智能红外遥控电风扇控制系统

目录

1.1 选题依据与研究意义 (1)

1.2 设计的任务与要求 (1)

2、整体方案设计 (3)

2.1系统方案设计 (3)

2.2方案论证 (4)

2.2.1 温度传感器的选择 (4)

2.2.2 控制器的选择 (5)

2.2.3 显示模块的选择 (6)

2.2.4 直流电机驱动方式 (7)

3、系统硬件组成 (8)

3.1 单片机主控单元设计 (8)

3.2 独立按键电路 (9)

3.3 数码管显示电路 (10)

3.4 温度采集电路 (11)

3.5 风扇电机驱动与调速电路 (11)

3.6舵机驱动电路 (12)

3.7 LED显示电路 (13)

3.8风扇遥控发射与接收电路 (14)

3.9单片机引脚资源分配 (15)

4、软件设计 (16)

4.1 程序设计 (16)

4.2 温度测量子程序 (17)

4.3 数码管显示子程序 (18)

4.4按键扫描子程序 (19)

4.5转速计算函数 (20)

4.6 延时函数 (21)

4.7定时函数 (21)

4.8红外遥控函数 (22)

5、系统仿真与调试 (23)

5.1 独立按键调试 (23)

5.2 数码管显示调试 (23)

5.3 温度采集调试 (24)

总结 (26)

参考文献 (27)

附录1 (29)

附录2 (30)

摘要：传统的手工操作、模拟调控为主的风扇，功能简单，智能化程度不高，调速方式一般采用电机抽头的小型电机来实现，不能实现无级调速，而且功耗高，效率低。针对上述缺点，本设计采用单片机STC89C51作为控制器，利用数字温度传感器DS18B20作为温度采集器，可以根据采集的温度，另外通过单片机的脉宽调制控制三极管的导通关断来驱动风扇电机和控制风扇电机的转速。风扇可利用红外遥控器或手动按键实现切换风扇的挡位、工作模式以及定时时间，可根据系统设定温度与实际检测到的温度进行比较来实现风扇的自动启停，并可以根据温度的变化来自动改变风扇转速，同时可通过数码管来显示实际检测的温度。关键词：单片机、DS18B20、风扇控制器、红外遥控

Abstract:Traditional manual operation, analog control based fan, Simple function, low intelligence, Speed regulating mode is generally realized by small motor with motor tap. Can not achieve stepless speed regulation, And high power consumption, low efficiency. In view of the above shortcomings, this design use the single chip microcomputer STC89C51 as the controller, The digital temperature sensor DS18B20 is used as the temperature collector. According to the collected temperature through the single chip pulse width modulation control transistor on and off to drive the fan motor and control the speed of the fan motor. The fan can use infrared remote control or manual button to switch the fan's gear, working mode and timing time, Automatic start and stop of the fan can be realized by comparing the set temperature of the system with the actual detected temperature, and the fan speed can be changed automatically according to the change of temperature, and the actual detected temperature can be displayed through the digital tube.

Keywords:single chip microcomputer, DS18B20, fan controller, infrared remote control

1、绪论

1.1 选题依据与研究意义

电风扇在生活日常中常常能够见到，特别是在酷热的夏天，电风扇的身影无处不在，虽然空调已经慢慢开始普及，但是电风扇以其容易携带，价格便宜等优点，依然占据着重要地位。现在的电风扇大多数是传统的手工操作为主的风扇，功能比较单一，其智能化及自动化水平不能满足人们的日常需求，而且大多数采用电机抽头的小型电机来实现调速，这种调速方式不能实现无级调速，而且能耗高，效率低。在另一方面，在入夜之后，温度会比白天的低，当人入睡之后，电风扇的转速应该适当降低，以免感冒。传统的电风扇必须由人手动换挡，当人睡着之后，就无法调节了，大多数的传统电风扇都用定时器来实现定时关闭电风扇，不好的方面有：1、定时时间被限制，大多数只有两个小时；2、电风扇在定时关闭之后，如果人还是感觉到热，没有遥控来控制，又要起床开电风扇，很麻烦；

3、只是单纯的关闭电风扇，电风扇的转速大小没有根据环境的温度变化而变化，说明这种电风扇的设计非常的不人性化。

为了改良传统的电风扇，本人设计出基于微处理器的可遥控的电风扇控制系统。该系统根据DS18B20采集送入单片机的环境的温度去控制直流电机转速和LED数码管上能够显示采集到的温度，并且可以用红外遥控控制电风扇控制系统实现不同功能的切换和一些重要参数的设定。

1.2 设计的任务与要求

设计一个满足如下功能或技术指标的基于单片机控制的红外遥控式风扇控制器：

（1）能用红外遥控器以及按键手动设置风扇的工作模式（自动工作模式以及手动工作模式），能实现风扇的启动、停止、摇头、定时、风速档位切换等功能；

（2）风扇面板有电源、风扇档位、定时时间、摇头等LED指示灯，数码管显示能显示环境温度；

（3）风扇具备摇头功能；

（4）定时时间切换（30min、60min、90min）；

（5）手动工作模式具有高、中、低三种风速；

（6）自动工作模式能依照环境温度来自动调节风速，可以设定温度的上下限值，当温度低于下限值风扇停止运转；当温度高于上限值风扇全速运转；当温度在上下限值之间风扇可以根据温度高低无极调速（可以用PID算法调速）。

2、整体方案设计

2.1系统方案设计

本设计的整体思路是：单片机STC89C51读取利用数字温度传感器DS18B20检测到的环境温度数字信号，用数码管SM420364显示实时的温度；显示自动模式时需要设置的温度上限，下限；手动模式时显示挡位以及当前的温度。设置温度上限，下限时，可以精确到个位，精确到小数点后一位时显示实时的温度时。采用PWM脉宽调制来控制直流电机的转速。可以通过按键电路来选择手动模式或者自动模式，在选择手动模式之后，通过按键电路还可以选择转速挡位，另外选择自动模式之后，可以通过按键电路预设置温度的上限与下限值。可以通过红外遥控实现与面板上的按键一样的功能。

图2.1 系统构成框图

2.2方案论证

本控制系统的设计可以实现对直流电风扇转速的控制，有自动模式和手动模式，有遥控、实时的显示温度，摇头以及定时功能，为了实现这些功能，需要可靠的控制器、温度采集元件、电机驱动元件、显示器以及直流电机。

2.2.1 温度传感器的选择

关于温度传感器的选择在基于单片机的智能红外遥控电风扇设计中有以下

三种方案：

方案一：本设计的温度采集元器件使用热敏电阻，温度采集电路的电压会随着温度的改变而改变，那是因为温度变化时，热敏电阻的阻值也在在变化；因为这个特性，所以热敏电阻被广泛应用到各种需要采集温度的电路上，电压改变说明温度也在改变，但是电压信号属于模拟信号，单片机不能直接接收处理模拟信号，需要先把模拟信号转换为数字信号，所以电压信号还要通过A/D转换模块转换成为数字信号，只有处理好的数字信号才能被单片机处理。总的来说，温度变量先转换成热敏电阻阻值的变量，再把阻值的变量转换为电压信号的变化，最后把电压信号转换为数字信号，最后传输给单片机处理。

方案二：本设计的温度采集元器件使用热电偶，热电偶的基本原理就是将两种不一样成分的材料组成一个环路，当两种材料所处的温度不一样的时候，两种材料的电动势就会不一样，就会产生电流，进而产生不一样的电动势，这就是所谓的塞贝克效应。热电偶是如今运用很广泛的温度测量元器件之一，但是热电偶电路输出的也是模拟信号，也要用A/D转换模块处理之后才能输出给单片机处理，故该方案与方案一大体一样，但是该方案还要配合桥式电路使用，所以说该方案比方案一复杂。

方案三：本设计的温度采集元器件使用数字温度传感器DS18B20，数字芯片DS18B20可以把温度模拟量在芯片内部转换成温度信号的数字量给微控制器处理，不需要任何的外部硬件电路可以说使用数字温度传感器DS18B20使本设计控制系统的设计难度得到比较大的降低。

关于方案一，本设计的温度采集器件使用热敏电阻，该元器件有着物美价廉，采购简单方便的特点，但是只有温度明显的变化，热敏电阻才对温度具有明显的敏感特性，若温度变化细微，热敏电阻的阻值维持在原来的阻值左右，基本没有多大变化，而且8位的数模转芯片AD0809只能将测得的温度模拟量转换到1摄氏度的数字量，不可以精确到0.1摄氏度后。另外热敏电阻的阻值和温度之间的关系并不是线性的，所以在某些情况下会造成误差，该信号通过放大、转换，误差值也会随着变大，一定的电路设计可以纠正误差，但是这个意义并不大，而且会使本系统设计复杂化，成本会有所提高。故该方案不适合本系统。

方案二，使用热电偶设计相应的电路作为温度传感器，首先热电偶性能稳定可以适应复杂的环境应用广泛；其次热电偶技术成熟可以做出很不错的电路使得输入输出有良好的线性特性。虽然热电偶有诸多优点但并不适用本设计，首先热电偶测量温度的范围在－５０到１６００摄氏度左右，不适合于测量－１０到６０摄氏度左右的环境温度，因为测量范围广就会造成测量精度相对于测量小范围温度的传感器而言不是那么高。测量环境温度一般要求需要精度能达到０．１摄氏度，显然热电偶达不到此精度。

方案三，使用集成电路的数字温度传感器，比较常用的是DS18B20，集成电路的数字温度传感器，因为将电路集成在一个小的封装内部，抗干扰能力优秀，精度较好，并且外围电路简单，可以减小硬件电路设计的难度。还有集成电路的数字温度传感器输出是０或者１的数字量，抗干扰能力进一步增强。DS18B20采用1-WRIE单总线技术，通信电路简单，它是专门用于测量环境温度的，测量范围在－５５摄氏度到１２５摄氏度。DS18B20是非常适合作为本设计的温度传感器。

2.2.2 控制器的选择

关于控制器的选择在基于单片机的智能红外遥控电风扇控制系统设计中有

以下两种方案：

方案一：本设计的控制器使用凌阳系列单片机；集成度高、数/模混合、功能全、低电压、低功耗以及易于开发等是凌阳单片机特点。可以实现各种复杂的逻辑、功能密度高、模块大，所有的元器件都被集成到一块小小的芯片内，所以

说集成度很高，体积也变得非常小，抗干扰能力也得到提高。凌阳系列单片机的处理速度很快，系统的运行的速度比使用一般的单片机快，所以该单片机更加适合作为实时控制系统的微控制器。

方案二：本设计的控制器使用单片机STC89C51，该单片机能实现本系统的所有控制要求，性价比高，外围电路设计简单，资料丰富，而且容易查找，I/O 口操作简单，程序容易烧写。

相对于凌阳系列单片机来说，单片机STC89C51物美价廉，而且凌阳系列单片机和单片机STC89C51作为本控制系统的微处理器的差异不大，从成本方面和适用性方面来考虑，单片机STC89C51更加适用于作为本控制系统的微控制器，所以选择方案二。单片机STC89C51作为本系统的微控制器，可以实现独立按键的扫描、LED数码管的显示控制、直流电机的转速控制。故本系统采用方案二。

2.2.3 显示模块的选择

关于显示器的选择在基于单片机的智能红外遥控电风扇设计中有以下两种

方案：

方案一：本设计的显示器使用LED数码管，关于数码管的显示方式有两种，一种是静态显示方式，另一种是动态显示方式，本系统使用动态显示方式，能显示几个英文和几个数字，虽然显示内容较少，但是对于本系统来说已经够用了。

方案二：本设计的显示器使用液晶显示屏LCD1602，液晶显示屏和LED数码管相比，能显示更加多种类的字符，而且形态也更加优美，但是硬件电路的设计和程序的编写不比LED数码管的简单，另外，液晶显示屏的成本要比数码管的要高至少好几倍。

对于方案一，若本设计系统的显示器采用LED数码管，该方案的成本不高，而且耗能很低，显示的字符也一目了然，而且LED数码管的硬件设计和程序编写都比较简单，这就是为什么LED数码被广泛使用的原因之一，但是在动态显示模式下，LED数码管的动态扫描频率要大于50Hz，数码管动态扫描频率小于50Hz，人就会感觉到数码管在闪烁，而动态扫描频率大于50Hz，人就不会感觉数码管在闪烁，这就是利用了所谓的“余晖效应”。

对于方案二，虽然液晶显示屏显示字符的能力比LED数码管的要强，显示得更加漂亮，但是本系统只需显示0~9和A~H字符，利用LED数码管显示刚好够用，既不浪费，也不多余，而且LED数码管的成本比液晶显示屏要低很多，故选择LED数码管作为本设计的显示器。

2.2.4 直流电机驱动方式

关于直流电机驱动方式在基于单片机的智能红外遥控电风扇设计中有以下

两种方案是：

方案一：采用变压器改变电压的方法作为本控制系统调节电机转速的方法，首先，将220V交流电通过变压器转换为需要的多个交流电压，然后再将转换后的交流电压通过整流桥，最终获得所需的不同直流电压，在需要调节直流电机转速时，通过选择不同的电压值来改变直流电机的转速。

方案二：采用脉宽调制控制MOS管或者三极管的周期内导通时间的方式来控制直流电机的转速；MOS管或者三极管与直流电机串联，MOS管或者三极管的导通由单片机STC89C51端口输出的PWM（脉宽调制）控制，通过控制MOS管或者三级管的导通时间从而控制直流电机的周期内的平均电压，从而控制直流电机的转速。

对于方案一，利用变压器来改变直流电机的电压，从而改变直流电机的转速，硬件电路的设计不仅复杂，硬件设计量大，而且变压器发热严重，效率也低，另一方面，这种方式不能实现无极调速。

对于方案二，PWM（脉宽调制）控制直流电机转速是一种利用了数字输出控制模拟输出的一种技术，这种技术具有很好的抗噪声能力，而且经济实惠，成本低，利用PWM（脉宽调制）控制MOS管或者三极管的导通时间即可实现控制直流电机的转速，功耗低，故本系统选择方案二作为直流电机的驱动方式。

3、系统硬件组成

基于单片机的智能红外遥控系统由数字温度传感器DS18B20、单片机STC89C51、数码管SM420364、MOS管或者三极管驱动直流电机电路等一些其他的电路组成。使用具有修改程序就可以实现系统更新的具有物美价廉的微控制器STC89C51作为本控制系统的核心控制器。

3.1 单片机主控单元设计

（1）复位电路

复位电路：复位电路是一种使整个系统恢复到最开始运行时的电路，51单

片机的复位方式有上电复位和按键复位，本控制系统采用上电和按键复位的方式，在控制系统在执行的过程中，控制系统受到环境因素、电磁因素等其他因素干扰时，控制系统可能会出现偏离原来预想的情况，这种情况被称为程序跑飞，在这个时候，只需按下复位按键，单片机的复位引脚就会置于高电平，持续两个机器周期之后，单片机就会开始执行复位操作，松开按键之后，单片机的复位引脚就会置于低电平，系统退出复位状态，控制系统就会自动恢复到初始状态。复位电路如下图3.1所示。

图3.1 复位电路

（2）晶振电路

晶振电路：晶振电路是单片机最小系统必要的电路，在控制系统中，微控制器完成一次访问存储器的时间称为一个机器周期，这是一个时间基准。十二个时钟周期为一个机器周期。如果用一个十二兆赫兹的晶振作为控制系统的晶振电路的主要元器件，那么它的时钟周期就是十二分之一微秒，根据上面的算法，时钟周期再乘以十二就是机器周期，也就是一微秒。经常用到的震荡晶体的值有为12兆赫兹，11.0592兆赫兹以及6兆赫兹，本控制系统选择12兆赫兹的晶振，电容C1以及C2的作用是稳定振荡频率以及快速起振，可以选择20~100pF的电容，选择的电容不一样，对震荡电路的起振速度有不同的影响，再本控制系统中，选择容值为30pF的电容作为晶振电路的电容。晶振电路如下图3.2所示。

图3.2 晶振电路

3.2 独立按键电路

三个分别具有调高温度、调低温度和挡位功能的按键组成的独立按键电路，独立按键的一端分别与单片机的P1.0、P1.1以及P1.2连接，另一端都直接接地，在没有按下独立按键之前，微控制器的P1.0、P1.1以及P1.2端口检测到的都是高电平的，当按下其中的一个独立按键之后，单片机的相应的端口会检测到低电平，继而执行相对应的功能。在控制系统开始运行之后，与独立按键连接端的微控制器接口，如果按的是挡位控制按钮则在手动和自动模式任意下切换。

独立按键的电路图如下图3.3所示：

图3.3 独立按键电路

3.3 数码管显示电路

四个共阴极LED数码管作为本控制系统的显示器；第一个LED数码管的用于显示电风扇的所运行的模式，手动模式可以显示不同的直流电机转速的1、2、3挡位，自动模式显示b；数码管的后三位用于显示实时温度以及设定的温度，处于设置温度上下限时，可以显示到温度的个位，精确到1摄氏度，当处于显示实时温度时，可以显示到温度的小数点的后一位，精确到0.1摄氏度。微控制器用P0口控制LED数码管段时，需要接上拉电阻，这样才能有足够的能力去驱动LED 数码管，微控制器的P0.0~P0.7端口分别与LED数码管的a~dp线连接，当选择好LED数码管的段选之后，还要进行LED数码管的位选，也就是选择哪一个数码管进行显示，四位数码管分别与微控制器的P2.1~P2.7连接，需要显示哪一个LED数码管，与要选的LED数码的微控制器的端口置于低电平，数码管的显示电图如下图3.4所示。

图3.4 数码管显示电路图

3.4 温度采集电路

在使用数字温度传感器DS18B20时，采集好的温度数据通过信号线传输到单片机来实现数据采集。微控制器与DS18B20的连接电路也非常简单，只需要把微控制器任意的一个I/O口与DS18B20的信号线相连，外接一个4.7k的上拉电阻，就可以实现时钟信号和数据的传输和接收，一个微控制器的I/O口可以同时连接多个数字温度传感器DS18B20。在本控制系统的设计中，数字温度传感器DS18B20接在微控制器P2.0端口，数字温度传感器DS18B20与微控制器的连接图如图3.5。

图3.5 温度采集电路

3.5 风扇电机驱动与调速电路

在本控制系统设计中直流电机的驱动和调速是通过PWM控制MOS管或者三极管的导通与关闭实现的。

直流电机的调试可以分为手动模式和自动模式两种，在自动模式下，环境的温度在设定温度的上下限之内的话，直流电机的转速会随着温度的变化而变化，当温度升高时，直流电机的转速也会适当的增加，如果环境温度降低的话，直流电机的转速也会适当的降低。当温度高于设定温度时，直流电机全速运行，当检测到的温度比设定的最低温度还要低时，直流电机停止运转；当温度又升到比设

定的最低温度还要高时，风扇再次启动；在手动模式下，风扇会定速运行，不同的挡位直流电机的转速就不一样。直流电机的驱动与调速电路图如下图3.6所示。

图3.6 直流电机的驱动与调速电路图

3.6舵机驱动电路

本控制系统用单片机输出PWM控制一个舵机来实现电风扇的摇头功能，舵机共有三根线，一根电源线，一根地线，还有一根信号线，单片机通过信号线来控制舵机的转角。设置周期为20 ms，着这个周期内输出高电平的时间不同，舵机转过的角度也会不同，从而实现风扇的摇头功能，图 3.7为高电平持续时间0.5ms~2.5ms对应的舵机角度以及图3.8为舵机的驱动电路图：

图3.7 舵机输出转角与输入信号脉冲宽度的关系图

图3.8 舵机电路图

3.7 LED显示电路

当电风扇执行摇头以及定时30分钟、60分钟、90分钟时，单片机的P3.0~P3.3端口会输出高电平，对应的LED就会被点亮，定时结束之后，单片机的P3.0~P3.3端口会输出低电平，LED就会熄灭，直观的显示出风扇是否在定时。对应的LED 显示电路如下图3.9所示。

图3.9 LED显示电路图

3.8风扇遥控发射与接收电路

红外遥控电路拥有与面板上的按键电路一样的功能，能够实现风扇的摇头、模式切换、设置温度上下限以及挡位的设置，遥控范围一般在八到十米，使用三伏扣式电池供电。红外遥控系统分为发射部分和接收，红外遥控的发射与接收要严格遵循发码协议，引导码是告诉接收机准备接收红外遥控码.系统码是识别码,不同的遥控芯片有不同的识别码,以免搞错。引导码、系统码键码组成了发码协议。图3.10为风扇遥控发射以及接收电路。

图3.10风扇遥控发射与接收电路

3.9单片机引脚资源分配

表3.1单片机接线说明

单片机引脚硬件引脚作用

P1.0 温度加/挡位加键

K1

设定温度个位加一或者挡位加一

P1.1 温度减/挡位减键

K2

设定温度个位减一或者挡位减一P1.2 模式切换键K3 自动模式和手动模式之间来回切换P3.5 DS18B20引脚读取DS18B20采集到的温度数据P3.6 PWM输出输出PWM波以控制电机

P3.7 PWM输出输出PWM波以控制舵机

P0 数码管段位选择控制数码段位显示

P2.4~P2.7 数码管位选择数码管显示选择

P1.3

P3.0

P3.1~P3.4 定时键

LED

LED

设置倒计时停止的时间

电风扇摇头时LED灯亮

依次显示30分钟、60分钟、90分钟定时

4、软件设计

4.1 程序设计

程序设计包括主程序、DS18B20的初始化子程序、DS18B20的温度转换子程序、单片机读取DS18B20的采集到的温度子程序、独立按键扫描子程序、数码管显示子程序以及直流电机的控制子程序；温度采集子程序完成对DS18B20的初始化、实时温度的采集；独立按键扫描子程序扫描按键是否有被按下；数码管显示子程序实现数码管显示实时的温度以及工作模式，直流电机转速控制子程序完成对直流电机转速的控制。