1、 本科 毕业设计 基于单片机的风扇速度控制设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 随着现代科学技术的发展，特别是大规模集成电路的产生，单片机技术日渐成熟。它以其独特的结构和性能，渗透到我们生产和生活中， 广泛应用于工业 控制、智能化仪器，家用电器，甚至电子玩具等各个领域 ，使人们的生活得到了明显的改变。 51 系列单片机是各类单片机中最典型，而且最具有代表性的单片机。它内部具有丰富的硬件资源，得到了广泛的应用。 本文研究的目的是应用单片机对小功率直流电机进行速度控制，从而 实现风扇速度控制的智能化。该系统由遥控发射器和遥控接收器
2、 2 个模块组成。遥控发射器使用 AT89C2051 单片机对电风扇进行远距离红外线遥控，根据按下不同的功能按键发出相应的脉冲信号。遥控接收器通过 STC12C5A60S2 单片机 接收脉冲信号，做出相应的操作，来控制小 功率直流电动机的转速，并且在 LED 显示器上显示当前的档位。本系统还具有定时功能，能够对于风扇进行15 分钟、 30 分钟、 45 分钟和 60 分钟的定时，并且定时时间也会在 LED 显示器上显示。 单片机的 P1.3 口采用 PWM 脉宽调制，改变电动机电枢端的电压，从而达到转速控制的目的。 通过本次设计，能够远距离控制风扇的快、中、慢速度档位，而且能够显示档位和定时时
3、间。让使用者操作起来更加简单、方便。 关键词： 51 单片机；红外线遥控； PWM控制；速度控制 II Abstract With the development of modern scientific technology, in particular the generation of large scale integrated circuit, MCU technology is development matures. With its unique structure and properties, MCU penetrate into our production and li
4、ves, and it is widely used in industrial control, Intelligence Instrument, household appliances, even in electronic toys and other field. Peoples lives have been significantly changed. MCU-51 is the most typical and the most representative of the microcontroller. It has been widely used with its Pow
5、erful hardware resources The purpose of this project is controlling the speed of the small power DC motor by using MCU, in order to achieve the speed intelligent control of the electric fans. This system is composed two modules: the remote transmitter and remote receiver. AT89C2051 is used to the el
6、ectric fan for infrared remote control. MCU according to the different feature button been pressed, sends the corresponding pulse signals. Then remote infrared receiver receives and restores the pulse signals. Finally STC12C5A60S2 according to the pulse signals been received, makes the corresponding
7、 action to control the speed of DC motor and shows the current gear on LED digital tube. This fan also has a Timing feature for 15 minutes, 30 minutes， 45minutes and 60 minutes timing, the timing will be shown on the LED digital tube. P1.3 port of MCU will send the PWM square wave signal, changing t
8、he armature terminal voltage of the motor to achieve the purpose on speed control. Through this design, we can remote control the fast, medium and slow speed stall and show the stall and the timing. User can operate simpler and more convenient. Keywords: MCU-51; infrared remote control; PWM control;
9、 speed control III 目录 前言 . 1 第 1 章 绪论 . 2 1.1 课题背景 . 2 1.2 课题现状 . 2 1.2.1 单片机的发展概况 . 2 1.2.2 电动机的发展 . 3 1.3 直流电机调速原理 . 3 1.4 软件编程环境 . 4 第 2 章 系统的总体设计 . 5 第 3 章 遥控发射器的设计 . 8 3.1 遥控发射器的设计原理及编码方式 . 8 3.2 遥控发射器硬件电路的设计 . 8 3.2.1 按键部分设计 . 9 3.2.2 发射部分设计 . 10 3.3 风扇遥控器的软件设计 . 11 第 4 章 遥控接收器设计 . 14 4.1 遥控接收
10、器原理 . 14 4.2 红外线接收器硬件电路的设计 . 14 4.2.1 红外线接收部分 . 15 4.2.2 LED 显示部分的设计 . 15 4.2.3 风扇速度控制部分设计 . 17 4.2.4 单片机电源的设计 . 18 4.3 风扇调速的软件设计 . 19 小结 . 21 致谢 .错误 !未定义书签。 参考文献 . 22 附录 1 . 23 附录 2 . 28 1 前言 随着现代科学技术的发展，微型计算机已经广泛应用到人们的日常工作和生活领域中。单片机作为微型计算机中的一个重要分支，它的发展极为迅速，以其体积小、功能多、价格低廉、系统设计灵活、使用方便等独特的结构和性能，渗透到人们
11、的生产和生活中，并广泛应用于工业控制、智能化 仪器、家用电器甚至电子玩具等各个领域。尤其是工业控制、智能化仪器仪表、家用电器方面，产生了极大的影响。单片机有着其广阔的发展空间和社会价值，研究单片机、学习单片机，是社会发展的必然趋势，也是我们当代电气系大学生学习的重要课程之一。 目前远程遥控控制技术也日渐成熟，形形色色的遥控器的出现给人们带来了极大的方便。本设计把远程红外线遥控结合到单片机中，制作一种简单的遥控器，用于发射不同的输出信号，来控制小型直流电动机的转速，从而达到风扇速度控制智能化的目的。 2 第 1 章 绪论 1.1 课题背景 随着单片机技术的发展和深入，目前工业上对电机的调速不再是
12、原有的模拟调速，而是向数字调速发展，通过利用单片机的控制，能使系统具有控制精度高、受环境影响小、成本低廉等优点。目前传统的家用电风扇虽然具有档位调速功能，但是档位控制开关通常连接在风扇机座，当要调节不同档位的时候，人要走到风扇前调节档位开关，而不能进行远距离调节控制，使用起来很不方便。本文通过用单片机制作的红外线电器遥控器，使用 PWM 调速，对直流电动机进行远距离快、中、慢三个档位的速度控制，并且具有显示功能和定 时风扇开启时间的功能。 1.2 课题现状 1.2.1 单片机的发展概况 在单片机诞生的 30 余年里，以其独特的性能和特点得到了迅猛的发展。大致上单片机的发展可以分为 3 个阶段。
13、 第一阶段（ 1974 年 1978 年）：单片机的初级阶段。 Intel 公司推出的 8 位 MCS-48 系列单片机，具有体积小，价格低，功能齐全的特性得到了广泛的应用，并为单片机的发展奠定的基础。在单片机的发展道路上， Intel 公司功不可没。 第二阶段（ 1978 年 1982 年）：单片机的发展阶段。随着单片机的广泛应用，各生产厂家和公司不断改进单片机的 结构和功能，使其不仅具有串行接口，多级中断控制系统，而且片内 RAM、 ROM 容量大大增加，寻址范围可达 64KB。其中最典型的是 Intel 公司推出的 MCS-51系列单片机，该系列具有集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功
14、耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点，直到现在还有广泛的用途。 第三阶段（ 1982 年至今）：高性能单片机的发展阶段。随着大规模集成电路技术的发展，人们对单片机的性能要求越来越高，在不断完善和提高 8 位单片机的性能的同时，许多公司还推出了 16 位、 32 位单片机和一些专用单片机，包括 Intel 公司推出的 MCS-96/196 系列，Rockwell 公司的 6501、 6502，日立公司的 H8/3048 系列等。 目前，单片机的种类和性能日新月异，单片机发展会 向着低功耗 CMOS 化、高性能、大容量等方向发展。 低功耗 CMOS 化：现在单片机基本上采用 CMOS 工艺，不仅使
15、集成度大大提高，具有低功耗的优点，而且产品具有可靠性，抗干扰能力大。为进一步降低功耗，很多单片机具有多种低功耗工作方式，功耗普遍在 100mW 左右。例如 TI 公司的 MSP430 系列单片机，设置了等待、停止和睡眠三种低功耗工作方式。许多生产厂家还对单片机工作电 压范围加宽，一般可在 3 6V 环境下工作，使单片机更适合在电池供电场合，便于携带。 目前 0.8V 供电的单片机已经问世。 高性能化：随着 CPU 字长的增加和时钟频率的提高， CPU 处理数据的能力和运算速度得到大大地提高。有些单片机为了提高执行指令速度，采用精简指令集和流水线技术，并3 且强化了位处理、中断和定时控制功能，大
16、幅度提高了运算速度。现在的单片机在接口上也有很大的发展，有些单片机可以直接驱动 LED 数码管；有些单片机 I/O 口可以直接输出大电流和高电压等，大大提高了单片机的性能。 大容量化：起初的单片机 RAM 一 般为 64 128B， ROM 也在 1 2KB，目前的单片机RAM 最大可以达到 2KB， ROM 最大可以达到 64KB。新型的单片机片内也采用快速闪存技术，能够在线编程。 1.2.2 电动机的发展 电动机是将电能转换成机械能的机电装置。 1821 年英国科学家法拉第首先提出电动机原理。 1834 年，德国的雅可比第一个发明了直流电动机。 1879 年，西门子公司用直流电动机驱动电车
17、。 1888 年发明家特斯拉发明了交流电动机。 1902 年瑞典 的 工程师丹尼尔森首先提出同步电动机构想。 至今为止，电动机发展迅速，电机理论、设计及制造工艺得到逐步 的完善和提高，广泛应用与现代的各种机械生产领域。如在机械制造工业、轻重型制造工业、运输行业、农业生产等各个领域，电动机以不同的种类和功能发挥着重要的作用。可以这么说，电动机的出现使社会生产力大大提高，促进了社会的发展。 随着现代化工业的发展，人们对电动机的要求也越来越高，比如要求电动机在电力拖动中的启动、制动、调速、正反转方面具有更加快速的响应，更加精确的速度调节，更加效率的电 -机能量转换及更加灵活的控制方式。目前，随着电力
18、电子技术和计算机技术的发展，电力拖动在向着计算机控制自动化的方向迈进，许多企业的生产 过程逐步向半自动化和自动化方向发展，许多工厂已经出现大批的自动生产线。 1.3 直流电机调速原理 直流电动机的转速特性可以根据以下几个有关方程式和计算公式得到： )( RRIUE aaa （ 1-1） RIUU aa （ 1-2） nCE ea （ 1-3） 式中 aU 电枢的端电压，如忽略电枢电阻压降 aaRI ，则 )( aa CUn （ 1-4） 由式（ 1-4）可知，可以通过改变励磁磁通 或电枢端电压 aU 来改变电动机的转速 n 。 随着电子技术的高速发展 ,直流电机调速方式逐步从模拟化向数字化方向
19、转变，特别是单片机技术得到广泛的应用 ,使直流电机调速技术进入到一个新的阶段 ,智能化、高可靠性、操作简便已成为它的发展趋势。 改变电枢电压可通过多种途径实现 ,如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控制系 统 、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系统等。在驱动电 机控制的系统中 ,如果按一个固定的频率来接通和断开电源 ,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。即通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小 ,从而控制电动机的转速。 PWM 就是通过控制固定电压的直流电源开关的频率，从而改变负载两端的电压 ,进而达到控制要求的一种电压调整方法。因此
20、PWM 又被成为“开关驱动装置”。 本次设计采用 PWM 控制技术是一种比较简单且应用广泛的调速方法。而且很容易在单片机控制系统中得以实现。在 PWM 调速系统中，电源电压 dU 一定，通过改变电枢端电压的平均值，即改变占空比，从而达到调速控制的目的。在冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有4 惯性的环节上时，其效果基本相同。假设电机的最大转速为 maxV ，占空比为 D，平均转速为 dV ，则 DVV mand （ 1-5） 平均速度 dV 和 占空比并不是严格的线形关系，但是在一般应用中可将其近似看成线形关系。利用微处理器的数字输出不同占空比的 PWM 信号，转变成不同的电压驱动电动机得到不同
21、的转速。这种调速方式具有动态性能良好、开关频率高、运行稳定等优点。 1.4 软件编程环境 汇编语言是一种面向机器的低级语言，是最早应用于单片机开发编程的程序语言。汇编语言具有执行速度快、代码短小精悍、执行周期明确的特点，但是汇编语言代码 冗长单调 、调试困难 ，而且 可读性差，移植性差 。随着电子技术的发展，汇编语言逐渐被 C 语言所代替。 C 语言是一种功能十分强大的程序设计语 言，在 1972 年由美国贝尔实验室的 Dennis Ritchie 开发出来，是目前应用最广泛，最受编程人员喜爱的程序设计语言之一。许多著名的系统软件都是由 C 语言编译的。 C 语言语言功能齐全。有完善的数据类型
22、、运算符及函数，能够对各种复杂数据结构进行运算，并且 语法限制不太严格，程序设计 使用起来灵活方便。 C 语言是结构化的语言，如if else、 while、 for 等语句，让程序设计起来有层次性，方便调试和修改。 C 语言还可以直接对硬件进行操作，而且可移植性高，适合编写系统软件。基于以上 C 语言的优点，本次设计的软件编程环 境就是采用 C 语言编程。 5 第 2 章 系统的总体设计 本次设计主要由 2 个模块组成，一个模块是遥控发射器部分，一块是遥控接收器部分，共同完成对风扇速度控制的目的。遥控发射部分器主要用到了 AT89C2051 单片机。单片机根据不同的按键控制红外线发射器发出不
23、同的脉冲信号。遥控接收部分就是采用一体化红外线接收器将遥控发射部分发射出来的脉冲信进行接收、还原，然后利用 STC12C5A60S2 单片机，根据接收到的不同脉冲信号转至相应的控制程序，单片机发出 PWM 信号到电机驱动电路 ，控制小型直流电动机的速度，从而达到风扇速度控制的目的。单片机还会在 LED 数码显示器上显示当前电动机的速度档位和定时的时间。总体设计的模块图如图 2.1 所示。 图 2.1 风扇速度控制的总体设计框架 遥控发射器模块主要由 8 个功能按键、 AT89C2051 单片机和红外线发射电路等组成。利用 AT89C2051 单片机的 P1 口接按键开关得到不同的高低电平信号，
24、经过编程操作，由 P3.5口接红外线发射电路，发射出不同的脉冲信号。遥控接收器模块主要由红外线接受器，STC125C5A60S2 单片机、 7446 编码器、 LED 数码管和电动机驱动电路等组成。 STC125C5A60S2单片机把接收到的红外线脉冲信号经过放大、还原、判断，转至相应的控制程序，一方面由P1.3 口输出相应 PWM 信号，另一方面通过 7446 译码器在 LED 显示器上显示当前的档位和定时的时间。 6 下面对将用到的两种单片机芯片和一种译码器做简单的介绍。 图 2.2 AT89C2051 引脚 表 2.1 AT89C2051 各引脚功能 表 2.2 P3 口功能的第二功能
25、端口引脚 第二功能 0.3P 串行输 入口 1.3P 串行输出口 2.3P 外部中断 0 输入线 3.3P 外部中断 1 输入线 4.3P 定时器 0 外部输入 5.3P 定时器 1 外部输入 6.3P 外部数据存储写选通信号输出 7.3P 外部数据存储读选通信号输出 AT89C2051 单片机 属于 51 系列单片 机 ， 它 是 51 单片机的简化版。 片 内自带 2KB 可编程引脚 功能 VCC 电源电压 GND 接地 RST 复位引脚。当 RST 变为高电平 并保持 2 个机器周期时，所有 I/O 引脚复位至“ 1” XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2
26、 反向振荡放大器的输出 P1.2 P1.7 内部提供上拉的双向 I/O 口，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流 P1.0 和 P1.1 需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入和反向输入 P3.0 P3.5 与P3.7 带内部上拉的双向 I/0 引脚。具有第二功能 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20 19 18 17 16 15 14 13 11 12 VCC P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0 P3.7 RST/VPP （ RXD） P3.0 （ TXD） P3.1 XTAL2 （ T0） P3.4 XTAL1 （ 0INT ） P3.2 （ 1INT ） P3.3 （ T1） P3.5 GND
