【基于单片机的智能电风扇设计7400字】

PAGE11基于单片机的智能电风扇设计摘要 11绪论 21.1 研究背景和意义 21.2研究现状和前景 22设计方案 32.1设计要求 32.2设计方案 33硬件电路设计 43.1单片机最小系统电路 43.2温度采集电路 53.3独立按键电路 53.4风机驱动电路 63.5液晶显示电路 74软件程序设计 74.1系统程序设计 74.2PWM算法设计 84.3各模块程序设计 85仿真与调试 95.1仿真调试 95.2实物调试 95.3电路板制作 10结论 12参考文献 13附录 14附录1程序源码 14摘要：电风扇是人们生活中必不可少的电器，给人们的生活带来了质的飞跃。但是老式的电风扇都是人工调速且风速档位有限，这样的设计在很多时候总归是不方便的，而且风速档位也死板，可供选择太少。随着时代发展，人们的生活要求越来越高，新型电风扇的出现是必然的。由此可见，设计一款温度控制智能电风扇是迫在眉睫的。温度控制智能电风扇，顾名思义是由温度来控制风扇转动速度的电风扇。在本设计中以STC15F2K60S2芯片作为单片机最小系统，完成温度信息的分析和数据处理，并形成输出控制信号——PWM脉冲调制信号。输入部分采用DS18B20获取温度信号，加持独立按键输入可直接进行风速档位的选择。输出部分则分为TB6612FNG电机驱动根据输出信号自动控制电风扇转速和LCD12684液晶显示温度信息。关键词：温控风扇；PWM无级调速；固态继电器；DS18B20

1绪论研究背景和意义电风扇每家每户都有的电器产品，也是最早的制冷电器。从最早的吊扇、台扇到墙壁风扇，还有现如今的手持充电风扇等等。不仅电风扇的形式越来越多样化，功能也是越来越多。随着时代发展，电风扇也变得更加智能化、人性化、多元化。我国在家用电风扇系统方面的技术研究一直都是很积极的,但是在家用智能电器系统方面的技术研究还是有所欠缺。智能家电产品主要智能在电器元件、电源开关柜、配电控制系统,这三个层次配备智能化系统。在这些层次上的配电智能化管理工作任务重点分别是:不断加强配电网络管理功能,最大限度地有效提高了输配电管理系统和其他用电管理设备的智能自动化管理水平。未来还会有越来越多的新型的智能化家用电器问世,那时它们的元器件的发展趋势必然是通过采用新型微处理器或者其他可编程的元器件使产品更加智能,大量重要功能"以软代硬"得以实现,并逐渐具有"现场"智能设计的实现能力。随着现代人们生活条件水平逐渐的提高,温度控制驱动技术也在不断的向人性化和智能化发展。为了有效降低电动风扇正常运转时的振动噪音以及有效节省能源等,温度控制电动风扇越来越多地受到人的重视并得到了广泛的开展应用。温控式电风扇控制系统,摆脱了以往控制板切换档位的调速方式,现今是根据实时的室内温度的变化情况自动去控制电风扇的开关与速度调节,能很好的有效节约能源,同时也可以方便的让用户们的操作使用功能更加具体化和人性化。而且这种温控智能风扇控制系统在日常生活中的笔记本电脑、大型工业生产设备的散热系统都有被应用,以及生活中其他和温控有关的产品都可能用到智能温控电风扇。自动开关，无极调速这些特点都会为现实生活中提供非常多的便利,并且具非常广泛的经济用途,因此它的产品设计应用具有一定的技术价值应用意义。 1.2研究现状和前景风扇电机控制,主要细节有两点,第一点是系统控制风扇的方式,第二点就是控制风扇电机自动调速的控制方式,也可以说是系统风速的自动调节控制方式,还有一点的也就是系统人机交互方式,风扇电机控制的巨大差别就要直接体现在这两个细节方面。风扇运行控制驱动系统目前在国际市场上主要表现有几种控制类型,传统的控制类型就是即现在大多数家庭正在使用的手动风扇控制系统类型,该控制类型下的电风扇控制操作方式一般是完全手动控制。也许还有其他种类的机子,是使用过零比较器芯片去自动控制调速电机的固定转速;此种调速方式单一，在某些一殊特定场合可能会给人带来不便,且存在很多的安全隐患。除此之外现在市面上还有用单片机技术结合智能传感器等各种类型的智能机子,这种智能机子也就是将传统微控制器强大的温度控制能力直接注入应用到了智能系统中,从而彻底实现了操作自动化及系统智能化。两者区别只一点在于温度控制操作方式由传统人工控制而转变成了电机温度自动调控,此外由于有了各种微控制器加持,电机的温度调速控制方式也随之变得多样化,如电机采用了pwm多种控制算法等,电路的控制形式也有了多种方式可以选择,此外还可以同时增加其他的控制功能,如电风扇吹风的启动模式可以选择,以及定时停止关机,自动停止休眠以便于节省系统电能等。此外市面上还有各种语音视频控制的智能风扇控制系统,亮点就主要在于它的各种人机信息交互系统改良得更加人性化,由此可见微控制器在智能系统设计中的实际应用的发展潜力巨大。在家用电机变频调速控制方式上,单相变频电机的高速变频脉宽调速已逐渐成为一种可行的调速方法,在这种变频调速器体系中,脉宽调制(pwm)调速技术仍然一直是用来提高变频调速系统性能的主要控制手段。虽然目前pwm控制技术的主要实现控制方法很多,然而,为了有效降低电子产品的设计制造过程成本,采用各种微机控制软件设计实现的pwm微机控制系统具有制造成本低、调制操作方式灵活等几大特点,比较完全适合于家用电器电子产品的控制要求。本文主要针对家用电风扇调速电机的自动调速性能要求,提出了一种采用直接输入pwm(dpwm)调速软件进行计算的调速方法,并在stc15f2k60s2单片式电机上加以实现,该调速方法可以很容易地快速实现风扇电机的自动调速,这种pwm软件算法简单,易于调速实现,是一种较为实用的调速方法。2设计方案2.1设计要求①手动模式下,通过独立按键输入加减来改变电风扇的转速和时间的设定,其中手动模式下风速档位有十一个档0-10,档位为0时电风扇停止转动;②自动模式下,主控制器选用单片机,以温度传感器为信号输入部分,负责采集环境温度,以lcd液晶屏显示器和电机驱动为输出模块来显示温度和发生装置。通过STC15F2K60S2单片机处理由温度传感器获取到的温度信息并发送到一个pwm的占空比进行脉冲调制,最后输出不同的pwm波,实现一台电风扇整个电机的自动变频启动和快速停止,并根据环境温度的不断变化自动快速调整整个电风扇的电机转速。③对当前的时间、温度信号,风速以及模式进行设置、选择、显示。2.2设计方案本课题的基于单片机的智能电风扇设计,整个系统采用STC15F2K60S2单片机作为"大脑"。自动模式下,通过STC15F2K60S2单片机处理由温度传感器获取到的温度信息并发送到一个pwm的占空比进行调节,最后输出不同的pwm波,实现一台的电风扇整个电机的自动变频启动和快速停止,并根据环境温度的不断变化自动快速调整整个电风扇的电机转速,这一切都由TB6612发生驱动,并将当前温度、时间、模式以及风速用液晶屏LCD12864显示出来。手动模式下,通过独立按键输入加减来调整电风扇转速和时间设定。基于单片机的智能电风扇设计系统框图如图2-1所示。3硬件电路设计3.1单片机最小系统电路本设计采用STC15F2K60S2芯片作为单片机最小系统,是因为其在完全具有8051的指令代码的基础上速度也提高了8-12倍,而且还可以彻底省掉外部晶振,不仅省时省力还可以省下外部晶振的费用。STC15F2K60S2芯片同时还具有可以针对电机控制强干扰场合的电路。满足本设计要求的还有价格更便宜功耗更低的STC89C52芯片,但是考虑温度传感系统实时性强,所需的外设比较多,算法相对复杂,这方面芯片STC15F2K60S2的内部资源更多,可以更好地保证温度传感控制的需求,且芯片STC15F2K60S2自带PWM功能实现电风扇无极调速,所以最终选择以芯片STC15F2K60S2作为单片机最小控制系统,其资源引脚图如图3-1所示。

其中CCP是英文单词的缩写:Capture(捕获),Compare(比较),PWM(脉宽调制),可保证本设计中输入信号PWM调制和输出直流电机驱动的正常运行。单片机想要工作,时钟电路是必不可少的,它是芯片运行的脉搏,它是整个系统运作的核心,STC15F2K60S2具有片内时钟和复位电路,不需要外挂晶振和复位电路。其中时钟电路如图3-2所示。3.2温度采集电路在进行温度采集电路设计时首先面临的是器件选择,在热电偶、热敏电阻、温度传感器DS18B20三种温度传感元器件做选择。最终为了使电路简单化,系统误差最小化,排除了热电偶、热敏电阻这两种选择,选用了具有高精度集成的温度传感器DS18B20。DS18B20可以直接将数字温度信号输出给单片机进行处理,这样一来就大大减少了外围电路和误差。而且在传输温度信息过程中DS18B20的好处在于不用编写转换的程序,只用一根线与单片机相连即可。DS18B20的模块图及部分温度值如图3-4所示。3.3独立按键电路本设计不仅可以在自动模式下实现电风扇的自动调节速度,还可以在手动模式下切换风速档位,采用独立按键输入进行时间以及风速的设置。本设计独立按键模块分为四个部分,菜单键、选择键、加键和减键。其中菜单键可供我们设定时间和确定时间,选择键可以选择手动模式和自动模式以及时间设定时时分秒的切换,加减键则是进行设置。独立按键电路如图3-5所示。3.4风机驱动电路在风机驱动电路我选用TB6612FNG芯片,原因是单片机最小系统IO引脚的带负载能力是较弱的,但是本设计用到的直流电机是大电流感性负载,所以设计中需要用到功率放大元器件,为此选用TB6612FNG更为合适。与L293D相比,不仅它的输出负载能力整整提高了一倍,且运行时无需散热片。TB6612FNG芯片作为直接驱动电机时只需外接电源滤波电容即可。这样做不仅简单化了外围电路，还可以减小系统尺寸，一举两得。除此之外TB6612FNG芯片对于PWM脉冲调制信号的输入频率范围,它支持的频率上限极高。本设计主控制器将输入信号送到PWM调制信号,输出不同占空比的PWM波给风机驱动模块,所以采用TB6612接受PWM调制信号作为输出模块以此来实现风机无极调速更为稳定。3.5液晶显示电路在本设计中的显示电路我选择了自带字库的液晶显示屏LCD12864,它可以自由输入文字,不用再去取字模,使编程更加方便。它每行有128个像素点,16x16的字体它可以显示四行,即64个像素点。在保证需求(显示时间,温度,风速等信息)的同时,还更加方便,经济。本设计中利用LCD12864作为显示模块来显示温度、时间、风速以及模式。LCD12864液晶显示屏作为本装置的显示模块,它的驱动电压值和背光源电压值可以一样。此电路的设计原理图如图3-6所示,数据传输方式选择并行传输,传输速率比较高,调试时也方便查出问题,PSB脚低电平是并行传输数据。有些引脚在屏组模块中已经有过处理了,故把那些默认过的引脚(比如对比度就不需要自己调了)空置了,空置电平为零。4软件程序设计4.1系统程序设计本装置软件程序利用Keil来设计，先新建一个文件夹来存放本装置的程序设计，然后在文件夹里再新建四个文件夹，一个用来存放系统整体的逻辑控制关系，芯片的驱动文件，启动文件，工程文件等，一个用来存放程序生成的单片机HEX文件，一个用来存放各模块的设计程序，最后一个用来存放整个程序的详细说明txt文件。这样的程序工程存放方式有助于查错，程序结构一目了然。整个装置的程序流程是这样的：首先单片机调用启动文件启动芯片，使能芯片引脚总时钟，然后把需要用到的各引脚时钟使能，时钟使能完成之后，开始设置各个引脚的电气属性，比如刷新频率，输入或是输出，上拉或是下拉，接着设置输入捕获功能，PWM输出功能。然后初始化各个需要使用的模组，接着进入按键循环扫描程序等待用户输入指令。接收到启动指令后定时器中断开启，每隔一定时间给温度传感器高电平启动信号，同时主函数进入while(1)循环，屏幕显示风扇转速与当前温度的关系，单片机根据当前温度信息利用PWM脉冲调制得出电机相应的PWM输出。这些信息接着传给屏幕显示。整个装置的程序流程图如图4-1所示。4.2PWM算法设计本设计采用的是PWM算法，PWM意为脉宽调制。本设计中单片机自带的PWM功能可以直接调制，输出矩形PWM脉冲波信号到直流电动驱动模块，完成控制直流电机速度的功能。这一切的运行都取决于单片机处理温度信息后输出不同占空比的PWM脉冲。PWM脉冲的占空比是指高电平时间在一个时间周期内所占的百分比,根据与常量的比较决定该位是高输出电平还是低输出电平。若为低电平那么此时的占空比则为零,电风扇处于不转动的状态。当所有都为高电平时，那么此时脉冲的占空比达到100%,电风扇的转速达到最大。在本设计中用了单片机自带的PWM功能，以此输出PWM脉冲信号。温度传感模块首先会获取当前温度,然后把温度信息实时传给单片机进行处理,根据PWM算法给出不同占空比的PWM脉冲,此刻电机应该输出的风量以单片机输出不同的PWM占空比控制风机的功率来实现。4.3各模块程序设计屏幕显示程序可根据时序图来设计，当RS，R/W，E引脚都是低电平时，DB0-DB7并行口输入一个8位数据，E脚升高，然后数据被传入到LCD驱动模组，如果此时RS是高电平，那么传入的是数据，反而则是命令，传输完毕，E脚降为低电平。开始为下一次传输做准备。风机驱动模块程序设计是单片机通过设置定时器输出PWM信号，TB6612电机驱动可以以此来调制风机转速，进而达到控制风机的风速效果。5仿真与调试5.1仿真调试先用Protel软件把设计总原理画出来，然后建立工程文件，在其目录下创建新的原理图文件，记下用的各种元器件，以及相应参数。找到对应元器件后将其排列好，修改参数，最后进行连线。之后用Keil来编写程序和调试，无误后生成hex文件并放入芯片内，用Proteus对电路进行仿真。5.2实物调试展示实物我们可以看到开关键、四个独立按键以及LCD液晶显示屏。typec接入电源，按下单片机开关键后LCD液晶屏显示出设计名称、模式、当前温度以及风速。此时为手动模式下，风速为1档，如下图5-2开机页面图所示。按下菜单键，进入系统设置时间设定模块，随后按下选择键选择时分秒位置，当前设定哪一位哪位就会跳跃，加之加减键来进行设定，设定完成后再次按下菜单键进行确定即可，如下图5-3实物系统设置页面图所示。图5-3电风扇系统设置页面图连接电风扇并打开电风扇开关，电风扇开始转动，长按选择键可以切换模式，自动模式下，电风扇根据当前环境温度自己调整转速，如下图5-4实物自动模式运行图所示。图5-4电风扇自动模式运行图长按选择键切换为手动模式，此时可以通过控制加减键来调整风速，风速档位范围在0-10之间，风速为0时则电风扇停止转动，1-10之间档位越大风速越大，如下图5-5电风扇手动模式运行图所示。图5-5电风扇手动模式运行图5.3电路板制作电路板采用AD18软件，首先依据设计方案设计电路板的原理图，本装置为了设计方便，采用了集成芯片的最小系统板，根据需求设计各个模块的母座，以及电源接口，电路板原理图如图5-6所示。在设计PCB之前对原理图进行编译，Message面板中无误后把原理图更新到PCB中。最后在PCB中进行合理布线就可以了。由于电路设计并不复杂，并且单面板制作的整个流程都学习过，因此设计的控制电路板是单片板，设计好的PCB如图5-7所示。结论至此,智能电风扇的设计介绍完毕,智能电风扇将会在未来的生活与生产中应用越来越广泛,与其他科技产品结合的越来越紧密。可能会有人觉得,这东西似乎科技的发展总会是孤独的,就如当时空调刚出来时一样,人们不解其用途,当其他需求整体水平跟上来时,便是成为了最不可或缺的存在。智能电风扇可能也会如此,以后在世界上大放异彩。从开题,到设计,再到现在,期间很是坎坷,也很充实。选定课题之后,便是开始思考整体的设计思路,然后便有了初步的计划,本次毕业设计以单片机STC15F为主控芯片,用DS18B20采集当前温度送入单片机处理,LCD显示当前温度、风速、时间以及模式,在一定温度范围内实现了风扇的实时调速，独立按键部分也能正常使用,可以调节预设温度值以及手动模式下调节温度。同时也能正常工作,达到了风扇调速目的。本次设计对于现实生活具有积极的作用,可以用来作为降温工具,环保且智能,能够给人带来很多方便。本智能电风扇设计只是对智能温控的一种构想,一种解读,它不会止步于这种固定用途,它一定有更多的用途等着我们去猜想,去实现。参考文献[1]张洪润,张亚凡.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社,2005.[2]康华光.电子技术基础[M].武汉:高等教育出版社,2009.[3]丁建军,陈定方,周国柱.基于AT89C51的智能电风扇控制系统[J].湖北工学院学报,2003,(02).[4]李庆梅.基于AT89C51单片机的智能电风扇调速器的设计[J].自动化技术与应用，2008,(01).[5]路勇.电子电路实践及仿真[M].北京:清华大学出版社,2004.[6]萧宝瑾.protel99SE操作指导与电路设计实例[M].山西：太原理工大学，2004.[7]夏大勇,周晓辉,赵增,陈博峰,虎恩典.MCS-51单片机温度控制系统[J].业与自动化装置,2007,(01).[8]明德刚.DS18B20在单片机温控系统中的应用[J].贵州大学学报,2006,(01).附录附录1程序源码#include"key.h"#include"PCA.h"#include"delay.h"#include"config.h"#include"bh1750.h"#include"JQ8400.h"#include"onewire.h"#include"lcd12864_gmg.h"sbitAin1=P3^6;sbitAin2=P3^7;sbitBin1=P3^5;sbitBin2=P3^4;sbitPower=P5^5;//电源intlight=0,Wind=1;//定义光照强度、风力的大小等级bitMenu=0,Choice=0,Choice_0_Flag=1,Choice_1_Flag=0;u8Choice_Channel=0;floatTemp=10.23;charsec=30,min=32,hour=10;//时分秒u16ms_1=0;//一毫秒数u16tim=0;//时间种子voidKey_Pros(){ Key_Value=Key_Scan();//获取键值 if(Key_Value==1)//菜单按下 { Menu=!Menu;//菜单状态取反 if(Menu==0) { //Choice_Music(101); 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