【文章內容簡介】 1111 1100 1001 0000 FC90H黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 10 頁 3 硬件電路及系統(tǒng)原理分析 系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)總體設計圖如圖 所示。圖 系統(tǒng)總體設計結構圖本系統(tǒng)是以單片機為核心，由數(shù)字溫度傳感器 DS18B溫度、檔位顯示、電機調速電路和蜂鳴器報警電路組成。通過鍵盤可以控制系統(tǒng)為幾個不同的工作狀態(tài)，休眠狀態(tài)、自動檔以及手動的幾個檔位進行工作。對于單片機中央處理系統(tǒng)的方案設計，根據(jù)要求，我們可以選用具有 4KB 片內E2PROM 的 AT89C51 單片機作為中央處理器作為整個控制系統(tǒng)的核心，AT89C51 內部已包含了定時器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等硬件，其硬件能符合整個控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲器芯片和定時器件，方便地構成一個最小系統(tǒng) [8]。整個系統(tǒng)結構緊湊，抗干擾能力強，性價比高。 功能描述傳統(tǒng)電風扇供電采用的是 220V 交流電，電機轉速分為幾個檔位，通過人工手動調整電機轉速達到改變風速的目的，亦即，每改變一次風力，必然有人參與操作，這樣就會帶來諸多不便 [9]。 電機調速 AT89C51鍵盤功能輸入溫度、檔位顯示 數(shù)字溫度傳感器 蜂鳴器黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 11 頁 ABCDEFGDPL1L2L3L4ABCDEFGL5ABCDEFGDPL1L2L3L4L1L2L3L4L5DP L5XTAL218XTAL119 ALE30EA31PSEN29RST90391382373364355346373202324225326427D10D1T012T1131417U1 89C51DQ2VC3 GND1U2 DS18B20R110k210kR310k410kR510k610kR710k810k32U3:A409ZeroCrosing1 26 4U4 MOC3031MU5L208L6R910kR1010kC11nF R110kR1210kV1VSINE234567891RP1RESPACK8R1330R1430R1530R1630R1730U7AND_5Q1PN2907BUZ1BUZERGNDR2510停止 1檔 2檔 3檔 自動風扇檔位顯示溫度顯示或者報警顯示Y1CRYSTALC130pF C230pF R351k R2610kC310uFK1RSTVCGND模擬電機黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 12 頁 圖 系統(tǒng)總體原理圖本設計是以 AT89C51 單片機控制中心，主要通過提取溫度傳感器 DS18B20 得到的溫度以及內部定時器設定時間長短來控制電風扇的開關及轉速的變化。電風扇可工作在兩種狀態(tài)：手動調速狀態(tài)、自動調速狀態(tài)。手動狀態(tài)時可以手動調節(jié)速度；自動狀態(tài)時通過溫度高低自動調節(jié)速度：“溫度高，轉速快；溫度低，轉速慢” ；本設計主要介紹根據(jù)溫度傳感器 DS18B20 所采集的溫度來實現(xiàn)自動調速。在接通電源之后，CPU 處于休眠狀態(tài)，當用戶選擇了相應的按鍵即擋位（自動擋、1 擋、2 擋、3 擋）之后，風扇就進入了相應的工作狀態(tài)。本風扇系統(tǒng)的自動檔是通過數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 測量環(huán)境溫度，在測量完溫度之后，通過 LED 數(shù)碼管顯示出實時溫度，第四位顯示的是當前溫度的警告信息 [10]。C 標識溫度不是很高（30 度以下） ，處于 1 擋進行工作；E 標識溫度稍高一點（ 30~35 度之間） ，用 2 擋工作，風扇轉速快一點，降溫快；F 標識溫度很高（ 37 度以上） ，應該讓風扇處于最快的轉速，以快速的降低溫度。還有一位數(shù)碼管是單獨的顯示檔位的。系統(tǒng)總體電路圖如圖 所示。 單片機最小系統(tǒng)電路在設計的溫度控制系統(tǒng)設計中，控制核心是 STC89C52 單片機，該單片機為 51 系列增強型 8 位單片機，它有 32 個 I/O 口，片內含 4K FLASH 工藝的程序存儲器，便于用電的方式瞬間擦除和改寫，而且價格便宜，其外部晶振為 12MHz，一個指令周期為1μS [11]。使用該單片機完全可以完成設計任務，其最小系統(tǒng)主要包括：復位電路、震蕩電路以及存儲器選擇模式（EA 腳的高低電平選擇） ，電路如下圖 所示。XTAL218XTAL119ALE30 EA31 PSEN29RST9 U180C51R620C11uFR7X1CRYSTALC21nFC31nF黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 13 頁 圖 單片機最小系統(tǒng) 鍵盤控制電路單片機系統(tǒng)中完成控制參數(shù)輸入及修改的基本輸入設備，是人工干預系統(tǒng)的重要手段 [12]。按編碼方式可分為編碼鍵盤與非編碼鍵盤。按鍵組連接方式可分為獨立連接式鍵盤與矩陣連接式鍵盤。獨立鍵盤：每鍵相互獨立，各自與一條 I/O 線相連，CPU 可直接讀取該 I/O 線的高/低電平狀態(tài)。其優(yōu)點是硬件、軟件結構簡單，判鍵速度快，使用方便；缺點是占I/O 口線多。多用于設置控制鍵、功能鍵。適用于鍵數(shù)少的場合。矩陣鍵盤：鍵按矩陣排列，各鍵處于矩陣行/列的結點處， CPU 通過對連在行(列)的 I/O 線送已知電平的信號，然后讀取列(行)線的狀態(tài)信息。逐線掃描,得出鍵碼。其特點是鍵多時占用 I/O 口線少，硬件資源利用合理，但判鍵速度慢。多用于設置數(shù)字鍵，適用于鍵數(shù)多的場合。鑒于以上獨立鍵盤和矩陣鍵盤的特點，本系統(tǒng)使用按鍵較少，對按鍵的速度要求不是很高，因此我們選擇獨立鍵盤作為本系統(tǒng)的輸入部分。如圖 所示。圖 鍵盤控制電路黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 14 頁 數(shù)碼管顯示電路動態(tài)顯示的特點是將所有位數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，由位選線控制是哪一位數(shù)碼管有效。選亮數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示。所謂動態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺暫留作用，使人的感覺好像各位數(shù)碼管同時都在顯示。動態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時應略小于靜態(tài)顯示電路中的。 本設計一共用 5 個數(shù)碼管顯示：即前 3 個顯示溫度，第 4 個顯示溫度單位 C，第5 個顯示檔位。通過單片機的 P1 口控制數(shù)碼管的段選信號，用 P2 口的 到 控制數(shù)碼管的位選 [13]。通過 DS18B20 采集溫度信號，并作為單片機的輸入信號，根據(jù)輸入信號的不同，通過不同的軟件程序產(chǎn)生相應的輸出信號來控制數(shù)碼管的顯示。數(shù)碼管顯示電路如圖 所示。圖 數(shù)碼管顯示電路黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 15 頁 電機調速電路電機調速是整個控制裝置中的一個相當重要的方面。通過控制改變雙向可控硅的導通角，使輸出端電壓發(fā)生改變，從而使施加在電風扇的輸入電壓發(fā)生改變，以調節(jié)風扇的轉速，實現(xiàn)各檔位風速的無級調速。 電機調速原理雙向可控硅的導通條件如下：(1）陽 陰極間加正向電壓；(2）控制極 陰極間加正向觸發(fā)電壓；(3）陽極電流 IA 大于可控硅的最小維持電流 IH。電風扇的風速從高到低設為 1 檔，每檔風速都有一個限定值。在額定電壓、額定功率下，以最高轉速運轉時，要求風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V=πDn103 （1）式（1）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 為電風扇的最高轉速(r/min) 。代入數(shù)據(jù)求得 n3≤1555r/min,取 n3=1250 r/：%701???最 高 調 速 檔 的 轉 速最 低 調 速 檔 的 轉 速調 速 比取 n1=875r/min。則可得出五個檔位的轉速值：n1=1063r/min，n2=1150 r/min，n3=1250r/min又由于負載上電壓的有效值u0=u1 （2）??????????2sin式（2）中，u1 為輸入交流電壓的有效值，α 為控制角。解得：當 α3=0 176。時， t=0ms；黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 16 頁 當 α2=176。 時，t=；當 α1=176。 時，t=；上述計算出的是控制角和觸發(fā)時間，當檢測到過零點時，按照所求得的觸發(fā)時間延時發(fā)脈沖，便可實現(xiàn)預期轉速 [14]。 電機控制模塊設計本模塊電路中采用了過零雙向可控硅型光耦 MOC3041M ,集光電隔離、過零檢測、過零觸發(fā)等功能于一身,避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷, 簡化了輸出通道隔離 2 驅動電路的結構。所設計的可控硅觸發(fā)電路原理圖見圖 。其中 RL即為電機負載，其工作原理是:單片機響應用戶的參數(shù)設置 , 在 I/ O 口輸出一個高電平, 經(jīng)反向器反向后, 送出一個低電平,使光電耦合器導通 , 同時觸發(fā)雙向可控硅, 使工作電路導通工作。給定時間內,負載得到的功率為: (3)UINnP?式中: P 為負載得到的功率（ kW）。 n 為給定時間內可控硅導通的正弦波個數(shù)。 N 為給定時間內交流正弦波的總個數(shù)。 U 為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電壓有效值（V）。 I 為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電流有效值（A） [15]。由式(3) 可知,當 U , I , N 為定值時, 只要改變 n 值的大小即可控制功率的輸出,從而達到調節(jié)電機轉速的目的。風扇電機控制電路如圖 所示。L5XTAL218XTAL119ALE30 EA31 PSEN29RST9 U180C51 VC3 GND1U2DS18B203 2U3:A409 ZeroCrosing1264U4MOC3031MU5L208L6R910kR1010k C11nFR110kR1210kV1VSINEU6AND_4圖 風扇電機控制電路黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 17 頁 報警電路蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、復印機、報警器、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場來驅動振動膜發(fā)聲的，需要一定的電流才能驅動它，單片機 IO 引腳輸出的電流較小，輸出的 TTL 電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路 [16]。S51 增強型單片機實驗板通過一個三極管 C8550 來放大驅動蜂鳴器。蜂鳴器的正極接到 VCC（＋ 5V）電源上面，蜂鳴器的負極接到三極管的發(fā)射極E，三極管的基級 B 經(jīng)過限流電阻 R1 后由單片機的 引腳控制，當 輸出高電平時，三極管截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當 輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，結合電路我們可以通過程序控制 腳的電平來使它發(fā)出聲音和關閉 [17]。 程序中改變單片機 引腳輸出波形的頻率，就可以調整控制蜂鳴器音調，產(chǎn)生各種不同音色、音調的聲音。蜂鳴器的報警電路如圖 所示。圖 蜂鳴器報警電路黃 河 科 技 學 院 畢 業(yè) 論 文 第 18 頁 4 控制器軟件設計本系統(tǒng)的運行程序采用 C 語言編寫，采用模塊化設計，整體程序由主程序和顯示、鍵盤掃描、紅外線接收以及電機控制等子程序模塊組成。 主程序在主程序進行初始化后，開始反復檢測各模塊相關部分的緩沖區(qū)的標志，如果緩沖區(qū)置位，說明相應的數(shù)據(jù)需要處理，然后主程序調用相應的處理子模塊。如圖 所示。圖 主程序模塊流程圖黃 河 科 技 學 院 畢