基于单片机的智能电风扇控制设计Word格式文档下载.docx
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3.2.2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。
1.1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。
1.2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：
①风速设为从高到低5个档位，可由用户通过键盘手动设定。
②当温度每降低2℃则电风扇风速自动下降一个档位。
③当温度每升高2℃则电风扇风速自动上升一个档位。
④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
2.1总体硬件设计
系统总体设计框图如图2-1所示
图2-1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
2.2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。
2.2.1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2-2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P3.7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2-2DS18B20温度计原理图
2.2.2DS18B20的温度处理方法
DS18B20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。
温度值/℃数字输出（二进制）数字输出（十六进制）
+85℃00000101010100000550H
+25.625℃00000001100100010191H
+10.125℃000000001010001000A2H
+0.5℃00000000000010000008H
0℃00000000000000000000H
-0.5℃1111111111111000FFF8H
-10.125℃1111111101101110FF5EH
-25.625℃1111111101101111FF6FH
-55℃1111110010010000FC90H
表2-1部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表
2.3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。
2.3.1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
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：
取n1=875r/min.则可得出五个档位的转速值：
=1250r/min
=1150r/min
=1063r/min
=980r/min
=875r/min
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，α为控制角。
解得：
=0°
t=0ms
=23.5°
t=1.70ms
=46.5°
t=2.58ms
=61.5°
t=3.43ms
=76.5°
t=4.30ms
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。
2.3.2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2-3。
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:
式中:
P为负载得到的功率,kW;
n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,V;
I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
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2-3电机控制原理图
2.4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2*8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2-4所示。
图2-4HD7279A键盘和显示器控制模块电路原理图
第三节系统软件设计
3.1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3-1数字温度传感器模块程序流程图
如图3-1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
命令功能描述命令代码
CONVERT开始温度转换44H
READSCRATCHPAD读温度寄存器（共9字节）BEH
READROM读DS18B20序列号33H
WRITESCRATCHPAD将警报温度值写如暂存器第2、3字节4EH
MATCHROM匹配ROM55H
SEARCHROM搜索ROMF0H
ALARMSEARCH警报搜索ECH
SKIPROM跳过读序列号的操作CCH
READPOWERSUPPLY读电源供电方式：
0为寄生电源，1为外电源B4H
主要程序如下：
…
MAIN:
；
初始化
LCALLRST_DS18B20
LCALLGET_TEMPER
MOVA,20H
MOVC,08H
RRCA
MOVC,09H
MOVC,10H
MOVC,11H
MOV20H,A
LCALLDISPLAY
AJMPMAIN
RST_DS18B20:
SETBP3.7
NOP
CLRP3.7
MOVR1,#3
RST1:
MOVR0,#110
DJNZR0,$
DJNZR1,RST1
MOVR0,#25H
RST2:
JNBP3.7,RST3
DJNZR0,RST2
LJMP
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