单片机电风扇模拟控制系统设计

第一章 电风扇控制系统原理
1.1 系统总体设计主要内容
图2.1 电风扇系统总体设计 键盘功能输入 AT89C51 控制电机 输出显示
1.2 主要内容
本设计以AT89C51单片机为核心，从而建立一个控制系统，本设计 内容：实现弱风、中风、强风（1、2、3、4档）然后显示数字1，2， 3，4。
2.2 控制装置的原理
本次设计用到了微电子技术、电子计算机技术、现代通讯技术、光 电子技术，新技术的成群崛起，将促进不同原理、不同性能、不同结构 和用途的电子产品。作为一种老式家电，电风扇具有价格便宜、摆放方 便、体积轻巧等特点。由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一 个成熟的家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内 仍然会占有市场的大部分份额。面临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，应使风扇不仅功能 多样，操作简便，而且更加安全可靠。
*****学院
课程设计
课程名称： 智能仪器
题目： 电风扇模拟控制系统设计
专业班次： 姓 名： 学 号： 指导教师： 学 期： 2011-2012学年 第一学期 日 期： 2011.12
目录
引言 Ⅰ
第一章 电风扇控制系统原理 1 1.1 系统总体设计主要内容 1 1.2 主要内容 1 1.3 控制装置的原理 1 1.4 设计方案特点 1
图3.1 占空比
3.3 电风扇控制设计主程序流程图
初始化 显示
按键是否有按下 置占空比1：3 按键是否wenku.baidu.com按下 Y 置占空比1：6 N Y
N 按键是否有按下 置占空比1：9
N Y
开始
结束 图3.2 主程序流程图
3.4 电机控制模块与定时器T1中断流程图
PWM调制 Y 按键是否有按下 开始 N
速度显示
1、通过本次设计，我不但对单片机有了更深的了解，对一个课题 如何画流程图，编程序等有了一定的认识。
2、进一步加强了我的动手能力和运用专业知识的奴隶，从学习到 如何去思考和解决问题，以及如何灵活地改变方法实现设计方案。
第二章 系统主要硬件设计 2 2.1 AT89C51单片机简介 2 2.2 系统硬件设计电路图 3 2.3 单片机复位电路、显示模块和时钟电路 3 2.3.1 复位电路 3 2.3.2 时钟电路 3 2.3.3 显示模块 4
第三章 系统软件设计 5 3.1 PWM控制方法 5 3.2 占空比 5 3.3 电风扇控制设计主程序流程图 6 3.4 电机控制模块与定时器T1中断流程图 7
图2.5 显示模块
第三章 系统软件设计
3.1 PWM控制方法
SPWM（Sinusoidal PWM）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。
PWM 调速系统具有以下特点: 1.主电路简单,所用功率元件少,且工作于开关状态,因此电路的导 通损耗小,装置效率比较高; 2.开关频率高,可避开机床的共振区,工作平稳; 3.采用功率较小的低惯量电机时,具有高的定位速度和精度; 4.低速性能好,稳速精度高,调速范围宽; 5.系统频带宽,动态响应好,抗干扰能力强。
1、把程序在Keil uVision3中调试，成功无错误后生成Hex文件。 2、根据电路图在proteus软件中回去电路图，检查无错误。 3、双击89C51导入生成Hex文件。 4、点击proteus软件左下方的开始键，进行仿真，观察高低电平情 况。
4.2 仿真运行
开关按下时，单片机输出一定的占空比，电机的转速也发生变化， 同时数码管显示数字。通过示波器可以看到占空比的波形，如图4.1所 示。
图3.1 AT89C51单片机
2.2 系统硬件设计电路图
电风扇设计系统以AT89C51单片机为核心，由时钟电路，复位电 路，显示电路，键盘，电机组成，如图2.2所示。
图2.2 电风扇设计总电路图
2.3 单片机复位电路、显示模块和时钟电路
2.3.1 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2.3所示。
传统电风扇供电采用是200V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，每改变一次风力，必然有 人参与操作，这样就会带来诸多的不便。
本设计介绍了一种AT89C51单片机的智能电风扇调速器的设计，该 设计巧妙利用了单片机控制技术、调速技术，把智能控制技术应用于家 用电器的控制中，将电风扇变成智能化。初始加电时，电风扇不加电， 一位数码显示器显示0，只有按下按钮电路就将按系统默认控制负载定 时工作的时间方式自动开始运行。在进行风速调节过程中，系统采用一 位数码管显示，显示直观、准确。
此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省 电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中 断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片 其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和 PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89C51单片机的基本 结构和外部引脚如图2.1所示 。
为此，在现有市场多功能电风扇的基础上，我们提出了一种新型的 智能电风扇。该风扇功能更多，添加了很多人性化的设计，如安全保 护，倾倒保护，智能照明等，使电风扇更加人性化。可实现：多级调速 功能，即提供更多的风力级别和风型，提高用户的舒适度；定时工作功 能，即该定时功能可以让用户自己定制风扇工作时间的长短，以提供更 人性化的服务。
图4.1 波形及其仿真图
第五章 结论
通过本次设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识，也使我深 刻体会到单片机技术应用领域的广泛。不仅让我对学过的单片机知识有 了很多的巩固，同时也对单片机这一门课程产生更大的兴趣。在本次设 计过程中，我学会了在网络上查找有关设计的个硬件的资源，其中包 括：直流电机PWM调速·AT89C51的脚图的资料。本系统是以单片机 AT89C51芯片为核心部件，实现了电风扇系统控制功能，在软件上是花 费时间最多的，我们上网找资料，上图书馆，尽可能的了解有关于电风 扇的知识。通过这次设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析 和解决问题全面系统的锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系 统开发过程，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一 大步。
第四章 调试与仿真 8 4.1 软件仿真 8 4.2 仿真运行 8
第五章 结论 9
参考文献 10
附 录 11
引言
许多边缘、交叉学科的发展促进了现代科学技术的进步，尤其是对 机电一体化、自动控制、计算机技术以及光电通信技术等科学领域的意 义更是非同一般。本文设计的智能电风扇正是以上交叉学科的有机结合 体。它的独特之处在于巧妙的采用了红外遥控技术、单片机控制技术， 把智能控制技术用于家用电器的控制中,通过主控单片机AT89C51对电风 扇实施智能控制。
在设计的过程中，不断的学习，思考和同学间的相互讨论，运用科 学的分析问题的方法解决遇到的困难，掌握单片机系统一般的开发流 程，学会对常见问题的处理方法，积累设计系统的经验，充分发挥教学 与实践的结合。全能提高个人系统开发的综合能力，开拓了思维，为今
后能在相应工作岗位上的工作打下了坚实的基础。不但加深我对在课程 上所学到的单片机理论知识的认识和理解，重新让自己认识到了这门学 科的在应用方面的广阔前景，并且通过知识与应用于实践的结合更加丰 富了自己的知识。扩展了知识面，不但掌握了本专业的相关知识，而且 对其他专业的知识也有所了解，而且较系统的掌握单片机应用系统的开 发过程，因而自身的综合素质有了全面的提高。经过这次一个较完整的 产品设计和制作过程，对于认识到自己在知识方面存在的不足，明确今 后的学习方向是非常有益的，为将来的的就业提前打了下坚实的基础。 的初期阶段，难度很大，没有头绪。通过求助老师，理清思路。同时， 在图书馆里、网上查阅资料，攻克设计中的道道难题。在克服困难的过 程中，我学到了许多，特别是在课堂上学不到的东西。总的感受有以下 几方面：
图3.3 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 N
PWM输出 结束
N N Y Y Y
图3.4 定时器T1中断图
第四章 调试与仿真
4.1 软件仿真
图2.3 复位电路
2.3.2 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，如图 2.4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2.4所 示。
3.2 占空比
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3.1所示。
1.3 设计方案特点
初始加电时，电风扇不加电，一位数码显示器显示0，只有按下按
钮电路就将按系统默认控制负载定时工作的时间方式自动开始运行。在 进行风速调节过程中，系统采用一位数码管显示，显示直观、准确。
第二章 系统主要硬件设计
2.1 AT89C51单片机简介
AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存 储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标 准MCS-51指令系统及89C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器 和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51可为许多嵌入 式控制应用系统提供高性价比的解决方案.AT89C51具有如下特点：40个 引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存 储器，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套 中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振 荡器。
2.3.3 显示模块
图2.4 时钟电路
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2.5所示。