電風(fēng)扇智能控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)書(shū)

1、河南質(zhì)量工程職業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論 文）一課程設(shè)計(jì)系別機(jī)電工程系專(zhuān)業(yè)電器商品檢驗(yàn)班級(jí)10商才穹1班學(xué)生姓名高登鵬學(xué) 號(hào)0201100116指導(dǎo)教師王慶志定稿日期2012年5月11日目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1節(jié)引言 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)概述 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容 3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Doc

2、ument 第2節(jié)系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)5 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 總體硬件設(shè)計(jì) 5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 數(shù)字溫度傳感器模塊設(shè)計(jì) 5溫度傳感器模塊的組成 5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document DS18B20的溫度處理方法 6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 電機(jī)調(diào)速與控制模塊設(shè)計(jì) 7電機(jī)調(diào)速原理 7電機(jī)控制模塊硬件設(shè)計(jì) 8 HYPERLINK l bookmark48 o

3、Current Document 溫度顯示與控制模塊設(shè)計(jì) 9第3節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)10數(shù)字溫度傳感器模塊程序設(shè)計(jì) 10電機(jī)調(diào)速與控制模塊程序流程 15程序設(shè)計(jì)原理 15主要程序 16第4節(jié)結(jié)束語(yǔ)2019參考文獻(xiàn)基于單片機(jī)的智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)第1節(jié)引言電風(fēng)扇曾一度被認(rèn)為是空調(diào)產(chǎn)品沖擊下的淘汰品，其實(shí)并非如此，市場(chǎng)人士 稱(chēng)，家用電風(fēng)扇并沒(méi)有隨著空調(diào)的普及而淡出市場(chǎng)，近兩年反而出現(xiàn)了市場(chǎng)銷(xiāo)售復(fù) 蘇的態(tài)勢(shì)。其主要原因：一是風(fēng)扇和空調(diào)的降溫效果不同一一空調(diào)有強(qiáng)大的制冷功 能，可以快速有效地降低環(huán)境溫度，但電風(fēng)扇的風(fēng)更溫和，更加適合老人兒童和體 質(zhì)較弱的人使用；二是電風(fēng)扇有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，價(jià)格低廉而且相對(duì)省電，安裝

4、和使用都 非常簡(jiǎn)單。盡管電風(fēng)扇有其市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，但傳統(tǒng)電風(fēng)扇還是有許多地方應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改良的，最 突出的缺點(diǎn)是它不能根據(jù)溫度的變化適時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)力大小，對(duì)于夜間溫差大的地區(qū)， 人們?cè)谙囊故褂秒婏L(fēng)扇時(shí)可能遇到這樣的問(wèn)題：當(dāng)凌晨降溫的時(shí)候電風(fēng)扇依然在工 作，可是人們因?yàn)槭焖鵁o(wú)法察覺(jué)，既浪費(fèi)電資源又容易引起感冒，傳統(tǒng)的機(jī)械定 時(shí)器雖然能夠控制電風(fēng)扇在工作一定后關(guān)閉，但定時(shí)范圍有限，且無(wú)法對(duì)溫度變化 靈活處理。鑒于以上方面的考慮，我們需要設(shè)計(jì)一種智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)來(lái)解決這 些問(wèn)題。智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)概述傳統(tǒng)電風(fēng)扇是220V交流電供電，電機(jī)轉(zhuǎn)速分為幾個(gè)檔位，通過(guò)人為調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速 達(dá)到改變風(fēng)力大小的目的，亦即，每次

5、風(fēng)力改變，必然有人參與操作，這樣勢(shì)必帶 來(lái)諸多不便。本設(shè)計(jì)中的智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)，是指將電風(fēng)扇的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為被控制量，由單 片機(jī)分析采集到的數(shù)字溫度信號(hào)，再通過(guò)可控硅對(duì)風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。從而達(dá)到無(wú)須人為控制便可自動(dòng)調(diào)整風(fēng)力大小的效果。設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)以MCS51單片機(jī)為核心，通過(guò)溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從 而建立一個(gè)控制系統(tǒng)，使電風(fēng)扇隨溫度的變化而自動(dòng)變換檔位，實(shí)現(xiàn)“溫度高，風(fēng) 力大，溫度低，風(fēng)力弱”的性能。另外，通過(guò)鍵盤(pán)控制面板，用戶可以在一定范圍 內(nèi)設(shè)置電風(fēng)扇的最低工作溫度，當(dāng)溫度低于所設(shè)置溫度時(shí)，電風(fēng)扇將自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng) 高于此溫度時(shí)電風(fēng)扇又將重新啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如下：

6、風(fēng)速設(shè)為從高到低5個(gè)檔位，可由用戶通過(guò)鍵盤(pán)手動(dòng)設(shè)定。當(dāng)溫度每降低2c則電風(fēng)扇風(fēng)速自動(dòng)下降一個(gè)檔位。當(dāng)溫度每升高2c則電風(fēng)扇風(fēng)速自動(dòng)上升一個(gè)檔位。 用戶可設(shè)定電風(fēng)扇最低工作溫度，當(dāng)?shù)陀谠摐囟葧r(shí)，電風(fēng)扇自動(dòng)停轉(zhuǎn)。第2節(jié)系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)總體硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2-1所示圖2-1系統(tǒng)原理框圖對(duì)于單片機(jī)中央處理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，根據(jù)要求，我們可以選用具有4KB片內(nèi)E2PROMJ AT89C51單片機(jī)作為中央處理器。作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，AT89C51內(nèi)部已包含了定時(shí)器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等硬件，具硬件能符合整個(gè)控制系統(tǒng) 的要求，不需要外接其他存儲(chǔ)器芯片和定時(shí)器件，方便地構(gòu)成一個(gè)最小系統(tǒng)。

7、整個(gè) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。是比較合適的方案數(shù)字溫度傳感器模塊設(shè)計(jì)溫度傳感器可以選用LM324A勺運(yùn)算放大器，將其設(shè)計(jì)成比例控制調(diào)節(jié)器，輸出電壓 與熱敏電阻的阻值成正比，但這種方案需要多次檢測(cè)后方可使采樣精確，過(guò)于煩瑣。所以我采用更為優(yōu)秀的DS18B2嗷字溫度傳感器，它可以直接將模擬溫度信號(hào) 轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，降低了電路的復(fù)雜程度，提高了電路的運(yùn)行質(zhì)量。溫度傳感器模塊組成本模塊以DS18B20乍為溫度彳感器，AT89C51作為處理器，配以溫度顯示作為溫度控制輸出單元。整個(gè)系統(tǒng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完善。電路圖如圖 2-2所示。系統(tǒng)工作原理如下：DS18B2Ca行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，將測(cè)量數(shù)

8、據(jù)送入 AT89C51的P3.7 口，經(jīng)過(guò)單片機(jī) 處理后顯示溫度值，并與設(shè)定溫度值的上下限值比較，若高于設(shè)定上限值或低于設(shè) 定下限值則控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整U1X1一口 -1CRYSTALC1-L C222p-T 22pU2 GNDUM DQVCCDS18B2019卜 XTAL1P0.0/AD03918XTAL2P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A938-y7363534339RST322122P2.2/A102329PSENP2.3/A11P2.4/A12P2.5/A132430ALE2531

9、EA26P2.6/A1427P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXD281P1 0102P1 111312P12P3.2/INT0-P3.3/INTTP3.4/T04P13135P1 414615Pd AP3.5/T1P3.6WP3.7/RD7168717AT89C51圖2-2DS18B20溫度計(jì)原理圖DS18B20的溫度處理方法DS18B20直接將測(cè)量溫度值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量提交給單片機(jī)，工作時(shí)必須嚴(yán)格遵守 單總線器件的工作時(shí)序。溫度值/ c數(shù)字輸出（二進(jìn)制）數(shù)字輸出（十六進(jìn)制）+85 C0000 0101 0101 00000550H+25.625 C0000 0001 1001 000

10、10191H+10.125 C0000 0000 1010 001000A2H+0.5 C0000 0000 0000 10000008H0 C0000 0000 0000 00000000H-0.5 C1111 1111 1111 1000FFF8H-10.125 C1111 1111 0110 1110FF5EH-25.625 C1111 1111 0110 1111FF6FH-55 C1111 1100 1001 0000FC90H表2-1部分溫度值與 DS18B20e出的數(shù)字量對(duì)照表電機(jī)調(diào)速與控制模塊設(shè)計(jì)電機(jī)調(diào)速是整個(gè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的方面。通過(guò)控制雙向可控硅的導(dǎo)通 角，使輸出端電

11、壓發(fā)生改變，從而使施加在電風(fēng)扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調(diào)節(jié)風(fēng) 扇的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)各檔位風(fēng)速的無(wú)級(jí)調(diào)速。電機(jī)調(diào)速原理可控硅的導(dǎo)通條件如下：1）陽(yáng)-陰極間加正向電壓；2）控制極-陰極間加正向觸發(fā)電壓；3）陽(yáng)極電流I a大于可控硅的最小維持電流Ih。電風(fēng)扇的風(fēng)速設(shè)為從高到低5、4、3、2、1檔，各檔風(fēng)速都有一個(gè)限定值。在 額定電壓、額定功率下，以最高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要求風(fēng)葉最大圓周上的線速度不大于 2150m/min。且線速度可由下列公式求得3V hDn 10式中，V為扇葉最大圓周上的線速度（m/min）,D為扇中的最大頂端掃出圓的直徑 （mm）； n為電風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速（r/min）。代入數(shù)據(jù)求得n5 W15

12、55r/min,取rt =1250 r/min. 又因?yàn)椋?、田、擊“取低轉(zhuǎn)速 ” ”倜速比= 日吉好、擊100% 70%最局轉(zhuǎn)速取n1=875 r/min,則可得出五個(gè)檔位的轉(zhuǎn)速值:=1250r/min=1150r/minn3=1063r/minn2=980r/minn1 =875r/min又由于負(fù)載上電壓的有效值u 0 = u1.(sin 2 ：其中，U1為輸入交流電壓的有效值，a為控制角。解得:：5=0t=0ms=23.5=46.5=61.5=76.5t=1.70mst=2.58mst=3.43mst=4.30ms以上計(jì)算出的是控制角和觸發(fā)時(shí)間，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零點(diǎn)時(shí)，按照所求得的觸發(fā)時(shí) 間延時(shí)

13、發(fā)脈沖，便可實(shí)現(xiàn)預(yù)期轉(zhuǎn)速。2.3.2電機(jī)控制模塊硬件設(shè)計(jì)電路中采用了過(guò)零雙向可控硅型光耦MOC3041集光電隔離、過(guò)零檢測(cè)、過(guò)零觸發(fā)等功能于一身，避免了輸入輸出通道同時(shí)控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷，簡(jiǎn)化了輸出通道隔離2驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的可控硅觸發(fā)電路原理圖見(jiàn)圖2-3。其中RL即為電機(jī)負(fù)載，其工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置，在I/ O 口輸出一個(gè)高 電平，經(jīng)反向器反向后，送出一個(gè)低電平，使光電耦合器導(dǎo)通，同時(shí)觸發(fā)雙向可控硅， 使工作電路導(dǎo)通工作。給定時(shí)間內(nèi)，負(fù)載得到的功率為：P = -UI N 式中：P為負(fù)載得到的功率，kW0 n為給定時(shí)間內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦波個(gè)數(shù)。N為給定時(shí)間內(nèi)交流正弦

14、波的總個(gè)數(shù)。U為可控硅在一個(gè)電源周期全導(dǎo)通時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓有效值,V。I為可控硅在一個(gè)電源周期全導(dǎo)通時(shí)所對(duì)應(yīng)的電流有效值,A0由式(1)可知，當(dāng)U, I ,N為定值時(shí)，只要改變n值的大小即可控制功率的輸出，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。U21918|XTAL1XTAL29RST2930-31PSENALE k1P1.0P1.13P1.2T- BP1.3P1.4P1.57P1.6P1.7-8-AT89C51P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4

15、/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD-TF36F34FF-21/f24r26Mh 2 3 4lo 67圖2-3電機(jī)控制原理圖2.4 溫度顯示與控制模塊設(shè)計(jì)通過(guò)HD7279A空制芯片組建一個(gè)單片機(jī)鍵盤(pán)輸入與顯示模塊，其中包括一個(gè) 2*8的鍵盤(pán)矩陣。和8段動(dòng)態(tài)掃描數(shù)碼管顯示。與單片機(jī)通過(guò)接插件連接，可以用于系統(tǒng)的控制和輸出，其原理圖如圖2-4所示。OSCFD7G D6 5 4 3 2 G G G GG D D D D D1GDA B c D E F G P

16、D OGD8 5 0 3 7 6 12HA BD112 3 0 6 1AB-cHD -eTU1MAX72211圖2-4 HD7279A鍵盤(pán)和顯示器控制模塊電路原理圖第三節(jié)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)字溫度傳感器模塊程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的運(yùn)行程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化設(shè)計(jì)，整體程序由主程序和 子程序構(gòu)成。圖3-1數(shù)字溫度傳感器模塊程序流程圖如圖3-1所示，主機(jī)控制DS18B2沈成溫度轉(zhuǎn)換工作必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：初始 化、ROM操作指令、存儲(chǔ)器操作指令。單片機(jī)所用的系統(tǒng)頻率為12MHz根據(jù)DS18B20初始化時(shí)序、讀時(shí)序和寫(xiě)時(shí)序分別可編寫(xiě)4個(gè)子程序：初始化子程序、寫(xiě)子程序、讀子程序、顯示子程序。DS18B205片

17、功能命令表如下:表2 DS18B20功能命令表命令功能描述命令代碼 TOC o 1-5 h z CONVERT開(kāi)始溫度轉(zhuǎn)換44HREAD SCRATCHPAD讀溫度寄存器（共 9字節(jié)）BEHREAD ROM讀 DS18B20WU號(hào)33HWRITE SCRATCHPAD將警報(bào)溫度值寫(xiě)如暫存器第 2、3字節(jié) 4EHMATCH ROM匹酉己 ROM55HSEARCH ROM搜索 ROMF0HALARM SEARCH警報(bào)搜索ECHSKIP ROM跳過(guò)讀序列號(hào)的操作CCHB4HREAD POWER SUPPLY 讀電源供電方式：0為寄生電源，1為外電源主要程序如下:MAIN:LCALL RST_DS18

18、B20LCALL GET_TEMPERMOV A,20HMOV C,08HRRC AMOV C,09HRRC AMOV C,10HRRC AMOV C,11HRRC AMOV 20H,ALCALL DISPLAYAJMPMAINRST_DS18B20:SETB P3. 7NOPCLR P3. 7MOV R1, #3RST1:MOV R0, #110DJNZ R0, $DJNZ R1,RST1SETB P3. 7NOPNOPMOV R0, #25HRST2:JNB P3. 7,RST3DJNZ R0,RST2LJMP RST4RST3: SETB FLAGLJMP RST5RST4:CLR FL

19、AGLJMP RST7RST5:MOV R0, #115RST6:DJNZ R0, $RST7: SETB P3. 7RETWR_DS18B20:;寫(xiě)數(shù)據(jù)子程序MOV R2, #8CLR CWR1: CLR P3. 7MOV R3, #6DJNZ R3, $RRC AMOV P3. 7,CMOV R3, #25DJNZ R3, $SETB P3. 7NOPDJNZ R2,WR1SETB P3. 7RETRD_DS18B20:;讀數(shù)據(jù)子程序MOV R4, #2MOV R1, #20HREAD1:MOV R2, #8READ2:CLR CSETB P3. 7NOPNOPCLR P3. 7NOPNO

20、PNOPSETB P3. 7MOV R3, #9READ3:DJNZ R3,READ3MOV C, P3. 7MOV R3, #23READ4:DJNZ R3,READ4RRC ADJNZ R2,READ2MOV R1,AINC R1DJNZ R4,READ1RET電機(jī)調(diào)速與控制模塊程序流程程序設(shè)計(jì)原理采用雙向可控硅過(guò)零觸發(fā)方式，由單片機(jī)控制雙向可控硅的通斷，通過(guò)改變每 個(gè)控制周期內(nèi)可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷交流完整全波信號(hào)的個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載功率，進(jìn)而達(dá) 到調(diào)速的目的。由于INT0信號(hào)反映工頻電壓過(guò)零時(shí)刻，因此只要在外中斷0的中斷服務(wù)程序中完成控制門(mén)的開(kāi)啟與關(guān)閉，并利用中斷服務(wù)次數(shù)對(duì)控制量n進(jìn)行計(jì)數(shù)和判斷

21、，即每中斷一次，對(duì)n進(jìn)行減1計(jì)數(shù)，如果n不等于0,保持控制電平為“ 1”，繼續(xù)打開(kāi) 控制門(mén)；如n=0,則使控制電平復(fù)位為“ 0”，關(guān)閉控制門(mén)，使可控硅過(guò)零觸發(fā)脈沖 不再通過(guò)。這樣就可以按照控制處理得到的控制量的要求，實(shí)現(xiàn)可控硅的過(guò)零控 制，從而達(dá)到按控制量控制的效果，實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)。1）回路控制執(zhí)行程序。主回路控制執(zhí)行程序的任務(wù)是初始化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，確 定電機(jī)工作參數(shù)nmin / nmax,并將其換算成“有效過(guò)零脈沖”的個(gè)數(shù)；確定中斷優(yōu)先 級(jí)、開(kāi)中斷，為了保證正弦波的完整，工頻過(guò)零同步中斷INT0確定為高一級(jí)的中斷源。2）斷服務(wù)程序，執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)，首先保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，INT0中斷標(biāo)志置位，禁止主

22、程序修改工作參數(shù)，然后開(kāi)始減 1計(jì)數(shù)，判斷是否關(guān)斷可控硅，最后INT0中 斷標(biāo)志位清零，還原初始化數(shù)據(jù)，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，中斷返回。（設(shè) 1秒鐘通過(guò)波形數(shù) N=10。中斷流程圖如圖3-2所示:開(kāi)心nl及其顯示.CLR24H.0圖3-2電機(jī)控制模塊中斷響應(yīng)流程圖主要程序外中斷INT0的部分中斷響應(yīng)程序如下:ORG0003HINTD0:PUSHACCPUSHPSWPUSHDPHPUSHDPLSETB 24H.0MOVA,5FHJZTING1DECMOV5FH,ALJMP FAN2TING1: FAN2:MOVA,5BHJZ TING2DECAMOV5BH,ALJMPZONGTING2:ZONG:MOVA,59HJZ KAIDECAMOV59H,ALJMPEXITKAI:CLR24H.0JB26H.0,KA