1、基于STC5410AD的智能電風扇控制系統摘要：本設計以STC5410AD作為智能風扇的核心，巧妙的采用單片機控制技術,無級調速技術,PWM技術,溫度傳感技術,把智能控制技術應用于一般風扇之中,將電風扇的電機轉速作為被控制量，由單片機分析采集到的數據溫度信號，再通過可控硅對風扇進行調速，從而達到無須人為控制便可以自動調整風力大小的效果,通過時鐘芯片DS1302實現定時功能,通過軟件編程,實現睡眠風和自然風。關鍵詞：STC5410AD，DS18B20，DS1302， MOC3041，開關霍爾;可控硅，電風扇，PWM技術，模糊控制，PID算法目 錄1.系統方案選擇和論證 1.1設計要求 1.1.1

2、基本要求1.1.2發揮部分1.2系統基本方案1.2.1各模塊方案選擇和論證1.2.2 系統各模塊的最終方案2.系統硬件設計與實現2.1系統硬件的基本組成2.2主要單元電路的設計2.2.1檢測部分電路的單元電路設計2.2.2 智能控制部分的單元電路設計3.系統軟件設計3.1數字溫度傳感器模塊子程序設計3.2定時功能子程序3.3 時鐘模塊子程序設計3.4按鍵功能子程序3.5系統主程序流程圖4.系統測試4.1測試儀器4.2指標測試4.2.1 溫度檢測測試4.2.2風速檢測精確度測試4.2.3風速響應時間測試4.2.4電源波動風速穩定測試4.3 結論5.總結參考文獻1.系統方案選擇和論證1.1設計要求

3、1.1.1 基本要求 發揮部分1.2系統基本方案根據題目要求，系統可以劃分為控制部分、信號檢測部分。其中控制部分包括：主控制器模塊、電機控制模塊、計時模塊、顯示模塊、模擬自然風模塊。信號檢測部分：包括溫度檢測、風速檢測模塊、按鍵檢測模塊。模塊框圖如圖1.2.1所示。為實現各模塊功能，分別做拉幾種不同的設計方案并進行論證。圖1.2.1 智能電風扇系統框圖1.2.1 各模塊方案選擇和論證 （1）主控單元方案一：采用89C51單片機。鍵盤與顯示電路、A/D轉換電路的接口電路比較復雜；本系統還要控制控制風速，需要PWM模塊還需增加專門的模塊電路，外圍電路比較煩瑣。 方案二：采用凌陽SPCE061A單片

4、機作為主控制器，該單片機內置A/D轉換模塊，在32個I/O口中，兩路DAC、14個中斷源等豐富的硬件資源，但本系統需要無級調速和模擬自然風，所以需要外加EEPROM、控制模塊和外加控制電路，電路復雜，且價格昂貴。 方案三：采用STC5410AD單片機作為主控制器，該單片機主要優點是：高速速度比普通8051快812倍、寬電壓5.53.8.V、低功耗設計、12K字節片內flash程序存儲器，擦寫次數10萬次以上512字節片內RAM 數據存儲器、芯片內部EEPROM功能、10位ADC，8通道、4路PWM、2個硬件16位定時器、硬件看們狗(WDT)，由于高速，所以控制精確，內部具有PWM，10位ADC

5、，簡化外部電路。本方案設計簡單可靠，調試容易，在系統穩定的前提下，同時可以實現很好的人機交互界面，性價比高。 經比較以上三種方案，擬采用方案三。（2）溫度檢測模塊方案一：二極管溫度傳感器MTS102，二極管作為溫度傳感器常常用在溫度變化范圍大、精度要求適中的溫度檢測電路中 ，但是它還有激勵電路，補償電路和放大電路，電路設計很麻煩。方案二：采用Pt100鉑電阻組建電橋電路，運用儀表放大器對電橋輸出的變化電壓進行差動放大，由A/D采樣數據，送入微處理器，完成溫度測量，PT100線性度不夠好，再加上輸出需要差動放大，存在溫漂，本題目要求控制量非常精確，采用PT100不能達到題目要求。方案三：采用AD

6、590溫度傳感器。AD590是美國AD公司生產的二端式集成溫度一電流傳感器，該器件體積小、重量輕、性能穩定。測溫范圍為-50+150；線性電流輸出為1AK；線性度好，測量精度為±0.3；但AD590需要外圍電路復雜,且需要占用較多的I/O口,在本題目要求測量的量比較多,所以I/O資源相對缺乏,加重了電路的復雜性。方案四：利用單線數字溫度傳感器DS18B20，只需要一根總線接口，這樣可以大大節省系統的I/O資源。基于上述考慮，擬采用方案四（3）電機控制模塊電機調速是整個控制系統中的重要方面之一，電機控制的精確性會影響整個系統的性能。方案一: 由單片機來的控制信號經光電耦合器MOC304

7、1 或者（4N25）耦合后，接可控硅MAC223 的門極，控制雙向可控硅的導通角，使輸出端電壓改變，從而是施加在電風扇的是輸入電壓發生變化，調節電風扇的轉速，實現自然風，睡眠風等各擋無級調速。過零雙向可控硅型光耦MOC3041 ,集光電隔離、過零檢測、過零觸發等功能于一身,避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發的缺陷, 簡化了電路結構。方案二：采用固態繼電器（KSD203AC3）對電機的開或者關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調整。在正常工作條件下，工作非常可靠，使用繼電器無需外加光耦，自身就可以實現電氣隔離，但本電路要求開關頻繁，繼電器需要機械運動和觸點，因此動作速度慢，不能頻繁的

8、動作。基于上述考慮,擬采用方案一.（4）風速檢測模塊風扇的轉速不能直接測得，只能通過間接方式來測量。本系統的思路是：使用傳感器檢測每一片風扇葉的轉動過程，轉換成相應的脈沖信號，并用單片機檢測單位時間內脈沖的個數，由此計算出風扇的轉速。此方法比較簡單，檢測電路簡單，關鍵在于選擇合適的傳感器。方案一：采用紅外對管檢測,紅外對管檢測速度慢,不適合高速檢測。方案二：受鼠標的工作原理的啟發，采用斷續式光電開關。由于該開關是溝槽結構，可以將其置于固定軸上，再在葉輪上均勻的固定多個遮光條，讓其恰好通過溝槽，產生一個個脈沖。通過脈沖計數，對風速進行測量。方案三：采用開關霍爾傳感器集成片。該器件內部由三片霍爾金

9、屬板組成，當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，金屬板發生橫向導通，因此可以在葉輪上安裝磁片，而將霍爾元集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數進行風速測量。以上三種方案都是比較可行的轉速測量方案。方案二，設計新穎，但在本題中，要求檢測速度快，精度高，斷續式光電開關，開關速度慢，相反霍爾元件，在工業上得到廣泛采用，適用于精度較高的場合，可以在葉輪上加較多的遮光條來滿足脈沖計數的精度要求，因此擬采用方案三。（5）定時模塊方案一：采用軟件編程來實現實時時鐘。但是，誤差較大，累計誤差就更大，難于調整，且占用單片機內部資源。方案二：采用X1226實時時鐘芯片。由于X1226為貼片封裝，硬件制作不方便，且X1

10、226掉電后不能繼續走動，須外接輔助電源。方案二：利用專用定時器芯片DS1302，DS1302內部自帶備用電池，可以對其供電，在斷電后時間仍正常運行。基于上述考慮，擬采用方案三。（6）模擬自然風模塊自然風實現，通過風扇馬達按預定編寫的程序作不規則運行，配合風速風速按鍵之設定，可分為強自然風，中自然風，弱自然風。模仿大自然之風吹效果，令風量更柔更舒適。利用STC5410AD單片機內部的EEPROM存儲要輸出風的參數，當用戶需要自然風時，由單片機讀出EEPROM中的數據，既可實現模擬自然風（7）實現睡眠風模塊睡眠風實現的原理是人的體溫會在入睡后慢慢下降，風扇的風量亦會慢慢減弱，以免入睡后著涼，實現

11、智能調節風扇風速。其實現方案主要靠軟件實現，通過軟件編程，使電風扇的速度隨人體睡眠曲線變化。（8）按鍵檢測模塊方案一：采用獨立式鍵盤。實現一鍵多種功能，這樣節省了大量的I/O口，有效地利用單片機資源。此模塊采用此方案。方案二：采用先進的五線鍵盤，用5個I/O口既可實現16個鍵盤的控制，采用中斷查詢法，實現鍵盤的控制功能，大大提高了單片機的工作效率。基于上述考慮，擬采用方案二。（9）顯示模塊方案一：采用靜態顯示技術，通過多個七段LED，同時顯示多個資料。該電路設計簡單，本題目要求同時顯示設定速度，送風種類，實際速度，實時時鐘，環境溫度等，需使用多個LED，制作麻煩且不夠經濟。 方案二：采用動態顯

12、示技術，用七段LED顯示，用鍵盤選擇要顯示的資料。但是又增加了鍵盤電路，而且增加了程序的難度。 方案三：采用點陣型LCD顯示。點陣型LCD可顯示數字，字母，文字等。但是它比較昂貴，而且編程較麻煩。 方案四： 采用漢字液晶（RT12864-M），可以顯示漢字，字符，數字等，顯示的信息量大，且軟件編程簡單，外圍電路簡單，刷新屏幕快。 基于上述考慮，擬采用方案四。1.2.2 系統個模塊的最終方案（1）經過仔細分析和論證，決定了系統各模塊的最終方案如下：（2）主控模塊：采用STC5410AD；（3）溫度檢測模塊：采用數字芯片DS18B20；（4）電機控制模塊：采用雙相可控硅MAC223；（5）風速檢測

13、模塊：采用霍爾傳感器；（6）定時模塊：采用專用時鐘芯片DS1302；（7）采用五線鍵盤；（8）顯示采用漢字液晶（RT12864-M）；2.系統硬件設計與實現2.1系統硬件的基本組成 本題是一個綜合設計，在設計中運用了檢測技術，自動控制技術和電力電子技術。系統可以分為傳感器檢測部分和智能控制部分 傳感器檢測部分采：系統利用霍爾傳感器，溫度傳感器，等不同類型的傳感器將檢測到的一系列的外部信息轉化成可被控制器件辨認的電信號。 智能控制部分：系統中的控制器件根據由傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷，控制電風扇的風速，以及由按鍵選擇是由人為控制還是智能控制，并通過LCD及時顯示風速，溫度，時間，風的強弱

14、，風型（自然風，睡眠風等）控制部分主要包括電機驅動控制，按鍵控制，LCD顯示部分。2.2主要單元電路的設計2.2.1檢測部分電路的單元電路設計（1）風速檢測模塊電路的設計 題目要求在風扇運行過程中，要求顯示設定風速和實際風速，設定風速由單片機給定的，不需要檢測，主要是是檢測實際的風速，本系統采用霍爾傳感器，在風扇的葉片上安裝一個金屬片，這個金屬片還帶有磁性，在風扇的外殼上安裝一個霍爾傳感器（RP124DN），安裝是要是金屬片與霍爾傳感器嚴格對準，當金屬片與霍爾傳感器嚴格相遇，輸出為低電平，風扇的線速度 n為電風扇的轉速r/min;n可以有單片機的計數器直接得到，因為當風扇轉輪上的金屬與霍爾傳感

15、器接近時，霍爾傳感器回發出一個脈沖，通過電位器接到P3_3中斷口，通過中斷的次數就可以測量風扇的線速度，此方法高效，電路簡單，霍爾傳感器輸出為TTL電平 圖2.2.1 風速檢測電路（2）溫度檢測模塊設計 智能風扇在工作主要有以下幾種模式：一般風扇模式，主要靠人工調節其檔位，改變其風速；智能風扇模式，主要工作原理是通過溫度傳感器，檢測周圍環境溫度，來實現智能調節風扇風速；自然風模式；睡眠風模式。 溫度檢測模塊主要是為智能風扇的風速提供參考，溫度傳感器檢測出來的溫度通過D/A轉換成電壓，來控制雙相可控硅的導通時間，從而實現調節風速的目的，其具體電路如所示 數字溫度傳感器檢測溫度電路2.2.2 智能

16、控制部分的單元電路設計（1）電機控制模塊電路設計電路中采用了過零雙相可控硅光耦MOC3041，集光電隔離，過零檢測，過零觸發等功能于一身，避免拉輸入輸出通道同時控制可控硅觸發的缺陷，簡化了輸出通道隔離2驅動電路的結構。所設計的可控硅觸發電路原理圖如所示。其中RL既為電機負載，起工作原理如下：單片機響應用戶的參數設置，在I/O口輸出一個高電壓，經反向器反向后，送出一個低電平，使光電耦合器導通，同時觸發雙相可控硅，是工作電路導通工作。實際上根據負載的功率要求，來改變接通和斷開電源一定周波數，既通過改變通斷時間比達到調壓和調節功率的目的，其計算公式如下： 設調壓電路輸入的交流電壓為 在一個周期內T內

17、假定有N個電源周波,則N,若在此周期內接通的時間為n個周波,則輸出電壓有效值為: n/N為通斷比,改變通斷比即可以改變輸出電壓而實現交流調壓，從而實現電機功率的控制。 圖2.2.3電機控制模塊電路（2）定時模塊電路設計 定時模塊電路采用專用集成芯片DS1302，它的外圍電路非常簡單，只需外接晶振和電源，再給一定的時序，它就能顯示時間，年，月，日，星期，其電路如 DS1302定時計時模塊電路圖和仿真圖（3）鍵盤和顯示模塊鍵盤和顯示是本系統的一個重要的人機接口，它們為用戶提供一個友好的操作界面，用戶可以通過鍵盤可以設置風速、風型、定時時間等，通過漢字液晶顯示，更加直觀，更加人性化。漢字液晶RT12

18、864-M所示。采用5線鍵盤，只需5個I/O口所示 圖2.2.5 液晶模塊電路圖 圖2.2.6 鍵盤電路3.系統軟件設計 系統軟件設計采用C語言，對單片機進行編程實現各項功能。 程序是在Windows XP 環境采用Keilu Vision 2軟件編寫的，可以實現對環境的溫度檢測，電機的脈寬調制，定時等各項功能。3.1數字溫度傳感器模塊子程序設計溫度檢測子程序主要用于保證溫度顯示的正確性，DS18B20測量的溫度轉換成電壓，從而控制可控硅的導通角，溫度高，電機速度快，溫度低，電機速度慢，其流程圖如3.1.1所示開 始系 統 初 始 化進行測溫設置參數初始化DS18B20啟動DS18B20測溫相

19、應的鍵值處理程序結 束內部判斷調用讀子程序調 用 寫 子 程 序輸 出 顯 示調用相應的控制程序圖 數字溫度傳感器模塊子程序 3.2定時功能子程序 定時功能是智能風扇一個重要功能之一，只要手動按下定時開啟鍵，就可以開通定時器，在定時器初始化之后，可以手動選擇定時時間，可以出逐一加減，也可以步進五，步進二十。手動可以選擇最大定時時間為二百五十五分鐘，以使用起來非常方便，其程序流程圖如3.2.1所示。 圖3.2.1 定時功能子程序3.3 時鐘模塊子程序設計時鐘是伴隨著風扇定時器的，時鐘的準確，意味著定時的準確性，本系統采用專用集成芯片DS1302，它有很好的掉電保護功能，它具有雙電源供電功能，即使

20、在長時間不供電，它自帶電源也能保證時間跟標準時間同步，在系統通電時，它自動關閉自帶電源，自動進行電源切換，系統可以通過按鍵修改時間，程序流程圖如3.3.1所示圖3.3.1 時鐘模塊子程序3.4按鍵功能子程序 按鍵是本系統的一個重要的人機接口，可以通過按鍵選擇風扇的工作狀態，功能選擇在傳統模式智能模式自然風睡眠風設置轉速定時調時這7所示。圖3.4.1 按鍵功能子程序 3.5系統主程序流程圖 系統主程序流程圖如所示，系統主程序需要循環調用其他幾個子函數，智能控制是在中斷中完成，中斷信號是在定時程序給出的，可控硅采用專用驅動芯片MOC3041，控制它的導通角的方式控制風扇轉速，并通過PID算法實現其

21、精確控制。圖3.5.1 主程序流程圖4.系統測試為了確定系統與題目要求的符合程度，我們對系統中的關鍵部分進行了實際的測試。4.1測試儀器測試使用的儀器設備如表4.1.1所示。序 列名稱、型號、規格數量備注1TDS1012雙蹤示波器 1 泰克科技 2FLUKE17B數字萬用表 2 3 WD-5直流穩壓電源 2啟動市計算機廠 4 數字溫度計 1 5酒精燈 14.2指標測試4.2.1 溫度檢測測試DS18B20的工作范圍為-55125度之間，我們首先把DS18B20和數字溫度計放在冰水混合物中，然后用酒精燈對冰水混合物加熱，看溫度計的顯示溫度與DS18B20顯示的溫度之間時候存在誤差。系統檢測的溫度

22、與數字溫度計顯示誤差如下表：表4.2.1 溫度檢測測量次數1234567891011數字溫度計（）0102030405060708090100DS18B20 （）000 9.519.530.540.549.560.069.580.589.51004.2.2風速檢測精確度測試風速檢測，在鍵盤設定一個風速，我們分別通過示波器和本系統測試出來的風速進行比較表 4.2.2 風速檢測測量表設定轉速（轉/S） 12 3 4 5 6示波器顯示（轉/S） 1.00 22.984.014.985.96系統LCM顯示（轉/S） 1.00 1.742.98 3.95 5.005.96設定轉速（轉/S） 78 9 1

23、0 11 12示波器顯示（轉/S） 7.018.009.00 10.0 11.3 12.0系統LCM顯示（轉/S） 6.998.019.02 10.0 11.0 12.0設定轉速（轉/S） 1314 15 16 1718示波器顯示（轉/S）12.914.115.016.017.217.9系統LCM顯示（轉/S）13.114.115.016.416.918.14.2.3風速響應時間測試題目要求當我們設定轉速后,要在30S鐘內,實際轉速要到達設定轉速,測量數據如表4.2.2所示表4.2.2 風速響應時間測量表 轉速（轉/S） 1 2 3 4 5 6 響應時間（S） 141514.51515.617.1 轉速（轉/S） 78 9 10 10 12 響應時間（S）21.022.722.42525.526.4 轉速（轉/S） 13 14 15 16 17 18 響應時間（S）27.027.727.828.128.528.94.2.4電源波動風速穩定測試當電源波動時,風速隨著電壓的波動也上下波動,由于在程序中采用PID算法和模糊控制,當電源波動時,風速基本能保持恒定的轉速,測量數據如表4.2.4所示. 表4.2.4電源波動對轉速的影響測試實際電壓(V)220240200180轉速(轉/S) 5 5.01 4.98 4.98轉速(轉/S) 10 10.5 9.89 9.84轉