基于单片机的智能电风扇.doc

基于单片机的智能电风扇控制系统

目 录

第1节 引 言……………………………………………………………………………3
1.1 智能电风扇控制系统概述 ……………………………………………………3
1.2 本设计任务和主要内容 ………………………………………………………3
第2节 系统主要硬件电路设计 ………………………………………………………5
2.1 总体硬件设计 …………………………………………………………………5
2.2 数字温度传感器模块设计 ……………………………………………………5
2.2.1 温度传感器模块的组成 …………………………………………………5
2.2.2 DS18B20的温度处理方法 ………………………………………………6
2.3 电机调速与控制模块设计 ……………………………………………………7
2.3.1 电机调速原理………………………………………………………………7
2.3.2 电机控制模块硬件设计……………………………………………………8
2.4 温度显示与控制模块设计 ……………………………………………………9
第3节 系统软件设计…………………………………………………………………10
3.1 数字温度传感器模块程序设计………………………………………………10
3.2 电机调速与控制模块程序流程………………………………………………15
3.2.1 程序设计原理 ……………………………………………………………15
3.2.2 主要程序…………………………………………………………………16
第4节 结束语…………………………………………………………………………19
参考文献…………………………………………………………………………………20

基于单片机的智能电风扇控制系统

第1节 引 言
随着空调机在日常生活中的普遍应用，很容易想到电风扇会成为空调的社会淘汰品，其实经过市场的考验和证实，真实的并不是这样的,在空调产品的冲击也，空调产品仍然具有很强大的生命力，电风扇在市场的考验中并没有淡出市场，反而销售在不停的复苏中具有强大的发展空间。据市场调查，电风扇的不停复苏主要在以下原因：一是电风扇虽然没有空调机的强大的制冷功能，但电风扇是直接取风，风力更加温和，比较适合老年人、儿童以及体质虚弱的人使用。二是电风扇经过多年的市场使用，较符合人们的使用习惯，而且结构简单、操作方便、安装简易。三是电风扇比起空调产品而言，其价格低廉，相对省电，更易的进入老百姓的家庭。
在激烈的市场竞争下，虽然电风扇具有广阔的市场空间，但不断新生产品的出现，要使产品更具市场优势，仅仅是靠传统型的电风扇是远远不够的，因此要对传统的电风扇根据市场的需要进行不断的更新，不断的改进，以使自己的产品立于不败之地。传统的电风扇较为突出的缺点是：①风扇的风力大小不能根据温度的变化自动的调节风速，对于那些昼夜温差比较大的地区，这个自动调节风速就显得优其的重要了，特别是人们在熟睡时常常没有觉察到夜间是温度变化，那样既浪费电资源又容易引起感冒。②传统的风扇是用机械式的定时方式，机械式的定时方式常常会伴随着很大的机械运动的声音，特别是在夜间影响人们的睡眠质量，另个机械式的定时有一定的局限性，定时范围有限，而且机械式的容易坏。③传统的电风扇没有远程遥控控制电风扇的功能，对平时调节风扇风速或其它对风扇的调节，而又不想走近风扇带来很多的不便。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。
1.1 智能电风扇控制系统概述
日常我们使用的都是220V的交流电，而我们常用的电风扇一般也是220V的交流电，在传统的电风扇中，电风扇的转速是分为几个档位的，也就是说每一个档位就相当于一个开关，用于改变对电机的不同供电方式来改变电动机的转速以改变风力的大小。
本设计中的智能电风扇控制系统，是以电风扇的电机工作状态作为被控量，并引入微机系统，通过对电风扇的工作状态以及周围环境的信号分析采集，由微机系统对所得的信号处理后，再通过各种可控的电子元器件对风扇的电动机进行控制，同时智能的微机自动控制能力。
1.2 设计任务和主要内容
本设计是以51单片机为主要控制核心，用51单片机系统对用户设定信号数据的采集以及分析，能过各种可控型电子元器件对电风扇各种工作状态的控制，以达到用户需求。
设计的主要内容
① 风速从高到低设置5个档位，并且每个档位都可以由用户设置是否加入睡眠控制方式，睡眠方式就是让风扇循环的转一段时间停一段时间。
② 长范围可控的定时方式，可以设置12小时以内的定时开机与定时关机。
③ 风扇可以自动的根据环境的温度调节风扇风速的档位，温度上升3℃自动上升一个档位，温度每降低3℃自动下降一个档位。
④ 加入远程红外遥控，可以用遥控器控制电风扇的各种工作状态。
⑤ 设置数码管显示当前的工作状态，使其更具人性化。
⑥ 加入串口控制功能，对于工业应用的风扇，可以通过RS232接口用电脑上位机控制风扇，同时可以对控制芯片重新编程，以实现不强大的功能

第2节 系统主要硬件电路设计
2.1 总体硬件设计
系统总体设计框图如图2-1所示
键盘输入

温度显示
单片机系统
电机控制模块
数字温度传感模块

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4KB片内E2PROM的AT89C51单片机作为中央处理器。作为整个控制系统的核心，AT89C51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
2.2 数字温度传感器模块设计
温度传感器可以选用LM324A的运算放大器，将其设计成比例控制调节器，输出电压与热敏电阻的阻值成正比，但这种方案需要多次检测后方可使采样精确，过于烦琐。所以我采用更为优秀的DS18B20数字温度传感器，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。
2.2.1 温度传感器模块组成
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。电路图如图2-2所示。
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。
图2-2 DS18B20温度计原理图
2.2.2 DS18B20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。
温度值/℃ 数字输出（二进制） 数字输出（十六进制）
+85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H
+25.625℃ 0000 0001 1001 0001 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 部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表
2.3 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。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。
2.3.1 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 =1250 r/min.又因为：

取n1=875 r/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。
2.3.2 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。
图2-3 电机控制原理图

2.4 温度显示与控制模块设计
通过HD7279A控制芯片组建一个单片机键盘输入与显示模块，其中包括一个2*8的键盘矩阵。和8段动态扫描数码管显示。与单片机通过接插件连接，可以用于系统的控制和输出，其原理图如图2-4所示。

图2-4 HD7279A键盘和显示器控制模块电路原理图

第三节 系统软件设计
3.1 数字温度传感器模块程序设计
本系统的运行程序采用汇编语言编写，采用模块化设计，整体程序由主程序和子程序构成。
图3-1 数字温度传感器模块程序流程图
如图3-1所示，主机控制DS18B20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初始化时序、读时序和写时序分别可编写4个子程序：初始化子程序、写子程序、读子程序、显示子程序。

DS18B20芯片功能命令表如下：
表2 DS18B20功能命令表
命令 功能描述 命令代码
CONVERT 开始温度转换 44H
READ SCRATCHPAD 读温度寄存器（共9字节） BEH
READ ROM 读DS18B20序列号 33H
WRITE SCRATCHPAD 将警报温度值写如暂存器第2、3字节 4EH
MATCH ROM 匹配ROM 55H
SEARCH ROM 搜索ROM F0H
ALARM SEARCH 警报搜索 ECH
SKIP ROM 跳过读序列号的操作 CCH
READ POWER SUPPLY 读电源供电方式：0为寄生电源，1为外电源 B4H

主要程序如下：
…
MAIN: ；初始化
LCALL RST_DS18B20
LCALL GET_TEMPER
MOV A,20H
MOV C,08H
RRC A
MOV C,09H
RRC A
MOV C,10H
RRC A
MOV C,11H
RRC A
MOV 20H,A
LCALL DISPLAY
AJMPMAIN
RST_DS18B20:
SETB P3. 7
NOP
CLR P3. 7
MOV R1, #3
RST1:MOV R0, #110
DJNZ R0, $
DJNZ R1,RST1
SETB P3. 7
NOP
NOP
MOV R0, #25H
RST2:JNB P3. 7,RST3
DJNZ R0,RST2
LJMP RST4
RST3: SETB FLAG
LJMP RST5
RST4:CLR FLAG
LJMP RST7
RST5:MOV R0, #115
RST6:DJNZ R0, $
RST7: SETB P3. 7
RET
WR_DS18B20: ；写数据子程序
MOV R2, #8
CLR C
WR1: CLR P3. 7
MOV R3, #6
DJNZ R3, $
RRC A
MOV P3. 7,C
MOV R3, #25
DJNZ R3, $
SETB P3. 7
NOP
DJNZ R2,WR1
SETB P3. 7
RET
RD_DS18B20: ；读数据子程序
MOV R4, #2
MOV R1, #20H
READ1:
MOV R2, #8
READ2:
CLR C
SETB P3. 7
NOP
NOP
CLR P3. 7
NOP
NOP
NOP
SETB P3. 7
MOV R3, #9
READ3:
DJNZ R3,READ3
MOV C, P3. 7
MOV R3, #23
READ4:
DJNZ R3,READ4
RRC A
DJNZ R2,READ2
MOV @R1,A
INC R1
DJNZ R4,READ1
RET
3.2 电机调速与控制模块程序流程
3.2.1 程序设计原理
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。
由于INT0信号反映工频电压过零时刻，因此只要在外中断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）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 /，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。
2）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）
中断流程图如图3-2所示：

图3-2 电机控制模块中断响应流程图

3.2.2 主要程序
外中断INT0的部分中断响应程序如下：
ORG 0003H
INTD0:
PUSH ACC
PUSH PSW
PUSH DPH
PUSH DPL
SETB 24H.0
MOV A, 5FH
JZ TING1
DEC A
MOV 5FH,A
LJMP FAN2
TING1: …
FAN2:
MOV A, 5BH
JZ TING2
DEC A
MOV 5BH, A
LJMP ZONG
TING2:…
ZONG:
MOV A, 59H
JZ KAI
DEC A
MOV 59H, A
LJMP EXIT
KAI:
CLR 24H.0
JB 26H.0, KAI2
KAI2:
MOV A, 66H
JZ EXIT1
EXIT1:
MOV 5FH,5AH
MOV 5BH,66H
MOV 59H,#100
EXIT:
POP DPL
POP DPH
POP PSW
POP ACC
RETI

结 束 语
首先，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。
我所写的系统主要根据目前节智能化电风扇技术的发展趋势和国内实际的应用特点和要求，采用了自动化的结构形式，实现对电风扇转速的自动控制。
系统以单片机AT89C51为核心部件，单片机系统完成对环境温度信号的采集、处理、显示等功能;用Protel软件绘制电路原理图和PCB电路印刷板图，由Protues软件进行访真测试，利用MCS51汇编语言编制,运行程序该系统的主要特点是:
1)适用性强，用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同用户对最适合温度的要求，实现对最适温度的实时监控。
2)系统成本低廉，操作非常简单，随时可以根据软件编写新的功能加入产品。操作界面可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他按键的使用功能。
本系统在当今提倡人性化设计和健康产品的环境下具有非常好的市场前景。
本设计在模拟检测中运行较好，但采样据不太稳定。功能上的缺憾是对于两个档之间的临界温度处理不好，并且档位太少。还有待改进。

参考文献

[1] 张鑫.单片机原理及应用.电子工业出版社
[1] 明德刚.DS18B20在单片机温控系统中的应用.贵州大学学报，2006，2
[2] 黄朝民，肖明清，吴志强.单片机原理与应用.现代电子技术，2006,12
[3] 刘进山.基于MCS-51电风扇智能调速器的设计.电子质量，2004,10

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