基于單片機的智能排風(fēng)系統(tǒng)論文

1、摘 要隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機技術(shù)以成為計算機技術(shù)中的一個分支，單片機的運用領(lǐng)域也越來越廣泛。特別是在工業(yè)控制和儀器儀表智能化中扮演著及其重要的角色。傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法以演變成軟件與硬件相結(jié)合的設(shè)計方法。在實際應(yīng)用中，單片機要與各種外界設(shè)備相結(jié)合組成一定的應(yīng)用系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動檢測與控制。這篇文章介紹了以c8051f330單片機、ir2110、hd7279顯示芯片和無刷直流電機為核心的智能排風(fēng)系統(tǒng)。c8051f330是一塊高性能的單片機，它具有體積小，運行速度快，工作穩(wěn)定性高等優(yōu)點。其內(nèi)部包含有溫度傳感器，便于較準確地測量環(huán)境溫度。ir2110是一種性能比較優(yōu)良的驅(qū)動集成電路，無需擴展

2、便可直接用于小功率的變換器中，使電路更加緊湊。hd7279是一片真正的單片led數(shù)碼管顯示和鍵盤接口芯片，無需外圍電路，只需要外接少量的電阻等即可構(gòu)成完善的顯示、鍵盤接口電路。本系統(tǒng)由四部分組成，分別為：顯示按鍵部分、電機驅(qū)動部分、溫度檢測部分和電源部分。當該系統(tǒng)上電運行之后，先由溫度檢測部分檢測環(huán)境中的溫度，然后由單片機對室溫進行判斷：當檢測到的室溫低于設(shè)定溫度的下限值時，驅(qū)動部分不工作，表明室內(nèi)無需降溫；當室溫高于設(shè)定溫度的上限時，驅(qū)動部分工作且電機以最快的速度運行；當室溫介于兩者之間時，電機的轉(zhuǎn)速將按線性規(guī)律逐漸增加，增加該溫度對應(yīng)的轉(zhuǎn)速后，恒定運行；當室溫降到下限值時，電機停止運行，表

3、明此次排風(fēng)完成，達到降低室溫的目的。關(guān)鍵詞：無刷直流電機；c8051f330單片機；ir2110；hd7279；abstractthis article introduced take the c8051f330 monolithic integrated circuit, ir2110, the hd7279 demonstration chip and not brushes the direct current machine as the core intelligent exhaust system.c8051f330 is together the high performance

4、 monolithic integrated circuit, it has the volume to be young, the running rate is quick, work stable nature higher merit. its interior contains has the temperature sensor, is advantageous for accurate survey ambient temperatureir2110 is one performance quite fine actuation integrated circuit. does

5、not need to expand may use in the low power directly in the converter, is the electric circuit is more compact.hd7279 is a piece of true monolithic led nixietube demonstration and the keyboard interface chip, does not need the peripheral circuit, only needs the external connection few resistances an

6、d so on then to constitute the perfect demonstration, the keyboard interface electric circuitkey words brushless dc motor；c8051f330singlechip；ir2110；hd7279摘要iastract ii目錄 iii第1章 緒論 4課題來源 51.2智能排風(fēng)系統(tǒng)的特點 51.3智能排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 51.3.1智能排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 61.3.2智能排風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 6第2章 智能排風(fēng)系統(tǒng)中電機的控制原理 72.1排風(fēng)電機（直流無刷電機）的控制特性 72

7、.2排風(fēng)電機（直流無刷電機）的控制結(jié)構(gòu) 72.3排風(fēng)電機（直流無刷電機）的控制原理 82.4本章小結(jié)第3章 智能排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案論證93.1 方案簡介93.1.1電機的選取及驅(qū)動發(fā)案93.1.2單片機的選取及按鍵顯示方案93.2 系統(tǒng)方案論證103.3本章小結(jié)第4章 基于c8051f330單片機直流無刷電機的智能排風(fēng)控制系統(tǒng)114.1 ir2110簡介 114.2 單片機330簡介 15 4.3 hd7279簡介 164.4 系統(tǒng)電路介紹 244.4.1 電源電路 244.4.2 8051f330d單片機控制電路 244.4.3 鍵盤顯示電路 244.5本章小結(jié)第5章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 265

8、.1 系統(tǒng)功能概述 265.2 程序流程圖 265.3 程序清單 285.4 軟件程序調(diào)試與仿真 335.5本章小結(jié)結(jié) 論 35致 謝 38附 錄 39第1章 緒論1.1 課題來源排風(fēng)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在醫(yī)院、賓館、超市、旅游客車、空調(diào)鐵路列車等場合，在這些場所中，溫度是極為普遍，又極為重要的熱工參數(shù)之一。隨著公共場所的不斷發(fā)展，公眾對一定范圍內(nèi)的精確溫度要求越來越高，測溫范圍越來越廣，因此自動排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計是一個重要的發(fā)展方向。在日常的生產(chǎn)過程中，大多情況下都是首先通過測量手段對環(huán)境進行測試，其次對所測的結(jié)果進行分析比較，最后決定是否對環(huán)境采取調(diào)節(jié)措施。測量工具的精度及人為的讀數(shù)誤差導(dǎo)致得到的數(shù)

9、據(jù)不夠準確，難以達到精確的要求，且操作步驟之間不夠連貫，需要人為地實時監(jiān)測環(huán)境溫度，不夠達到自動排風(fēng)的要求。隨著各種智能芯片及各種傳感器的出現(xiàn)，大大的提高了環(huán)境監(jiān)測手段。特別是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外溫度測控系統(tǒng)發(fā)展迅速，尤其是控制方面，在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得顯著成果。其特點是適應(yīng)于大慣性、大滯后等復(fù)雜溫度測控系統(tǒng)，具有參數(shù)自整定功能和自學(xué)習(xí)功能，即溫控器對控制對象、控制參數(shù)及特性進行自動整定，并根據(jù)歷史經(jīng)驗及控制對象的變化情況，自動調(diào)整相關(guān)控制參數(shù)，以保證控制效果的最優(yōu)化。溫度控制系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾力強等特點。由于排

10、風(fēng)系統(tǒng)長時間的工作，所以其對能源的消耗是不可以避免的。智能排風(fēng)系統(tǒng)能夠準確地判斷環(huán)境中的溫度，根據(jù)環(huán)境中的溫差準確地調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，當環(huán)境中的溫度符合被控條件時，排風(fēng)系統(tǒng)能夠自動關(guān)閉電機，以此來達到降低能耗的目的。而且智能排風(fēng)系統(tǒng)對環(huán)境溫度進行檢測時，聲音小，抗干擾能力強，對外界不會產(chǎn)生電磁，噪聲方面的影響，所以智能排風(fēng)系統(tǒng)是環(huán)保的。在排風(fēng)的電機選擇方面，也從以往結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，調(diào)速性能較差的交流電機到轉(zhuǎn)矩較大，調(diào)速性能優(yōu)越，但價格高昂維護困難的直流電機延續(xù)到如今的集交流電機與直流電機各個優(yōu)點于一體的直流無刷電機。直流無刷電機運行電壓低，能夠較方便的與智能芯片相結(jié)合。所以，隨著智能芯片及電

11、機的不斷發(fā)展，智能排風(fēng)系統(tǒng)正向著高精度、智能化、小型化等方向發(fā)展。智能排風(fēng)系統(tǒng)在現(xiàn)代化工業(yè)控制領(lǐng)域很多新技術(shù)、新理論方面都得到了應(yīng)用。1.2智能排風(fēng)系統(tǒng)的特點該智能排風(fēng)系統(tǒng)的核心部分是由c8051f330單片機和直流無刷電機構(gòu)成的。單片機c8051f330與其他類型的單片機相比，具有以下特點：1. 系統(tǒng)功耗低、可靠性高；2. 體積小，運行速度快；3. 采用單總線技術(shù)的溫度信息采集系統(tǒng)。直流無刷電機與直流電機、交流電機相比，其技術(shù)特點是：1. 通過電力電子器件制作的驅(qū)動器驅(qū)動無刷電機，能夠使其獲得直流電的調(diào)速特性，運行穩(wěn)定，有較寬的調(diào)速范圍；2. 運行時需要通過位置傳感器及電力電子器件制作的驅(qū)動

12、器才能運行；3. 本質(zhì)上是交流電動機，但由于沒有電刷和換向器的火花、磨損問題，可用于于高速，可靠性較高，工作壽命長，無需經(jīng)常維護；4. 無刷直流電動機功率因數(shù)高，轉(zhuǎn)子無損耗和發(fā)熱，有較高的效率。該智能排風(fēng)系統(tǒng)采用的單片機是c8051f330，該單片機體積小，功耗低，運行速度快，穩(wěn)定性高。在電機方面，由于交流電機無法滿足較高的調(diào)速性能，高維護費等原因，逐漸被性能優(yōu)越的直流無刷電機所取代，且由于直流無刷電機具有效率高，穩(wěn)定性好，便于與智能芯片相互結(jié)合，易于調(diào)速等優(yōu)點，在智能排風(fēng)領(lǐng)域中正被廣泛的運用。隨著智能型芯片的不斷發(fā)展，智能排風(fēng)系統(tǒng)的體積將會越來越小，智能芯片與電機的驅(qū)動器能夠與電機有機地連在

13、一起，達到一個整體，即一個電機直接與電源相連，就可以實現(xiàn)智能排風(fēng)的目的。1.3 智能排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3.1 智能排風(fēng)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀智能排風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展與智能芯片和驅(qū)動電機的發(fā)展是緊密相關(guān)的。智能芯片的發(fā)展能使智能排風(fēng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度越來越快，對溫度的測量精度越來越高。能夠準確的控制溫度。電機的發(fā)展能使電機性能更加穩(wěn)定，調(diào)速范圍更寬，對電能的利用率更高。智能芯片與電機的不斷提高能使智能排系統(tǒng)的性能大大改善。單片機方面，c8051f330與stc系列的單片機相比，它們具有相同的工作原理。對單片機編程方面，都可以使用匯編語言。但在單片機的引腳方面，c8051f330僅有20個腳，內(nèi)部包含溫度

14、傳感器，通過對交叉開關(guān)的設(shè)置，c8051f330的引腳包含其他的功能。且c8051f330單片機是10位的，運行速度方面比stc的快，精度較高。直流無刷電動機與一般直流電動機具有相同的工作原理和應(yīng)用特性，但其組成卻是不一樣的。除了電機本身外，前者還多一個換向電路，電機本身和換向電路緊密結(jié)合在一起。許多小功率電動機的電機本身是與換向電路合成一體，從外觀上看直流無刷電動機與直流電動機完全一樣。直流無刷電動機的電機本身是機電能量轉(zhuǎn)換部分，它除了電機電樞、永磁勵磁兩部分外，還帶有傳感器。與直流電機相比，它少了電刷，比直流電機的維護周期低。由于沒有電刷，使得直流無刷電機噪聲更小，穩(wěn)定性更高，使用壽命更長

15、。直流無刷電機采用的是永磁式勵磁方式，與其他電機相比，能夠更加節(jié)約銅材料。為了實現(xiàn)無刷電機的運行，電子驅(qū)動器的開關(guān)必須有位置信號來控制電路。早期用機電位置傳感器獲得位置信號，現(xiàn)已逐步用電子式位置傳感器或其它方法得到位置信號，最簡便的方法是利用電樞繞組的電勢信號作為位置信號。1.3.2智能排風(fēng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢隨著人們對溫度要求的提高，智能排風(fēng)系統(tǒng)將會得到越來越廣泛的應(yīng)用。智能排風(fēng)系統(tǒng)將來會被廣泛的運用到空調(diào)大巴，公共場所等人流較多的場所。在以往的溫度檢測排風(fēng)系統(tǒng)中，那種低精度、高耗能、不易于控制的設(shè)備將會逐漸被高智能的芯片及高性能的電機所取代。世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，有8位的、

16、16位的、32位的，運行速度也是越來越快。 縱觀單片機的發(fā)展過程，可以預(yù)示單片機的發(fā)展趨勢，大致有： 1.低功耗cmos化mcs-51系列的8031推出時的功耗達630mw，而現(xiàn)在的單片機普遍都在100mw左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現(xiàn)在的各個單片機制造商基本都采用了cmos(互補金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。象80c51就采用了hmos(即高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)和chmos(互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝)。cmos雖然功耗較低，但其物理特征決定了其工作速度不夠高，而chmos則具備了高速和低功耗的特點，這些特征更適合應(yīng)用在要求低功耗象電池供電的場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片

17、機發(fā)展的主要途徑 2.微型單片化現(xiàn)在常規(guī)的單片機普遍都是將中央處理器(cpu)、隨機存取數(shù)據(jù)存儲(ram)、只讀程序存儲器(rom)、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如a/d轉(zhuǎn)換器、pmw(脈寬調(diào)制電路)、wdt(看門狗)、有些單片機將lcd(液晶)驅(qū)動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就更強大。甚至單片機廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出符合用戶要求的且具有特色的單片機芯片。 此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機都具有多種封裝

18、形式，其中smd(表面封裝)越來越受歡迎，使得由單片機構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。永磁無刷直流電機是一種電子電動機。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如gtr、mosfet、igbt等相繼出現(xiàn)以及高性能永磁材料，如稀土永磁材料的問世，為無刷直流電動機的廣泛應(yīng)用奠定的基礎(chǔ), 它由直流電源經(jīng)過逆變器、位置檢測裝置向電動機供電，因而既保持了直流電機的結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便的一系列優(yōu)點，又改善了有刷直流電機效率低、耗電多、噪音大、維護困難、使用壽命短等運行狀況，還具備交流電機運行效率高，無勵磁損耗及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。電機系統(tǒng)屬環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品，是國家產(chǎn)業(yè)政策支持的高新技

19、術(shù)項目，正處在產(chǎn)品成長期，具有廣闊的市場前景。無刷永磁直流電機正在以其特有的優(yōu)勢不斷蓬勃發(fā)展。第2章 智能排風(fēng)系統(tǒng)中電機的控制原理2.1 排風(fēng)電機（直流無刷電機）的控制特性圖2-1所示為直流無刷電動機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),它由直流電源、驅(qū)動電路、控制電路、電機本體和位置傳感器這幾部分構(gòu)成,控制電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它是由單片機c8051f330控制的。直流電源驅(qū)動電路電動機本體單片機控制霍爾傳感器圖2-1 直流無刷電機的基本結(jié)構(gòu)直流無刷電機的旋轉(zhuǎn)是由位置傳感器感應(yīng)出當前轉(zhuǎn)子的位置，單片機的引腳讀出位置傳感器的狀態(tài)，然后根據(jù)狀態(tài)單片機決定驅(qū)動器各個mos的導(dǎo)通，從而使電機運轉(zhuǎn)。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間

20、,主要取決于來自位置傳感器的信號,但位置傳感器的信號一般不能直接用來控制功率邏輯開關(guān)單元,往往需要經(jīng)過一定的邏輯處理后才能控制邏輯開關(guān)單元。2.2排風(fēng)電機（直流無刷電機）的控制結(jié)構(gòu)直流無刷電機是同步電機的一種，即電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極對數(shù)(p)影響：n=120*f / p。在轉(zhuǎn)子極對數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無刷電機即是將同步電機加上電子驅(qū)動器，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率，并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速通過位置傳感器回饋給單片機控制中心反復(fù)校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持

21、一定的轉(zhuǎn)速。直流無刷驅(qū)動器包括電源部及控制部如圖2-2：電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。 電源部分可以直接以直流電輸入(一般為24v)或以交流電輸入(220 v)，如果輸入是交流電，則需要經(jīng)過整流器將交流轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由驅(qū)動電路轉(zhuǎn)成3相電壓來驅(qū)動電機。無刷電機驅(qū)動電路一般由6個mos管(v1v6)分為上臂(v1、v2、v3)/下臂 (v4、v5、v6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)。單片機控制部分則提供決定mos管開關(guān)及mos管的開關(guān)頻率。圖2-2 電機控制結(jié)構(gòu)2.3排風(fēng)電機（直流無刷電機）的控制原理要讓電機轉(zhuǎn)

22、動起來，首先單片機控制部就必須感應(yīng)到電機轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后依照轉(zhuǎn)子所在位置決定開啟6個mos管的順序，如下（圖2-3 ）圖中v1、v2、v3這些稱為上臂mos管及v4、v5、v6這些稱為下臂mos管，使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到位置傳感器感應(yīng)出另一組信號的位置時，單片機控制部又再開啟下一組mos管，如此循環(huán)電機就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動直到控制部決定要電機轉(zhuǎn)子停止則關(guān)閉功率晶體管(或只開下臂功率晶體管)；要電機轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相反。 基本上功率晶體管的開法可舉例如下： v1、v5一組v1、

23、v6一組v2、v6一組v2、v4一組v3、v4一組v3、v5一組 但絕不能開成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以mos管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。 圖2-3 電機控制原理2.4本章小結(jié)本章較詳細的介紹了智能排風(fēng)電機（直流無刷電機）的控制特性，控制結(jié)構(gòu)控制原理。較準確的分析了直流無刷電機的控制器在給無刷直流電機上電時的注意事項。為以后單片機的編程及對硬件的調(diào)試做了前期的準備。第3章 智能排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方案論證3.1 方案簡介3.1.1電機

24、的選取及驅(qū)動發(fā)案方案一：選取小型直流電機（即直接由干電池供電的電機），該電機耗電較少，且驅(qū)動方式較簡，該電機體積較小。但該電機調(diào)速性能較差，不能滿足調(diào)速要求（即采用pwm調(diào)速時電機的轉(zhuǎn)速沒有明顯變化），該電機轉(zhuǎn)速范圍較小，所以不采用該電機及驅(qū)動系統(tǒng)。方案二：采用無刷電機及驅(qū)動器。無刷直流電機集交流電機和直流電機優(yōu)點于一體，它既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電機運行效率高、調(diào)速性能好的特點，同時無勵磁損耗。無刷電機的轉(zhuǎn)速范圍較寬且易于調(diào)速，容易被控制。無刷電機轉(zhuǎn)速的線性度較好。 圖3-1采用芯片ir2110和mos管構(gòu)成的驅(qū)動電路，如圖3-2 圖 3-2如圖3-

25、2所示無刷電機驅(qū)動電路是由單片機c8051f330，驅(qū)動芯片ir2110和mos管構(gòu)成。(1)基于單片機的驅(qū)動部分單片機c8051f330的端腳輸出電壓為3.3v，不能夠直接驅(qū)動mos 管使其導(dǎo)通。所以，單片機與mos管之間需加驅(qū)動芯片ir2110。驅(qū)動芯片ir2110的輸書電壓范圍是10v20v，能夠滿足mos的驅(qū)動要求。單片機便能夠容易的控制mos的通斷。從而控制電機的的停轉(zhuǎn)。(2) 轉(zhuǎn)子位置檢測在無刷直流電機控制系統(tǒng)中，位置傳感器一方面用來測定轉(zhuǎn)子磁極的位置，以便為實現(xiàn)電子換向提供信息；另一方面可以通過單片機編寫延時程序，放緩其檢測頻率，來達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。本設(shè)計采用霍爾型位置傳感

26、器來采集轉(zhuǎn)子磁極位置。它將霍爾元件及其半導(dǎo)體集成電路集成在一塊n型外延片上，其外形與一般小型晶體管相似，采用這種方式體積小、靈敏度高，因而大多數(shù)無刷直流電動機均采用霍爾型位置傳感器。3.1.2單片機的選取及按鍵顯示方案方案一：選取有32個i/o口的stc80c51單片機，選用其中的10個腳作為數(shù)碼顯示管的接線端，選用單片機8個作為按鍵端口，在選用單片機的3個腳接溫度傳感器，通過各個器件的相互組合，能夠完成簡單的顯示及按鍵的硬件。選取該方案，原理比較簡單，結(jié)構(gòu)簡單，但該方案的制作難度較大，且制作的系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，不能很好的滿足設(shè)計要求。方案二：選取單片機c8051f330，顯示及按鍵芯片hd72

27、79。顯示及按鍵芯片能夠顯示8位數(shù)碼讀數(shù)，能夠提供8個按鍵，該芯片體積小，耗電少，能夠穩(wěn)定地運行。單片機c8051f330能夠提供20個腳，該單片機運行速度快，且無須外接最小系統(tǒng)。單片機內(nèi)帶溫度傳感器， 圖3-3能夠自行將溫度轉(zhuǎn)，精度較高。整個按鍵及顯示部分就由單片機c8051f330及hd7279兩部分組成，運行時穩(wěn)定性較高，其控制方案如圖3-3所示。3.2 系統(tǒng)方案論證直流無刷電機與較大功率的直流電機相比，無刷電機的維護較方便，相同輸出功率的無刷電機和直流電機，直流電機的耗電多。無刷電機驅(qū)動器部分直接用mos管就可以驅(qū)動，而直流電機部分需要接晶閘管等相應(yīng)較貴器件，還應(yīng)接高電壓，因此安全性不

28、高，綜上選取無刷直流電機。在單片機及按鍵顯示方案的選取上，隨著智能排風(fēng)系統(tǒng)正向著小型化，智能化，簡單化方向的房展，單片機c8051f330內(nèi)部包含有溫度傳感器，反應(yīng)速度快，集成化程度高，還有芯片hd7279，是一片具有串行接口的, 可同時驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片。該芯片同時還可連接多達64 鍵的鍵盤矩陣, 并具有自動消除按鍵抖動并識別按鍵代碼的功能, 從而可以提高cpu 的工作效率。一片hd7279a 即可完成led 顯示及鍵盤接口的全部功能。3.3本章小結(jié) 本章較具體的論證了智能排風(fēng)系統(tǒng)的兩個核心部分：排風(fēng)電機和顯示按鍵部分。通過論證，能夠找出適合該系統(tǒng)的電機及按鍵顯示芯片。能

29、夠較好的實現(xiàn)設(shè)計要求，滿足智能化，低功耗化，低維護化。第4章 基于c8051f330單片機直流無刷電機的智能排風(fēng)控制系統(tǒng)該設(shè)計是以c8051f330單片機和直流無刷電機為核心，利用ir2110芯片和mos管作為直流無刷電機的驅(qū)動器，單片機c8051f330為無刷電機的控制部分和溫度的檢測部分，已構(gòu)成的溫度檢測和排風(fēng)智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉,運行性能良好。c8051f單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路,通過4腳jtag接口,可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試; c8051f高速soc的芯片上還集成了構(gòu)成單片機控制系統(tǒng)所需的幾乎所有模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件(包括adc、dac、可編程增益放大

30、器;電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、smbus/ i2c、uart、sp i、定時器、可編程計數(shù)器/定時器陣列( pca) 、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時器及電源監(jiān)視器等) 。這些外設(shè)的高度集成,為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)提供了極大的方便,可大大降低系統(tǒng)的整體成本。4.1 ir2110簡介ir2110是美國ir公司生產(chǎn)的一種驅(qū)動芯片。它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點。在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)一般采用直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動兩種方式。采用隔離驅(qū)動方式時需要將多路驅(qū)動電路、控制電路、主電路相互隔離開來，以免發(fā)生嚴重性的后果。隔離驅(qū)動可以分為

31、光電隔離和電磁隔離兩種。光電隔離具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但同時也存在共模抑制能力差、傳輸速度慢的缺點。電磁隔離采用脈沖變壓器作為隔離元器件，具有響應(yīng)速度快、原副邊的絕緣強度高、共模抑制能力強，但信號的最大傳輸寬度受磁飽特性的限制，因而信號的頂部不容易傳輸。而且信號的最小寬度又受磁化電流的限制，且變壓器的體積大，重量大等，所以結(jié)合以上特點，ir2110是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選品種。該集成電路的主要組成部分包括：邏輯輸入電平平移輸出保護ir2110芯片的特點： 有獨立的高端和低端輸入通道； 15v下功耗僅耗116mv； 輸出的電壓端電壓范圍10v20v; 邏輯電源電壓范圍515v，可

32、方便的與ttl,cmos電平相匹配； 工作頻率高，可達到500khz； 開通關(guān)斷延遲時間小，分別為120nm和94nm；ir2110是雙列直插窄式集成電路塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。 圖4-1在智能排風(fēng)系統(tǒng)中，所用芯片hd7279的接線圖4-2所示：圖4-24.2 c8051f330微控制器概述（1） c8051f330簡介 模擬外設(shè) 10位 adc（只限于f330） 轉(zhuǎn)換速率可達200ksps 可多達16個外部單端或差分輸入 vref可在內(nèi)部vref、外部引腳或vdd中選擇 內(nèi)部或外部轉(zhuǎn)換啟動源 內(nèi)置溫度傳感器 10位電流輸出dac（只限于f330） 比較器 可編程回差電壓和響應(yīng)時間 可配

33、置為中斷或復(fù)位源 小電流（0.4a） 在片調(diào)試 片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試（不需仿真器！） 支持斷點、單步、觀察/修改存儲器和寄存器 比使用仿真芯片、目標仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更優(yōu)越的性能 廉價而完整的開發(fā)套件 供電電壓2.7v - 3.6v 典型工作電流：6.4ma 25mhz 9a 32khz 典型停機電流：0.1a 溫度范圍：-40c - +85c 高速8051微控制器內(nèi)核 流水線指令結(jié)構(gòu)；70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期 速度可達25mips（時鐘頻率為25mhz時） 擴展的中斷系統(tǒng) 存儲器 768字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)ram（256+512） 8kb fla

34、sh；可在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為512字節(jié) 數(shù)字外設(shè) 17個端口i/o；均耐5v電壓，大灌電流 硬件增強型uart、smbus和增強型spi串口 4個通用16位計數(shù)器/定時器 16位可編程計數(shù)器/定時器陣列（pca），有3個捕捉/比較模塊 使用pca或定時器和外部時鐘源的實時時鐘方式 時鐘源 兩個內(nèi)部振蕩器： 24.5mhz，2%的精度，可支持無晶體uart操作 80/40/20/10 khz低頻率、低功耗振蕩器 外部振蕩器：晶體、rc、c、或外部時鐘 可在運行中切換時鐘源，適用于節(jié)電方式 封裝：20腳mlp（2） c8051f330原理框圖 圖4-4 c8051f33o原理框圖（3） c805

35、1f330引腳定義表4-2 c8051f330引腳定義引腳名稱引腳號引腳類型說明vdd3電源gnd2地/rstc2ck4數(shù)字i/o數(shù)字i/o器件復(fù)位。內(nèi)部上電復(fù)位或vdd監(jiān)視器的漏極開路輸出。一個外部源可以通過將該引腳驅(qū)動為低電平（至少10s）來啟動一次系統(tǒng)復(fù)位。c2調(diào)試接口的時鐘信號p2.0c2d5數(shù)字i/o數(shù)字i/o端口p2.0c2調(diào)試接口的雙向數(shù)據(jù)信號p0.0vref1數(shù)字i/o或模擬輸入模擬輸入端口p0.0外部vref輸入p0.1ida020數(shù)字i/o或模擬輸入模擬輸出端口p0.1ida0輸出p0.2xtal119數(shù)字i/o或模擬輸入模擬輸入端口p0.2外部時鐘輸入。對于晶體或陶瓷諧振

36、器，該引腳是外部振蕩器電路的反饋輸入p0.3xtal218數(shù)字i/o 模擬i/o或數(shù)字輸入端口p0.3外部時鐘輸出。該引腳是晶體或陶瓷諧振器的激勵驅(qū)動器。對于cmos時鐘、電容或rc振蕩器配置，該引腳是外部時鐘輸入。p0.417數(shù)字i/o或模擬輸入端口p0.4p0.516數(shù)字i/o或模擬輸入端口p0.5p0.6cnvstr15數(shù)字i/o或模擬輸入數(shù)字輸入端口p0.6adc0外部轉(zhuǎn)換啟動輸入或ida0更新源輸入p0.714數(shù)字i/o或模擬輸入端口p0.7p1.013數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.0p1.112數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.1p1.211數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.2p1.310

37、數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.3p1.49數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.4p1.58數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.5p1.67數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.6p1.76數(shù)字i/o或模擬輸入端口p1.7（4） 系統(tǒng)概述圖4-5 c8051f330d引腳圖c8051f330d器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型mcu，主要特性有：1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的cip-51內(nèi)核（可達25mips）；2）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）； 3）真正10位200 ksps的16通道單端/差分adc，帶模擬多路器； 4）10位電流輸出dac； 5）高精度可編程的25mhz內(nèi)部振蕩器；6）8kb可

38、在系統(tǒng)編程的flash存儲器；7）768字節(jié)片內(nèi)ram； 8）硬件實現(xiàn)的smbus/ i2c、增強型uart和增強型spi串行接口； 9）4個通用的16位定時器； 10）具有3 個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器列（pca）；11）片內(nèi)上電復(fù)位、vdd監(jiān)視器和溫度傳感器；12）片內(nèi)電壓比較器；13）17個端口i/o（容許5v輸入）。 具有片內(nèi)上電復(fù)位、vdd監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的c8051f330d是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。flash存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷

39、任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。片內(nèi)silicon labs二線（c2）開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品mcu進行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。在使用c2進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。兩個c2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（-45到+85）內(nèi)用2.7v-3.6v 的電壓工作。端口i/o 和/rst 引腳都容許5v 的輸入信號電壓。各組成部分：1.cip-51tm 微控制器核c8051f330/1 系列器件使用silicon la

40、bs的專利cip-51 微控制器內(nèi)核。cip-51 與mcs-51tm指令集完全兼容，可以使用標準803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。cip-51 內(nèi)核具有標準8052 的所有外設(shè)部件，包括4個16位計數(shù)器/定時器、一個具有增強波特率配置的全雙工uart、一個增強型spi端口、768 字節(jié)內(nèi)部ram、128 字節(jié)特殊功能寄存器（sfr）地址空間及17 個i/o端口。cip-51 采用流水線結(jié)構(gòu)，與標準的8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標準的8051中，除mul和div以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為12-24mhz。而對于cip-51

41、 內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時間為1 或2 個系統(tǒng)時鐘周期，只有 有4 條指令的執(zhí)行時間大于4 個系統(tǒng)時鐘周期。cip-51 共有111 條指令。下表列出了指令條數(shù)與執(zhí)行時所需的系統(tǒng)時鐘周期數(shù)的關(guān)系。執(zhí)行周期數(shù)122/333/444/558指令數(shù)2650516731212.片內(nèi)存儲器cip-51 有標準8051 的程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括256 字節(jié)的數(shù)據(jù)ram，其中高128字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用ram 的高128 字節(jié)，用直接尋址訪問128 字節(jié)的sfr地址空間。數(shù)據(jù)ram 的低128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前32 個字節(jié)為4 個通用寄存器區(qū)，接下來的16 字節(jié)既可以按字

42、節(jié)尋址也可以按位尋址。程序存儲器包含8kb 的flash。該存儲器以512 字節(jié)為一個扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特別的編程電壓。圖3.12 給出了mcu 系統(tǒng)的存儲器結(jié)構(gòu)。3.片內(nèi)調(diào)試電路c8051f330/1器件具有片內(nèi)silicon labs 2線（c2）接口調(diào)試電路，支持使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。silicon labs的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點和單步執(zhí)行。不需要額外的目標ram、程序存儲器、定時器或通信通道。在調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都正常工作。當mcu單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設(shè)（adc和smbus除外）

43、都停止運行，以保持與指令執(zhí)行同步。開發(fā)套件c8051f330dk具有開發(fā)應(yīng)用代碼和對c8051f330/1 mcu進行在系統(tǒng)調(diào)試所需要的全部硬件和軟件。開發(fā)套件中包括開發(fā)者工作室軟件和調(diào)試器、一個集成的8051匯編器和一個rs-232轉(zhuǎn)換到c2的串行適配器。套件中還有一個目標應(yīng)用板，上面有對應(yīng)的mcu和一大塊樣機區(qū)域。套件中還包括rs-232和c2電纜及一個墻裝電源。開發(fā)套件需要一個運行windows95/98/me/2000并有一個可用rs-232串口的計算機。如圖1.6所示，pc機通過rs-232與串行適配器連接。一條六英寸的扁平電纜將串行適配器和用戶的應(yīng)用板連接起來，使用2個c2引腳和v

44、dd及gnd。串行適配器從應(yīng)用板獲取其電源。對于不能從目標板上提取足夠電源的應(yīng)用，可以將套件中提供的電源直接連到串行適配器上。對于開發(fā)和調(diào)試來說，silicon labs ide接口比采用標準mcu仿真器要優(yōu)越得多。標準的mcu仿真器要使用在板仿真芯片和目標電纜，還需要在應(yīng)用板上有mcu的插座。silicon labs的調(diào)試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設(shè)的性能。4.可編程數(shù)字i/o 和交叉開關(guān)c8051f330有17個i/o引腳（兩個8位口和一個1位口）。c8051f330/1端口的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字i/o。被選擇作為數(shù)字i/

45、o的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被總體禁止，這為低功耗應(yīng)用提供了進一步節(jié)電的能力。數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口i/o引腳 ?？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口i/o引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口i/o和所需數(shù)字資源的組合。5.串行端口c8051f330/1系列mcu內(nèi)部有一個smbus/i2c接口、一個具有增強型波特率配置的全雙工uart和一個增強型spi接口。每種串行總線都完全用硬件實現(xiàn)，都能向cip-51產(chǎn)生中斷，

46、因此需要很少的cpu干預(yù)。6.可編程計數(shù)器陣列除了4個16位的通用計數(shù)器/定時器之外，mcu中還有一個片內(nèi)可編程計數(shù)器/定時器陣列（pca）。pca包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和3個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的六個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入（eci）、系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源頻率/8。外部時鐘源對于實時時鐘功能是非常有用的，可以在使用內(nèi)部振蕩器驅(qū)動系統(tǒng)時鐘的同時由外部振蕩器給pca提供時鐘。每個捕捉/比較模塊都有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、8位或16位脈沖寬度調(diào)制器、頻率輸出。此外，捕捉/比較模塊2

47、還提供看門狗定時器（wdt）功能。在系統(tǒng)復(fù)位后，捕捉/比較模塊2被配置并被使能為wdt方式。pca捕捉/比較模塊的i/o和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關(guān)連到端口i/o。710 位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器c8051f330/1內(nèi)部有一個10位sar adc和一個16通道差分輸入多路選擇器。該adc工作在200ksps的最大采樣速率時可提供真正10位的線性度，inl和dnl為1lsb。adc系統(tǒng)包含一個可編程的模擬多路選擇器，用于選擇adc的正輸入和負輸入。端口01作為adc的輸入；另外，片內(nèi)溫度傳感器的輸出和電源電壓（vdd）也可以作為adc的輸入。用戶固件可以將adc置于關(guān)斷狀態(tài)以節(jié)省功耗。a/d轉(zhuǎn)換可

48、以有6種啟動方式：軟件命令、定時器0溢出、定時器1溢出、定時器2溢出、定時器3溢出或外部轉(zhuǎn)換啟動信號。這種靈活性允許用軟件事件、外部硬件信號或周期性的定時器溢出信號觸發(fā)轉(zhuǎn)換。一次轉(zhuǎn)換完成可以產(chǎn)生中斷（如果被允許），或者用軟件查詢一個狀態(tài)位來判斷轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束后10位結(jié)果數(shù)據(jù)字被鎖存到adc數(shù)據(jù)寄存器中。窗口比較寄存器可被配置為當adc數(shù)據(jù)位于一個規(guī)定的范圍之內(nèi)或之外時向控制器申請中斷。adc可以用后臺方式監(jiān)視一個關(guān)鍵電壓，當轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)位于規(guī)定的范圍之內(nèi)/外時才向控制器申請中斷。8比較器c8051f330/1器件內(nèi)部有一個電壓比較器，可以由用戶軟件使能/禁止和配置。端口i/o引腳可以通過多路選

49、擇器被配置為比較器輸入。如果需要，可以將兩個比較器輸出連到端口引腳：一個鎖存輸出和/或一個未鎖存的輸出（異步）。比較器的響應(yīng)時間是可編程的，允許用戶在高速和低功耗方式之間選擇。比較器的正向和負向回差電壓也是可配置的。比較器能在上升沿、下降沿產(chǎn)生中斷，或在兩個邊沿都產(chǎn)生中斷。當mcu工作在空閑方式時，這些中斷可用于喚醒mcu。比較器0還可以被配置為復(fù)位源。9.10位電流輸出dacc8051f330內(nèi)部有一個10位電流方式數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（ida0）。ida0的最大輸出電流可以有三種不同的設(shè)置：0.5ma、1ma和2ma。ida0具有靈活的輸出更新機制，允許無縫滿度變化，支持無抖動波形更新。ida0有

50、三種更新方式：寫ida0h、定時器溢出或外部引腳邊沿。4.3 hd7279芯片介紹hd7279a是一片具有串行接口的, 可同時驅(qū)動8位共陰極數(shù)碼管的智能顯示驅(qū)動芯片。該芯片同時還可連接多達64 鍵的鍵盤矩陣, 并具有自動消除按鍵抖動并識別按鍵代碼的功能, 從而可以提高cpu 的工作效率。一片hd7279a 即可完成led 顯示及鍵盤接口的全部功能。hd7279a 芯片內(nèi)部有譯碼器, 可以直接接受16 進制碼, 并具有2 種譯碼方式和多種控制指令, 如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。hd7279a和微處理器之間采用串行接口, 其接口和外圍電路比較簡單, 且占用cpu 的i/o 端口少, 加之它

51、具有較高的性能價格比, 因此, 廣泛應(yīng)用在微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等領(lǐng)域。（1） 引腳說明 圖4-6 hd7279芯片引腳圖4-6為hd7279a芯片引腳圖。各引腳功能如下:vdd：接正電源 nc：懸空vss：接地 cs：片選輸入端，低電平有效clk：同步時鐘輸入端，低電平有效 data：串行數(shù)據(jù)輸入/ 輸出端key：按鍵有效輸出端，低電平有效 sg sa：段g 至段a 驅(qū)動輸出dp：小數(shù)點驅(qū)動輸出 dig0dig7：數(shù)字0 至數(shù)字7 驅(qū)動輸出clko：振蕩輸出端 rc：rc 振蕩器連接rest：復(fù)位端（2） 接口電路hd7279a 與微處理器間僅需4 條接口線,其中cs 為片

52、選信號( 低電平有效) 。當微處理器訪問hd7279a 時,應(yīng)將片選端置為低電平。data 為串行數(shù)據(jù)端，當向hd7279a 發(fā)送數(shù)據(jù)時, data 為輸入端;當通過hd7279a 輸出鍵盤代碼時, data 為輸出端。clk 為數(shù)據(jù)串行傳送的同步時鐘輸入端,時鐘的上升沿表示數(shù)據(jù)有效。key 為按鍵信號輸出端,在無鍵按下時為高電平；而在有鍵按下時變?yōu)榈碗娖?并一直保持到按鍵釋放為止。（3） hd7279控制指令 表4-3 hd7279控制指令指令名指令格式說明復(fù)位指令10100100清除所有顯示測試指令10111111將所有的led全部點亮左移指令10100001 所有的顯示自右向左移一位，最右邊為空右移指令10100000所有的顯示自左向右移一位，最左邊為空循環(huán)左移指令10100011自右向左移一位，最右邊顯示最左邊的內(nèi)容循環(huán)右移指令10100010自左向右移一位，最左邊顯示最右邊的內(nèi)容下載數(shù)據(jù)且按方式0譯碼10000a2a1a0dp*d3d2d1d0a2a1a0為位地址，d3-d0為