基于单片机电风扇控制系统的设计

I单片机电风扇控制系统的设计摘要本论文设计了一个单片机电风扇控制系统。系统采用 MCS-52 单片机为控制核心，设计了按键电路、显示电路和过热保护电路,并采用 C 语言进行编程、调试和仿真，实现了电风扇的几项基本功能：电机的正反转功能，0-990 秒的定时功能，以及自然、正常、睡眠三种风类的选择功能。经过多次的测试与电路的调整、系统的各项功能均能正常实现。本设计主要用 4 位数码管实时显示电风扇的工作状态，最高位显示风类：“自然风”显示“1” 、 “正常风 ”显示“2”、 “睡眠风 ”显示“3”。后 3 位显示定时时间：动态倒计时显示剩余的定时时间，无定时显示“000”。设计“自然风”,“正常风” 和 “睡眠风”三个风类键用于设置风类；设计一个“定时”键，用于定时时间长短设置；设计一个“摇头”键用于控制电机摇头。在整个定时状态下，电路具有允许用户随时自行选择使用“自然风”状态，也可选择使用“常风”和“睡眠风 ”状态。关键词：MCS-52, 电风扇，保护电路,定时IISingle-chip design of the control system of electric fansAbstractThis paper designed a single-chip computer fan control system. System adopts MCS - 52 microcontroller as the control core, designed the key circuit, display circuit and overheat protection circuit, and USES the C language programming, debugging and simulation, the implementation of the electric fans several basic functions: motor positive and negative transfer function of the timing function of 0-990 seconds, and natural, normal, sleep three wind class selection function. After many tests and adjustment of the circuit, system functions are implemented properly.This design mainly use four digital tube display work status of electric fans, top shows wind class: natural display 1, normal wind 2, sleep display 3. After three display timing time: dynamic countdown display the rest of the regular time, no time shows 000.Design natural, normal wind and sleep three wind classes button is used to set the wind; To design a time button, used for timing set length of time; To design a shake button is used to control the motor shook his head.In the condition of the timing, circuit has the allows the user to choose to use the natural state at any time, also can choose to use a wind and sleep state.Keywords: MCS - 52, electric fan, protection circuit and timingIII目 录摘要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究的目的和意义 .11.3 系统的设计要求及内容 .22 电风扇系统的方案论证 .32.1 保护电路的选择 .32.2 控制核心的选择 .32.3 显示电路的选择 .43 系统的主要硬件电路设计 .53.1 总体硬件设计 .53.1.1 AT89C52 单片机的性能及应用 .53.1.2 单片机的主要特征 .53.1.3 硬件系统的设计 .73.2 过热检测模块的设计 .73.2.1 ADC0809 简介 .73.2.2 ADC0809 的工作原理 .73.3 电机调速与控制模块设计 .83.3.1 L298 芯片介绍 .83.3.2 电机调速原理 .93.3.3 电机调速模块设计 .93.4 显示与控制模块设计 .103.5 键盘模块设计 .103.5.1 键盘方式选择 .103.5.2 实现方案 .104 系统程序设计及仿真 .124.1 主程序流程图设计 .124.2 定时器 T0 中断程序流程图设计 .13IV4.3 A/D 转换测量子程序流程图设计 .134.4 系统仿真结果 .144.5 源程序 .14结 论 .15致 谢 .16参考文献 .17附录 A：单片机电风扇控制系统的设计原理图 .18附录 B：仿真结果图 .19附录 C：参考程序 .2411 绪论1.1 课题背景电风扇在我国，是 80 年代开始兴起的一种小型的家用电器，刚开始它的功能单一，而且耗电量大，随着技术的不断更新，它的功能更加强大，更加趋于人性化。作为一种老式的家电，电风扇具有价格便宜，摆放方便，体积轻巧等特点，由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一个成熟家电行业的一员，尤其是在中小城市，以及乡村将来一段时间内依然占有市场大部分份额。面临庞大的市场需要的同时，也要提高电风扇的市场竞争力。使之在技术含量上有所提高，使风速不仅功能多样，操作简便，而且更加安全可靠。本设计采用了单片机作为该电风扇系统的控制核心。在国际市场上，单片机产品的类型很多。其中 Intel 公司的产品比较领先占有较大销售份额。在我国 Intel 公司的 MCS-48 系列， MCS-51 系列，MCS-96 系列的各种机型用得最多，占主流地位。随着大规模集成电路技术的演进，单片机的性能在快速提高。其生产工艺经历了 MOS,NMOS,HMOS,CMOS 等各个阶段，正朝着 CHMOS(高速型 CMOS)工艺的方向发展并继续提高集成度；增大 RAM，ROM 容量，增多功能模，提高速度，降低功耗。人类社会已经进入信息时代，人民的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取，传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知，获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以传感器的作用与地位就特别重要了。若将计算机比喻为人的大脑，那么传感器就可以比喻为人的感觉器官了。可以设想，没有功能正常而完美的感觉器官，不能迅速而准确的采集与转换欲获得的外界信息，纵有再好的大脑也无法发挥其应有的作用。科学越发达，自动化程度越高，对传感器的依赖性就越大。所以，20 世纪 80 年代以来，世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术，备受重视。1.2 课题研究的目的和意义 面临庞大的市场需要，需要提高电风扇的市场竞争力。使之在技术含量上2有所提高，应使风速不仅功能多样，操作简便，而且更加安全可靠，为此，在将要走出大学校门，撰写毕业论文之计，我选择电风扇控制系统设计作为我的毕业设计研究课题。大学期间，分别学习了单片机原理及其应用 ， 传感器检测及应用技术等课程，对单片机的一些应用也略知一二。所以在设计课题的时候，给电风扇赋予了人性化的设计，如过热保护功能。相信其人性化的设计将大大提高电风扇的市场竞争力。而且最主要的是通过传感器的控制使得科技的应用深入生活中，让广大人民能享受到科技带来的方便。1.3 系统的设计要求及内容本设计以 MCS-52 单片机为核心，通过按键扫描电路和显示电路建立一个控制系统，使电风扇人为的变换档位，能够满足人们的需求。另外，通过过热保护电路可以很好的保护电机，当电机发热时，电路报警并且电机停转，当电机温度恢复正常时，电机又正常工作。本设计主要内容如下：1、用 4 位数码管实时显示电风扇的工作状态，最高位显示风类：“自然风”显示“1”、 “正常风”显示“2”、 “睡眠风”显示“3” 。后 3 位显示定时时间：动态倒计时显示剩余的定时时间，无定时显示“000” 。2、设计“ 自然风”,“正常风”和“睡眠风” 三个风类键用于设置风类；设计一个“定时”键，用于定时时间长短设置；设计一个 “摇头”键用于控制电机摇头。在整个定时状态下，电路具有允许用户随时自行选择使用“自然风” 状态，也可选择使用“ 常风” 和“睡眠风”状态。设计过热检测与保护电路，若电风扇电机过热，则电机停止转动，电机冷却后电机又恢复转动。32 电风扇系统的方案论证2.1 保护电路的选择保护电路可由以下几种方案可供选择：方案一：选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大于是温度变化引起热敏电阻的变化，进而导致输出微弱的电压变化信号，再用A/D 转换芯 ADC0809 将模拟信号转化为数字信号输入单片机处理。方案二：采用热电偶作为感测温度的核心元件，配合桥式电路，运算放大电路和 A/D 转换电路，将电机温度变化信号送入单片机处理。方案三：选用 ADC0809 作为过热保护电路的核心部件，假设先设定一个标准电压值，通过 0-5V 模拟电压输入进行模数转换，如果数据超过标准值则单片机对电机进行相应操作，使电机启停。对于方案一，采用热敏电阻有价格便宜、元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换过程还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的 R-T 关系的非线性，其本身电阻对温度的变化存在较大的误差，虽然可以通过一定的电路给以纠正，将使电路复杂稳定性降低，故该方案不适合本系统。对于方案二，采用热电偶和桥式测量电路相对于热敏电阻和其对温度的敏感性和器件的非线性误差都有较大的提高，其测量范围也非常高，从-50 摄氏度到 1600 摄氏度均可测量，但是依然存在电路复杂，对过热检测达不到本系统要求的标准，故不采用此方案。对于方案三，取代了传感器检测电路，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，通过运用电压值来模拟电机温度值，使得其分辨率很高，可以满足系统要求，故采用方案三。2.2 控制核心的选择方案一：采用电压比较电路作为控制部件。温度传感器采用热敏电阻或热电偶等，温度信号转为电信号并放大，集成运放组成的比较电路判决控制风扇的转速。当高于或低于某值时将风扇切换到相应档位。方案二：采用单片机作为控制核心，以软件编程的方式进行风速判断，并在端口输出控制信号。4对于方案一，采用电压比较电路具有电路简单、易于实现，以及无需编写软件程序的特点，但控制方式过于单一，不能自由设置上下限动作及定时时间，无法满足不同用户以及不同环境下的要求，故不采用此方案。对于方案二，以单片机作为控制器，通过编写程序不但能将传感器检测到的模拟温度值通过 A/D 转换传给单片机进行处理，而且用户能通过键盘接口，自由设置上下限定时时间，满足全方位的需求，并且通过检测电路判断电机温度是否过高，能精确把握电机温度的微小变化。故本系统采用方案二。2.3 显示电路的选择方案一：采用液晶显示屏 LCD 显示电机状态。方案二：采用八位共阴数码管显示电机状态，动态扫描显示方式。对于方案一，液晶显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，这是 LED 数码管无法比拟的，但是液晶显示模块价格昂贵，驱动程序复杂，因为一个字符由 68 或 88 点阵组成，既要找到和显示屏上某几个位置对应的显示 RAM 的 8 字节，还要使每字节的不同位有的为“1”，有的为“0”，为“1”点亮，为“0” 的不亮。从硬件电路复杂性原则考虑，故不采用。对于方案二，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。不足的地方是扫描方式是循环使四个 LED 依次点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为 20M，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼看不到闪烁，故采用本方案。53 系统的主要硬件电路设计3.1 总体硬件设计本系统由五个模块组成，分别是输入模块、显示模块、电机控制模块、过热保护模块以及单片机控制系统。其中单片机控制系统是核心，由 AT89C52、晶振和复位电路组成。它通过处理输入的各种数据信息来对其它模块发出指令，进行相应的操作。输入模块由 5 个按键组成，分别控制电机的风速、正反转和定时时间。显示模块由 8 位共阴数码管组成，显示定时时间和风速。过热保护模块由 ADC0809 和外围电路组成，通过设定电压初始值使电机超值停转并且相应二极管发光报警。电机控制模块由 L298 和其它的元器件组成，它主要是放大输入信号的倍数，用来驱动电机。系统总体设计框图如图 3-1 所示：档位及定时显示电机控制模块按键输入单片机系统过热检测模块图 3-1 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，我们可以选择 AT89C52单片机作为中央处理器，作为整个控制系统的核心，AT89C52 内部包含了定时器，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，不需要外接其它存储器和定时器件、方便，整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高，是比较适合的方案。3.1.1 AT89C52 单片机的性能及应用单片机是早期 Single Chip Microcomputer 的直译，它反映了早期单片机的形态和本质。然后，按照面向对象，突出控制功能，在片内集成了许多外围电路及外设接口，突破了传统意义上的计算机结构，发展成 microcontroller 的体系结构，目前国外已普遍称之为微控制器 MCU(Microcontroller Unit)。鉴于它完全作嵌入应用，故又称为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller)。3.1.2 单片机的主要特征由于 AT89C52 单片机的设计时间有限其精度不是很高，它的测温范围在60100之间，可以直接应用在对温度精度要求不高的各种现场。单片机多通道温度采集测控系统采用数字温度传感器满足温度测量，并将温度采集信号转换成数字信号经单片机处理并经输出驱动电路显示于共阴极数码管。该测量仪可实现多点（4 点）不同区域测量，单通道，循环测量。除此之外，考虑到测控会用于工业生产当中，增加了超温报警功能，可以设置温度的上下限，可靠性要求比较高，软件编程比较难 2。AT89C52 单片机温度测控仪采用 ATMEL 公司的 AT89C52 单片机，采用双列直插（DIP） ，有 40 个引脚。该单片机采用 ATMEL 公司的高密度非易失性存储技术制造，与美国 INTEL 公司生产的 MCS-51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。其主要特征如下：1、8 位 CPU2、内置 8K 字节可重复编程 Flash，可重复擦写 1000 次3、完全定态操作：0Hz24Hz ，可输出时钟信号4、256 字节的片内数据存储器5、32 根可编程 I/O 线6、2 个 16 位定时/计数器7、中断系统有 6 个中断源，可编为两个优先级8、一个全双工可编程串行通道9、具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式值得注意的是，P0 、 P1、P2、P3 口作为普通 I/O 口使用时都是准双向口结构，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。当内部总线给口锁存器置 0 或 1 时，锁存器中的 0、1 状态立即反映到引脚上。但在输入操作时，如果锁存器状态为 0 引脚被钳位 0 状态，导致无法读出引脚的高电平输入。因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置 1（称之为置输入方式） 。另外，I/O 口的端口自动识别功能，保证了无论是 P1 口（低 8 位地址）P2口（高 8 位地址）的总线复用，还是 P3 口的功能复用，内部资源自动选择不需要用指令进行状态选择。随着计算机技术的发展，单片机的功能越来越强大，寿命长、速度快、低功耗、低噪声、可靠性高的特点及 16 位、32 位单片机的出现，在工业领域仍具有很大的发展潜力。73.1.3 硬件系统的设计单片机应用系统的设计可划分为两部分：一部分是与单片机直接接口的数字电路范围内电路芯片的设计。如存储器和并行接口的扩展、定时系统、中断系统扩展,一般的外部设备的接口，甚至于 A/D、D/A 芯片的接口。另一部分是与模拟电路相关的电路设计包括信号整形、变换、隔离和选用传感器，输出通道中的隔离和驱动以及执行元件的选用。(1)从应用系统的总线观念出发，各局部系统和通道接口设计与单片机要做到全局一盘棋。例如，芯片间的时间是否匹配，电平是否兼容，能否实现总线隔离缓冲等，避免“ 拼盘” 战术。(2)尽可能选用符合单片机用法的典型电路。(3)尽可能采用新技术 ,选用新的元件及芯片。(4)抗干扰设计是硬件设计的重要内容，如看门狗电路、去耦滤波、通道隔离、合理的印制板布线等。(5)当系统扩展的各类接口芯片较多时，要充分考虑到总线驱动能力。当负载超过允许范围时，为了保证系统可靠工作,必须加总线驱动器。 3.2 过热检测模块的设计3.2.1 ADC0809 简介ADC0809 是美国国家半导体公司生产的 CMOS 工艺 8 通道，8 位逐次逼近式 A/D 模数转换器。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换 3。是目前国内应用最广泛的 8 位通用 A/D 芯片。3.2.2 ADC0809 的工作原理ADC0809 的工作原理是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成，EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平时，输出三态门打开。8转换数据的传送 A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式 4。 （1）定时传送方式 对于一种 A/D 转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如 ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。3.3 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 L298 来调节 PWM 的输出，使输出端电压发生变化，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节电风扇的转速，实现各档位的风速的切换。3.3.1 L298 芯片介绍L298 驱动芯片是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相的专用驱动器，即内部包含二个 H 桥的高压六双桥式驱动器接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。L298 有两路电源分别为逻辑电源 6V 和动力电源 12V，ENA 、ENB 直接接5V 电源使电机进入使能状态，IN1 和 IN2 用来控制电路的逻辑功能状态。由于使用的电机是线圈式，在从运行状态突然转到停止状态和从顺时针状态突然转到逆时针状态时会形成很大的方向电流，在电路中加入二极管就是在产生方向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全，表 3-1 为 L298 的逻辑功能表。9表 3-1 L298 逻辑功能表IN1 IN2 ENA 电机状态X X 0 停止1 0 1 顺时针0 1 1 逆时针0 0 0 停止1 1 0 停止3.3.2 电机调速原理我们采用的 PWM 来实现直流电动机的调速，由于直流电机的转速与加在其两端的平均电压成正比，所以在对直流电动机电枢电压的控制和驱动中，目前经常使用的是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值来控制转速，其优点：控制原理简单输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小，缺点是：功率低，散热问题严重。占空比示意图如图 3-2 所示。Tt1 t2Ut图 3-2 占空比示意图电动机的电驱绕组两端的电压平均值 U 为：式中 D 为占空比， 。TUtttU/1211 Tt占空比表示了在一个周期 T 里开关管导通的时间与周期的比值， D 的变化范围为 0#define uint unsigned int#define uchar unsignde charsbit key1=P30;sbit key2=P31;sbit key3=P32;sbit key4=P33;sbit key5=P34;sbit A=P26;/电机驱动端口sbit D=P27;sbit wei1=P20;sbit wei2=P23;sbit wei3=P22;sbit wei4=P21;sbit wxout=P25; /温度 太高 报警灯sbit clock=P24; sbit start=P35;sbit eoc=P36; /adc0809 驱动端口定义sbit oe=P37; unsigned char wxin=100;/定义初始值为 100，转换成实际电压值为 1.95Vunsigned int getdata,ss;/ 温度过高标志位int num=0,count=0,se=1,flag=1;/定时标志位;电机正反转标志位25int shou_num,di_num,gao_num, le,bai,shi,ge;/电机占空比标志位void display( ); /声明显示函数void delay(uint x);/声明延时函数void qudong(); /声明电机驱动函数unsigned char table =0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/共阴数码管char seg3=0;/延时函数void delay(uint x)uint