單片機的智能溫控風扇的設計

單片機的智能溫控風扇的設計2方案論證本系統(tǒng)實現(xiàn)風扇的溫度控制，需要有較高的溫度變化分辨率和穩(wěn)定可靠的換檔停機控制部件。2.1溫度傳感器的選用溫度傳感器可以下幾種方案可供選擇：方案一：選用熱敏電阻作為感測溫度的核心元件，通過運算放大器放大于溫度變化引起熱敏電阻電阻的變化、進而導至的輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再用AD轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機處理。方案二：采用熱電偶作為感測溫度的核心元件，配合橋式電路，運算放大電路和AD轉(zhuǎn)換電路，將溫度變化信號送入單片機處理。方案三：采用數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20作為感測溫度的核心元件，直接輸出數(shù)字溫度信號供單片機處理。對于方案一，采用熱敏電阻有價格便宜、元件易購的優(yōu)點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不敏感，在信號采集、放大、轉(zhuǎn)換過程中還會產(chǎn)生失真和誤差，并且于熱敏電阻的R-T關系的非線性，其本身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路予以糾正，但不僅將使電路復雜穩(wěn)定性降低，而且在人體所處溫度環(huán)境溫度變化中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。對于方案二，采用熱電偶和橋式測量電路相對于熱敏電阻其對溫度的敏感性和器件的非線性誤差都有較大提高，其測溫范圍也非常寬，從-50攝氏度到1600攝氏度均可測量。但是依然存在電路復雜，對溫度敏感性達不到本系統(tǒng)要求的標準，故不采用該方案。對于方案三，于數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉(zhuǎn)換等電路的誤差因素，溫度誤差很小，并且于其感測溫度的原理與上述兩種方案的原理有著本質(zhì)的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接輸出，簡化了系統(tǒng)程序設計，又于該傳感器采用先進的單總線技術，與單片機的接口變的非常簡潔，抗干擾能力強。關于DS18B20的詳細參數(shù)參看下面“硬6件設計”中的器件介紹。2.2控制核心的選擇方案一：采用電壓比較電路作為控制部件。溫度傳感器采用熱敏電阻或熱電偶等，溫度信號轉(zhuǎn)為電信號并放大，集成運放組成的比較電路判決控制風扇轉(zhuǎn)速，當高于或低于某值時將風扇切換到相應檔位。方案二：采用單片機作為控制核心。以軟件編程的方法進行溫度判斷，并在端口輸出控制信號。對于方案一，米用電壓比較電路具有電路簡單、易于實現(xiàn)，以及無需編寫軟件程序的特點，但控制方式過于單一，不能自設置上下限動作溫度，無法滿足不同用戶以及不同環(huán)境下的多種動作溫度要求，故不在本系統(tǒng)中采用。對于方案二，以單片機作為控制器，通過編寫程序不但能將傳感器感測到的溫度通過顯示電路顯示出來，而且用戶能通過鍵盤接口，自設置上下限動作溫度值，滿足全方位的需求。并且通過程序判斷溫度具有極高的精準度，能精確把握環(huán)境溫度的微小變化。故本系統(tǒng)采用方案二。2.3顯示電路方案一：采用五位共陽數(shù)碼管顯示溫度，動態(tài)掃描顯示方式。方案二：采用液晶顯示屏LCD顯示溫度對于方案一，該方案成本低廉，顯示溫度明確醒目，在夜間也能看見，功耗極低，顯示驅(qū)動程序的編寫也相對簡單,這種顯示方式得到廣泛應用。不足的地方是掃描顯示方式是使五個LED逐個點亮，因此會有閃爍，但是人眼的視覺暫留時間為20MS，當數(shù)碼管掃描周期小于這個時間時人眼將感覺不到閃爍，因此可以通過增大掃描頻率來消除閃爍感。對于方案二，液晶體顯示屏具有顯示字符優(yōu)美，不但能顯示數(shù)字還能顯示字符甚至圖形的優(yōu)點，這是LED數(shù)碼管無法比擬的。但是液晶顯示模塊價格昂貴，驅(qū)動程序復雜，從簡單實用的原則考慮，本系統(tǒng)采用方案一。2.4調(diào)速方式方案一：采用變壓器調(diào)節(jié)方式，運用電磁感應原理將220V電壓通過線圈降壓到不同的電壓，控制風扇電機接到不同電壓值的線圈上可控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制風扇風力大小。7方案二：采用晶閘管構(gòu)成無級調(diào)速電路。對于方案一，于采用變壓器改變電壓調(diào)節(jié)，有風速級別限制，不能適應人性化要求。且在變壓過程中會有損耗發(fā)熱,效率不高，發(fā)熱有不安全因素。對于方案二，以電位器控制晶閘管的導通角大小，可實現(xiàn)最大風速到關閉的無級別調(diào)速，可將風力調(diào)節(jié)在關閉無風到最大風之間的任意風力，實現(xiàn)“自風”。且在調(diào)速環(huán)節(jié)中基本無電力損耗。故本系統(tǒng)采用方案二。2.5控制執(zhí)行部件方案一：采用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD0832控制，單片機根據(jù)當前溫度值送出相應數(shù)字量到AD0832,AD0832產(chǎn)生模擬信號控制晶閘管的導通角，從而配合無級調(diào)速電路實現(xiàn)溫控時的自動無級風力調(diào)節(jié)。方案二：采用繼電器，繼電器的接有控制晶閘管導通角的電阻的接入電路與否單片機控制，根據(jù)當前溫度值在相應管腳送出高/低電平，決定某個繼電器的導通角控制電阻是否接入電路。對于方案一，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)在風扇處于溫控狀態(tài)時也能無級調(diào)速，但是D/A轉(zhuǎn)換芯片價格較高，與其溫控狀態(tài)下無級調(diào)速功能相比性價比不高。對于方案二，雖然在溫控狀態(tài)下只能實現(xiàn)弱/大風兩級調(diào)速，但采用繼電器價格便宜，控制可靠，且出于在溫控狀態(tài)時無級調(diào)速并不是特別需要的功能，綜合考慮采用方案3系統(tǒng)原理系統(tǒng)總體設計鍵盤輸入數(shù)字溫度傳感模塊單片機系統(tǒng)溫度顯示8電機控制模塊圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖控制裝置原理傳統(tǒng)電風扇供電采用的是220V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)速達到改變風速的目的，亦即，每改變一次風力，必然有人參與操作，這樣就會帶來諸多不便。介紹了一種基于STC89C52單片機的智能電風扇調(diào)速器的設計，該設計巧妙利用紅外線遙控技術、單片機控制技術、無級調(diào)速技術和溫度傳感技術，把智能控制技術應用于家用電器的控制中，將電風扇的電機轉(zhuǎn)速作為被控制量，單片機分析采集到的數(shù)字溫度信號，再通過可控硅對風扇電機進行調(diào)速。從而達到無須人為控制便可自動調(diào)整風速的效果。3.3溫度檢測和顯示電路可以選用LM324A運算放大器作為溫度傳感器，將其設計成比例控制調(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，降低了電路的復雜程度，提高了電路的運行質(zhì)量。DS18B20的溫度處理方法DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9?12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線讀寫，溫度變換功率數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電,而無需額外電源，因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單可靠性更高。他在測溫精度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。DS18B20簡介：9獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。在使用中不需要任何外圍元件?？捎脭?shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+~+V。測溫范圍：-55~+125°C。固有測溫分辨率為°C。通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。用戶可自設定非易失性的報警上下限值。支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。單線數(shù)字輸出10+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+00000001100100010191H+000000001010001000A2H+00000000000010000008H000000000000000000000H-1111111111111000FFF8H-1111111101101110FF5EH-1111111101101111FF6FH-551111110010010000FC90H表1部分溫度值與DS18B20輸出的數(shù)字量對照表溫度傳感器和顯示電路組成本模塊用更為優(yōu)秀的DS18B20作為溫度傳感器，STC89C52單片機作為處理器，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所示。系統(tǒng)工作原理如下：DS18B20數(shù)字溫度傳感器采集現(xiàn)場溫度，將測量到的數(shù)據(jù)送入STC89C52單片機的口，經(jīng)過單片機處理后顯示當前溫度值，并與設定溫度值的上下限值作比較，若高于設定上限值或低于設定下限值則控制電機轉(zhuǎn)速進行自動調(diào)整。圖2DS18B20溫度計原理圖電機調(diào)速電路11電機調(diào)速是整個控制裝置中的一個相當重要的方面。通過控制改變?nèi)龢O翻出的導，使輸出端電壓發(fā)生改變，從而使施加在電風扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)風扇的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)各檔位風速的無級調(diào)速。電機調(diào)速原理雙向可控硅的導通條件如下：(1)陽-陰極間加正向電壓；控制極-陰極間加正向觸發(fā)電壓；陽極電流IA大于可控硅的最小維持電流IH。電風扇的風速從高到低設為5、4、3、2、1檔，每檔風速都有一個限定值。在額定電壓、額定功率下，以最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，要求風葉最大圓周上的線速度不大于2150m/min。且線速度可下列公式求得V=nDnX103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為電風扇的最高轉(zhuǎn)速(r/min)。代入數(shù)據(jù)求得n5W1555r/min，取n5=1250r/min?又因為：調(diào)速比最低調(diào)速檔的轉(zhuǎn)速100%70%最高調(diào)速檔的轉(zhuǎn)速取nl=875r/min。則可得出五個檔位的轉(zhuǎn)速值：n1=875r/min,n2=980r/min,n3=1063r/min,n4=1150r/min,n5=1250r/min又于負載上電壓的有效值sin2u0=u12式中，u1為輸入交流電壓的有效值，a為控制角。解得：(1)當a5=0°時，t=0ms；(2)當口4=°時，t二；(3)當a3=°時，t=；(4)當a2=°時，t=；(5)當a1=°時，t二。上述計算出的是控制角和觸發(fā)時間，當檢測到過零點時，按照所求得的觸發(fā)時間延時發(fā)脈沖，便可實現(xiàn)預期轉(zhuǎn)速。12電機控制模塊設計本模塊電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3041M,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)。所設計的可控硅觸發(fā)電路原理圖見圖3。其中RL即為電機負載，其工作原理是:單片機響應用戶的參數(shù)設置，在I/O口輸出一個高電平，經(jīng)反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導通，同時觸發(fā)雙向可控硅，使工作電路導通工作。給定時間內(nèi)，負載得到的功率為：nUI(3)N式中：P為負載得到的功率；n為給定時間內(nèi)可控硅導通的正弦波個數(shù)；N為P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通時所對應的電壓有效值；I為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電流有效值。式(3)可知，當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,從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。圖3電機控制原理圖134控制器軟件設計本系統(tǒng)的運行程序采用C語言編寫，采用模塊化設計，整體程序主程序和顯示、鍵盤掃描、紅外線接收以及電機控制等子程序模塊組成。主程序在主程序進行初始化后，開始反復檢測各模塊相關部分的緩沖區(qū)的標志，如果緩沖區(qū)置位，說明相應的數(shù)據(jù)需要處理，然后主程序調(diào)用相應的處理子模塊。如圖7所示。14開始系統(tǒng)初始化顯示子模塊Y溫度變化？NY鍵盤輸入？鍵盤處理子模塊溫度控制子模塊NY紅外信號？紅外接收處理模塊N圖7主程序模塊流程圖1數(shù)字溫度傳感器模塊和顯示子模塊115如圖8所示，主機控制DS18B20數(shù)字溫度傳感器完成溫度轉(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。單片機所用的系統(tǒng)頻率為12MHz。根據(jù)DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行初始化時序、讀時序和寫時序分別可編寫3個子程序：初始化子程序、寫子程序、讀子程序。開始DS18B20初始化啟動DS18B20測溫調(diào)用相應的鍵值處理程序異常調(diào)用相應的控制程序內(nèi)部判斷正常調(diào)用讀子程序調(diào)用寫子程序顯示子程序結(jié)束圖8數(shù)字溫度傳感器模塊程序流程圖DS18B20芯片功能命令表如下：命令說明協(xié)議16READROM讀取激光ROM64位33HMATCHROM匹配ROM55HSKIPROM跳過ROMCCHSEARCHROM搜索ROMF0HALARMSEARCH告警搜索ECHWRITESCRATCHPAD把字節(jié)寫入暫存器的地址2和34EHREADSCRATCHPAD讀取暫存器和CRC字節(jié)BEHCOPYSCRATCHPAD把暫存器內(nèi)容拷貝到非易失性存儲器中48HCONVERTT開始溫度轉(zhuǎn)換44HRECALLE2把非易失性存儲器中的值召回暫存器B8HREADPOWERSUPPLY讀電源供電方式：0為寄生電源，1為外電源B4H表2DS18B20功能命令表電機調(diào)速與控制子模塊本模塊采用雙向可控硅過零觸發(fā)方式，單片機控制雙向可控硅的通斷，通過改變每個控制周期內(nèi)可控硅導通和關斷交流完整全波信號的個數(shù)來調(diào)節(jié)負載功率，進而達到調(diào)速的目的。1818因為INTO信號反映工頻電壓過零時刻，所以只要在外中斷0的中斷服務程序中完成控制門的開啟與關閉，并利用中斷服務次數(shù)對控制量n進行計數(shù)和判斷，即每中斷一次，對n進行減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，則使控制電平復位為“0”，關閉控制門，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，從而達到按控制量控制的效果，實現(xiàn)速度可調(diào)。中斷服務程序：執(zhí)行中斷服務程序時，首先保護現(xiàn)場，INTO中斷標志置位，禁止主程序修改工作參數(shù)，然后開始減1計數(shù)，判斷是否關斷可控硅，最后INTO中斷標志位清零，還原初始化數(shù)據(jù)，恢復現(xiàn)場，中斷返回?；芈房刂茍?zhí)行程序：主回路控制執(zhí)行程序的任務是初始化數(shù)據(jù)存儲單元，確定電