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广泛用于家庭、办公室、商店、医院和宾馆等场所。
1882年,美国纽约的克罗卡日卡齐斯发动机厂的主任技师休伊•斯卡茨•霍伊拉,最早发明了商品化的电风扇。
如今的电风扇已一改人们印象中的传统形象,在外观和功能上都更追求个性化,而电脑控制、自然风、睡眠风、负离子功能等这些本属于空调器的功能,也被众多的电风扇厂家采用,并增加了照明、驱蚊等更多的实用功能。
这些外观不拘一格并且功能多样的产品,预示了整个电风扇行业的发展趋势。
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,价格低廉而且相对省电,安装和使用都非常简单。
本课程设计的目的:
1、培养针对课题需要,选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力,提高组成系统、编程、调试的动手能力;
2、通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程,软硬件设计的方法、内容及步骤;
3、巩固、加深和扩大单片机应用的知识面,提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。
第一章设计任务
课题内容
电风扇模拟控制系统设计
课题任务
1.用4个LED显示电风扇的工作状态(1,2,3,4四档风力),显示风类:
“自然风”、“常风”和“睡眠风”;
2.设计“自然风”、“常风”和“睡眠风”三个风类键用于设置风类;
3.设计一个“定时”键,用于定时时间长短设置;
设计一个“摇头”键用于控制电机摇头;
第二章系统设计方案
设计方案特点
1.初始加电时,电风扇不加电,四位数码显示器不显示,只有按下“自然风”、“常风”和“睡眠风”任一按键,电风扇开始工作。
同时,定时器只要不进行新的时间设置,电路就将按系统默认控制负载定时工作的时间方式自动开始运行。
2.电路允许用户随时通过按键开关自行输入设置新的定时时间参数,其范围可在1分钟至990秒之间任意设置。
3.在进行时间参数设置和整个定时过程中,系统采用四位数码管显示,最高位显示风类,后三位显示定时时间,做“百位、十位、个位”的倒计时显示,同时用数码管上小数点的同步闪亮作为秒显示,显示直观、准确。
4.在整个定时状态下,电路具有允许用户随时自行选择使用“自然风”状态,也可选择使用“常风”和“睡眠风”状态。
5.按下“摇头”键,“摇头”电机先正转30ms,再反转30ms,如此往复。
系统的工作原理
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
系统的组成
AT89C51单片机主要功能部件
•与MCS-51兼容
•4K字节可编程FLASH存储器
•寿命:
1000写/擦循环
•数据保留时间:
10年
•全静态工作:
0Hz-24MHz
•三级程序存储器锁定
•128×
8位内部RAM
•32可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•5个中断源
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
系统设计框图
本设计采用AT89C51单片机为核心控制器件,系统框图如图2所示
图2
第三章系统硬件设计与软件设计
系统硬件设计电路图
该系统以AT89C51单片机为核心,由电源电路,时钟电路,复位电路,显示电路,键盘,电机组成。
图3是系统硬件电路图。
图3
系统复位电路和时钟电路
复位电路:
首先形成单片机最小系统,在89C51单片机芯片XTAL1、XTAL2加入时钟电路,RST加入复位电路,EA加入高电平。
89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位电路分为上电复位和手动复位,我们采用的是上电+手动复位,正常工作时按下S1键,9脚变成高电平,单片机复位,按键松开,通过电容放电,9脚回到低电平。
采用的是12MHZ晶振,所以C=10uf,R2=,R1=200Ω。
如图4
图4
时钟电路:
89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生:
一是内部时钟方式,二是外部时钟方式。
采用内部时钟方式:
89C51单片机各功能的运行都是以时钟控制信号为基准,有条不紊的工作。
因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,该高增益反相放大器的输入端为芯片引进XTAL1,输出端为引脚XTAL2。
这两个引脚跨接石英晶体振荡器(简称晶振)和微调电容,就构成一个稳定的自激振荡器,如图5时钟电路所示,是89C51内部时钟方式的振荡器电路。
电路中的电容C1、C2典型值通常选择30pF,对外接电容虽然没有严格要求,但电容的大小会影响振荡器频率的高低。
振荡器稳定性和起振的快速性。
晶振的频率越高,则系统的时钟频率也就越高,单片机的运行速度也越快,此次实验我们选择的晶振是12MHZ晶振。
晶振为12MHZ时的机器周期的计算:
一机器周期=12个振荡周期,1个振荡周期T=1/f,时钟频率f=1/T,
一机器周期=1/f×
12,若晶振=12MHZ,
一机器周期=1/12×
12=1uS
外部时钟方式时把外部已有的时钟信号引入到单片机内,此方式常用于与多片89C51单片机同时工作,以便于各单片机的同步。
图5
AT89C51单片机电源电路
电路主要分为:
变压、整流、滤波、稳压四个部分。
电流进入电路,通过一个220V变9V的电源变压器把220V的交流电压变为9V的交流电压,然后通过整流器把9V交流,功率为15W左右。
变压器次级线圈输出的9V交流电压经过全桥QD2进行全波整流,C19滤波,7805稳压后,输出稳定的+5V直流工作电压。
如图7
图7
稳压芯片7805
稳压芯片7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装,能提供多种固定的输出电压,应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路。
带散热片时,输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路,但使用外接元件,可获得不同的电压和电流。
外形图及引脚排列如图8所示。
图8
它的主要特点:
•输出电流可达1A,输出电压有5V
•过热保护
•短路保护
•输出晶体管SOA保护
功能框图如图9所示。
图9
集成块74LS245功能
74LS245是我们常用的芯片,用来驱动LED或者其他的设备,它是8路同相三态双向总线收发器,可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。
当89C51单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时,必须接入74LS245等总线驱动器。
当片选端/CE低电平有效时,DIR=“0”,信号由B向A传输;
(接收)
DIR=“1”,信号由A向B传输;
(发送)当/CE为高电平时,A、B均为高阻态。
由于P2口始终输出地址的高8位,接口时74LS245的三态控制端/1G和/2G接地,P2口与驱动器输入线对应相连。
P0口与74LS245输入端相连,/E端接地,保证数据现畅通。
89C51的/RD和/PSEN相与后接DIR,使得/RD且/PSEN有效时,74LS245输入(←Di),其它时间处于输出(→Di)。
集成块74LS06功能
74LS06器件包含6路反相缓冲器/驱动器,带有高压集电极开路输出,可连接高电平电路的接口(如MOS),可驱动高强度电流负载,当然也可以充当反相缓冲器用于驱动TTL输入。
74LS06的额定输出电压为30V,74LS06的最大吸取电流为40mA。
74LS06兼容大多数TTL电路。
74LS06的输入是二极管钳位式,可以把传输产生的不良影响降到最低,大大简化了电路的设计。
74LS06典型功耗为175mW,平均传输延迟时间为8ns。
六高压输出反相缓冲器/驱动器(OC,30V)
简要说明:
7406为集电极开路输出的六组反相驱动器,其主要电特性的典型值如下:
tPLHtphlPD10ns15ns155mW
引出端符号:
1A-6A输入端1Y-6Y输出端
极限值:
电源电压7V,输入电压,输出截止态电压30V
工作环境温度74060~70℃存储温度-65~150℃如下图
LED显示电路
根据设计要求并综合各方面因素,可以采用AT89C51单片机作为主控制器,用动态扫描法实现LED数字显示,驱动信号用单片机的定时器完成,显示电路如下图10所示。
图10
直流电机原理
直流电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置,它能使绕组在气隙磁场中旋转感应出交流电动势,并依靠换向装置,将此交流电变为直流电。
其产生交流电的物理根源在于电机中存在磁场和与之有相对运动的电路,即气隙磁场和绕组。
旋转绕组和静止气隙磁场相互作用的关系可通过电磁感应定律和电磁力定律来分析。
系统软件设计
占空比技术
在一串理想的脉冲序列中(如方波),正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。
例如:
脉冲宽度1μs,信号周期4μs的脉冲序列占空比为。
在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。
在CVSD调制(continuouslyvariableslopedeltamodulation)中,比特“1”的平均比例。
在周期型的现象中,现象发生的时间与总时间的比。
负载周期在中文成语中有句话可以形容:
「三天打渔,两天晒网」,则负载周期为。
占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值。
如下图
程序框图
主程序流程图
定时器T1中断程序流程图
关中断
标志位为1
电机控制位高电平吗
置标志位
Y
N
电风扇系统控制程序
ORG0000H
LJMPSTART
ORG000BH
LJMPINTT0
ORG001BH
LJMPINTT1
ORG0030H
START:
CLR
CLR02H
CLR00H
CLR05H
MOV41H,#0AH
MOV42H,#00H
MOV46H,#00H
SETBEA
SETBET1
SETBET0
MOVTMOD,#11H
MOVTL0,#0B0H
MOVTH0,#3CH
MOVTL1,#0B0H
MOVTH1,#3CH
CLR01H
MOV45H,#0
MOVR4,#20
START1:
LCALLDISPLAY
JB,NZRF
SETB00H
SETBTR1
MOV47H,#1
MOV48H,#3
MOV41H,#1
NZRF:
JB,NCF
SETB00H
MOV47H,#3
MOV48H,#1
MOV41H,#2
NCF:
JB,NSMF
MOV48H,#5
MOV41H,#3
NSMF:
JB,WDS
ACALLMS10
JNB,SZ
LJMPWDS
SZ:
JNB,$
SETB01H
MOVA,#00H
JNCWDS
SETBTR0
SETBET0
INC45H
MOVA,46H
ADDA,#10
MOV46H,A
MOVA,45H
CJNEA,#7,WDS
MOV45H,#0
MOV46H,#0
CLR01H
CLR00H
MOV41H,#0
MOV42H,#0
WDS:
JB,WYT
ACALLMS10
JNB,SZ1
LJMPWYT
SZ1:
SETB
CLR
WYT:
JB,WGR
JNB,SZ2
LJMPWGR
SZ2:
CLRTR1
CLRTR0
MOV41H,#0BH
WGR:
LJMPSTART1
INTT1:
PUSHACC
PUSHPSW
CLRET1
JB,A1
MOVC,05H
JCAAA
MOVR1,#47H
SETB05H
AAA:
DJNZR1,B2
CPL
SJMPFH
B2:
MOVTL1,#0B0H
MOVTH1,#3CH
A1:
JCCCC
MOVR1,#48H
CCC:
DJNZR1,B3
B3:
FH:
POPPSW
POPACC
RETI
INTT0:
CLRET0
MOVA,#0B7H
ADDA,TL0
MOVTL0,A
MOVA,#3CH
ADDCA,TH0
MOVTH0,A
SETBTR0
DJNZR4,OUT0
M1:
DEC46H
MOVA,46H
CJNEA,#0,OUT0
SETB
CLR00H
MOV41H,#0AH
MOV42H,#0AH
POPPSW
POPACC
OUT0:
DISPLAY:
MOVDPTR,#TAB
MOVB,#10
DIVAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
LCALLMS10
MOVA,B
MOVA,42H
MOVA,41H
RET
MS10:
MOVR0,#100
MS:
NOP
DJNZR0,MS
RET
NOP
TAB:
DB81H,0F2H,48H,60H,32H,24H
DB04H,0F0H,00H,20H,7EH,0FFH
END
系统程序清单
名称
型号
数量
代码
单片机
AT89C51
1只
三端稳压块
7805
1只
极性电容
10uf
CAPACITORPOL
电容
30pf
2只
CAP
电阻
200
RES
5只
100
470
4只
晶振
12M
CRYSTAL
按钮
任意
6只
SW-PB
三极管
8550(PNP)
PNP
集成块
74LS06
74LS245
四位一体LED管
SM420364
电机
MOTORAC
第四章总结
本设计报告主要介绍了用单片机实现的模拟电风扇的设计方法。
系统介绍了
该电路的硬件构成和软件工作过程,系统以AT89C51为核心,主要采用中断控制系统,结合所学的单片机的知识,实现系统的功能要求。
通过这次课程设计,使我对单片机及其附属电路有了一定的了解,对课本上的知识有了近一步的掌握,也深刻明白了自己的不足。
通过这短短几周的制作,我感觉到自己从课本上学到的理论知识和实践仍有很大的差距。
很多元器件根本不知道有什么功效,在仿真仪器中是什么代码。
有的知识,自己感觉已经掌握得差不多了,但是实际操作起来就有问题出现了。
我遇到了不少问题,花费了很多的时间。
这让我重新反思我们的学习,深刻领悟到我们这个专业动手、实践的重要性。
理论不经过实践考验,是没法实施的,就像我们编的程序,很多方面考虑的都不够,几乎没有涉及到实际应用时的防范方法措施。
本次课程设计,让我学到了很多书本上学不到的东西,学到了实际应用时,是取用成本的最小化,做设计不仅要考虑大的方面,小的方面也必须做到完美。
最大的收获是:
对按键,显示器,单片机汇编语言的应用有了深刻的了解。
不足
虽然本次设计在仿真上数码管显示有问题,原因可能是自己对于整个程序和工作原理的理解还不够透彻,但是我相信,在以后的设计中我一定会逐步完善自己,取得进一步的突破。
参考文献
[1]潘新民、王燕芳.微机制器原理与开发技术.清华大学出版社,1997.
[2]苏家健.单片机原理及应用技术.高等教育出版社,1998;
[3]张迎新.单片机初级教程.北京航空航天大学出版社,1998.
[4]夏继强.单片机试验与实践教程.北京航空航天大学出版社,2001.
[5]余永权,李小青,单片机应用系统的功率接口技术.北京航空航天大学出版社,1992.
[6]周航慈.单片机应用程序设计技术.北京航空航天大学出版社,1991.
[7]何希才.传感器及其应用电路.电子工业出版社,2001.
时间
设计任务
完成情况
教师签名
1月11日
看设计任务
1月12日
至1月13日
查找资料
1月14日
整理资料
1月15日
至1月20日
开始设计
1月21日
汇总,上交老师检查
1月22日
修改设计的不足
1月23日
老师答疑
指导教师意见及成绩评定
对学生设计过程、设计质量的评分依据
总评成绩
指导教师(签名):
年月日
教研室及系审定意见
教研室主任(签名):
年月日
(系公章)
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