基于AT89C51的智能电风扇调速器的设计gai

1基于AT89C51电风扇智能调速器的设计摘要本文介绍了一种基于AT89C51单片机的电风扇智能调速器的设计，该设计以AT89C51控制器为核心，巧妙利用温度传感器电路，及时而准确的采集环境温度，利用双向晶闸管对电机进行无级调速，把智能控制技术用于家用电器的控制中，用人体周围的环境温度对风扇进行温控。关键词：单片机；红外遥控；温度传感器；智能控制。1系统概述1.1AT89C51单片机简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内4bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。AT89C51单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C51单片机提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时、计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51单片机可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时、计数器，串行通行口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。1.2本设计任务和主要内容本文以AT89C51单片机为核心，通过数字温度传感器对外界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调节档位，实现“温度高、风力大、温度低、风力弱”的性能。另外，通过红外发射和接收装置及按键实现各种功能的启动与关闭，并且可对各种功能实现遥控，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。本设计主要内容如下：宿州学院毕业论文基于AT89C51电风扇智能调速器的设计2(1)风速设为从低到高共5个档位，可由用户通过键盘和遥控手动设定。(2)每当温度降低2℃,则电风扇风速自动下降一个档位。(3)每当温度升高2℃,则电风扇风速自动上升一个档位。(4)用户可以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。2系统原理2.1系统总体设计图1系统总体结构框图2.2控制装置原理传统电风扇供电采用的是220V交流电，电机转速分为几个档位，通过人工手动调整电机转速达到改变风速的目的，亦即，每改变一次风力，必然有人参与操作，这样就会带来诸多不便。本文介绍了一种基于AT89C51单片机的智能电风扇调速器的设计，该设计巧妙利用红外线遥控技术、单片机控制技术、无级调速技术和温度传感技术，把智能控制技术应用于家用电器的控制中，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数字温度传感器键盘功能输入遥控功能输入AT89C51电机调速输出显示控制输出宿州学院毕业论文基于AT89C51电风扇智能调速器的设计3风速的效果。3系统主要硬件电路3．1温度检测和显示电路可以选用LM324A运算放大器作为温度传感器，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。3.1.1DS18B20的温度处理方法DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。DS18B20简介：（1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0~+5.5V。（4）测温范围：-55~+125℃。固有测温分辨率为0.5℃。（5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。单线（1—wire)技术：该技术采用单根信号线，既可传输时钟，也能传输数据，而且是双向传输。适用于宿州学院毕业论文基于AT89C51电风扇智能调速器的设计4单主机系统，主机能够控制一个或多个从机设备，通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能释放该线，而让其他设备使用。单线通常要求外接一个5K的上拉电阻，这样当该线空闲时，其状态为高电平。主机和从机之间的通讯分成三个步骤：初始化单线器件、识别单线器件和单线数据传输。单线1—wire协议由复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0、读1，这几种信号类型实现，这些信号中除了应答脉冲其他都由主机发起，并且所有指令和数据字节都是低位在前。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。温度值/℃数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.62500000001100100010191H+10.125000000001010001000A2H+0.500000000000010000008H000000000000000000000H-0.51111111111111000FFF8H-10.1251111111101101110FF5EH-25.6251111111101101111FF6FH-551111110010010000FC90H表1部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表3.1.2温度传感器和显示电路组成本模块用更为优秀的DS18B20作为温度传感器，AT89C51单片机作为处理器，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所示。系统工作原理如下：DS18B20数字温度传感器采集现场温度，将测量到的数据送入AT89C51单片机的P3.3口，经过单片机处理后显示当前温度值，并与设定温度值的上下限值作比较，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自动调整。宿州学院毕业论文基于AT89C51电风扇智能调速器的设计5EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)16P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78(AD0)P0.039(AD1)P0.138(AD2)P0.237(AD3)P0.336(AD4)P0.435(AD5)P0.534(AD6)P0.633(AD7)P0.732(A8)P2.021(A9)P2.122(A10)P2.223(A11)P2.324(A12)P2.425(A13)P2.526(A14)P2.627(A15)P2.728PSEN29ALE/PROG30(TXD)P3.111(RXD)P3.010GND20VCC40U1AT89C5112X1CRYSTAL20pFC120pFC2GNDVCCDQ2GND1VCC3U2DS18B20a9b7c4d2e1f8g5dp3G110G21U3LED123456789PR110KGND+5V图2DS18B20温度计原理图3.2电机调速电路电机调速是整个控制装置中的一个相当重要的方面。通过控制改变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。3.2.1电机调速原理双向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。电风扇的风速从高到低设为5、4、3、2、1档，每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=πDn×103（1）式（1）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=1250r/min.又因为：%70%100最高调速档的转速最低调速档的转速调速比取n1=875r/min。则可得出五个档位的转速值：n1=875r/min，n2=980r/min，n3=1063r/min，n4=1150r/min，n5=1250r/min宿州学院毕业论文基于AT89C51电风扇智能调速器的设计6又由于负载上电压的有效值u0=u122sin（2）式（2）中，u1为输入交流电压的有效值，α为控制角。解得：(1)当α5=0°时，t=0ms；(2)当α4=23.5°时，t=1.70ms；(3)当α3=46.5°时，t=2.58ms；(4)当α2=61.5°时，t=3.43ms；(5)当α1=76.5°时，t=4.30ms。上述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。3.2.2电机控制模块设计本模块电路中采用了过零双向可控硅型光耦MOC3041M,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:UINnP(3)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(3)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,从而达到调宿州学院毕业论文基于AT89C51电风扇智能调速器的设计7节电机转速的目的。图3电机控制原理图3.3遥控电路3.3.1发射电路红外发射电路原理图见图4，K1～K8是遥控键输入键，它是一个由编码器（BA5104）和红外发射电路组成的。Al～A6键分别为“定时”、“风速”、“风类”、“摇头”、“照明”、“开/关”控制按钮。经对应开关发出的遥控指令，由脚D0输出经Q1和Q2放大后驱动D1发出经编码后的红外遥控信号。图4遥控发射电路BA5302GNDVDDVDDGNDC11000PR243KGNDR110KVCCQ19014GNDVSS1DI2HP13HP24HP35HP46HP57HP68CP19CP210C111C212OSC13VDD14SM5032C112233445566U1MOC3041EA/VPP31XTAL119XTAL218RST9P3.7(RD)17P3.6(WR)1