基于STC51系列单片机的红外遥控风扇系统设计Word格式.docx
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我国人民,正以前所未有的自信面貌,走在科学发展的康庄大道上。
家电是居民生活的必需品,是不可或缺的生活用具,是消费品之中的“刚性需求”。
居民对于冰箱、洗衣机、空调、电扇、电视机等家电的需求,虽然已经不像上个世纪那样呈现出一种“病态的需求”(即像当今的人们对于手机、电脑的需求一样),但是这类家电已不知不觉的融入人们的生活,成为人们生活不可或缺的一部分。
但是,在科技迅速发展的今天,人类将先进的科学技术应用于家电领域已经游刃有余。
众多家电生产企业以居民的消费需求为市场化导向,进行新产品的研制与生产,而所带来的含有科技创新成分的诸多产品则又影响了更多居民消费的提高。
这种产品与科技的良性互动,由消费者推动,由生产商操刀,收益的却是整个人类,由此带来的发展趋势,就是“智能家居”。
“智能家居”,极有可能是人类未来生活的一种主要方式。
是以住宅为中心,利用网络通信、红外技术等科技手段,将与家居有关的各种生活器具连接成统一的整体,还兼备系统管理等智能化的家居环境,能够提升家居生活的系统性、协调性和便利性,不但能提供传统的居住功能。
“智能家居”主要包括:
智能门控系统,智能家电系统以及综合管理系统。
总之,对未来的家居生活最合理的比喻就是“电脑”,将家居变成一台电脑,家居最核心的处理系统自然就是其CPU,而家居里的各个延伸功能即是这台电脑中的各种器件所带来的功能,家居的设计者是“程序员”,家居的主人则是最终的受益者。
就目前的科技水平来讲,完全实现上面所描述的“智能家居”还需要很长的路要走。
即使是现在能够实现,也只是在比尔盖茨那样的科技型的富豪那里。
即当前的实现不仅需要尖端的技术,而且需要雄厚的资金支持,难以大众化。
科技类型产品的普及不仅带来的技术层面的更新,而且是低成本、市场化的运作,瓦特并不是发明了蒸汽机,只是将其改良,将其变得实用,能市场化,而被称为“蒸汽机之父”,但是那个发明者却没有在历史长河中留下自己的痕迹,由此可见单纯将某类产品问世是第一步,更重要的是将其市场化,能市场化的关键因素就是成本和消费者需求。
所以,“智能家居”接下来的发展方向是将科技含量注入到其成本的降低当中去,只有这样,才有可能实现其市场化。
本文所研究的就是“智能家居”的一部分,家电智能化的应用,即将电扇在现有科技水平的前提以及控制成本的条件下将其智能化。
风扇是一种比较传统的驱热工具,虽然在很多家庭中已逐渐被空调所取代,但在广大的农村家庭还是有很大的市场,同时,将风扇智能化比将空调智能化所消耗的成本更小,更值得去尝试。
风扇的主要工作原理是利用发电机的旋转来带动扇叶旋转从而产生风力。
而调节风力的大小主要通过对电动机进行变档调速,大部分是有极调速,有的已经是无极调速。
但无论是哪种工作方式,都需要手动接触调节调速开关进行调速。
而我进行的风扇的智能化尝试,是利用红外技术通过遥控器对风扇进行启动和调速控制,而不需要实际接触。
我设想通过STC51单片机,对电动机的调速实行外延控制下有极调速,将其智能化。
第1章绪论
1.1风扇智能化研究的可行性
科技水平高度发达的今天,人们对于生活的需求越来越向智能化发展,越来越依赖手机、电脑等智能产品,而单片机的应用范围也越来越广阔。
随着科技的进一步发展,人们生活的逐渐提高,人类对信息化、智能化的要求越来越高,而一种产品的开发与利用不仅有较高的科技含量的支撑,还应该能节省开支,降低成本,较容易的实现市场化。
而单片机的应用为这些要求的满足提供了可能,单片机的研发方便、扩展应用方便以及成本低廉的特点为家电产品的智能化提供了可行的平台。
单片机的应用不仅可以为人类带来家居的智能化,而且能为其外延产品智能化的应用提供了其市场化的可能。
其在智能方面的应用,实用性强,构造简便,产品低廉,是人类更能也更容易的接受“智能家居”,体验未来的科技生活。
它更将使人类懂得数字时代的发展意义及前景,及认为在未来的数字时代的价值和位置。
因此,我们完全可以利用单片机作为核心处理器进行信号的接收、处理和传送,利用红外装置发出信号,即人类的要求,利用单片机进行处理并发出命令,再通过其他器件来控制和驱动电机,来启停和调节电机的转速,从而达到将风扇智能化的目的。
本设计将以STC51单片机为处理核心,以红外进行控制,最后通过调控电机进行控制的输出。
1.2风扇智能化研究的背景
风扇智能化的研究是在当前“智能家居”的背景下进行的。
随着我国经济的发展和科技水平的提高,温饱问题早已解决,而简单的文化需求也难以满足科技高速发展背景下人类对于文化的真正追求。
人类需要在科技高速发展的今天寻找自己的位置,更需要将发展的科技真正融入自己的生活之中。
将科技融入生活,是科技发展的真谛,是其发展的最终目的,也最终促进科技的发展。
生活的需求催动了科技的发展,而科技的发展也必将提高科技的追求。
无论是科技还是生活,其在未来的道路上将结伴前行,殊途同归。
而目前两者最科学的、最主要的也是最有可能的结合方式就是“智能家居”。
“智能家居”是一个统一的、系统的整体,将人类的一切家居生活智能化、系统化、协调化。
在人类的生活节奏越来越快的今天,“智能家居”的应用是一个机遇,一个能将人来快的生活节奏慢下来的机遇。
人类将家居智能化,能减少人类对于一般家居用品的操作时间,能够非常迅速的将家居里的器具启动或者使用亦或是关闭,在今天这个“惜时如金”的社会,如此以来必将能节约很多时间,提高生活的质量和效率,在现代社会,赢得时间即赢得一切,这是将自己生命延长最有效也是最直接的方式。
而“智能家居”的概念虽然提出比较早,也在当前得到一定范围的应用,但是在现代的应用十分受限,应用受限的原因不在于其里面所含的科技含量的问题,其中所含的科技含量不但不低,而且还有点过高。
真正限制其大规模应用的是当前较高的科技含量所带来的高成本。
难以使其大范围的应用,首先是技术所限,无法降低科技产品中对于成本的要求,其次就是市场需求。
因为科学技术的应用不成熟,难以满足市场的需求。
因此,“智能家居”下一步的研究方向是在保证智能化的基础上,将科学技术的研发加入成本控制的考虑。
即以市场化为导向,将智能化的产品真正的推向市场。
所以“智能家居”的应用受限于科技和成本,需要一步一步的实现,家电的智能化的实现是其中的一个方面,也是实现“智能家居”的一个步骤。
所以“智能家居”的实现可以先从智能家电开始。
将风扇智能化即是家电智能化的一个重要方面。
将风扇的的启停和调控实现红外控制,从而实现其简单的智能化。
同时,通过简单易得的装置来控制其成本,交易向市场推广。
1.3风扇智能化研究的现状
当前家电的智能化取得了一定的发展,但是还有很多不足。
与此同时,风扇智能化的研究也有很大的进步,但是其中也存在很多不尽人意的地方。
比如,有人设计的带有温控系统的智能风扇,加入温度传感器来感知外界温度并将外界的温度传入单片机进行处理,通过单片机再来调控电机的转速。
即通过温度传感器感知外界温度,发出信号调整转速,以此形成一个闭环调控系统。
这样的电路设计虽然也叫简单易行,但是由于室内温度的变化比较缓慢,而且变化幅度比较小,因此若能完成整套设计地构想,需要比较灵敏的即精十分高的温度传感系统,这样的造价就十分高了,也不容易进行推广。
对于整个系统设计的实现,还有一个值得注意的问题,就是风扇的运转实际会带来整个环境温度的升高,而不是降低。
因为电流通过线圈时,由于线圈中有电阻,即不可避免的产生了热量,产生热量之后就会向周围环境散发,致使环境温度升高。
而之所以人会感到凉爽,是因为电商带动的空气流动造成人体皮肤表层的汗液挥发,从而吸收热量。
因此,通过感应外界的温度来控制风扇的快慢的想法是不行的,本设计也没有采用这种设计。
1.4风扇智能化研究的意义
关于风扇智能化的研究有很重要的意义。
首先,对风扇智能化的研究是在家电智能化的基础上,即在“智能家居”的基础上。
因为无论是智能机电还是智能家居,都难以进行大规模推广的市场化。
因此为了突破这一问题,需要一步一步逐渐推进,而智能风扇的研究则是其中一个比较容易进行的项目。
本设计所设计进行的智能风扇,应用原理简便。
就是应用红外信号进行控制,利用红外信号的发射装置发出红外信号,通过接收装置进行接收并加以处理,然后再输出进行电机调速。
这些装置简便易得,价格低廉,有一定的市场前景。
最关键的是,这是“智能家居”的以此有效尝试,将“智能家居”由概念变为实际的应用,并且能够进行市场化的推广。
1.5智能风扇的功能描述
本设计的功能实现是通过红外通信方式来控制风扇的转速。
将遥控器上的K1键的设计实现功能设为一级转速,按下该按键后则调节风扇的转速变为最低档也就是一级转速,设定遥控器上的K2键设计实现功能设为二级转速,以此类推,风扇总共设计了五级转速,级数越大风速越大。
设定遥控器的K6按下则风扇停止转动。
风扇开机则默认为一级转速,按下遥控器的K6键风扇停止后,按其他风速调整键则可再次启动风扇。
在这里,每一次不同的按键按下,红外遥控器将发出一组不同的红外信号,红外接收端接收信号并解码判断哪一个键按下,由单片机处理后进而由控制器执行相应的电动机的控制操作。
因此,本产品的设计思路就是通过红外信号发射器发出红外信号,由接收器接收后交由单片机进行处理并分析,得出用户所发出的指令,进行解码,并将指令通过控制器来发应到电机那里,从而完成通过红外进行调速的一整套过程。
第2章主要器件介绍
2.1单片机概述
2.1.1对于单片机的基本认识
单片机是在设备上集成了CPU及各种I/O接口的芯片,这样一来,这块设备上就具有了计算机的属性,符合“计算机之父”冯·
诺依曼对于计算机的定义。
通俗点讲,单片机就是一块集成芯片,但是这块集成芯片因为有了计算机的构造而就有了一些特殊的功能,而它的这些功能的实现要靠我们使用者自己来编程完成。
编程时我们可以选择C语言进行编程,都可以使用汇编语言进行编程,即单片机即支持C语言也支持汇编语言的编程。
2.1.2对于STC单片机的认识
本实验所使用的单片机是STC89C51单片机,如下图:
图2.1两者封装形式的STC89C51单片机
其标识解释如下:
STC——前缀,表示芯片为STC公司生产的产品;
8——表示该芯片为8051内核芯片;
9——表示内含FlashE²
PROM存储器;
C——表示该器件为CMOS产品;
5——固定不变
1——表示该芯片内部的程序存储空间的大小,而此单片机所采用的1即表示内部存储空间为4KB。
在图2.2中展现的是两种封装类型,左面的是DIP(DualIn-LinePackage),即双列直插型封装,而右面的则是PLCC(PlasticLeadedChipCarrier),即带引线的塑料芯片封装。
DIP封装较常见,应用于绝大多数的中小规模的集成电路,本设计所使用的芯片即采用这种封装形式。
采用DIP封装的CPU芯片有两排引脚,其引脚一般不超过100个,需要插入具有DIP结构的芯片插座上。
如图2.3所示。
而PLCC型封装则作为表面贴型封装之一,具有外形尺寸小、可靠性高的优点。
如图2.4所示。
图2.2DIP封装
图2.3PLCC封装
2.2.351单片机的引脚图
无论是哪一种单片机,其外延的的功能都是通过引脚实现的,而不同的引脚发挥着不同的的功能,需认识不同引脚的的不同功能,再通过这些引脚连接其他的芯片。
51单片机的引脚如图2.5所示。
图2.451单片机的引脚图
下面,对图2.4的引脚进行简单的介绍:
Vcc(40脚)、GND(20脚)——单片机上的连接外接电源的引脚,外接电压的可以是+5V或+3.3V,根据具体需求而定,一般选用+5V;
XTAL1(19脚)、XTAL2(18脚)——外接时钟引脚。
XTAL1引脚为单片机片内部所使用的振荡电路的一端输入端,而XTAL2引脚则为单片机片内部所使用的振荡电路的一端输出端,8051的振荡时钟工作的工作方式有两种比较常见的类型:
片内时钟振荡和外部时钟,本设计实验采用的工作方式为前者;
RST(9脚)——单片机上的作为复位功能使用的复位引脚,其复位功能就是将单片机内的程序初始化;
(29脚)——该引脚的名称是单片机所应用的程序存储器的允许输出控制端,当单片机正在读外延程序存储器时,
引脚低电平有效;
(30脚)——当该位连接的是高电平时,允许地址锁存信号,当访问外部存储器时,ALE信号负跳变则将P0口上低8位地址信号送入锁存器,当ALE为低电平时动作基本与高电平时一致,
为编程脉冲的输入端,写好的程序只有通过编程输入端才能写入单片机内部存储器(即ROM)中;
(31脚)——
接高电平时,单片机读取内部程序存储器,当
为低电平时,单片机直接读取外部(ROM);
I/O口引脚——P0口(32脚-39脚)、P1口(1脚-8脚)、P2口(21脚-28脚)和P3口(10脚-17脚),其中,P3口除了作为输入/输出口之外,还可以作为第二功能使用,功能如下表2.1所示。
表2.1P3口引脚的第二功能定义
标号
引脚
第二功能
说明
P3.0
10
串行输入口
P3.1
11
串行输出口
P3.2
12
外部中断0
P3.3
13
外部中断1
P3.4
14
定时器/计数器0外部输入端
P3.5
15
定时器/计数器1外部输入端
P3.6
16
外部数据存储器写脉冲
P3.7
17
外部数据存储器读脉冲
2.2.4单片机最小系统
单片机最小系统是指单片机工作所需要的不可或缺的基本元器件和连接电路,所以单片机最小系统是最基本的单片机电路连接,主要包括三个部分,分别为:
1.电源电路
单片机的外接电源的方法是将40脚接电源VCC(也就是+5伏),20引脚接地(GND),如图2.5所示;
2晶振电路
51系列单片机已经在单片机的内部装了振荡电路,只要在18脚、19脚
连接上晶振电路即可,晶振频率可以选取11.0592MHz,这个频率可以准确的得到9600波特率和19200波特率,用于串口通信。
另一个晶振频率为12MHz,它可以产生比较精确的微秒级延时,方便定时操作,本设计就是采用的12KHz的晶振,如图2.5所示。
3复位电路
51系列单片机的复位引脚是9脚,当此引脚连接高电平超过两个机器周期时,即可产生复位动作。
为了保证使单片机所正在进行的应用程序系统准确地功能进行复位,因此在设计本设计实验所使用的复位电路进行复位时,通常的做法是使RST引脚始终保持在的高电平的时间要10ms以上。
复位电路有上电复位和手动复位两种,本例采用上电复位的形式。
电路如图2.5所示。
图2.5单片机最小系统
2.3红外发射芯片TC901
红外发射芯片TC9012是一款专门用于日本东芝公司所生产的红外遥控系统的专用红外发射集成电路。
该款芯片在使用中可外以对外进行连接32个按键,可以提供8种可供用户选择的用户编码,与此同时,其按键还可以具备双重按键的功能。
红外发射芯片TC9012的所应用的各个引脚的功能设置和所应用的外围应用线路都进行比较高度的优化,其目的是为了配合PCB的电气布线和价格成本低廉的要求。
2.3.1TC9012的引脚
TC9012的引脚图如图2.6所示,其引脚功能定义见表2.2。
图2.6TC9012的引脚图
表2.2TC9012引脚功能
引脚号
名称
类型
描述
1-4
KI0-KI3
IN
4位输入引脚,用于键盘扫描输入(平时为低电平,内置下拉电阻)
5
REM
OUT
带载波的遥控信号输出
6
VDD
电源正端(2-4.0V),3V(典型)
7
NC
空引脚
8
OSC0
晶振输出
9
OSC1
晶振输入
VSS
电源负端(接地)
LMP
指示灯输出
12-19
KO0-KO7
8位输出引脚,用于键盘扫描输出
20
SEL
用户编码选择跳线(平时为高电平,内置下拉电阻)
2.3.2TC9012的编码
在本设计实验所使用的TC9012芯片的一帧传输数据中,总共是含有了32位码(两次8位用户码、8位数据码及其反码),发射码的格式如图2.7所示。
图2.7TC9012的发射码格式
S0
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
1
2
3
4
引导码
用户码
数据码
数据码的反码
TC9012共有8位用户码,其中S0、S1和S2由SEL与KO0-KO7的连接来确定,S3固定为“1”,S4、S5、S6和S7固定为“0”。
用户码一共有8种,利用SEL引脚与KO0-KO7中的任意引脚相连接来进行选择。
TC9012的用户码设置见表2.3。
表2.3TC9012的用户码设置
与SEL相连
用户码(S2S1S0)
KO0
000
KO4
100
KO1
001
KO5
101
KO2
010
KO6
110
KO3
011
KO7
111
红外发射芯片TC9012最主要的功能设置是设置了4个通过按键进行的功能输入端KI0-KI3和8个通过按键进行的功能输出端KO0-KO7,从而形成了一个矩阵键盘,而这个矩阵键盘将共有4×
8=32个功能按键,由于是在同一系统下,所以这32个功能按键均按照同一方式进行编码,以实现特定的功能。
其使用方法是:
若将32组按键中其中一个按键按下且保持按下的状态,那么所产生的效果就是将一帧码发完之后然后会不断的发射固定的重复码,而如果此时松开该枚按键,那么所产生的效果就是系统在该帧码发完后会成功进入使用的低功耗模式。
用户码以及键数据码的发送顺序所应用的规律均是低位在前,高位在后。
2.3.3TC9012的工作模式
红外发射芯片TC9012有两种比较常用的工作模式,这两种模式分别是正常工作模式和低功耗模式。
在实际实验操作中,如果没有任何按键被按下,那么实验中的振荡器所处的状态是停振的,这样的效果是可以明显的降低功耗。
在本电路中设计了消抖功能,如果在扫描过程中检测到按键按下的的时间小于32毫秒,则被认为是按键的抖动,而不是正常的按键,所以没有任何码发出,随之产生的效果是振荡器会停振。
红外发射芯片TC9012所使用455KHz的晶振,与此同时,芯片采用的是可以进行脉宽调制的串行码,定义产生的脉宽幅度为0.565毫秒、而两个脉宽之间的间隔为0.56毫秒、总共的脉宽周期为1.125毫秒的组合表示二进制的“0”;
定义产生的脉宽幅度为0.565毫秒、而两个脉宽之间的间隔为1.685毫秒、总共的脉宽周期为2.25毫秒的组合表示二进制的“1”。
2.4红外接收头HS0038
一体化的红外射线接收头HS0038可以接收遥控信号、放大遥控信号、检波遥控信号和整形遥控信号,而且在与单片机相配合情况下可以输出能够让单片机识别的信号——TTL信号,这样做的效果就是明显简化了本设计实验中所使用接收电路的复杂程度以及整个实验电路的设计工作。
红外一体化接收头HS0038的外观如图2.8所示。
图2.8红外一体化接收头HS0038
如上图所示,一体化红外接受头芯片HS0038是黑色外壳,使用环氧树脂材料进行封装,这种封装形式能够使芯片不受荧光、灯日光等光源的干扰。
在本设计实验中,将会采用用小功率发射管进行信号的发射,由此所决定的接收距离大概为35米。
HS0038为直立侧面收光型。
一体化红外信号接收芯片HS0038所能构接收的红外信号频率为38kHz,由此得出其需要的周期为26微妙。
如上图所示,一体化红外信号接收芯片HS0038共有三个
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