单片机多功能电扇控制器的设计——硬件设计

湖北经济学院法商学院专科毕业论文(设计)
题目：单片机多功能电扇控制器的设计
（硬件设计）
专业：应用电子技术
系（部）：电子工程系
班级：应电08301班
学号： 0830530110
姓名：刘畅
指导教师：陈莹
职称：讲师
湖北经济学院法商学院教务部制
摘要
为了让电风扇使用起来更方便，能达到在远处即可控制电风扇运行状态的目的。

文本基于AT89C51单片机、HS5104红外遥控编码发射器和HS8206解码器设计了这款红外遥控电风扇的硬件电路。

系统分为信号发送和信号接收两大部分，信号发送部分由时钟电路，键盘电路，显示电路和数据发送模块组成；信号接收部分由数据接收模块和电机控制电路组成。

两大部分的协调运作构成了整个红外遥控电风扇系统。

通过单片机的控制，本系统可以完成的主要功能有：用户可以通过遥控器按钮按下“启动”、“关机”、“风速”、“风类”四个按键，对电风扇进行远程遥控。

电风扇的风速分“强风”、“中风”和“弱风”三种；风类分为“正常风”、“自然风”及“睡眠风”三类。

用户还可以通过遥控器面板上的指示灯查看当前风扇的工作状态。

设计这种电风扇可以使电风扇的操作更加方便快捷，让人们在酷暑之中享受夏日的清凉。

关键词：单片机；红外遥控；电风扇
目录
1系统功能概述 (2)
2系统结构及原理分析 (2)
3主要元件介绍 (3)
3.1 AT89C51单片机 (3)
3.2 HS5104红外遥控编码发射器 (5)
3.3 HS8206解码器 (5)
4系统设计 (6)
4.1 时钟振荡电路 (6)
4.2 键盘电路 (7)
4.3 显示电路 (7)
4.4 数据发射电路 (8)
4.5 数据接收电路 (8)
4.6 电机控制电路 (10)
5红外线信号编码格式 (11)
附录1 电风扇遥控器面板 (13)
附录2 HS5104键输出码表 (14)
参考文献 (15)
1 系统功能概述
本系统为单片机多功能电扇控制器的硬件组成部分，包括信号的发送模块和接收模块以及电风扇控制电路。

其具体功能如下：
1．遥控器采用无线遥控方式，可以通过遥控器键盘上的按键控制电风扇的工作，以及遥控器面板上的LED指示灯观察电风扇现在的工作模式；
2．用户按下“启动”按钮，电风扇开始工作，用户按下“关闭”按钮，电风扇停止工作；
3．当用户按“风速”按钮时，电风扇会在“弱风”、“中风”、“强风”三种风速之间切换；
4．若用户按“类型”按钮，电风扇将会在“正常风”、“自然风”、“睡眠风”三种风类之间进行切换；
5．遥控器的发送部分会完成对发送数据的编码、调制、载波输出，而接收部分会完成对接收数据的滤波、解调、解码。

2 系统结构及原理分析
图1 单片机多功能电风扇系统结构框图
图1为单片机多功能电风扇系统的结构框图，如图1 (a) 所示该系统的信号发送部分主要由AT89C51单片机和数据发射模块构成。

数据发射模块采用HS5104红外遥控编码发射器，它将完成数据的编码、调制及载波输出的功能，将键盘输入的数字信号指令，经过处理之后转换成模拟信号发送给电风扇数据接收模块。

如图1 (b)，该系统的信号接收部分主要由数据接收模块、AT89C51单片机及电机控制电路组成。

接收模块采用HS8206解码器，数据发射模块发射的数据由数据接收模块采集，经过滤波、调制、解码等步骤，将模拟信号转换为数字信号指令并传送给单片机，通过软件程序来控制电机的操作，从而完成整个过程。

3 主要元件介绍
系统信号发送接收部分都采用了AT89C51单片机，数据发送模块运用HS5104 红外遥控编码发射器，数据接收模块所用的是HS8206解码器。

3.1 AT89C51单片机
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的单片机芯片，它采用静态CMOS工艺制造，具有低电压，高性能的特点。

该单片机具有如下资源：
1．4KB的内部Flash程序存储器，可实现3个级别
的程序存储器保护功能。

2．128字节的内部数据存储器。

3．32个可编程I/O引脚
4．2个16位计数/定时器。

5．5个中断源，2个优先级别。

6．1个可编程的串行通信口。

如图2所示，AT89C51单片机一共有40只引脚，引
脚功能介绍：
图2 A T89C51单片机引脚排列图P0.0~P0.7：P0口8位双向口线。

P1.0~P1.7：P1口8位双向口线。

P2.0~P2.7：P2口8位双向口线。

P3.0~P3.7：P3口8位双向口线。

ALE：地址锁存控制信号。

在系统扩展时，ALE用于把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

此外，由于ALE是以晶振的1/6固定频率输出的正脉冲。

因此它可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。

PSEN：外部程序存储器读选通信号。

PSEN有效（低电平）时，可实现对外部ROM单元的读操作。

EA：访问程序存储控制信号。

当EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当EA信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始的，并可延至外部程序存储器。

RST：复位信号。

当输入的复位信号线序两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。

在进行单片机应用系统设计时，这个引脚一定要连接相应的电路，即复位电路。

XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。

当使用芯片内部时钟时，两引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

这两个引脚连接的电路称为时钟电路，用来产生单片机正常工作时所需的时钟脉冲信号。

GND：地线。

VCC：+5V电源。

由于引脚数目有限，而单片机为实现其功能所需要的信号数目超过了引脚的数目，所以AT89C51单片机上某些引脚还具有第二功能。

如P3口的8条线都定义了第二功能：
P3.0/RXD：串行数据接收
P3.1/TXD：串行数据发送
INT：外部中断0申请
P3.2/0
INT：外部中断1申请
P3.3/1
P3.4/T0：定时/计数器0的外部输入
P3.5/T1：定时/计数器1的外部输入 P3.6/WR ：外部RAM 写选通
P3.7/RD ：外部RAM 读选通
3.2 HS5104红外遥控编码发射器
HS5104是红外遥控编码发射器的一种，提供了38KHz 红外载波输出，拥有八通
道遥控输入/输出口和两个用户码选择。

具有定向性好，抗干扰能力强，遥控距离远等特点。

图3为HS5104红外遥控编码发射器的引脚图。

各
引脚功能为： C1、C2：用户码，接地代表‘0’，浮空代表‘1’ K1~K8：遥控按键输入，内接上拉电阻 VSS ：地位
OSC2、OSC1：455KHzOSC 的输入、输出脚 LED ：接LED 显示发射状态 DO ：38KHz 载波讯号输出
VDD ：正电源
3.3 HS8206解码器
HS8206解码器一共有八种型号，本系统选用的的是HS8206BA4K 。

它采用
455KHz 振荡器作振荡输入，提供“正常风”、“自然风”、“睡眠风”三种风类以及“强”、“中”、“弱”三种风速。

具备记忆功能，不需要每次开机都重新输入运作模式。

配合HS5104编码器可实现全功能遥控。

图4为HS8206BA4K 的引脚排列图，它一共有18只引脚，各引脚功能为： D1：遥控讯号输入
OFF ：关机键或开/关键输入及LED 扫描输出端 TIMER ：定时键输入及LED 扫描输出端
SPEED ：风速键输入及LED 扫描输出端
图3 HS5104红外遥控编码发射器引脚图
MODE ：风类键输入及LED 扫描输出端 COM1：用户码C1选择及LED 扫描公共端 COM2：用户码C2选择及LED 扫描公共端 COM3：LED 扫描公共端
SWING ：摆头键及用户码选择二极管连接端 SHO ：摆头驱动、水平摆头 STRONG ：强风驱动 MEDIUM ：中风驱动 LOW ：弱风驱动 VDD ：正电源 BUZ ：蜂鸣器驱动
OSC2、OSC1：455KHz 振荡器
VSS ：负电源
4 系统设计
系统设计部分将针对系统各个部分分别提出设计方案，并对此设计方案做出必要的解释和设计方法。

4.1 时钟振荡电路
AT89C51单片机内部有一个高增益反向放大
器，输入端为芯片上的XTAL1引脚，输出端为芯片上的XTAL2引脚，可用于构成振荡器。

将两个电容和一个晶振接入单片机的XTAL1和XTAL2引脚之间即可组成一个稳定的自激振荡器。

具体电路如图5所示。

电路中C1、C2两个电容的电容值约为30pF ，
并选用6MHz 或者12MHz 的晶振。

图4 HS8206BA4K 解码器引脚图
图5 时钟振荡电路
4.2 键盘电路
键盘电路有独立式按键和矩阵式按键两种，因为电风扇遥控器所需要的按键较少，仅有“启动”、“风速”、“风类”和“关机”四个按键。

所以这里采用独立式键盘。

此方式结构简单，设计便捷，程序编写也相对简单一些。

电路设计时，使用AT89C51单片机的P1口线接入键盘电路。

如图6，该电路为键盘电路。

上拉电阻接高电平，若没有按键按下，那么引脚处于高电平。

当某一按键按下的时候，设按下的按钮为启动按钮，高电平通过按钮直接接地，所以与启动按钮相互连接的P1.0口为低电平，因此当P1.0口为低电平的时候，代表启动按钮被按下。

按钮按下产生的电平变化经过内部程序的处理之后，传递给显示电路和信号发送模块，从而控制
他们的工作状态。

4.3 显示电路
遥控电风扇的时候，需要了解电风扇当前的工作状态，所以在遥控器上应该有当前状态的显示，电风扇工作状态的显示工作由六个LED 发光二极管来完成。

风速的“强风”、“中风”、“弱风”和风类的“正常风”、“自然风”、“睡眠风”各用一个发光二极管来指示。

若电风扇现在的工作状态是正常的强风，那么表示“正常风”和“强风”的两个发光二极管发光。

其余的四个二极管处于熄灭状态。

电路设计时，使用AT89C51的P2口来接入显示电路。

具体电路图如图7。

图6 电风扇遥控器按键电路
图7 电风扇遥控器显示电路
发光二极管后接电阻然后直接接地。

若P2为高电平，则发光二极管导通发光；若P2为低电平，则放光二极管截止不发光。

所以，在编写程序时，只要P1口按键按下，P2口相对应的那个指示灯亮或者灭就行了。

4.4 数据发射电路
当用户按下遥控器按键的时候，遥控器应该将这个信号发送给电风扇的信号接收模块，因此这个信号发射的过程要通过数据发射电路来完成。

图8为电风扇遥控器的数据发射电路，其核心是HS5104红外遥控编码发射器。

图8 电风扇遥控器数据发射电路
遥控器通常使用2节干电池，所以供电电压为3V；C1为旁路电容，使供电直流电压更加稳定、纯粹；HS5104的1、2管脚为用户码设定，若开关闭合，则C1、C2接地，为‘0’，若开关打开，则C1、C2浮空，为‘1’；HS5104的3、4、5、6管脚为键盘按键，和键盘电路相连；HS5104的第14管脚接LED，若信号处于发射状态，彩灯闪烁，没有信号发出，则发光二极管熄灭；HS5104的10、12、13管脚接时钟振荡电路，振荡电路由电容C2、C3、以及晶体振荡器XL（455KHz）组成，作为内部振荡频率；HS5104的15管脚为编码信号输出端，当有高电平信号发出的时候，DO 端为高电平，则Q1、Q2导通，那么红外线发射管（LED2）将发出红外线。

4.5 数据接收电路
经过数据发射电路发射过来的信号，要由接收电路滤波、解调和解码之后才能得到正确的指令，再送给单片机进行下一步的处理。

因此数据接收电路也是电风扇组成的很重要的部分。

但是接收电路通常被安装在电风扇中，而电风扇的供电电压是220V
的交流电压，所以将220V交流电转换成可以使电路正常工作的5V电压，是设计数据接收电路的第一步。

4.5.1 数据接收电路电源部分
电源部分的主要工作是将220V的交流电压经过电路的转换得到适合控制部分正常工作的5V电压。

具体电路如图9。

图9 电风扇数据接收电路电源部分
R1为并联电阻；C1和R2组成一个并联谐振回路，用来对220V交流电进行滤波；D1、D2、C2将对输送多来的电流再次的整流滤波；R3为并联电阻；D3、R4组成稳压电路，使工作电压更加稳定，从而得到稳定的5V电压。

4.5.2 数据接收电路控制部分
数据接收模块接收到发射出来的信号之后，要进行滤波、解调和解码等一系列的工作之后才能得到有用的指令。

这部分功能将由HS8206BA4K解码器来完成。

图10 电风扇数据接收电路控制部分
图10即为接收电路的控制部分，DI口为红外信号接收端，外接一个红外信号接收器，可以将HS5104的DO管脚发出的红外信号接收过来；由于电风扇上通常也有控制按钮，所以在芯片的2、3、4、5引脚都有外接按键，由于要完成风类和风速的转换，所以和COM1、COM2、COM3端构成矩阵键盘；BUZ端口外接蜂鸣器，当按钮按下的时候，蜂鸣器将鸣响，提示指令已经接收到；OSC1和OSC2端口外接两个电容和一个晶体振荡器用来产生455KHz的内部振荡频率；接收到的指令经过芯片内部的处理由11、12、13引脚传送到单片机内部，进行下一步的处理。

4.6 电机控制电路
控制信号传递到单片机后，通过软件程序的处理，对电机做出指示。

利用发出脉冲的占空比来控制电机的转速和转动时间，达到控制风速和风类的目的。

图11为电风扇的电机控制电路，按照这个电路的原理可以改变电风扇的运行状态。

假定，Ua、Ub端口接单片机的P0口，Ua为P0.0口线，Ub为P0.1口线。

当要电机启动的话，P0.1口必须输出高电平，即Ub口为‘1’；若P0.1口为低电平，Ub 为‘0’，电源VCC会直接Ub，相当于接地，电风扇将不会运行，这样可以完成启动和关闭的功能。

若要改变电机的转动速度，可以改变P0.1口脉冲的占空比。

当P0.1一直为高电平的时候，电机将以最大速度转动，如果这时改变P0.1口的电平，电机不会马上停止，由于惯性会继续转动一会，但电机的转动速度会比P0.1一直为高电平的时候弱，通过改变高、低电平分配的时间来改变风扇运行的速度。

这些脉冲信号的发出，将由AT89C51单片机的软件程序来完成。

5 红外线信号编码格式
HS5104红外遥控编码发射器所产生的编码将由DO端输出，数据输出格式由以下三部分组成：1、起始码部分——3位（逻辑“110”）；2、用户码部分——2位（C1、C2）；3、指令码部分——7位。

为了防止键盘的抖动，当某一按键按下的时候，要经过32ms的延迟，才能确定为有效指令，DO端将输出有效帧。

一帧码和间隔的4位合起来称为一帧，即包含16位。

按键时间越长，发出的有效帧越多（至少要发出两个有效帧）。

数据输出格式见图12。

(32ms) 第一帧
图12 数据输出格式
下面以具体的例子来说明当键盘的某一按键被按下时，HS5104的编码发射输出。

如图13，首先用户先按下了KY1键，这是开始产生455KHz振荡脉冲，DO口经过32ms延迟后发出脉冲信号，用户停止按下KY1键后OSC将不产生振荡脉冲，DO端
也不再发出脉冲信号。

当KY2键按下时，OSC重新开始振荡，产生455KHz时钟信号，DO端也重新发出信号脉冲，这个脉冲将携带着指令编码发送到HS8206的DI 端口，松开KY2键后，时钟脉冲渐渐消失，DO端口的信号也将停止发送。

图13 编码发射示意图
附录1 电风扇遥控器面板
附录2 HS5104键输出码表
*注：C1、C2由用户自己确定(接地代表‘ 0 ’，浮空代表‘ 1 ’)
参考文献
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[2] 周雪．模拟电子技术（修订版）[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2005
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[4] 李中发，胡锦，方厚辉．数字电子技术（第二版）[M]．北京：中国水利水电出版社，2007
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/view/0e71fbf24693daef5ef73dd9.html．
[7] 佚名．单片机控制的红外遥控器[DB/OL]．
/view/a36802b81a37f111f1855b00.html．。