基于单片机的智能电风扇

目目 录录 第第 1 1 节节 引引 言言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 第第 2 2 节节 系统主要硬件电路设计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 第第 3 3 节节 系统软件设计系统软件设计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 第第 4 4 节节 结束结束 语语19 参考文献参考文献20 基于单片机的智能电风扇控制系统基于单片机的智能电风扇控制系统 2 第第 1 节节 引引 言言 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：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。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。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。 1.11.1智能电风扇控制系统概述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。 基于单片机的智能电风扇控制系统 3 1.21.2 设计任务和主要内容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 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。 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。 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。 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。 设置数码管显示当前的工作状态，使其更具人性化。 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 第第 2 2 节节 系统主要硬件电路设计系统主要硬件电路设计 2.12.1总体硬件设计总体硬件设计 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 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 2.22.2数字温度传感器模块设计数字温度传感器模块设计 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 4 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。 2.2.12.2.1 温度传感器模块组成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 2.2.22.2.2 DS18B20DS18B20 的温度处理方法的温度处理方法 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。 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 R1 4k7 R2 4k7 R3 4k7 R4 4k7 R5 4k7 R6 4k7 R7 4k7 R8 4k7 X1 CRYSTAL C1 22p C2 22p Q1 2N2907 Q2 2N290727.0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U2 DS18B20 基于单片机的智能电风扇控制系统 5 表 2-1 部分温度值与 DS18B20 输出的数字量对照表 2.32.3电机调速与控制模块设计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。 2.3.12.3.1 电机调速原理电机调速原理 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 3 10VDn 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： 5 n 5 n 取 n1=875 r/min.则可得出五个档位的转速值： 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 10070 最低转速 调速比 最高转速 6 =1250r/min 5 n =1150r/min 4 n =1063r/min 3 n =980r/min 2 n =875r/min 1 n 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， 为控制角。解得： =0 t=0ms 5 =23.5 t=1.70ms 4 =46.5 t=2.58ms 3 =61.5 t=3.43ms 2 =76.5 t=4.30ms 1 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。 2.3.22.3.2 电机控制模块硬件设计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: n PUI N 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 01 sin2 () 2 uu 基于单片机的智能电风扇控制系统 7 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 2.42.4温度显示与控制模块设计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。 Zero Crossing 1 2 6 4 U1 MOC3031M XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U2 AT89C51 32 U3:A 4009 RL 110k C1 27p R4 4k7 R2 4k7 R1 4k7 U4 L2008L6 8 A B C D E F G H COM A B C D E F G H COM A B C D E F G H COM A B C D E F G H COM A B C D E F G H COM A B C D E F G H COM A B C D E F G H COM A B C D E F G H COM A 14 B 16 C 20 D 23 E 21 F 15 G 17 DP 22 DIG0 2 DIG1 11 DIG2 6 DIG3 7 DIG4 3 DIG5 10 DIG6 5 DIG7 8 DIN 1 CS 12 CLK 13 ISET 18 DOUT 24 U1 MAX7221 R1 200RR2 200RR3 200RR4 200RR5 200RR6 200RR7 200RR8 200R R9 100k R10 100k R11 100k R12 100k R13 100k R14 100k R15 100k R16 100k 图 2-4 HD7279A 键盘和显示器控制模块电路原理图 第三节第三节 系统软件设计系统软件设计 3.13.1 数字温度传感器模块程序设计数字温度传感器模块程序设计 基于单片机的智能电风扇控制系统 9 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 10 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 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 基于单片机的智能电风扇控制系统 11 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, $ 12 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 基于单片机的智能电风扇控制系统 13 INC R1 DJNZ R4,READ1 RET 3.2 电机调速与控制模块程序流程电机调速与控制模块程序流程 3.2.13.2.1 程序设计原理程序设计原理 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 min n max n 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： 14 图 3-2 电机控制模块中断响应流程图 3.2.23.2.2 主要程序主要程序 外中断 INT0 的部分中断响应程序如下： ORG 0003H INTD0: PUSHACC PUSHPSW PUSHDPH PUSHDPL SETB24H.0 MOVA, 5FH JZ TING1 DECA 基于单片机的智能电风扇控制系统 15 MOV5FH,A LJMPFAN2 TING1: FAN2: MOVA,5BH JZ TING2 DECA MO