电风扇的智能红外遥控器系统设计毕业设计.doc

南阳理工学院本科生毕业设计 论文 电风扇的智能红外遥控器系统设计电风扇的智能红外遥控器系统设计 The Design of Infrared Remote Control System of Intelligent Electric Fan 总 计 37 页 表 格 2 个 插 图 32 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 电风扇的智能红外遥控器系统设计 The Design of Infrared Remote Control System of Intelligent Electric Fan 学 院 电子与电气工程学院 专 业 电气工程及其自动化 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价 指导教师评价 一 撰写 设计 过程 1 学生在论文 设计 过程中的治学态度 工作精神 优 良 中 及格 不及格 2 学生掌握专业知识 技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3 学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4 研究方法的科学性 技术线路的可行性 设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5 完成毕业论文 设计 期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 指导教师 指导教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价 评阅教师评价 一 论文 设计 质量一 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 水平二 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 评阅教师 评阅教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 电风扇的智能红外遥控器系统设计 教研室 或答辩小组 及教学系意见教研室 或答辩小组 及教学系意见 教研室 或答辩小组 评价 教研室 或答辩小组 评价 一 答辩过程一 答辩过程 1 毕业论文 设计 的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2 对答辩问题的反应 理解 表达情况 优 良 中 及格 不及格 3 学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩 评定成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 教研室主任 或答辩小组组长 教研室主任 或答辩小组组长 签名 年年 月月 日日 教学系意见 教学系意见 系主任 系主任 签名 年年 月月 日日 电风扇的智能红外遥控器系统设计 电风扇的智能红外遥控器系统设计 摘摘 要要 为了家用电风扇的使用更加方便快捷 以 C8051F020 为主控模块 SM0038 为红外一体化接收发射管 设计了一个简易的单片机红外遥控电风扇系统 该 系统设计实现了以下电风扇的基本功能 开关功能 调速功能 定时功能 风类选择 功能 系统添加了防触电保安器 大幅提高了使用安全性 系统仿真表明 智能红外 遥控风扇具有操作简单 实用性强 安全快捷等优点 关键词关键词 红外遥控 信号调制 编码 解码 The Design of Infrared Remote Control System of Intelligent Electric Fan Electrical Engineering and Automation Specialty CHENG Xiang Abstract For more convenient and quick of household electric fan with C8051F020 as the main control module SM0038 as the integration of infrared receiving tubes designed a simple micro controller infrared remote control electric fan system Under this system design has realized the basic function of the electric fan switch function the function of speed adjustment timing function wind class selection function added to prevent electric shock protector a substantial increase in the use of security System simulation show that the intelligent infrared remote control fan has simple operation strong practicability safe and fast Key words Infrared Remote Control Signal Modulation Encoding Decoding 电风扇的智能红外遥控器系统设计 目 录 1 引言 1 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 2 国内 外发展现状 1 1 3 系统结构组成 2 2 系统硬件电路的设计 2 2 1 系统工作原理 2 2 2 系统主控模块设计 3 2 2 1 C8051F020 单片机的引脚结构及功能说明 3 2 2 2 C8051F020 单片机的最小系统设计 4 2 3 发射端电路模块设计 5 2 3 1 红外发射电路设计 7 2 3 2 键盘电路设计 8 2 3 3 显示电路设计 9 2 4 接收端电路模块设计 11 2 4 1 红外接收电路设计 11 2 4 2 键盘电路设计 12 2 4 3 显示电路设计 13 2 4 4 电源电路设计 13 2 5 电机控制电路 14 2 5 1 电机工作原理 14 2 5 2 风的类型 14 2 5 3 工作方式 15 2 5 4 调速原理 15 2 5 5 调速方法 16 2 6 其它外围电路 16 2 6 1 按键去抖动电路 16 2 6 2 防触电保安器 17 3 系统软件设计 18 3 1 红外发射端程序设计 18 3 2 遥控码的发射 18 3 3 红外接收 20 3 3 1 接收端程序设计 20 3 3 2 数码帧的接收处理 20 3 4 程序流程 21 3 4 1 系统主程序流程图 21 3 4 2 各附程序流程图 22 4 系统仿真与调试 24 电风扇的智能红外遥控器系统设计 4 1 编程环境 24 4 2 系统仿真 24 结束语 26 参考文献 27 附录 28 致谢 37 电风扇的智能红外遥控器系统设计 1 1 引言 1 1 课题的研究背景及意义 科技的发展 科学技术的进步日新月异 导致社会节奏加快 因此人们对于方便 智能的要求不断提高 遥控器能迎合这一需求 红外遥控是一种远距离 利用红外信 号来操作的一种技术 由发射端发出指令 接收端处理信号 最终实现远距离的控制 红外遥控技术有很强的隐蔽性和穿透性 基本适合各类场合 目前大部分电器运用 了红外遥控技术 电风扇也是其中之一 红外遥控是一个小小的科技创新 但随之而 来的事极大的便利 此项技术的长足进步 也促使遥控风扇的设计更容易 造价更低 廉 作为一种常用的电器 电风扇具有体积轻巧 价格便宜 摆放方便等特点 空调 虽然现在在城市中已经相当普遍 而且有替代电风扇的趋势 但是由于家庭消费水平 所限 在将来的一段时间里 电风扇在中小城市和农村仍有较大的市场份额 市场的需求促使了电风扇的发展 智能化 的兴起 使得电风扇的功能也越来越 多 越来越贴进人们生活 在现有市场多功能红外遥控电风扇的基础上 提出了一种 新型的智能电风扇 相对于旧式电风扇 智能电风扇设置了很多人性化的设计 如智 能照明 安全保护 倾倒保护 智能照明等功能 使得电风扇更加人性化 相信其丰 富的功能 人性化的设计将会大大提高电风扇的市场竞争力 1 2 国内 外发展现状 随着电子制造业的不断发展 社会对生产率的要求越来越高 各行业都需要精良 高效 高可靠性的设备来满足要求 风扇老式家电的一类 曾被认为是空调产品冲击 下的淘汰品 但电风拥有价格便宜 使用方便 体积小等特点 由于许多的家庭消费 水平并不是很高 电风扇在中地区以及农村将来一段时间里还是会占有市场的许多份 额 但老式电风扇功能简单 不能满足智能化的要求 为提高电风扇的市场竞争力 使之在技术含量上有所提高 且更加安全可靠 智能电风扇随之被提出 相比之下 国外的只能电风扇起步较早 目前各类研究也比较成熟 电风扇在中 电风扇的智能红外遥控器系统设计 2 国仍然具有很大的市场 所以我国对电风扇的优化研究是很积极的 智能电风扇已经 开始投入市场 目前这方面的技术已经成熟 下一阶段的研究将是使其更加人性化 更好的满足不同群体的人的需求 美的等家电企业相继推出了大厦扇和学生扇 这是 针对不同的人群而专门研制的 具有智能化控制系统的电风扇 国外在电风扇方面的 研究相对我国不那么积极 但是在智能化电器方面的研究却比我国更加成功 1 3 系统结构组成 本设计方案就是以电风扇为对象 通过红外遥控系统来实现电风扇的几种常用功 能 如 开关功能 调速功能 定时功能等的控制 相对于传统的机械控制 体现出 了更加方便 更加快捷的优点 系统由硬件和软件两部分组成 都采用了模块化的结构 其硬件接口部分主要包 括 SM 红外接收模块 LED 显示模块 键盘处理模块 防触电保护模块 软件部分则 包含红外发生程序 红外接收程序和风扇控制程序 C8051F020 键盘功能输入 遥控功能输入 电机调速 控制输出 图 1 系统组成框图 2 系统硬件电路的设计 2 1 系统工作原理 红外遥控是单向的红外通信方式 整个信号传输中 需要一个发射端和一个接收端 发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号 通过红外 发射管发射红外信号 红外接收端普遍采用价格便宜 性能可靠的一体化红外接收头 接收红外信号 它对信号进行放大后送解调电路将以调制的指令编码信号解调出来 即还原为编码信号 再送给单片机 经单片机解码并控制相关对象 电风扇的智能红外遥控器系统设计 3 2 2 系统主控模块设计 系统采用的主控器是 C8051F020 单片机 C8051F 系列单片机就是一种典型的 SOC 型单片机 原是 Cygnal 公司的产品 该公司于 2003 年并入 Silicon Laboratories 公 司 C8051F 系列具有与 MCS 51 单片机兼容的内核 运用流水线式运算技术 不再把 时钟周期以及机器周期进行细致区分 可以在执行指令的同一时刻 预处理接下来的 指令 增加了指令执行速率 其中 C8051F020 是该系列单片机中功能较全 最具有代 表性的一款 C8051F020 提供以下标准功能 64k bytes 字节 Flash 存储器 4352 4096 256 B 的片内 RAM 64 个数字 I O 引 脚 5 个通用的 16 位定时器 硬件实现的 SPI SMBUs I C 和两个 UART 串行通接口 可 寻址 64KB 地址空间的外部数据存贮器接口 模拟外设以及数字外设都能由固件使能或 禁止 配置 同时 Flash 存储器也可以在线系统重新编程 可用于不易失类数据储存 并可以现场刷新 8051 固件 支持断点 观察点 单步运行和停机命令 1 在使用 JTAG 引脚都容许 5V 的输入信号电压 C8051F020 为 100 引脚 TQFP 封装 如图 2 所示 片内 原理框图如图 3 所示 2 2 1 C8051F020 单片机的引脚结构及功能说明 图 2 C8051F020 芯片示意图 电风扇的智能红外遥控器系统设计 4 2 2 2 C8051F020 单片机的最小系统设计 单片机最小系统设计如图 3 所示 C8051F020 电源电路 复位电路 仿真接口电路 图 3 C8051F020 最小系统原理框图 1 C8051F 系列 MCU 振荡器 每个 C8051F 系列 MCU 都包含内部振荡器以及外部振荡器驱动电路 每个驱动电路 都可以作系统时钟 MCU 在复位后从内部振荡器启动 系统时钟能够在内部和外部振荡 器间切换 也可以在选择的时候 让其中一个振荡器保持在允许状态 这样可以避免 切换时的延迟 外部振荡器的可配置性是相当可观的 足以为用户带来多种选择 2 时基信号可以来自外 CMOS 时钟源或者晶体谐振器 陶瓷谐振器喝 RC 组合电路以及外 部电容也可以 振荡器的工作方式是受 SFR 控式 内外各一个 即 OSCICN 内部振荡器 控制寄存器和 OSCXCN 外部振荡器控制寄存器 2 C8051F020 交叉开关配置 C8051F020 单片机内部的数字和模拟资源可以通过 P0 P3 32 个 I O 引脚使用 每 个端口引脚可以被定义为通用 I O GPIO 又可以分配给一个数字外设或功能 例如 UART0 或 INT1 如图所示 其中 P1 口的引脚可以用作 ADC1 的模拟输入 设计者完全 控制数字功能的引脚分配 只受 3 端口 I O 初始化步骤 1 用端口输入方式寄存器 PnMDIN 选择所有的端口引脚输入方式 模拟或数字 电风扇的智能红外遥控器系统设计 5 2 用端口输出方式寄存器 PnMDOUT 选择所有的端口引脚输出方式 3 将引脚分配给要使用的外设 4 使能交叉开关 XBARE 1 4 程序流程图 上电 复位 功能模块n 功能模块2 功能模块1 初始化程序 图 4 最小系统框图 2 3 发射端电路模块设计 发射端电路 单片机系统及显示电路 红外发射电路 按键电路和稳压电路等组成 电风扇的智能红外遥控器系统设计 6 C8051F020 矩阵按键 数码管显示 红外发射管 5V电源 图 5 手持式遥控器方框图 1 C8051F020 的功能 1 高速 流水线结构的 8051 兼容 的 CIP 51 内核 可达 25MIPS 2 64KB 可重编程闪速存储器 3 真正 12 位 100ksps 的 8 通道 ADC 带 PGA 4 4352B 的片内 RAM 5 可寻址 64KB 地址空间的外部数据存储器接口 6 硬件 SPI SMBus I C 和两个 UART 串行接口 7 5 个通用 16 位定时器 8 两个 12 位 DAC 9 低耗空载和掉电方式 2 C8051F020 端口输入 输出 电风扇的智能红外遥控器系统设计 7 SMBus PRT3CF寄 存器 T0 T1 T2 比较器输出 PCA UART SPI 数字交 叉开关 优先级 译码器 XBR0 XBR1 XBR2 寄存器 PRT0CF PRT 1CF PRT2CF 寄存器 P0 I O 单元 P2 I O 单元 P1 I O 单元 P3 I O 单元 P0 0 P3 0 P3 7 P3 7 P3 0 P2 0 P1 7 P1 0 P0 7 P2 7 P3 P2 P1 P0 P0 0 P0 7 P2 0 P2 7 P1 0 P1 7 图 6 端口 I O 功能框图 MCU 中有大量的数字资源需要通过数字 I O 端口 P0 P1 P2 和 P3 才能使用 端口 0 1 2 中的每个引脚既可以定义为对应的端口 I O 又可以分配给一个内部非模拟资 源 如图 7 所示 3 设计者对功能分配有完全的控制 只受所选器件可用引脚多少的限 制 这种灵活性分配得益于优先权交叉开关译码器的强大功能 无论交叉开关怎么配 置 端口 I O 引脚状态都能够被送到对应锁存器 引脚名称引脚号引脚类型说明 VDD18 20 数字电压源 DGND17 21 数字地 AV 9 29 模拟电压源 AGND8 30 模拟地 TCK14 数字输入带内部上拉的JTAG测试时钟 TMS13 数字输入带内部上拉的JTAG测试模式选择 TDI15 数字输入带内部上拉的JTAG测试数据输入 TDO16 数字输出带内部上拉的JTAG测试数据输出 电风扇的智能红外遥控器系统设计 8 XTAL110 模拟输入晶体输入 XTAL211 模拟输出晶体输出 RST12 数字I O芯片复位 VREF3 模拟I O电压基准 CP0 2 模拟输入比较器0的同相输入端 CP0 1 模拟输入比较器0的反相输入端 CP1 模拟输入比较器1的同相输入端 CP1 模拟输入比较器1的反相输入端 DAC032 模拟输出数模转换输出口0 DAC131 模拟输出数模转换输出口1 AIN0 AIN74 7 模拟输入模拟MIX通道输入0 7 P0 0 P0 7 19 22 27 数字I O端口0位0 7 P1 0 P1 7 数字I O端口1位0 7 P2 0 P2 7 数字I O端口2位0 7 P3 0 P3 7 数字I O端口3位0 7 表 1 引脚定义 2 3 1 红外发射电路设计 本遥控发射器采用码分制遥控方式 码分制红外遥控就是指令信号产生电信号以不 同的脉冲编码 不同的脉冲数目及组合 代表不同的控制指令 在确定选择 C8051F020 作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后 加上一个简单红外发射电路和 12M 晶体震荡器便可实现红外发射 红外发光二极管为发射部分的主要元件 由于红外发光二极管的内部材料与普通二 极管不同 所以它是一个特殊的发光二极管 在它的两端加上一定的电压时 其发出 来的是红外线不再是可见光 现在市面上常用的红外发光二极管的波长为 940nm 其与 普通 5 的发光二极管外形相同 但是颜色不同 4 遥控发射通过键盘 每按下一个键 即产生具有不同的编码数字脉冲 这种代码指 令信号调制在 40KHz 的载波上 激励红外光二极管产生不同的脉冲 通过空间传送到 受控机的遥控接收器 P1 口作为按键部分 P0 7 口作为发射部分 电路图如图 7 所示 本系统采用 PH303 红外发射二极管 波长为 940 正向电压在 1 5V 以下 电风扇的智能红外遥控器系统设计 9 R1 红外发射管 LED NPN P0 7 VCC P0 1 发射部分 按键部分 图 7 红外发射电路 2 3 2 键盘电路设计 单片机系统的键盘主要有两种 一种是有编码键盘 另一种是非编码键盘 编码键盘 包括按键和产生键码的硬件电路 当使用时 按下键盘上的按键 硬件 电路就会产生这个键的代码 简称键码 在此时还会产生一个脉冲信号 脉冲信号传 递给 CPU 以接收键码 编码键盘的优点是编写程序简单而且使用方便 缺点所使用的 硬件复杂 非编码键盘 排列成行或列矩阵形式是其按键的特点 按键只能简单地实现接点的 接通或断开 所以要有与之相应的程序相配合 从而实现相应的键码 而且非编码键 盘的一个优点是不需要附加硬件电路 5 为了简洁电路 使用非编码键盘 如图 8 所示 电风扇的智能红外遥控器系统设计 10 U1U6U8U10 U5U7U9U11 U12U14U16U118 U13U15U17U19 P10 P11 P12 P13 6 7 8 5 P13 P12 P11 P10 图 8 矩阵键盘原理图 2 3 3 显示电路设计 显示器是一类比较多见的设备 其种类繁多 但在单片机实例中常用发光二极管显 示器 LED 以及液晶显示器 LCD 两种 由于这两种显示其结构简单 价格便宜 接 口容易实现 因而得到广泛应用 下面介绍 LED 的结构 工作原理以及它的接口电路 LED 显示器又称为数码管 它主要由 8 段发光二极管组成 如图 9 所示 图 9 中 a g 为数字或字符显示段 h 段为小数点显示 通过 a g 为 7 个发光段的不同组合 可 以显示 0 到 9 和 A 到 F 共 16 个字母和数字 例如 当 a b g e d 段亮时 则显 示字幕 F LED 可以分为共阴极和共阳极两种结构 如图 10 1 和 10 2 所示 其中图 10 1 为 共阴极结构 即把 8 个发光二极管阴极连在一起 这时如果需要点亮 a g 中的任何一 盏灯 只需要在相应端输入高电平即可 输入低电平则截止 6 图 10 2 为共阳极结构 其显示端输入低电平有效 高电平截止 表 2 列出了共阳极与共阴极 LED 显示其显示 数字 字母与显示代码之间的对应关系 LED 的显示方式可以分为两种 一是静态显示 二是动态显示 本设计选用动态显 电风扇的智能红外遥控器系统设计 11 示 其特点是似乎各位 LED 是 同时 显示的 动态显示法是目前各种单片机采用的 流行方法 其优点是硬件简单 动态 由软件实现 本设计选用动态显示的方法 其显示格式如表 1 表 2 数码管显示格式 数码管 1数码管 2 风速 D 相应数字 模式 E 相应数字 定时 A 相应数字 数码管的操作电路如图 9 所示 Q2Q2 dp dp g g f f c c d d b b a a e e R19R19 P00 P00 PNPPNP 2 1 图 9 数码管基本操作电路 2 4 接收端电路模块设计 接收端电路 单片机系统及显示电路 红外发射电路 按键电路 电源电路和控制 单元等组成 其设计原理图如下 电风扇的智能红外遥控器系统设计 12 C8051F020 数码管显示 5V电压源交流电源 控制单元 红外接线头 手动按键 整流变压 图 10 红外接收端方框图 2 4 1 红外接收电路设计 在接收过程中 脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为 40KHZ 的电信号 此信号 经过放大 检波 整形 解调 送到解码与接口电路 从而完成相应的遥控功能 接 收电路图见图 11 C4 0 01uF R18 C5 2 2uF 3 2 1 P30 GND VCCP30 红外接收管 图 11 红外接收电路 通常 红外遥控器将遥控信号 二进制脉冲码 调制在 40KHz 的载波上 经过缓冲过 程 放大过程之后被送至红外发光二极管 产生红外信号 7 把前面的遥控编码脉冲对 照 40KHz 载波信号进行脉幅调制 再一次经过缓冲过程 放大过程之后发射出去 红外接收管是接收部分的主要元件 红外接收管是一种光敏二极管 在实际应用时 为了使它能正常工作 需要给红外接收二极管加上反向的偏压 即在电路中反向应用 这样就可以拥有较高的灵敏度 本设计采用 SM0038 红外接收头 见图 12 电风扇的智能红外遥控器系统设计 13 图 12 SM0038 一体化红外接收器的内部包括 红外光敏二极管 接收电路 放大电路 解码器 滤波器等 只要架上 5V 电源 输出引脚直接输出不带副载波的负极性 RC 5 信号 8 具有电路简单 灵敏性高 抗干扰性好等优点 1 和 0 码相应的码形如图 13 所 示 数字 1 1b时间 数字 0 1b时间 图 13 RC 5 信号中的 1 码和 0 码 2 4 2 键盘电路设计 接收端采用矩阵按键 其中 0 1 2 按键用于风扇的定时 模式 调速切换 本设计中 P1 0 用于定时切换 P1 1 用于模式切换 P1 2 用于调速切换 按键原理图如图 14 所示 电风扇的智能红外遥控器系统设计 14 U1U6U7 GND P1 0 P1 1 P1 2 1 2 3 调速 模式 定时 图 14 独立按键原理图 2 4 3 显示电路设计 接收端数码管的选用同发射端的显示部分 采用双位 SN20401 数码管 2 4 4 电源电路设计 直流稳压电源的主要由电源变压器 整流电路 滤波电路和稳压电路四部分组成 图中 C7 用于频率补偿 防止自激振荡和抑制高频干扰 C8 采用电解电容 以减少 电源引入的低频干扰对输出电压的影响 D3 是保护二极管 当输入端短路时 给 C6 一 个放电的通路 防止 C6 击穿 框图如图 15 所示 R21 C6 0 33uF C7 0 1uF C8 100uF D2 LED D3 V V ACAC 2 1 LM7805 R22 1 2 0 VCC D1 GND 4 3 2 1 GND 交流电源 图 15 稳压电源原理图 电风扇的智能红外遥控器系统设计 15 2 5 电机控制电路 2 5 1 电机工作原理 CPU 板将单片机 控制部分 键盘组合在一起完成了人机对话 用 C8051F020 单片 机来做主芯片控制 采用红外 SM0038 接收头 结合继电器控制电机档位 为了能远离 距的制电风扇 采用了红外遥控器 通常红外遥控器由发射和接收两部分组成 发射 部分由单片机 C8051F020 等构成 红外发射器由指令键 指令信号产生电路 调制电 路 驱动电路及红外发射器组成 2 5 2 风的类型 自然风的处理流程如图 17 停6秒强风6秒中风6秒弱风6秒 图 17 自然风的循环图 睡眠风的处理流程如图 18 停6秒强风6秒中风6秒弱风6秒 强风6秒停6秒 图 18 睡眠风的处理流程图 正常风的处理流程如图 19 弱风10秒强风10秒中风10秒 图 19 正常风循环 电风扇的智能红外遥控器系统设计 16 2 5 3 工作方式 本设计有控制风速的自动控制与遥控两种方式控制电路 当选择为自动控制时 单片 机默认为弱风 切换到强风档 主要方便与晚上睡觉时使用 当采用遥控方式时 人 们可以根据自身感受采用遥控器调节风速和风类 也可以采用定时方式 随个人而定 2 5 4 调速原理 电风扇所用的是单相交流电机 因为交流电机需用 220V 电压 而单片机所能承受 的电压是 3 3V 到 5V 所以必须选用中间继电器通过低压控制高压 由于在这里选用的 是通过电压调速 所以将采用电抗器通过调整不同的二次电压的方法对电机进行调速 10 调速原理如图 20 所示 RL2 TSC 124D3H RL1 TSC 124D3H RL3 TSC 124D3H TR2 TRAN 2P5S RL4 TSC 124D3H 调压器 5 4 1 2 U1 OPTOCOUPLER NPN 5 4 1 2 U2 OPTOCOUPLER NPN 5 4 1 2 U3 OPTOCOUPLER NPN 5 4 1 2 U4 OPTOCOUPLER NPN R5 10k R6 10k R7 10k R8 10k 图 20 调速原理 电风扇的智能红外遥控器系统设计 17 2 5 5 调速方法 如图 把电抗器串联到单相电动机电源回路中 通过切换电抗器的线圈抽头来实 现降压调速 当调速开关拨到低时 主绕组 LR 与电抗器 L 串接电源 电源电压的一部 分将降落在电抗器 L 的全部线圈上 因而主绕组 LR 的工作电压降低 LR 产生的磁场减 弱 电动机的转差率就增大 转速显著降低 当调速开关拨至高 主绕组在额定电压 下运行 转速达到最高 当调速开关拨至中 LR 和 LA 工作电压介于高速和低速之间 因此为中速 2 6 其它外围电路 2 6 1 按键去抖动电路 键盘一般是由一组按键按照一定规律组合而成 通过按键的通 断作用输入开关 电压信号 按键由断开到闭会及由闭合到断开时 由于机械触点的弹性作用 按键的 动作不是立刻完成的 在闭合及打开的瞬间有机械抖动的发生 抖动时间一般为 5 10ms 表现在输入电压信号上为输入信号是抖动的不稳定的电平信号 其信号波形如 图 22 所示 理想波形 实际波形 稳定闭合 按下抖动 释放抖动 图 22 按键抖动波形 按键闭合稳态时间由我的按键时间决定 一般为零点几秒到几秒之间 为了消除 键抖动的影响 保证在按键闭合稳定状态下读取键值 需要对键进行消抖处理 常用 的消抖措施有硬件消抖和软件消抖两种 11 电风扇的智能红外遥控器系统设计 18 5V A B 5V 有抖动 无抖动 图 23 硬件消抖电路 硬件消抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行消抖 经过消 抖电路使按键的电平信号只有两种稳定状态 常用的消抖电路有触发器消抖电路 滤 波消抖电路两种 硬件消抖电路见图 23 硬件消抖电路解决了键抖动问题 但当所需按键比较多时 硬件消抖电路将变得复 杂 成本也比较高 而这时就可以采用软件消抖的方法 软件消抖的基本原理是当第 一次检测到有键按下时 根据键抖动时间的统计规律先采用软件延时的方法延时一段 时间 一般可取 10ms 20ms 然后再确认键是否仍保持闭合状态 如仍保持闭合状态 则键真正被按下 此时可读取键值 否则可视为干扰 对其不予理睬 采用软件消抖 方法可省去硬件消抖电路 可键盘的工作速度将被降低 在此设计中使用了软件消抖 采用软件延时的方法延时一段时间再确认键是否仍保持闭合状态 2 6 2 防触电保安器 在使用各种电器的过程中 安全性是一款电器优良性能的一种体现 每年因为触电 造成的事故数不胜数 所以为了提高安全系数 本次设计中将加入防触电模块 国内 常用的事剩余电流动作断路器 该断路器体积不大 灵敏度高 价格适中 我采用的 事 DZ47LE 32 该系列断路器适用于交流 50HZ 额定电压至 400V 额定电流至 32A 的线路 中 做剩余电流保护之用 当有人触电或者电路泄露电流超过规定值的时候 剩余电 流动作断路器能在非常短的时间内自动切断电源 保障用户的人身安全 12 电风扇的智能红外遥控器系统设计 19 3 系统软件设计 3 1 红外发射端程序设计 红外发射端程序流程如图 24 所示 开始 数码管显示并发射 相应信号 调用键盘扫描子程 序 初始化 检测是否 有按键按 下 Y 图 24 红外发射端流程图 电风扇的智能红外遥控器系统设计 20 3 2 遥控码的发射 在某个操作按键被按下时 单片机会相应并且先读出该键键值 从而根据键值来设 定遥控码的脉冲个数 再调制通过红外线发光管发射 通常 红外遥控是将遥控信号 二进制脉冲码 调制在 40KHz 的载波上 经缓冲放大后送至红外发光二极管 转化 为红外信号发射出去的 将遥控编码脉冲对载波信号进行脉幅调制 然后经缓冲放大 后送到红外发光管 可以降低电源消耗而且可以提高抗干扰性能 红外发射步骤 首先装入发射脉冲个数 发射时为 3ms 脉冲 停发时为 1ms 脉冲 如 果脉冲个数为 1 则返回主程序 若不为 1 则发 1ms 脉冲 然后停发 1ms 脉冲 这样就停止 发射过程 在生产生活中 运用红外线遥控时 受到控制距离 角度等影响 使用效果不 是很好 如采用调频或调幅发射接收码 可提高遥控距离 并且没有角度影响 电风扇的智能红外遥控器系统设计 21 开始 返回 停1ms 发射1ms脉冲 停1ms 发3ms脉冲 装入脉冲发射个数 发完 图 25 遥控发射器遥控码发射程序流程图 3 3 红外接收 3 3 1 接收端程序流程 接收端程序流程如图 26 所示 电风扇的智能红外遥控器系统设计 22 开始 数码管显示并发射 相应程序 读键值 初始化 检测是否 有按键按 下 Y 图 26 遥控接收器主程序流程图 3 3 2 数码帧的接收处理 接收数据帧是通过红外线接收器输出的数据为脉冲帧数据时 然后第一位码的低电 平将启动中断程序 当数据帧接收时 会验证第一位码的码宽 1 如果第一位低电平码为低于 2ms 的脉宽 会被当作错误码处理 2 如果间隔位的高电平为高于 3ms 的脉宽时 结束接收 此时来看累加器 A 中 的脉冲个数 从而响应相应输出口的操作 3 红外信号的一个完整全码 引导码 用户码 用户码 数据码 数据反码 其中 引导码高电平 4 5ms 低电平 4 5ms 系统码 8 位 数据码 8 位 共 32 位 其中前 16 位为用户识别码 能区别不同的红外遥控设备 防止不同机种遥控码互相干扰 后 16 位为 8 位的操作码和 8 位的操作反码 用于核对数据是否接收准确 收端根据数据码 做出应该执行什么动作的判断 例如档位调整部分 通过红外解码程序 得到数据的 内容 之后再转换为程序指定的命令 再通过单片机的端口输出高低电平选择电风扇 的档位 电风扇的智能红外遥控器系统设计 23 10ms 3ms 1ms10ms 1ms 第一位 图 27 接收器输出遥控码波形图 一帧 3 4 程序流程 3 4 1 系统主程序流程图 单片机收到一个中断后 开始计数 然后在主程序有一个判断子程序 首先判断 是否 8MS 是否有高电平 再判断是否 4MS 的低电平 然后再判断是否是 0 或 1 循环 32 次 完成 32 个码的接收和存储 流程如图 28 所示 开始初始化 标志位处理程序 监测中断标志位2 检测中断标志位1 主程序 图 28 控制板主程序流程图 3 4 2 各附程序流程图 K1 低 中 高档 相应的指示灯亮 K2 控制彩灯 相应的指示灯亮 K3 自然风 睡眠风 正常风控制 参见 图 a 图 b 图 c K4 定时 30 分钟 1 小时 2 小时 4 小时 相应的指示灯点亮 参见 图 d 电风扇的智能红外遥控器系统设计 24 K5 具有开机功能和关机功能 开始初始化 有键闭合时进 入中断系统 进入待机模式 延迟10秒 主程序 键盘中断处理 程序 读列线有键闭 合 存键 取按键 延时消抖动 读行数有键闭 合 发送 RETI YES YES NO 图 29 按键流程图 电风扇的智能红外遥控器系统设计 25 标志位处理程序 键值与 05H 比较 键值与 04H 比较 键值与 03H 比较 键值与 02H 比较 键值与 01H 比较 清除标志位 键值与 05H 比较 处理K5子程序 处理K4子程序 处理K3子程序 处理K2子程序 处理K1子程序 返回主程序 相等 相等 相等 相等 相等 相等 图 30 键值处理流程 电风扇的智能红外遥控器系统设计 26 4 系统仿真与调试 4 1 编程环境 本设计程序全部采用 Keil 进行编写 Keil uVision2 是目前使用广泛的单片机开发 软件 它集成了源程序编辑和程序调试于一体 支持汇编 C PL M 语言 汇编语言虽然属于低级语言 应用方面不具备明显的优势 13 故本设计就采用 C 语言来实现各项功能 其编译界面如图 31 图 31 编译界面 4 2 系统仿真 为了方便后期的硬件搭建 本设计在前期使用仿真软件 Proteus 对部分系统进行 了仿真 Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的电路分析与实物仿真软件 14 它运 行于 Windows 操作系统上 可以仿真 分析 SPICE 各种模拟器件和集成电路 该软 件的特点是 1 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合 具有模拟电路仿真 数字电路仿真 单片机及其外围电路组成的系统的仿真 RS232 动态仿真 I2C 调试 器 SPI 调试器 键盘和 LCD 系统仿真的功能 有各种虚拟仪器 如示波器 逻辑分 电风扇的智能红外遥控器系统设计 27 析仪 信号发生器等 2 支持主流单片机系统的仿真 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 PIC18 系列 Z80 系列 HC11 系列以及各种外围芯片 3 提供软件调试功能 在硬件仿真系统中具有全速 单步 设置断点等调试功能 同时可以观察各个变量 寄存器等的当前状态 因此在 该软件仿真系统中 也必须具有这些功能 同时支持第三方的软件编译和调试环境 如 Keil C51 uVision2 等软件 4 具有强大的原理图绘制功能 总之 该软件是一款 集单片机和 SPICE 分析于一身的仿真软件 功能极其强大 15 系统仿真图如图 32 所 示 图 32 Proteus 部分仿真界面 通过运用 Keil 编程软件配合 Proteus 软件对本系统进行仿真调试可知 1 在数码管仿真时 不是很稳定 因为写程序是仿真和实际不同 仿真需要消隐 2 在使用键盘扫描模块时 需要有按键的延时去抖程序 从而避免当按下一次 键时 使按键扫描系统检测到有多次按键 做出错误的操作 3 在睡眠风时 由于写程序放在定时所以当按下开关时 风扇不会立马转要等四秒 钟 这点细节处理的不够好 电风扇的智能红外遥控器系统设计 28 结束语 电风扇作为家用电器主力军之一已经存在市场多年 近年来 智能便捷仿佛成了各 种电气设备的标签 迫使一些老家电旧貌换新颜 论文在广泛查阅资料后 根据智能风 扇要求 以老式家用电风扇为设计基础 设计了基于单片机的风扇红外遥控系统 系统以 C8051F020 单片机为核心器件 结合了防触电保安器 采用 LED 显示来实 时的显示时间 采用键盘处理电路来实现人机交互 使其能对风扇的风速以及定时进 行方便的设定 在课题设计期间主要做了以下工作 1 查阅大量智能遥控风扇方面的资料 详细了解了红外遥控电风扇系统的原理 及其发展现状 根据实验设备的条件 做出详细的设计规划 2 根据控制要求 选择了 C8051F020 单片机作为本系统的主控器 3 学习 Protel 原理图绘制软件并绘制系统原理图 4 运用 Proteus 仿真软件及 Keil 编程软件实现本系统的软件仿真及调试 由于时间紧迫 工作量大 使得本系统仍有不足之处有待完善 如 1 风扇的风类设计不是很完善 开机会有四秒钟的等待 2 系统会对于触电进行自动断电保护 但是电机过热方面就缺乏相应的保护 措施了 总之 通过本次设计 我更加深刻的体会到专业知识的重要性 以及为人处世态 度为先的道理 毕业设计的根本意义在于衔接学校和社会 让学生走过一个适当的过 渡阶段 挑战自我检验自我 电风扇的智能红外遥控器系统设计 29 参考文献 1 陈丽芳 C8051 单片机与 RT12864M 液晶显示接口设计 R 大连 大连交通大学 2011 2 徐跃 王跃存 C8051f020X 系列单片机及其应用 J 天津 天津工业大学出版社 2003 5 78 90 3 琢金 德龙 秀峰 CF8051 单片机应用解析 M 北京 北京航空航天大学出版社 2002 7 35 101 4 陈彦林 红外学习遥控器的设计与实现 J 中国教育技术装备 2013 11 55 70 5 张天石 单片机的键盘技术接口设计 J 自动化与仪表 1988 24 7 67 68 6 苏成富 LED 数码管的结构与使用 J 电子家庭 2011 1 3 5 7 唐建东 基于 C51 的红外线遥控器性能测试仪 J 微计算机信息 2010 5 22 24 8 荆丙礼 红外接收器专用模块性能简介及应用 J 集成电路应用 1995 6 21 23 9 胡大友 电风扇智能控制电路 PT2126 及应用 J 国外电子元器件 1995 9 78 80 10 熊建桥 赵方伟 李小龙 基于 51 单片机的智能风扇设计 J 机电产品开发与创新 2011 1 53 55 11 颜福才 按键消抖电路瞬态分析和设计 J 现代电子技术 2014 7 16 18 12 李学龙 单片机控制的智能遥控风扇控制 J 电子工业出版社 2009 6 5 11 13 伍云辉 汤元斌 C 语言程序设计 M 电子科技大学出版社 2007 14 Hu Qian bin Single chip microcomputer principle and application M Wuhan huazhong university of science and technology press 1997 15 Gao You tang Electronic circuit board design system and simulation PROTELDXP M Zhengzhou zhengzhou university press 2005 3 56 58 电风扇的智能红外遥控器系统设计 30 附录 部分仿真电路图 部分程序源代码 主程序 include sbit dwh P3 2 加速档 sbit dwl P3 3 减速档位检测位 char dw 档位处理数据 sbit ds P1 3 定时控制位 sbit qr P1 2 定时确认位 sbit numh P1 1 加