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基于单片机的智能电风扇控制系统



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数理与信息工程学院
《单片机原理及应用》期末课程设计

题 专 班 姓 学

目: 业: 级: 名: 号:

基于单片机的智能电风扇控制系统 电子信息工程 041 班 汪 轲

04610120 余 水 宝
选题实用, 格式规范

指导老师: 成 绩: 19

2007 年 1 月

1

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目 录
第1节 1.1 1.2 第2节 2.1 2.2 引 言……………………………………………………………………………3 智能电风扇控制系统概述 ……………………………………………………3 本设计任务和主要内容 ………………………………………………………3 系统主要硬件电路设计 ………………………………………………………5 总体硬件设计 …………………………………………………………………5 数字温度传感器模块设计 ……………………………………………………5 2.2.1 温度传感器模块的组成 …………………………………………………5

2.2.2 DS18B20 的温度处理方法 ………………………………………………6 2.3 电机调速与控制模块设计 ……………………………………………………7 2.3.1 电机调速原理………………………………………………………………7 2.3.2 电机控制模块硬件设计……………………………………………………8 2.4 第3节 3.1 3.2 温度显示与控制模块设计 ……………………………………………………9 系统软件设计…………………………………………………………………10 数字温度传感器模块程序设计………………………………………………10 电机调速与控制模块程序流程………………………………………………15 3.2.1 程序设计原理 ……………………………………………………………15 3.2.2 第4节 主要程序…………………………………………………………………16

结束语…………………………………………………………………………19

参考文献…………………………………………………………………………………20

2

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基于单片机的智能电风扇控制系统
数理与信息工程学院 电子信息工程 041 班 汪轲 指导教师:余水宝

第1节





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。

3

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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。

4

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第2节
2.1 总体硬件设计

系统主要硬件电路设计

系统总体设计框图如图 2-1 所示
键盘输入

数字温度传感模块

单片机系统

电机控制模块

温度显示 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

5

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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。
U1
19 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17

X1
18 CRYSTAL 9

XTAL1

XTAL2

C1
22p

C2
22p 29 30 31

RST

P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD

PSEN ALE EA

R1 R2 R3 4k7 R4 4k7 R5 4k7 R6 4k7 R7 4k7 R8 4k7
4k7 4k7

1 2 3 4 5 6 7 8

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 AT89C51

U2 Q1
2N2907

Q2
DS18B20 27.0 2N2907

GND DQ VCC

1 2 3

图 2-2 DS18B20 温度计原理图

2.2.2 DS18B20 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。
表 2-1 部分温度值与 DS18B20 输出的数字量对照表

温度值/℃ +85℃ +25.625℃ +10.125℃ +0.5℃ 0℃ -0.5℃ -10.125℃ -25.625℃ -55℃

数字输出(二进制) 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0110 1110 1111 1111 0110 1111 1111 1100 1001 0000
6

数字输出(十六进制) 0550H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FF6FH FC90H

www.eehome.cn 2.3 电机调速与控制模块设计

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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
V = π Dn × 103

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 n5 ≤ 1555r/min,取 n5 =1250 r/min.又因为:
调速比= 最低转速 × 100% ≤ 70% 最高转速

取 n1=875 r/min.则可得出五个档位的转速值:

n5 =1250r/min
n4 =1150r/min

n3 =1063r/min n2 =980r/min
n1 =875r/min
又由于负载上电压的有效值

u 0 = u1

(

π α s in 2 α + ) 2π π
t=0ms t=1.70ms t=2.58ms
7

其中,u1 为输入交流电压的有效值,α为控制角。解得:

α 5 =0° α 4 =23.5° α 3 =46.5°

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α 2 =61.5°

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t=3.43ms t=4.30ms

α1 =76.5°

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:

P=

n UI 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。
U2
19 XTAL1 P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17

18

XTAL2

9

RST

R1
4k7

U1
1 6

29 30 31

PSEN ALE EA

U4
L2008L6

C1
27p

U3:A
3 4009 2 2
Zero Crossing

R4
4k7 4

1 2 3 4 5 6 7 8

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 AT89C51

R2
4k7

RL
110k

MOC3031M

图 2-3 电机控制原理图

8

www.eehome.cn 2.4 温度显示与控制模块设计

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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。
24 18 13 12 1 CLK CS DIN

DOUT ISET

U1
MAX7221

R9 R10 R12 R14 R16 R11 R13 R15
100k 100k 100k 100k 100k 100k 100k 100k

DIG7 DIG6 DIG5 DIG4 DIG3 DIG2 DIG1 DIG0 8 5 10 3 7 6 11 2

22 17 15 21 23 20 16 14

DP G F E D C B A

R1 R2 200R R3 200R R4 200R R5 200R R6 200R R7 200R R8 200R
200R

COM

COM

COM

COM

COM

COM

COM

A B C D E F G H

A B C D E F G H

A B C D E F G H

A B C D E F G H

A B C D E F G H

A B C D E F G H

A B C D E F G H

A B C D E F G H

图 2-4 HD7279A 键盘和显示器控制模块电路原理图

9

COM

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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。

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DS18B20 芯片功能命令表如下:
表2 DS18B20 功能命令表

命令 CONVERT READ SCRATCHPAD READ ROM WRITE SCRATCHPAD MATCH ROM SEARCH ROM ALARM SEARCH SKIP ROM READ POWER SUPPLY

功能描述 开始温度转换 读温度寄存器(共 9 字节) 读 DS18B20 序列号 将警报温度值写如暂存器第 2、3 字节 匹配 ROM 搜索 ROM 警报搜索 跳过读序列号的操作 读电源供电方式:0 为寄生电源,1 为外电源

命令代码 44H BEH 33H 4EH 55H F0H ECH CCH B4H

主要程序如下: … MAIN: LCALL RST_DS18B20 LCALL GET_TEMPER MOV A,20H MOV C,08H RRC A MOV C,09H RRC A ;初始化

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MOV C,10H RRC A MOV C,11H RRC A MOV 20H,A LCALL DISPLAY AJMPMAIN RST_DS18B20: SETB P3. 7 NOP CLR P3. 7 MOV R1, #3 RST1:MOV R0, #110 DJNZ R0, $ DJNZ R1,RST1 SETB P3. 7 NOP NOP MOV R0, #25H RST2:JNB P3. 7,RST3 DJNZ R0,RST2 LJMP RST4 RST3: SETB FLAG LJMP RST5
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RST4:CLR FLAG LJMP RST7 RST5:MOV R0, #115 RST6:DJNZ R0, $ RST7: SETB P3. 7 RET WR_DS18B20: MOV R2, #8 CLR C WR1: CLR P3. 7 MOV R3, #6 DJNZ R3, $ RRC A MOV P3. 7,C MOV R3, #25 DJNZ R3, $ SETB P3. 7 NOP DJNZ R2,WR1 SETB P3. 7 RET RD_DS18B20: MOV R4, #2 MOV R1, #20H
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;写数据子程序

;读数据子程序

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READ1: MOV R2, #8 READ2: CLR C SETB P3. 7 NOP NOP CLR P3. 7 NOP NOP NOP SETB P3. 7 MOV R3, #9 READ3: DJNZ R3,READ3 MOV C, P3. 7 MOV R3, #23 READ4: DJNZ R3,READ4 RRC A DJNZ R2,READ2 MOV @R1,A INC R1 DJNZ R4,READ1
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RET

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3.2

电机调速与控制模块程序流程

3.2.1 程序设计原理
采用双向可控硅过零触发方式,由单片机控制双向可控硅的通断,通过改变每个 控制周期内可控硅导通和关断交流完整全波信号的个数来调节负载功率, 进而达到调 速的目的。 由于 INT0 信号反映工频电压过零时刻,因此只要在外中断 0 的中断服务程序中 完成控制门的开启与关闭,并利用中断服务次数对控制量 n 进行计数和判断,即每中 断一次,对 n 进行减 1 计数,如果 n 不等于 0,保持控制电平为“1” ,继续打开控制 门;如 n=0,则使控制电平复位为“0” ,关闭控制门,使可控硅过零触发脉冲不再通 过。这样就可以按照控制处理得到的控制量的要求,实现可控硅的过零控制,从而达 到按控制量控制的效果,实现速度可调。 1)回路控制执行程序。主回路控制执行程序的任务是初始化数据存储单元,确 定电机工作参数 nmin / nmax ,并将其换算成“有效过零脉冲”的个数;确定中断优先 级、开中断,为了保证正弦波的完整,工频过零同步中断 INT0 确定为高一级的中断 源。 2)断服务程序,执行中断服务程序时,首先保护现场,INT0 中断标志置位,禁 止主程序修改工作参数,然后开始减 1 计数,判断是否关断可控硅,最后 INT0 中断 标志位清零,还原初始化数据,恢复现场,中断返回。 (设 1 秒钟通过波形数 N=100) 中断流程图如图 3-2 所示:

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图 3-2 电机控制模块中断响应流程图

3.2.2 主要程序
外中断 INT0 的部分中断响应程序如下: ORG 0003H INTD0: PUSH PUSH PUSH PUSH SETB MOV ACC PSW DPH DPL 24H.0 A, 5FH

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JZ DEC MOV LJMP TING1 A 5FH,A FAN2

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TING1: … FAN2: MOV JZ DEC MOV LJMP A, TING2 A 5BH, ZONG A 5BH

TING2:… ZONG: MOV JZ DEC MOV LJMP KAI: CLR JB KAI2: MOV JZ A, 66H EXIT1
17

A, KAI A 59H, EXIT

59H

A

24H.0 26H.0, KAI2

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EXIT1: MOV MOV MOV EXIT: POP POP POP POP RETI DPL DPH PSW ACC 5FH,5AH 5BH,66H 59H,#100

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结 束 语
首先,通过这次应用系统设计,在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片 机的专业知识,也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式,有过这样的一次训练,相 信在接下来的日子我们都会了,而且会做得更好。 我所写的系统主要根据目前节智能化电风扇技术的发展趋势和国内实际的应用 特点和要求,采用了自动化的结构形式,实现对电风扇转速的自动控制。 系统以单片机 AT89C51 为核心部件,单片机系统完成对环境温度信号的采集、处 理、显示等功能;用 Protel 软件绘制电路原理图和 PCB 电路印刷板图,由 Protues 软件进行访真测试,利用 MCS51 汇编语言编制,运行程序该系统的主要特点是: 1)适用性强, 用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同用 户对最适合温度的要求,实现对最适温度的实时监控。 2)系统成本低廉,操作非常简单,随时可以根据软件编写新的功能加入产品。操 作界面可扩展性强,只要稍加改变,即可增加其他按键的使用功能。 本系统在当今提倡人性化设计和健康产品的环境下具有非常好的市场前景。 本设计在模拟检测中运行较好,但采样据不太稳定。功能上的缺憾是对于两个档 之间的临界温度处理不好,并且档位太少。还有待改进。

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参考文献

[1] 张鑫.单片机原理及应用.电子工业出版社 [1] 明德刚.DS18B20 在单片机温控系统中的应用.贵州大学学报,2006,2 [2] 黄朝民,肖明清,吴志强.单片机原理与应用.现代电子技术,2006,12 [3] 刘进山.基于 MCS-51 电风扇智能调速器的设计.电子质量,2004,10

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