智能红外遥控电风扇设计.docx
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智能红外遥控电风扇设计.docx
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智能红外遥控电风扇设计
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华北水利水电大学
NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower
毕业设计
题目智能红外遥控电风扇设计
学院
专业
姓名
学号
指导教师
完成时间
教务处制
摘要
在激烈的市场竞争下,虽然电风扇具有广阔的市场空间,但不断新生产品的出现,要使产品更具市场优势,仅仅是靠传统型的电风扇是远远不够的,因此要对传统的电风扇根据市场的需要进行不断的更新,不断的改进,以使自己的产品立于不败之地。
本文介绍了一种基于STC89C51单片机的智能红外遥控电风扇系统的设计,就是对传统的电风扇进行改造,使其更人性化,操作更方便,用着更舒心。
本系统以STC89C51单片机为核心,集成了温度采集,红外遥控,PWM无极调速等多项技术,完美的设计出了一个实用性极强的,可以用红外线远程控制的,调整人体周围环境温度变化的可感系统。
温度自动调整主要是利用温度传感器电路,及时而准确的采集周围环境温度,通过并行口实时传递给单片机后,经过软件的设置可以通过温度的不同调整风扇风速的变化,提高了舒适度,而且使用PWM斩波原理来调节风速,极大地节省了能源;在此基础上又采用STC89C51单片机作为遥控发射和接收芯片,HS0038作为红外一体化接收管,从而实现了简易的智能红外遥控功能,可以短程的实现遥控电风扇的各项操作,使得系统使用更加方便人性化。
本系统把智能控制技术用于家用电器的控制中,有基于市场的需求、结合红外遥控、设计简单、操作方便、成本低廉等特点。
关键字:
单片机;红外遥控;信号调制;温度传感器;智能控制。
ABSTRACT
Underthefiercemarketcompetition,whiletheelectricfanhasabroadmarketspace,however,theemergenceofnewproductsconstantlytomakeourproductsmoremarketadvantages,ismerelythetraditionalelectricfanisnotenough,sothetraditionalelectricfansconstantlyupdatedtomeettheneedofthemarket,continuousimprovement,inordertomaketheirproductsinanimpregnableposition.
ThispaperintroducesakindofintelligentinfraredremotefansystembasedonSTC89C51design,istomodifythetraditionalelectricfans,andmakeitmorehumane,operationmoreconvenient,morecomfortablewith.ThissystemUSESSTC89C51microcontrollerasthecore,theintegrationoftemperatureacquisition,infraredremotecontrol,PWMinfinitelyadjustable-speedtechnologies,suchasperfectdesignoutapracticalstrong,canuseinfraredremotecontrol,adjustthebodyaroundtheknowledgesystemofenvironmenttemperaturechange.
Automatictemperatureadjustmentmainlyusingtemperaturesensorcircuit,timelyandaccuratecollectionofambienttemperature,throughparallelammunitionispassedtothesinglechipmicrocomputer,throughthesoftwareSettingscanadjustthefanspeedthroughdifferenttemperaturechanges,increasethecomfort,andtheuseofadjustablespeedcontrolprincipleofPWMchoppertogreatlysavetheenergy;AgainbasedontheSTC89C51single-chipmicrocomputerasaremotecontroltransmittingandreceivingchip,HS0038astheintegrationofinfraredreceivingtube,soastorealizethefunctionofsimpleintelligentinfraredremotecontrol,canshorttheoperationsoftheimplementationoftheremotecontrolelectricfans,makethesystemmoreconvenienttouse.
Thissystemintheintelligentcontroltechnologyisusedtocontrolhouseholdappliances,basedonthedemandofthemarket,combinedwithinfraredremotecontrol,simpledesign,convenientoperation,lowcost,etc.
Keywords:
Single-chip;InfraredRemoteControl;SignalModulation;temperaturesensor;ntelligentcontrol.
第1章绪论
1.1背景及目的
近些年来,随着空调行业的迅速发展,空调价格的大幅度“跳水”,电风扇行业曾被普遍认为是“夕阳产业”。
其实并非如此,市场人士称,家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场,近两年反而出现了市场销售复苏的态势。
其主要原因:
一是风扇和空调的降温效果不同;(空调有强大的制冷功能,可以快速有效地降低环境温度,但电风扇的风更温和,更加适合老人儿童和体质较弱的人使用。
)二是电风扇有价格优势,价格便宜而且相对省电,安装和使用都非常简单。
传统的电风扇较为突出的缺点是:
风扇的风力大小不能根据温度的变化自动的调节风速,对于那些昼夜温差比较大的地区,这个自动调节风速就显得优其的重要了,特别是人们在熟睡时常常没有觉察到夜间是温度变化,那样既浪费电资源又容易引起感冒。
传统的风扇是用机械式的定时方式,机械式的定时方式常常会伴随着很大的机械运动的声音,特别是在夜间影响人们的睡眠质量,另个机械式的定时有一定的局限性,定时范围有限,而且机械式的容易坏。
传统的电风扇没有远程遥控控制电风扇的功能,对平时调节风扇风速或其它对风扇的调节,而又不想走近风扇,为此给用户带来很多的不便。
随着科技的发展和人们生活水平的提高,家用电器产品趋向于自动化、智能化、环保化和人性化,使得由微机控制的智能电风扇得以出现。
鉴于以上条件,我们便可以设计一种智能红外遥控电风扇控制系统来解决这些问题。
本系统就是以电风扇为对象,通过STC89C51单片机的强大功能,设计了有自动和人工,按键和远程红外遥控等功能的智能红外遥控电风扇,实现电风扇的几种常用功能如开关、调速、定时等的控制,相对于传统的机械控制,体现出了更加方便快捷的优点。
1.2主要内容
本系统的分为两个方面,自动模式和人工模式。
1.自动模式,单片机通过对电风扇的工作状态以及周围环境的信号分析采集,由微机系统对所得的信号处理后,再通过各种可控的电子元器件对风扇的电动机进行控制,实现风扇的“温度高、风力大、温度低、风力弱”的自动控制能力,使得用户不用干预即可以得到舒适的效果,用户也可以在一定范围内设置电风扇的最低工作温度,当温度低于所设置温度时,电风扇将自动关闭,当高于此温度时电风扇又将重新启动。
2.人工模式下,通过按键或者红外线远程遥控实现开关,调节模式,多级调速,定时等功能。
红外遥控功能要求遥控器具有将单片机、控制、键盘组合在一起完成了人机对话的功能,红外遥控系统使用单片机加独立按键,通过自己制定的一套编码原则,制作一个遥控器,接收端使用另一个单片机通过一体化HS0038红外接收头接收红外数据,并根据自己的编码原则对数据进行处理,通过数码管和LCD将接收的数据显示,并通过输出端口对系统的电子原件进行预定功能进行控制。
第2章分析与总体设计
2.1需求分析
鉴于传统的电风扇的不能根据室温调整风速、机械噪音比较大、控制不方便等缺点,用户就对具有智能化的电风扇有着强烈的需求。
本系统所设计的智能电风扇控制系统,就是针对这些需求设计的,利用了单片机控制技术、红外线遥控技术、PWM斩波无级调速技术和温度传感技术,实现电风扇的智能控制,满足用户使用方便、舒心的需求。
系统可以分为两个方面,智能控制和人工控制两大部分,如图2.1所示。
图2.1智能红外遥控电风扇系统功能框架
2.2功能分析
智能自动控制功能,借助于DS18B20的温度控制芯片和单片机实现不同温度时对电风扇的自动控制,一共可以设定三个档位,温度低于26℃自动关闭,温度在26℃~28℃一档,温度在29℃~31℃二档,温度在32℃以上三档。
此功能运行时,调档功能无效,定时功能有效,定时分为30min,60min,90min,定时结束风扇自动停止。
并通过LCD液晶实现温度,定时,档位的实时显示,并用数码管显示当前的控制情况;
人工红外线遥控功能,借助于红外线或者主板按键,实现不同档位的切换、不同时间的定时的功能。
此功能运行时,智能控制模式自动取消或终止,接收人工的所有功能使用,温度照常显示,只是不再根据温度智能控制电风扇。
档位分为一档,二档,三档;定时分为30min,60min,90min,定时结束风扇自动停止。
并通过LCD液晶实现温度,定时,档位的实时显示。
并使用发光二极管显示区别当前是红外控制还是按键控制,并用数码管显示当前的控制情况。
根据功能分析,所要求的性能指标如表2-1所示:
表2-1系统性能指标表
方面
说明
硬件主芯片
STC89C51芯片
风扇
USB电风扇,适用电压5v
实时性
利用DS18B20实现实时温控
稳定性
主板键控100%,红外键控80%
远程通信方式
红外线,通信距离在10m以内
红外出错率
控制在20%以内
2.3可行性分析
整个系统包括发射板和接收主板两大部分,所要实现的功能是发射板发射红外线传递发射板键值,并通过LED和数码管显示状态信息,接收板接收红外线发射来的键值,识别后进行相应的人工控制;接收板还要实现电风扇的随温度变化的自动控制,跟红外线功能一样的人工控制,还有通过LED、数码管和LCD显示功能等功能。
2.3.1红外线模块的实现分析
红外遥控是单工的红外通信方式,整个通信中,需要一个发射端和一个接收端。
发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号,通过红外发射管发射红外信号。
红外接收端普遍采用价格便宜,性能可靠的一体化红外接收头接收红外信号,它同时对信号进行放大、检波、整形,得到TTL电平的编码信号,再送给单片机,经单片机解码并控制相关对象。
红外线又称红外光波,在电磁波谱中,光波的波长范围为0.01um~1000um。
根据波长的不同可分为可见光和不可见光,波长为0.38um~0.76um的光波可为可见光,依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。
光波为0.01um~0.38um的光波为紫外光(线),波长为0.76um~1000um的光波为红外光(线)。
红外光按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极红外4类。
红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的,波长为0.76um~1.5um。
用近红外作为遥控光源,是因为目前红外发射器件(红外发光管)与红外接收器件(光敏二极管、三极管及光电池)的发光与受光峰值波长一般为0.8um~0.94um,在近红外光波段内,二者的光谱正好重合,能够很好地匹配,可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。
红外遥控系统主要由遥控发射器、一体化接收头、单片机、接口电路组成,如图一所示。
遥控器用来产生遥控编码脉冲,驱动红外发射管输出红外遥控信号,遥控接收头完成对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。
遥控编码脉冲是一组串行二进制码,对于一般的红外遥控系统,此串行码输入到微控制器,由其内部CPU完成对遥控指令解码,并执行相应的遥控功能。
使用遥控器作为控制系统的输入,需要解决如下几个关键问题:
如何接收红外遥控信号;如何识别红外遥控信号以及解码软件的设计、控制程序的设计。
发射原理图如图2.2所示。
图2.2遥控发射原理框图
发射板可以采用单片机的独立键盘进行红外线编码,然后通过单片机的定时器T0或者T1每个26us中断一次来产生38KHZ的载波,用以发射编码后的值;接收板可以使用HS0038一体化接收头对信号接收解码,还原控制键值对电风扇进行控制。
单片机把待发送的数据转换成一定格式的脉冲,然后加载到38KHZ的方波上,再驱动红外发射管向外发送数据,通过发射电路对数据进行调制,将已调信号通过红外发射管进行发射,经对应开关发出的遥控指令,由脚D1输出经Q1和Q2放大后驱动D1发出经编码后的红外遥控信号。
发射部分的主要元件为红外发光二极管。
它实际上是一只特殊的发光二极管,由于其内部材料不同于普通发光二极管,因而在其两端施加一定电压时,它发出的便是红外线而不是可见光。
目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右,外形与普通Φ5发光二极管相同,只是颜色不同[6]。
遥控发射通过键盘,每按下一个键,即产生具有不同的编码数字脉冲,这种代码指令信号调制在38KHz的载波上,激励红外光二极管产生不同的脉冲,通过空间的传送到受控机的遥控接收器。
P1口作为按键部分,P0.7口作为发射部分。
电路图如图3-8所示
接收系统包括51单片机、红外接收头、指示灯、液晶显示以及电风扇的定时、调速控制等模块,接收头对已调信号进行接收、放大、解调,还原成与同步发射格式相同的脉冲信号,最后通过解码把脉冲信号转换成数据,从而实现信号的传输。
接收部分主要元件是红外接收管,它是一种光敏二极管(实际上是三极管,基极为感光部分)。
在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作,亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用,这样才能获得较高的灵敏度。
在接收过程中,使用的是HS0038一体化接收头,将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身,并且输出可以让单片机识别的TTL信号,这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作,方便使用。
脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为38KHZ的电信号,此信号经过放大,检波,整形,解调,送到解码与接口电路,从而完成相应的遥控功能。
遥控接收框图如图2.3所示。
图2.3遥控接收框图
2.3.2LCD显示模块的实现分析
可以采用LCD1602液晶显示屏,它可以显示两行字符,每行16个,可以显示要求的模式,定时,档位,温度的显示。
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性,通过电压对其显示区域进行控制,有电就有显示,这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点,目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
液晶显示器各种图形的显示原理:
线段的显示点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成,假设LCD显示屏有64行,每行有128列,每8列对应1字节的8位,即每行由16字节,共16×8=128个点组成,屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应,每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定,当(000H)=FFH时,则屏幕的左上角显示一条短亮线,长度为8个点;当(3FFH)=FFH时,则屏幕的右下角显示一条短亮线;当(000H)=FFH,(001H)=00H,(002H)=00H,……(00EH)=00H,(00FH)=00H时,则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂,因为一个字符由6×8或8×8点阵组成,既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节,还要使每字节的不同位为“1”,其它的为“0”,为“1”的点亮,为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说,显示字符就比较简单了,可以让控制器工作在文本方式,根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址,设立光标,在此送上该字符对应的代码即可。
LCD1602的基本参数及引脚功能LCD1602分为带背光和不带背光两种,基控制器大部分为HD44780,带背光的比不带背光的厚,是否带背光在应用中并无差别,两者尺寸差别如下图2.4所示:
图2.41602LCD尺寸图
引脚功能说明LCD1602采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明如表2-2所示:
表2-2LCD1602引脚图
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
1602LCD的RAM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件,所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平,表示不忙,否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址,也就是告诉模块在哪里显示字符,图10-57是1602的内部显示地址。
图2.51602LCD内部显示地址
例如第二行第一个字符的地址是40H,那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢?
这样不行,因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是01000000B(40H)+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。
在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式,在液晶模块显示字符时光标是自动右移的,无需人工干预。
每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。
1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形,如图10-58所示,这些字符有:
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B(41H),显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母“A”。
字符代码与图形对应图如2.6所示。
图2.6字符代码与图形对应图
2.3.3温度模块实现分析
可以采用DS18B20温控芯片实现。
DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。
与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量,并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写,温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,而无需额外电源,因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单可靠性更高。
他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进,给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。
部分性能如下:
(1)独特的单线接口方式:
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
(2)在使用中不需要任何外围元件。
(3)可用数据线供电,电压范围:
+3.0~+5.5V。
(4)测温范围:
-55~+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
(5)通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值。
(7)支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点测温。
(8)负压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
单线(1—wire)技术:
该技术采用单根信号线,既可传输时钟,也能传输数据,而且是双向传输。
适用于单主机系统,主机能够控制一个或多个从机设备,通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线,以允许设备在不发送数据时能释放该线,而让其他设备使用。
单线通常要求外接一个5K的上拉电阻,这样当该线空闲时,其状态为高电平。
主机和从机之间的通讯分成三个步骤:
初始化单线器件、识别单线器件和单线数据传输。
单线1—wire协议由复位脉冲、应答脉冲、写0、写1、读0、读1,这几种信号类型实现,这些信号中除了应答脉冲其他都由主机发起,并且所有指令和数据字节都是低位在前。
DS18B20内部结构如图3所示,主要由4部分组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图2所示,DQ为数字信号输入/输出端;GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
图2.7DS18B20内部结构图
DS1820通过一种片上温度测量技术来测量温度。
图2.8示出了温度测量电路的方框图。
图2.8温度测量电路方框图
DS1
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