基于單片機的智能電風扇控制系統(tǒng)

1、目 錄 第1節(jié) 引 言31.1 智能電風扇控制系統(tǒng)概述 31.2 本設計任務和主要內容 3第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設計 52.1 總體硬件設計 52.2 數字溫度傳感器模塊設計 5 2.2.1 溫度傳感器模塊的組成 5 2.2.2 DS18B20的溫度處理方法 62.3 電機調速與控制模塊設計 7 2.3.1 電機調速原理7 2.3.2 電機控制模塊硬件設計82.4 溫度顯示與控制模塊設計 9第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設計103.1 數字溫度傳感器模塊程序設計103.2 電機調速與控制模塊程序流程153.2.1 程序設計原理 153.2.2 主要程序16第4節(jié) 結束語19 參考文獻20基于單片機的智能電

2、風扇控制系統(tǒng) 第1節(jié) 引 言 隨著空調機在日常生活中的普遍應用，很容易想到電風扇會成為空調的社會淘汰品，其實經過市場的考驗和證實，真實的并不是這樣的,在空調產品的沖擊也，空調產品仍然具有很強大的生命力，電風扇在市場的考驗中并沒有淡出市場，反而銷售在不停的復蘇中具有強大的發(fā)展空間。據市場調查，電風扇的不停復蘇主要在以下原因：一是電風扇雖然沒有空調機的強大的制冷功能，但電風扇是直接取風，風力更加溫和，比較適合老年人、兒童以及體質虛弱的人使用。二是電風扇經過多年的市場使用，較符合人們的使用習慣，而且結構簡單、操作方便、安裝簡易。三是電風扇比起空調產品而言，其價格低廉，相對省電，更易的進入老百姓的家庭

3、。在激烈的市場競爭下，雖然電風扇具有廣闊的市場空間，但不斷新生產品的出現，要使產品更具市場優(yōu)勢，僅僅是靠傳統(tǒng)型的電風扇是遠遠不夠的，因此要對傳統(tǒng)的電風扇根據市場的需要進行不斷的更新，不斷的改進，以使自己的產品立于不敗之地。傳統(tǒng)的電風扇較為突出的缺點是：風扇的風力大小不能根據溫度的變化自動的調節(jié)風速，對于那些晝夜溫差比較大的地區(qū)，這個自動調節(jié)風速就顯得優(yōu)其的重要了，特別是人們在熟睡時常常沒有覺察到夜間是溫度變化，那樣既浪費電資源又容易引起感冒。傳統(tǒng)的風扇是用機械式的定時方式，機械式的定時方式常常會伴隨著很大的機械運動的聲音，特別是在夜間影響人們的睡眠質量，另個機械式的定時有一定的局限性，定時范圍

4、有限，而且機械式的容易壞。傳統(tǒng)的電風扇沒有遠程遙控控制電風扇的功能，對平時調節(jié)風扇風速或其它對風扇的調節(jié)，而又不想走近風扇帶來很多的不便。鑒于以上方面的考慮，我們需要設計一種智能電風扇控制系統(tǒng)來解決這些問題。1.1 智能電風扇控制系統(tǒng)概述 日常我們使用的都是220V的交流電，而我們常用的電風扇一般也是220V的交流電，在傳統(tǒng)的電風扇中，電風扇的轉速是分為幾個檔位的，也就是說每一個檔位就相當于一個開關，用于改變對電機的不同供電方式來改變電動機的轉速以改變風力的大小。本設計中的智能電風扇控制系統(tǒng)，是以電風扇的電機工作狀態(tài)作為被控量，并引入微機系統(tǒng)，通過對電風扇的工作狀態(tài)以及周圍環(huán)境的信號分析采集，

5、由微機系統(tǒng)對所得的信號處理后，再通過各種可控的電子元器件對風扇的電動機進行控制，同時智能的微機自動控制能力。1.2 設計任務和主要內容本設計是以51單片機為主要控制核心，用51單片機系統(tǒng)對用戶設定信號數據的采集以及分析，能過各種可控型電子元器件對電風扇各種工作狀態(tài)的控制，以達到用戶需求。設計的主要內容 風速從高到低設置5個檔位，并且每個檔位都可以由用戶設置是否加入睡眠控制方式，睡眠方式就是讓風扇循環(huán)的轉一段時間停一段時間。 長范圍可控的定時方式，可以設置12小時以內的定時開機與定時關機。 風扇可以自動的根據環(huán)境的溫度調節(jié)風扇風速的檔位，溫度上升3自動上升一個檔位，溫度每降低3自動下降一個檔位。

6、 加入遠程紅外遙控，可以用遙控器控制電風扇的各種工作狀態(tài)。 設置數碼管顯示當前的工作狀態(tài)，使其更具人性化。 加入串口控制功能，對于工業(yè)應用的風扇，可以通過RS232接口用電腦上位機控制風扇，同時可以對控制芯片重新編程，以實現不強大的功能第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設計 2.1 總體硬件設計 系統(tǒng)總體設計框圖如圖2-1所示鍵盤輸入溫度顯示單片機系統(tǒng)電機控制模塊數字溫度傳感模塊圖2-1 系統(tǒng)原理框圖 對于單片機中央處理系統(tǒng)的方案設計，根據要求，我們可以選用具有4KB片內E2PROM的AT89C51單片機作為中央處理器。作為整個控制系統(tǒng)的核心，AT89C51內部已包含了定時器、程序存儲器、數據存儲器等硬

7、件，其硬件能符合整個控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲器芯片和定時器件，方便地構成一個最小系統(tǒng)。整個系統(tǒng)結構緊湊，抗干擾能力強，性價比高。是比較合適的方案2.2 數字溫度傳感器模塊設計 溫度傳感器可以選用LM324A的運算放大器，將其設計成比例控制調節(jié)器，輸出電壓與熱敏電阻的阻值成正比，但這種方案需要多次檢測后方可使采樣精確，過于煩瑣。所以我采用更為優(yōu)秀的DS18B20數字溫度傳感器，它可以直接將模擬溫度信號轉化為數字信號，降低了電路的復雜程度，提高了電路的運行質量。2.2.1 溫度傳感器模塊組成本模塊以DS18B20作為溫度傳感器，AT89C51作為處理器，配以溫度顯示作為溫度控制輸出單元。

8、整個系統(tǒng)力求結構簡單，功能完善。電路圖如圖2-2所示。系統(tǒng)工作原理如下：DS18B20進行現場溫度測量，將測量數據送入AT89C51的P3.7口，經過單片機處理后顯示溫度值，并與設定溫度值的上下限值比較，若高于設定上限值或低于設定下限值則控制電機轉速進行調整。圖2-2 DS18B20溫度計原理圖2.2.2 DS18B20的溫度處理方法DS18B20直接將測量溫度值轉化為數字量提交給單片機，工作時必須嚴格遵守單總線器件的工作時序。溫度值/ 數字輸出（二進制） 數字輸出（十六進制） +85 0000 0101 0101 0000 0550H +25.625 0000 0001 1001 0001

9、0191H +10.125 0000 0000 1010 0010 00A2H+0.5 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H-0.5 1111 1111 1111 1000 FFF8H -10.125 1111 1111 0110 1110 FF5EH -25.625 1111 1111 0110 1111 FF6FH -55 1111 1100 1001 0000 FC90H表2-1 部分溫度值與DS18B20輸出的數字量對照表 2.3 電機調速與控制模塊設計電機調速是整個控制系統(tǒng)中的一個重要的方面。通過控制雙向可控硅的導

10、通角，使輸出端電壓發(fā)生改變，從而使施加在電風扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調節(jié)風扇的轉速，實現各檔位風速的無級調速。2.3.1 電機調速原理可控硅的導通條件如下：1）陽-陰極間加正向電壓；2）控制極-陰極間加正向觸發(fā)電壓；3）陽極電流IA 大于可控硅的最小維持電流IH。電風扇的風速設為從高到低5、4、3、2、1檔，各檔風速都有一個限定值。在額定電壓、額定功率下，以最高轉速運轉時，要求風葉最大圓周上的線速度不大于2150m/min。且線速度可由下列公式求得式中，V為扇葉最大圓周上的線速度(m/min),D為扇中的最大頂端掃出圓的直徑(mm)；n為電風扇的最高轉速(r/min)。代入數據求得 1555r

11、/min,取 =1250 r/min.又因為：取n1=875 r/min.則可得出五個檔位的轉速值： =1250r/min =1150r/min =1063r/min =980r/min =875r/min又由于負載上電壓的有效值 其中，u1為輸入交流電壓的有效值，為控制角。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 以上計算出的是控制角和觸發(fā)時間，當檢測到過零點時，按照所求得的觸發(fā)時間延時發(fā)脈沖，便可實現預期轉速。2.3.2 電機控制模塊硬件設計電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3041

12、 ,集光電隔離、過零檢測、過零觸發(fā)等功能于一身,避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷, 簡化了輸出通道隔離2驅動電路的結構。所設計的可控硅觸發(fā)電路原理圖見圖2-3 。其中RL即為電機負載，其工作原理是:單片機響應用戶的參數設置, 在I/ O 口輸出一個高電平, 經反向器反向后, 送出一個低電平,使光電耦合器導通, 同時觸發(fā)雙向可控硅, 使工作電路導通工作。給定時間內,負載得到的功率為:式中: P 為負載得到的功率, kW; n 為給定時間內可控硅導通的正弦波個數; N 為給定時間內交流正弦波的總個數; U 為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電壓有效值,V; I 為可控硅在一個電源

13、周期全導通時所對應的電流有效值,A。由式(1) 可知,當U , I , N 為定值時, 只要改變n 值的大小即可控制功率的輸出,從而達到調節(jié)電機轉速的目的。圖2-3 電機控制原理圖2.4 溫度顯示與控制模塊設計 通過HD7279A控制芯片組建一個單片機鍵盤輸入與顯示模塊，其中包括一個2*8的鍵盤矩陣。和8段動態(tài)掃描數碼管顯示。與單片機通過接插件連接，可以用于系統(tǒng)的控制和輸出，其原理圖如圖2-4所示。圖2-4 HD7279A鍵盤和顯示器控制模塊電路原理圖第三節(jié) 系統(tǒng)軟件設計3.1 數字溫度傳感器模塊程序設計本系統(tǒng)的運行程序采用匯編語言編寫，采用模塊化設計，整體程序由主程序和子程序構成。圖3-1

14、數字溫度傳感器模塊程序流程圖如圖3-1所示，主機控制DS18B20完成溫度轉換工作必須經過三個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。單片機所用的系統(tǒng)頻率為12MHz。根據DS18B20初始化時序、讀時序和寫時序分別可編寫4個子程序：初始化子程序、寫子程序、讀子程序、顯示子程序。DS18B20芯片功能命令表如下：表2 DS18B20功能命令表命令 功能描述 命令代碼CONVERT 開始溫度轉換 44HREAD SCRATCHPAD 讀溫度寄存器（共9字節(jié)） BEH READ ROM 讀DS18B20序列號 33HWRITE SCRATCHPAD 將警報溫度值寫如暫存器第2、3字節(jié) 4EH

15、 MATCH ROM 匹配ROM 55H SEARCH ROM 搜索ROM F0H ALARM SEARCH 警報搜索 ECHSKIP ROM 跳過讀序列號的操作 CCHREAD POWER SUPPLY 讀電源供電方式：0為寄生電源，1為外電源 B4H主要程序如下：MAIN:；初始化LCALL RST_DS18B20LCALL GET_TEMPERMOV A,20HMOV C,08HRRC AMOV C,09HRRC AMOV C,10HRRC AMOV C,11HRRC AMOV 20H,ALCALL DISPLAYAJMPMAINRST_DS18B20:SETB P3. 7NOPCLR

16、P3. 7MOV R1, #3RST1:MOV R0, #110DJNZ R0, $DJNZ R1,RST1SETB P3. 7NOPNOPMOV R0, #25HRST2:JNB P3. 7,RST3DJNZ R0,RST2LJMP RST4RST3: SETB FLAGLJMP RST5RST4:CLR FLAGLJMP RST7RST5:MOV R0, #115RST6:DJNZ R0, $RST7: SETB P3. 7RETWR_DS18B20:；寫數據子程序MOV R2, #8CLR CWR1: CLR P3. 7MOV R3, #6DJNZ R3, $RRC AMOV P3. 7

17、,CMOV R3, #25DJNZ R3, $SETB P3. 7NOPDJNZ R2,WR1SETB P3. 7RETRD_DS18B20:；讀數據子程序MOV R4, #2MOV R1, #20HREAD1:MOV R2, #8READ2: CLR CSETB P3. 7NOPNOPCLR P3. 7NOPNOPNOPSETB P3. 7MOV R3, #9READ3:DJNZ R3,READ3MOV C, P3. 7MOV R3, #23READ4:DJNZ R3,READ4RRC ADJNZ R2,READ2MOV R1,AINC R1DJNZ R4,READ1RET3.2 電機調速與

18、控制模塊程序流程3.2.1 程序設計原理采用雙向可控硅過零觸發(fā)方式，由單片機控制雙向可控硅的通斷，通過改變每個控制周期內可控硅導通和關斷交流完整全波信號的個數來調節(jié)負載功率，進而達到調速的目的。由于INT0信號反映工頻電壓過零時刻，因此只要在外中斷0的中斷服務程序中完成控制門的開啟與關閉，并利用中斷服務次數對控制量n進行計數和判斷，即每中斷一次，對n進行減1計數，如果n不等于0，保持控制電平為“1”，繼續(xù)打開控制門；如n=0，則使控制電平復位為“0”，關閉控制門，使可控硅過零觸發(fā)脈沖不再通過。這樣就可以按照控制處理得到的控制量的要求，實現可控硅的過零控制，從而達到按控制量控制的效果，實現速度可

19、調。1）回路控制執(zhí)行程序。主回路控制執(zhí)行程序的任務是初始化數據存儲單元，確定電機工作參數 /，并將其換算成“有效過零脈沖”的個數；確定中斷優(yōu)先級、開中斷，為了保證正弦波的完整，工頻過零同步中斷INT0確定為高一級的中斷源。2）斷服務程序，執(zhí)行中斷服務程序時，首先保護現場，INT0中斷標志置位，禁止主程序修改工作參數，然后開始減1計數，判斷是否關斷可控硅，最后INT0中斷標志位清零，還原初始化數據，恢復現場，中斷返回。（設1秒鐘通過波形數N=100）中斷流程圖如圖3-2所示： 圖3-2 電機控制模塊中斷響應流程圖3.2.2 主要程序外中斷INT0的部分中斷響應程序如下：ORG0003HINTD0:PUSHACCPUSHPSWPUSHDPHPUSHDPLSETB24H.0 MOVA,5FHJZ TING1 DECA MOV5FH,ALJMPFAN2TING1: FAN2:MOVA,5BHJZ TING2 DECA MOV5BH,ALJMPZONGTING2:ZONG:MOVA,59HJZ KAIDECAMOV59H,ALJMPEXITKAI:CLR24H.0JB26H.0,KAI2KAI2:MOVA,66HJZ EXIT1EXIT1:MOV5FH,5AHMOV5BH,66HMOV59H,#100EXIT:POPDPLPOPDPHP