多功能电风扇的设计.doc

毕业设计（论文）题 目多功能电风扇的设计 系 （院）自动化系专 业机械设计制造及其自动化班 级学生姓名学 号指导教师职 称24多功能电风扇的设计摘 要就目前的电风扇结构，大部分只有手动调速，再加上一个定时器，功能比较单一。功能单一带来很多的隐患和不足。本课题围绕原有电风扇的不足，想要能使电风扇具有对环境进行检测的功能，实现空调一样的功能，避免原有风扇的不足。多功能电风扇的设计所要达到的目的：用中规模数字集成电路实现电风扇控制器的控制功能，实现电风扇高中低3级调速；能够遥控开机，关机；能够遥控设定时间定时关闭电扇；设手动档和自动挡，自动档时由室温自动调速；液晶屏显示风扇运行状态。关键词：电风扇，检测，遥控调速，单片机Multi-function Eelectric Fan DesignAbstractAs the current electric fan structure, most of only have manual speed regulation and a timer structure, a single comparison function. Single function in a lot of hidden dangers and insufficient.This topic around the shortage of the original electric fan, wanted to be able to make electric fan has to the environment, to realize the function of the detection of the same function, avoid air conditioning of the shortcomings of the original fan.Multi-function electric fan of design to the purpose: use digital integrated circuit implementation of its electric fan controller control functions, realize stepless speed regulation and low fan 3; Can remote boot, shut down; Remote control to set time timing closure fan; A manual and automatic transmission, keeps when the room temperature automatic speed control; The display on the LCD panel fan operation.Keywords: electric fan, detection, remote control, microcontroller目 录第一章 绪论11.1引言11.2 电风扇的简介11.2.1 电风扇的概述11.2.2 电风扇的种类11.3 电风扇的发展状况21.3.1 电风扇目前的发展状况21.3.2 电风扇的未来3第二章 电风扇的结构52.1 电风扇的构造模型52.2扇叶52.3扇头52.4摇头机构62.5定时器7第三章 电风扇的工作原理93.1电风扇的两种调速原理图93.2PWM脉宽调速10第四章 电风扇的设计内容124.1 设计任务和要求124.2 家用电扇的状态转换图12第五章 电风扇的设计方案145.1系统框图145.2 软件说明145.2.1 DS18B20145.2.2 温度检测电路设计155.2.3 红外接收程序设计155.3硬件说明185.3.1遥控信号接收头185.3.2信号发生电路185.3.3风扇调速电路195.4器材的选用19第六章 制作与调试206.1硬件调试206.2软件调试20第七章 结 论22参考文献23致 谢24第一章 绪论1.1引言随着人们生活水平的提高及科技水平的不断进步，现在的家用电器在款式、功能等各个方面都日益求精，朝着健康、安全、多功能、节能等方向发展。过去的电器不断的显露出其不足之处。电风扇作为家用电器的一种，同样存在一定的问题。现有的电风扇的现状：大部分只有手动调速，再加上一个定时器，功能单一1。存在着很多的隐患和不足：比如说人们常常离开市内忘记关闭电风扇，浪费电更有可能引发火灾，长时间工作还容易损坏电器。再比如说夜间温差较大，风速不会随着气温变化，容易着凉2。之所以会产生这些后果的根本原因是：缺乏对环境的检测。如果能使电风扇具有对环境进行检测的功能，即使房间里面没有人也能自动的关闭电风扇，当温度下降时能自动的减小风速甚至关闭风扇，实现空调一样的功能, 这样一来就避免了上述的不足。本次设计就是主要围绕这两点对原有电风扇进行改进。1.2 电风扇的简介1.2.1 电风扇的概述风扇又称电扇，用于散热，夏天可用来乘凉，还可用来驱散室内热气。1882年，美国纽约的克罗卡日卡齐斯发动机厂的主任技师休伊斯卡茨霍伊拉，最早发明了商品化的电风扇。第二年，该厂开始批量生产，当时的电扇，是只有两片扇叶的台式电风扇。1908年，美国的埃克发动机及电气公司，研制成功世界上最早的齿轮驱动左右摇头的电风扇。这种电风扇防止了不必要的三百六十度转头送风，而成为以后销售的主流3。1.2.2 电风扇的种类根据使用环境选择风扇种类。常用的电风扇有吊扇、落地扇、壁扇、台扇、转页扇。其中吊扇、壁扇为固定安装式，落地扇、台扇、转页扇移动方便，送风范围广。按电动机的结构形式分：有单相电容式、单相罩极式、三相感应式、直流及交直流两用串激整流子式电风扇，按用途可分为家用电风扇和工业用排风扇。家用电风扇有台扇、落地扇、壁扇、顶扇等；台扇中又有摇头的和不摇头之分，也有的转页扇；落地扇中有摇头、转页的。还有一种微风小电扇，是专门吊在蚊帐里的，夏日晚上睡觉，一开它顿时就微风习习，可以安稳地睡上一觉，还不会生病。图1-1 家用风扇示意图工业用的排风扇主要用于强迫空气对流之用。电风扇用久以后，扇叶的下面很容易沾上很多灰尘。这是电风扇在工作时，由于扇叶和空气相互摩擦而使扇叶带上了静电，带电的物体能够吸引轻小物体的性质，从而能够吸收室内飘浮的细小灰尘造成的。图1-2 工业风扇示意图1.3 电风扇的发展状况1.3.1 电风扇目前的发展状况电风扇的销售很大程度上取决于产品外观的新颖和功能的人性化。电风扇企业想要在市场上站稳立足并引领潮流，想要快速提高市场份额必须在外观和功能上有所改进。有学者实验调查分析，消费者对产品取舍的一部分因素来自于自身对产品外观可视性部件的接受度。所以说，加强产品外观可视性部件的技术含量是提升产品销售量的一条捷径。加强电风扇产品的外观可视性就要为工艺设计、功能操作、噪音污染等方面做出进一步调整，由于在家电卖场中，电风扇具有很强的现场演示性，消费者很容易就可以判断出产品的某些部件的优劣4。随着社会的发展、消费者审美观念的转移以及健康节能等大局观念的不断深入，使得电风扇在功能和外观上都要有所进步、功能上：便捷、健康、新奇、节能。从近几年的市场情况来看，已经有很多厂家特别是比较一些专业的厂家已经充分认识到了产品功能上的差异化的重要性，如美的的大厦扇、小厦扇，艾美特的气流扇、联创的空调扇等个性鲜明、功能独特的电风扇，都取得了很好的市场占有率。调研结果显示：电风扇的便捷、健康、新奇、节能四项功能指标占调查结果的前四位。1.3.2 电风扇的未来在空调热的市场带动下，电风扇没有被冷落的主要原因，在于电风扇的性能改进后，新型电风扇可以模拟自然风，让人感觉清爽舒服，没有骤变和空气污浊的感觉。也在于电风扇价格较低，其价格只及空调机的十分之一至二十分之一。同时耗电量小，比较适合缺电少电，有欠发达的地区。目前我国电风扇市场总的来说是供过于求，市场竞争相当激烈，而一部分外商企业也开始把目光投向我们国内电风扇市场。从目前电风扇行业的发展趋势上看，今后电风扇必将仍是人们消暑的主体，不过随着外资在电风扇行业的投资，我国电风扇市场的竞争必然会更加剧烈，只有质量好、样式新的电风扇才能在激烈的市场竞争中占有一席之地。电风扇市场在我国从80年代末开始形成规模，经过了一整个年代的迅猛发展，在十余年时间里，已经完成了产品生命周期的几个阶段。从80年的20万台增至08年的9000万台的电风扇产量，增幅达450倍多，从80年的100万台的社会零售量，经过08年的峰值9000万台，达到目前的平稳值每年一亿万台, 增幅也达到了900倍以上。从80年的3万台增至2008年的3000万台的社会拥有量，更是增长了近千倍。这些数据显示在城镇电风扇市场已进人饱和期，而农村电风扇市场也已经在成长中。首先，因为电风扇在价格、耗电量等方面相对于空调的优势，它的市场地位不可能在短时间内被空调器大量替代。尽管其饱和期较长, 社会零售量和用户人均拥有量也必将维持一段时间的平衡。农村电风扇市场处于成长中, 也是扩容速度最快的阶段, 同时鉴于农村总体市场发展水平缓慢及其市场覆盖范围广大等各方面因素, 在较长的一段时间内, 农村居民应该是电风扇的主要消费者5。第二章 电风扇的结构2.1 电风扇的构造模型图2-1 台扇的基本结构示意图2.2扇叶 （a）芒果型扇叶 （b）火炬形扇叶 （c）芭蕉型扇叶图2-2 台扇常用的扇形示意图2.3扇头电动机结构如图所示。1-转子轴；2-顶丝轴；3-轴承；4-穿钉； 5-坚固螺母；6-前端盖；7-定子线圈；8-定子；9-转子；10-前端盖；11-蜗杆图2-3 电容式电动机结构示意图2.4摇头机构摇头机构由减速机构、连杆机构、控制机构与过载保护装置组成，形式有两种:离合式与揿拨式。离合式摇头机构如图2-4所示。1-离合器压缩弹簧；2-上离合块；3-离合器扣钩；4-钢丝套；5-钢丝拉绳6-蜗杆；7-电机转轴；8-蜗轮；9-摇头直齿轮；10-摇摆连杆；11-中心轴；12-摇摆盘；13-开口销钉；14-啮合轴；15-弹簧片；16-钢珠；17-下离合块；18-销钉图2-4 离合器摇头机构示意图揿拨式摇头机构如图2-5所示。1-螺钉；2-揿拨柄；3-钢珠；4-套盘；5-u型槽；6-蜗轮；7-啮合轴图2-5 揿拨式摇头机构示意图2.5定时器定时器的结构与外形如图2-6所示。（a）外形图 （b）结构示意图（c）结构图2-6 定时器的结构外形第三章 电风扇的工作原理通电线圈在磁场中受力而转动。能量的转化形式是：电能主要转化为机械能，同时由于线圈有电阻，所以不可避免的有一部分电能要转化为内能。电风扇工作时（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高6。因为人体的体表有大量的汗液，当电风扇工作起来以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。 电风扇的两种调速原理图如下。图3-1 调速电路3.1电风扇的两种调速原理图电风扇抽头调速的工作原理图。图3-2 定子绕组抽头调速的风扇电路图与接线图电风扇电抗器调速的电路图如下。图3-3 电抗调速的风扇典型电路3.2PWM脉宽调速基本结构如图3-4。单片机光耦双向晶闸管风速1风速2风速3PWMM图3-4 脉宽结构调速图PWM控制技术就是控制半导体开关器件的导通和关断，得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲从输出端输出，这些脉冲被用来代替正弦波或其他所需要的波形。现在，数字PWM 技术具有控制灵活、高效节能等优势，应用广泛，在分时多路复用系统、射频传输、光数据存储器、通信系统和数字音频系统等系统中都有涉及。它实现了调制过程的全数字化，克服了模拟调制中的不足。 对于参数整定和变参数调节都相较简单，更对通过改变程序软件或调制算法来实现多种方案及完成对不同领域的控制等方面提供了便利，相较于别的控制技术，控制的可靠性和精度都有提高，实现了控制的灵活性。只需要电扇内部线圈的一个抽头就可以完成这种调速，用单片机的一路PWM，通过改变巨型脉冲的占空比，利用一个周期内开通和关断晶闸管达到风扇调速的目的。这种调速方式，硬件电路简单，可以降低成本，而且节约电能7。第四章 电风扇的设计内容4.1 设计任务和要求用中规模数字集成电路实现电风扇控制器的控制功能，具体要求如下：（1）3级调速，高，中，低；（2）遥控开机，关机；（3）能够遥控设定时间定时关闭电扇；（4）设手动档和自动挡，自动档时由室温自动调速；（5）液晶屏显示风扇运行状态。4.2 家用电扇的状态转换图旧式的台式电风扇和落地式电风扇大多采用机械控制，主要控制风速和风向。随着电子技术的发展，最新的家用电风扇多采用电子控制线路，较之以前的机械控制器，使电扇的功能更强，操作也更为简便。图4-1为电扇操作面板的示意图。风速k1定时k3风种k2弱正常强中自然睡眠停止 K4124图4-1 电扇操作面板示意图面板上有九个指示灯，分别代表弱、中、强三种风速；正常、自然、睡眠的三种风种；电扇运转的三种运转时间：1小时、2小时和4小时。面板上的四个按键开关k1、k2、k3、k4，分别对应电扇的风速、风种、定时和停止。风速的弱、中、强对应电扇的转动速度慢、中、快。风种在“正常”位置是指电扇连续不停的运转；在“自然”位置是指电扇以运转4秒、间断4秒的循环方式工作，模拟产生自然风；在“睡眠”位置，电扇运转8秒，间断8秒，这样的循环方式产生轻柔的微风。电扇的所有操作转换过程如图4-2所示。定时器的操作转换图非定时2小时4小时1小时图4-2 家用电扇的操作转换图电扇处于停转状态时，没有亮着的指示灯。只有按“风速”键控制，电扇启动运转，其初始工作状态处于“弱”档“风速”，处于“正常”的“风种”位置，且相应的指示灯亮，使得定时器处于非定时状态，则电扇处于连续运转状态。启动风扇后，控制“风速”键可循环在弱、中或强三种状态中选择任一种状态；控制“风种”键可循环在正常、自然或睡眠三种状态中选择某一种状态。控制“定时”键可循环在非定时或1小时、2小时、4小时的任一种定时工作状态选择状态。风扇在任意工作状态下，按“停止”键，风扇不工作，所有指示灯均熄灭。第五章 电风扇的设计方案STC12C5410单片机LCD1602显示CD4060分频电路DS18B20红外接收电风扇AC220V变压、滤波整流遥控发射MOC3041BTA12-600B蜂鸣器PWM5.1系统框图图5-1 系统结构框图5.2 软件说明发DS18B20复位命令5.2.1 DS18B20程序框图跳过ROM命令发读取温度命令N9字节读完没？NYCRC校验正确?Y移入温度暂存器结束图5-2 DS18B20程序框图5.2.2 温度检测电路设计DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20，是新的“一线器件”，体积小、适用电压宽、经济方便，DSl8820“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在一10+85范围内，精度为05。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。DSl8820可以程序设定912位的分辨率，精度为05，温度采集具有准确性、实时性8。图5-3 温控流程图DSl8820的管脚排列如下：DQ为数字信号输入输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。5.2.3 红外接收程序设计采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图所示。图5-4（注：所有波形为接收端的与发射相反）上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。红外接收程序框图。外部中断0开定时器1N 大于20ms 引导码？N 大于20ms Y等待外部0中断NY32位数据读完？Y键码读取成功关闭定时器1结束图5-5 红外接收程序框图红外读取代码：int0() interrupt 0 if(TH1=0 xb1)TR1=1; / TH1的初值为0 xb1 第一次中断，开定时器1 if(j=8)a=0 x01;k+;j=0; if(TH10 xe4&TH10 xb4&TH10 xb7) /判断读取的数据是不是0 TR1=0;a0 xb8&TH10 xbb) /判断读取的数据是不是1TR1=0;bk+=a;a=1;j+;TL1=0 xdf;TH1=0 xb1;TR1=1; /当计数值溢出时中断 time1() interrupt 3 EA=0; TR1=0; TH1=0 xb1;TL1=0 xdf; if(b0=0 x80&b1=0 x7f)&(b2+b3)=0 xff) /判断本次读数是否有效 ab9=b3; a=0 x01;j=0;k=0;b0=0 x00;b1=0 x00;b2=0 x00;b3=0 x00; IE0 = 0; EA = 1; 5.3硬件说明5.3.1遥控信号接收头接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输9。接收器对外只有3个引脚：Out、GND、Vcc与单片机接口非常方便。 图5-6 接收装置结构图5.3.2信号发生电路这里用CD4060BE分频，产生1024HZ的信号，为单片机的PWM输出提供基准信号。CD4060电压范围为 3 18V，静态电流随电压提高而上升，在 +5V 供电时，静态电流约 0.25 5uA10。图5-7 信号发生电路图5.3.3风扇调速电路图5-8 风扇调速电路图5.4器材的选用（1）发光二极管、按键开关、电阻、电容等；（2）实验设备：数字逻辑实验箱；直流稳压电源；（3）集成电路：液晶屏SMC1602;红外线接收器；数字温度传感器DS18B20；光耦MOC3041；双向晶闸管BTA12-600B等。第六章 制作与调试6.1硬件调试 CPS1CPS000内部时钟, fosc/12。01内部时钟, fosc/2。 10Timer0 溢出。 11由 ECI/P3.4 脚输入的外部时钟。PWM是8位的，所以：PWM的频率=PCA时钟输入源频率/256占空比 = ( pulse_width/256 ) * 100%由于采用外部ECI输入，输入信号频率为1024 Hz所以：PWM的频率=PCA时钟输入源频率/256=4Hz用示波器测量单片机PWM输出的频率和占空比，实测频率为4Hz，运行以下程序时高电平占25%.测试结果与理论值符合。6.2软件调试Keil 软件经过反复调试解决了软件的各种问题以下是PWM的软件的调试程序：#includesfr CH = 0 xF9; sfr CL = 0 xE9;sfr CCON = 0 xD8;sfr CMOD = 0 xD9;sfr CCAP0L = 0 xEA; sfr CCAP0H = 0 xFA;sfr CCAPM0 = 0 xDA; sfr CCAPM1 = 0 xDB;sbit CR = 0 xDE; void main(void) CMOD = 0 x06; / Setup PCA timer CL = 0 x00; CH = 0 x00; CCAP0L = 0 xc0; /Set the initial value same as CCAP0H CCAP0H = 0 xc0; /25% Duty Cycle CCAPM0 = 0 x42; /0100,0010 Setup PCA module 0 in PWM mode CR = 1; /Start PCA Timer. while(1);第七章 结 论本次设计就是主要围绕这两点对原有电风扇进行改进。基于STC12C5410单片机开发的电扇遥控调速系统。电扇遥控系统主要包括普通红外遥控发射器、红外接收电路、液晶显示模块电路、D18B20温度读取模块、信