电子设计大赛之智能电风扇的设计.docx
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电子设计大赛之智能电风扇的设计
题目名称：
智能电风扇的设计
摘要：
本设计以MSP430F149单片机为核心控制模块，采用HS0038光电传感器和DS18B20温度传感器来测量电风扇的转速和检测时刻环境温度，通过主从单片机之间的串行通信来完成电风扇转速数据处理、模式控制和转速控制等，采用PWM脉冲调制技术来控制风扇的转速，用键盘和HB12864液晶显示来实现人机交互，用红外发射和接受装置来完成遥感控制功能。
该系统有电风扇的无级调速，并可以对电风扇的转速进行设置和转速的实时测试与显示、具有睡眠风、自然风等多种工作模式可以选择、能显示日期、时间、温度、风扇转速、运行模式等等信息和实现定时自动开、关机等功能，系统结构简单，步进小、精度高等优点。
关键词：
单片机红外遥控智能控制风扇
Abstract:
ThisdesigntoMSP430F149microcontrollerasthecorecontrolmodule,theHS0038photoelectricsensorandDS18B20temperaturesensortomeasurethespeedoftheelectricfanandtestingtime,throughthemaster-slaveSCMenvironmenttemperatureofserialcommunicationbetweentocompletetheelectricfanspeeddataprocessing,patterncontrolandspeedcontrolandsoon,USESthePWMpulsemodulationtechnologytocontrolthespeedofthefans,usethekeyboardandHB12864liquidcrystaldisplaytorealizehuman-machineinteraction,withinfraredemissionandacceptdevicetocompleteremotesensingcontrolfunction.Thesystemhasthefansteplessspeedregulation,andtotheelectricfanspeedsettingandspeedofthereal-timetestinganddisplay,withthewind,suchasnaturalsleepDuoZhongworkmodelstochoose,canshowthedate,time,temperature,fanspeed,themodeofoperationandsooninformationandrealizetheautomaticshutdownopen,suchastimingfunction,systemstructureissimple,stepintosmall,highprecisionofadvantages.
Keyword:
temperaturesensor；infraredremotecontrol；intelligentcontrol；fan
目 录
1方案设计与论证 3
1.1整体方案比较和选择 3
1.2电源方案比较选择 3
2系统设计 5
2.1总体设计； 5
2.2各单元模块功能介绍及电路设计； 5
2.2.1遥控发射和接收电路模块 5
2.2.2电风扇驱动隔离电路 6
2.2.3键盘模块 7
2.2.4定时电路 8
2.2.5温度探测电路 8
2.2.6电源模块 8
2.3特殊器件的介绍； 9
2.3.1单片机STC12C5A60S2 9
2.3.2时钟芯片DS12C887 10
2.3.3红外接收管HS0038 10
2.3.4通用光电耦合器PC817 11
3软件设计 11
3.1设计思路 11
3.1.1扫描键盘模块 11
3.1.2红外接收模块 11
3.2软件流程图 11
4系统测试 12
4.1测试方法 12
4.2测试结果 12
4.3结果分析 12
5结论 13
参考文献 13
附录：
14
附1：
主要元器件明细表：
14
附2：
仪器设备清单 14
附3：
电路图图纸 14
附4：
程序清单 16
1方案设计与论证
1.1整体方案比较和选择
根据课题要求，智能电风扇需要温度智控功能：
风扇可以感知环境的温度，以调节风扇的转速，达到更好的工作效果。
用户可以选择这种智能调速方式，也可以选择手动设定方式来控制转速。
当选择手动设定方式时，该功能不发挥作用。
多种安全保护功能：
当风扇的倾斜角度大于一定程度时，电机将停止工作，以保证安全；当风扇电机温度超过允许温度时，为保证安全使用，电机同样会停止工作。
多级调速功能：
提供更多的风力级别和风型，提高用户的舒适度。
定时工作功能：
该定时功能可以让用户自己定制风扇工作时间的长短，以提供更人性化的服务。
液晶显示功能：
使用液晶屏显示当前室温，风扇的转速，风扇的工作模式。
红外遥控功能：
提供远距离非接触式的风扇控制操作。
1.2电源方案比较选择
根据要求，需要制作能够产生正负12V，+5V和+3.3V的电压源。
由于稳压芯片的选择不同有以下四种方案：
方案1：
采用LM7812、LM7805、LM7912稳压芯片，分别产生+12V、+5V、-12V的恒定电压。
+3.3V电压由TL431芯片，根据电阻分压产生。
（如图1所示）。
方案优点：
该方案硬件电路原理简单，在调试电路和使用电路时操作简单。
都是独立输入电压后稳压到一定的值，所以电路相互干扰较小，灵活性高。
方案缺点：
输出电流不是很大，所以驱动能力较弱。
TL431输出电流较小，需要扩流电路，增加设计的工程量和复杂度。
此外，消耗在各独立电路上的焦耳热很多，转换效率低。
图1 电源方案1电路设计框图
方案2:
采用LM7912产生-12V电压，LT1805-5和LT1805-3.3分别稳压达到+5V、+3.3V。
以LM7812的输出作为LM7805的输入，以LM7805的输出作为LT1805-3.3的输入。
（如图2所示）
方案优点：
该电路原理和制作都较简单，消耗的焦耳热较小，电流输出较大。
方案缺点:
电路的独立性不强。
需要四个散热片，在电路板上占用空间较大。
图2方案2电路设计框图
方案3:
采用LT1805-12产生正负12V电压，LT1805-5和LT1805-3.3分别稳压达到+5V、+3.3V（如图3所示）。
方案优点：
该方案中涉及芯片LT1805稳压后输出电流可以达到3A，所以输出功率足够大，则带负载的能力强。
此外，用LT1805-5的输出作为LT1805-3.3的输入，则消耗的焦耳热大大的减少了，提高了转换效率。
电路灵活性很强。
方案缺点：
需要四个散热片。
图3方案3设计电路设计框图
方案选定：
基于以上论证选择方案3
2系统设计
2.1总体设计；
根据设计要求，电路的总体模块可以如下图4所示：
图4总体设计电路模块框图
●温度检测模块：
采用DS18B20，主要用来检测室温和电风扇的温度；
●人机接口包括红外遥控，键盘模块和LCD显示模块，实现电风扇与用户的信息交互；
●液晶显示模块：
用HB12864作为显示部分，供电为3.3V；
●时钟电路模块：
由DS12C887构成；
2.2各单元模块功能介绍及电路设计；
2.2.1遥控发射和接收电路模块
发射电路由两个红外发光二极管，增加了红外光的发射范围，增加了接收的可靠性。
电路如下图5所示：
图5 红外发射模块
构成红外接收电路采取红外接收器件HS0038，通过系统的输入捕捉接收红外遥控信号。
R8和C7主要是构成低通滤波的作用。
R10为1K对于起指示作用的发光二极管而言是限流作用。
具体电路如下图6所示：
图6红外接收电路
2.2.2电风扇驱动隔离电路
由L298驱动芯片构成电风扇的驱动电路。
内部有4路输入和输出，主要是对输入信号的幅度提升从而达到提高驱动功率的作用。
该电路在单片机和驱动电路之间有由PC817构成的隔离电路，对单片机有保护作用。
该电路需要注意的部分是隔离电路的两个地是不能连在一起的，如果连在一起则不能起到隔离作用。
驱动电路如下图7所示：
图7 风扇驱动电路
2.2.3键盘模块
4X4键盘模块采用的是总线控制方式，独立键盘采用的是独立I/O口控制。
用了两个锁存器74HC573，由于74HC573是单向的，所以在读的这部分采用反接的形式。
此单片机的供电部分注意接上电容进行滤波。
此外SC12C5A60S2在该处采用的是上电复位的形式。
矩阵键盘如下图8所示：
图8 单片机总线控制的键盘电路
2.2.4定时电路
定时电路采用的定时芯片是DS12C887，构成电路如下图9所示：
图9 定时电路
2.2.5温度探测电路
单线数字温度传感器DS18B20采用一线总线接口，大大节省了系统的I/O资源。
电路如下图10所示：
图10 温度传感器DS18B20构成电路
2.2.6电源模块
该模块利用LT1805分别产生12V,+5V,+3.3V电压，每个芯片都用一个发光二极管作为指示作用。
（电源模块电路图如下图11所示）其中发光二极管电路中限流电阻的选择按如下计算：
（式1）
说明：
发光二极管的正向工作电压Vd范围为1.5V-3V,允许通过的电流I为2-20mA,电流的大小决定了发光的亮度。
电压、电流的大小依器件型号下同而稍有差异。
若与TTL组件相连接使用，一般需串联一个电阻，以防止器件损坏。
因为VCC为12V时，若Vd=2V,I=10mA，利用（式1）可得：
=R
图11 电源模块
2.3特殊器件的介绍；
2.3.1单片机STC12C5A60S2
单片机STC12C5A60S2作为红外遥控模的核心控制器，利用该单片机和主机上的MSP430F149单片机之间的串口进行红外遥控通信，该单片机的内部结构如下图12所示：
图12 单片机STC12C5A60S2内部结构
2.3.2时钟芯片DS12C887
DS12C887低功耗实时时钟芯片为本系统提供系统时间，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。
下图13为该时钟芯片的内部结构图：
图13 DS12C887内部结构图
2.3.3红外接收管HS0038
红外接收接收电路如下图14所示：
图14 红外接收电路
2.3.4通用光电耦合器PC817
PC817在输入和输出间最大隔离电压幅值可以达到5KV,接在单片机的I/O口和L298的驱动电路输入端间起到隔离和保护单片机的作用。
内部电路图如下15所示：
图15PC817内部电路连接图
3软件设计
3.1设计思路
3.1.1扫描键盘模块
键盘扫描程序就是扫描键盘看是否有键按下，如有键按下判断出是哪一个键，当确定按下某一个键后，即执行红外发射程序。
扫描的方法是判断P1口各位的电平，无按键按下时，各位均为高电平，当某一个按键按下以后，该位即为低电平。
3.1.2红外接收模块
使用输入捕捉中断处理红外遥控信号，根据不同的红外编码，可以完
成调节风速，风型，时间，照明等功能。
红外输入捕捉中断模块的流程图如下：
3.2软件流程图
图软件主流程图
4系统测试
4.1测试方法
步骤1：
将遥控模块，红外接收模块，测转速模块分别检测板子是否可以正常工作。
调试正确后，针对每个模块进行编程控制。
步骤2：
每个部分能够独立完成工作后，将每个模块融合在一起，共同完成整个系统的功能。
步骤3：
对主控芯片MSP430单片机编写控制程序，最后完成对风扇的智能控制。
步骤4：
观察液晶的上显示的工作模式，风型和转速等其他信息并进行功能的比对和完善。
4.2测试结果
此处放几张液晶显示的照片
4.3结果分析
能够达到以下要求：
1、实现电风扇的无级调速，并可以对电风扇的转速进行设置和转速的实时测试与显示。
2、实现直流电风扇的反转控制和速度设置与显示。
3、有睡眠风、自然风等多种工作模式可以选择。
4、关机时自动记忆当前设置的运行参数，下次开机自己载入关机时的运行模式和当前的实时日期与时钟。
5、具有LCD显示功能，能显示日期、时间、温度、风扇转速、运行模式等等信息。
6、能实现定时自动开、关机。
7、具有温度测量与显示功能，测温精度优于1℃。
8、能实现全功能红外线遥控，通过红外遥控板实现全部的参数设置与调节。
9、具有可编程运行模式设置功能，即可以自己编程设置风扇的连续运行模式，比如设置强风连续工作2分钟，之后转为中等强度的风，工作20分钟后，编程自然风状态，工作1小时后关机。
5结论
本次课出现的问题如下：
1、稳压芯片L7805的封装没有核对清楚，导致安装上后芯片很热。
该芯片管脚和LM7805是有区别的，下次遇到应该注意。
2、在对键盘操作时候，对锁存器74HC573没有处理好，导致数据一直不能正确写入。
3、在PCB布板时，HS0038的接收部分一定要放在板子的边上。
有散热片的芯片也该注意这一点。
参考文献
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附录：
附1：
主要元器件明细表：
1、时钟芯片DS12C887
2、光电接收管HS0038
3、光电耦合元件PC817
4、LT1805（3.3V,5V,12V）
5、液晶HB12864
6、温度传感器DS18B20
7、测速元件OS25B10
附2：
仪器设备清单
1、低频信号发生器
2、数字万用表
3、失真度测量仪
4、数字示波器
5、DCPOWERSUPPLY
附3：
电路图图纸
附图1遥控原理图
附图2 时钟驱动测温红外接收电路
附图3遥控电路PCB
附图4时钟驱动测温红外接收电路PCB
附图5实物电路图
附4：
程序清单
升级会员 