智能电风扇控制系统设计.docx

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智能电风扇控制系统设计

智能电风扇控制系统设计

一、绪论-------------------------------------------------------------------------------1

1.1智能电风扇控制系统背景---------------------------------------------1

1.2智能电风扇控制系统概述---------------------------------------------1

1.3设计任务和主要内容----------------------------------------------------1

二、方案论证------------------------------------------------------------------------2

2.1传感器部分-----------------------------------------------------------------2

2.2主控制部分-----------------------------------------------------------------2

2.3调速方式选择--------------------------------------------------------------3

2.4温度控制模块--------------------------------------------------------------3

2.5显示电路--------------------------------------------------------------------3

三、系统硬件电路设计-------------------------------------------------------------4

3.1总体硬件设计-----------------------------------------------------------4

3.2电源模块设计------------------------------------------------------------4

3.3单片机最小系统---------------------------------------------------------5

3.4数字温度传感器模块设计---------------------------------------------6

3.5电机调速与控制模块设计---------------------------------------------8

3.6高温报警模块设计------------------------------------------------------8

四、系统软件设计------------------------------------------------------------------12

4.1概述-----------------------------------------------------------------------12

4.2整体程序流程图设计--------------------------------------------------12

4.3小功率直流电机调速与控制模块程序-----------------------------14

五、系统调试----------------------------------------------------------------------15

5.1测试环境及工具---------------------------------------------------------15

5.2测试方法------------------------------------------------------------------15

5.3测试结果分析------------------------------------------------------------15

六、设计总结-----------------------------------------------------------------------15

参考文献------------------------------------------------------------------------------16

附录------------------------------------------------------------------------------------17

摘要

本设计以89c52单片机为核心，采用DS18B20温度传感器，对环境温度进行数据采集,以此来调节风速实现对电风扇的智能控制,，从而建立一个控制系统，使电风扇随温度的变化而自动变换档位，实现“温度高，风力大，温度低，风力弱”的性能。

另外，通过键盘控制面板，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。

本设计具有完整的定时功能有自动手动模式切换、风速选择等各种功能。

关键字：

89c52单片机，温度测量，数字温度传感器，直流电机。

Abstract

Thedesign89c52microcontrollerasthecore,theuseofDS18B20temperaturesensor,datacollectionontheambienttemperatureinordertoadjustthefanspeedtoachievetheintelligentcontrol,inordertoestablishacontrolsystemthatallowsfansofthechangeswiththetemperatureautomaticallychangeStalls,and"hightemperature,wind,lowtemperature,thewindisweak"performance.Inaddition,thekeyboardcontrolpanel,userscansetthefaninacertainrangeoftheminimumoperatingtemperature,whenthetemperatureisbelowthesettemperature,thefanwillautomaticallyshutdownwhenfansturnabovethistemperaturere-start.Thisdesignhasacompletemanualmodeautomatictimerswitch,speedselectionandotherfunctions.

Keywords:

89c52micro-controller,temperaturemeasurement,digitaltemperaturesensors,DCmotors.

一、绪论

1.1智能电风扇控制系统背景

电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，市场人士称，家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。

其主要原因：

一是风扇和空调的降温效果不同——空调有强大的制冷功能，可以快速有效地降低环境温度，但电风扇的风更温和，更加适合老人儿童和体质较弱的人使用；二是电风扇有价格优势，价格低廉而且相对省电，安装和使用都非常简单。

尽管电风扇有其市场优势，但传统电风扇还是有许多地方应当进行改良的，最突出的缺点是它不能根据温度的变化适时调节风力大小，对于夜间温差大的地区，人们在夏夜使用电风扇时可能遇到这样的问题：

当凌晨降温的时候电风扇依然在工作，可是人们因为熟睡而无法察觉，既浪费电资源又容易引起感冒，传统的机械定时器虽然能够控制电风扇在工作一定后关闭，但定时范围有限，且无法对温度变化灵活处理。

鉴于以上方面的考虑，我们需要设计一种智能电风扇控制系统来解决这些问题。

1.2智能电风扇控制系统概述

传统电风扇是220V交流电供电，电机转速分为几个档位，通过人为调整电机转速达到改变风力大小的目的，亦即，每次风力改变，必然有人参与操作，这样势必带来诸多不便。

本设计中的智能电风扇控制系统，是指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力大小的效果。

1.3设计任务和主要内容

本设计以51单片机为核心，通过温度传感器对环境温度进行数据采集，从而建立一个自动控制系统，使电风扇随温度的变化而自动变换档位，实现温度、风扇转速的连续控制。

另外，通过遥控器，用户可以在特定模式下实现对电风扇的风扇转速，定时时间等进行设置，本智能控制系统的主要功能如下：

1）本控制系统采用了先进的红外遥控器控制，实现了远程遥控功能，操作方便，符合现代人的生活要求；

2）上电开机后或在待机模式下，等待用户按下EQ键开机，实现半自动人体感应；

3）本智能控制系统定义了4种工作模式，各模式功能如下：

（1）上电开机后默认进入工作模式0。

模式0下，可以实现温度对风扇转速的实时控制，并将温度、风扇转速等级、工作模式在液晶屏上实时显示；在工作模式0下，不允许用户手动对风扇转速等级的控制，要想进入其他模式可以选择模式选择键，进入模式选择；

（2）通过模式选择键进入工作模式1。

模式1下，可以手动实现对风扇转速的控制，温度不能再控制风扇转速；

（3）通过模式选择键进入工作模式2。

模式2下，可以手动选择定时时间，暂时有四种选择（1、5、10、15分钟），定时时间到，自动进入模式4待机模式；如果直接由定时倒计时进行中，进入其他两外两种工作模式，各模式功能可以实现，但不会中断定时倒计时；在定时倒计时进行中，如果想要中断定时模式，可以摁下关机键，先进入模式4，再返回其他模式；

（4）在各个工作模式下，风扇转速都分四个等级，0为关闭，1为微风，2为中风，三为强风；

（5）在各个工作模式下，都可以实现高温报警；预定义高温报警温度下限为40摄氏度，到达高温时高温报警指示灯点亮；

（6）模式4也可以定义为纠错模式，一旦用户按键频繁或错误造成系统功能紊乱，可以先进入模式4，再返回其他模式；在模式4下返回时，预定义为返回到工作模式0，即温度自动控制模式。

二、方案论证

2.1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。

2.2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。

方案二：

采用STC89C52

此方案采用STC89C52八位单片机实现。

单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

而且体积小，硬件实现简单，安装方便。

可以实现对DS18B20和直流电机的控制工作，编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。

综合考虑，选择STC89C52作为主控制器。

2.3调速方式的选择

方案一：

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。

PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

用了PWM技术后，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。

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一。

2.4温度控制模块设计

方案一：

选用矩阵键盘：

假如使用矩阵键盘，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。

对于现代社会，绝大部分的用户已经习惯了用遥控器去操作他们的电视机、DVD机等现代设备，因此矩阵键盘这样的操作界面便显得不合时宜；而且如果选择了矩阵键盘，就会是本系统的设计增加面积，不符合小巧时尚的需求；

方案二：

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。

虽然加入了红外遥控+红外遥控解码模块后对设计者是一个不小的挑战，但为满足用户的需求，我们依然选择了该方案。

2.5显示电路的设计

方案一：

数码管：

数码管的显示位数有限，且只能显示一些简单的字符。

如果要达到以上设计要求，我们就要用接近30位数码管，这就使外围电路变得异常复杂；而且这样势必会使软件的编写变得非常困难，加大了工作量；更有甚者，即使软硬件都实现了，但显示效果并不好。

所以我们果断放弃该方案。

方案二：

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，完全能共满足本设计系统的需要，是一种比较理想的选择；

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。

但是该液晶屏要LCD1602液晶屏贵很多，在本设计系统中，性价比不如LCD1602液晶屏。

综上所述，我们选择了LCD1602液晶屏。

三、系统主要硬件电路设计

3.1总体硬件设计

系统总体设计框图如图2-1所示：

图2-1系统原理框图

对于单片机中央处理系统的方案设计，根据要求，我们可以选用具有8KB片内FLASHROM的STC89C52单片机作为中央处理器。

作为整个控制系统的核心，STC89C52内部已包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统。

整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高，是比较合适的方案。

3.2电源模块

因为单片机工作电源为+5V，且底层电路功耗很小。

采用7805三端稳压片即可满足要求。

3.3单片机最小系统

单片机STC89C52组成的最小系统如图2-2所示：

图2-2单片机最小系统

3.4数字温度传感器模块设计

本模块以DS18B20作为温度传感器，AT89C51作为处理器，配以温度显示作为温度控制输出单元。

整个系统力求结构简单，功能完善。

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。

DS18B20数字温度传感器满足了设计的要求。

图2-3-1温度传感器DS18B20与单片机的接口电路

系统工作原理如下：

DS18B20进行现场温度测量，将测量数据送入AT89C51的P3.7口，经过单片机处理后显示温度值，并与设定温度值的上下限值比较，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调整。

3.4.1DS18B20的温度处理方法

DS18B20直接将测量温度值转化为数字量提交给单片机，工作时必须严格遵守单总线器件的工作时序。

高速暂存存储器由9个字节组成，其分配如下图所示。

当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节。

单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如图所示。

对应的温度计算：

当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。

温度低位

温度高位

TH

TL

配置

保留

保留

保留

8位CRC

LSB

DS18B20存储器映像图

MSB

温度值格式图DS18B20温度数据表：

23

22

21

20

2-1

2-2

2-3

2-4

MSB

LSB

S

S

S

S

S

26

25

24

典型对应的温度值表:

温度值/℃数字输出（二进制）数字输出（十六进制）

+85℃00000101010100000550H

+25.625℃00000001100100010191H

+10.125℃000000001010001000A2H

+0.5℃00000000000010000008H

0℃00000000000000000000H

-0.5℃1111111111111000FFF8H

-10.125℃1111111101101110FF5EH

-25.625℃1111111101101111FF6FH

-55℃1111110010010000FC90H

3.4.2温度控制和显示模块设计

通过以6122A芯片为核心组成的红外遥控器控制和以LCD1602为显示器件的温度、风扇转速与模式等的显示系统的组合，组成了温度显示与控制模块。

控制模块采用红外遥控器+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。

该系统的设计中，我们需要显示一些字符串以提示用户如何进行操作，以及方便用户能够明白显示的内容。

因此这就要求我们的显示模块能够达到如下要求：

可以显示字符；显示位数尽可能多，且显示功能尽可能强大。

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，完全能共满足本设计系统的需要，是一种比较理想的选择；

图2-3-2LCD1602液晶屏与单片机的接口电路

3.5电机调速与控制模块设计

电机调速是整个控制系统中的一个重要的方面。

本设计系统采用直流电机模拟风扇电机的调速；在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。

3.5.1交流电机电机调速原理

可控硅的导通条件如下：

1）阳-阴极间加正向电压；

2）控制极-阴极间加正向触发电压；

3）阳极电流IA大于可控硅的最小维持电流IH。

电风扇的风速设为从高到低5、4、3、2、1档，各档风速都有一个限定值。

在额定电压、额定功率下，以最高转速运转时，要求风叶最大圆周上的线速度不大于2150m/min。

且线速度可由下列公式求得

式中，V为扇叶最大圆周上的线速度（m/min）,D为扇中的最大顶端扫出圆的直径（mm）；n为电风扇的最高转速（r/min）。

代入数据求得

1555r/min,取

=1250r/min.又因为：

取n1=875r/min.则可得出五个档位的转速值：

=1250r/min

=1150r/min

=1063r/min

=980r/min

=875r/min

又由于负载上电压的有效值

其中，u1为输入交流电压的有效值，α为控制角。

解得：

=0°t=0ms

=23.5°t=1.70ms

=46.5°t=2.58ms

=61.5°t=3.43ms

=76.5°t=4.30ms

以上计算出的是控制角和触发时间，当检测到过零点时，按照所求得的触发时间延时发脉冲，便可实现预期转速。

3.5.2电机控制模块硬件设计

电路中采用了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见图2-3。

其中RL即为电机负载，其工作原理是:

单片机响应用户的参数设置,在I/O口输出一个高电平,经反向器反向后,送出一个低电平,使光电耦合器导通,同时触发双向可控硅,使工作电路导通工作。

给定时间内,负载得到的功率为:

式中:

P为负载得到的功率,kW;n为给定时间内可控硅导通的正弦波个数;N为给定时间内交流正弦波的总个数;U为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电压有效值,V;I为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值,A。

由式

（1）可

知,当U,I,N为定值时,只要改变n值的大小即可控制功率的输出,从而达到调节电机转速的目的。

3.5.3小功率直流电机调速原理

单片机控制的小型直流电机的一般采用PWM脉冲调制方式实现速度的控制。

PWM基本原理以及产生：

PWM基本原理:

PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。

PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内"接通"和"断开"时间的长短。

通过改变直流电机电枢上电压的"占空比"来改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。

如图1所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制.

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax,设占空比为D=t1／T，则电机的平均速度为式中，Vd--电机的平均速度；

Vmax--电机全通电时的速度（最大）；

D=t