电风扇模拟控制系统

福建电力职业技术学院 课 程 设 计 课程名称 智能仪器 题目 电风扇模拟控制系统设计 专业班次 11 三 建筑电气 1 姓 名 林毅宾 学 号 201128013116 指导教师 张继伟 学 期 2012 2013 学年 第一学期 日 期 2014 4 目 录 引言引言 I 第一章第一章 设计任务设计任务 1 1 1 课题内容 1 1 2 课题任务 1 第二章第二章 系统设计方案系统设计方案 2 2 1 设计方案特点 2 2 1 1 系统的工作原理 2 2 1 2 系统的组成 2 2 1 3 系统设计框图 2 第三章第三章 系统硬件设计与软件设计系统硬件设计与软件设计 3 3 1 系统硬件设计电路图 3 3 1 1 系统复位电路和时钟电路 4 3 1 2 AT89C51 单片机电源电路 4 3 1 3 稳压芯片 7805 4 3 1 4 集成块 74LS245 功能 4 3 1 5 集成块 74LS06 功能 4 3 1 6 LED 显示电路 4 3 1 7 直流电机原理 5 3 2 系统软件设计 5 3 2 1 占空比技术 5 3 2 2 程序框图 5 3 2 3 电风扇系统控制程序 6 3 2 4 系统程序清单 7 第四章第四章 总结总结 8 参考文献参考文献 9 I 引言 电风扇简称电扇 香港称为风扇 日本及韩国称为扇风机 是一种利用电动 机驱动扇叶旋转 来达到使空气加速流通的家用电器 主要用于清凉解暑和流 通空气 广泛用于家庭 办公室 商店 医院和宾馆等场所 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 如今的电风扇已一改人们印象中的传统形象 在外观和功能上都更追求个 性化 而电脑控制 自然风 睡眠风 负离子功能等这些本属于空调器的功能 也被众多的电风扇厂家采用 并增加了照明 驱蚊等更多的实用功能 这些外 观不拘一格并且功能多样的产品 预示了整个电风扇行业的发展趋势 其主要 原因 一是风扇和空调的降温效果不同 空调有强大的制冷功能 可以快速 有效地降低环境温度 但电风扇的风更温和 更加适合老人儿童和体质较弱的 人 使用 二是电风扇有价格优势 价格低廉而且相对省电 安装和使用都非常 简单 本课程设计的目的 1 培养针对课题需要 选择和查阅有关手册 图表及文献资料的自学能力 提高组成系统 编程 调试的动手能力 2 通过对课题设计方案的分析 选择 比较 熟悉单片机用系统开发 研 制的过程 软硬件设计的方法 内容及步骤 3 巩固 加深和扩大单片机应用的知识面 提高综合及灵活运用所学知识 解决工业控制的能力 1 第一章 设计任务 1 1 课题内容 电风扇模拟控制系统设计 1 2 课题任务 1 用 4 个 LED 显示电风扇的工作状态 1 2 3 4 四档风力 显示风类 自然风 常风 和 睡眠风 2 设计 自然风 常风 和 睡眠风 三个风类键用于设置风类 3 设计一个 定时 键 用于定时时间长短设置 设计一个 摇头 键用于控制电机摇头 2 第二章 系统设计方案 2 1 设计方案特点 1 初始加电时 电风扇不加电 四位数码显示器不显示 只有按下 自然 风 常风 和 睡眠风 任一按键 电风扇开始工作 同时 定时器只要 不进行新的时间设置 电路就将按系统默认控制负载定时工作的时间方式自动 开始运行 2 电路允许用户随时通过按键开关自行输入设置新的定时时间参数 其范 围可在 1 分钟至 990 秒之间任意设置 3 在进行时间参数设置和整个定时过程中 系统采用四位数码管显示 最 高位显示风类 后三位显示定时时间 做 百位 十位 个位 的倒计时显示 同时用数码管上小数点的同步闪亮作为秒显示 显示直观 准确 4 在整个定时状态下 电路具有允许用户随时自行选择使用 自然风 状 态 也可选择使用 常风 和 睡眠风 状态 5 按下 摇头 键 摇头 电机先正转 30ms 再反转 30ms 如此往复 2 1 1 系统的工作原理 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 俗称 单片机 AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器件采用 ATMEL 高密度非 易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C2051 是它的一种精简版本 AT89C51 单片机为很 多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 2 2 1 2 系统的组成 AT89C51 单片机主要功能部件 与 MCS 51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器 寿命 1000 写 擦循环 数据保留时间 10 年 全静态工作 0Hz 24MHz 三级程序存储器锁定 128 8 位内部 RAM 32 可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2 1 3 系统设计框图 本设计采用 AT89C51 单片机为核心控制器件 系统框图如图 2 所示 图 2 键盘功能输入AT89C51 控制电机 输出显示 3 第三章 系统硬件设计与软件设计 3 1 系统硬件设计电路图 该系统以 AT89C51 单片机为核心 由电源电路 时钟电路 复位电路 显示电路 键盘 电机组成 图 3 是系统硬件电路图 图 3 4 3 1 1 系统复位电路和时钟电路 复位电路 首先形成单片机最小系统 在 89C51 单片机芯片 XTAL1 XTAL2 加入时 钟电路 RST 加入复位电路 EA 加入高电平 89C51 的复位是由外部的复位电路来实现的 复位电路分为上电复位和手 动复位 我们采用的是上电 手动复位 正常工作时按下 S1 键 9 脚变成高电 平 单片机复位 按键松开 通过电容放电 9 脚回到低电平 采用的是 12MHZ 晶振 所以 C 10uf R2 8 2K R1 200 如图 4 图 4 时钟电路 89C51 单片机的时钟信号通常有两种方式产生 一是内部时钟方式 二是外 部时钟方式 采用内部时钟方式 89C51 单片机各功能的运行都是以时钟控制 信号为基准 有条不紊的工作 因此 时钟频率直接影响单片机的速度 时钟 电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性 89C51 内部有一个用于构成振荡 器的高增益反相放大器 该高增益反相放大器的输入端为芯片引进 XTAL1 输 出端为引脚 XTAL2 这两个引脚跨接石英晶体振荡器 简称晶振 和微调电容 就构成一个稳定的自激振荡器 如图 5 时钟电路所示 是 89C51 内部时钟方式 的振荡器电路 电路中的电容 C1 C2 典型值通常选择 30pF 对外接电容虽然 没有严格要求 但电容的大小会影响振荡器频率的高低 振荡器稳定性和起振 的快速性 晶振的频率越高 则系统的时钟频率也就越高 单片机的运行速度 也越快 此次实验我们选择的晶振是 12MHZ 晶振 晶振为 12MHZ 时的机器周期的计算 一机器周期 12 个振荡周期 1 个振荡周期 T 1 f 时钟频率 f 1 T 一机器周期 1 f 12 若晶振 12MHZ 一机器周期 1 12 12 1uS 外部时钟方式时把外部已有的时钟信号引入到单片机内 此方式常用于与 多片 89C51 单片机同时工作 以便于各单片机的同步 4 图 5 3 1 2 AT89C51 单片机电源电路 电路主要分为 变压 整流 滤波 稳压四个部分 电流进入电路 通过 一个 220V 变 9V 的电源变压器把 220V 的交流电压变为 9V 的交流电压 然后 通过整流器把 9V 交流 功率为 15W 左右 变压器次级线圈输出的 9V 交流电 压经过全桥 QD2 进行全波整流 C19 滤波 7805 稳压后 输出稳定的 5V 直流 工作电压 如图 7 图 7 3 1 3 稳压芯片 7805 稳压芯片 7805 系列为 3 端正稳压电路 TO 220 封装 能提供多种固定的 输出电压 应用范围广 内含过流 过热和过载保护电路 带散热片时 输出 电流可达 1A 虽然是固定稳压电路 但使用外接元件 可获得不同的电压和电 流 外形图及引脚排列如图 8 所示 4 图 8 它的主要特点 输出电流可达 1A 输出电压有 5V 过热保护 短路保护 输出晶体管 SOA 保护 功能框图如图 9 所示 图 9 3 1 4 集成块 74LS245 功能 74LS245是我们常用的芯片 用来驱动 LED 或者其他的设备 它是8路同 相三态双向总线收发器 可双向传输数据 74LS245还具有双向三态功能 既可以输出 也可以输入数据 4 当89C51单片机的 P0口总线负载达到或超过 P0最大负载能力时 必须接入 74LS245等总线驱动器 当片选端 CE 低电平有效时 DIR 0 信号由 B 向 A 传输 接收 DIR 1 信号由 A 向 B 传输 发送 当 CE 为高电平时 A B 均为高 阻态 由于 P2口始终输出地址的高8位 接口时74LS245的三态控制端 1G 和 2G 接地 P2口与驱动器输入线对应相连 P0口与74LS245输入端相连 E 端接 地 保证数据现畅通 89C51的 RD 和 PSEN 相与后接 DIR 使得 RD 且 PSEN 有效时 74LS245输入 P0 i Di 其它时间处于输出 P0 i Di 3 1 5 集成块 74LS06 功能 74LS06 器件包含 6 路反相缓冲器 驱动器 带有高压集电极开路输出 可 连接高电平电路的接口 如 MOS 可驱动高强度电流负载 当然也可以充当 反相缓冲器用于驱动 TTL 输入 74LS06 的额定输出电压为 30 V 74LS06 的最 大吸取电流为 40mA 74LS06 兼容大多数 TTL 电路 74LS06 的输入是二极管钳位式 可以把传 输产生的不良影响降到最低 大大简化了电路的设计 74LS06 典型功耗为 175 mW 平均传输延迟时间为 8ns 六高压输出反相缓冲器 驱动器 OC 30V 简要说明 7406 为集电极开路输出的六组反相驱动器 其主要电特性的典 型值如下 tPLH tphl PD 10ns 15ns 155mW 引出端符号 1A 6A 输入端 1Y 6Y 输出端 极限值 电源电压 7V 输入电压 5 5V 输出截止态电压 30V 工作环境温度 7406 0 70 存储温度 65 150 如下图 4 3 1 6 LED 显示电路 根据设计要求并综合各方面因素 可以采用 AT89C51 单片机作为主控制 器 用动态扫描法实现 LED 数字显示 驱动信号用单片机的定时器完成 显示 电路如下图 10 所示 4 图 10 5 3 1 7 直流电机原理 直流电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置 它能使绕组在气隙磁 场中旋转感应出交流电动势 并依靠换向装置 将此交流电变为直流电 其产 生交流电的物理根源在于电机中存在磁场和与之有相对运动的电路 即气隙磁 场和绕组 旋转绕组和静止气隙磁场相互作用的关系可通过电磁感应定律和电 磁力定律来分析 3 2 系统软件设计 3 2 1 占空比技术 在一串理想的脉冲序列中 如方波 正脉冲的持续时间与脉冲总周期 的比值 例如 脉冲宽度1 s 信号周期4 s 的脉冲序列占空比为0 25 在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值 在 CVSD 调制 continuously variable slope delta modulation 中 比特 1 的 平均比例 在周期型的现象中 现象发生的时间与总时间的比 负载周期在中文成语中有句话可以形容 三天打渔 两天晒网 则负载周期 为0 6 占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值 如下图 3 2 2 程序框图 5 主程序流程图 显示 置占空比 1 3 Y N 置占空比 3 1 Y N 置占空比 1 5 Y N 开定时器 0 中断 定时键计数器加 1 Y N 摇头键 按下吗 开摇头电机 电机过 热吗 Y N 关风扇电机 关中断 关摇头电机 显示过热 Y N 自然风键 按下吗 常风键 按下吗 睡眠风键 按下吗 定时键 按下吗 初始化 开始 5 定时计数器 等于 7 吗 定时时间加 10s 定时计数器清 0 Y 定时时间清 0 清标志位 N 定时器 T0 中断程序流程 图 关中断 置初值 置初值 1s 到 了吗 定时时间减 1s Y N 5 定时器 T1 中断程序流程图 定时时间到 了吗 关中断 电机停 显示 中断返回 开中断 关中断 Y N 标志位为 1 电机控制位高 电平吗 置标志位 标志位为 1 置标志位 Y Y N N Y N 6 3 2 3 电风扇系统控制程序 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0030H START CLR P3 7 CLR 02H CLR 00H 占空比的要求达到 电机控制位取反 清标志位 置定时器 1 初值 占空比的要求达到 电机控制位取反 清标志位 置定时器 1 初值 开中断 中断返回 6 CLR 05H MOV 41H 0AH MOV 42H 00H MOV 46H 00H SETB EA SETB ET1 SETB ET0 MOV TMOD 11H MOV TL0 0B0H MOV TH0 3CH MOV TL1 0B0H MOV TH1 3CH CLR 01H MOV 45H 0 MOV R4 20 START1 LCALL DISPLAY JB P3 0 NZRF SETB 00H SETB TR1 MOV 47H 1 MOV 48H 3 MOV 41H 1 NZRF JB P3 1 NCF SETB 00H SETB TR1 MOV 47H 3 MOV 48H 1 MOV 41H 2 6 NCF JB P3 2 NSMF SETB 00H SETB TR1 MOV 47H 1 MOV 48H 5 MOV 41H 3 NSMF JB P3 3 WDS ACALL MS10 ACALL MS10 ACALL MS10 ACALL MS10 JNB P3 3 SZ LJMP WDS SZ JNB P3 3 ACALL MS10 ACALL MS10 SETB 01H MOV A 00H JNC WDS SETB TR0 SETB ET0 INC 45H MOV A 46H ADD A 10 MOV 46H A MOV A 45H CJNE A 7 WDS 6 MOV 45H 0 MOV 46H 0 CLR 01H CLR 00H MOV 41H 0 MOV 42H 0 WDS JB P3 5 WYT ACALL MS10 ACALL MS10 ACALL MS10 ACALL MS10 JNB P3 5 SZ1 LJMP WYT SZ1 JNB P3 5 ACALL MS10 ACALL MS10 SETB P3 1 CLR P3 0 WYT JB P3 6 WGR ACALL MS10 ACALL MS10 ACALL MS10 ACALL MS10 JNB P3 6 SZ2 LJMP WGR SZ2 SETB P3 7 6 CLR P3 0 CLR P3 1 CLR TR1 CLR TR0 MOV 41H 0BH WGR LJMP START1 INTT1 PUSH ACC PUSH PSW CLR ET1 CLR TR1 JB P3 7 A1 MOV C 05H JC AAA MOV R1 47H SETB 05H AAA DJNZ R1 B2 CPL P3 7 CLR 05H SJMP FH B2 MOV TL1 0B0H MOV TH1 3CH SJMP FH A1 MOV C 05H JC CCC MOV R1 48H SETB 05H CCC DJNZ R1 B3 6 CPL P3 7 CLR 05H B3 MOV TL1 0B0H MOV TH1 3CH FH POP PSW POP ACC SETB ET1 SETB TR1 RETI INTT0 PUSH ACC PUSH PSW CLR ET0 CLR TR0 MOV A 0B7H ADD A TL0 MOV TL0 A MOV A 3CH ADDC A TH0 MOV TH0 A SETB TR0 DJNZ R4 OUT0 M1 DEC 46H MOV R4 20 MOV A 46H CJNE A 0 OUT0 CLR TR0 CLR TR1 6 SETB P3 7 CLR 00H MOV 41H 0AH MOV 42H 0AH POP PSW POP ACC RETI OUT0 POP PSW POP ACC SETB ET0 RETI DISPLAY MOV DPTR TAB MOV A 46H MOV B 10 DIV AB MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 2 LCALL MS10 CLR P2 2 MOV A B MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 3 LCALL MS10 CLR P2 3 6 MOV A 42H MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 1 LCALL MS10 CLR P2 1 MOV A 41H MOVC A A DPTR MOV P0 A SETB P2 0 LCALL MS10 CLR P2 0 RET MS10 MOV R0 100 MS NOP DJNZ R0 MS RET NOP NOP RET TAB DB 81H 0F2H 48H 60H 32H 24H DB 04H 0F0H 00H 20H 7EH 0FFH END 7 3 2 4 系统程序清单 名称型号数量代码 单片机AT89C511 只 AT89C51 三端稳压块78051 只7805 极性电容10uf1 只CAPACITOR POL 电容30pf2 只CAP 电阻2001 只RES 电阻8 2k1 只RES 电阻5 1k5 只RES 电阻1001 只RES 电阻4704 只RES 晶振12M1 只CRYSTAL 按钮任意6 只SW PB 三极管8550 PNP 1 只PNP 集成块74LS061 只74LS06 集成块74LS2451 只74LS245 四位一体 LED 管 SM4203641 只SM420364 电机任意1 只MOTOR AC 8 第四章 总结 本设计报告主要介绍了用单片机实现的模拟电风扇的设计方法 系统介绍了 该电路的硬件构成和软件工作过程 系统以 AT89C51 为核心 主要采用中断控 制系统 结合所学的单片机的知识 实现系统的功能要求 通过这次课程设计 使我对单片机及其附属电路有了一定的了解 对课本上的知识有了近一步的掌