單片機電風(fēng)扇模擬控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

*學(xué)院課 程 設(shè) 計 課程名稱： 智能儀器 題目： 電風(fēng)扇模擬控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)班次： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 學(xué) 期： 2011-2012學(xué)年 第一學(xué)期 日 期： 2011.12 14目 錄引言第一章 電風(fēng)扇控制系統(tǒng)原理11.1 系統(tǒng)總體設(shè)計主要內(nèi)容11.2 主要內(nèi)容11.3 控制裝置的原理11.4 設(shè)計方案特點1第二章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計22.1 AT89C51單片機簡介22.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路圖32.3 單片機復(fù)位電路、顯示模塊和時鐘電路32.3.1 復(fù)位電路32.3.2 時鐘電路32.3.3 顯示模塊4第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計53.1 PWM控制方法53.2 占空比53.3 電風(fēng)扇控制設(shè)計主程序流程圖63.4 電機控制模塊與定時器T1中斷流程圖7第四章 調(diào)試與仿真84.1 軟件仿真84.2 仿真運行8第五章 結(jié)論9參考文獻10附 錄11引 言許多邊緣、交叉學(xué)科的發(fā)展促進了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步，尤其是對機電一體化、自動控制、計算機技術(shù)以及光電通信技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域的意義更是非同一般。本文設(shè)計的智能電風(fēng)扇正是以上交叉學(xué)科的有機結(jié)合體。它的獨特之處在于巧妙的采用了紅外遙控技術(shù)、單片機控制技術(shù)，把智能控制技術(shù)用于家用電器的控制中,通過主控單片機AT89C51對電風(fēng)扇實施智能控制。本次設(shè)計用到了微電子技術(shù)、電子計算機技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、光電子技術(shù)，新技術(shù)的成群崛起，將促進不同原理、不同性能、不同結(jié)構(gòu)和用途的電子產(chǎn)品。作為一種老式家電，電風(fēng)扇具有價格便宜、擺放方便、體積輕巧等特點。由于大部分家庭消費水平的限制，電風(fēng)扇作為一個成熟的家電行業(yè)的一員，尤其在中小城市，以及鄉(xiāng)村將來一段時間內(nèi)仍然會占有市場的大部分份額。面臨龐大的市場需要的同時，也要提高電風(fēng)扇的市場競爭力。使之在技術(shù)含量上有所提高，應(yīng)使風(fēng)扇不僅功能多樣，操作簡便，而且更加安全可靠。為此，在現(xiàn)有市場多功能電風(fēng)扇的基礎(chǔ)上，我們提出了一種新型的智能電風(fēng)扇。該風(fēng)扇功能更多，添加了很多人性化的設(shè)計，如安全保護，傾倒保護，智能照明等，使電風(fēng)扇更加人性化?？蓪崿F(xiàn)：多級調(diào)速功能，即提供更多的風(fēng)力級別和風(fēng)型，提高用戶的舒適度；定時工作功能，即該定時功能可以讓用戶自己定制風(fēng)扇工作時間的長短，以提供更人性化的服務(wù)。第一章 電風(fēng)扇控制系統(tǒng)原理1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計主要內(nèi)容鍵盤功能輸入AT89C51控制電機輸出顯示圖2.1 電風(fēng)扇系統(tǒng)總體設(shè)計1.2 主要內(nèi)容本設(shè)計以AT89C51單片機為核心，從而建立一個控制系統(tǒng)，本設(shè)計內(nèi)容：實現(xiàn)弱風(fēng)、中風(fēng)、強風(fēng)（1、2、3、4檔）然后顯示數(shù)字1，2，3，4。2.2 控制裝置的原理 傳統(tǒng)電風(fēng)扇供電采用是200V交流電，電機轉(zhuǎn)速分為幾個檔位，通過人工手動調(diào)整電機轉(zhuǎn)速達到改變風(fēng)速的目的，每改變一次風(fēng)力，必然有人參與操作，這樣就會帶來諸多的不便。本設(shè)計介紹了一種AT89C51單片機的智能電風(fēng)扇調(diào)速器的設(shè)計，該設(shè)計巧妙利用了單片機控制技術(shù)、調(diào)速技術(shù)，把智能控制技術(shù)應(yīng)用于家用電器的控制中，將電風(fēng)扇變成智能化。初始加電時，電風(fēng)扇不加電，一位數(shù)碼顯示器顯示0，只有按下按鈕電路就將按系統(tǒng)默認(rèn)控制負(fù)載定時工作的時間方式自動開始運行。在進行風(fēng)速調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)采用一位數(shù)碼管顯示，顯示直觀、準(zhǔn)確。1.3 設(shè)計方案特點 初始加電時，電風(fēng)扇不加電，一位數(shù)碼顯示器顯示0，只有按下按鈕電路就將按系統(tǒng)默認(rèn)控制負(fù)載定時工作的時間方式自動開始運行。在進行風(fēng)速調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)采用一位數(shù)碼管顯示，顯示直觀、準(zhǔn)確。 第二章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計 2.1 AT89C51單片機簡介 AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機,片內(nèi)含4kBytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及89C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89C51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案.AT89C51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89C51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89C51單片機的基本結(jié)構(gòu)和外部引腳如圖2.1所示 。 圖3.1 AT89C51單片機2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計電路圖電風(fēng)扇設(shè)計系統(tǒng)以AT89C51單片機為核心，由時鐘電路，復(fù)位電路，顯示電路，鍵盤，電機組成，如圖2.2所示。 圖2.2 電風(fēng)扇設(shè)計總電路圖2.3 單片機復(fù)位電路、顯示模塊和時鐘電路 2.3.1 復(fù)位電路首先形成單片機最小系統(tǒng)，在89C51單片機芯片 XTAL1、XTAL2 加入時鐘電路，RST加入復(fù)位電路，EA，加入高電平。89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位電路分為上電復(fù)位和手動復(fù)位，我們采用的是上電+手動復(fù)位，正常工作時按下 S1 鍵，9 腳變成高電平，單片機復(fù)位，按鍵松開，通過電容放電，9 腳回到低電平。采用的是12MHZ 晶振，所以 C=10uf,R1=8.2K,R2=2OO。如圖2.3所示。圖2.3 復(fù)位電路2.3.2 時鐘電路89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。采用內(nèi)部時鐘方式：89C51 單片機各功能的運行都是時鐘控制信號為基準(zhǔn)，有條不紊的工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，始終電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引進 XTAL1,輸出端為引腳 XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器（簡稱晶振）和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖 2.4時鐘電路所示，是89C51內(nèi)部時鐘方式的振蕩器電路。電路中的電容 C1、C2 典型值通常選擇30pF，對外接電容雖然沒有嚴(yán)格要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低。振蕩器穩(wěn)定性和起振的快速性。晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也就越高，單片機的運行速度也越快，此次實驗我們選擇的晶振是12MHZ晶振。如圖2.4所示。圖2.4 時鐘電路2.3.3 顯示模塊顯示模塊采用數(shù)碼管，在顯示模塊中與以往的不同之處在與加入了指示燈模塊，將指示燈加在斷碼所在的I/O口上了，將指示燈進行編碼進行顯示，在顯示模塊中考慮到電路最優(yōu)化問題，位選口所需的電流較大些，而P2口所承受的電流較大一些，所以位選選擇為P0口，而斷碼選在P2口上，如圖2.5所示。圖2.5 顯示模塊第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 PWM控制方法SPWM（Sinusoidal PWM）法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時, 其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷, 使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。PWM 調(diào)速系統(tǒng)具有以下特點: 1.主電路簡單,所用功率元件少,且工作于開關(guān)狀態(tài),因此電路的導(dǎo)通損耗小,裝置效率比較高; 2.開關(guān)頻率高,可避開機床的共振區(qū),工作平穩(wěn); 3.采用功率較小的低慣量電機時,具有高的定位速度和精度; 4.低速性能好,穩(wěn)速精度高,調(diào)速范圍寬; 5.系統(tǒng)頻帶寬,動態(tài)響應(yīng)好,抗干擾能力強。3.2 占空比 在一串理想的脈沖序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時間與脈沖總周期的比值。例如：脈沖寬度1s，信號周期4s 的脈沖序列占空比為0.25。在一段連續(xù)工作時間內(nèi)脈沖占用的時間與總時間的比值。在 CVSD 調(diào)制中，比特“1”的平均比例。在周期型的現(xiàn)象中，現(xiàn)象發(fā)生的時間與總時間的比。占空比是高電平所占周期時間與整個周期時間的比值，如圖3.1所示。圖3.1 占空比3.3 電風(fēng)扇控制設(shè)計主程序流程圖 初始化顯示按鍵是否有按下置占空比1：3按鍵是否有按下Y置占空比1：6NY N按鍵是否有按下置占空比1：9 NY結(jié)束開始圖3.2 主程序流程圖3.4 電機控制模塊與定時器T1中斷流程圖 PWM調(diào)制Y按鍵是否有按下開始NPWM輸出速度顯示結(jié)束圖3.3 電機控制模塊圖關(guān)中斷程序電機是否高電平標(biāo)志位為1標(biāo)志位為1置標(biāo)志位占空比達到電機輸出置定時器T1初值清標(biāo)志位電機輸出清標(biāo)志位中斷返回開中斷置定時器T1初值占空比達到置標(biāo)志位NNNYYY圖3.4 定時器T1中斷圖第四章 調(diào)試與仿真4.1 軟件仿真1、把程序在Keil uVision3中調(diào)試，成功無錯誤后生成Hex文件。2、根據(jù)電路圖在proteus軟件中回去電路圖，檢查無錯誤。3、雙擊89C51導(dǎo)入生成Hex文件。4、點擊proteus軟件左下方的開始鍵，進行仿真，觀察高低電平情況。4.2 仿真運行 開關(guān)按下時，單片機輸出一定的占空比，電機的轉(zhuǎn)速也發(fā)生變化，同時數(shù)碼管顯示數(shù)字。通過示波器可以看到占空比的波形，如圖4.1所示。 圖4.1 波形及其仿真圖第五章 結(jié)論通過本次設(shè)計，使我學(xué)到了許多書本上無法學(xué)到的知識，也使我深刻體會到單片機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。不僅讓我對學(xué)過的單片機知識有了很多的鞏固，同時也對單片機這一門課程產(chǎn)生更大的興趣。在本次設(shè)計過程中，我學(xué)會了在網(wǎng)絡(luò)上查找有關(guān)設(shè)計的個硬件的資源，其中包括：直流電機PWM調(diào)速AT89C51的腳圖的資料。本系統(tǒng)是以單片機AT89C51芯片為核心部件，實現(xiàn)了電風(fēng)扇系統(tǒng)控制功能，在軟件上是花費時間最多的，我們上網(wǎng)找資料，上圖書館，盡可能的了解有關(guān)于電風(fēng)扇的知識。通過這次設(shè)計，使我得到了一次用專業(yè)知識、專業(yè)技能分析和解決問題全面系統(tǒng)的鍛煉。使我在單片機的基本原理、單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)過程，以及在常用編程設(shè)計思路技巧的掌握方面都能向前邁了一大步。在設(shè)計的過程中，不斷的學(xué)習(xí)，思考和同學(xué)間的相互討論，運用科學(xué)的分析問題的方法解決遇到的困難，掌握單片機系統(tǒng)一般的開發(fā)流程，學(xué)會對常見問題的處理方法，積累設(shè)計系統(tǒng)的經(jīng)驗，充分發(fā)揮教學(xué)與實踐的結(jié)合。全能提高個人系統(tǒng)開發(fā)的綜合能力，開拓了思維，為今后能在相應(yīng)工作崗位上的工作打下了堅實的基礎(chǔ)。不但加深我對在課程上所學(xué)到的單片機理論知識的認(rèn)識和理解，重新讓自己認(rèn)識到了這門學(xué)科的在應(yīng)用方面的廣闊前景，并且通過知識與應(yīng)用于實踐的結(jié)合更加豐富了自己的知識。擴展了知識面，不但掌握了本專業(yè)的相關(guān)知識，而且對其他專業(yè)的知識也有所了解，而且較系統(tǒng)的掌握單片機應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，因而自身的綜合素質(zhì)有了全面的提高。經(jīng)過這次一個較完整的產(chǎn)品設(shè)計和制作過程，對于認(rèn)識到自己在知識方面存在的不足，明確今后的學(xué)習(xí)方向是非常有益的，為將來的的就業(yè)提前打了下堅實的基礎(chǔ)。的初期階段，難度很大，沒有頭緒。通過求助老師，理清思路。同時，在圖書館里、網(wǎng)上查閱資料，攻克設(shè)計中的道道難題。在克服困難的過程中，我學(xué)到了許多，特別是在課堂上學(xué)不到的東西?？偟母惺苡幸韵聨追矫妫?、通過本次設(shè)計，我不但對單片機有了更深的了解，對一個課題如何畫流程圖，編程序等有了一定的認(rèn)識。2、進一步加強了我的動手能力和運用專業(yè)知識的奴隸，從學(xué)習(xí)到如何去思考和解決問題，以及如何靈活地改變方法實現(xiàn)設(shè)計方案。3、讓我了解到單片機技術(shù)對當(dāng)今人們生活的重要性。同時這次設(shè)計的經(jīng)歷也使我受益匪淺，讓我知道做任何事情都應(yīng)腳踏實地，刻苦努力地去做，只有這樣，才能做好。參考文獻1 余錫存，曹國華單片機原理及接口技術(shù)M西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000：174-1782 鄒振春MCS-51系列單片機原理及接口技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，2006：186-187，1913 饒慶和，任德齊MCS-51系列單片機實用技術(shù)M北京：電子工業(yè)出版社，2003：23-36，73-754 張凱MCS-51單片機綜合系統(tǒng)及其設(shè)計開發(fā)M北京：科學(xué)出版社，19965 朱宇光單片機應(yīng)用新技術(shù)教程M北京：電子工業(yè)出版社，20006 樓然苗，李光飛51系列單片機設(shè)計實例M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20037 劉守義，楊宏麗，王靜霞單片機應(yīng)用技術(shù)M西安電子科技大學(xué)出版社，20008 何立民單片機高級教程M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20009 馬忠梅，藉順心，張凱單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200310 何立民MCS51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，199211 吳金戍，沈慶陽，郭庭吉8051單片機實踐與應(yīng)用M 北京：清華大學(xué)出版社，2002附 錄#include #define Key P1_1#define motor P3_2unsigned char code tab5=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99; /數(shù)碼管編碼unsigned char code set4=0,3,6,9; /PWM占空比90%，60%，30%unsigned char code zy9=2,4,6,8,9,8,6,4,2; /自然風(fēng)unsigned char tt=0; /檔位unsigned char jj=0; void delay( unsigned int ms);void main( void) bit kk=0; /按鍵 motor = 0; TMOD = 0x01; /定時器T0，工作方式1TH0 = -1000/256;T