普通家用落地摇扇的微电脑控制器的电气电路设计.docx

南华大学电气工程学院毕业设计目 录1 绪论21.1新潮电风扇31.2本课题研究42 功能框图设计62.1 主控端部分62.2主控端流程图72.3 电风扇遥控器部分83.各部分电路设计93.1 主控端电源电路93.2 STC89C51的外围电路103.3电风扇遥控电路123.3.1红外接收电路123.3.2 红外发射电路143.4 电风扇定时电路163.5 电机控制173.5.1双向晶闸管的结构183.5.2 双向晶闸管的特性与参数183.5.3 双向晶闸管的触发电路203.5.4单相交流调压电路213.6 风扇的摇头控制263.7电风扇传感器29谢辞31参考文献32附录一 原理图33附录二 红外发射34附录三 PCB图351 绪论许多边缘、交叉学科的发展促进了现代科学技术的进步，尤其是对机电一体化、自动控制、计算机技术以及光电通信技术等科学领域的意义更是非同一般。本文设计的智能遥控电风扇正是以上交叉学科的有机结合体。它的独特之处在于巧妙的采用了红外遥控技术、单片机控制技术，把智能控制技术用于家用落地电风扇的控制中,通过主控单片机STC89C52对电风扇实施智能控制。遥控电风扇是90年代初期在广东珠江三角洲地区做大量的研发和生产，并用专门的掩模芯片作为主控芯片使用发展起来的。本次设计用单片机作了接收配套使用的系统方案。红外线遥控是目前应用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控器具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点。因此红外遥控电路现在已成为一种设计电路的时尚。彩电、录像机、音响设备、空调、玩具、门铃以及遥控汽车路牌等其它小型装置上也纷纷采用红外线遥控。本次设计用到了集成光耦类型器件，主要作用是用5V的直流电作为控制电流，把弱电与强电隔离，实现弱电控制强电的功能。微电子技术、电子计算机技术、现代通讯技术、光电子技术以及空间技术的飞速发展，对继电器技术提出了新的要求，新工艺、新技术的发展无疑对继电器技术的发展起到促进作用。新技术的成群崛起，将促进不同原理、不同性能、不同结构和用途的各类继电器竞相发展。在科技进步、需求牵引以及敏感、功能材料发展的推动下，特种继电器，如温度、射频、高压、高绝缘、低热电势以及非电量控制等继电器的性能将日臻完善。作为一种老式家电，电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积轻巧等特点。由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一个成熟的家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额。面临庞大的市场需要的同时，也要提高电风扇的市场竞争力。使之在技术含量上有所提高，应使风扇不仅功能多样，操作简便，而且更加安全可靠。为此，在现有市场多功能电风扇的基础上，我们提出了一种新型的智能遥控电风扇。该风扇功能更多，添加了很多人性化的设计，如安全保护，倾倒保护，智能照明等，使电风扇更加人性化。可实现：多级调速功能，即提供更多的风力级别和风型，提高用户的舒适度；定时工作功能，即该定时功能可以让用户自己定制风扇工作时间的长短，以提供更人性化的服务；红外遥控功能，即提供远距离非接触式的风扇控制操作。而且这种通过红外实现的智能遥控电风扇更方便人们的使用，尤其对一些行动不便的老人、残疾人特别有意义。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。1.1新潮电风扇冷气风电扇：欧洲市场上推出了一种冷气风电扇，该扇是风扇与冰箱结合体，风扇为长方式并且有一个制冷机芯，芯的中心圆筒中有容量较大的混合液体，将芯置于冰箱3小时后取出配用，即可吹出冷风。 无噪声电扇：日本三菱公司推出一种无噪声电扇。它装有特制的鸟翅状叶片，可产生一股涡动气流，采用直流电机不加防护罩，很适合于微机、文字处理机、复印机及其他工业设备上使用。柴盒电扇。法国生产出一种新型电风扇。它的体积只有火柴盒大小，其厚度为14毫米，长度为62毫米，重量仅为45克，使用12伏至24伏的直流电，2瓦功率，连续使用寿命达到1万小时。 红外线电扇：日本研制成功一种东芝F748型全自动电风扇，当人走近三尺距离内，该扇红外线感应器便启动开关立即送风，在人离开后45秒钟，风扇就会自动关闭，使用十分方便。 四季电扇：德国生产出一种多功能四季电风扇，该电扇配有远红外加热器和负离子发生器，它具有夏季送凉风，冬季送热风，四季送负离子风的特点，具有送暖取凉、净化空气、防腐保健的功效。 灯头电扇：美国发明一种灯头电风扇。这种电扇只要有安装灯泡的灯头，就能装上使用。这种电风扇安装方便，并能节省能源。 温控电扇：日本夏普公司推出了一种新型电风扇，其开停及风量均由温度传感器控制，随室内温度的高低自动调节。当室温超过设定值时，风扇自动启动、高温时送强风，低温时送弱风，当室温降至设定值以下时，风扇即自动关机。 声控电扇：美国通用电器公司研制出一种声音遥控电风扇，该风扇装有微型电子接收器，只需在不超过3米远的地方连续拍手两次。电风扇就会自动运转，再连续拍手三次电风扇又会自动关闭。 绿色电扇：英国研制出一种绿色电风扇。该风扇有一个100亳米直径的太阳能发动机，安置在一个对紫外线敏感的塑料壳后边，把太阳能转换成电能驱动风扇工作。风扇的重量仅 340克，直径215毫米，厚度90毫米，可全年使用。无叶电风扇：应用空气倍增技术，给您营造室内的自然风，平滑，稳定，没有一丝不愉快的振动。采用的是多圆锥气旋，其运作原理是靠底座吸入空气，每秒可以吸入5.28加仑的流量，并通过环形的增压器，从只有1.3mm的孔隙“挤”出空气，而且那孔隙的导流角度为16度，号称空气倍增技术的环状的喷嘴可以将周围的空气增大15倍，形成自然气流；传统风扇都会有像气浪一样的风吹向使用者，但是空气倍增器给您制造的是不间断的平滑稳定的气流，没有一丝震动，让您在室内也可以尽享自然风的吹拂；没有扇叶再也不用担心小孩的手被扇叶刮伤。1.2本课题研究设计一具有如下功能的普通家用落地摇扇的微电脑控制器的电气电路：1、风力档位根据环境温度和湿度等自动实现无级可调；2、送风范围：可70度人工设置；3、可设置8小时范围内的定时启动和关闭；4、液晶显示当前的环境温度、已启动时长等参数，设置时显示设置参数；5、可接受遥控器的全控制，遥控距离不低于5米 本设计主要目标是使普通的电风扇的功能更加强大，使操作简单化、智能化，主要实现以下几个部分的功能： 温湿度智能控功能：风扇可以感知环境的温度和湿度，无极调节风扇的转速，达到更好的工作效果。用户可以选择这种智能调速方式，也可以选择手动设定方式来控制转速。当选择手动设定方式时，该功能不发挥作用。 送风范围人工设定：当风扇的风向不是正对用户时，可通过遥控一次性设定送风角度，不必让风扇先摇头在去停止摇头来控制风向这么麻烦，也减少了用手来改变方向的危险。 智能照明功能：在晚间，当用户接近风扇时，风扇能够探测到人体的接近，从而启动微光照明，方便用户操作并避免用户和风扇或其他物体发生不必要的碰撞。 无极调速功能：提供连续的风力级别和风型，提高用户的舒适度。 定时工作功能：该定时功能可以让用户自己定制风扇工作时间的长短，可以精确到分，以提供更人性化的服务。 液晶显示功能：使用液晶屏显示当前室温，风扇的转速，风扇的工作模式，当前时间，温度，风扇工作时间等参数，美观大方。 红外遥控功能：提供远距离非接触式的风扇控制操作。 2 功能框图设计2.1 主控端部分图2.1 主控端部分电路框图框图建立在对需求的分析上。主控端部分选用最常见的STC公司的STC89c52单片机作为中央处理器，负责处理由遥控器发送过的指令信号，并根据指令做出相应的状态调节及相关显示。此单片机与MCS-51产品指令系统完全兼容，由4K字节可重擦写Flash闪速存储器，128*8字节内部RAM，32个可编程I/O口线，2个16位定时/计数器和4个中断源，并且该单片机经济实用，使用广泛。这里用到STC89C52的最小系统电路包括：电源电路、实时时钟电路、显示电路、复位电路等。由于暂时只是显示很少内容，所以本次设计不用外接存储扩展。开始2.2主控端流程图系统初始化液晶显示温度时间等检测是否有按键？Y键盘处理子模块N检测是否有红外信号？Y红外处理子模块NN是否定时Y定时处理子模块图2.2 主控制端流程图以上流程图大体过程是在主程序初始化之后，开始显示时间和温度，然后反复检测各模块相关部分的缓冲区的标志，如果缓冲区标志置位，说明有相应的数据需要处理，然后主程序调用相应的处理子模块。 这里，对于红外处理，当检测到有红外信号时，实时的通过串口中断子程序将数据传给主程序，通过解码得到对应信息，并对相应缓冲区标志被置位，将调用对应的行为处理子模块处理。 对于时间和温度，我们采用直接连续采集数据的方法，初中断时不处理。在定时中断子程序中，特殊采集相应的数据，并进行判断，如果是异常数据，则将数据保存在系统缓冲区，同时置对应的缓冲区标志。然后主程序将会调用相应的子程序进行处理。 当有按键按下的时候，采用键盘中断子程序扫描相应的键盘码，然后发给主程序，置对应的键盘按键标志位。在主程序中，当有按键按下的时候，调用对应的键盘处理子程序。 2.3 电风扇遥控器部分图2.3 遥控器部分电路框图遥控器部分选用TC9148作为编码器，主要完成按键识别及指令的发送。无线发送部分采用红外来实现。红外线遥控是目前应用最广泛的一种通信和遥控手段。红外遥控器由于其体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，已经在家电产品设备中广泛应用，如彩电、录像机、音响设备、空调、玩具、门铃以及遥控汽车路牌等其它小型装置上也纷纷采用红外线遥控。现代智能化仪器仪表系统、工业设备中的控制输入也较多地使用红外遥控器。3.各部分电路设计每一个电路用Protel重画，另外还需要有适当的计算。3.1 主控端电源电路数字电路(包括单片机)对电源要求相当低，5V供电纹波达100mV甚至200mV对工作几乎没有什么影响。不像模拟电路，尤其是音频电路，对纹波要求要高得多。LM2575这类开关芯片输出纹波与外接的LC滤波元件有很大关系，与电路布线关系也相当大，一般情况可以给单片机供电。STC89C52RC的工作电压范围是：3.3V5.5V，整体流过单片机的电流总和不要超过70mA。图3.1 主控端部分电源电路如图3.1所示：（1）市电经过变压器后输出到4个整流二极管构成了桥式整流电路；（2）7805稳压管起稳压作用；（3）电容用来去干扰，减少外界对直流电源的干扰；LED显示。市电220V经过220V7.5V变压后得到峰值为7.5V的正弦交流电，再经桥式整流电路及稳压管和电容的滤波，最后可得到稳定的直流输出，其输出端的电压为稳定直流，电压大小为5V 。实测得此电源输出直流电压为：Uout=4.97V 0.01V 图3.2 变压器输出波形 图3.3 整流后输出波形3.2 STC89C51的外围电路 图3.4 AT89S51的外围电路（1）时钟脉冲电路STC89C52单片机的最高时钟脉冲频率已经达到了24MHz ，它内部已经具备了振荡电路，只要在STC89C52的两个引脚（即19、18脚）连接到简单的石英振荡晶体的2个管脚即可，同时晶体的2个管脚也要用30pF的电容耦合到地。 图3.5 时钟脉冲电路如图2.5，此部分电路接在STC89C52芯片的18，19脚。18，19脚内部有一反向放大电路，能产生自激振荡，由晶体振荡器（11.0592MHZ）控制频率。电容C1，C2（20P30P）控制频率在一定的范围稳定。安装时应注意：晶振部分电路是相对高频，接线应尽量短，紧靠芯片安装；两个电容中间接地端，要与芯片接地端最短连接；用示波器测一个脚的波形，注意要有测试线。（2）复位电路STC89C52的复位引脚（REST）是第9脚，当此引脚连接高电平超过2个机器周期，即可产生复位的动作。以24MHz的时钟脉冲为例，每个时钟脉冲为0.5S，两个机器周期为1S，因此，在第9脚上连接一个2S的高电平脉冲，即可产生复位动作。最简单的就是只有一个电阻跟一个电容就可可靠复位的电路，电阻一般选择10K，电容一般选择10F，如图3.6所示。图3.6 通电瞬间复位电路为什么要用复位？产品长期工作，无人管理时，要它几十年不出问题就必须使用复位电路。由PC指针控制运行程序，PC是一个六管静态存储器，PC中的数据是一个随机数，操作数可能通过变指令、跳指令导致结果乱执行。用复位将PC指针拉到0000H的位置，即PC 由图3.16可见，当时，180。如果触发脉冲为窄脉冲，当ug2出现时，VT1管的电流还未到零，VT1管关不断，VT2管不能导通。当VT1管电流到零关断时，ug2脉冲已消失，此时VT2管虽已受正压，但也无法导通。到第三个半波时，ug1 又触发VT1导通。这样负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。 综上所述，单相交流调压有如下特点： 电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致。改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。 电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当时，会出现一个晶闸管无法导通，产生很大直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。电感性负载时，最小控制角min(阻抗角)。所以的移相范围为180，电阻负载时移相范围为0180。图3.17 单相交流调压电感负载电路图图3.18 单相交流调压电感负载波形图(a) (b) (c) 3固态开关固态开关也称为固态继电器或固态接触器，它是以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件。图319(a)为采用光电三极管耦合器的“0”压固态开关内部电路。1、2为输入端，相当于继电器或接触器的线圈；3、4为输出端，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。输入端接上控制电压，使发光二极管VD2发光，光敏管V1阻值减小，使原来导通的晶体管V2截止，原来阻断的晶闸管VT1通过R4被触发导通。输出端交流电源通过负载、二极管VD1VD6、VT1以及R6构成通路，在电阻R5上产生电压降作为双向晶闸管VT2的触发信号，使VT2导通，负载得电。由于VT2的导通区域处于电源电压的“0”点附近，因而具有“0”电压开关功能。 图319(b)为光电晶闸管耦合器“0”电压开关。由输入端1、2输入信号，光电晶闸管耦合器B中的光控晶闸管导通；电流经3-VD4-B-VD1-R4-4构成回路；借助R4上的电压降向双向晶闸管VT的控制极提供分流，使VT导通。由R3、R2与V1组成“0”电压开关功能电路。即当电源电压过“0”并升至一定幅值时,V1导通，光控晶闸管则被关断。 图319(c)为光电双向晶闸管耦合器非“0”电压开关。由输入端1、2输入信号时，光电双向晶闸管耦合器B导通；电流经3-R2-B-R3-4形成回路，R3提供双向晶闸管VT的触发信号。这种电路相对于输入信号的任意相位，交流电源均可同步接通，因而称为非“0”电压开关。图3.19 固态开关3.6 风扇的摇头控制要求送风范围可70度人工设置，就要求在一定的方位不仅可以固定送风，还可以范围内送风。老式电风扇都是用机械传动实现摇头送风，现在有些是电动式摇头，但都做不到设定送风角度。在本设计中，运用舵机来驱动电风扇摇头。 图3.20电风扇电动式摇头一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。 工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。 舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。 舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。 舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通常介于46V，一般取5V。注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用图3.21来表示。 图3.21 舵机角度与信号脉宽的关系您可以想象，一个短促的脉冲，紧接着很长的停顿，这意味着舵机控制精度是不够高的，这也是为什么模拟舵机有“无反应区”的存在。比如说，舵机对于发射机的细小动作，反应迟钝或者根本就没有反应。对于数码舵机，它提升了脉冲密度，轻微的信号改变都会变的可以读取，这样无论是遥控杆的轻微变动，或者舵机摇臂在外力作用下的极轻微变动，都会能够检测出来，从而进行更细微的修正，但不推荐使用。那么我们来看数码舵机的缺点：1、数码舵机需要消耗更多的动力。其实这是很自然的。数码舵机以更高频率去修正马达，这一定会增加总体的动力消耗。2、相对较短的寿命。其实这是很自然的。马达总在转来转去做修正，这一定会增加马达等转动部位的消耗。对于家用电气耐用和安全摆在首位，其次是要求能耗低，而对于要求精度不高的电风扇摇头控制，不需要数码舵机。3.7电风扇传感器由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。温度传感器是其中重要的一类传感器。其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。在绪论中提到各种新型电风扇大部分都是对传感器的应用，传感器实现了家电的智能化，是未来家电主要方向。对于家用电风扇的传感器有一定的性能指标，在本设计中主要实现温度与湿度同时控制电风扇的转速，同时实现无级调速。主要技术参数 温度检测范围 ： -30-+50 测量精度 ： 0.5 湿度检测范围 ： 10%-100%RH 检测精度 ： 1%RH湿度计显示的相对湿度，指的是空气中水蒸汽密度与该温度下饱和水蒸汽密度的比，也可以理解为空气中水的含量与该温度下空气中最大的含水量的比，而饱和水气压在温度高时大，即温度高时，空气中可以含更多的水；当一定体积的空气中实际含的水量未变化时，该量与最大含水量的比值会因温度升高，最大含水量的值增加而下降，即随温度上升，相对湿度下降。 在同样的相对湿度下，夏天的空气比冬天能容纳更多的水，所以夏天湿衣服总要干的快一些。 比如：摄氏10和30度，其饱和水蒸气密度，分别是0.00940(kg/m3)和0.03036(kg/m3) 在摄氏10度环境中，当空气实际所含水蒸气密度0.00470(kg/m3)时，湿度为50% 在摄氏30度环境中，当空气实际所含水蒸气密度0.01518(kg/m3)时，湿度也为50% 露点温度定义：在一定大气压下，湿空气在含湿量不变的情况下，冷却到相对湿度等于100%时所对应的湿度，称为露点温度.空气中实际所含水蒸汽密度和同温度下饱和水蒸汽密度的百分比值,叫做空气的“相对湿度”。由于传感器发展迅速，各种集成传感器出现，DHT91就是一两线串行接口的数字温湿度传感器，它内部包含A/D模块，单片机可直接连接传感器引脚进行数据传输。大量减少了单片机外围电路用起来方便。谢辞从论文的认真选题、资料的广泛搜集到整个系统的设计，我的综合能力得到了很大的提高。在论文的硬件电路设计中对STC89C52单片机的应用、LCD显示原理、红外编码发送/接收解码、传感器应用等有深刻的认识。对于本论文的设计，是大学四年来专业的理论知识与实践技能的一次大的综合应用与学习能力的考验。 了解了单片机软件开发的基本流程；模电、数电知识的综合应用；加深了Altium designer、ProtelDXP、Office及各种专业制图软件的应用和使用技巧；程序的模块化流程图设计方法和程序的调试方法等。此次亲身体验使我的专业知识得到了巩固,同时也提高了我独立思考和解决问题的能力。当然，本课题的设计存在一些不足，还有期待更正的地方。在论文的完成过程中，还得到其他学院多位老师和同学的热情帮助，在此表示感谢！最后，向所有曾给予我关心和帮助的师长、朋友及家人表示感谢!参考文献1张萌，和湘，姜彬编著. 单片机应用系统开发综合实例M，北京：清华大学出版社，2007年2刘进山，基于MCS-51电风扇智能调速计的设计，电子质量，20