【《基于单片机的智能风机结构设计》11000字】

[18]。图2-3红外传感器内部结构如图2-3所示，运动的人体可以触发HC-SR501模块。静态的人：虽然静态中的人产生的红外相对地面是静止不动的，似乎不能让HC-SR501模块产生红外差值也就不能触发了。但是可以让HC-SR501模块转动起来，这样相对于HC-SR501模块来说静态的人也是在运动的，也就可以让模块触发了。可调封锁时间及检测距离调节：当传感器封锁时就表示感应过后高电平变成低电平。此特性可以通过传感器来实现(检测到感应输入时间与闭锁时间)这两者之间的区别，可以广泛地应用于对间隔式检测产品;同时这种功能还抑制部分干扰。(默认闭锁时间2.5s)

3系统硬件电路设计3.1系统硬件设计本次设计温度自动控制系统使用AT89C52单片机为核心来实现。温度采集电路将采集后的温度值模数转换后交由单片机来发送信息，数码管接收到单片机的信息后就会显示出温度采集电路采集到的温度值，而驱动电路也根据单片机发出的信息驱动电机或停止电机。3.1.1晶振复位电路在单片机的应用控制系统中，晶振和复位电路起着重要的作用。晶振：它由一个12MHz的晶振和两个30pf的电容组成，一般使用最多的是12MHz的晶振，而单片机又是以每12个时钟周期作为一个机器周期，一个机器周期就代表着1us。这样在使用单片机和晶振电路时就更加便捷。两个30pf电容是负载电容，他们的作用是削减晶振产生的斜波。从正常情况下不接负载电阻晶振也是可以工作的，但这样构成的晶振电路会产生斜波，所以在电路中就两个负载电阻能使晶振更加稳定。复位电路：它由一个10uf电容和10k电阻组成。在单片机中复位需要两个机器以上的高电平它才能正常复位，复位简单来说就是程序又从头开始。单片机上的Xtal1和Xtal2是作为一个在外部与主机连接一个石英管电晶体和一个微调谐器的电容，用来连接反馈控制回路。本控制系统设计方案中的晶振复位的控制电路基本结构设计框图如3-1所示，当用户在按下按键复位时，系统应重新复位一次。本次设计中的晶振复位电路结构框图如3-1所示。其中电容C1、C2设置为30pf，C3设置为10uf，电阻R2设置为10k，晶振频率设置为12MHz。图3-1系统复位与晶振电路3.1.2独立键盘连接电路键盘包括3个独立按键，S1、S2、S3，连接图如3-2所示，S1、S2、S3分别与单片机的P1.1、P1.2、P1.3口相连另一端接地。因为在电路中有上拉电阻默认为接口处是高电平，每按下其中一个键单片机就会判断，是低电平则表示按键接通实例如下：其中设置按键次数S1每按一次就对风机进行一次模式切换，按第一次手动换挡模式，按第二次自然风状态模式，按键S2是手动换挡和自动温控状态下对原设置的更改，每按一次就代表在原基础上加一，S3和S2相似，每按一次就下降一个数值，在S2的基础上减一。图3-2独立键盘连接电路3.1.3数码管显示电路动态显示驱动：数码管的有八个端口，它们分别是a，b，c，d，e，f，g，dP，在使用时都以串联的方式连接，另外选位连通端子电路都加在每个COM端REF_Ref10841\r\h[19]，每个口都控制着各选位连通和位置，当一个字形码输出时，其他数码管都会以相同的方式收到信息，在电路全部打开的情形下COM端控制电路就会控制数码管的亮和灭，数码管就会显示传递信号的数字，亮的数码管就表示接收到信号被选通。控制电路就会轮流各自控制其他数码管，然后数码管就开始逐个显示，这就是动态驱动。3.1.4温度采集电路温度传感器DS18B20主要作用是进行温度的测量和采集作用，然后在内部将模拟量换为数字量再输出。温度传感器DS18B20有三个引脚，GND脚、数据脚、VCC脚，如图3-3所示单片机P1.0口与温度传感器的数据脚相连，传输数据和信息。当DS18B20启动后，温度传感器DS18B20测量当前温度值，测量到的温度值再进行转换（模拟量转换为数字量），再把数据存到存储器中，最后再将数据输出。如图3-3所示DS18B20在工作的时候，数据端与单片机的P1.0相连，对当前温度值进行测量和采集，然后温度传感器DS18B20将采集后的温度数据进行模数转换传送给单片机，单片机再对其他部分系统发电路出相应的指令。下图是温度传感器DS18B20采集电路。图3-3温度采集电路3.1.5电机驱动与调速电路本方案在设计中是由一个单片机I/O口向电机输出PWM脉冲，通过两个三极管来控制电路中的电流，通过各部分系统给单片机提供信息，由I/O口输出发出相应的PWM脉冲波，通过调制脉冲波形的宽度来实现电机启动和关闭与电机实际转速的控制。当温度传感器DS18B20所处的外界温度升高时，它将温度值升高的的信息传送给单片机，单片机对驱动电路发出相应的指令，电机再根据接收到的信息作出相应的档位等级切换，当所处的外界环境温度降低时，档位的等级也会相应的改变。电路结构如图3-4所示，风机直流电机的一端接三极管8050，另外一端接地和R5直接相连，三极管8550与R3相连，三极管控制驱动电路的电流流通，通过从P3.6引脚发送PWM信号给驱动电路，由此可以控制风机直流电机的运行速度与风机启动和关闭。风机电机驱动与调速系统选用的风机电机为12V直流无刷电机，当如果P3.6输入一个高电平，8550导通，此时8050接收到低电平导通，电机一端直接与电源相连然后开始工作。电机的停止也如此，当P3.6输出一个低电平时，三极管8550就会限制电路中电流从而电机停止工作。图3-4驱动电路

4软件设计4.1程序设计程序部分主要包括以下几个部分：温度传感器DS18B20工作初始化、温度传感器DS18B20的温度转换函数、读取温度的函数、扫描键盘函数、数码管显示函数、红外检测函数、外界温度测量函数以及电机控制函数。温度传感器DS18B20初始化函数是对温度传感器DS18B20进行初始化操作，温度传感器DS18B20温度转换函数是对收集到的温度信息进行采集等操作，红外检测函数是对室内的情况做一个判断[17]，通过室内情况再对风机进行控制操作，温度传感器DS18B20温度读取函数是对收到的数据进行计算分配和读取等操作，键盘扫描函数是对客户需要的预设值进行设定，大气温度测量函数是对收到的信号进行分析处理，及时精确的为电机提供温度变化信息；电机部分控制函数是对温度的数据进行判断进而根据数据决定风机的工作或停止等操作。图4-1主程序流程图4.2用KeilC51编写程序KeilC51对于国内来说是比较方便实用的一款国外软件，基于单片机的系统开发以及C语言的不断发展，Keil是学者们不可或缺的软件之一。和C语言相比我个人更看好汇编语言，因为他不仅简单而且还容易学会，这是最值得信赖的原因之一，而且表达能力强，函数知识丰富，在单片机发展的同时，Keil是编程最好的伙伴。KeilC51中有多个函数方便引用，使用起来也较便利，不仅如此它也能为汇编语言的程序设计提供基础。在使用的时候需要新建工程，然后添加文件再进行程序编写。4.3用Proteus进行仿真4.3.1Proteus简介Proteus软件已经公布十几年，在所有国家中使用广泛，它有许多优点、原理布图、PBC多功能仿真、它可以实时的对仿真作品进行调试和改变，并且清晰的看到所有元器件的布局，在出现错误也能及时精确地做出改变。它还可以通过配合该系统所需要装备的虚拟仪表进行显示和输入，如示波器、逻辑分析仪等，效果很好。它主要有四个功能模块:电路原理及编程、仿真、同步实物电路仿真和完整管理系统。其内部的通用元件库系统包括了丰富的硬件元素，它可以仿真许多电路原理，方便实用，为电路开发和研究做下坚实基础。让学者们科研使用起来更加方便快捷。4.3.2本设计基于Proteus的仿真首先打开电脑启动Proteus并开始建立一个新的工程，然后再根据设计方案中的元器件一一选出来放于左侧，再根据仿真原理图进行相应的连线操作REF_Ref11109\r\h[21]。完成仿真后再将自己的程序烧录到单片机中。最后根据设计方案实现想要实现的功能。仿真实现功能：仿真调试：首先先把温度传感器DS18B20温度设定为31℃，温度调节是S2和S3键（S2加一键，S3减一键），该系统中将预设温度值上下限分别设定为31℃和25.7℃。此时为自动温控模式，当外界温度超过设置温度值上限风扇将高速转动低于设置温度下限风扇将不再转动。点击三角形的按钮开始按钮，仿真就开始运行，大概2-5s左右，观察到风机的转速为+249r/s，当数码管显示当前室内温度值则为自动温控模式。如图4-2所示。图4-2自动温控模式图风扇模式介绍：智能风机设计温度上下限的步骤，数码管显示H即为上限温度值调节，当H变为L就是温度下限的调节，当数码管第一位数显示数字1就是手动切换档位，风扇可分为1档2档和3档，当再按S1切换键数码管第一位显示b就位自然风状态。以上状态都可通过S1键来设置和切换如下图4-3所示。图4-3风机上限值调节图功能1：手动调档模式：在上一步仿真的基础上，按下S1切换到手动模式。此时为1档风扇转速为163r/s，按下S2表示加一此时风扇为2档转速为199r/s，再按下S2表示加到3档风扇转速为288r/s，使用人员也可根据自身适宜度调合适档位。功能2：自然风状态模式：根据仿真原理，不难明白再按下设置键就是自然风状态，自然风状态主要特征为模拟自然风状态给人一种舒适的风，在夜晚忽快忽慢也根据环境温度能更好地控制室内的舒适度，此时转速为265r/s随机值如图4-5所示。图4-5自然风模式图功能3：红外检测模式:当室内无人的情况下，因为下拉电阻的存在所以电路会保持低电平状态，当在自动温控或自然风模式下红外传感器检测不到人时，风扇将停止转动，当室内有人的情况下传感器将高电平传输到单片机，单片机经过判断再输出相应的信号让电机开始工作，既能节省资源又能方便管理。具体仿真结果（以自然风状态为例）风扇停止转动如下图4-6所示。图4-6红外检测模式图通过以上的仿真可以清楚地看出，在设定环境温度的条件下，其风机转速会随着环境温度改变而改变，温度升高则转速加快，温度降低则转速也随着下降。当在红外传感器检测到无人的情况下，或者环境中的温度已低于设定值的范围时，风机就会自动地停止旋转，实现了各种自动控制的功能。当然，在本次的设计中需要实现四种风机功能，简单来说随环境温度的变化而进行智能化无级调速和有级调速。

5系统调试5.1软件调试5.1.1按键显示部分的调试起初调试过程中出现些问题经过查找分析，发现键盘扫描程序出现错误，当手按下按键的时候，按键会抖动，单片机因为按键的抖动也没有正常输入指令，导致按下预设温度时数码管也不发生变化，甚至根本不能工作。从上面的经验看，按键部分必须加上消抖的措施，延时判断也必须要在按下按键放开时开始正常运行，以感知人的手是否真的离开了按键。当数码管显示错误时，采用的方式是动态方式，而连接的P0口没有暂时的暂存器不能及时的存储数据，导致连接口接受数据时发生数据紊乱，段码不能正确的识别REF_Ref11024\r\h[20]。在键盘上已经添加了一个段码消抖驱动程序，数码管的段位显示器在该消抖程序中已经添加了段位编码的文件内容和段码存储器的空间后，数码管就已经能够正常地自动进行段码显示，按键也就是键盘能够正常自动地进行工作，达到了更为良好的段码显示驱动效果REF_Ref11109\r\h[21]。5.2硬件调试5.2.1DS18B20温度采集与调试当在调试温度传感器DS18B20时，我用手指将DS18B20包住，然后再看数码管的变化，当数码管温度值一直不断升高，升高到稳定值后数码管温度值就不再变化，将手指移开后过一段时间，数码管显示温度值又开始下降，下降到当前室温后温度值就保持稳定不再变化，此变化验证了温度传感器DS18B20的工作性能，所以在仿真或者实物接线时都要谨慎细心以免接错导致电路不能正常运行。5.2.2电机调速电路与调试智能风机由PWM信号来控制。当外界温度高于设置温度最低值的时候，风机开始正常工作，当温度升高的时候，电机加快自身的转速，温度不变时，转速又跟着温度不再变化；当温度慢慢降低时候，电机和前面相反，转速逐渐慢慢变缓，当温度低于设置温度最低值的时候，风机又停止转动。5.3系统功能5.3.1系统实现的功能系统能够精确的检测到变化的环境温度，再通过周围的温度变化来改变风机在不同温度时的转速，也可以手动切换风机的档位和状态，当外界温度低于自己所设置的最低温度时，风机停止运转，相反温度高于最高值或者在最低值和最高值之间时风机开始工作，温度和风机转速的大小成正比，同时人们也可以切换自然风状态，当处于自然风状态风机将模拟自然风吹动，在夏天或傍晚给人提供不错的室内环境，此状态下的风机却不会根据温度的变化发生变化，方便使用，也可以手动换挡，使用者可以根据自己的需要进行相应档位切换，智能风机分为三个档位1档、2档、和3挡，注意：在自动温控或者自然风状态时，如果红外传感器检测到室内无人的情况下风机将停止工作，但手动模式却不被影响，此模式下风机只受人为的控制。结论本次设计对温度控制知识要求严谨，而温控的主要部分却依赖单片机，用温度传感器DS18B20检测环境温度，看到了作品风机可以随着温度的变化做出正确的切换模式，同时也看到风机的转速在随温度变化自动升降转速，并且LED显示的数字也能准确随着外界温度的变化而变化。从而使工作环境中的温度和所设定的温度更加稳定且降低互相之间的误差，提高发动机转速效率，实现了基于单片机的温控式风机。本次设计可推广到其他电路电机系统中，达到精确地电机控制与转速调节。本次设计主要是民用或家用风机整体思路来设计，给人们生活带来便利，其次在夜晚或是在工作时使用者可以根据当前温度自主切换不同的状态，给办公人员提供舒适高效的环境，在夜晚时，如家里正有小孩或是老人，也能保持自然风状态既避免感冒又给人舒适的环境，节能环保方便管理，进而实现控制自动化。

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