基于51单片机智能风扇控制系统方案.docx
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基于51单片机智能风扇控制系统方案
基于51单片机智能风扇控制系统的设计与实现
摘要:
随着气温的逐渐上升,风扇的需求量也逐渐扩大。
传统风扇不能根据外界温度的变化对风扇转速快慢进行调整,也不能对风扇的开关与否进行自动控制,这将会损耗大量的电力资源。
针对这些问题,开发设计了智能风扇控制系统。
该系统以STC89C51RC单片机最小系统为核心,利用DS18B20温度采集模块,LCD1602显示屏、L298N电机驱动模块、HC-SR501人体感应模块、舵机控制模块、ESP8266WIFI控制模块组成智能风扇控制系统。
当有人进入室,HC-SR501人体感应模块会监测到有人出现,同时DS18B20温度采集模块将采集到的温度与系统开始设置的阈值做比较,并将采集到的温度数据显示在LCD16-02显示屏上。
当室温高于所设置的温度且有人存在的情况下,风扇将会自动吹风;当温度低于所设置的温度时风扇仍保持关闭状态。
该系统采取了三种工作方式,第一种工作方式为按键控制,从左至右按键功能依次为摇摆、红外、定温、定时。
第二种工作方式为红外遥控器控制,在遥控器上按下相应的功能按键,即可控制风扇。
第三种工作方式为手机终端APP控制,通过手机客户端实现风扇的自动启动和停止,旋转方向,改变风扇的转速等。
关键词:
STC89C51RC单片机;智能风扇;人体感应;keilUvision;
IntelligentFanControlSystemBasedon 51 Single Chip Design and Implementation
Abstract:
Withthegradualriseintemperature,thedemandforfanshasgraduallyexpanded.However,thetraditionalfancannotadjustthespeedofthefanaccordingtothechangeoftheoutsidetemperature,andcannotcontrolthefanswitchautomatically.Inresponsetothisproblem,wewilldevelopintelligentcontrolsystemofthefan.
ThesystemisbasedontheminimumsystemoftheSTC89C51RCMCU.TheintelligentfancontrolsystemiscomposedofDS18B20temperatureacquisitionmodule,LCD1602display,L298Nmotordrivemodule,HC-SR501humanbodyinductionmodule,steeringcontrolmoduleandESP8266WIFIcontrolmodule.Whenthepersonenterstheroom,thehumanbodyinfraredsensormodulewilldetectpeople,whiletheDS18B20temperatureacquisitionmodulewillcollectthetemperatureandthesystembeginstosetthethresholdtocompare,andthecollectedtemperaturedataisdisplayedontheLCD1602display.Whentheroomtemperatureishigherthanthesettemperatureandsomeoneexists,thefanwillautomaticallyblow;whenthetemperatureislowerthanthesettemperature,thefanwillstillturnoff.Thesystemtakesthreekindsofwork,thefirstworkforthekeycontrol,fromlefttorightbuttonfunctioninorderofswing,infrared,fixedtemperatureandtiming.Thesecondmodeofoperationfortheinfraredremotecontrol,pressthecorrespondingfunctionbuttonontheremotecontrol,youcancontrolthefan.ThethirdtypeofworkforthemobileterminalAPPcontrol,throughthemobileclienttoachieveautomaticfanstartandstop,rotationdirection,changethefanspeedandsoon.
Keywords:
STC89C51RCSingle-Chip;IntelligentFan;HumanInfraredSensorModule;KeilUvision;
一、论文(设计)正文..............................................................................................1
二、附录…….....................................................................................................42
1绪论
1.1系统开发的背景
在我国,电风扇是80年代开始兴起的一种小型的家用电器,开始时功能单一,而且耗电量大。
随着技术的不断更新,功能更加强大,更加趋于人性化。
作为一种老式的家电,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,尤其在中小城市以与乡村将来一段时间仍然会占有市场大部分份额。
面临庞大的市场需求,提高电风扇的市场竞争力,使之在技术含量上有所提高,是现在面临的主要问题。
目前,国市场虽然上出现了一些机械定时风扇,能够控制风扇在工作一定时间后关闭,但定时围有限,且无法对温度变化灵活处理。
其次,传统风扇不能根据外界温度的变化对风扇转速快慢进行调整,也不能对风扇的开关与否进行自动控制。
尤其对于昼夜温差相对较大的地区,在使用风扇时常常会遇到这样的问题:
当凌晨气温已经下降,不再需要风扇进行降温。
可是,当人们已经熟睡而无法察觉此时需要关闭风扇。
这时候,对于一些体质较弱的人就会面临感冒的分险。
这样一来,不仅对身体造成一定的影响,同时也浪费了一些不必要的电力资源。
针对传统风扇存在的缺陷,开发设计了智能风扇控制系统以解决这些问题。
1.2系统开发的目的和意义
该系统开发的目的在于解决传统风扇耗电量大以与使用当中存在安全隐患,从而提高人们的生活质量,节约电力资源。
该系统在传统风扇的基础上开发设计出了一些创新功能。
例如,采用温度传感器实现了风扇自动监测室温度,当监测到的温度大于系统设置阈值时,风扇将开启;当监测到的温度小于系统设置阈值时,风扇将保持关闭状态。
采用人体感应模块实现了无人时风扇自动关闭,有人时风扇自动开启。
该系统采用按键、红外遥控、手机终端控制三种操作方式,用户可任意选择一种方式进行相应的操作,从而为用户提供了方便、快捷。
该智能风扇克服了传统风扇的缺点,具有很好的稳定性,精确的温度控制,
低功耗,低成本等优点。
随着我国电子技术的发展,该智能风扇将会走进千千万万普通人的家里,为广大人民带来生活上的便捷。
1.3国外研究现状
1.3.1国研究现状
随着我国电子行业的不断发展,家用电器已经走进了千千万万普通人的家中。
在改革初期,平均100个家庭当中或许才有1个家庭拥有一两件家用电器。
这对于当时的中国家庭来说已经是非常奢侈的消费品
。
与现在相比,无论是从风扇的体积规模还是功耗性能方面与现在相比都有着天壤之别。
如果将风扇整晚开启,耗费的电量是现在的十几倍。
所以,在风扇行业发展的初期,市场还面临着很大的技术缺陷。
随着改革的深入,市场经济也逐渐发展起来,风扇行业也开始了技术方面的更新。
比如,将以前体积庞大的风扇改装为体积轻巧,外形美观的风扇,在功耗方面也做了很大的技术改良。
如今,随着生活水平的上升,人们对风扇的需求不止停留在技术方面,风扇的创新性、节能性、便捷性等也都是人们在选购风扇时考虑的重要因素。
同时,轻巧靓丽的外观也是人们追求的一大目标。
目前,风扇行业的工业技术也趋于成熟。
今后,智能风扇将会完全代替传统的风扇,给人们带来方便、快捷、舒适的生活。
1.3.2国外研究现状
国外在风扇行业的研究远远不如我国积极,但是不得不说在智能电器方面的研究早已走在我国前列。
智能化电器采用微处理器与可编程器件,具有良好的现场保护和现场恢复功能。
智能化电器包含三个方面,智能化的电器元件如智能化断电路、智能化接触器和智能化供配电系统。
智能化电器在智能家居领域占据着十分重要的作用。
在国外,风扇的自动无极调速已经有了一定的成效,可以使风扇根据环境温度的变化进行自动调速。
当温度低于正常温度时,风扇将不会工作。
当温度高于正常温度时,风扇将自动开始工作。
除此之外,国外一些家庭采用家庭智能化系统,已经步入了智能家居时代。
通过网络,实现家居的远程遥控等便捷操作。
美的公司推出的安全无叶风扇采用智能遥控的方式,可在8m的围随意控制
。
这款风扇最重要的是采用超静音隔离效果,克服了传统风扇噪音大的缺点。
同时,采用无叶技术也便于清洗,更加安全。
智能风扇现也逐渐开始普与,但是在风扇的功能以与性价比方面仍然有着很大的发展空间。
相信随着电子技术的发展,智能风扇将会为人们带来意想不到的便利。
1.4主要研究容
该系统以STC89C51RC单片机为核心,由温度采集模块,LCD1602显示屏、L298N电机驱动模块、HC-SR501人体感应模块、舵机控制模块以与ESP8266WIFI控制模块构成。
通过DS18B20温度传感器对环境温度进行数据采集,若采集到的温度值大于系统设置阈值,风扇将开启;若采集到的温度小于系统设置阈值,风扇将关闭。
LCD1602显示屏主要显示日期,温度等数据。
L298N电机驱动模块主要为风扇的转向提供动力能源。
HC-SR501人体感应模块监测是否有人,若有人并且采集到的温度大于初始温度值,则风扇转动;反之,风扇关闭。
舵机控制模块主要功能为控制风扇的转向。
ESP8266WIFI控制模块用来发出WIFI信号,通过手机终端连接相应的WIFI信号,实现相应的系统功能。
该系统包括如下功能:
(a)旋钮调节风速,可控制风扇转向;
(b)具有电子表功能,时间可以自行调整,利用电容充电放电,时间可以断电不停,能保持一到两天的时间记录;
(c)人体红外感应功能,无人时风扇将保持关闭状态;
(d)定时开关功能;
(e)具有温控功能,可通过按键等设定最低温度,低于最低温度风扇将保持关闭状态;
(f)可通过红外遥控器和手机APP无线遥控;
(g)USB线直插使用;
2系统分析
2.1可行性分析
传统风扇最大的缺点是不能实时根据外界的温度变化自动调节风扇的转速,开关与否等。
该智能风扇的开发将有效解决传统风扇的不足,真正地实现风扇的运行情况受外界环境的控制。
从而实现了低功耗,高性能的智能风扇,既节省了大量的电力资源,又减少了不必要的人力消耗。
该智能风扇适用于所有家庭,尤其针对老人小孩设计的当室温度低于系统设置的阈值时自动关闭这一功能,保护了老人和小孩的身体健康。
该智能风扇控制系统的开发成本低,开发时间短。
既可弥补传统风扇的不足,又在此基础上增加了新的创意。
如果大量投入生产,将会对人们的生活质量有着较大的提高。
所以,该智能风扇将会有很好的发展空间和前景。
该系统主要从技术可行性,经济可行性,法律可行性这三个方面来分析本次设计确实是切实可行的。
技术可行性。
该系统以STC89C51RC单片机为核心,由温度采集模块,LCD1602显示屏、L298N电机驱动模块、HC-SR501人体感应模块、舵机控制模块以与ESP8266WIFI控制模块构成。
该系统的编程工具采用keilUvision4和Eclipse,这两款编程工具在本科期间都有着深入的学习,可灵活掌握。
该系统在keilUvision4环境下采用C语言编程实现STC89C51RC单片机的有关功能,在Eclipse环境下采用Java语言编程实现手机终端APP的有关功能。
这两种高级语言在编程方面都便于维护,方便对系统进行操作且生成目标代码质量高,程序执行效率高。
经济可行性。
从经济方面来看,该系统在经济方面的投入适当。
该系统的开发成本符合一个小型风扇的成本。
具体而言,硬件只需提供一块STC89C51RC芯片以与温度传感器,HC-SR501人体感应模块以与舵机控制模块。
软件只需设计出相应的APP程序即可。
综上,所需材料成本和人工费总计不超过100元。
所以,该智能风扇的开发设计可大量投入工业生产。
从法律方面来说,该系统的硬件部分和软件部分的设计都是由本人单独完成,本人对该系统所涉与的技术、文档容、源程序代码都具有自主权,因此不用承担任何法律责任,也不触犯任何国家法律,并且没有侵犯任何公司的专利。
所以基于51单片机的智能风扇系统在法律方面也是可行的。
通过以上分析可知,该系统开发从上都是技术可行性,经济可行性,法律可行性可行的。
2.2系统需求分析
智能家电一直是控制领域研究的方向,其目的是为了让人们的生活更加便捷化,电子化,自动化,具有广阔的应用前景和经济价值。
风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品,其实并非如此,市场人士称,家用风扇并没有随着空调的普与而淡出市场,最近几年反而出现了市场销售复的态势。
其主要原因有以下两个:
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,但是风扇更加温和,更加适合老人妇女儿童等体弱人群。
二是风扇有价格优势,价格低廉且相对省电,安装和使用都简单易懂。
风扇作为夏天生活中的必需品,就现有功能而言,传统风扇是220V交流电供电,电机转速分为几个档位,通过人为调整电机转速达到改变风力大小的目的,即每次风力改变,必然有人参与操作。
其次,传统的风扇无法对温度的变化灵活处理,这样必定会带来诸多不便,不足以满足人们的需求,开发设计一种真正为人们生活考虑的智能风扇十分必要。
智能风扇控制系统的开发避免了空调对人们身体造成的伤害,同时减少了不必要的电力消耗,具有广阔的应用前景。
该系统的开发在延用传统风扇功能的基础上将从以下几个方面进行创新:
a)温度的实时监控
b)时间的实时记录
c)人体感应,无人时风扇不工作
d)手机终端远程控制
2.2.1功能需求分析
该系统按照功能需求可分为温度采集模块,LCD1602显示屏模块、L298N电机驱动模块、HC-SR501人体感应模块、舵机控制模块以与ESP8266WIFI控制模块。
a)温度采集功能模块:
选用DS18B20温度传感器,该传感器可以实现从-55℃到+125℃的测量围,并且测量精度高。
通过DS18B20温度传感器测量所处环境的温度,采用LCD1602显示屏作为输出端,将测量数据显示在LCD1602显示屏端。
b)L298N电机驱动模块:
使用三极管8050构成H桥直流电机驱动电路,该电路对于小功率风扇驱动足够安全可靠。
c)HC-SR501人体感应模块:
人体感应模块具有体积小,使用方便,工作可靠,监测灵敏,感应距离远等优点,从而在各个领域得到广泛的应用。
该系统通过人体红外感应来监测是否有人进入房间,若监测有人进入并且室温度高于初始设置值,则风扇叶片将会旋转。
否则,风扇将仍然保持关闭状态。
d)舵机控制模块:
控制电路板接受来自信号线的控制信号,控制电机转动,电机带动一系列齿轮组,减速后传动至输出舵盘。
舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的,舵盘转动的同时,带动位置反馈电位计,电位计将输出一个电压信号到控制电路板,进行反馈,然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度,从而达到目标停止。
e)ESP8266WIFI控制模块:
手机APP智能一键远程操控,风扇风量大小、预约定时、开关机等多种功能同步显示,可有手机终端操作者全方位自由掌控。
2.2.2性能需求分析
根据该系统的性能需求,通过对该系统的适用条件,系统误差,实现功能等方面进行具体分析:
(1)测量围-55℃一+125℃;
(2)延时误差0.14ms;
(3)实现电子表功能,时间可以自行调整,并利用电容充放电,时间可以断电不停,可保持一到两天的时间记录;
(4)定时开关功能;
(5)人体感应功能,无人时风扇将保持关闭状态;
(6)可通过红外遥控器和手机APP无线遥控;
(7)USB线直插使用;
2.2.3系统实现方式
该系统采用软硬件相结合的实现方式,硬件以STC89C51RC单片机为核心,由温度采集模块,LCD1602显示屏模块、L298N电机驱动模块、HC-SR501人体感应模块、舵机控制模块以与ESP8266WIFI控制模块构成。
通过DS18B20温度传感器对环境温度进行数据采集,若采集到的温度值大于系统设置阈值,风扇将开启;若采集到的温度小于系统设置阈值,风扇将关闭。
LCD1602显示屏主要显示日期,温度等数据。
L298N电机驱动模块主要为风扇的转向提供动力能源。
HC-SR501人体感应模块监测是否有人,若有人并且采集到的温度大于初始温度值,则风扇转动;反之,风扇关闭。
舵机控制模块主要功能为控制风扇的转向。
ESP8266WIFI控制模块用来发出WIFI信号,通过手机终端连接相应的WIFI信号,实现相应的系统功能。
该系统采用keilUvision4和Eclipse等编程工具。
这两款编程工具生成的目标代码效率非常之高,容易理解。
在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。
KeilUvision4引入灵活的窗口管理系统,使开发人员能够使用多台监视器,并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。
新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口,提供一个整洁,高效的环境来开发应用程序。
新版本支持更多最新的ARM芯片,还添加了一些其他新功能。
ARM公司发布最新集成开发环境RealViewMDK开发工具中集成了最新版本的KeilUvision4,其编译器、调试工具实现与ARM器件的最完美匹配。
Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台。
就其本身而言,它只是一个框架和一组服务,用于通过插件组件构建开发环境。
幸运的是,Eclipse附带了一个标准的插件集
。
Eclipse是著名的跨平台的自由集成开发环境。
最初主要用来Java语言开发,但是目前亦有人通过插件使其作为其他计算机语言比如C++和Python的开发工具。
Eclipse的本身只是一个框架平台,但是众多插件的支持使得Eclipse拥有其他功能相对固定的IDE软件很难具有的灵活性。
许多软件开发商以Eclipse为框架开发自己的IDE。
尽管Eclipse是使用Java语言开发的,但它的用途并不限于Java语言;例如,支持诸如C/C++、COBOL和Eiffel等编程语言的插件已经可用,或预计会推出。
Eclipse框架还可用来作为与软件开发无关的其他应用程序类型的基础,比如一些管理系统。
3系统硬件设计
3.1系统概述
该系统以STC89C51RC单片机为核心,通过温度采集模块,LCD1602显示屏、L298N电机驱动模块、HC-SR501人体感应模块、舵机控制模块以与ESP8266WIFI控制模块构成。
温度采集模块主要将采集到的温度值与系统设置的初始温度值进行比较。
若采集到的温度值大于初始温度值,则风扇将会开启;若采集到的温度值小于初始温度值,风扇将一直保持关闭状态。
LCD1602显示屏主要显示日期,温度等数据。
L298N电机驱动模块主要为风扇的转向提供动力能源。
HC-SR501人体感应模块监测是否有人,若有人并且采集到的温度大于初始温度值,则风扇转动;反之,风扇关闭。
舵机控制模块主要功能为控制风扇的转向。
ESP8266WIFI控制模块用来发出ESP8266WIFI信号,通过手机终端连接相应的WIFI信号,实现相应的系统功能。
系统功能结构图如图1所示:
图1系统功能结构图
3.2单片机最小系统电路
3.2.1STC89C51RC单片机简介
STC89C51RC单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM),定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块。
STC89C51RC单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块,可称得上一个片上系统
。
STC89C51RC单片机有1280字节的数据存储器,其在物理和逻辑上部分为两个地址空间:
部RAM(256字节)和部扩展RAM(1024字节)。
而STC89C51RC单片机部有512字节的数据存储器
。
STC89C51RC单片机的特殊功能寄存器(SFR)是用来对片各功能模块进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器,是一个特殊功能的RAM区,STC89C51RC单片机的特殊功能寄存器(SFR)与部高128字节RAM模拟共用一样的地址围,都使用80H-FFH,但特殊功能寄存器(SFR)必须直接寻址指令访问。
STC89C51RC单片机引脚如图2所示:
图2STC89C51RC单片机引脚图
3.2.2STC89C51RC单片机常用寄存器
(a)程序计数器(PC)
程序计数器PC在物理上是独立的,不属于SFR之列。
PC字长16位,是专门用来控制指令执行顺序的寄存器。
单片机上电或复位后,PC=0000H,强制单片机从程序的零单元开始执行程序。
(b)累加器(ACC)
累加器ACC是8051单片机部最常用的寄存器,也可写作A。
常用于存放参加算数或逻辑运算的操作数与运算结果。
(c)B寄存器
B寄存器在乘法和除法运算中须与累加器A配合使用。
MULAB指令把累加器A和寄存器B中的8位无符号整数相乘,所得16位乘积的低字节存放在A中,高字节存放在B中。
DIVAB指令用B除以A,整数商存放在A中,余数存放在B中。
寄存器B还可以用作通用暂存寄存器
。
(d)程序状态字(PSW)寄存器
CY:
志位。
进行加法运算时,当最高位即B7位有进位,即执行减法运算最高位有借位时,CY为1;反之为0。
AC:
进位辅助位。
进行加法运算时,当B3位有进位,或执行减法运算B3有借位时,AC为1;反之为0。
设置辅助进位标志AC的目的是为了便于BCD码加法,减法运算的调整。
F0:
用户标志位0。
RS1、RS0:
工作寄存器组的选择位。
OV:
溢出标志位.
F0:
用户标志位1。
B1:
保留位。
P:
奇偶标志位。
该标志始终体现累加器ACC中1的个数的奇偶性。
如果累加器ACC中1的个数为奇数,则P置1;当累加器ACC中的个数为偶数(包括0个)时,P位为0。
3.3LCD1602显示屏模块
LCD1602显示屏模块是提
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