智能红外遥控电风扇设计.docx
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智能红外遥控电风扇设计
哈尔滨剑桥学院
毕业设计
论文题目：
智能红外遥控电风扇设计
学生：
董书豪
指导教师：
崔莉讲师
专业：
电气工程及其自动化
班级：
12级电气2班
2016年5月
哈尔滨剑桥学院
毕业设计审阅评语
指导教师评语
指导教师成绩：
是否同意参加答辩：
同意□不同意□
指导教师签字职称年月日
评阅人评语
评阅成绩：
是否同意参加答辩：
同意□不同意□
评阅教师签字职称年月日
哈尔滨剑桥学院
毕业设计答辩评语及成绩
答辩评语
答辩成绩:
答辩小组组长签字：
年月日
毕业设计（论文）成绩
指导教师成绩：
评阅成绩：
答辩成绩：
综合指导教师成绩、评阅成绩、答辩成绩，经答辩委员会评定，该学生毕业设计
（论文）总成绩：
答辩委员会主任单位：
答辩委员会主任签字：
职称：
年月日
智能红外遥控电风扇设计
摘要
本论文是基于STC12系列单片机为核心，设计了一种新型智能红外遥控电风扇控制系统。
本系统由红外发射接收模块、液晶显示模块、按键控制模块、语音播报模块、温度检测模块以及电机控制模块组成。
该系统能够利用遥控或者按键形式实现对电风扇不同档位的设置。
电风扇的控制是通过遥控实现的，它是基于红外通信的原理，并且风速高低是利用PWM信号进行调节的。
在按键控制下，系统能够实现语音提示，液晶显示单元能够显示系统运行的状态数据，充分展示了良好的人机交互界面。
本系统实现了电风扇的摇头、定时以及自动调速等智能化功能，让使用者能够依据实际使用情况对电风扇的运行时间进行设置，同时能够依据温度变化进行风速的自动调整。
本系统的软硬件调试过程是在KEIL、PROTEL、PROTEUS等软件下完成的，整个系统的设计符合实际用户需求，充分展示了遥控电风扇的智能化和自动化，并且实现了智能家电的人性化发展。
关键词：
STC12系列单片机；红外通信；PWM；人机交互界面；智能功能
智能红外遥控电风扇设计
1绪论
1.1课题背景和发展趋势
随着经济的快速发展，带动了电子产业和制造业突飞猛进的发展。
社会生产率水平不断提高，同时也带动了智能家居产业的发展。
智能家居的要求很高，对智能化程度和自动化程度都具有较高的要求。
通常意义上的智能家居，都需要做工优良和可靠性较高的设备作为基础。
电风扇也是智能家居产业中的一种。
虽然空调的出现，对传统形式的、机械形式的电风扇造成了很大的冲击，但是因为电风扇的功耗低，并且产生的风更自然，让人们感觉更舒服。
所以，从空气流通的出发点来考虑的话，电风扇的优点还是很明显的。
电风扇具有价格上的优势，其性价比高，并且使用方便，体积小，便于摆放。
现在的电风扇在中小城市中都具有很大比例的份额，而传统的电风扇虽然优点很多，但是功能十分简单、并且还伴有较大的噪音，并不符合现在智能家居对设备提出的高要求。
要想提升电风扇在现在市场上的竞争力，就有必要在电风扇的技术层次上加以提高，使它更稳定、安全性更高以及具有较高的性价比。
智能家居的智能化和自动化发展，必然带动电风扇行业的快速发展，电风扇也必然朝着智能化、自动化、安全性以及人性化的方向发展。
综上所述，正是智能电风扇出现的原因。
1.2课题研究意义和目的
智能电风扇的集成化程度很高，并且具有很多优点。
本文研究的是一种智能红外遥控电风扇，本系统具有功耗低的特点，所以具有环保性的理念。
这种智能电风扇在用户使用时，会让人感到更加舒适。
它可以实现模拟自然风、睡眠风，并且让风速更加贴近实际风的感觉，更符合使用者的要求，更加具有人性化。
本文研究的智能电风扇具有无线传输功能以及语音播报功能，能够让老年人和残疾人进行无障碍操作。
这种智能型的电风扇必然会促进智能家居产业的发展，智能家居的发展也必然会促进智能电风扇的智能化和自动化程度的提高，以及使用领域的扩展。
智能红外遥控风扇包含了很多学科的知识，涉及到机械、电子、传感、通信以及自动化控制等多个方面。
1.3课题研究内容
本课题设计的是一款基于STC12LE5A60S2单片机的智能化红外遥控电风扇。
该设计最突出的特点就是更加人性化。
具体功能如下：
智能风扇的档位控制可通过两种方式实现，一是通过功能键来实现档位的设置，通过设置风扇座上的三个键，来调节不同的风速。
其次就是通过无线的方式来实现对档位的设置，本设计中采用的是红外通信的方式实现16档位风速的设置，使用者可以用遥控来控制风扇的风速。
以往的电风扇仍然以机械旋钮或者简单红外遥控方式为主，无较好的人机界面。
本次设计增加了显示功能和播报功能，液晶可以将风扇的各种运行状态显示出来，在风扇的控制过程有语音的提示，使用户可以更加舒适、方便地使用。
当然，考虑到不同环境下的各种情况，本设计增加了自动调速系统，风扇可以根据室内的温度变速运行，当温度低于一定温度时，就自动关闭，高于该温度值就会继续工作。
最后，就是可以手动设置风扇的运行时间和控制风扇的摇头功能。
2系统整体方案设计
2.1方案选择
2.1.1MCU的选择
51单片机有增强型和基本型。
STC89C52单片机是最为常见的基本型单片机，它的ROM是8K，RAM是256字节，工作电压是5V[1]。
STC12LE5A60S2单片机是低功耗的增强型单片机。
它的ROM是60K，RAM是1280字节，并且它的内部集成了CCP/PWM模块，能够完全兼容基本型51单片机。
其工作电压是3.3V[2]。
因为本系统中要显示部分图片和大量的汉字，需要占用大量的内存，而且部分芯片的工作电压是3.3V，电机的驱动需要不同占空比的PWM信号。
所以，本系统最终选用STC12LE5A60S2单片机，使得电路的设计简单，性价比高，并且编程实现容易。
2.1.2显示模块的选择
显示方式有很多种方法，例如：
数码管显示，1602液晶显示，12864液晶显示，TFT彩屏显示等[3]。
数码管显示方法简单，仅可以显示数字以及简单的字符，线路连接比较复杂。
但是，它的优点是控制较为简单，性价比较高[4]。
1602液晶属于一种字符型液晶，能够显示字母、数字、符号等，能显示两行字符，是单色的，其电路建立较为简单，程序控制也容易实现，价格低廉[5]。
12864液晶能投显示字母、数字、符合、图形、图片等。
它的显示分辨率是128×64点，图片和图形的显示是单色形式[6]。
电路设计较为简单，程序控制容易实现，价格低廉。
TFT彩屏能够实现上述功能，图像分辨率很高，能够清晰的显示彩色图片，具有很好的视觉效果，电路实现简单。
综上考虑各个显示模块，为了实现智能红外遥控电风扇的良好人机界面，本文选TFT彩屏进行设计。
2.1.3红外模块的选择
红外通信的实现能够通过自身设置的协议，通过构建电路进行实现，也能够应用特定的协议来操作。
本文选用红外遥控来操作，主要是因为这种形式具有电路简单和使用简便的特点。
2.1.4语音模块的选择
语言实现的方式有许多种方法，在实际中，最为常用的是蜂鸣器以及语音芯片。
如果只是单纯的发出声音，并不会较好的实现语音功能。
所以，为了得到更好的语音效果，本文选用ISD4004芯片，通过它实现语音的存储，而且获取更好的的声音效果。
2.1.5电机驱动的选择
电机的驱动方式有多种形式，例如：
H桥和BTN7970。
H桥的建立比较简单，并且具有较高的性价比，然而它的驱动电流较小，易出现发热现象[7]。
BTN7970驱动电流较大，电路的构建较容易，可以驱动大功率的电机[8]。
本论文的电机驱动电流一般要求比较大，因此，本文选自后者驱动方式。
2.1.6温度传感器的选择
温度的采集的数据有的为数字型，也有的为模拟型。
常用的温度传感器类型有DS18B20和PT100。
DS18B20属于单线数字型的温度传感器。
它的电路设计十分简单，并且具有较高的测量准确度。
它的温度测量范围较大，范围是-55度至125度，性价比较高，使用简便[9]。
PT100属于模拟型的温度传感器。
它可以把检测得到的值进行放大和滤波等操作，再通过AD进行转换，输入到单片机中。
因此，它的使用电路十分复杂。
它的优点是检测精度较好，温度范围大，能达到-200到600度，但是性价比较低[10]。
因为家庭的温度不要很大的检测范围，并且对精度的要求也不高。
所以，DS18B20就可以实现用户的要求，并且其电路设计容易、使用方便、性价比高、能够实现更有效的控制。
2.2整体方案设计
2.2.1系统的整体设计思路
依据技术条件和要求，智能红外遥控电风扇系统要完成的功能如下：
首先用按键或者遥控实现16种档位的设置。
然后，要具有语音播报和液晶显示的功能。
最后，在基本功能实现的基础上，附加温度采集和显示功能，而且系统可以根据温度值来控制风扇的风速，且能够实现定时控制。
所以，本系统能够包括以下7个模块，分别是：
单片机控制模块、温度检测模块、液晶显示模块、语音播报模块、功能键控制模块、红外通信模块和电机控制模块。
2.2.2系统的总体设计框图
系统的总体设计框图如下图2-1所示：
图2-1系统的总体设计框图
2.3主要元器件的介绍
2.3.1STC12LE5A60S2单片机
STC12LE5A60S2单片机由宏晶科技公司研发的，这是一款单时钟/机器周期的单片机。
这款芯片能够实现高速处理，并且具有低功耗和超强抗干扰的优点，属于最新的一种8051单片机[11]。
STC12LE5A60S2单片机的指令代码可以完全兼容传统的8051，并且它的速度将比传统的速度快8至12倍。
它的内部集成了MAX810专用复位电路以及2路PWM，同时，它的内部还含有8路高速10位A/D转换[12]。
STC12LE5A60S2系列芯片的工作电压为3.6V-2.2V，通常使用的是3V单片机。
提供给开发者的应用程序空间是60K，片内集成了1280字节的RAM[13]。
当通用I/O口复位进行复位操作以后，芯片将呈现准双向口/弱上拉。
它具有4个16位定时器，2个和传统8051兼容的定时器/计数器。
它具有16位定时器T0和T1，但是不拥有定时器2，通过独立波特率发生器当成是串行通讯的波特率发生器，附带2路PCA模块，就可以实现2个16位定时器PWM/PCA、A/D转换[14]。
它具有10位精度的ADC，也就是8路。
STC12LE5A60S2系列单片机集成了两路可编程计数器阵列模块，也就是PCA模块。
它能够软件定时器、外部脉冲的捕捉、高速输出以及脉宽调制（PWM）进行输出[15]。
单片机引脚图如图2-2所示：
图2-2单片机引脚图
2.3.2ISD4004语音芯片
（1）ISD4004介绍
ISD4004的系列工作电压是3V。
ISD4004系列单片的录放时间为8～16分钟。
它的优点是音质较好，非常适合在移动电话领域电子产品中使用。
芯片使用的是CMOS技术方法，它的内部包括：
振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪和高密度多电平闪烁存贮器件。
芯片在使用时，要基于微控制器的有效控制，它的操作指令是利用串行通信接口，也就是SPI或者Microwire进行送入的。
芯片使用的多电平可以用来模拟量存储技术手段。
每个采样值都可以直接存贮在片内的闪烁存贮器内，所以，它具有一定的真实性，能够自然的重现语音、音乐、音调以及效果声音等内容。
ISD4004有效预防了通常情况下的固体录音电路中，由于量化以及压缩造成的量化噪声和”金属声”状况的出现。
芯片的采样频率是4.0kHz，5.3kHz，6.4kHz或者8.0kHz，频率越小，芯片的录放时间将会更多，并且音质也会变得不好，芯片内的信息将存放在闪烁存贮器内，而且能够在断电时实现保存功能，保存的时间可以达到100年，能够重复录音10万次。
元件的实物图如图2-3所示：
图2-3ISD4004图片
（2）SPI（串行外设接口）
ISD4004工作形式是在SPI串行接口下，SPI协议为一种同步串行数据传输协议。
协议假设微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿实施操作。
对ISD4004MP语音芯片来说，当时钟处于上升沿的状态，将锁存MOSI引脚的数据；当处于下降沿的状态，将会把数据送入MISO引脚中。
（3）上电顺序
元件延时TPUD以后才会正式才启动操作。
所以，在使用者发出上电指令以后，需要等待TPUD的信号，在信号后会发出一条操作指令。
假定，由00处进行发音，那么可以遵循以下时序：
1）发送POWERUP命令；
2）等待TPUD（上电延时）；
3）发送地址值为00的SETPLAY命令；
4）发送PLAY命令。
该元件能够从00地址就进行放音的启动，如果有EOM显示时，就会立刻停止中断，也就是在此时停止了声音的播放。
倘若从00处开始进行录音，那么就能够按照下列时序进行：
1）发送POWERUP命令；
2）等待TPUD（上电延时）；
3）发送POWERUP命令；
4）等待2倍TPUD；
5）发送地址值为00的SETREC命令；
6）发送REC命令。
元件能够从00地址进行录音的启动，直到OVF出现时才停止，也就是说存贮器末尾阶段出现时，录音才停止。
（4）指令表
指令表如表2-1所示。
表2-1ISD4004指令表
指令
8位控制码<16位地址>
操作摘要
POWERUP
00100XXX
上电:
等待TPUD后器件可以工作
SETPLAY
11100XXX
从指定地址开始放音。
必须后跟PLAY指令使放音继续
PLAY
11110XXX
从当前地址开始放音
SETREC
10100XXX
从指定地址开始录音。
必须后跟REC指令录音继续
REC
10110XXX
从当前地址开始录音
SETMC
11101XXX
从指定地址开始快进。
必须后跟MC指令快进继续
MC
11111XXX
执行快进,直到EOM.若再无信息,则进入OVF状态
STOP
0X110XXX
停止当前操作
STOPWRDN
0X01XXXX
停止当前操作并掉电
RINT
0X110XXX
读状态:
OVF和EOM
2.3.3TFT彩屏
（1）主要功能
它属于一块高画质的TFT真彩LCD模块。
它的优点很多，拥有很多种类的接口、编程简单实用、便于进行外围扩展等功能。
内部含有专用驱动和控制IC（SPFD5408），而且驱动IC能够自行集成并且显示缓存信息。
该器件不需要外部的显示缓存。
TFT彩屏普遍使用的3.3V工作电压以及IO口电平。
对单片机的供电电压的要求是必须要与I/O电平具有一致性。
因为，一旦两者大小不同，将会对系统的稳定性造成严重影响。
5V的单片机不可以和彩色屏幕直接进行连接，中间要有电平转换电路。
（2）主要引脚介绍
TFT彩屏引脚功能如下表所示：
表2-2TFT引脚表
接口引脚
说明
Vcc
显示板电源（推荐3伏）
LED_A
背光灯电源
D8~D15
位数据总线
CS
片选（低电平有效）
REST
复位（低电平复位）
RS
控制寄存器/数据寄存器选择（低电平选择控制寄存器）
RW
写信号（低电平有效）
RD
读信号（低电平有效）
GND
接地
2.3.4红外通信
（1）红外通信原理
红外遥控有两个部分组成，分别是：
发送部分和接收部分。
发送端使用单片机，将准备发送的二进制信号编码进行转变，调制成一系列的脉冲串信号。
利用红外发射管实现红外信号的发射。
红外接收操作完成以后，就可以实现红外信号的接收、放大、检波、整形以及解调得到的遥控编码脉冲。
为了大幅度的降低干扰，使用性价比高，并且性能稳定的性集成形式的红外接收头，用它来接收外部的红外信号。
芯片的型号是HS0038，其能够接收得到的红外信号频率是38kHz，周期通常是26μs，其可以实现信号的放大、检波以及整形，最终获取TTL电平的编码信号。
最后将这个信号输入给单片机，通过单片机进行解码操作，最终控制相对应的目标。
红外通信原理图如图2-4所示：
图2-4红外通信原理图
（2）编码、解码
二进制信号的调制是通过单片机实现的，它可以将编码以后的二进制信号调制为频率38kHz的间断脉冲串。
这就等同于将二进制信号的编码乘以频率38kHz的脉冲信号，最终获取间断脉冲串。
这就是我们通常所说的，调制完成以后，利用红外发射二极管发送的信号。
红外接收首先要通过解调处理，解调操作是基于红外接收管实现接收的。
如果脉宽是0.56ms、周期是1.12ms，则表示为二进制的“0”；如果脉宽是1.68ms、周期是2.24ms，则表示二进制的“1”，如图2-5所示：
图2-5数据码原理图
单片机使用外部中断INT0管脚和红外接收头的信号线相连，中断方式是边沿触发形式。
运算时的中断间隔时间可以用来区分前导码、二进制的“1”、“0”码。
2.3.5DS18B20
DS18B20的主要特性如下：
（1）适合使用的电压范围较大，电压范围为3.0V～5.5V。
当其在寄生电源形式种工作，它能够利用数据线进行供电；
（2）具有特点的单线接口形式，DS18B20在和微处理器进行连接的情况下，能够利用一条口线实现微处理器和DS18B20的双向通讯；
（3）DS18B20能够支撑很多个组网，也就是说多个DS18B20能够将信号并联，在三线上达到组网多点，实现最终的测温操作；
（4）DS18B20在使用时，不依靠外围器件，全部传感器件和转换电路都安放在三极管的集成电路中，具有较高的集成化程度；
（5）温范围是-55℃～＋125℃，当处于—10℃～+85℃的情况下，它的精度可以达到±0.5℃；
（6）可编程的分辨率将是9～12位，相对应的可分辨温度分别是0.5℃、0.25℃、0.125℃以及0.0625℃。
它能够进行高精度的测温工作，其实物图如图2-6所示：
图2-6DS18B20引脚图
DS18B20温度值格式表如图2-7所示：
图2-7DS18B20温度值格式表
DS18B20温度传感器的存储器及分辨率及指令如下表2-3和表2-4所示。
表2-3分辨率设置表
R1
R0
分辨率
温度最大转换时间
0
0
9位
93.75ms
0
1
10位
187.5ms
1
0
11位
375ms
1
1
12位
750ms
DS18B20工作的情况下有必要对指令实施控制，指令参照下表：
表2-4DS18B20指令表
指令
功能
0XCC
忽虑ROM指令
0X44
开始温度转换
0XBE
读取暂存器和CRC字节
0X33
读取ROM指令
2.3.6BTN7970驱动芯片
（1）BTN7970简介
BTN7970为Infineon公司研发的一种智能功率驱动芯片。
该芯片的内部含有电流检测电路、控制驱动电路、1个P型以及1个N型MOSFET管。
它能够便于在2相或3相、直流有刷或者无刷电机的控制驱动电路中进行使用，既能将电路的复杂程度进行化简，也能够控制效果变得更好。
当电路中出现过温、过压、欠压、过流以及短路的情形时，芯片将自动进入关闭状态，此时不在允许输入；在电流越过设定的最大电流的情况下，利用MCU端的I/0可以使引脚关闭驱动芯片。
要想预防系统在使用过程中因，由于芯片受到保护进而停止工作的现象发生，就需要在系统设计时，多注意散热、稳压以及过流保护等安全措施。
（2）引脚功能定义
BTN7970的引脚的简要介绍如表2-5所示。
表2-5BTN7970引脚介绍表
引脚号
名称
I/O
功能描述
1
GND
--
接地
2
IN
I
PWM输入
3
INH
I
模式切换
4和8
OUT
O
半H桥电源输出脚
5
SR
--
开关频率调节电阻
6
IS
O
反馈电流输出端
7
VS
--
电源输入引脚
（3）工作原理
在INH引脚输入是高电平的情况时，OUT端将输出电压，并且经过IN端输入PWM，具体情况由占空比得以决定。
在占空比大于某个值的情况出现时，输入芯片内部经过非门驱动电路时，将会输出低电平，然后让P型MOSFET管实现导通，同时利用调节输入占空比实现调节OUT端的输出电压大小。
在输入的占空比是0的情况，输入的低电平将通过非门驱动电路进行处理，使得输出高电平，让N型MOSFET管导通，IS端检测的电流是通过MOSFET管的电流。
一般情况下，可以把2片或者3片BTN7970进行组合，构建电机控制驱动电路。
3系统的硬件设计
3.1系统硬件电路的总体设计思路
智能红外遥控电风扇系统最主要功能是实现风速的有效控制，并且让系统在运行的情况下能够具有很好的人机交互界面。
在系统运行时，单片机首先需要通过接收按键的输入值或接收红外信号传递的信息，然后单片机再依据采集的信息，生成不一样占空比的PWM信号，利用这个信号实现电机驱动电路的有效控制，包括对电机不同转速的控制。
DS18B20温度传感器能够把室内温度进行采集，单片机只需要根据温度传感器采集得到的的温度值就能实现电机运行状态的控制，包括不同的转速的控制。
当有按键按下的情况出现，语音播放模块能够把已经事先录制好的语音，利用播放器进行播放操作，然后实现语音的自动播报功能。
系统在运行的情况下，液晶模块能够把整个系统的状态信息以及功能全部显示出来，让用户在使用过程中更加方便和快捷。
本系统的整个电路主要包括以下几部分：
电源电路、单片机最小系统电路、按键电路、录音电路、放音电路、温度采集电路、液晶显示电路、红外接收和放送电路以及电机驱动电路。
3.2系统的总体硬件电路图
系统总体硬件电路图如下图所示：
图3-1智能红外遥控电风扇系统总体硬件电路图
3.3系统各个模块硬件电路设计
3.3.1单片机最小系统电路
（1）时钟电路
时钟是芯片工作的最基本元素，单片机的时钟信号能够通过两种方法产生。
第一种是内部产生方式，通过芯片中含有的振荡电路实现；另一种产生方法是外部产生。
内部方法的电路需要在外围电路中接入晶振和电容，共同组建成并联谐振电路。
外部方法是通过外部振荡器信号源直接连接XTAL1或者XTAL2。
一般情况下，XTAL1需要接地，XTAL2需要接外部时钟。
时钟电路如下图所示：
图3-2时钟电路
（2）电源电路
因为系统使用是低功耗型的单片机，所以电路内部芯片的工作电压是3.3V。
所以，电路的主电源为3.3V。
电路内的其它芯片都是工作在5V状态下的，电机的驱动需要使用8V左右的电压。
因此，本系统在设计时，电源一般要使用一块8V的电池，再利用分压芯片分别取得3.3V和5V的电源，这就是为不一样的芯片输入电压。
电路电路的连接电路如下图所示：
图3-3电源电路
（3）复位电路
复位电路属于单片机的最小系统的组成电路，主要用于完成初始化操作。
复位电路的目的为，让CPU以及其寄存器间处在一个确定的初始化状态。
系统在
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