电风扇智能控制系统设计.docx
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电风扇智能控制系统设计
第1节引言………………………………………………………………………2
1.1智能电风扇控制系统概述………………………………………………2
1.2本设计任务和主要内容…………………………………………………2
第2节方案论证…………………………………………………………………4
2.1温度传感器的选用………………………………………………………4
2.2控制核心的选择…………………………………………………………4
2.3显示电路的选择…………………………………………………………5
第3节系统主要硬件电路设计…………………………………………………6
3.1数字温度传感器模块设计………………………………………………6
3.2电机调速与控制模块设计………………………………………………6
3.3电机调速模块设计………………………………………………………9
3.4温度显示与控制模块设计………………………………………………12
3.5键盘模块设计……………………………………………………………14
第4节程序设计与仿真…………………………………………………………16
4.1数字温度传感器模块程序设计…………………………………………16
4.2显示模块程序流程………………………………………………………19
4.3电机调速与万年历程序流程……………………………………………23
4.4按键总控制流程…………………………………………………………26
4.5主程序……………………………………………………………………38
第5节成品调试…………………………………………………………………38
5.1静态测试…………………………………………………………………38
5.2联机调试…………………………………………………………………38
结束语……………………………………………………………………………39参考文献……………………………………………………………………………41
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STC89C51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。
第二节方案论证
本系统实现风扇的温度控制，需要有较高的温度变化分辨率和稳定可靠的换
档停机控制部件。
2.1温度传感器的选用
温度传感器可由以下几种方案可供选择:
方案一:
选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大山于
温度变化引起热敏电阻电阻的变化、进而导至的输出电压变化的微弱电压变化信
号，再用AD转换芯片ADC0809将模拟信号转化为数字信号输入单片机处理。
方案二:
采用热电偶作为感测温度的核心元件，配合桥式电路，运算放大电
路和AD转换电路，将温度变化信号送入单片机处理。
方案三:
采用数字式集成温度传感器DS18B20作为感测温度的核心元件，直
接输出数字温度信号供单片机处理
对于方案一，采用热敏电阻有价格便宜、元件易购的优点，但热敏电阻对温
度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换过程中还会产生失真和误差，并
且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其本身电阻对温度的变化存在较大误差，
虽然可以通过一定电路予以纠正，但不仅将使电路复杂稳定性降低，而且在人体
所处温度环境温度变化中难以检测到小的温度变化。
故该方案不适合本系统。
对于方案二，采用热电偶和桥式测量电路相对于热敏电阻其对温度的敏感性
和器件的非线性误差都有较大提高，其测温范围也非常宽，从一50摄氏度到1600
摄氏度均可测量。
但是依然存在电路复杂，对温度敏感性达不到本系统要求的标
准，故不采用该方案。
对于方案三，山于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低
了外接放大转换等电路的误差因素，温度误差很小，并且由于其感测温度的原理
与上述两种方案的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。
温度值在器刊
内部转换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该传感器采用先进的
单总线技术（1-WR工E）,与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。
关于
DS18B20的详细参数参看下面“硬件设计”中的器件介绍.
2.2控制核心的选择
方案一:
采用电压比较电路作为控制部件。
温度传感器采用热敏电阻或热电
偶等，温度信号转为电信号并放大，山集成运放组成的比较电路判决控制风扇转
速，当高于或低于某值时将风扇切换到相应档位。
方案二:
采用单片机作为控制核心。
以软件编程的方法进行温度判断，并在
端口输出控制信号。
对于方案一，采用电压比较电路具有电路简单、易于实现，以及无需编写软
件程序的特点，但控制方式过于单一，不能自由设置上下限动作温度，无法满足
不同用户以及不同环境下的多种动作温度要求，故不在本系统中采用。
对于方案二，以单片机作为控制器，通过编写程序不但能将传感器感测到的
温度通过显示电路显示出来，而且用户能通过键盘接口，自由设置上下限动作温
度值，满足全方位的需求.并且通过程序判断温度具有极高的精准度，能精确把
握环境In度的微小变化。
故本系统采用方案二
2.3显示电路
方案一:
采用五位共阳数码管显示温度，动态扫描显示方式.
方案二:
采用液晶显示屏LCD显示温度
对于方案一，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗
极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。
不足的地
方是扫描显示方式是使五个LED逐个点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为20M8，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼将感觉不到闪烁，因此可
以通过增大扫描频率来消除闪烁感。
对于方案二，液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字
符甚至图形的优点，这是LED数码管无法比拟的。
但是液晶显示模块价格昂贵，
驱动程序复杂，从硬件电路复杂性原则考虑，本系统采用方案二。
第三节系统主要硬件电路设计
3.1总体硬件设计
系统总体设计框图如图3-1所示
图3-1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STC89C51单片机作为中央处理器。
作为整个控制系统的核心，STC89C51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
3.2数字温度传感器模块设计
3.2.1DS18B20单线数字温度传感器简介
DS18820单线数字温度传感器是Dallas半导体公司开发的世界上第一片支
持“一线总线”接口的温度传感器。
它具有3引脚TO-92小体积封装形式。
温
度测量范围为一55`C—+125'C，可编程为9位—12位A/D转换精度，测温分
辨率可达0.06250C.被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出.工作电
压支持3V-一一5.5V的电压范围，既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。
DS18B20还支持“一线总线”接口，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，
CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节
省大量的引线和逻辑电路.
DS18820内部结构主要由4部分组成:
64位ROM,温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL,配置寄存器。
其管脚排列如图2所示，DQ为数字信号端，cnIl为电源地，VDD为电源输入端口。
图3.1DS18B20内部结构
图3.2DS18B20外形与管脚
温度传感器也可以选用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。
3.2.2温度传感器模块组成
本模块以DS18B20作为温度传感器，STC89C51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3.3所示。
图3.3温度传感器模块
DS18B20进行现场温度测量，将测量数据送入STC89C51的P3.3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。
3.2.3DS18B20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
3.3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L298来调节PWM输出，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，实现各档位风速的调速。
3.3.1L298芯片介绍
L298驱动芯片是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内包含二个H桥的高压大电六双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
实物图如图3.1所示。
图3.1实物图
图3.2管脚图
L298有两路电源分别为逻辑电源6V和动力电源12V，ENA、ENB直接接入5V电源使电机进入使能状态，IN1和IN2用来控制电路的逻辑功能状态。
由于使用的电机是线圈式，在从运行状态突然转到停止状态和从顺时状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的方向电流，在电路中加入二极管就是在产生方向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。
下图为L298的逻辑功能状态。
3.3.2电机调速原理
我们采用的是PWM来实现直流电动机的调速，优点：
控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小。
缺点是：
功率低，散热问题严重。
电动机的电驱绕组两端的电压平均值U为：
U=（t1*U）/（t1+t2）=（t1*U）/T=D*U式中D为占空比，D=t/T。
占空比D表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。
D的变化范围为0<=D<=1。
当电源电压U不变的情况下，输出电压的平均值U取决与占空比D的大小，改变D值也就改变了输出电压的平均值，从而达到控制电动机转速的目的，即实现PWM调速。
3.3.2电机调速模块设计
根据图3.3所示连接好电路图，A/B接入单片机上通过程序来控制L298输出来控制直流电机的转动。
PWM1赋值为1时，使能直流电机转动。
3.4温度显示与控制模块设计
3.4.11602液晶模块的特性
字符型液晶模块1602是一种用5×7点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等，常用的2行16个字的1602液晶模块来的编程方法如下。
1602采用标准的16脚接口，其中:
第1脚：
VSS为地电源；第2脚：
VDD接5V正电源；第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15～16脚：
空脚。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如表1所示，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到“A”。
它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）。
3.4.2显示模块设计
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，如下表。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0A
0B
0C
0D
0E
0F
第一行
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
4A
4B
4C
4D
4E
4F
第二行
3.5键盘模块设计
3.5.1键盘方式选择
常用的键识别方法有：
行扫描法、线翻转法和利用8279键盘接口的中断法。
在本系统中，完全可以不使用中断法完成键盘接口，这是由系统的特殊性决定的。
首先，对于本系统而言，要实现便携式的设计，硬件电路使用的器件越少越好。
其次，被测信号由外中断引脚输入，未占用单片机4个并行I/O口中的任何一个，系统有足够的资源利用自身I/O口完成接口。
最后，只有当传感器输出信号频率为空载频率，系统处于空闲待测的状态下，才允许键盘输入，因此键盘识别占用的CPU时间不会对系统正常工作造成影响。
因此直接利用单片机并行接口完成键盘的接口，采用线翻转法进行键盘识别。
3.5.2实现方案
本单片机系统使用简单的键盘和液晶显示器件来完成输入/输出操作的人机界面。
键盘输入信息的主要过程是：
·CPU判断是否有健按下。
·确定按下的是哪一个健。
·把此键代表的信息翻译成计算机所能识别的代码，如ASCII或其他特征码。
键盘上有很多键，每一个键对应一个键码，以便根据键码转到相应的键处理子程序，进一步实现数据输入和命令处理的功能。
键盘识别的流程如图所示。
3.5.3模块设计
第四节程序设计与仿真
本系统的运行程序采用C语言编写，采用模块化模块化编程的方法，整体程序由主程序（.c文件）和子程序（.h文件）构成。
4.1数字温度传感器模块程序设计
4.2主要程序如下（以下程序为一个ds18b20.h的程序包）：
/***********ds18b20子程序*************************/
#ifndef__ds18b20_H__
#define__ds18b20_H__
//sbitDQ=P2^3;//定义通信端口
sbitDQ=P3^3;
voiddelay（unsignedinti）
{
while（i--）;
}
/*初始化函数*/
Init_DS18B20（void）
{
unsignedcharx=0;
DQ=1;//DQ复位
delay（4）;//稍做延时
DQ=0;//单片机将DQ拉低
delay（80）;//精确延时大于480us
DQ=1;//拉高总线
delay（20）;
x=DQ;//稍做延时后如果x=0则初始化成功x=1则初始化失败
delay（20）;
}
/*读一个字节*/
RChar（void）
{
unsignedchari=0;
unsignedchardat=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DQ=0;//给脉冲信号
dat>>=1;
DQ=1;//给脉冲信号
if（DQ）
dat|=0x80;
delay（10）;
}
return（dat）;
}
/*写一个字节*/
WChar（unsignedchardat）
{
unsignedchari=0;
for（i=8;i>0;i--）
{
DQ=0;
DQ=dat&0x01;
delay（10）;
DQ=1;
dat>>=1;
}
}
/*读取温度*/
ReadTemp（void）
{
unsignedchara=0;
unsignedcharb=0;
unsignedintt=0;
Init_DS18B20（）;
WChar（0xCC）;//跳过读序号列号的操作
WChar（0x44）;//启动温度转换
delay（100）;
Init_DS18B20（）;
WChar（0xCC）;//跳过读序号列号的操作
WChar（0xBE）;//（读取温度寄存器）前两个就是温度
a=RChar（）;//低八位
b=RChar（）;//高八位
t=（b*256+a）*25;//传感器返回值除16得实际温度值
//为了得到2位小数位，先乘100，再除16（先乘以25再除以4）
return（t>>2）;
}
#endif
4.2显示模块程序流程
4.2.4程序如下（以下程序为一个LCD1602.h的程序包）：
#ifndef___H__
#define__LCD1602_H__
#defineLCD_DBP0
sbitLCD_RS=P2^0;//命令数据端口
sbitLCD_RW=P2^1;//读写控制端口
sbitLCD_E=P2^2;//使能端口
/******定义函数****************/
voidLCD_init（void）;//初始化函数
voidLCD_write_command（unsignedcharcommand）;//写指令函数ao
voidLCD_write_data（unsignedchardat）;//写数据函数
voidLCD_disp_char（unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchardat）;//在某个屏幕位置上显示一个字符,X（0-16）,y（1-2）
voiddelay_n40us（unsignedintn）;//延时函数
/*******初始化函数***************/
voidLCD_init（void）
{LCD_write_command（0x01）;//清除屏幕显示
delay_n40us（100）;//实践证明，我的LCD1602上，用for循环100次就能可靠完成清屏指令。
LCD_write_command（0x38）;//设置8位格式，2行，5x7
LCD_write_command（0x0c）;//整体显示，关光标，不闪烁
LCD_write_command（0x06）;//设定输入方式，增量不移位
}
//********写指令函数************
voidLCD_write_command（unsignedchardat）
{
LCD_DB=dat;
LCD_RS=0;//指令
LCD_RW=0;//写入
LCD_E=1;//允许
LCD_E=0;
delay_n40us
（2）;//实践证明，我的LCD1602上，用for循环2次就能完成普通写指令。
}
//********写数据函数*************
voidLCD_write_data（unsignedchardat）
{
LCD_DB=dat;
LCD_RS=1;//数据
LCD_RW=0;//写入
LCD_E=1;//允许
LCD_E=0;
delay_n40us
（2）;
}
//*******显示一个字符函数*********
voidLCD_disp_char（unsignedcharx,unsignedchary,unsignedchardat）
{
unsignedcharaddress;
if（y==1）
address=0x80+x;
else
address=0xc0+x;
LCD_write_command（address）;
LCD_write_data（dat）;
}
//*
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