畢業(yè)論文智能排氣扇系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1、南 陽 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)院（系）： 專 業(yè)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期 年 月南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）智能排氣扇系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Design of Sofeware for the Intelligent Exhaust Fan System總 計(jì)： 30 頁表 格： 1 個插 圖： 23 幅南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文）智能排氣扇系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)Design of Sofeware for the Intelligent Exhaust Fan System學(xué) 院（系）： 專 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 評 閱 教

2、 師： 完 成 日 期： 南陽理工學(xué)院Nanyang Institute of Technology智能排氣扇系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)智能排氣扇系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)電氣工程及其自動化專業(yè) 呂肖摘 要 本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)AT89C51為主控芯片實(shí)現(xiàn)的智能控制排氣扇，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以檢測有毒氣體并且能夠根據(jù)溫度和濕度自動無級調(diào)速。該智能排氣系統(tǒng)運(yùn)用傳感器技術(shù)、電子技術(shù)與紅外遙控技術(shù)對化工倉庫中有害氣體的含量、空氣的溫度、濕度3個關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了動態(tài)檢測，通過直流電機(jī)PWM調(diào)速方法改變排氣扇的轉(zhuǎn)速。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，精度和靈敏度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞單片機(jī)；危險(xiǎn)氣體檢測；溫度檢測；PWM調(diào)速

3、 Design of Sofeware for the Intelligent Exhaust Fan SystemElectrical Engineering and Automation Specialty LV XiaoAbstract: This exhaust fan is an intelligent one, it takes single chip microcomputer AT89C51 as the master chip, it can detect toxic gas and automatically conduct stepless speed regulatio

4、n according to temperature and humidity. The intelligent exhaust system conducts a dynamic testing, using sensor technology, electronic technology and infrared remote control technology, with the harmful gas content, the temperature and humidity of the air of the chemical warehouse as three key tech

5、nical parameters, this system changes the speed of the exhaust fan with the dc motor PWM control method. The experimental results show that the system has many advantages, such as good stability, pinpoint accuracy, high sensitivity, fast response, etc. Key words: Singlechip microcomputer; dangerous

6、gas detection; temperature detection; PWM speed目 錄1 引言11.1 課題背景11.2 智能排氣扇在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3 課題研究的任務(wù)及意義12系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)22.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案22.2系統(tǒng)硬件模塊22.3系統(tǒng)軟件33 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)43.1程序設(shè)計(jì)43.2主程序設(shè)計(jì)43.3危險(xiǎn)氣體檢測及聲光報(bào)警程序設(shè)計(jì)53.4溫度處理子程序63.4.1設(shè)計(jì)思路63.4.2溫度處理程序設(shè)計(jì)73.5 液晶顯示子程序設(shè)計(jì)103.5.1 LMO16L工作原理113.5.2液晶顯示程序設(shè)計(jì)123.6模糊控制子程序模塊133.6.1模糊控制的基本原理133.6.2

7、模糊控制程序設(shè)計(jì)133.7紅外遙控子程序設(shè)計(jì)153.7.1紅外遙控系統(tǒng)原理153.7.2紅外遙控控制子程序設(shè)計(jì)153.8按鍵處理子程序164 仿真分析及結(jié)論174.1仿真分析174.2結(jié)論19結(jié)束語20參考文獻(xiàn)21附錄22致謝30301 引言1.1 課題背景隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智能化漸漸步入普通百姓的家?，F(xiàn)在市場上的各類智能化產(chǎn)品可謂層出不窮，最常見的有只能電飯煲，智能電冰箱和智能洗衣機(jī)等。所謂的智能化，其目的在于增加人與機(jī)器的互動，降低能耗，提高效率，盡量達(dá)到以人為本的目的。而在各類化工產(chǎn)品的貯存過程中，特別是化工原料、農(nóng)藥、化肥、醫(yī)藥用品、化學(xué)試劑等，它們具有不同程度的爆炸、易燃、助燃、毒害、

8、腐蝕等危險(xiǎn)特性。當(dāng)受到較劇烈的震動、撞擊、摩擦或接觸火源、熱源、雨淋水浸變化的影響，以及接觸性質(zhì)相抵觸的物品時，就會引起爆炸、燃燒、人身傷亡等災(zāi)害，使人們的社會生活受到了嚴(yán)重的影響。據(jù)國家衛(wèi)生局統(tǒng)計(jì)，每年因有毒有害氣體泄漏而引起的中毒、火災(zāi)、爆炸奪走近50萬人的生命，造成的損失超過數(shù)億元。本文研究的基于AT89C51單片機(jī)的智能排風(fēng)扇就是根據(jù)上述情況進(jìn)行研制的。針對危險(xiǎn)氣體的檢測和排放以及溫濕度檢測等問題，提出了一種新型的智能化方案，能夠精確檢測當(dāng)前環(huán)境情況并且進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，在實(shí)時、精度、成本、體積和通用性上都有相應(yīng)的優(yōu)勢。1.2 智能排氣扇在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國對智能排氣扇的研究開始于“八五”

9、期間，在“九五”期間各方面技術(shù)得到了進(jìn)一步的提高。隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制技術(shù)必將得到更進(jìn)一步的發(fā)展，并且傳感器在其中所發(fā)揮的作用也日益重要。因此，遙控加智能的技術(shù)研究、應(yīng)用都是非常有意義而且有很高的市場價值的。在國內(nèi)，小功率的排氣扇多采用PWM調(diào)速的直流電機(jī)驅(qū)動控制，大功率的多采用變頻器控制交流電動機(jī)。就控制算法來說，國內(nèi)主要采用的PI控制，精度要求比較高的話采用PID算法控制。1937年，世界第一臺家用排氣扇在英國的VentAxia御風(fēng)公司誕生，隨著國際市場的開拓，排氣扇逐漸趨于智能化，科學(xué)技術(shù)水平的提高必將引導(dǎo)智能化的高速發(fā)展。目前，國外對智能排氣扇

10、的總體的研究方向是提出質(zhì)量更高的算法和調(diào)速方案，以及在考慮成本要求的前提下選擇適合這種算法的核心控制器。1.3 課題研究的任務(wù)及意義根據(jù)題目的要求，設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的原則：實(shí)時精確、降低功耗、提升效率1。該研究項(xiàng)目是智能排氣扇控制系統(tǒng)，以單片機(jī)AT89C51為微控制器,對室內(nèi)空氣的成分，溫濕度等進(jìn)行檢測,采用直流電機(jī)的PWM調(diào)速，有危險(xiǎn)氣體報(bào)警時，通過紅外遙控功能實(shí)現(xiàn)對排氣扇的電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。智能排氣扇有極為廣泛的應(yīng)用前景，結(jié)合傳感器技術(shù)和紅外遙控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)排氣扇的自適應(yīng)檢測和電機(jī)的實(shí)時調(diào)速的功能，工業(yè)應(yīng)用上，由于生產(chǎn)要求，需要在倉庫上安裝可以檢測有毒氣體及能夠根據(jù)溫度和濕度自動無級調(diào)速，結(jié)合

11、紅外遙控技術(shù)進(jìn)而大大提高生產(chǎn)安全性。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案智能排氣扇以微控制器為核心，通過檢測傳感器來判斷排氣扇的工作狀態(tài)和獲取必要數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制電機(jī)的工作。排氣扇的人機(jī)交互由鍵盤和LCD來完成。通過鍵盤，用戶能執(zhí)行基本的控制，而LCD能把溫度，濕度，轉(zhuǎn)速等基本信息反饋給用戶。該系統(tǒng)上還設(shè)計(jì)到紅外遙控模塊以及聲光報(bào)警模塊，當(dāng)遇到有害氣體時，PWM驅(qū)動模塊以最大的電壓輸出占空比驅(qū)動直流電風(fēng)扇以最大速度轉(zhuǎn)動，同時發(fā)光二極管導(dǎo)通，報(bào)警蜂鳴器作用，提醒工作人員。系統(tǒng)總體框架圖如下圖1所示。圖1 總體系統(tǒng)框圖2.2系統(tǒng)硬件模塊該智能排氣扇系統(tǒng)模塊主要涉及到電機(jī)驅(qū)動電路模塊、液晶顯示模塊、溫

12、濕度檢測模塊、危險(xiǎn)氣體檢測模塊、鍵盤控制模塊、紅外遙控模塊等?，F(xiàn)逐一介紹如下：l 電機(jī)驅(qū)動電路模塊：本設(shè)計(jì)采用目前市場上較容易買到的L298N直流或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片，它采用單片集成塑裝，是一個高電壓、大電流全雙橋驅(qū)動器，由標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平控制。l LCD顯示電路與單片機(jī)的接口電路模塊：1602字符型LCD，能時顯示16x02即32個字符，實(shí)時顯示當(dāng)前溫濕度，便于工作人員及時調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。l 溫濕度檢測電路模塊：設(shè)計(jì)分別采用傳感器DS18B20 、DHT11檢測實(shí)時溫度和濕度。l 有毒氣體報(bào)警檢測電路：設(shè)計(jì)采用的氣體傳感器為CO氣體傳感器檢測空氣中危險(xiǎn)氣體成分，同時采用蜂鳴器和發(fā)光二級管，通過聲

13、光報(bào)警告知工作人員，采取相應(yīng)措施，改善環(huán)境。l 鍵盤控制模塊：本部分作用主要是設(shè)定溫度閥值，通過鍵盤輸入操作，將檢測出來的當(dāng)前溫度與閥值作比，由差值的變化控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的大小。l 紅外遙控模塊：通過紅外技術(shù)，可以設(shè)定鍵盤輸入初始值以及可以在遙控上設(shè)計(jì)8個按鍵，不同的按鍵代表不同的事件，其中5個設(shè)定不同級的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，三個設(shè)置為初始閥值的加減和確認(rèn)鍵。2.3系統(tǒng)軟件該系統(tǒng)軟件按部分主要實(shí)現(xiàn)3個部分：第一是核心控制程序，要求電機(jī)的PWM調(diào)速控制；第二是有害氣體檢測程序；第三是DS18B20和DHT11的室內(nèi)溫濕度檢測程序。系統(tǒng)軟件框圖如下圖2所示：圖2 系統(tǒng)軟件框架圖其中在整個軟件設(shè)計(jì)過程中，首先進(jìn)行

14、危險(xiǎn)氣體的檢測，當(dāng)傳感器檢測到有害氣體時，系統(tǒng)已大功率驅(qū)動風(fēng)扇以最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時驅(qū)動聲光報(bào)警模塊工作，如若沒有檢測到危險(xiǎn)氣體時，系統(tǒng)則進(jìn)行溫濕度的檢測，溫度檢測時通過傳感器DS18B20檢測到實(shí)時溫度，通過與設(shè)定閥值比較，采用模糊控制算法，對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。在濕度檢測時，通過濕度傳感器感應(yīng)當(dāng)前空氣環(huán)境濕度，采用PID運(yùn)算進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)濕度的檢測與調(diào)節(jié)，以驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的改變，由于該模塊在仿真中不易檢測，故在該軟件設(shè)計(jì)中主要闡述危險(xiǎn)氣體檢測程序、溫度檢測程序等子程序。3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)(Programming)是指設(shè)計(jì)、編制、調(diào)試程序的方法和過程。它是目

15、標(biāo)明確的智力活動。在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序2。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件也占有重要的地位。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由溫度檢測模塊子程序、危險(xiǎn)氣體檢測模塊子程序、濕度檢測模塊子程序、紅外遙控模塊子程序、按鍵處理模塊子程序、模糊控制子程序等子程序構(gòu)成。3.2主程序設(shè)計(jì)在智能排氣扇軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

16、中，通過對設(shè)計(jì)要求的理解與分析，以及對實(shí)際情況的分析，我們在設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)有害氣體的檢測、溫度模塊的檢測，由于濕度在專業(yè)軟件中仿真有所欠缺，故不加以說明。在主程序設(shè)計(jì)中，我們遵循程序設(shè)計(jì)的基本流程，因?yàn)橛泻怏w在實(shí)際生產(chǎn)中，會導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至生命危險(xiǎn)，所以在設(shè)計(jì)過程中優(yōu)先考慮對危險(xiǎn)氣體的檢測。首先，先對系統(tǒng)整體初始化，檢測是否有按鍵按下，若有，則執(zhí)行按鍵處理程序?qū)o定溫度閥值進(jìn)行設(shè)定，否則，程序向下進(jìn)行；若檢測到有害氣體，執(zhí)行有害氣體檢測模塊，使PWM調(diào)速模塊以最大占空比驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，最終使風(fēng)扇以最大速度轉(zhuǎn)動，以祛除危害氣體。否則，執(zhí)行溫度檢測模塊，通過溫度傳感器檢測到實(shí)時溫度，啟動模

17、糊控制算法，系統(tǒng)將根據(jù)不同的溫度差值和溫度值，改變PWM的占空比，同時，電機(jī)驅(qū)動模塊將根據(jù)不同的占空比，以不同的速率轉(zhuǎn)動。在該軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警模塊，當(dāng)有有害氣體和高溫顯示是，在液晶顯示模塊都將實(shí)時顯示當(dāng)前環(huán)境質(zhì)量，提醒人們及時采取措施，調(diào)整環(huán)境。同時，在檢測到有害氣體時，PWM以最大占空比驅(qū)動發(fā)光二極管與蜂鳴器工作。主程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖3所示。圖3 主程序流程圖3.3危險(xiǎn)氣體檢測及聲光報(bào)警程序設(shè)計(jì)該智能排氣扇軟件系統(tǒng)采用傳感器QS-01檢測空氣質(zhì)量，通過檢測空氣中的危險(xiǎn)氣體，使當(dāng)前PWM的占空比達(dá)到最大值，驅(qū)動直流電機(jī)電壓值，從而使風(fēng)扇以最大速率旋轉(zhuǎn)，同時，驅(qū)動發(fā)光二級管和

18、蜂鳴器正常工作，進(jìn)而使聲光報(bào)警模塊能夠正常工作，提示當(dāng)前工作人員采取相應(yīng)措施，使當(dāng)前環(huán)境達(dá)到正常狀態(tài)。在執(zhí)行危險(xiǎn)氣體檢測時，首先對有害氣體傳感器QS-01進(jìn)行初始化，進(jìn)而啟動危險(xiǎn)氣體檢測程序，當(dāng)沒有檢測到有害氣體時，直接進(jìn)入溫度檢測模塊；否則，程序向下執(zhí)行，一旦檢測到有害氣體，系統(tǒng)將輸出最大PWM占空比，電機(jī)驅(qū)動模塊L298N將以最大到的直流電壓，驅(qū)動風(fēng)扇以最大速率運(yùn)轉(zhuǎn)，并且輸出脈沖控制信號，驅(qū)動發(fā)光二極管閃爍，與此同時，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲響。然而由于在proteus仿真軟件中，有害氣體傳感器沒有在元件庫內(nèi)，故，在設(shè)計(jì)本模塊時，采用一個獨(dú)立按鍵充當(dāng)危險(xiǎn)氣體傳感器，當(dāng)獨(dú)立按鍵按下時，則說明有檢測到

19、危險(xiǎn)氣體，系統(tǒng)將依照程序執(zhí)行；否則，按鍵處于低電平狀態(tài)，系統(tǒng)執(zhí)行溫度檢測模塊程序。那么，由程序設(shè)計(jì)原理可得到危險(xiǎn)氣體檢測模塊程序流程圖如下圖4所示。圖4 危害氣體檢測及聲光報(bào)警模塊流程圖3.4溫度處理子程序3.4.1設(shè)計(jì)思路這里使用的是最新單線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。DS18B20 支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55+125.在-10+85范圍內(nèi),精度為±0.5?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等3。 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存R

20、AM和一個非易失性的可電擦除的E2RAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。暫存存儲器包含了8個連續(xù)字節(jié)，前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，第一個字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個字節(jié)是溫度的高八位。第三個和第四個字節(jié)是 TH、TL 的易失性拷貝，第五個字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時被刷新。第六、七、八個字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算，第九個字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。例如TM R1 R0 1 1 1 1 1該字節(jié)各位的意義如下。低五位一直都是1，TM 是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1

21、和R0用來設(shè)置分辨率，如下表1所示：（DS18B20出廠時被設(shè)置為12 位）。 表1 分辨率設(shè)置表R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009 位93.75ms0110 位187.5ms1011 位375ms1112 位750ms溫度傳感器DS18B20在仿真電路中它的信號端DQ直接與單片機(jī)的P3.3相連，那么溫度傳感器DS18B20在仿真圖中得連線圖如下圖5所示：圖5 DS18B20連線圖3.4.2溫度處理程序設(shè)計(jì)根據(jù) DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對

22、DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作4。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位成功。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖6所示。圖6 DS18B20內(nèi)部電路溫度處理子程序流程圖設(shè)計(jì)如下圖7所示：開始初始化子程序設(shè)置跳過ROM命令CCH，調(diào)寫命令子程序設(shè)置啟動溫度轉(zhuǎn)換命令44H，調(diào)寫命令子程序延時調(diào)初始化子程序設(shè)置跳過ROM命令CCH，調(diào)寫命令子程序設(shè)置讀數(shù)據(jù)命令BEH，調(diào)寫命令子程序讀取溫度數(shù)據(jù)調(diào)溫度數(shù)據(jù)處理子程序返回圖7 溫度子程序流程圖（1）溫度轉(zhuǎn)換子程序溫度轉(zhuǎn)換子程序?qū)腄S18B2

23、0讀出的兩字節(jié)初始溫度進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換，對負(fù)溫度進(jìn)行求補(bǔ)轉(zhuǎn)換成絕對值，并設(shè)負(fù)溫度標(biāo)志位FLAG2為1，然后高、低字節(jié)分別存入TEMP_H和TEMP_L。接下來完成以下兩項(xiàng)任務(wù)：把兩個字節(jié)的溫度值拆分組合成一個字節(jié)的二進(jìn)制數(shù)并存入TEMP_ZH，高位為符號位，其余七位為絕對值，以備在溫度比較及結(jié)果顯示子程序中使用。把兩個字節(jié)的溫度值拆分組合成兩個字節(jié)的BCD碼，并存入TEMPHC和TEMPLC，TEMPHC中存放的是百位和十位，TEMPLC中存放的是個位和小數(shù)位。程序流程如圖8所示。圖8溫度轉(zhuǎn)換子程序流程圖（2）BCD碼轉(zhuǎn)換子程序BCD碼轉(zhuǎn)換子程序的任務(wù)是把溫度轉(zhuǎn)換子程序CONVTEMP中的兩個字

24、節(jié)組合BCD碼，再進(jìn)一步拆分成四個字節(jié)的BCD碼用于顯示調(diào)用，分別為百位、十位、個位和小數(shù)位，并設(shè)滅零顯示標(biāo)志位FLAG3和FLAG45。如果百位為零時，十位也為零，則設(shè)標(biāo)志位FLAG4=1，這兩位都顯示“空格”字符。負(fù)數(shù)時，十位上為0時，要和正數(shù)相區(qū)別，不能顯示，即一律滅零，故設(shè)標(biāo)志位FALG3=1。BCD碼轉(zhuǎn)換子程序流程序圖如圖9所示。圖9 BCD碼轉(zhuǎn)換子程序流程序3.5 液晶顯示子程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用LM016L顯示模塊，LCD廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。與LED相比，它具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，廉價的特點(diǎn)，且有良好的人機(jī)界面，直觀，顯示效果漂亮。目前已廣泛應(yīng)用在各種顯示領(lǐng)域，

25、另外，LCD在大小和形狀上更加靈活，接口簡單，不但可以顯示數(shù)字、字符，而且可以顯示漢字和圖形，因此在袖珍儀表、醫(yī)療儀器、分析儀器及低功耗便攜式儀器中6。LCD已成為一種占主導(dǎo)地位的顯示器件。在該智能排氣扇軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用LM016L液晶顯示模塊，實(shí)時顯示當(dāng)前溫濕度以及有危險(xiǎn)氣體時發(fā)出警告示意。3.5.1 LMO16L工作原理LM016L是16×2數(shù)碼液晶顯示器，每行可顯示16個字符，共兩行。LM016L的控制器為HD44780，與液晶屏集成在一起。HD44780有三個存儲器，分別是字符存儲器CGROM、顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM和字符產(chǎn)生器CGRAM。在LM016L的CGROM

26、中，共有192個可供顯示的字符和數(shù)字，其中5×7（寬×高）字符150個，5×10（寬×高）字符42個。LM016L分行顯示時，只能顯示5×7字體的字符，想要顯示5×10字符，只能單行顯示。如果要顯示除CGROM中192個字符以外的其它字符，可以自定義最多8個特殊字符寫入CGRAM中以供顯示調(diào)用。DDRAM與液晶顯示屏上的位置是映射關(guān)系，只要把CGROM或CGRAM中的字符成功寫入對應(yīng)的DDRAM地址，便可在LCD上顯示出相應(yīng)的字符。單行顯示時，DDRAM的顯示地址自左至右分別為80H87H，C1HC7H；雙行顯示時，顯示地址首行自左至

27、右為80H8FH，第二行自左至右為C0HCFH。HD44780的控制端有三個，分別是RS、RW和E。RS=0，配合讀寫控制端RW實(shí)現(xiàn)命令讀寫；RS=1時，配合讀寫控制端RW實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)的讀寫。RW是LCD的讀寫控制端，RW=0為寫有效；RW=1為讀有效。E為LCD的使能信號，每次讀寫都需要產(chǎn)生一個寬450ns周期為1000ns的脈沖信號7。HD44780的控制命令共有11條，主要用來控制光標(biāo)的顯示方式、單行或雙行顯示方式、4線或8線數(shù)據(jù)傳輸方式、存儲器地址指針增減方式等，可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求選用不同的命令形式。HD44780的寫時序圖如下圖10所示。圖10 HD44780的寫時序圖從圖10中

28、可以看出，每次讀寫數(shù)據(jù)時，先使RS和RW有效，然后E（圖中為EN）脈沖信號有效，E脈沖信號應(yīng)先為高電平后為低電平。最后通過D0D7送出命令或數(shù)據(jù)，也可以把送出命令或數(shù)據(jù)放在第一步8。3.5.2液晶顯示程序設(shè)計(jì)顯示溫度數(shù)據(jù)子程序的功能是把溫度數(shù)據(jù)的各位以及符號分別顯示在LM016L的指定位置上。LM016L對動態(tài)數(shù)據(jù)的顯示需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即把要顯示的BCD碼加上30H后才能正常顯示該數(shù)。溫度數(shù)據(jù)顯示在LM016L的第二行，第二行首列的顯存地址為C0H，程序采用顯存地址變量LCD_X來尋址，分別取6到A幾個值，然后與C0H相加得到各位及小數(shù)位的顯存地址，然后把該顯示的數(shù)據(jù)送入即可9。該子程序的流程圖

29、如圖11所示。圖11 液晶顯示程序流程圖3.6模糊控制子程序模塊3.6.1模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理如圖12所示，它的核心部分是模糊控制器，它主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化（或稱模糊判決）3部分。該智能排氣扇軟件系統(tǒng)所采用的模糊控制器由單片機(jī)AT89C51的程序來實(shí)現(xiàn)，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的具體過程如下：（1） 求系統(tǒng)給定溫度值與檢測值的誤差e。（2） 計(jì)算誤差變化率ec(即de/dt)。（3） 輸入量的模糊化。將前邊得到的誤差及誤差變化率的精確值模糊化，變成模擬量E、EC(De/dt)，并將控制輸出量u模糊化為U。（4）編寫控制規(guī)則。（5）進(jìn)行模糊推理。（6）逆模糊化。（7）簡

30、歷模糊控制查詢表，以便單片機(jī)查表快速控制。單片機(jī)執(zhí)行完（1）（6）步驟后，即完成了被控對象的一步控制，然后等到下一次A/D采樣，再進(jìn)行第二部控制，這樣循環(huán)下去，就完成了對被控對象的控制10。在本系統(tǒng)中，被控對象為溫度以及溫度變化量。圖12 模糊控制原理圖3.6.2 模糊控制程序設(shè)計(jì)本智能排氣扇軟甲系統(tǒng)采用溫度誤差e和溫度變化率ec作為模糊控制器的輸入變量，溫度控制量u作為模糊控制器的輸出變量。系統(tǒng)中溫度誤差e、溫度誤差變化率ec、控制量u的基本論域?yàn)?5, 5、-2,2、和0,1。溫度誤差e和溫度誤差變化量ec的最壞情況值均為100，在此建立的溫度誤差e和溫度誤差變化率ec的論域分別為-5,

31、5、-2,2。這樣必須對溫度誤差e和溫度誤差變化率ec限幅，溫度誤差e分為下列3種情況：若e5，則取e=5；若e-5，則取e=-5；否則，若-5e5時，采用四舍五入的方法對其取整，得到e后再對其進(jìn)行量化處理。同理，溫度誤差變化率ec也分為下列3種情況：若ec2.5，則取ec=2.5；若ec-2.5，則取ec=-2.5；否則若-2.5ec2.5時，采用四舍五入的方法對其取整，取得ec后再對其進(jìn)行量化處理。這樣就可以使溫度誤差e和溫度誤差變化率ec在整個測控溫度變化范圍內(nèi)，即0,100內(nèi)，控制量都可以起到作用。由于誤差和誤差變化率均可正可負(fù)，因此將要比較進(jìn)行分支的有符號數(shù)與零進(jìn)行比較為負(fù)則轉(zhuǎn)到負(fù)數(shù)

32、程序執(zhí)行，再與其余負(fù)數(shù)中的值進(jìn)行比較，兩數(shù)相減，若結(jié)果中得符號位CF=1，則說明被減數(shù)小于減數(shù)，CF=0，說明被減數(shù)大于減數(shù)；否則為正則轉(zhuǎn)到正數(shù)程序執(zhí)行，再與其余正數(shù)比較，兩數(shù)相減，若結(jié)果中的符號位CF=1，說明被減數(shù)小于減數(shù)，CF=0，說明被減數(shù)大于減數(shù)11?？刂屏孔饔玫恼伎毡茸映绦?，采用定時程序來完成，調(diào)整占空比時，使T0、T1同時配合使用，T0專用于置低電平時，即雙向可控硅導(dǎo)通，T1專用于置高電平時，即雙向可控硅關(guān)斷，在總定時周期不變的情況下，調(diào)節(jié)T0、T1的定時時間，以改變其占空比的大小，來完成對控制量的操作。模糊程序流程圖如下圖13所示。圖13模糊控制程序流程圖3.7紅外遙控子程序設(shè)

33、計(jì)紅外遙控是目前家用電器中用得較多的遙控方式，其中在車載影音導(dǎo)航系統(tǒng)也被廣泛的應(yīng)用。紅外遙控的特點(diǎn)是不影響周邊環(huán)境的、不干擾其他電器設(shè)備。由于其無法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡單，只要按給定電路連接無誤，一般不需任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容易，可進(jìn)行多路遙控。由于各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了大量紅外遙控專用集成電路，需要時按圖索驥即可。因此，現(xiàn)在紅外遙控在家用電器、近距離（小于10米）遙控中得到了廣泛的應(yīng)用12。 3.7.1紅外遙控系統(tǒng)原理紅外遙控系統(tǒng)主要由紅外遙控發(fā)射裝置、紅外接收設(shè)備、遙控微處理機(jī)等組成。因此，遙控系統(tǒng)是一涉及單片機(jī)的數(shù)字系統(tǒng)。而通用

34、紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成。使用專門編碼/解碼IC來進(jìn)行來進(jìn)行操作控制，發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光/電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路13。紅外遙控系統(tǒng)圖如下圖14所示。 圖14 紅外遙控系統(tǒng)圖3.7.2紅外遙控控制子程序設(shè)計(jì)智能排氣扇系統(tǒng)中采用紅外遙控技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中，遙控面板上設(shè)置8個控制按鍵，分別為五個等級的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以及兩個初始值按鍵加減鍵能設(shè)置，其中五個風(fēng)扇轉(zhuǎn)速由PWM占空比0、1/4、1/2、3/4、1時的電壓值驅(qū)動風(fēng)扇以不同等級轉(zhuǎn)動，而在對溫度給定值設(shè)置時則采用增減按鍵對其進(jìn)行設(shè)置，以使系統(tǒng)能夠?qū)崟r測定當(dāng)前溫度，并對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，驅(qū)使

35、風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，最終使室內(nèi)溫度達(dá)到正常11。省下一個設(shè)置為OK鍵，以設(shè)定紅外程序初始值的設(shè)置。在該智能排氣扇系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，紅外遙控設(shè)計(jì)思路為，先對定時器初始化，將外部中斷使能，啟動外部中斷，當(dāng)有紅外遙控信號出發(fā)外部中斷時，系統(tǒng)將處理紅外信號碼值，然后進(jìn)行識別散轉(zhuǎn)，通過對紅外遙控鍵盤的按鍵設(shè)置，和相應(yīng)的按鍵功能，執(zhí)行對應(yīng)的按鍵處理。在對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)中，可以利用紅外遙控功能，出發(fā)外部中斷，當(dāng)設(shè)定了不通的PWM占空比時，使能各個不同按鍵，風(fēng)扇則以不同速率運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中紅外遙控控制子程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖15所示。圖15紅外遙控程序流程圖3.8按鍵處理子程序按鍵控制模塊主要有兩個獨(dú)立按鍵構(gòu)成，在單片機(jī)系統(tǒng)

36、中，在需要的按鍵比較少的情況下，通常都使用獨(dú)立按鍵，而在本系統(tǒng)中，將數(shù)值以0.5的幅值浮動，設(shè)置按鍵的增減幅值。單片機(jī)的P3.6、P3.7來作為獨(dú)立按鍵的控制端，單片機(jī)循環(huán)掃描，當(dāng)檢測到P3.6、P3.7有一個管腳為低電平時，則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵程序。按鍵具體連線圖如下圖16所示。圖16 按鍵接線圖在對溫度初始值給定設(shè)置時，通過兩個按鍵對溫度閥值進(jìn)行控制，由流程圖可以看出，可以通過“+”、“-”兩個按鍵切實(shí)對閥值進(jìn)行設(shè)定15。在按鍵程序中，也可以通過紅外遙控技術(shù)，對其進(jìn)行控制，在對溫度閥值的設(shè)定過程中，以0.5為基數(shù)遞增或者遞減，從而實(shí)時調(diào)整當(dāng)前環(huán)境溫度。該按鍵處理子程序流程圖如下圖17所示。圖1

37、7 按鍵子程序流程圖4 仿真分析及結(jié)論4.1仿真分析通過一系列的仿真分析，在對該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的過程中得到如下結(jié)果：（1）當(dāng)檢測到危險(xiǎn)氣體時，PWM占空比達(dá)到最大，驅(qū)動直流電機(jī)達(dá)到最大電壓，從而使風(fēng)扇以最大功率旋轉(zhuǎn)，波形分析圖如下圖18所示。圖18 危險(xiǎn)氣體檢測波形分析圖（2）在溫度檢測模塊程序設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)過程中，將溫度基數(shù)設(shè)為0.5，以此在軟件仿真中通過增加與降低溫度值，本系統(tǒng)中，將溫度變化值通過占空比來改變直流驅(qū)動電壓，從而改變風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速率。那么，在對溫度檢測過程中，有如下幾種分析：l 當(dāng)前溫度誤差為0.5時，由示波器運(yùn)行仿真結(jié)果得到如下圖19所示的波形圖。圖19溫度增加0.5時波形圖在

38、當(dāng)前情況下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以最小速率旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇基本上旋轉(zhuǎn)不動。l 當(dāng)前溫度誤差為1時，示波器運(yùn)行仿真結(jié)果如下圖20所示。圖20溫度增加1時波形圖在此時，PWM占空比接近于1/4，驅(qū)動風(fēng)扇以25%的速率旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。l 當(dāng)前溫度誤差為2時，示波器運(yùn)行仿真結(jié)果如下圖21所示。圖21 溫度增加2時波形圖此種情況下，風(fēng)扇則以50%的速率旋轉(zhuǎn)。同時發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。l 當(dāng)前溫度誤差為3時，示波器運(yùn)行仿真結(jié)果如下圖22所示。圖22 溫度增加3時波形圖在當(dāng)前狀態(tài)下，風(fēng)扇則以75%的速率旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。l 當(dāng)前溫度誤差為4是，示波器運(yùn)行仿真結(jié)果分析如下圖23所示。圖23 溫度增加到4

39、時波形圖此時，PWM占空比達(dá)到最大，風(fēng)扇以100%的速率旋轉(zhuǎn)，同時發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。4.2結(jié)論由以上仿真分析可得出，在該智能排氣扇軟件控制系統(tǒng)中，首先檢測的是危險(xiǎn)氣體，當(dāng)當(dāng)前空氣中發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)氣體時，占空比以100%驅(qū)動直流電壓，進(jìn)而使風(fēng)扇以最大速率旋轉(zhuǎn)，當(dāng)排除有害氣體后，應(yīng)有單片機(jī)復(fù)位控制鍵，對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，繼續(xù)通過溫度傳感器DS18B20檢測實(shí)時溫度。通過當(dāng)前檢測值與給定閥值的比較，經(jīng)過模糊控制算法，及時反饋當(dāng)前溫度，改變PWM波占空比，從而使風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速率改變，使當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)穩(wěn)定，從而達(dá)到設(shè)計(jì)目的。在整個設(shè)計(jì)過程中，由于濕度檢測模塊不能在軟件仿真中實(shí)時仿真出來，因此不再過多闡述，而在濕度檢測

40、模塊中，可以采用PID運(yùn)算程序16，對系統(tǒng)進(jìn)行控制，改變風(fēng)扇速率，以實(shí)現(xiàn)利用風(fēng)扇風(fēng)干環(huán)境濕度，使設(shè)計(jì)更加完善。在按鍵處理程序中，通過簡單的獨(dú)立按鍵的增減設(shè)置，對給定溫度閥值進(jìn)行控制，可以對現(xiàn)實(shí)工作中環(huán)境溫度進(jìn)行更好的處理。而在紅外遙控設(shè)計(jì)程序中，有很多問題還需認(rèn)真解決，例如可以通過紅外遙控進(jìn)行調(diào)速，還可以對按鍵進(jìn)行遙控處理等。結(jié)束語在設(shè)計(jì)過程中，通過對傳感器技術(shù)、紅外遙控技術(shù)、直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)等專業(yè)技術(shù)的學(xué)習(xí)，使我對電子專業(yè)有了全新的認(rèn)識，經(jīng)過一系列的查閱資料，了解掌握單片機(jī)控制過程中的控制算法的原理以及程序流程的設(shè)計(jì)?；旧贤瓿闪嗽O(shè)計(jì)要求和仿真調(diào)試，能夠?qū)崟r通過檢測空氣與環(huán)境質(zhì)量，切實(shí)調(diào)整風(fēng)

41、扇轉(zhuǎn)速速率，改善環(huán)境、空氣質(zhì)量。但是，在設(shè)計(jì)中也有很多不足之處，由于對算法了解不夠深入，故在算法控制上有所欠缺，以及在對環(huán)境濕度檢測時，由于仿真軟件中沒有該仿真模塊，故不能正常進(jìn)行濕度檢測模塊的仿真。因此在以后的學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)加大對這一方面的學(xué)習(xí)。在這次設(shè)計(jì)中，我既鞏固了專業(yè)知識，又學(xué)到了在智能化設(shè)計(jì)過程中的許多流程和該注意的事項(xiàng)，增強(qiáng)了電子產(chǎn)品開發(fā)的意識。現(xiàn)在的設(shè)計(jì)方案還存在一些問題，我們暫時還不能夠解決，希望在以后的工作學(xué)習(xí)中可以學(xué)到更多。參考文獻(xiàn)1 何立民單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，航天航空大學(xué)出版社，1990年1月，25-372 朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，王志奎. Proteus教程電子線路設(shè)計(jì)

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45、 Industry Publishing House, Beijing, 2005.1:150-167 16 Tugomir Surina, Clyde Herrick. Semiconductor Electronics. Copyright 1964 by Holt, Rinehart and Winston, Inc.,120-250附錄附錄1程序清單（1）溫度檢測模塊程序代碼C語言程序代碼/18b20初始化函數(shù)void Init_DS18B20(void)unsigned char x=0;DQ = 1; /DQ復(fù)位delay(8); /稍做延時DQ = 0; /單片機(jī)將DQ拉低del

46、ay(80); /精確延時 大于 480usDQ = 1; /拉高總線delay(10);x=DQ; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗delay(5);/讀一個字節(jié)unsigned char ReadOneChar(void)unsigned char i=0;unsigned char dat = 0;for (i=8;i>0;i-)DQ = 0; / 給脈沖信號dat>>=1;DQ = 1; / 給脈沖信號if(DQ)dat|=0x80;delay(5); return(dat);/寫一個字節(jié)void WriteOneChar(unsigned c

47、har dat) unsigned char i=0;for (i=8; i>0; i-) DQ = 0;DQ = dat&0x01;delay(5);DQ = 1;dat>>=1; delay(5);/讀取溫度void b20() Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44); / 啟動溫度轉(zhuǎn)換delay(200);Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可個寄存器）

48、前兩個就是溫度a=ReadOneChar();b=ReadOneChar();if(b&&0xf8=0) b=b;b=b+1;str0=0xDF; else str0=0xff;b=b<<=8;temp=b|a;delay(100);temp=temp*62.5;e=temp/10000;f=e%10; /溫度十位g=temp/1000;h=g%10; /溫度個位ii=temp/100;j=ii%10; /溫度小數(shù)點(diǎn)后一位（2）液晶顯示模塊子程序設(shè)計(jì)C語言程序代碼/*延時函數(shù)*/void delay_us(unsigned int n) /延時 如果需要高精度延時

49、請嵌入?yún)R編 if (n = 0) return ; while (-n); /*延時函數(shù)*/ void delay_ms(unsigned char i) unsigned char a, b; for (a = 1; a < i; a+) for (b = 1; b; b+) ; /*顯示屏命令寫入函數(shù)*/ void LCD_write_com(unsigned char com) RS_CLR; RW_CLR; EN_SET; P0 = com; delay_us(5); EN_CLR; /*顯示屏命令寫入函數(shù)*/ void LCD_write_Data(unsigned char

50、Data) RS_SET; RW_CLR; EN_SET; P0 = Data; delay_us(5); EN_CLR; /*顯示屏清空顯示*/ void LCD_clear(void) LCD_write_com(0x01); delay_ms(5); /*顯示屏字符串寫入函數(shù)*/ void LCD_write_str(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s) if (y = 0) LCD_write_com(0x80 + x); else LCD_write_com(0xC0 + x); while (*s) LCD_write_

51、Data( *s); s +; /*顯示屏單字符寫入函數(shù)*/ void LCD_write_char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data) if (y = 0) LCD_write_com(0x80 + x); else LCD_write_com(0xC0 + x); LCD_write_Data( Data); /*顯示屏初始化函數(shù)*/ void LCD_init(void) LCD_write_com(0x38); /*顯示模式設(shè)置*/ delay_ms(5); LCD_write_com(0x38); delay_ms(

52、5); LCD_write_com(0x38); delay_ms(5); LCD_write_com(0x38); LCD_write_com(0x08); /*顯示關(guān)閉*/ LCD_write_com(0x01); /*顯示清屏*/ LCD_write_com(0x06); /*顯示光標(biāo)移動設(shè)置*/ delay_ms(5); LCD_write_com(0x0C); /*顯示開及光標(biāo)設(shè)置*/ （3）模糊控制模塊子程序#define PMAX    100    #define PMIN    -100

53、   #define DMAX    100     #define DMIN    -100           #define FMAX    100       /*語言值的滿幅值*/ int PFF4=0,12,24,48;/*輸入量D語言值特征點(diǎn)*/ int DFF4=0,16,

54、32,64;/*輸出量U語言值特征點(diǎn)*/ int UFF7=0,15,30,45,60,75,90;/*采用了調(diào)整因子的規(guī)則表,大誤差時偏重誤差,小誤差時偏重誤差變化*/ /*a0=0.3,a1=0.55,a2=0.74,a3=0.89   */   int rule77= /誤差變化率 -3,-2,-1, 0, 1, 2, 3     / 誤差           -6,-6,-6,-5,-5,-5,-4, 

55、60; /   -3         -5,-4,-4,-3,-2,-2,-1,   /   -2       -4,-3,-2,-1, 0, 1, 2,   /   -1       -4,-3,-1, 0, 1, 3, 4,   /    0   

56、0;   -2,-1, 0, 1, 2, 3, 4,   /    1       1, 2, 2, 3, 4, 4, 5,   /    2       4, 5, 5, 5, 6, 6, 6;   /    int   Fuzzy(int P,int D)   /*模糊運(yùn)算引擎*/ i

57、nt    U;           /*偏差,偏差微分以及輸出值的精確量*/ unsigned int   PF2,DF2,UF4;   /*偏差,偏差微分以及輸出值的隸屬度*/ int    Pn,Dn,Un4; long   temp1,temp2;       if(P>-PFF3 && P<PFF3)    if(P<=-PFF2)