畢業(yè)論文設(shè)計基于單片機(jī)的智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計

1、目 錄 第1節(jié) 引 言31.1 智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)概述 31.2 本設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容 3第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計 52.1 總體硬件設(shè)計 52.2 數(shù)字溫度傳感器模塊設(shè)計 5 溫度傳感器模塊的組成 5 2.2.2 DS18B20的溫度處理方法 62.3 電機(jī)調(diào)速與控制模塊設(shè)計 7 2.3.1 電機(jī)調(diào)速原理7 2.3.2 電機(jī)控制模塊硬件設(shè)計82.4 溫度顯示與控制模塊設(shè)計 9第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計103.1 數(shù)字溫度傳感器模塊程序設(shè)計103.2 電機(jī)調(diào)速與控制模塊程序流程15 程序設(shè)計原理 15 主要程序16第4節(jié) 結(jié)束語19 參考文獻(xiàn)20基于單片機(jī)的智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)第1節(jié) 引 言 電風(fēng)

2、扇曾一度被認(rèn)為是空調(diào)產(chǎn)品沖擊下的淘汰品，其實并非如此，市場人士稱，家用電風(fēng)扇并沒有隨著空調(diào)的普及而淡出市場，近兩年反而出現(xiàn)了市場銷售復(fù)蘇的態(tài)勢。其主要原因：一是風(fēng)扇和空調(diào)的降溫效果不同空調(diào)有強(qiáng)大的制冷功能，可以快速有效地降低環(huán)境溫度，但電風(fēng)扇的風(fēng)更溫和，更加適合老人兒童和體質(zhì)較弱的人使用；二是電風(fēng)扇有價格優(yōu)勢，價格低廉而且相對省電，安裝和使用都非常簡單。盡管電風(fēng)扇有其市場優(yōu)勢，但傳統(tǒng)電風(fēng)扇還是有許多地方應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改良的，最突出的缺點(diǎn)是它不能根據(jù)溫度的變化適時調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，對于夜間溫差大的地區(qū)，人們在夏夜使用電風(fēng)扇時可能遇到這樣的問題：當(dāng)凌晨降溫的時候電風(fēng)扇依然在工作，可是人們因為熟睡而無法察覺，

3、既浪費(fèi)電資源又容易引起感冒，傳統(tǒng)的機(jī)械定時器雖然能夠控制電風(fēng)扇在工作一定后關(guān)閉，但定時范圍有限，且無法對溫度變化靈活處理。鑒于以上方面的考慮，我們需要設(shè)計一種智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)來解決這些問題。1.1 智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)概述 傳統(tǒng)電風(fēng)扇是220V交流電供電，電機(jī)轉(zhuǎn)速分為幾個檔位，通過人為調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到改變風(fēng)力大小的目的，亦即，每次風(fēng)力改變，必然有人參與操作，這樣勢必帶來諸多不便。本設(shè)計中的智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)，是指將電風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為被控制量，由單片機(jī)分析采集到的數(shù)字溫度信號，再通過可控硅對風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。從而達(dá)到無須人為控制便可自動調(diào)整風(fēng)力大小的效果。1.2 設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容本設(shè)計以MC

4、S51單片機(jī)為核心，通過溫度傳感器對環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而建立一個控制系統(tǒng)，使電風(fēng)扇隨溫度的變化而自動變換檔位，實現(xiàn)“溫度高，風(fēng)力大，溫度低，風(fēng)力弱”的性能。另外，通過鍵盤控制面板，用戶可以在一定范圍內(nèi)設(shè)置電風(fēng)扇的最低工作溫度，當(dāng)溫度低于所設(shè)置溫度時，電風(fēng)扇將自動關(guān)閉，當(dāng)高于此溫度時電風(fēng)扇又將重新啟動。本設(shè)計主要內(nèi)容如下： 風(fēng)速設(shè)為從高到低5個檔位，可由用戶通過鍵盤手動設(shè)定。 當(dāng)溫度每降低2則電風(fēng)扇風(fēng)速自動下降一個檔位。 當(dāng)溫度每升高2則電風(fēng)扇風(fēng)速自動上升一個檔位。 用戶可設(shè)定電風(fēng)扇最低工作溫度，當(dāng)?shù)陀谠摐囟葧r，電風(fēng)扇自動停轉(zhuǎn)。第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計 2.1 總體硬件設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計

5、框圖如圖2-1所示鍵盤輸入溫度顯示單片機(jī)系統(tǒng)電機(jī)控制模塊數(shù)字溫度傳感模塊圖2-1 系統(tǒng)原理框圖 對于單片機(jī)中央處理系統(tǒng)的方案設(shè)計，根據(jù)要求，我們可以選用具有4KB片內(nèi)E2PROM的AT89C51單片機(jī)作為中央處理器。作為整個控制系統(tǒng)的核心，AT89C51內(nèi)部已包含了定時器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等硬件，其硬件能符合整個控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲器芯片和定時器件，方便地構(gòu)成一個最小系統(tǒng)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高。是比較合適的方案2.2 數(shù)字溫度傳感器模塊設(shè)計 溫度傳感器可以選用LM324A的運(yùn)算放大器，將其設(shè)計成比例控制調(diào)節(jié)器，輸出電壓與熱敏電阻的阻值成正比，但這種方案需

6、要多次檢測后方可使采樣精確，過于煩瑣。所以我采用更為優(yōu)秀的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它可以直接將模擬溫度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，降低了電路的復(fù)雜程度，提高了電路的運(yùn)行質(zhì)量。 溫度傳感器模塊組成本模塊以DS18B20作為溫度傳感器，AT89C51作為處理器，配以溫度顯示作為溫度控制輸出單元。整個系統(tǒng)力求結(jié)構(gòu)簡單，功能完善。電路圖如圖2-2所示。系統(tǒng)工作原理如下：DS18B20進(jìn)行現(xiàn)場溫度測量，將測量數(shù)據(jù)送入AT89C51的P3.7口，經(jīng)過單片機(jī)處理后顯示溫度值，并與設(shè)定溫度值的上下限值比較，若高于設(shè)定上限值或低于設(shè)定下限值則控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。圖2-2 DS18B20溫度計原理圖2.2.2 D

7、S18B20的溫度處理方法DS18B20直接將測量溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量提交給單片機(jī)，工作時必須嚴(yán)格遵守單總線器件的工作時序。溫度值/ 數(shù)字輸出（二進(jìn)制） 數(shù)字輸出（十六進(jìn)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

8、 FF5EH -25.625 1111 1111 0110 1111 FF6FH -55 1111 1100 1001 0000 FC90H表2-1 部分溫度值與DS18B20輸出的數(shù)字量對照表 2.3 電機(jī)調(diào)速與控制模塊設(shè)計電機(jī)調(diào)速是整個控制系統(tǒng)中的一個重要的方面。通過控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，使輸出端電壓發(fā)生改變，從而使施加在電風(fēng)扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)各檔位風(fēng)速的無級調(diào)速。2.3.1 電機(jī)調(diào)速原理可控硅的導(dǎo)通條件如下：1）陽-陰極間加正向電壓；2）控制極-陰極間加正向觸發(fā)電壓；3）陽極電流IA 大于可控硅的最小維持電流IH。電風(fēng)扇的風(fēng)速設(shè)為從高到低5、4、3、2、1檔，

9、各檔風(fēng)速都有一個限定值。在額定電壓、額定功率下，以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時，要求風(fēng)葉最大圓周上的線速度不大于2150m/min。且線速度可由下列公式求得式中，V為扇葉最大圓周上的線速度(m/min),D為扇中的最大頂端掃出圓的直徑(mm)；n為電風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速(r/min)。代入數(shù)據(jù)求得 1555r/min,取 =1250 r/min.又因為：取n1=875 r/min.則可得出五個檔位的轉(zhuǎn)速值： =1250r/min =1150r/min =1063r/min =980r/min =875r/min又由于負(fù)載上電壓的有效值 其中，u1為輸入交流電壓的有效值，為控制角。解得： =0° t=0m

10、s =23.5° t=1.70ms =46.5° t=2.58ms =61.5° t=3.43ms =76.5° t=4.30ms 以上計算出的是控制角和觸發(fā)時間，當(dāng)檢測到過零點(diǎn)時，按照所求得的觸發(fā)時間延時發(fā)脈沖，便可實現(xiàn)預(yù)期轉(zhuǎn)速。 電機(jī)控制模塊硬件設(shè)計電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3041 ,集光電隔離、過零檢測、過零觸發(fā)等功能于一身,避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷, 簡化了輸出通道隔離2驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計的可控硅觸發(fā)電路原理圖見圖2-3 。其中RL即為電機(jī)負(fù)載，其工作原理是:單片機(jī)響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置, 在I/ O 口輸出一

11、個高電平, 經(jīng)反向器反向后, 送出一個低電平,使光電耦合器導(dǎo)通, 同時觸發(fā)雙向可控硅, 使工作電路導(dǎo)通工作。給定時間內(nèi),負(fù)載得到的功率為:式中: P 為負(fù)載得到的功率, kW; n 為給定時間內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦波個數(shù); N 為給定時間內(nèi)交流正弦波的總個數(shù); U 為可控硅在一個電源周期全導(dǎo)通時所對應(yīng)的電壓有效值,V; I 為可控硅在一個電源周期全導(dǎo)通時所對應(yīng)的電流有效值,A。由式(1) 可知,當(dāng)U , I , N 為定值時, 只要改變n 值的大小即可控制功率的輸出,從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。圖2-3 電機(jī)控制原理圖2.4 溫度顯示與控制模塊設(shè)計 通過HD7279A控制芯片組建一個單片機(jī)鍵盤輸入

12、與顯示模塊，其中包括一個2*8的鍵盤矩陣。和8段動態(tài)掃描數(shù)碼管顯示。與單片機(jī)通過接插件連接，可以用于系統(tǒng)的控制和輸出，其原理圖如圖2-4所示。圖2-4 HD7279A鍵盤和顯示器控制模塊電路原理圖第三節(jié) 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 數(shù)字溫度傳感器模塊程序設(shè)計本系統(tǒng)的運(yùn)行程序采用匯編語言編寫，采用模塊化設(shè)計，整體程序由主程序和子程序構(gòu)成。圖3-1 數(shù)字溫度傳感器模塊程序流程圖如圖3-1所示，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換工作必須經(jīng)過三個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。單片機(jī)所用的系統(tǒng)頻率為12MHz。根據(jù)DS18B20初始化時序、讀時序和寫時序分別可編寫4個子程序：初始化子程序、寫子程

13、序、讀子程序、顯示子程序。DS18B20芯片功能命令表如下：表2 DS18B20功能命令表命令 功能描述 命令代碼CONVERT 開始溫度轉(zhuǎn)換 44HREAD SCRATCHPAD 讀溫度寄存器（共9字節(jié)） BEH READ ROM 讀DS18B20序列號 33HWRITE SCRATCHPAD 將警報溫度值寫如暫存器第2、3字節(jié) 4EH MATCH ROM 匹配ROM 55H SEARCH ROM 搜索ROM F0H ALARM SEARCH 警報搜索 ECHSKIP ROM 跳過讀序列號的操作 CCHREAD POWER SUPPLY 讀電源供電方式：0為寄生電源，1為外電源 B4H主要程

14、序如下：MAIN:；初始化LCALL RST_DS18B20LCALL GET_TEMPERMOV A,20HMOV C,08HRRC AMOV C,09HRRC AMOV C,10HRRC AMOV C,11HRRC AMOV 20H,ALCALL DISPLAYAJMPMAINRST_DS18B20:SETB P3. 7NOPCLR P3. 7MOV R1, #3RST1:MOV R0, #110DJNZ R0, $DJNZ R1,RST1SETB P3. 7NOPNOPMOV R0, #25HRST2:JNB P3. 7,RST3DJNZ R0,RST2LJMP RST4RST3: SE

15、TB FLAGLJMP RST5RST4:CLR FLAGLJMP RST7RST5:MOV R0, #115RST6:DJNZ R0, $RST7: SETB P3. 7RETWR_DS18B20:；寫數(shù)據(jù)子程序MOV R2, #8CLR CWR1: CLR P3. 7MOV R3, #6DJNZ R3, $RRC AMOV P3. 7,CMOV R3, #25DJNZ R3, $SETB P3. 7NOPDJNZ R2,WR1SETB P3. 7RETRD_DS18B20:；讀數(shù)據(jù)子程序MOV R4, #2MOV R1, #20HREAD1:MOV R2, #8READ2: CLR CSE

16、TB P3. 7NOPNOPCLR P3. 7NOPNOPNOPSETB P3. 7MOV R3, #9READ3:DJNZ R3,READ3MOV C, P3. 7MOV R3, #23READ4:DJNZ R3,READ4RRC ADJNZ R2,READ2MOV R1,AINC R1DJNZ R4,READ1RET3.2 電機(jī)調(diào)速與控制模塊程序流程 程序設(shè)計原理采用雙向可控硅過零觸發(fā)方式，由單片機(jī)控制雙向可控硅的通斷，通過改變每個控制周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷交流完整全波信號的個數(shù)來調(diào)節(jié)負(fù)載功率，進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。由于INT0信號反映工頻電壓過零時刻，因此只要在外中斷0的中斷服務(wù)程序中完成

17、控制門的開啟與關(guān)閉，并利用中斷服務(wù)次數(shù)對控制量n進(jìn)行計數(shù)和判斷，即每中斷一次，對n進(jìn)行減1計數(shù)，如果n不等于0，保持控制電平為“1”，繼續(xù)打開控制門；如n=0，則使控制電平復(fù)位為“0”，關(guān)閉控制門，使可控硅過零觸發(fā)脈沖不再通過。這樣就可以按照控制處理得到的控制量的要求，實現(xiàn)可控硅的過零控制，從而達(dá)到按控制量控制的效果，實現(xiàn)速度可調(diào)。1）回路控制執(zhí)行程序。主回路控制執(zhí)行程序的任務(wù)是初始化數(shù)據(jù)存儲單元，確定電機(jī)工作參數(shù) /，并將其換算成“有效過零脈沖”的個數(shù)；確定中斷優(yōu)先級、開中斷，為了保證正弦波的完整，工頻過零同步中斷INT0確定為高一級的中斷源。2）斷服務(wù)程序，執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，首先保護(hù)現(xiàn)場

18、，INT0中斷標(biāo)志置位，禁止主程序修改工作參數(shù)，然后開始減1計數(shù)，判斷是否關(guān)斷可控硅，最后INT0中斷標(biāo)志位清零，還原初始化數(shù)據(jù)，恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回。（設(shè)1秒鐘通過波形數(shù)N=100）中斷流程圖如圖3-2所示： 圖3-2 電機(jī)控制模塊中斷響應(yīng)流程圖3.2.2 主要程序外中斷INT0的部分中斷響應(yīng)程序如下：ORG0003HINTD0:PUSHACCPUSHPSWPUSHDPHPUSHDPLSETB24H.0 MOVA,5FHJZ TING1 DECA MOV5FH,ALJMPFAN2TING1: FAN2:MOVA,5BHJZ TING2 DECA MOV5BH,ALJMPZONGTING2:ZONG:MOVA,59HJZ KAIDECAMOV59H,ALJMPEXITKAI:CLR24H.0JB26H.0,KAI2KAI2:MOVA,66HJZ EXIT1EXIT1:MOV5FH,5AHMOV5BH,66HMOV59H,#100EXIT:POPDPLPOPDPHPOPPSWPOPACCRETI結(jié) 束 語首先，通過這次應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計，在很大程度上提高了