合肥学院
《单片机原理与应用》
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摘要 ........................................................ I 1 绪言 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 课题研究的目的和意义 (2)
2 系统的控制特点与性能要求 (2)
3 本设计用到的元器件简介 (2)
3.1 Inter公司AT89C51单片机简介 (2)
3.2、AT89C2051芯片简介 (3)
3.3 DS18B20温度传感器 (4)
4 硬件设计 (5)
4.1 总体硬件设计 (5)
4.2 直流稳压电源的设计 (6)
4.2.1 单相桥式整流电路 (6)
4.2.2 滤波电路 (7)
4.2.3 稳压电路 (8)
4.3 电机调速模块 (8)
4.3.1 电机调速原理 (8)
4.3.2 电机控制模块硬件设计 (8)
4.4 温度显示与控制模块设计 (9)
4.4.1 温度检测硬件模块设计 (9)
4.4.2 温度显示硬件模块设计 (10)
4.5红外收/发电路 (11)
4.5.1 红外线遥控器发射电路 (11)
4.5.2红外接收电路 (14)
5 软件设计 (15)
5.1 数字温度传感器模块程序流程图 (17)
5.2电机控制模块 (17)
5.3 人机接口 (19)
5.4 红外收/发模块 (21)
6 总结与展望 (23)
7 致谢 (23)
参考文献 (23)
附录1 (24)
附图1 (38)
摘要:本设计主要介绍了一种智能电风扇的设计方案。该系统以AT89C51芯片的单片机为核心，应用通用的温度传感器来实现对环境温度的监控，同时系统跟随环境温度的变化来改变电机的运行状态。
本设计采用的温度智能控制，使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的方式，也可以选择手动设定方式来控制转速；同时用户也可以使用遥控器来控制风扇的运行状态。当选择手动设定方式时，该功能不发挥作用。而定时工作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。LED显示功能使用液晶屏显示当前室温度，风扇的转速，风扇的工作模式，当前时间，风扇工作时间等参数，美观大方。
关键词：A T89C51 智能电风扇温度传感器无极调速
1 绪言
本章主要阐述了智能电风扇的研究背景，现状，发展方向，明确的指出了制作智能电风扇所用到的元器件，以及各个元器件的功能描述。
1.1 课题背景
我们常见的电风扇一般只有四、五个风速档，用的是人工开关，不知道室内温度，只是人为的调节钙用哪个档。而自动调温调温电风扇这个设计师一个新领域，它用的是在带你走行业中应用广泛的AT89C51单片机。通过单片机与温度探测器结合，将其应用于家用电风扇等转速精确控制，能够有良好的性能。
（1）自动调温电风扇简介
它使用直流电动机的控制以模拟电路为基础，运算放大器、非线性集成电路以及数字电路组成，使得对电风扇各档风量大调节更加细化，使得电风扇等控制更加人性化，同时它也具有全自动、控制简单、智能化，制作容易，使用温度传感器、专用控制集成电路和单片机，实现当室温达到最佳所设定开启的温度是，电风扇自动开启，并且可以根据室温变化换风速；档室温低于这一设定温度时，电风扇自动关闭。同时显示当前室内温度，和自己所设定的温度，提醒人们合理使用电风扇。
（2）自动调温电风扇设计目的
进入5月份，天气越来越热，尤其到了盛夏更是酷热难当。目前可供选择的纳凉工具主要有：空调、普通电风扇、冷风机以及蒲扇、纸扇等等。而电风扇以其低廉的价格是她的使用极为广泛。人们常常通宵达旦的使用，一旦气温稍有变化，感冒人数就会急剧增加；冷风机能增强空气的湿度但使用久了，家里电器会受潮，同时也会让使用者长期裸露在外的关节受到危害；蒲扇和纸扇价格低廉，但不自动，目前使用者微乎其微。
在这种情况下，自动调温电风扇应运而生。我们的生活加快，人数需要处理的事情越
来越多，在炎热的夏天，回到家更想好好休息，消除自己一天的工作疲劳，而自动调温电风扇等设计就解决了这些问题。
自动调温电风扇是通过单片机控制来实现直流电动机运转频率的自动调节，从而达到改变风速的目的。此设计用到AT89C51单片机，它是把微处理器，存储器（RAM和ROM），输入/输出接口以及定时器/计数器集成在一起的集成电路芯片。他与集成电路相结合，组成一个设定温度，感温，控制和输出与一身的模块。利用单片机AT89C51和一些电路对室温进行探测，从而对电风扇进行开和关断一系列控制。
1.2 课题研究的目的和意义
面临庞大的市场需要，需要提高电风扇的市场竞争力。使之在技术含量上有所提高，应使风扇不仅功能多样，操作简便，而且更加安全可靠。为此，在将要走出大学校门，撰写毕业论文之计，我选择了《基于单片机的遥控交流无级调速系统》作为我的毕业设计的研究课题,本课题以”智能电风扇作为载体来进行研究。大学学习期间，分别学习了《单片微机原理及其应用》，《传感器检测及应用技术》等课程，对单片机有一定的了解，特别是MCS-51系列的单片机的特点及其应也较常熟悉；而对于传感器的一些应用也略知一二。所以，在设计智能电风扇的时候，给电风扇赋予了更多人性化的设计，如,遥控控制、定时控制，无极调速等，使电风扇更加人性化，相信其丰富的功能，人性化的设计将大大提高电风扇的市场竞争力。
而且最主要的是通过智能的控制使得科技的应用深入生活中,让广大的人民能享受到科技带来的方便.
2 系统的控制特点与性能要求
本设计主要目的是使普通的电风扇的功能更加强大，使操作简单化，智能化，主要实现以下几个部分的功能：
1.温度控制功能：电风扇可以感知环境温度，以调节风扇的转速，达到更好的工作效果。
2.定时工作功能：该定时功能可以让自己制定风扇工作时间的长短，以提供更人性化的服务。
3、无级调风功能：该功能可解决普通电风扇档位风速变化过大的缺点，可实现任意风速。
4、遥控控制：该功能可以让用户远距离控制电风扇，并选择电风扇等运作状态。
5、实时温度显示：该功能方便用户根据室温调节电机的启动温度点，达到节能目的。
3 本设计用到的元器件简介
3.1 Inter公司AT89C51单片机简介
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示
主要特性：
·与MCS-51 兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路3.2、AT89C2051芯片简介
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
3.3 DS18B20温度传感器
DS18B20内部结构如图3.2.1所示，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。DS18B20的管脚排列如图3.5.2所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地，见图3.8.2）。
ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码（CRC=X8
＋X5＋X4＋1）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
图3.2.1 DS18B20的内部结构
4 硬件设计
4.1 总体硬件设计
系统总体设计框图如下4-1所示：
图4-1系统总体设计框图
对于单片机中央处理器的方案设计，根据要求，我们可以选用具有4KB片内EPPROM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，竞价比高。是比较合适的方案。 4.2 直流稳压电源的设计
直流稳压电源主要功能是为后两个部分提供电压的输出。在设计中分出了2个支路，分别输出5V 电压。
直流稳压电源主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。框图如图4-2所示。
图4-2 直流稳压电源方框图
4.2.1 单相桥式整流电路
整流电路主要实现将交流电转换成直流电。实现这以目标主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。我采用的是单相桥式整流电路。本设计整流电路如图4-2-1-1所示。
图4-2-1-2 单相桥式整流电路图
在图中，输入电压V1通过电源变压器成V2。它的作用是将交流电电压V1变成整流电路要求的交流电压V2。其中的电阻式要求支流供电的负载电阻。四个整流二极管D1到D4结成电桥的形式。通过负载R 的电流I 以及电压V3的波形如图4-2-1-2。它们都是单
方向的全波脉动波形。
图4-2-1-2 单相桥式整流电路波形图
4.2.2 滤波电路
在整流电路输出波形中由于有较多的波纹成分，在所要求的波形不太符合。所以在整流电路以滤去整流输出电压的纹波。而滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC 滤波等。本电路采用的是电容滤波电路。如图4-2-2所示。
图4-2-2 电容滤波电路
4.2.3 稳压电路
典型应用电路如图4-2-3所示。图中C1、C2用于频率补偿，防止自激振荡和高频干扰；C3采用电解电容，以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响；D是保护二极管，当输入端短路时，给C3一个放电的通路，防止C3两端电压激穿调整的发结。
图4-2-3 稳压电路
4.3 电机调速模块
4.3.1 电机调速原理
通过单片机控制可控硅的导通角，从而改变加在电机两端的有效电压来调节电动机的运转。
可控硅导通条件如下：
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I A大于可控硅的最小维持电流I S。
4.3.2 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，简化了输出通道功离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：单片机及响应用户参数设置，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：
P=
UI
N
n
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 为定植时，只要改变n 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4-3-2电机控制原理
4.4 温度显示与控制模块设计
4.4.1 温度检测硬件模块设计
图4-4-1以MCS －51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。图4-4-1（a ）中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD 和GND 端均接地，图4-4-1（b ）中DS18B20采用外接电源方式，其VDD 端用3V ～5.5V 电源供电。
假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz ，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写了3个子程序：INIT 为初始化子程序，WRITE 为写（命令或数据）子程序，READ 为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。
（a ）寄生电源工作方式
（b）外接电源工作方式
图4-4-1 DS18B20与微处理器的连接图
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。假设接一单元，再按照温度值字节的表示格式及其符号位，经过简单的变换即可得到实际温度探测电路。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。如图4-4-2所示。
图4-4-2温度传感器DS18B20 电路
4.4.2 温度显示硬件模块设计
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查后方可使采样精确，过于繁琐。所以我采用老性能更为优越的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。
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4-4-3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，若高于设定值或低于设定下限值则控制电机转速进行调整。
图4-4-3 DS18B20温度计原理图
4.5红外收/发电路
红外收/发工作原理图如下：
图4-5红外收/发工作原理图
4.5.1 红外线遥控器发射电路
红外遥控是目前家用电器中用得较多的遥控方式。在了解红外线遥控之前，先得了解什么是红外线。我们知道，人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围是0.62～0.76m的波长范围为0.38～0.6m。比紫光波长还短的光叫紫外线,比红光波长还长的光叫红外线。
红外线是一种看不见的光线，因其在整个电磁波谱中处在可见光（红光）外侧而得名。他介于可见光和微波之间，既有可见光的性质，又有微波的某些特性，广泛用在遥控和传输设备上，其主要优点是：
（1）具有较高的传播速度，不会产生因干涉、空间反射以及双折射等作用而出现的干扰；
（2）传播中不会产生畸变噪音；
（3）在高峰值功率情况下所需的功率较小；
（4）采用一定的调制方法可以有高的干扰性；
（5）在仅有一个载波频率的情况下可以有高的稳定性。
正因为红外线传输有上述一系列优点，因此获得了很大的发展。借助于红外线具有直线传播的特性，利用红外传感器具有灵敏度高、响应速度快和光谱范围窄的性能，同时利用单片机具有结构紧凑、可靠性高、数据处理能力强、速度快、功耗小、成本低的特点，可以制作灵敏度高、抗干扰性能优良的红外遥控装置。由于红外线遥控器具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录音机、音响设备、空调机以及玩具等其他小型电器装置也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅安全可靠，而且能有效地隔离电气干扰。下面就红外遥控技术的特点做下简单的介绍。
红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点是：
1、无需专门申请特定频率的使用执照；
2、具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；
3、传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；
4、信号无干扰，传输准确度高；方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物;而且通讯距离较短，此外红外LED不是一种十分耐用的器件。红外发射程
5、成本低廉。它的缺点是：由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接，具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物;而且通讯距离较短，此外红外LED不是一种十分耐用的器件。红外线遥控器发射原理图如下：
图4-5-1 遥控器原理框图
1 遥控器
（1）、系统功能
该系统具有如下几个功能：
1）、通过遥控器控制电机的启动、停止；
2）、通过遥控器控制电机的加速、减速运行；
3）、通过遥控器控制电机的全自动与手动切换；
4）、通过遥控器控制电机的运转时间；
5）、通过遥控器控制电机的摇头与不摇头切换；
6）、手动状态下风型的选择。
（2）、按键功能
K1：低档、中档、高档，键值为01H
K2：彩灯，键值为02H
K3：自然风、睡眠风、正常风键，值为03H
K4：定时，键值为04H
K5：开/关机，键值为05H
K6：摇头/固定
（3）、当无按键按下时，延时30秒后进入待机状态，系统处于低功耗模式。当有按键按下时，INT0中断产生，同时唤醒CPU进入工作状态。
2、红外发射的编码方式
遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以日本的NEC的uPD121G组成发射电路为例说明编码原理。当发射前按下按键后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：
（1）、采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。
“0”、“1”组成的32位二进制码经过38KHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外线发射二极管发射。
（2）、遥控编码是连续发32位二进制码组，其中前16为为用户识别码，能区别不同的电气设备，防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户识别码固定为十六进制0FFH，后16位为8位操作码（功能码）及其反码。
遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms，一组码本身的持续时间随它包含的二进制的“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms 之间。
（3）、其相关波形图如下：
遥控信号编码波形图 图4-5-1红外发射的编码方式
3、遥控器红外发射电路
遥控器红外发射电路如附图1所示。
4.5.2红外接收电路 1、接收解码方式
解码的关键是如何识别“0”，和“1”，从位 的定义我们可以发现“0”，“1”均以0.56的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同区别“0”和“1”，如果从0.56ms 低电平过后，开始延时,0.56ms 以后，若读到的电平为低，说明该位位“0”，反之则为“1”，未来可靠其间，压缩必须比0.56ms 长些，但又不能超过0.12ms ，否则如果该位位“0”，读到的意思下一位的高电平，因此取（1.12ms+0.56ms ）/2=0.84ms 最为可靠，一般取0.84左右均可。根据码的格式，应该等待9ms 的起始码和4.5ms 的结果码完成后才能读码。中断接收时子程序首先读取T0定时器的长度，如果是0.56ms 就认为是“0”，将其存入缓冲区并且计数器加一，如果是1.68ms 就认为是“1”，将其存入缓冲区并且计时器加一。如果计时器值为32时，就接收结束标志位并且计数器清0，如果计时器值不为32时，就认为接收误码，计时器也将清0，传输重新等待读取红外信号。
2、红外接收电路
接收电路可以使用一种集成红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL 电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输，这里使用HS0038接收器，它对外只有3个引脚：Out 、GND 、Vcc 与单片机接口非常方便，接收电路图如图4-5-1所示。
图4-5-1红外接收电路图
HS0038接收原理：红外线接收是把遥控器发送的数据（已调信号）转换成一定格式的控制指令脉冲（调制信号。基带信号），是完成红外线的接收、放大、解调，还原成发射格式（高、低电位刚好相反）的脉冲信号。这些工作通常有一体化的接收头来完成，输出TTL兼容电平。最后通过解码脉冲信号转换成数据，从而实现数据的传输。如果相邻的两个中断间隔的数据长度0. 56ms，说明接收到的是“0”；时间长度是1.12ms则为“1”。因此，脉冲电平的每一次挑拨都会形成一次中断，在中断服务子程序中即可实现一次性兑一连串连续波形的测量，在测量后对0和1的歌数据统计从而测出控制指令的功能。
5 软件设计
软件总体流程描述
在主程序初始化之后，开始反复检测各模块相关部分的缓冲区标志，如果缓冲区标志置位，说明有相应的数据需要处理，然后主程序调用响应的处理子模块，对于温度传感器，我们采用定时采集数据的方法，在定时中断子程序中，采集相应的数据，并进行判断，如果是异常数据，则将数据保存在系统缓冲区，同时置对应的缓冲区标志。然后主程序将会调用相应的子程序进行处理。软件主流程图见下页图5-2所示。
当有按键按下的时候，采用键盘中断子程序扫描相应的键盘码，然后发给主程序，置对应的键盘按键标志位。在主程序中，当有键盘按下的时候，调用对应的键盘处理子程序。
图5-2 软件主流程
5.1 数字温度传感器模块程序流程图
图5-2-1 数字温度传感器模块程序流程图
5.2 电机控制模块
电机涉及到转速和摆头两个方面。风扇的转速由光耦合器触发导通角控制，摇头部分可以使用普通电风扇蜗杆部分摇头调速，只是把它用一个电磁阀来控制其导通与断开来实现摇头控制。在此基础上我们通过软件对风扇的转动进行精细的控制，以实现多种风类型。对于各种风类型我们依照如下定义：正常的芯片，使用默认的12位转换精度，外接供电
电源,子程序GETWD读取的温度值高位字节送WDMSB单元，低位字节送WDLSB风：风扇按设定之强，中，弱风互速运转。
图5-2-2 电机控制模块
自然风：风扇马达按预编电脑程序作不规则运转，配合风速键之设定，可分强自然风，中自然风，弱自然风，模仿大自然之风吹效果，令风量更柔和更舒服。
睡眠风：风扇马达进入自然风电脑程序控制，其原理是人体的体温会在睡眠后慢慢下降。风扇的风量亦会慢慢减弱，以免入睡后着凉，其减弱规律如下：
当最初设定为强风时，风扇按强自然风运转半小时，后转为中自然风，半小时后再变为弱自然风，直至预置时间结束，或被关掉为止；当最初设定为中时，风扇按中自然风运转半小时，转为弱自然风，直至预置时间结束，或被关掉为止；当最初设定为弱自然风时，风扇按弱自然风运转，直至预置时间结束，或被关点为止。如图5-2-2所示。
从软件层角度来说，就是根据前一刻的风扇状态以及用户的输入来确定当前时刻所要输出的风类型和风速。
从软件驱动层角度来说，就是根据软件层确定的当前时刻风类型和风速量化所要输出的风速值。
从硬件驱动层角度来说，对于风速转速的控制，最终是1根线的选通以线上可控硅导