,集光电隔离、过零检测、过零触发等功能于一身,避免了输入输出通道同时控制双向可控硅触发的缺陷,简化了电路结构。
方案二：
采用固态继电器（KSD203AC3）对电机的开或者关进行控制，通过开关的切换对电机的速度进行调整。
在正常工作条件下，工作非常可靠，使用继电器无需外加光耦，自身就可以实现电气隔离，但本电路要求开关频繁，继电器需要机械运动和触点，因此动作速度慢，不能频繁的动作。
基于上述考虑,拟采用方案一.
（4）风速检测模块
风扇的转速不能直接测得，只能通过间接方式来测量。
本系统的思路是：
使用传感器检测每一片风扇叶的转动过程，转换成相应的脉冲信号，并用单片机检测单位时间内脉冲的个数，由此计算出风扇的转速。
此方法比较简单，检测电路简单，关键在于选择合适的传感器。
方案一：
采用红外对管检测,红外对管检测速度慢,不适合高速检测。
方案二：
受鼠标的工作原理的启发，采用断续式光电开关。
由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在叶轮上均匀的固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。
通过脉冲计数，对风速进行测量。
方案三：
采用开关霍尔传感器集成片。
该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在叶轮上安装磁片，而将霍尔元集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行风速测量。
以上三种方案都是比较可行的转速测量方案。
方案二，设计新颖，但在本题中，要求检测速度快，精度高，断续式光电开关，开关速度慢，相反霍尔元件，在工业上得到广泛采用，适用于精度较高的场合，可以在叶轮上加较多的遮光条来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案三。
（5）定时模块
方案一：
采用软件编程来实现实时时钟。
但是，误差较大，累计误差就更大，难于调整，且占用单片机内部资源。
方案二：
采用X1226实时时钟芯片。
由于X1226为贴片封装，硬件制作不方便，且X1226掉电后不能继续走动，须外接辅助电源。
方案二：
利用专用定时器芯片DS1302，DS1302内部自带备用电池，可以对其供电，在断电后时间仍正常运行。
基于上述考虑，拟采用方案三。
（6）模拟自然风模块
自然风实现，通过风扇马达按预定编写的程序作不规则运行，配合风速风速按键之设定，可分为强自然风，中自然风，弱自然风。
模仿大自然之风吹效果，令风量更柔更舒适。
利用STC5410AD单片机内部的EEPROM存储要输出风的参数，当用户需要自然风时，由单片机读出EEPROM中的数据，既可实现模拟自然风
（7）实现睡眠风模块
睡眠风实现的原理是人的体温会在入睡后慢慢下降，风扇的风量亦会慢慢减弱，以免入睡后着凉，实现智能调节风扇风速。
其实现方案主要靠软件实现，通过软件编程，使电风扇的速度随人体睡眠曲线变化。
（8）按键检测模块
方案一：
采用独立式键盘。
实现一键多种功能，这样节省了大量的I/O口，有效地利用单片机资源。
此模块采用此方案。
方案二：
采用先进的五线键盘，用5个I/O口既可实现16个键盘的控制，采用中断查询法，实现键盘的控制功能，大大提高了单片机的工作效率。
基于上述考虑，拟采用方案二。
（9）显示模块
方案一：
采用静态显示技术，通过多个七段LED，同时显示多个资料。
该电路设计简单，本题目要求同时显示设定速度，送风种类，实际速度，实时时钟，环境温度等，需使用多个LED，制作麻烦且不够经济。
方案二：
采用动态显示技术，用七段LED显示，用键盘选择要显示的资料。
但是又增加了键盘电路，而且增加了程序的难度。
方案三：
采用点阵型LCD显示。
点阵型LCD可显示数字，字母，文字等。
但是它比较昂贵，而且编程较麻烦。
方案四：
采用汉字液晶（RT12864-M），可以显示汉字，字符，数字等，显示的信息量大，且软件编程简单，外围电路简单，刷新屏幕快。
基于上述考虑，拟采用方案四。
1.2.2系统个模块的最终方案
（1）经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
（2）主控模块：
采用STC5410AD；
（3）温度检测模块：
采用数字芯片DS18B20；
（4）电机控制模块：
采用双相可控硅MAC223；
（5）风速检测模块：
采用霍尔传感器；
（6）定时模块：
采用专用时钟芯片DS1302；
（7）采用五线键盘；
（8）显示采用汉字液晶（RT12864-M）；
2.系统硬件设计与实现
2.1系统硬件的基本组成
本题是一个综合设计，在设计中运用了检测技术，自动控制技术和电力电子技术。
系统可以分为传感器检测部分和智能控制部分
传感器检测部分采：
系统利用霍尔传感器，温度传感器，等不同类型的传感器将检测到的一系列的外部信息转化成可被控制器件辨认的电信号。
智能控制部分：
系统中的控制器件根据由传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制电风扇的风速，以及由按键选择是由人为控制还是智能控制，并通过LCD及时显示风速，温度，时间，风的强弱，风型（自然风，睡眠风等）控制部分主要包括电机驱动控制，按键控制，LCD显示部分。
2.2主要单元电路的设计
2.2.1检测部分电路的单元电路设计
（1）风速检测模块电路的设计
题目要求在风扇运行过程中，要求显示设定风速和实际风速，设定风速由单片机给定的，不需要检测，主要是是检测实际的风速，本系统采用霍尔传感器，在风扇的叶片上安装一个金属片，这个金属片还带有磁性，在风扇的外壳上安装一个霍尔传感器（RP12—4DN），安装是要是金属片与霍尔传感器严格对准，当金属片与霍尔传感器严格相遇，输出为低电平，风扇的线速度
n为电风扇的转速r/min;n可以有单片机的计数器直接得到，因为当风扇转轮上的金属与霍尔传感器接近时，霍尔传感器回发出一个脉冲，通过电位器接到P3_3中断口，通过中断的次数就可以测量风扇的线速度，此方法高效，电路简单，霍尔传感器输出为TTL电平。
具体电路如图2.2.1
图2.2.1风速检测电路
（2）温度检测模块设计
智能风扇在工作主要有以下几种模式：
一般风扇模式，主要靠人工调节其档位，改变其风速；智能风扇模式，主要工作原理是通过温度传感器，检测周围环境温度，来实现智能调节风扇风速；自然风模式；睡眠风模式。
温度检测模块主要是为智能风扇的风速提供参考，温度传感器检测出来的温度通过D/A转换成电压，来控制双相可控硅的导通时间，从而实现调节风速的目的，其具体电路如图2.2.2所示
图2.2.2数字温度传感器检测温度电路
2.2.2智能控制部分的单元电路设计
（1）电机控制模块电路设计
电路中采用了过零双相可控硅光耦MOC3041，集光电隔离，过零检测，过零触发等功能于一身，避免拉输入输出通道同时控制可控硅触发的缺陷，简化了输出通道隔离2驱动电路的结构。
所设计的可控硅触发电路原理图如图2.2.3所示。
其中RL既为电机负载，起工作原理如下：
单片机响应用户的参数设置，在I/O口输出一个高电压，经反向器反向后，送出一个低电平，使光电耦合器导通，同时触发双相可控硅，是工作电路导通工作。
实际上根据负载的功率要求，来改变接通和断开电源一定周波数，既通过改变通断时间比达到调压和调节功率的目的，其计算公式如下：
设调压电路输入的交流电压为
在一个周期内T内假定有N个电源周波,则
N,若在此周期内接通的时间为n个周波,则输出电压有效值为:
n/N为通断比,改变通断比即可以改变输出电压而实现交流调压，从而实现电机功率的控制。
图2.2.3电机控制模块电路
（2）定时模块电路设计
定时模块电路采用专用集成芯片DS1302，它的外围电路非常简单，只需外接晶振和电源，再给一定的时序，它就能显示时间，年，月，日，星期，其电路如图2.2.4
图2.2.4DS1302定时计时模块电路图和仿真图
（3）键盘和显示模块
键盘和显示是本系统的一个重要的人机接口，它们为用户提供一个友好的操作界面，用户可以通过键盘可以设置风速、风型、定时时间等，通过汉字液晶显示，更加直观，更加人性化。
汉字液晶RT12864-M与单片机连接如图2.2.5所示。
采用5线键盘，只需5个I/O口，实现4*4键盘的功能，其电路如图2.2.6所示
图2.2.5液晶模块电路图
图2.2.6键盘电路
3.系统软件设计
系统软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。
程序是在WindowsXP环境采用KeiluVision2软件编写的，可以实现对环境的温度检测，电机的脉宽调制，定时等各项功能。
3.1数字温度传感器模块子程序设计
温度检测子程序主要用于保证温度显示的正确性，DS18B20测量的温度转换成电压，从而控制可控硅的导通角，温度高，电机速度快，温度低，电机速度慢，其流程图如3.1.1所示
3.2定时功能子程序
定时功能是智能风扇一个重要功能之一，只要手动按下定时开启键，就可以开通定时器，在定时器初始化之后，可以手动选择定时时间，可以出逐一加减，也可以步进五，步进二十。
手动可以选择最大定时时间为二百五十五分钟，以使用起来非常方便，其程序流程图如3.2.1所示。
图3.2.1定时功能子程序
3.3时钟模块子程序设计
时钟是伴随着风扇定时器的，时钟的准确，意味着定时的准确性，本系统采用专用集成芯片DS1302，它有很好的掉电保护功能，它具有双电源供电功能，即使在长时间不供电，它自带电源也能保证时间跟标准时间同步，在系统通电时，它自动关闭自带电源，自动进行电源切换，系统可以通过按键修改时间，程序流程图如3.3.1所示
图3.3.1时钟模块子程序
3.4按键功能子程序
按键是本系统的一个重要的人机接口，可以通过按键选择风扇的工作状态，功能选择在传统模式——智能模式——自然风——睡眠风——设置转速——定时——调时这7个功能中循环。
按键功能子程序流程图如3.4.1所示。
图3.4.1按键功能子程序
3.5系统主程序流程图
系统主程序流程图如3.5.1所示，系统主程序需要循环调用其他几个子函数，智能控制是在中断中完成，中断信号是在定时程序给出的，可控硅采用专用驱动芯片MOC3041，控制它的导通角的方式控制风扇转速，并通过PID算法实现其精确控制。
图3.5.1主程序流程图
4.系统测试
为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。
4.1测试仪器
测试使用的仪器设备如表4.1.1所示。
序列
名称、型号、规格
数量
备注
1
TDS1012双踪示波器
1
泰克科技
2
FLUKE17B数字万用表
2
3
WD-5直流稳压电源
2
启动市计算机厂
4
数字温度计
1
5
酒精灯
1
4.2指标测试
4.2.1温度检测测试
DS18B20的工作范围为-55℃~125℃度之间，我们首先把DS18B20和数字温度计放在冰水混合物中，然后用酒精灯对冰水混合物加热，看温度计的显示温度与DS18B20显示的温度之间时候存在误差。
系统检测的温度与数字温度计显示误差如下表：
表4.2.1温度检测
测量次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
数字温度计（℃）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
DS18B20（℃）
000
9.5
19.5
30.5
40.5
49.5
60.0
69.5
80.5
89.5
100
4.2.2风速检测精确度测试
风速检测，在键盘设定一个风速，我们分别通过示波器和本系统测试出来的风速进行比较。
风速精度测量数据列于表4.2.2
表4.2.2风速检测测量表
设定转速（转/S）
1
2
3
4
5
6
示波器显示（转/S）
1.00
2
2.98
4.01
4.98
5.96
系统LCM显示（转/S）
1.00
1.74
2.98
3.95
5.00
5.96
设定转速（转/S）
7
8
9
10
11
12
示波器显示（转/S）
7.01
8.00
9.00
10.0
11.3
12.0
系统LCM显示（转/S）
6.99
8.01
9.02
10.0
11.0
12.0
设定转速（转/S）
13
14
15
16
17
18
示波器显示（转/S）
12.9
14.1
15.0
16.0
17.2
17.9
系统LCM显示（转/S）
13.1
14.1
15.0
16.4
16.9
18.1
4.2.3风速响应时间测试
题目要求当我们设定转速后,要在30S钟内,实际转速要到达设定转速,测量数据如表4.2.2所示
表4.2.2风速响应时间测量表
转速（转/S）
1
2
3
4
5
6
响应时间（S）
14
15
14.5
15
15.6
17.1
转速（转/S）
7
8
9
10
10
12
响应时间（S）
21.0
22.7
22.4
25
25.5
26.4
转速（转/S）
13
14
15
16
17
18
响应时间（S）
27.0
27.7
27.8
28.1
28.5
28.9
4.2.4电源波动风速稳定测试
当电源波动时,风速随着电压的波动也上下波动,由于在程序中采用PID算法和模糊控制,当电源波动时,风速基本能保持恒定的转速,测量数据如表4.2.4所示.
表4.2.4电源波动对转速的影响测试
实际电压（V）
220
240
200
180
转速（转/S）
5
5.01
4.98
4.98
转速（转/S）
10
10.5
9.89
9.84
转速（转/S）
16
16.4
15.9
15.6
4.2.6测试结果分析
温度检测在本题中没给出指标，温度误差在
范围内，风速检测精确度测试，题目给出的要求达到
，经过测试，只有在2转/S的时候误差超过指标，其他情况误差都在
范围内，在风速超过10转/S的情况，误差小于
，达到发挥部分要求，风速响应时间测试过程用的是高精度秒表，题目要求响应时间不超过30S，在本系统中响应时间都在小于30S，符合题目要求，当电源波动是时，稳定程度测试误差在题目给出的范围内。
4.3结论
经过对系统的个部分检测，温度检测、键盘、时间、风速检测、电机驱动，以及各项功能测试，本设计已经基本达到设计制作的的要求，并完成了部分发挥功能。
个别指标由于时间有限只完成相应的软件和硬件设计，整体调试还未能完成。
5.总结
本系统以单片机STC5410AD为核心，利用现代的数字传感检测技术，配合一套独特的软件编程思想，实现智能风扇的各项功能要求。
在本系统设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件编程的方便灵活的特点，来满足系统设计要求。
因为时间有限，该系统还有许多值的改进的地方，例如电机方面，如果准确度的要求还要提高，我们必须使用步进电机。
在本次设计过程中，遇到了许多突发事件和各种困难，设计制作曾一度中断，但通过对题目的仔细分析和自我状态的调整后解决了问题。
在这个过程中我们深刻体会地体会到分工协作和团队精神的重要性，提高自己解决问题的能力
参考文献
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[4]何希才.传感器及其应用电路.电子工业出版社，2001
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