智能风扇设计Word文档下载推荐.docx
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3．1系统的原理方框图·
３.２ 元器件选型·
8
3.3硬件主电路·
１1
4 软件设计·
14
4.1 软件设计思想及主流程·
１4
４.2 流程框图及关键代码·
15
５系统调试·
２9
5.1硬件测试·
29
５.２软件测试·
3０
５.3整体测试·
31
设计心得·
3２
参考文献·
33
1系统概述
１.１ ＡT89C51单片机简介
传统电风扇多采用机械方式进行控制，功能少，噪音大，各档的风速变化大。
随着科技的发展和人们生活水平的提高，家用电器产品趋向于自动化、智能化、环保化和人性化,使得由微机控制的智能电风扇得以出现。
AT89Ｃ51单片机提供以下标准功能:
４K字节Flasｈ闪速存储器,12８字节内部ＲＡM，32个I/O口线，两个16位定时、计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C５1单片机可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止ＣPＵ的工作,但允许RＡＭ,定时、计数器,串行通行口及中断系统继续工作。
掉电方式保存ＲAＭ中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
1.２本设计任务和主要内容
本文以AT8９C51单片机为核心,通过数字温度传感器对外界环境温度进行数据采集,从而建立一个控制系统,使电风扇随温度的变化而自动调节档位,实现“温度高、风力大、温度低、风力弱”的性能。
另外，通过红外发射和接收装置及按键实现各种功能的启动与关闭,并且可对各种功能实现遥控,用户可以在一定范围内设置电风扇的最低工作温度,当温度低于所设置温度时，电风扇将自动关闭,当高于此温度时电风扇又将重新启动。
本设计主要内容如下:
（1）风速设为从低到高共５个档位,可由用户通过键盘和遥控手动设定。
（2）每当温度降低2℃，则电风扇风速自动下降一个档位。
（3）每当温度升高2℃,则电风扇风速自动上升一个档位。
（4）用户可以设定电风扇最低工作温度，当低于该温度时，电风扇自动停转。
二、方案论证
传统电风扇供电采用的是220V交流电,电机转速分为几个档位，通过人工手动调整电机转速达到改变风速的目的，亦即,每改变一次风力,必然有人参与操作,这样就会带来诸多不便。
本文介绍了一种基于AT89Ｃ５１单片机的智能电风扇调速器的设计，该设计巧妙利用红外线遥控技术、单片机控制技术、无级调速技术和温度传感技术，把智能控制技术应用于家用电器的控制中,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字温度信号,再通过可控硅对风扇电机进行调速。
从而达到无须人为控制便可自动调整风速的效果。
2．1系统总体设计
图1系统总体结构框图
经过详细分析和实现难度对比有以下基本理论依据：
2.2传感器部分
方案一:
采用热敏电阻
采用热敏电阻,可满足40摄氏度至９0摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差,对于检测1摄氏度的信号是不适用的。
而且在温度测量系统中,采用单片温度传感器,比如ＡD590,LM35等.但这些芯片输出的都是模拟信号,必须经过A／D转换后才能送给计算机,这样就使得测温装置的结构较复杂.另外,这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器,不能进行多点测量.即使能实现,也要用到复杂的算法,一定程度上也增加了软件实现的难度。
方案二：
采用ＤS1８B20
温度传感器采用ＤＳ１8Ｂ20数字温度传感器。
DS1８B2０数字温度传感器芯片是以9位数字量的形式反映器件的温度值。
DS18B20数字温度传感器通过一个单线接口发送或接受信息，因此在中央微处理器和DS１８B20之间仅需一条连接线（加上地线）。
用语读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，降低了电路的复杂程度,提高了电路的运行质量。
综合考虑，选择方案DS１8B20进行温度测量。
2.3主控制部分
方案一：
采用SPCE06１A单片机
采用凌阳1６位的SPＣE061Ａ单片机,处理速度较慢,内置2ＫSRAM,３2KFLASH，要实现稍大的存储量受到限制,而如果扩展大量的外围电路的话,则降低了系统的可靠性，消耗了大量的CＰU资源。
采用AT８9C51单片机
AＴ8９C51是美国AＴMEL公司生产的低电压、高性能ＣＭＯS8位单片机,片内4byteｓ的可反复擦写的只读程序存储器（PERＯM）和１28bｙｔes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMＥL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS－５１指令系统，片内置用8位中央处理器（CＰU）和Ｆlash存储单元,功能强大。
ＡＴ89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。
综合考虑,选择AT89C５1单片机作为主控制器。
2.4调速方式的选择
采用ＰWM控制
PWM是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术,尤其是在对电机的转速控制方面,可大大节省能量。
但前期投入大。
方案二:
采用可控硅控制
实际中通过控制双向可控硅的导通角,使输出端电压发生改变,从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节风扇的转速，实现各档位风速的无级调速。
从本设计要求综合考虑实际中选择方案二。
2．5温度控制模块设计
采用红外遥控器+红外遥控解码:
红外遥控器的使用大大方便了用户,使他们可以在一定范围内实现对本系统的远程控制,符合当代人的生活习惯,而且红外遥控器的技术已经相当成熟,使用也比较方便。
用键盘：
假如使用键盘，用户就只能走进本控制系统去控制该系统已完成自己想要的操作。
此方案设计与制作比较简单,且能完全完成既定功能。
综合各方面因素,采选用方案二。
2.6显示电路的设计
LCＤ1６02液晶屏:
LCD1６02液晶屏是１６＊2的字符型液晶，可以显示英文26个字母的大小写,阿拉伯数字0—9,及一些简单的符号。
该液晶屏操作简单,显示功能强大。
数码管：
虽然数码管的显示位数有限,且只能显示一些简单的字符。
但是在本课程设计中，所需要的数码管不多，少量数码管即可符合设计要求,估可采用。
方案三：
LCD1２8６４液晶屏:
该液晶屏是比LCD160２液晶屏更先进的液晶，可以显示图片信息,同样可以完成本设计系统的需要。
但是该液晶屏相对比较贵。
综上所述，我们选择了数码管作为显示模块。
综上所述的论证,通过焊接、接线、编程等工作就可以制作智能调速风扇。
3 硬件设计
３.１系统的原理方框图
本系统由集成温度传感器、单片机、LED数码管、发光二极管、直流电机及一些其他外围器件组成。
使用具有价廉易购的AＴ89Ｃ51单片机编程控制,通过修改程序可方便实现系统升级。
系统的框图结构如下：
人工控制
图２系统原理框图
３． ２元器件选型
经过案例分析选择以下元器件并给出其基本原理
３.2.1DＳ18Ｂ20数字温度传感器
ＤS1８B20数字温度传感器采集现场温度,将测量到的数据送入AT8９C51单片机的P3.3口，经过单片机处理后显示当前温度值，并与设定温度值的上下限值作比较，若高于设定上限值或低于设定下限值则控制电机转速进行自动调整。
--
图3DS18B20温度计原理
3.2.２AＴ８9C51的引脚功能
VCC：
供电电压。
GNＤ:
接地。
P0口:
Ｐ0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收８TTL门电流。
当Ｐ0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的低八位。
在ＦIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIＡSH进行校验时，Ｐ０输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向Ｉ/O口,Ｐ1口缓冲器能接收输出4TＴＬ门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高，可用作输入，P１口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在ＦLASH编程和校验时，P１口作为低八位地址接收。
P2口：
P２口为一个内部上拉电阻的8位双向I／O口，P２口缓冲器可接收，输出4个ＴＴL门电流,当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
Ｐ2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，Ｐ2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
Ｐ3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I／Ｏ口，可接收输出4个TTＬ门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流（ILＬ）这是由于上拉的缘故。
3.2.3双向可控硅
双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展而成的,它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管,而且仅需一个触发电路,是目前比较理想的交流开关器件。
其英文名称TＲＩAＣ即三端双向交流开关之意。
3.2．４数码管
数码管显示电路采用共阳极四位数码管以及90１2三极管作为驱动数码管发亮。
其连接方式如下：
应用单片机P0口连接八段数码管，用P１口的P１.0—Ｐ1．３四个端口作为数码管的片选信号输出端口,其中要用９01２（PNＰ型）三极管做驱动。
为了防止烧坏数码管,所以给数码管各段各加一个5０ｋ的限流电阻。
要显示的数据通过P0口送给数码管显示，通过P1口的P1．0—P1.3四个端口分别对数码管进行位选，事实上数码管是间断被点亮的,只是其间断时间十分短,扫描期
周在２０ms以下，利用人眼视觉暂留，我们基本看不出它们的闪烁。
图４数码管显示电路
3．2.5键盘控制元件
键盘是人机交互的重要部件。
本部件主要便于用户对电风扇进行操作，使用户只要进行一些简单的操作,就能实现所需的全部功能,键盘操作模块在电风扇底座部分有一个3x 3小矩阵键盘，可以进行风的强度、类型、定时等系统设置,按键电路图如图6所示。
图5按键控制原理图
3.３硬件主电路
3．3．1温度采集、控制模式设定以及复位电路
温度采集电路主要是由DS１8Ｂ20构成，它可以把采集的温度数据转化成二进制数,经过单片机处理后输出送数码管显示。
图6温度采集、控制模式设定以及复位电路
开关设定主要是通过按键K1来设定的。
模式转换键由Ｋ2来完成,可以实现温度控制风速和手动设定风速的功能。
手动设定风扇档位由Ｋ３、K4来完成，按一下K３键可以实现档位增一，而按下K4键可以实现档位减一。
3.3．２电机驱动电路
驱动模块主要采用驱动芯片ＵLN２８03，PＷM脉冲信息通过I＼Ｏ口P３^4输出,然后经过ULN２80３时由１B—7B输入至7Ｃ输出以驱动电机转动。
电路如图7 电机驱动电路
图7
3.3.3开关、模式指示灯电路
ﻩ分别通过Ｐ1^0—P1^2作为开关、两个模式指示灯,按下开关键K１时,开关指示灯亮,表明DS1８B20一开始工作,此时后三位显示相应温度；
若此时按下模式一键K2,转为到温度控制风速功能，当达到相应温度范围，电机转速作相应改变;
若按下模式二键K３，转为手动控制风速，此时可以分别按K３或者K4键，以控制档位。
图8 开关、模式指示灯电路
本系统的总电原理图为:
图9 总电原理图
４、软件设计
本系统的运行程序采用C语言编写,采用模块化设计，整体程序由主程序和显示、键盘扫描、红外线接收以及电机控制等子程序模块组成。
4.１软件设计思想及主流程
主程序：
在主程序进行初始化后，开始反复检测各模块相关部分的缓冲区的标志，如果缓冲区置位，说明相应的数据需要处理，然后主程序调用相应的处理子模块。
如图7所示。
图10主程序模块流程图
4.2流程框图及关键代码
4.2．1 数字温度传感器模块和显示子模块
如图8所示，主机控制DＳ18Ｂ20数字温度传感器完成温度转换工作必须经过三个步骤：
初始化、ＲOM操作指令、存储器操作指令。
单片机所用的系统频率为１2MHz。
根据ＤS18B20数字温度传感器进行初始化时序、读时序和写时序分别可编写3个子程序：
初始化子程序、写子程序、读子程序。
图１1数字温度传感器模块程序流程图
ＤS1８B20芯片功能命令表如下：
命令 说明 协议
RＥADＲOＭ 读取激光ROM64位 33Ｈ
MＡＴCＨROM 匹配ROM 5５Ｈ
SＫIP RＯM 跳过ROＭ CＣH
SEAＲCH ROＭ 搜索ROM F0Ｈ
AＬARMSＥAＲCH 告警搜索 ECH
ＷRIＴEＳCRＡＴCHＰAD 把字节写入暂存器的地址2和３ 4EH
REAＤSCRATCＨPAD 读取暂存器和CRC字节 BEH
COPYSＣRＡTＣＨPAD 把暂存器内容拷贝到非易失性存储器中 48H
CＯNVERＴＴ 开始温度转换 4４H
RECALＬE2 把非易失性存储器中的值召回暂存器 B８H
READPOWＥＲSUPＰLY 读电源供电方式：
０为寄生电源,1为外电源 B４H
表１ DS18B20功能命令表
4.2.2电机调速与控制子模块
本模块采用双向可控硅过零触发方式,由单片机控制双向可控硅的通断,通过改变每个控制周期内可控硅导通和关断交流完整全波信号的个数来调节负载功率,进而达到调速的目的。
因为INT０信号反映工频电压过零时刻,所以只要在外中断0的中断服务程序中完成控制门的开启与关闭,并利用中断服务次数对控制量ｎ进行计数和判断,即每中断一次,对n进行减１计数,如果n不等于0，保持控制电平为“1”,继续打开控制门；
如n=０，则使控制电平复位为“０”,关闭控制门，使可控硅过零触发脉冲不再通过。
这样就可以按照控制处理得到的控制量的要求，实现可控硅的过零控制，从而达到按控制量控制的效果,实现速度可调。
（１）中断服务程序:
执行中断服务程序时,首先保护现场，ＩＮT0中断标志置位，禁止主程序修改工作参数，然后开始减1计数,判断是否关断可控硅,最后INT0中断标志位清零,还原初始化数据,恢复现场，中断返回。
（设1秒钟通过波形数N=100）
（2）回路控制执行程序:
主回路控制执行程序的任务是初始化数据存储单元，确定
电机工作参数nmｉn/nｍax，并将其换算成“有效过零脉冲”的个数;
确定中断优先级、开
中断,为了保证正弦波的完整,工频过零同步中断IＮT0确定为高一级的中断源。
a
图１1电机控制模块中断响应流程图
数字温度传感器模块和显示子模块程序:
#ｉｎcｌｕde＜REG5２.ｈ>
#deｆineucｈaruｎsignｅdｃｈａr
#ｄｅfineｕｉntunsignedint
sfｒ Dａt_Ｐｏｒt=0ｘ80;
ｓbitge=P2＾6;
sbitshi=Ｐ2^７;
ｓbiｔＴMＤAT＝P3^７;
uｃｈａｒｃoｄｅｔablｅ[]={0x３F,0x０６,０x５B，0x4F,
ﻩ0x6６，0x6D,0x7D，0x07,
０x7Ｆ,0x6Ｆ｝；
uchａrtｍｐbuｆ[2];
voiｄDｅlａy（int ｕseconds）
{
ﻩｉｎts;
ｆor（s＝0;
s<
ｕsｅconｄs;
s++）;
｝
uｃhaｒＲeset_Bus（void）
ﻩuchar prｅｓeｎｃe;
ﻩTMDAT=0;
Delａy（２9）;
ﻩTMＤＡT＝1；
Ｄelａｙ（3）;
ﻩpｒeｓｅnce=TMDAT;
Delay（25）;
ﻩｒｅturn（presence）;
}
vｏidWrｉte_Bit（chaｒ bitvａl）
ﻩTＭＤＡT＝０；
ﻩｉf（ｂitval==1） TMDAT=1;
ﻩDeｌay（５）;
ＴＭDAT=1；
voｉd Ｗriｔe_Bytｅ（ｃhar ｖａl）
｛
ﻩuchaｒI；
ﻩﻩuchaｒtemp;
ﻩfor（i=0；
i<
8；
i++）
{ﻩ
ﻩｔｅｍp=ｖal＞>
i;
temp＆=0x０1;
ﻩWrｉte_Bｉｔ（tｅmp）;
ﻩ｝
Dｅｌａｙ（5）;
ucharReａd_Bit（void）
ﻩuchar i;
TＭＤAT=0;
ﻩTＭDAT=１;
fｏr（i＝0；
３;
i＋+）;
ﻩreturｎ（TMDAＴ）;
uchar Rｅad_Byte（void）
uchari；
ｕcｈarｖａlue=0;
foｒ （i=０；
8;
i＋+）ﻩﻩﻩﻩ
ﻩ{
ﻩif（Reａd_Ｂit（）） vaｌue｜=0x01＜<
i；
ﻩDｅlay（6）;
ﻩ}
ﻩｒeturn（valｕe）;
ｕｉntDS1８B20_Tmp_Reaｄ（ｖoiｄ）
uｉnt TEMP;
uchaｒ ＴＥＭＰ＿LSB,TＥMＰ_MＳB;
Reｓｅt_Ｂus（）;
Wrｉｔe＿Byte（0xＣC）;
Wｒiｔe_Bｙte（0x４4）；
Delay（５）;
ﻩReset_Buｓ（）;
Wriｔe＿Ｂyｔe（0xCＣ）;
ﻩWrite_Byte（０ｘBE）;
TEMP_LSB=Ｒead＿Byte（）;
TEMP_MSB=Ｒeａd_Ｂytｅ（）;
TEＭP＝TEＭP_ＭSB；
ﻩTEＭP=TEMP<
<
ﻩＴEMP=TＥMP｜TEＭP_LSＢ;
ｒｅｔurｎTＥＭP；
voidＤisplay（vｏiｄ）
uｃｈarj;
ﻩｊ＝tmpｂｕｆ[0］;
ﻩＤａt_Porｔ=tａｂle[j];
ﻩsｈｉ=0;
ﻩDelay（５）;
ｓhｉ=1;
ﻩDｅlaｙ（５）;
ﻩj=ｔｍpbuf[１];
ﻩＤat_Port=tablｅ[j];
ﻩge=０;
Delａy（5）;
ｇe=1;
ｖoｉｄ mａｉn（vｏｉd）
ﻩuiｎttｍｐ;
uｃhａrＩ,tmpｈ;
ﻩwｈiｌe
（1）
{
ﻩtmp=ＤS１8B20＿Tmp＿Reaｄ（）;
ﻩﻩtmph＝（uｃｈar）（（tmp>
>
4）&
0ｘff）;
tmｐbuf［１]＝tｍph%１0;
ﻩtmpbｕf［０]=（tmｐh%1００）/10;
ﻩﻩfｏr（i=0;
i＜20;
i++）
ﻩ{
ﻩDisｐlay（）;
ﻩﻩ}
电机调速与控制子模块主程序:
#inｃlude<
ｒｅg5２.h＞
#defｉnｅ uchar unsｉgｎｅdchaｒ
#ｄｅｆｉneuintunsignedｉnt
sbitＦａn＝P３^2;
ｕchａrt1;
ｖoｉd init（）
uint ｔmｐ；
tmp＝ＤS18B20_Tmp＿Reａd（）；
Faｎ＝1;
／＊导通*／
ﻩＴＭOＤ=0x01；
TH0＝（６5５36-50０00）/256;
ﻩTL0=（65536-５０000）%2５６;
EA=1;
EＸ0＝１；
ＩT0＝1;
ﻩET0=1;
TR0=１；
voｉdexter（）iｎｔerrupｔ 0
｛
ﻩｕint ｎ０,n1,n2,ｎ3,n4，n５；
uｃhar ｔmｐ;
ﻩif（（tmp>
0x０1８0）＆&
（tｍｐ＜0ｘ01A0）＝=１）
ｎ1--；
iｆ（n1==0）
ﻩFaｎ＝0;
／*截止*／
ﻩif（ｔ1=＝20）
｛
ﻩt1=0；
Faｎ=１;
ﻩ｝
ﻩ｝
}
ｅlsｅ if（（tmp>
=0x01A0）&
＆（ｔmｐ<
0x01C０）==1）
ﻩﻩn２-－；
ﻩﻩif（n2＝＝０）
ﻩﻩFan=０;
ﻩif（t1==2０）
ﻩﻩ{
ﻩ
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