基于单片机的电风扇温度控制设计

基于单片机的电风扇温度控制设计内容摘要：

、可控硅触发控制电路、振荡、电源电路组成。 温控电风扇 的 结构框图 如图 所示。 图 21 温控电风扇的结构框图 稳 压 器 电源电路 步进电机 AT89C51 单片机 D/A 转换器 震荡 热释电红外传感器 温 度 传 感 器 PWM 脉宽调制电路 D/A 转换 器 D/A 转换 器 显示电路 键盘 数据及程序存储器 时钟及复位电路 4 温 控电风扇流程图 图 22 温控电风扇流程图 电风扇开始时回处于待机状态，当有人进入电风扇感知范围时，电风扇 会自动判断是否有人进入，进而设定温度，通过热继电器的感知判断温度是否达到了设定数值，若达到就会自动启动 PWM 电路，进而启动步进电机，开始工作。 若人 离开，电风扇会自动处于待机状态，但一旦有人进入，就 会自动进入上述 状态开始循环启动。 开始 是否设定温度 ? 启动步进电机 是否达到设定温度 ? 是否有人 ? 启动 PWM 电路 待机 Y Y Y N N N 5 步进电机 主要元件 工作原理简介 步进电机原理简介 步进电机和普通电动机不同之处是步进电机接受脉冲信号的控制。 步进电机靠一种叫环形分配器的电子开关器件 ，通过功率放大器使励磁绕 阻 按照顺序轮流接通直流电源。 由于励磁绕 阻 在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会 在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子步进式的转动，随着脉冲频率的增高，转速就会增大。 步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。 其中反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相 励磁绕 阻 ，利用磁导的变化产生转矩。 现阶段，反应式步进电机获得最多的应用。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变 化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。 使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。 它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 步进电机的主要特性 有 ： (1) 步进电机必须加驱动才可以运转，驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。 转动的速度 和脉冲的频率成正比。 (2) 腾龙版步进电机的步进角度为 度，一圈 360 度，需要 48 个脉冲完成。 (3) 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。 (4) 改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。 如图 所示步进电机的工作原理 ： 6 图 23 步进电机的工作原理 步进电机的控制方式 如果 通过单片机按顺序给绕组 施加有序的脉冲电流，就可以控制电机的转动，从而实现数字角度的转换。 转动的角度大小与施加的脉冲数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比，而转动方向则与脉冲的顺序有关。 以三相步进电机为例，电流脉冲的施加共有三种方式。 如图 所示。 图 24 用单片机控制步进电机原理系统图 PWM 脉宽调制原理 脉宽调制（ PWM） 控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。 也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 单 片 机 接 口 驱 动 器 步 进 电 机 负 载 7 它利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效 的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换 的许多领域中。 简而言之， PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。 这三种 PWM 输出编码的分别是强度为满度值 的 10%、 50%和 90%的三种不同模拟信号值。 对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。 从模拟信号转向 PWM可以极大地延长通信距离。 步进电机调速是通过 频率发生器发出运算速度， PWM 脉宽 调制运算并分配给各轴（分电机） ， 频率 就会 是基本固定的 ， 非直线复合运动时，各轴脉宽不一样。 如图 所示 PWM脉宽调制原理。 图 25 PWM 脉宽调制原理 传感器主要元件工作原理简介 热释电传感器原理 热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。 它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有 ΔT的变化时， 热释电效应会在两个电极上会产生电荷 ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。 由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。 热释电效应所产生的电荷 ΔQ 会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时， ΔT=0，传感器无输出。 当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生 ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这 8 种传感器能检测人体或者动物的活动。 温度传感器的原理 温度传感器的基本原理是由 热电偶传感器 演变而来， 主要按照热电效应来工作。 将 两种不同的导体 A 和 B 连接起来，组成一个闭合回路，即构成感温元件。 当导体 A和 B 的两个接点 1 和 2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象即称为热电效应，也叫温差电效应。 热电偶就是利用这一效应进行工作的。 热电偶的一端是将 A、 B 两种导体焊接在一起，称为工作端，置于温度为 t 的被测介质中。 另一端称为参比端或自由端，放于温度为 t0 的恒定温度下。 当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入计算机进行处理，即可得到温度值。 本文采用的 DS18B20 温度传感器，如图 所示 ： 图 26 DS18B20 温度传感器 引脚图 9 3 温控电风扇控制系统 温控电风扇的控制电路 AT89C51 单片机简介 对于单片机中央处理系统的方案设计，根据要求，我们可以选用具有 AT89C51 单片机作为中央处理器。 作为整个控制系统的核心， AT89C51 内部已包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整个控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统。 整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高。 是比较合适的方案。 AT89C51 单片机 还 有一个突出的优点是它具有低功耗的待机模式，当电风扇处于待机模式时，它可以工作在低功耗的待机模式下，降低系统的功耗。 (1) AT89C51 单片机 的性能特点和芯片引脚图 AT89C51 单片机，采用双列直插封装（ DIP），有 40 个引脚。 该单片机采用 Atmel公司的高密度非易失性存储技 术制造，与美国 Intel公司生产的 MCS—51 系列单片机的指令和引脚设置兼容。 其主要特征如下： 1) 8 位 CPU 2) 内置 4K 字节可重复编程 Flash，可重复擦写 1000 次 3） 完全定态操作： 0Hz~24Hz，可输出时钟信号 4） 128 4 字节 的片内数据存储器 5） 32 根可编程 I/O 线 6） 2 个 16 位定时 /计数器 7） 中断系统有 6 个中断源，可编为两个优先级 8） 一个全双工可编程串行通道 9） 具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式 值得注意的是， P0、 P P P3 口作为普通 I/O 口使用时都是准双向口结构 ，其输入操作和输出操作本质不同，输入操作是读引脚状态，输出是对锁存器的写入操作。 当内部总线给口锁存器置 0 或 1 时，锁存器中的 0、 1 状态立即反映到引脚上。 但在输入操作时，如果锁存器状态为 0 引脚被钳位 0 状态，导致无法读出引脚的高电平输入。 因此，准双向口作为输入口时，应先使锁存器置 1（称之为置输入方式）。 然后，再读引 10 脚，例如：要将 P1 口的状态读入到累加器 A 中，应执行以下两条指令： MOV P1， 0FFH ； P1 口置入方式 MOV A， P1 ；读 P1 口引脚状态到 A 另外， I/O 口的端口自动识别功能，保证了无论是 P1 口（低 8 位地址） P2 口（高 8位地址）的总线复用，还是 P3 口的功能复用，内部资源自动选择而不需要用指令进行状态选择。 近年来，随着计算机技术的发展，单片机的功能越来越强大。 由于单片机的寿命长、速度快、低功耗、低噪声、可靠性高的特点及 16 位、 32 位单片机的出现，在工业领域仍具有很大的发展潜力 ， AT89C51 引脚如图 所示。 图 31 AT89C51 引脚图 (2) 复位 在振荡器工作时将 RST脚保持至少两个机器周期高电平 12 时钟模式为 24 个振荡器周期 6，时钟模式为 12 振荡器周期可实现复位为了 保证上电复位的可靠， RST 保持高电平的时间至少为振荡器启动时间（通常为几个毫秒）再加上两个机器周期。 复位后，振荡器以 12 时钟模式运行当已通过并行编程器设置为 6 时钟模式时除外。 (3) 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 为输入和输出，可分别作为一个反相放大器的输入和输出。 此管脚可配置为使用内部振荡器。 要使用外部时钟源驱动器件时 ， XTAL2 可以不连接而 11 由 XTAL1 驱动。 外部时钟信号无占空比的要求，因为时钟通过触发器二分频输入到内部时钟电路。 但高低电平的最长和最短时间必须符合手册的规定。 (4) 定时器 0 和 1 的操作 定时和计数功能由特殊功能寄存器 TMOD 的控制位进行选择。 这两个定时 /计数器有 4 种操作模式，通过 TMOD 的 M1 和 M0 选择。 两个定时 /计数器的模式 0、 1和 2都相同模式 3 不同。 本文 采用 MAXIM 公司 DS1302 低功耗实时时钟新片为本系统提供时间，它可以对年，月，日，周，时，分，秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。 DS1302 可。