毕业论文（设计）：基于单片机的智能电风扇控制系统设计

目录第1节引言311智能电风扇控制系统概述312本设计任务和主要内容3第2节系统主要硬件电路设计521总体硬件设计522数字温度传感器模块设计5221温度传感器模块的组成5222DS18B20的温度处理方法623电机调速与控制模块设计7231电机调速原理7232电机控制模块硬件设计824温度显示与控制模块设计9第3节系统软件设计1031数字温度传感器模块程序设计1032电机调速与控制模块程序流程15321程序设计原理15322主要程序16第4节结束语19参考文献20基于单片机的智能电风扇控制系统第1节引言电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，市场人士称，家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。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。尽管电风扇有其市场优势，但传统电风扇还是有许多地方应当进行改良的，最突出的缺点是它不能根据温度的变化适时调节风力大小，对于夜间温差大的地区，人们在夏夜使用电风扇时可能遇到这样的问题当凌晨降温的时候电风扇依然在工作，可是人们因为熟睡而无法察觉，既浪费电资源又容易引起感冒，传统的机械定时器虽然能够控制电风扇在工作一定后关闭，但定时范围有限，且无法对温度变化灵活处理。鉴于以上方面的考虑，我们需要设计一种智能电风扇控制系统来解决这些问题。11智能电风扇控制系统概述传统电风扇是220V交流电供电，电机转速分为几个档位，通过人为调整电机转速达到改变风力大小的目的，亦即，每次风力改变，必然有人参与操作，这样势必带来诸多不便。本设计中的智能电风扇控制系统，是指将电风扇的电机转速作为被控制量，由单片机分析采集到的数字温度信号，再通过可控硅对风扇电机进行调速。从而达到无须人为控制便可自动调整风力大小的效果。12设计任务和主要内容本设计以MCS51单片机为核心，通过温度传感器对环境温度进行数据采集，从而建立一个控制系统，使电风扇随温度的变化而自动变换档位，实现“温度高，风力大，温度低，风力弱”的性能。另外，通过键盘控制面板，用户可以在一定范围内设置电风扇的最低工作温度，当温度低于所设置温度时，电风扇将自动关闭，当高于此温度时电风扇又将重新启动。本设计主要内容如下风速设为从高到低5个档位，可由用户通过键盘手动设定。当温度每降低2则电风扇风速自动下降一个档位。当温度每升高2则电风扇风速自动上升一个档位。用户可设定电风扇最低工作温度，当低于该温度时，电风扇自动停转。第2节系统主要硬件电路设计21总体硬件设计系统总体设计框图如图21所示图21系统原理框图对于单片机中央处理系统的方案设计，根据要求，我们可以选用具有4KB片内E2PROM的AT89C51单片机作为中央处理器。作为整个控制系统的核心，AT89C51内键盘输入温度显示单片机系统电机控制模块数字温度传感模块部已包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统。整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高。是比较合适的方案22数字温度传感器模块设计温度传感器可以选用LM324A的运算放大器，将其设计成比例控制调节器，输出电压与热敏电阻的阻值成正比，但这种方案需要多次检测后方可使采样精确，过于烦琐。所以我采用更为优秀的DS18B20数字温度传感器，它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，降低了电路的复杂程度，提高了电路的运行质量。221温度传感器模块组成本模块以DS18B20作为温度传感器，AT89C51作为处理器，配以温度显示作为温度控制输出单元。整个系统力求结构简单，功能完善。电路图如图22所示。系统工作原理如下DS18B20进行现场温度测量，将测量数据送入AT89C51的P37口，经过单片机处理后显示温度值，并与设定温度值的上下限值比较，若高于设定上限值或低于设定下限值则控制电机转速进行调整。图22DS18B20温度计原理图222DS18B20的温度处理方法XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P00/AD039P01/AD138P02/AD237P03/AD336P04/AD435P05/AD534P06/AD63P07/AD732P101P112P123P134P145P156P167P178P30/RXD10P31/TXD1P32/INT012P33/INT113P34/T014P37/RD17P36/WR16P35/T115P27/A1528P20/A821P21/A92P22/A1023P23/A124P24/A1225P25/A1326P26/A1427U1AT89C51R14K724K7R34K74K7R54K764K7R4K784K7X1CRYSTALC12PC22PQ12N2907Q22N2907270DQ2VC3GND1U2DS18B20DS18B20直接将测量温度值转化为数字量提交给单片机，工作时必须严格遵守单总线器件的工作时序。表21部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表23电机调速与控制模块设计电机调速是整个控制系统中的一个重要的方面。通过控制双向可控硅的导通角，使输出端电压发生改变，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节风扇的转速，实现各档位风速的无级调速。231电机调速原理可控硅的导通条件如下1）阳阴极间加正向电压；2）控制极阴极间加正向触发电压；3）阳极电流IA大于可控硅的最小维持电流IH。电风扇的风速设为从高到低5、4、3、2、1档，各档风速都有一个限定值。在额定电压、额定功率下，以最高转速运转时，要求风叶最大圆周上的线速度不大于2150M/MIN。且线速度可由下列公式求得310VDN式中，V为扇叶最大圆周上的线速度M/MIN,D为扇中的最大顶端扫出圆的直径MM；N为电风扇的最高转速R/MIN。代入数据求得1555R/MIN,取1250R/MIN又因为5N5N温度值/数字输出（二进制）数字输出（十六进制）8500000101010100000550H2562500000001100100010191H10125000000001010001000A2H0500000000000010000008H000000000000000000000H051111111111111000FFF8H101251111111101101110FF5EH256251111111101101111FF6FH551111110010010000FC90H取N1875R/MIN则可得出五个档位的转速值1250R/MIN5N1150R/MIN41063R/MIN3980R/MIN2N875R/MIN1又由于负载上电压的有效值其中，U1为输入交流电压的有效值，为控制角。解得0T0MS5235T170MS4465T258MS3615T343MS2765T430MS1以上计算出的是控制角和触发时间，当检测到过零点时，按照所求得的触发时间延时发脉冲，便可实现预期转速。232电机控制模块硬件设计电路中采用了过零双向可控硅型光耦MOC3041,集光电隔离、过零检测、过零触发等功能于一身,避免了输入输出通道同时控制双向可控硅触发的缺陷,简化了输出通道隔离2驱动电路的结构。所设计的可控硅触发电路原理图见图23。其中RL即为电机负载，其工作原理是单片机响应用户的参数设置,在I/O口输出一个高电平,经反向器反向后,送出一个低电平,使光电耦合器导通,同时触发双向可控硅,使工作电路导通工作。给定时间内,负载得到的功率为NPUIN式中P为负载得到的功率,KWN为给定时间内可控硅导通的正弦波个数N为给定时间内交流正弦波的总个数U为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电压有效值,VI为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值,A。由式1可01SIN2U107最低转速调速比最高转速知,当U,I,N为定值时,只要改变N值的大小即可控制功率的输出,从而达到调节电机转速的目的。图23电机控制原理图24温度显示与控制模块设计通过HD7279A控制芯片组建一个单片机键盘输入与显示模块，其中包括一个28的键盘矩阵。和8段动态扫描数码管显示。与单片机通过接插件连接，可以用于系统的控制和输出，其原理图如图24所示。ZEROCROSING1264U1MOC3031MXTAL218XTAL119ALE3031PSN29RST9P0/AD03901/138P02/AD23703/336P04/AD43505/534P06/AD6307/732P10112P123134P145156P167178P30/RXD1031/T1P32/INT0123/IT113P34/T014P37/RD1736/W1635/T115P27/A1528P20/A82121/92P2/A102323/124P24/A122525/132626/1427U2AT89C5132U3A409RL10KC127PR44K7R24K7R14K7U4L208L6ABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMABCDEFGHCOMA14B16C20D23E21F15G17DP2DIG02I11DIG26I37DIG43I510DIG65I78DIN1CS12LK13ISET18DOUT24U1MAX721R120R20R320R420R520R620R720R820RR910KR1010KR110KR1210KR1310KR1410KR1510KR1610K图24HD7279A键盘和显示器控制模块电路原理图第三节系统软件设计31数字温度传感器模块程序设计本系统的运行程序采用汇编语言编写，采用模块化设计，整体程序由主程序和子程序构成。图31数字温度传感器模块程序流程图如图31所示，主机控制DS18B20完成温度转换工作必须经过三个步骤初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。单片机所用的系统频率为12MHZ。根据DS18B20初始化时序、读时序和写时序分别可编写4个子程序初始化子程序、写子程序、读子程序、显示子程序。DS18B20芯片功能命令表如下表2DS18B20功能命令表主要程序如下MAIN；初始化LCALLRST_DS18B20LCALLGET_TEMPERMOVA,20HMOVC,08HRRCAMOVC,09HRRCAMOVC,10HRRCAMOVC,11HRRCAMOV20H,ALCALLDISPLAYAJMPMAINRST_DS18B20SETBP37NOP命令功能描述命令代码CONVERT开始温度转换44HREADSCRATCHPAD读温度寄存器（共9字节）BEHREADROM读DS18B20序列号33HWRITESCRATCHPAD将警报温度值写如暂存器第2、3字节4EHMATCHROM匹配ROM55HSEARCHROM搜索ROMF0HALARMSEARCH警报搜索ECHSKIPROM跳过读序列号的操作CCHREADPOWERSUPPLY读电源供电方式0为寄生电源，1为外电源B4HCLRP37MOVR1,3RST1MOVR0,110DJNZR0,DJNZR1,RST1SETBP37NOPNOPMOVR0,25HRST2JNBP37,RST3DJNZR0,RST2LJMPRST4RST3SETBFLAGLJMPRST5RST4CLRFLAGLJMPRST7RST5MOVR0,115RST6DJNZR0,RST7SETBP37RETWR_DS18B20；写数据子程序MOVR2,8CLRCWR1CLRP37MOVR3,6DJNZR3,RRCAMOVP37,CMOVR3,25DJNZR3,SETBP37NOPDJNZR2,WR1SETBP37RETRD_DS18B20；读数据子程序MOVR4,2MOVR1,20HREAD1MOVR2,8READ2CLRCSETBP37NOPNOPCLRP37NOPNOPNOPSETBP37MOVR3,9READ3DJNZR3,READ3MOVC,P37MOVR3,23READ4DJNZR3,READ4RRCADJNZR2,READ2MOVR1,AINCR1DJNZR4,READ1RET32电机调速与控制模块程序流程321程序设计原理采用双向可控硅过零触发方式，由单片机控制双向可控硅的通断，通过改变每个控制周期内可控硅导通和关断交流完整全波信号的个数来调节负载功率，进而达到调速的目的。由于INT0信号反映工频电压过零时刻，因此只要在外中断0的中断服务程序中完成控制门的开启与关闭，并利用中断服务次数对控制量N进行计数和判断，即每中断一次，对N进行减1计数，如果N不等于0，保持控制电平为“1”，继续打开控制门；如N0，则使控制电平复位为“0”，关闭控制门，使可控硅过零触发脉冲不再通过。这样就可以按照控制处理得到的控制量的要求，实现可控硅的过零控制，从而达到按控制量控制的效果，实现速度可调。1）回路控制执行程序。主回路控制执行程序的任务是初始化数据存储单元，确定电机工作参数/，并将其换算成“有效过零脉冲”的个数；确定中断优先MINAX级、开中断，为了保证正弦波的完整，工频过零同步中断INT0确定为高一级的中断源。2）断服务程序，执行中断服务程序时，首先保护现场，INT0中断标志置位，禁止主程序修改工作参数，然后开始减1计数，判断是否关断可控硅，最后INT0中断标志位清零，还原初始化数据，恢复现场，中断返回。（设1秒钟通过波形数N100）中断流程图如图32所示图32电机控制模块中断响应流程图322主要程序外中断INT0的部分中断响应程序如下ORG0003HINTD0PUSHACCPUSHPSWPUSHDPHPUSHDPLSETB24H0MOVA,5FHJZTING1DECAMOV5FH,ALJMPFAN2TING1FAN2MOVA,5BHJZTING2DECAMOV5BH,ALJMPZONGTING2ZONGMOVA,59HJZKAIDECAMOV59H,ALJMPEXITKAICLR24H0JB26H0,KAI2KAI2MOVA,66HJZEXIT1EXIT1MOV5FH,5AHMOV5BH,66