畢業(yè)設(shè)計USB迷你可調(diào)速風(fēng)扇設(shè)計

1、廣州大學(xué)松田學(xué)院廣州大學(xué)松田學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計）畢業(yè)論文（設(shè)計） 題題 目目 usbusb 迷你可調(diào)速風(fēng)扇設(shè)計迷你可調(diào)速風(fēng)扇設(shè)計 二二一三一三 年年 六六 月月 usbusb 迷你可調(diào)速風(fēng)扇設(shè)計迷你可調(diào)速風(fēng)扇設(shè)計 摘要：摘要：在這幾年來，直流驅(qū)動控制作為電氣傳動的核心在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活需求中顯得越來越重要。 一直以來，由于直流電機具有調(diào)速性能好、起動和制動轉(zhuǎn)矩大、易于控制和可靠性較高等特點，因 其長期以來在電氣傳動領(lǐng)域中占有重要位置。它在直流電動工具、機械和家電設(shè)備中廣泛應(yīng)用，尤 其在風(fēng)扇方面，隨著全球氣溫的升高，在現(xiàn)代化生產(chǎn)機械、家用電器及電腦對風(fēng)扇的需求越來越強 烈，這對提高風(fēng)扇性能的要

2、求越來越高。因此，設(shè)計 usb 迷你可調(diào)速風(fēng)扇起著舉足輕重的作用。 本設(shè)計是以單片機為核心的 pwm 占空比輸出的直流調(diào)速系統(tǒng)的風(fēng)扇，其特點是用單片機代替速 度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器及模擬觸發(fā)器等硬件設(shè)備。由 usb 接口對整個模塊提供電源，從而實現(xiàn)系統(tǒng) 的多級調(diào)速，其大部分是由鍵盤輸入信號傳給單片機，此時主要由數(shù)碼管顯示，單片機進行邏輯判 斷和復(fù)雜運算后，輸出 pwm 信號控制于直流電機轉(zhuǎn)速，使用紅外對管進行黑白信號檢測來反饋電機 的運轉(zhuǎn)速速。其中，通過 usb 接口統(tǒng)一給電機（電扇）提供電源。程序是使用 c 語言來編寫的，實 驗結(jié)果顯示，0 到 100r/min 是理想的調(diào)速范圍。 關(guān)鍵詞：關(guān)

3、鍵詞：直流電機，直流調(diào)速，單片機，pwm,usb usb mini speed-adjustable fan design abstract: in recent years, dc-driving control as the core of electric drive in modern production and living needs more and more important .because dc motor has good speed performance, starting and braking torque, easy control and reliabil

4、ity higher characteristic ,so it is long time in the field of electric drive occupies an important position .it is widely used in the dc electric tools, mechanical and electrical equipment ,especially in term of fan. as global temperatures rise, the modernization of production machinery ,household a

5、ppliances and computer more and more demand for fan, the fan performance is required more and more high .therefore ,the design of usb mini adjustable speed fan play a decisive role. the design is based on single-chip microcomputer as the core of the pwm duty ratio fan speed control system of dc outp

6、ut ,features is used instead of the speed regulator and analog trigger hardware .the whole module is powered by usb interface ,multistage speed so as to achieve system ,most of them are from the keyboard input signal to the single-chip ,then it is mainly composed of digital tube display ,after singl

7、e-chip micro-computer for logic and complex operation ,the output pwm signal controls the speed of dc motor, it is used of infrared black-and-white signal detection of pipe to feedback the motor running quickly, among them, through the usb interface to provide power motor(fan).the program is use to

8、c language to write ,the experimental results show 0 to 100r/min is the ideal speed range. keywords: dc motor ，dc speed regulation ，single-chip ，pwm ，usb 目目 錄錄 1.1.緒論緒論.5 5 1.1.選題的背景.5 1.2.選題意義.5 2.2.整體方案設(shè)計整體方案設(shè)計.5 5 2.1.系統(tǒng)整體設(shè)計.5 2.2.系統(tǒng)框圖.5 3.3.元器件介紹元器件介紹.5 5 3.1.單片機控制系統(tǒng).5 3.2.at89s52 單片機 .5 3.3.三極管

9、 9012 介紹.5 3.4.獨立鍵盤的介紹.5 4.4.硬件電路模塊硬件電路模塊.5 5 4.1.單片機工作電路.5 4.1.1.單片機最小應(yīng)用系統(tǒng).5 4.1.2.電源電路.5 4.1.3.晶振電路.5 4.1.4.復(fù)位電路.5 4.2.鍵盤輸入電路.5 4.3.邏輯延時電路（消抖）.5 4.4.續(xù)流電路的設(shè)計.5 4.5.紅外測速部分電路的設(shè)計.5 4.6.電機控制電路設(shè)計.5 4.7.pwm 簡單介紹 .5 4.7.1.pwm 調(diào)速原理 .5 4.7.2.pwm 調(diào)速方法 .5 4.8.h 橋的原理分析 .5 4.9.顯示設(shè)計.5 5.5.軟件設(shè)計軟件設(shè)計.5 5 5.1.keil軟件

10、介紹 .5 5.2.總體程序設(shè)計分析與流程圖.5 5.3.按鍵子程序分析.5 5.4.電機驅(qū)動子程序分析.5 6.6.系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試.5 5 6.1.電路調(diào)試.5 6.2.整機調(diào)試.5 7.7.總結(jié)總結(jié).5 5 參考文獻：參考文獻：.5 5 致謝致謝.5 5 附錄附錄.5 5 附錄 1 整體系統(tǒng)電路原理圖.5 附錄 2 程序.5 1. 緒 論 1.1.選題的背景 usb 迷你可調(diào)速風(fēng)扇，指的是通過臺式電腦或筆記本電腦的 usb 接口通電來實現(xiàn)風(fēng) 扇轉(zhuǎn)動的迷你風(fēng)扇，其直接通過一根細長的波紋管連接 usb 口，只要插入臺式電腦或筆 記本電腦的 usb 接口立即產(chǎn)生習(xí)習(xí)涼風(fēng)，無需外接電源，且可以調(diào)

11、速。usb 風(fēng)扇的扇葉 是采用軟質(zhì)材料制作的，即使旋轉(zhuǎn)速度很快，但絕對是安全的，噪音較小，攜帶方便。 隨著生活質(zhì)量的提高，人們應(yīng)用單片機越來越廣泛，它具有體積小、重量輕、性價 比高、抗干擾能力強、集成度高等特點，特別是適用于微型的控制系統(tǒng)。且通過單片機 控制的 usb 迷你可調(diào)速風(fēng)扇，實現(xiàn)了風(fēng)扇速度調(diào)節(jié)的智能化，與普通的風(fēng)扇系統(tǒng)相比， 其具有重要的現(xiàn)實意義。 1.2.選題意義 這幾年來，隨著全球氣溫升高，天氣越來越熱，市面上生產(chǎn)的機械零件和日常生活 中的家用電器與發(fā)熱問題息息相關(guān)，如何解決散熱問題成為熱門的話題，尤其是家用電 器，其中空調(diào)和風(fēng)扇是最普遍應(yīng)用。 空調(diào)具有快速冷卻室內(nèi)的溫度，但價錢

12、昂貴、體積大、耗電量大及導(dǎo)致空氣不流通 等缺點。因此，在當(dāng)今社會，風(fēng)扇越來越受市場的熱銷，其中風(fēng)扇有電風(fēng)扇和空調(diào)扇兩 種，電風(fēng)扇價格便宜、風(fēng)量較大及選擇型號多等優(yōu)點，但體積較大，降溫不是很明顯； 而空調(diào)扇耗電低、具有冷暖風(fēng)的功能，但不適合于大面積制冷和溫度高的地方使用。 本系統(tǒng)設(shè)計的風(fēng)扇跟以上各種風(fēng)扇有明顯的不一樣，重點是解決電腦散熱問題，首 先是使用 usb 接口供電，即插即用，無需直接插電；其次是具有可調(diào)速的功能，根據(jù)電 腦的發(fā)熱程度去改變風(fēng)扇，從而降低電腦 cpu 的工作溫度，而市面上的電腦散熱器都是 恒速的；最后是價格低、體積小及攜帶方便等優(yōu)點。因此，設(shè)計一個 usb 接口可調(diào)速迷 你

13、風(fēng)扇具有重要的意義。 2. 整體方案設(shè)計 2.1.系統(tǒng)整體設(shè)計 本系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)一個可調(diào)速控制的迷你風(fēng)扇，利用直流電機帶動扇葉運轉(zhuǎn)，由于這 里沒有裝上扇葉，可直接用硬紙片來代替，開始用 usb 接口給單片機及整個系統(tǒng)提供電 源，設(shè)置各段運行的參數(shù)由鍵盤部分實現(xiàn)，通過數(shù)碼管顯示出來，輸出 pwm 由單片機控 制，占空比的改變是由定時器的中斷來實現(xiàn)，因此，占空比的改變也導(dǎo)致 pwm 輸出控制 電機運轉(zhuǎn)速度的改變，此時使用紅外對管來檢測電機的運轉(zhuǎn)速度，從而反饋到單片機， 進行進一步的修改。其中，單片機系統(tǒng)采用 at89s52 型。 主體電路：利用單片機的 pwm 對電機進行控制。該電路主要由單片機的外

14、部中斷、 定時器及 i/o 端口等控制電機的速度，既能調(diào)整電動機的正反轉(zhuǎn)，也能對風(fēng)扇進行智能 的控制。同時是由單片機輸出的脈寬可調(diào)的脈沖信號再輸入到 l298 驅(qū)動芯片，從而實 現(xiàn)對直流電動機運轉(zhuǎn)的控制。該 pwm 控制系統(tǒng)是由下面的電路模塊組成： 系統(tǒng)的輸入：使用獨立鍵盤對風(fēng)扇速度的控制，正反轉(zhuǎn)，復(fù)位。 輸出控制：主要由單片機的外部中斷擴展電路組成。以及 pwm 模塊是由 l298 直流 電機驅(qū)動模塊和風(fēng)扇組成。 系統(tǒng)顯示模塊：主要由數(shù)碼管顯示，顯示在該 pwm 脈寬調(diào)制占空比下對應(yīng)電動機的 轉(zhuǎn)速。 2.2.系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)設(shè)計的電路框圖是由電機驅(qū)動模塊，單片機系統(tǒng)（at89s52 型)，電

15、源模塊， 顯示模塊，直流電動機組成，各部分之間的關(guān)系由圖 1 所示。單片機系統(tǒng)是本設(shè)計的大 腦，電源模塊是由 usb 接口電路作為單片機提供電源，顯示模塊由數(shù)碼管作為顯示直流 電機速度，鍵盤控制是用來控制電機的加減速，檢測電路是用來檢測直流電機的轉(zhuǎn)動速 度，由于單片機驅(qū)動的能力有限，則必須采用驅(qū)動電路對直流電機和數(shù)碼管進行驅(qū)動。 電電機機驅(qū)驅(qū) 動動模模塊塊 單單片片機機 系系統(tǒng)統(tǒng) 顯顯示示模模塊塊 直直流流電電動動機機電電源源模模塊塊 圖 1 系統(tǒng)框圖 3. 元器件介紹 3.1.單片機控制系統(tǒng) 本設(shè)計中選用的是 at89s52 單片機，使用精簡指令集結(jié)構(gòu)，配置內(nèi)部 12 兆赫茲晶 振，運行速度

16、較快，內(nèi)部定時器計數(shù)器和中斷資源豐富，利用單片機的定時器和計數(shù)器 來進行 pwm 的調(diào)制，可隨意控制直流減速電機，32 個 i/o 接口，能豐富拓展外設(shè)。 3.2.at89s52 單片機 at89s52 單片機具有低電壓、低功耗、高性能 cmos8 位的一款單片機，其片內(nèi)有 8kb 的 flash 可編程可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器，器件的制造是選擇非易失性存儲器、 cmos 工藝及 atmel 公司的高密度的技術(shù)，其指令系統(tǒng)都和輸出引腳和 mcs-51 兼容。所 以，at89c52 單片機是一項靈活性高、功能強及性價比高的單片機，在各個控制領(lǐng)域廣 泛應(yīng)用，at89s52 引腳說明如圖 2 所示

17、。 at89s52 的主要性能： 1.外部雙向輸入，輸出（i、o）口有 32 個； 2.全表態(tài)工作 ：024hz； 3.8kb 可改編程序 flash 存儲器； 4.256x8 字節(jié)內(nèi)部 ram； 圖 2 at89s52 引腳說明 3.3.三極管 9012 介紹 9012 是一種非常常見的晶體三極管，在收音機及各種放大電路中經(jīng)?？吹剿瑧?yīng)用 范圍很廣，是 pnp 型小功率三極管，其特性如圖 3 所示。 圖 3 三極管的特性 三極管除了具有 作為交流信號放大器 的功能之外，也有具 有開關(guān)的功能來使用。 一般對硅三極管而言， 其基射極接通的電壓 值約 0.6v 左右，如果 想要三極管截止的話， 必

18、須使 ube 少于 0.6v，以便三極管的基極電流為 0。在一般情況下，為了確定三極管處于截止?fàn)顟B(tài)的情 況下，一般 ube 值少于 0.3v。所以當(dāng)輸入電壓越接近 0 時，就越能保證三極管開關(guān)肯定 處于截止?fàn)顟B(tài)。想要把電流輸送到負載上，就會把三極管的集電極與射極短路，就類似 于機械開關(guān)的閉合動作。所以當(dāng) ube 比較大時，才能驅(qū)動三極管處于飽和工作區(qū)工作狀 態(tài)。三極管處于飽和狀態(tài)時，這時集電極電流比較大，幾乎讓整個電源電壓馱在負載電 阻上，這樣的話 uce 約為 0，使得三極管的射極和集電極幾乎處于短路狀態(tài)。在理想情 況下，依據(jù)歐姆定律，三極管處于飽和狀態(tài)時，其集電極電流為， u i r =

19、cc c ld v i r 飽和 所以基極電流為: = c sat cc b ld i v i r 飽和 3.4.獨立鍵盤的介紹 鍵盤的種類多種多樣，按照結(jié)構(gòu)原理可分為觸點式和無 觸點式兩類，現(xiàn)在在微機系統(tǒng)中常用觸點式；在接口原理方 面，又分為全編碼鍵盤和和非編碼鍵盤兩類，前者是通過硬 件來實現(xiàn)按鍵的識別，后者主要由軟件來實現(xiàn)鍵盤的識別和 定義，由于使用全編碼鍵盤需要很多硬件及價格昂貴，則非 編碼鍵盤使用方便和經(jīng)濟實惠，所以在單片機系統(tǒng)中廣泛應(yīng) 用。 非編碼鍵盤又可以分為獨立鍵盤和矩陣式鍵盤，在本系 統(tǒng)設(shè)計中采用獨立鍵盤，由于獨立鍵盤的每一個按鍵的電路是獨立的，占用一條數(shù)據(jù)線， 其優(yōu)點是只要通

20、過檢測輸入線的電平狀態(tài)，則可判斷該鍵是否被按下。 圖 4 獨立鍵盤 4. 硬件電路模塊 本系統(tǒng)設(shè)計 usb 迷你可調(diào)速風(fēng)扇系統(tǒng)面板有一個，分為單片機工作電路，數(shù)碼管顯 示電路，正方轉(zhuǎn)的電路，續(xù)流電路，紅外檢測電路。 4.1.單片機工作電路 4.1.1.單片機最小應(yīng)用系統(tǒng) 單片機的最小應(yīng)用系統(tǒng)是指用最少的元件組成的單片機能運行工作的系統(tǒng)。單片機 的最小應(yīng)用系統(tǒng)是由電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路組成。其中，電源電路主要是為單 片機正常工作時供電（5v） ；時鐘電路即單片機系統(tǒng)中的各個部分在統(tǒng)一的時鐘脈沖控 制下工作；復(fù)位電路確定單片機工作的起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程。其單片機的 最小系統(tǒng)的原理圖

21、如圖 5 所示。 圖 5 單片機最小系統(tǒng) 4.1.2.電源電路 vbus 1 d- 2 d+ 3 gnd 4 j1 usb 2 1 3 5 6 4 k1 d1 led 1k r5 gndvcc + 10uf c1 104 c2 gnd vcc gnd 1 2 3 4 5 6 p6gnd 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 p7 gnd vcc 圖 6 電源電路 圖 6 中的 p6，p7 作為排針，主要是為了調(diào)試電路時用。使用 usb 提供電源，即插 即用，通用性強。其中 usb 接口的電壓為 5v，符合設(shè)計要求。 4.1.3.晶振電路 時鐘信號由兩種方式產(chǎn)生：即內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式

22、，前者是利用芯片內(nèi)部 的震蕩電路來產(chǎn)生時鐘信號，后者通過單片機外部電路產(chǎn)生的時鐘信號。本系統(tǒng)設(shè)計采 用的是內(nèi)部時鐘方式，連接方式如圖 7 所示。晶振的頻率范圍可選擇在 1.2mhz 至 12mhz，c4、c5 為晶振的負載電容，分別接在晶振的 xtal1、xtal2 腳上和對地的電容， 由于 c4、c5 對頻率有微調(diào)作用，所以其取值為 30pf 左右。 圖 7 晶振電路 4.1.4.復(fù)位電路 復(fù)位電路的功能是當(dāng)系統(tǒng)上電時，負責(zé)提供復(fù)位信號的作用，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后 才撤銷復(fù)位信號。所以復(fù)位電路是作為保證電路穩(wěn)定可靠工作的前提。一般單片機系統(tǒng) 正常工作的電源為 5 伏。 復(fù)位電路的工作原理如 8

23、 所示（引出端接到單片機 res 端口） ，vcc 上電時，電容充 電，這時 10k 電阻上出現(xiàn)電壓，從而實現(xiàn)單片機復(fù)位；大概 5ms 后，電容充滿，這時在 10k 電阻上電流降為 0，則電壓也為 0，使得單片機進入工作狀態(tài)。在工作期間，按下開 關(guān) s，電容放電。斷開開關(guān) s，則電容又開始充電，這時 10k 電阻上出現(xiàn)電壓，實現(xiàn)單 片機復(fù)位。大概 5ms 后，單片機進入工作狀態(tài)。 圖 8 復(fù)位電路 4.2.鍵盤輸入電路 本系統(tǒng)設(shè)計采用的是獨立鍵盤，當(dāng)按下鍵盤時是低電平，當(dāng)不按的時候是高電平， 在人為操作鍵盤時會發(fā)生抖動。為了克服這個缺點，在軟件方面采用消抖延時電路。 4.3.邏輯延時電路（消抖

24、） 操作按鍵的通和斷時，往往會出現(xiàn)觸點抖動現(xiàn)象，如圖 10 所示,用手按下時，可能 會因為周圍環(huán)境存在灰塵、氧化物質(zhì)、人體顫抖等原因不能直接導(dǎo)通，所以產(chǎn)生了震蕩 電路。即當(dāng)按下時，不僅僅是電平的變化，更是一系斷開閉合的方波。因此，引入消除 抖動電路顯得非常重要，其可通過硬件或者軟件來解決。 u1 10k r4 12 34 s2 + 10uf c3 vcc gnd rst 圖 9 rc 復(fù)位的時間電壓圖 圖 10 抖動原理圖 通常，鍵數(shù)較少時可采用硬件方法消除按鍵抖動，方法如圖 11 所示：利用電容的 放電延時，采用并聯(lián)電容法。 圖 11 硬件消抖電路 本設(shè)計使用的按鍵有 4 個，采用軟件消抖，

25、軟件消抖主要是添加一個延時程序,按 下按鍵后開始延時，延時 20ms 后（抖動期過后） ，仍然檢測為按下，就說明真的按下， 并且只按一次。 4.4.續(xù)流電路的設(shè)計 由于電機具有較大的感性，而電流又不能突變，如果突然將電流切斷，將會在功率 管兩端產(chǎn)生巨大的電壓，則會損壞器件。我們應(yīng)用二極管來續(xù)流，利用二極管的單向?qū)?通性的特點。依據(jù)電機的電流和 pwm 的頻率來選用二極。二極管必須要具備足夠的電流 承受能力和恢復(fù)時間。 為保護芯片而加上續(xù)流電路，其電路原理圖如圖 12 所示： 圖 12 續(xù)流電路 4.5.紅外測速部分電路的設(shè)計 如右圖 13 所示,在紅外測速模塊，發(fā)射二極管的電流是由 r6 來限

26、制。假如發(fā)射管的 電流大，那么發(fā)射的功率大，但絕對不能超過它的極限電流，其極限輸入正向電流為 50ma。其優(yōu)點是采樣速度快，采樣精確，范圍廣等特 點。電扇的轉(zhuǎn)動葉片在轉(zhuǎn)動時遮擋紅外光，在轉(zhuǎn)動時 的葉片的旁邊的縫隙，通過電扇的葉片經(jīng)過轉(zhuǎn)動一個 周期之后，則紅外光通過縫隙被光敏接收器接收。則 會產(chǎn)生一個脈沖信號，其經(jīng)過處理后再通入單片機計 數(shù)，在一定的計數(shù)時間 t 之內(nèi)，則轉(zhuǎn)速為，其中 n n t 為計數(shù)的脈沖個數(shù)，通常 t 為 60 秒，因此轉(zhuǎn)速 n=n（轉(zhuǎn)/分）。 4.6.電機控制電路設(shè)計 通過調(diào)節(jié)直流電機的電壓可以改變電機的轉(zhuǎn)速，但是我們設(shè)計的電源大都是固定的 電壓，且模擬可調(diào)電源不易于單片

27、機控制，但數(shù)字可調(diào)電源設(shè)計麻煩。所以本系統(tǒng)設(shè)計 用脈寬調(diào)制（pwm）來實現(xiàn)調(diào)速。方波的有效電壓跟電壓幅值和占空比有關(guān)，我們可以 圖 13 紅外測試電路 通過站空比實現(xiàn)改變有效電壓。一般用軟件模擬 pwm 有延時和定時兩種方法，延時方法 占用大量的 cpu，所以這里采用定時方法。 4.7.pwm 簡單介紹 pwm 的全名為脈沖寬度調(diào)制，其英文全稱為“pulse width modulation”，簡稱為 脈寬調(diào)制。其使用微處理器輸出的數(shù)字從而控制模擬電路的一種方法，廣泛應(yīng)用于通信、 功率控制與變換及測量等領(lǐng)域。其具有主電路簡單、抗干擾性好、工作穩(wěn)定和調(diào)速范圍 寬等優(yōu)點。 4.7.1.pwm 調(diào)速

28、原理 在調(diào)整系統(tǒng)的 pwm 驅(qū)動控制下，其中電源的接通和斷開是按照固定的頻率進行的， 且根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”的時間長短?？刂齐妱訖C的轉(zhuǎn)速是通過 改變直流電機電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓的大小來達到目的。所以， pwm 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。其中，。= 高電平所占周期時間 占空比 整個周期時間 如圖 14 所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機通電時，則速度變快；相反，當(dāng)電機斷電時， 則速度逐漸變慢。在一定的規(guī)律情況下，改變通、斷電機的平均速度是可以控制。 設(shè)電機一直接通電源的情況，則電機轉(zhuǎn)速最大為 vmax，設(shè)占空比為 d=t1/t，則電 機的平均速度為 (5.1) m

29、axd vvd 式中，vd 為電機的平均速度；vmax 為電機全通電時的速度（最大）。 由 5.1 式得知，當(dāng)改變占空比 d=t1/t 時，相應(yīng)地可以得到不同的電機平均速度 vd，從而達到調(diào)速的目的。 圖 14 電樞電壓占空比與平均電壓關(guān)系 4.7.2.pwm 調(diào)速方法 產(chǎn)生 pwm 信號的方法即軟件和硬件方法，因為后者模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。所以本系統(tǒng) 設(shè)計使用軟件方法。其方式有定時器和軟件延時兩種方式。本系統(tǒng)設(shè)計使用定時器作為 脈寬控制的定時方式，其產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us。采用軟件延時方 式，這一方式在精度上不及定時器，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。所以，采 用定時器中

30、斷更適合。 4.8.h 橋的原理分析 通常利用 h 橋電路來實現(xiàn)調(diào)速。如下圖 15 所示為一個典型的直流電機控制電路。 由 4 個三極管組成 h 的 4 條垂直腿，則電機為 h 中的橫杠（注意：圖 15 及隨后的兩個 圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。 如圖 15 所示，由一個電機和 4 個三極管組成的 h 橋式電機驅(qū)動電路，想要電機運轉(zhuǎn)， 則需要將對角線上的一對三極管導(dǎo)通，根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左 到右或從右到左流過電機，從而實現(xiàn)控制電機的轉(zhuǎn)向。 圖 15 h 橋驅(qū)動電路 實現(xiàn)電機運轉(zhuǎn)，則需要將對角線上的一對三極管導(dǎo)通。如圖 16 所示，

31、首先，當(dāng) q1 管和 q4 管導(dǎo)通時，則電流從電源正極經(jīng) q1 從左到右流過電機，其次再經(jīng) q4 回到電源負極。 如圖中電流箭頭可知，其流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管 q1 和 q4 導(dǎo)通時， 電流從左到右穿過電機，從而實現(xiàn)驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順 時針方向）。 圖 16 橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動 實際電路圖如圖 17 所示： 圖 17 實際電路 4.9.顯示設(shè)計 led 數(shù)碼管的基本單元為發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，對其各個不同的管 腳輸入相對的電流，則可以使其發(fā)亮，從而以數(shù)字形式顯示出來。 根據(jù)段數(shù)，則數(shù)碼管可以分成 2 部分，即七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管

32、，則兩者的區(qū)別 是八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示） ；然而根據(jù)能 顯示多少個“8”又可以分為 1 位、2 位、4 位等數(shù)碼管；根據(jù)發(fā)光二極管單元連接方式， 數(shù)碼管可分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。其中，所謂共陽極數(shù)碼管是指把全部發(fā)光 二極管中的陽極接到一起的一種數(shù)碼管。在應(yīng)用時，一般將共陽極數(shù)碼管的公共極 com 接到+5 伏，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，則其相應(yīng)字段就發(fā)亮。當(dāng)某一字 段的陰極為高電平時，則其相應(yīng)字段就不亮。 所謂動態(tài)驅(qū)動是把有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端接在一起， 另外為每個數(shù)碼管的公共極 com 增

33、加位選通控制電路，由各個獨立的 i/o 線來控制，當(dāng) 單片機的 p2 口輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都會接收到相同的字形碼，由單片機對 p0 位 選通 com 端電路的控制來決定哪個數(shù)碼管顯示字形，因此我們把需顯示的數(shù)碼管的選通 控制打開，該位就能顯示出字形，相反，未選通的數(shù)碼管自然不會亮。 在本系統(tǒng)設(shè)計中采用了四位七段數(shù)碼管，用動態(tài)驅(qū)動來顯示數(shù)值，如圖 18 所示。 圖 18 數(shù)碼管 5. 軟件設(shè)計 5.1.keil 軟件介紹 本次設(shè)計應(yīng)用了美國 keil software 公司出品的單片機 c 語言軟件開發(fā)系統(tǒng) keil。c 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。

34、 用過匯編語言后再使用 c 來開發(fā)，體會更加深刻。 keil 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 windows 界面。另 外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到 keil 生成的目標(biāo)代碼 效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體 現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 圖 19 keil 軟件 簡單介紹使用步驟： 第一步：新建工程； 第二步：在工程下保存一個 c 文件，并添加在工程下； 第三步：在 c 文件下編寫 c 程序； 第四步：將編寫的程序進行編譯，并生成 hex 文件。 5.2.總體程序設(shè)計分析與流程圖 開始 鍵盤輸入 是否以# 號

35、結(jié)束 驅(qū)動電機， 電機開始加 速/減速 顯示速度 紅外對管檢測 速度，反饋給 單片機 速度是 否達到 要求？ 重新按鍵 輸入？ 電機保持 轉(zhuǎn)速 停止 否 否 否 是 是 是 關(guān)電機 電源 否 是 圖 20 流程圖 系統(tǒng)上電復(fù)位后，先調(diào)用初始化子程序?qū)χ绷麟姍C各端口相關(guān)參數(shù)進行初始化， 設(shè)置 t0 工作方式控制時間常數(shù)。初始化完成后，直流電機處于停止?fàn)顟B(tài)，t0 定時器處 于關(guān)閉狀態(tài)。然后循環(huán)調(diào)用讀鍵盤子程序和鍵盤處理子程序，等待中斷，以便實現(xiàn)直流 電機轉(zhuǎn)動控制。 若鍵盤輸入以“#”結(jié)束時，在數(shù)碼管顯示電機速度，電機開始轉(zhuǎn)動，若輸入不以 “#”結(jié)束，重新輸入。電機轉(zhuǎn)動時，紅外對管檢測速度反饋給單片

36、機，若速度不符合 要求，則驅(qū)動電機加速或減速，達到要求則保持原速。此時重新按鍵輸入，則重新檢測 輸入合法性如果輸入合法，根據(jù)輸入新數(shù)據(jù)進行調(diào)速若輸入不合法，則檢測是否電機電 源已關(guān)。 是則程序結(jié)束，不是則保持電機轉(zhuǎn)速。在代碼編寫時 表 1 單片機 i/o 口分配 5.3.按鍵子程 序分析 首先初始化實際鍵值參數(shù)為 0fh,然后掃描 p2 口與初始值比較,相等則說明沒有鍵按 下,不相等則軟件消抖,以便確認是否真的有鍵按下。延時 10ms 后再次掃描 p2 口,第二 次與初始值比較,若相等則表明前一次比較不相等是由抖動產(chǎn)生,如果相等則表明確實有 鍵按下。執(zhí)行鍵盤之程序里的指令,將相應(yīng)的變量值改變,

37、為鍵盤處理子程序做準(zhǔn)備。 i/o 口用途 p0顯示模塊接口,數(shù)碼管段選 p1鍵盤模塊接口 p2.0p2.6顯示模塊接口,數(shù)碼管位選 p3pwm 電機驅(qū)動接口 5.4.電機驅(qū)動子程序分析 定時器中斷 0 服務(wù)程序的中斷時間由當(dāng)前的轉(zhuǎn)速決定。進入中斷程序后，首先要保 護現(xiàn)場再根據(jù)當(dāng)前值設(shè)置 th0 和 tl0 的值。然后判斷轉(zhuǎn)動方向控制位的值如果是 0 則控制脈沖信號 p1.0、p1.2 輸出如果是 1 則控制脈沖信號 p1.1、p1.3 輸出。最后恢 復(fù)現(xiàn)場，返回，等待下次中斷。 通過用當(dāng)前轉(zhuǎn)速控制中斷時間控制了脈沖的輸出頻 率，也就到達了控制直流電機轉(zhuǎn)動速度的目的，通過檢測方向控制位的電平，選

38、擇脈沖 信號 p1.0、p1.2 與 p1.1、p1.3 間的切換，控制了直流電機各引出端的接通順序，也就 到實現(xiàn)了直流電機轉(zhuǎn)動方向的控制。 開開始始 設(shè)設(shè)置置t t0 0時時 間間參參數(shù)數(shù) 判判斷斷轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動動方方 向向控控制制位位的的 值值 有有控控制制位位查查 詢詢出出脈脈沖沖 退退出出 改改變變方方向向控控 制制量量 是是 圖 21 電機驅(qū)動流程圖 6. 系統(tǒng)調(diào)試 6.1.電路調(diào)試 將做好電路板根據(jù)元器件清單，如表 2 所示，對焊接上電路板上的元器件進行核對， 然后檢查焊接是否虛焊和少焊等情況出現(xiàn)。上電的時候有沒有出現(xiàn)冒煙，芯片有沒有發(fā) 熱。如果出現(xiàn)上述情況，就立刻斷電。 表 2 元器件清

39、單 元器件名稱封裝數(shù)量 at89s52dip401 40p 座 dip401 33p 電容 08052 11.0592m 晶振 50321 小按鍵 switch4 10k08054 510 歐姆 08058 220 歐姆 08056 1k08055 10uf 電容 120621 104 電容 120621 三極管 8050 to-922 三極管 8550 to-922 三極管 9013 to-922 4 位一體共陽數(shù)碼管 digitron 1 光電開關(guān) photoswitch1 5v 直流電機 1 萬用板 1 usb 接口 usb1 6.2.整機調(diào)試 檢測設(shè)計方案及原理，用電動機替代風(fēng)扇，電動

40、機實現(xiàn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)控制。用紅外對管來測 風(fēng)扇運轉(zhuǎn)速度，快速地將風(fēng)扇速度信號傳送到了單片機。經(jīng)過單片機處理的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信 號，通過數(shù)碼管上顯示出來。 具體運行過程： 系統(tǒng)上電后，單片機開始啟動，首先先運行初始化程序，初始化各個寄存器的值。 其次運行主程序。未按下鍵時，單片機 p1 口輸出高電平。 當(dāng)按下鍵時，int0口產(chǎn)生一個中斷，cpu 將跳轉(zhuǎn)到中斷程序入口地址，開始執(zhí)行中 斷程序，在中斷程序中將對按鍵進行掃描獲取鍵值，然后根據(jù)鍵值向 p1 口輸出不同的 數(shù)值，實現(xiàn)對風(fēng)扇的控制，如表 3 所示。 表 3 轉(zhuǎn)速 n 與 pwm 的占空比的對應(yīng)表 pwm 的 占空比 10%20%30%40%50%60%70

41、%80%90% 轉(zhuǎn)速 n 1820263252647490104 7. 總結(jié) 本系統(tǒng)設(shè)計是研究 usb 接口可調(diào)速風(fēng)扇的問題，其設(shè)計了可調(diào)速的基本硬件電路， 通過 51 單片機產(chǎn)生 pwm 信號，從而達到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制，采用程序改變 pwm 信號 占空比實現(xiàn)速度的控制，從而實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的無極調(diào)速，不需要改變系統(tǒng)硬件電路。 其優(yōu)點：（1）在轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，選擇是轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，與轉(zhuǎn)速的開環(huán)控制相比， 系統(tǒng)會顯得更加容易控制和穩(wěn)定；（2）該系統(tǒng)具有一定的智能性和通用性；（3）經(jīng)實 驗結(jié)果顯示，其轉(zhuǎn)速能實現(xiàn)無極調(diào)速從而達到風(fēng)扇的調(diào)速的效果；（4）在硬件和軟件 設(shè)計方面上較為優(yōu)良，與傳統(tǒng)的風(fēng)扇相比，在運

42、行過程中，達到速度穩(wěn)、噪聲低、調(diào)速 范圍寬的效果；（5）在電機控制系統(tǒng)和單片機系統(tǒng)中通過光耦隔離，從而避免了電機 干擾問題；（6）該系統(tǒng)設(shè)計主要是根據(jù)傳統(tǒng)電風(fēng)扇的功能進行了一定的改造，實現(xiàn)了 比傳統(tǒng)電風(fēng)扇更具有優(yōu)良的性能。 該系統(tǒng)需要改進的地方：（1）在設(shè)計過程中使用的硬件部件成本相對偏高，從而 造成了整個系統(tǒng)設(shè)計的成本也偏高，解決方案是降低硬件電路的成本，從而可以減少整 個系統(tǒng)的設(shè)計的成本；（2）該系統(tǒng)的檢測電路是使用紅外對管對轉(zhuǎn)速進行檢測，在檢 測時檢測的是風(fēng)扇上的白色部分來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的計數(shù)，但在實際應(yīng)用過程中，其實通過增 加紅外對管檢測的白色部分的比例，來提高轉(zhuǎn)速檢測的精度。 通過查閱大量

43、的書籍和網(wǎng)上的相關(guān)資料，領(lǐng)略到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的技術(shù)，讓我了解到 單片機技術(shù)對現(xiàn)代生活的重要性。在設(shè)計硬件電路過程中，重點是實現(xiàn)電路的電機驅(qū)動 模塊、單片機最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、顯示模塊等電路的性能。而在設(shè)計軟件程序過 程中，重點是實現(xiàn)單片機的 pwm 信號的產(chǎn)生和檢測轉(zhuǎn)速控制。在設(shè)計的過程中加強了 自身的動手能力、提高了自身的思維能力和運用專業(yè)知識的能力，學(xué)會了如何去思考和 解決問題，且在專業(yè)知識方面也得到了很大的提高。 參考文獻： 1李廣弟.單片機基礎(chǔ).北京:北京航空航天出版社,2001 2胡漢才.單片機原理及接口技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社，2003 3馬忠梅.單片機的 c 語言應(yīng)用程序設(shè)計

44、.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，20034李東 升.protel99se 電路設(shè)計教程.北京:電子工業(yè)出版社，2007 5劉川來，胡乃平.計算機控制技術(shù).北京:機械工業(yè)出版社，2011 6李平.單片機入門與開發(fā).北京:機械工業(yè)出版社，2008 7周航慈.單片機應(yīng)用程序設(shè)計技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1991 8閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社，2009 9童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社，2006 10張立強.電路原理圖與 pcb 板設(shè)計 protel99 dxp.北京:科技出版社，2008 11江緝光，劉秀成.電路分析.北京：清華大學(xué)出版社，2007

45、 12顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社，2007 13康華光.數(shù)字電路.北京：高等教育出版社，2005 14behzad razavi.design of analog cmos integrated circuits,2001 15todd charles weigandt.low-phase-noise,low-timing-jitter design techniques for delay cell based vcos and frequency synthesizers,1998 致謝 首先,感謝廣州大學(xué)松田學(xué)院電氣與汽車工程系的老師對我四年以來的專業(yè)技能的 培養(yǎng)，通過

46、這次畢業(yè)設(shè)計，使我深刻領(lǐng)略到單片機技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這不僅鞏固我 單片機的知識，更多的是讓我學(xué)到很多知識，受益終身。 其次，感謝我的指導(dǎo)老師廖干洲老師，從畢業(yè)設(shè)計選題、開題報告、電路設(shè)計到最 后論文定稿及重復(fù)修改等過程，正是有你的悉心指導(dǎo)和精心點撥，我才能順利完成我的 畢業(yè)設(shè)計。 最后，感謝我的同學(xué)們，給予我莫大的幫助和關(guān)懷，有你們的支持和鼓勵，我才有 勇氣去克服一個個困難和疑惑，謝謝你們！ 附錄 附錄 1 整體系統(tǒng)電路原理圖 附錄 2 程序 源程序代碼： /* = 直流電機控制+速度顯示 = */ #include /頭文件 #define uchar unsigned char /宏定義

47、 #define uint unsigned int #define cycle 10 /定義 pwm 的周期 t 為 10ms uchar code table=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90,0xff,0 xc6,0 x88;/ /0-9 r 共陽數(shù)碼管段選數(shù)據(jù) /* 端口定義 */ sbit pwm1=p14;/pwm 輸出口 1（電機正轉(zhuǎn)） sbit pwm2=p13;/pwm 輸出口 2（電機反轉(zhuǎn)） sbit k1=p10;/加速 sbit k2=p11;/減速 sbit k3=p12;/正反轉(zhuǎn) /sbit w1=p23;/數(shù)碼管位選 /*/ uchar pwm_on=0;/pwm 高電平時間 uchar count=0; /中斷計時 uchar num=0; uchar num1=0; /中斷時間計數(shù) uint num2=0; /外部中