基于单片机家用简单变速风扇控制系统的设计

前言电风扇在我国，是80年代兴起的一种小型的家用电器，刚开始其功能单一，耗电量大随着技术的更新，其功能也越来越强大，也越趋于人性化。作为一种老式的家用电器，电风扇具有价格便宜，摆放容易，体积轻巧等优点，由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一个成熟家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内依然占有市场大部分份额。面对庞大的市场需要的同时，也要提高电风扇的市场竞争力，使之在技术含量上有所提高，使风速不仅功能多样且便于调节，而且更安全可靠。本设计采用单片机作为控制的核心。面临庞大的市场需求，需要提高电风扇的市场竞争力，使之在技术上有所提高，为此在将要走出学校大门撰写毕业设计时，我选择了《基于单片机的风扇控制系设》作为我毕业设计的研究课题。大学期间，分别学习了《单片机原理及其应用》和《传感器》等课程，对单片机的应用也略知一二，所以在设计课题时，给电风扇赋予了人性化的设计。相信其人性化的设计将大大提高电风扇的市场竞争力。通过电风扇的控制我们实现了电风扇的主要功能：当按下开关键时，风扇以我们设定的一个转速工作，人们可以当天的温度情况，通过风扇转速档位键，选择风扇的转速，以达到所需的风速。同时在LED显示器上显示当前的档位和风速。当人们不用时，可按下开关键选择关闭风扇。摘要：在日常生活中，单片机得到了越来越多的应用。特别是在小型的自动控制系统应用中，本文基于单片机AT89C51单片机设计了电风扇手动调温系统。通过电风扇的控制我们实现了电风扇的主要功能：当按下开关键时，风扇以我们设定的一个转速工作，人们可以当天的温度情况，通过风扇转速档位键，选择风扇的转速，以达到所需的风速。同时在LED显示器上显示当前的档位和风速。当人们不用时，可按下开关键选择关闭风扇。电风扇的设计以及在生活中的普及，使人们在炎热的夏季得到了凉爽，提高了人们的生活质量。关键词：AT89C51单片机：LED显示器：直流电机淮南师范学院2013届毕业论文1DesignofthefancontrolsystembasedonMCUStudent:HuoGuibang（Teacher：LiuYunxia）ElectricalandInformationEngineeringDepartmengofHuainanNormalUniversityAbstract:Indailylife,SCMhasgotmoreandmoreapplications.Especiallyintheapplicationofautomaticcontrolsystemforsmall,thispaperdesignedtheelectricfanmanualtemperaturecontrolsystembasedonAT89C51microcontroller.Bycontrollingtheelectricfan,werealizethemainfunctionoftheelectricfan:whenpressingtheswitchkey,afantoworkaspeedsetbyus,peoplecanthroughtheday'stemperature,fanspeedshiftkey,selectthefanspeed,windspeedtoachievetherequired.AtthesametimeshowthecurrentpositionandvelocityintheLEDdisplay.Whenpeopleneednotwhen,canpressthekeytoclosethefan.Designofelectricfanandpopularizationinlife,sothatpeoplegetcoolinthehotsummer,improvepeople'squalityoflife.Keywords:AT89C51microcontroller:LEDdisplay:DCmotor基于单片机电风扇的控制系统的设计21基于AT89C51的电风扇的控制系统的总体设计本设计是以51单片机为主要控制核心，用51单片机系统对用户设定信号数据的采集以及分析，能过各种可控型电子元器件对电风扇各种工作状态的控制，以达到用户需求。1.1系统设计的要求本设计以AT89C51单片机为核心，从而建立一个控制系统，从而实现电风弱风、中风、强风（1、2、3、4档）然后显示数字1，2，3，4。1.2系统设计的研究基础PWM是单片机上常用的模拟量输出方法，通过外接转换电路，可以将占空比不同的脉冲转换成不同的电压，以驱动直流电机转动从而得到不同的转速。SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。占空比的定义：在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。例如：脉冲宽度1μs，信号周期4μs的脉冲序列占空比为0.25。在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。在CVSD调制中，比特“1”的平均比例。在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值，如图1所示。图1占空比淮南师范学院2013届毕业论文32单片机的风扇系统方案制定2.1方案提出方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。方案三：采用驱动芯片L298N驱动直流电机。2.2方案比较方案一但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三L298N具有驱动能力强，外围电路简单等优点。2.3方案论证上述比较可知方案三符合现实生活对于安全化，智能化，远控化的要求2.4方案选择经过综合比较论证，该设计最终决定采用方案三进行设计.而PWM工作方式我们采用单极性工作制。因为由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。基于单片机电风扇的控制系统的设计4系统主程序流程图如图2所示：。图2系统主程序流程图初始化显示按键是否有按下置占空比1：3按键是否有按下Y置占空比1：6NYN按键是否有按下置占空比1：9NY结束开开开始始始淮南师范学院2013届毕业论文5系统的电机模块图和定时器T1中断图如图3所示：图3系统的电机模块图和定时器T1中断图PWM调制Y按键是否有按下开始NPWM输出速度显示结束电机控制模块图关中断程序电机是否高电平标志位为1标志位为1置标志位占空比达到电机输出置定时器T1初值清标志位电机输出清标志位中断返回开中断置定时器T1初值占空比达到置标志位NNNYYY定时器T1中断图基于单片机电风扇的控制系统的设计63单片机风扇控制系统方案设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计该设计分为复位电路，时钟电路，显示模块。各功能模块介绍如下。3.1.1复位电路首先形成单片机最小系统，在89C51单片机芯片XTAL1、XTAL2加入时钟电路，RST加入复位电路，EA，加入高电平。89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路分为上电复位和手动复位，我们采用的是上电+手动复位，正常工作时按下S1键，9脚变成高电平，单片机复位，按键松开，通过电容放电，9脚回到低电平。采用的是12MHZ晶振，所以C=10uf,R1=8.2K,R2=2OOΩ。如图4所示。图4复位电路3.1.2时钟电路89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。采用内部时钟方式：89C51单片机各功能的运行都是时钟控制信号为基准，有条不紊的工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，始终电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引进XTAL1,输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，如下图时钟电路所示，是89C51内部时钟方式的振荡器电路。电路中的电容C1、C2典型值通常选择30pF，对外接电容虽然没有严格要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低。振荡器稳定性和起振的快速性。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也越快，此次实验我们选择的晶振是12MHZ晶振。如图5所示。淮南师范学院2013届毕业论文7图5时钟电路3.1.3显示模块显示模块采用数码管，在显示模块中与以往的不同之处在与加入了指示灯模块，将指示灯加在断码所在的I/O口上了，将指示灯进行编码进行显示，在显示模块中考虑到电路最优化问题，位选口所需的电流较大些，而P2口所承受的电流较大一些，所以位选选择为P0口，而断码选在P2口上，如图6所示。图6显示模块3.2电路参数的计算及元器件的选择（1）单片机的选择：Atmel公司生产的89C51单片机片内的FlashROM允许在系统内改编程序或用常规的非易失性编程器来编程，内部出CPU外，还有256字节的RAM，4个8位并行I/O口，5个中断源，2个中断优先级，2个16位可编程计时器，89C51单片机是一种功能强、灵活性高的单片机，完全满足本设计的需要。（2）CRYSTAL：晶振，在单片机系统中晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。（3）电动机：选用直流电动机3.3特殊器件的介绍基于单片机电风扇的控制系统的设计8（1）单片机图7AT89C51单片机AT89C51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，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。主要特性○1MCS-51兼容○24K字节可编程闪烁存储器○3寿命：1000写/擦循环○4数据保留时间：10年○5全静态工作：0Hz-24Hz○6三级程序存储器锁定○7128*8位内部RAM○832可编程I/O线○9两个16位定时器/计数器淮南师范学院2013届毕业论文9○105个中断源○11可编程串行通道○12低功耗的闲置和掉电模式○13片内振荡器和时钟电路管脚说明○1VCC：供电电压。○2GND：接地。○3P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。○4P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。○5P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位