电子设计大赛之智能电风扇的设计.docx
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电子设计大赛之智能电风扇的设计
题目名称:
智能电风扇的设计
摘要:
本设计以MSP430F149单片机为核心控制模块,采用HS0038光电传感器和DS18B20温度传感器来测量电风扇的转速和检测时刻环境温度,通过主从单片机之间的串行通信来完成电风扇转速数据处理、模式控制和转速控制等,采用PWM脉冲调制技术来控制风扇的转速,用键盘和HB12864液晶显示来实现人机交互,用红外发射和接受装置来完成遥感控制功能。
该系统有电风扇的无级调速,并可以对电风扇的转速进行设置和转速的实时测试和显示、具有睡眠风、自然风等多种工作模式可以选择、能显示日期、时间、温度、风扇转速、运行模式等等信息和实现定时自动开、关机等功能,系统结构简单,步进小、精度高等优点。
关键词:
单片机红外遥控智能控制风扇
Abstract:
ThisdesigntoMSP430F149microcontrollerasthecorecontrolmodule,theHS0038photoelectricsensorandDS18B20temperaturesensortomeasurethespeedoftheelectricfanandtestingtime,throughthemaster-slaveSCMenvironmenttemperatureofserialcommunicationbetweentocompletetheelectricfanspeeddataprocessing,patterncontrolandspeedcontrolandsoon,USESthePWMpulsemodulationtechnologytocontrolthespeedofthefans,usethekeyboardandHB12864liquidcrystaldisplaytorealizehuman-machineinteraction,withinfraredemissionandacceptdevicetocompleteremotesensingcontrolfunction.Thesystemhasthefansteplessspeedregulation,andtotheelectricfanspeedsettingandspeedofthereal-timetestinganddisplay,withthewind,suchasnaturalsleepDuoZhongworkmodelstochoose,canshowthedate,time,temperature,fanspeed,themodeofoperationandsooninformationandrealizetheautomaticshutdownopen,suchastimingfunction,systemstructureissimple,stepintosmall,highprecisionofadvantages.
Keyword:
temperaturesensor;infraredremotecontrol;intelligentcontrol;fan
1方案设计和论证
1.1整体方案比较和选择
根据课题要求,智能电风扇需要温度智控功能:
风扇可以感知环境的温度,以调节风扇的转速,达到更好的工作效果。
用户可以选择这种智能调速方式,也可以选择手动设定方式来控制转速。
当选择手动设定方式时,该功能不发挥作用。
多种安全保护功能:
当风扇的倾斜角度大于一定程度时,电机将停止工作,以保证安全;当风扇电机温度超过允许温度时,为保证安全使用,电机同样会停止工作。
多级调速功能:
提供更多的风力级别和风型,提高用户的舒适度。
定时工作功能:
该定时功能可以让用户自己定制风扇工作时间的长短,以提供更人性化的服务。
液晶显示功能:
使用液晶屏显示当前室温,风扇的转速,风扇的工作模式。
红外遥控功能:
提供远距离非接触式的风扇控制操作。
1.2电源方案比较选择
根据要求,需要制作能够产生正负12V,+5V和+3.3V的电压源。
由于稳压芯片的选择不同有以下四种方案:
方案1:
采用LM7812、LM7805、LM7912稳压芯片,分别产生+12V、+5V、-12V的恒定电压。
+3.3V电压由TL431芯片,根据电阻分压产生。
(如图1所示)。
方案优点:
该方案硬件电路原理简单,在调试电路和使用电路时操作简单。
都是独立输入电压后稳压到一定的值,所以电路相互干扰较小,灵活性高。
方案缺点:
输出电流不是很大,所以驱动能力较弱。
TL431输出电流较小,需要扩流电路,增加设计的工程量和复杂度。
此外,消耗在各独立电路上的焦耳热很多,转换效率低。
图1电源方案1电路设计框图
方案2:
采用LM7912产生-12V电压,LT1805-5和LT1805-3.3分别稳压达到+5V、+3.3V。
以LM7812的输出作为LM7805的输入,以LM7805的输出作为LT1805-3.3的输入。
(如图2所示)
方案优点:
该电路原理和制作都较简单,消耗的焦耳热较小,电流输出较大。
方案缺点:
电路的独立性不强。
需要四个散热片,在电路板上占用空间较大。
图2方案2电路设计框图
方案3:
采用LT1805-12产生正负12V电压,LT1805-5和LT1805-3.3分别稳压达到+5V、+3.3V(如图3所示)。
方案优点:
该方案中涉及芯片LT1805稳压后输出电流可以达到3A,所以输出功率足够大,则带负载的能力强。
此外,用LT1805-5的输出作为LT1805-3.3的输入,则消耗的焦耳热大大的减少了,提高了转换效率。
电路灵活性很强。
方案缺点:
需要四个散热片。
图3方案3设计电路设计框图
方案选定:
基于以上论证选择方案3
2系统设计
2.1总体设计;
根据设计要求,电路的总体模块可以如下图4所示:
图4总体设计电路模块框图
●温度检测模块:
采用DS18B20,主要用来检测室温和电风扇的温度;
●人机接口包括红外遥控,键盘模块和LCD显示模块,实现电风扇和用户的信息交互;
●液晶显示模块:
用HB12864作为显示部分,供电为3.3V;
●时钟电路模块:
由DS12C887构成;
2.2各单元模块功能介绍及电路设计;
2.2.1遥控发射和接收电路模块
发射电路由两个红外发光二极管,增加了红外光的发射范围,增加了接收的可靠性。
电路如下图5所示:
图5红外发射模块
构成红外接收电路采取红外接收器件HS0038,通过系统的输入捕捉接收红外遥控信号。
R8和C7主要是构成低通滤波的作用。
R10为1K对于起指示作用的发光二极管而言是限流作用。
具体电路如下图6所示:
图6红外接收电路
2.2.2电风扇驱动隔离电路
由L298驱动芯片构成电风扇的驱动电路。
内部有4路输入和输出,主要是对输入信号的幅度提升从而达到提高驱动功率的作用。
该电路在单片机和驱动电路之间有由PC817构成的隔离电路,对单片机有保护作用。
该电路需要注意的部分是隔离电路的两个地是不能连在一起的,如果连在一起则不能起到隔离作用。
驱动电路如下图7所示:
图7风扇驱动电路
2.2.3键盘模块
4X4键盘模块采用的是总线控制方式,独立键盘采用的是独立I/O口控制。
用了两个锁存器74HC573,由于74HC573是单向的,所以在读的这部分采用反接的形式。
此单片机的供电部分注意接上电容进行滤波。
此外SC12C5A60S2在该处采用的是上电复位的形式。
矩阵键盘如下图8所示:
图8单片机总线控制的键盘电路
2.2.4定时电路
定时电路采用的定时芯片是DS12C887,构成电路如下图9所示:
图9定时电路
2.2.5温度探测电路
单线数字温度传感器DS18B20采用一线总线接口,大大节省了系统的I/O资源。
电路如下图10所示:
图10温度传感器DS18B20构成电路
2.2.6电源模块
该模块利用LT1805分别产生±12V,+5V,+3.3V电压,每个芯片都用一个发光二极管作为指示作用。
(电源模块电路图如下图11所示)其中发光二极管电路中限流电阻的选择按如下计算:
(式1)
说明:
发光二极管的正向工作电压Vd范围为1.5V-3V,允许通过的电流I为2-20mA,电流的大小决定了发光的亮度。
电压、电流的大小依器件型号下同而稍有差异。
若和TTL组件相连接使用,一般需串联一个电阻,以防止器件损坏。
因为VCC为12V时,若Vd=2V,I=10mA,利用(式1)可得:
=R
图11电源模块
2.3特殊器件的介绍;
2.3.1单片机STC12C5A60S2
单片机STC12C5A60S2作为红外遥控模的核心控制器,利用该单片机和主机上的MSP430F149单片机之间的串口进行红外遥控通信,该单片机的内部结构如下图12所示:
图12单片机STC12C5A60S2内部结构
2.3.2时钟芯片DS12C887
DS12C887低功耗实时时钟芯片为本系统提供系统时间,它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能。
下图13为该时钟芯片的内部结构图:
图13DS12C887内部结构图
2.3.3红外接收管HS0038
红外接收接收电路如下图14所示:
图14红外接收电路
2.3.4通用光电耦合器PC817
PC817在输入和输出间最大隔离电压幅值可以达到5KV,接在单片机的I/O口和L298的驱动电路输入端间起到隔离和保护单片机的作用。
内部电路图如下15所示:
图15PC817内部电路连接图
3软件设计
3.1设计思路
3.1.1扫描键盘模块
键盘扫描程序就是扫描键盘看是否有键按下,如有键按下判断出是哪一个键,当确定按下某一个键后,即执行红外发射程序。
扫描的方法是判断P1口各位的电平,无按键按下时,各位均为高电平,当某一个按键按下以后,该位即为低电平。
3.1.2红外接收模块
使用输入捕捉中断处理红外遥控信号,根据不同的红外编码,可以完
成调节风速,风型,时间,照明等功能。
红外输入捕捉中断模块的流程图如下:
3.2软件流程图
图软件主流程图
4系统测试
4.1测试方法
步骤1:
将遥控模块,红外接收模块,测转速模块分别检测板子是否可以正常工作。
调试正确后,针对每个模块进行编程控制。
步骤2:
每个部分能够独立完成工作后,将每个模块融合在一起,共同完成整个系统的功能。
步骤3:
对主控芯片MSP430单片机编写控制程序,最后完成对风扇的智能控制。
步骤4:
观察液晶的上显示的工作模式,风型和转速等其他信息并进行功能的比对和完善。
4.2测试结果
此处放几张液晶显示的照片
4.3结果分析
能够达到以下要求:
1、实现电风扇的无级调速,并可以对电风扇的转速进行设置和转速的实时测试和显示。
2、实现直流电风扇的反转控制和速度设置和显示。
3、有睡眠风、自然风等多种工作模式可以选择。
4、关机时自动记忆当前设置的运行参数,下次开机自己载入关机时的运行模式和当前的实时日期和时钟。
5、具有LCD显示功能,能显示日期、时间、温度、风扇转速、运行模式等等信息。
6、能实现定时自动开、关机。
7、具有温度测量和显示功能,测温精度优于1℃。
8、能实现全功能红外线遥控,通过红外遥控板实现全部的参数设置和调节。
9、具有可编程运行模式设置功能,即可以自己编程设置风扇的连续运行模式,比如设置强风连续工作2分钟,之后转为中等强度的风,工作20分钟后,编程自然风状态,工作1小时后关机。
5结论
本次课出现的问题如下:
1、稳压芯片L7805的封装没有核对清楚,导致安装上后芯片很热。
该芯片管脚和LM7805是有区别的,下次遇到应该注意。
2、在对键盘操作时候,对锁存器74HC573没有处理好,导致数据一直不能正确写入。
3、在PCB布板时,HS0038的接收部分一定要放在板子的边上。
有散热片的芯片也该注意这一点。
参考文献
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附录:
附1:
主要元器件明细表:
1、时钟芯片DS12C887
2、光电接收管HS0038
3、光电耦合元件PC817
4、LT1805(3.3V,5V,12V)
5、液晶HB12864
6、温度传感器DS18B20
7、测速元件OS25B10
附2:
仪器设备清单
1、低频信号发生器
2、数字万用表
3、失真度测量仪
4、数字示波器
5、DCPOWERSUPPLY
附3:
电路图图纸
附图1遥控原理图
附图2时钟驱动测温红外接收电路
附图3遥控电路PCB
附图4时钟驱动测温红外接收电路PCB
附图5实物电路图
附4:
程序清单
- 配套讲稿:
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