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人体感应智能温控风扇毕业论文

 2020-02-17 11:02  

摘 要

在人民群众的日常生活和企业工厂的生产生活中,风扇扮演着一个十分重要的角色。近年来,随着各种温度传感器与相关温度控制技术的进步和发展,人体感应智能温控风扇也在人们的生活中发挥着越来越重要的作用。人体感应智能温控风扇可以根据环境温度与是否有人活动自动调节风扇的启动、停止与转速。在日常生活中,人体感应智能温控风扇不仅可以节省宝贵的资源,而且极大的方便了人们的生产与生活。

本设计是一种人体感应智能温控风扇系统,具有敏感的人体感应和温度感测功能,整个设计以STC89C52单片机作为主控芯片,将DS18B20数字温度传感器与HC-SR501人体红外传感器相结合来控制风扇转速。当风扇处于人体感应智能温控模式时,人体红外传感器HC-SR501用于检测是否有人活动,DS18B20数字温度传感器用于采集当前环境的实时温度,将两种数据经过I/O口传入单片机,经处理后通过两个三极管构成的驱动电路驱动直流风扇的电机。用户可设定温度的上下限值。通过计算实时温度值与上限和下限温度值的差值,输出PWM信号控制风扇的转动,停止和转速,实现自动无极调速。当系统处于三挡可调速模式时,可以通过按键调节风扇以不同的三挡风速转动。当系统处于自然风模式时,系统输出随机信号,控制风扇的开关与转速,模拟自然界的微风。

关键词:人体感应;温控风扇;单片机;DS18B20;HC-SR501

Abstract

In the daily life of the people and the production and life of the factory, the fan plays a very important role. In recent years, with the advancement and development of various temperature sensors and related temperature control technologies, human body sensing intelligent temperature control fans are playing an increasingly important role in people's lives. The human body sensing intelligent temperature control fan can automatically adjust the start, stop and speed of the fan according to the ambient temperature and whether there is any activity. In daily life, the human body induction intelligent temperature control fan not only saves valuable resources, but also greatly facilitates people's production and life.

The design is a human body induction intelligent temperature control fan system with sensitive human body sensing and temperature sensing function. The whole design uses STC89C52 single chip microcomputer as the main control chip, and combines DS18B20 digital temperature sensor with HC-SR501 human body infrared sensor to control. speed of the fan. When the fan is in the human body sensing intelligent temperature control mode, the human body infrared sensor HC-SR501 is used to detect whether there is any activity. The DS18B20 digital temperature sensor is used to collect the real-time temperature of the current environment, and the two data are transmitted to the MCU through the IO port, and processed. The motor of the DC fan is driven by a drive circuit composed of two triodes. The user can set the upper and lower limits of the temperature. By calculating the difference between the real-time temperature value and the upper and lower temperature values, the output PWM signal controls the rotation, stop and rotation speed of the fan to realize automatic stepless speed regulation. When the system is in the three-speed adjustable speed mode, the fan can be adjusted to rotate at different three-speed wind speeds by pressing the button. When the system is in natural wind mode, the system outputs a random signal to control the switch and speed of the fan to simulate the natural breeze.

Key Words: Human body induction;temperature controlled fan;single chip microcomputer;DS18B20;HC-SR501

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 系统功能设计 1

第2章 设计方案选取 3

2.1 主控芯片选取 3

2.2 温度传感器选取 3

2.3显示设备选取 4

2.4调速方式选取 4

第3章 系统硬件设计 6

3.1 硬件系统整体设计 6

3.2 控制芯片简介 7

3.2.1 STC89C52简介 7

3.2.2 STC89C52最小系统 8

3.2.3 STC89C52电路接口设计 9

3.3 温度采集模块 9

3.4 人体检测模块 10

3.4.1 HC-SR501工作原理简介 11

3.4.2 HC-SR501模块参数及特性 11

3.5 数码管显示模块 12

3.6 风扇驱动模块 13

3.7 按键模块 13

第4章 系统软件设计 15

4.1 主程序设计 15

4.2 温度采集子程序设计 16

4.3 EEPROM初始化及读写子程序设计 17

4.4 风扇转速控制子程序设计 17

4.5 数码管显示子程序设计 18

4.6 按键子程序设计 19

第5章 总结与展望 20

5.1 工作总结 20

5.2 未来展望 20

参考文献 22

附录A 硬件电路原理图 23

附录B 部分程序 24

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

风扇自从被发明已经经历了一百多年的时间。它在人民群众的日常生活和企业工厂的生产生活中,都扮演着一个十分重要的角色。近年来,随着空调等新型制冷设备的出现与普及,风扇逐渐开始淡出人们的视野。但若从节能与方便的角度考虑,电风扇也可以在市场中占据一定的地位与比重,并与各种新型制冷设备一起不断发展进步,促进国民经济的增长。

与诸如空调等新型制冷设备相比,传统电风扇具有以下突出的缺点:其一,风扇无法随着环境温度的变化实时的自动调节风扇转速,这对于某些昼夜温差较大的使用环境十分不友好,将会造成资源的严重浪费,且有可能对日常生活以及工业生产造成严重的危害;其二,传统电风扇必须要靠人去手动开关及调速,无法实现人来自动打开,人走自动关闭,且根据环境实时温度自动调节风扇转速的效果,这与现今社会智能化,人性化的发展方向不符,而且如果有人在离开时忘记关闭风扇,很容易浪费资源。为了解决传统电风扇的这些突出缺点,特设计了这款人体感应智能温控风扇。

本系统是根据实时温度情况去自动打开和关闭电风扇,调节电风扇的转速,它可以很好的节约能源,也方便人们的使用,更加智能化,人性化。在企业的工业生产与人们的日常生活中,人体感应智能温控风扇系统都得到了广泛的应用。出于对传统电风扇缺点的弥补而设计这样的一款人体感应智能温控风扇将会有广阔的应用前景,具有一定的产业价值与经济价值。

1.2 系统功能设计

系统设计中,单片机系统控制相应的传感器模块,检测是否有人体活动及环境温度的变化,然后根据环境温度的实时数据和使用按键设置的上下限温度值的差值,控制风扇输入PWM信号占空比的变化,从而产生不同的转动速度。

出于此设计可以运用在多种环境与条件下的考虑,系统设计了三个模式,分别是人体感应智能温控模式,三挡调速模式与自然风模式。当系统处于人体感应智能温控模式时,当环境温度低于下限温度时,占空比为0的PWM信号从相应的I/O输出,风扇停止旋转。当实时环境温度高于设定的上限温度时,单片机对应输出口输出的PWM信号占空比将达到最大值,风扇以最高档位旋转。当环境温度介于上限温度与下限温度之间时,单片机对应输出口输出的PWM信号占空比根据实时测得的温度与上下限温度的差值计算,处于0到100%之间,风扇实现无极调速。当系统处于三挡调速模式时,可以通过按键调节风扇以不同的三挡风速转动,满足特定场合的使用。当系统处于自然风模式时,系统根据随机函数计算输出随机信号,控制风扇的开关与转速,模拟自然界的微风。系统显示设备可实时显示当前模式,温度与档位,并能通过键盘调节不同的模式和上下限温度值。

系统总体上主要由五个部分来组成,即温度检测模块、红外感应模块,显示模块、风扇及其驱动模块与按键模块。首先应当关注的是温度检测模块以及人体感应模块,这两个模块是整个设计的核心。系统工作时,第一步需要先检测当前环境是否有人活动以及环境的实时温度。只有先取得这两个数据系统才能进行下一步的工作。第二步是设计电机驱动电路。驱动电路把PWM信号转换为相应的平均电压输出,从而达到控制风扇转速的效果。系统采用由两个三极管构成的复合管驱动,控制效果较为理想。再次需要关注的是数码管的动态显示电路。此模块需要对系统当前的模式,温度及档位信息作出实时完整的呈现。其中HC-SR501人体红外传感器检测是否有人活动,DS18B20温度传感器检测当前环境温度,按键实现不同模式及档位的调节,数码管实现对当前模式、环境温度和档位的及时连续显示。

第2章 设计方案选取

2.1 主控芯片选取

主控芯片有以下几种方案可供选择:

方案一:采用STC89C52RC单片机作为设计的主控芯片。STC89C52RC由STC公司生产。这是一种具有低功耗、高性能优点的CMOS8位微控制器,其系统可编程Flash存储器为8K字节[1]。STC89C52RC单片机设计时,将所有器件的都集成在一块芯片上,大大减少了体积,提高了芯片稳定性。

方案二:采用STM32系列芯片作为设计的主控芯片。STM32系列是拥有32位闪存的微控制器,其设计基于Arm® Cortex®-M处理器,主要目的在于为MCU使用者提供全新的开发自由度[2]。STM32包括了一系列产品,集高性能、实时处理功能、数字信号处理、低功耗以及低电压操作、连接性等突出优良特性于一身,与此同时还保持了集成度较高以及易于开发的特点,多用于中等规模实时系统的控制核心。

STC89C52RC单片机与STM32系列微控芯片相比较,具有价格低廉,体积较小,电路结构简单的优点,并且考虑到人体感应智能温控风扇系统对数据处理速度要求较低。出于芯片价格方面的考虑,以方案一作为系统的最终方案。对于方案一,采用单片机控制外围电路,通过编写C语言程序不但可以实时检测是否有人活动。将温度传感器测得的温度通过显示电路显示出来,并进行温度判断,并在相应的I/O输出控制信号驱动风扇转动。故而,采用方案一。

2.2 温度传感器选取

通过查阅相关资料,确定了以下三种方案作为单片机的备选方案:

方案一:温度传感器采用热敏电阻。当温度变化时,将会导致电阻阻值的变化。根据欧姆定律,体现在具体的电路上,就是其电压会改变。可以将这个电压信号由模拟信号转变为数字信号,交由单片机处理[3]

方案二:温度传感器采用热电偶。相比于方案一,此电路多了一个桥式电路,电路原理较为简单,其区别在于模拟量输入方式不一样,此方案还需要桥式电路相配合,相较于方案一电路更为复杂,但其测温范围更广。

方案三:温度传感器采用数字式集成的DS18B20,直接将温度以数字方式输出。DS18B20是一款市场上常见应用范围较广的数字温度传感器,其直接将测得的实时温度数据转换为数字信号输出[4]。这个模块体积较小,因而硬件开销较低,抗干扰能力更强。

热敏电阻价格低廉,但是其精度很低。而数模转换模块ADC0809只有8位,故此其显示温度最多显示到整数的度,不能显示到小数。由于热敏电阻的非线性变化,在信号的处理过程中会产生失真导致误差。本设计要求对检测精度的要求较高,所以排除此方案。

热电偶与热明电阻具有相同的缺点,其优点是可检测范围广,但这并不是本设计所要求的。本设计需要对温度的变化十分敏感,具有实时精确的环境温度检测功能,而方案二显然无法达到。弃用此方案。

DS18B20集成化的程度很高,这使得它将因外接电路而产生的各种误差降到了最小。除此之外,DS18B20感测温度的原理从根本上与上两种方案都不相同,因此其温度分辨率也非常高。此温度模块直接在内部将模拟信号转换为数字信号输出,电路设计和外部接口都很简单,抗干扰能力也大大加强。通过对以上三种方案的对比,最终选择方案三作为系统的最优方案。

2.3显示设备选取

通过查阅论文与书籍,拟定了以下两个方案备选:

方案一:显示设备选用四个连接在一起的共阴数码管,通过动态扫描显示相应的信息。系统仅仅需要显示数字和数个英文字母,而数码管是可以满足这些需求的,而且数码管还具有一个价格低廉的突出优点。

方案二:采用液晶显示屏LCD作为显示设备。液晶显示屏可以显示相当多的字符,可以通过编程显示相当多的内容,通过软件可以达到很好的控制效果,而且其硬件组成也比较简单,接口十分方便。但若推广大规模应用,价格相对昂贵是其较为突出的一个缺点。

方案一成本十分低廉,而且其显示的数据十分醒目,在各种环境中都明确可见,并且其功耗很低,用于单片机显示设备时,编写程序控制显示的字符也较为简单,由于这些显著的优点,其应用很广泛。其缺点是某一时刻只有一个被点亮,无法同时点亮,在实际的工程应用中,一般是采用动态扫描的方法来规避这个问题,即让数码管依次点亮,由于人眼的视觉暂留效应,只要扫描的周期小于20ms,人眼就不会感觉到数码管的闪烁,即达到实时显示的效果[5]。所以只要在使用时增大扫描频率,减小扫描周期,就可以解决这个问题。

对于方案二,液晶体显示屏可以显示数字,字母,甚至于各种图形及特殊字符,这是其突出的优点。但是LCD价格更加昂贵,显示程序也更加复杂,而数码管已经足以满足本设计的要求。出于价格以及程序复杂性的考虑,选用数码管。

2.4调速方式选取

查阅书籍可知,调速方法有:

方案一:以变压器来调节风扇的转速。将220V的电压经变压器变压为较小的电压,再用此电压控制风扇转动。但是采用此方案时,风扇的转速只有个别的档位,无法实现转速的连续调节。而且变压器转换电压时会有较大的损耗导致严重的发热,这将造成转换效率不高,大量浪费资源,甚至会因为发热产生安全事故。

方案二:采用三极管驱动PWM进行控制。PWM方式从微控核心到被控设备之间的信号都是数字信号,并不需要进行A/D转换,这将使得在A/D转换过程中出现的信号失真完全消失,将噪声对于信号的影响降到极小。并且PWM技术通过编程控制转速并不像变压器一样有档位的显示,可以实现无极调速,更加人性化,智能化。故本系统采用方案二。

第3章 系统硬件设计

3.1 硬件系统整体设计

整个系统以STC89C52作为其控制核心。在单片机最小系统上,外接输入与输出设备来构成整个系统。输入设备主要有DS18B20数字温度传感器,HC-SR501人体红外传感器,红外一体接收头和红外遥控器,以及三个独立按键。输出设备主要有四位一体共阴数码管,蜂鸣器以及7020风扇。整个系统的整体结构框图如图3.1所示。

输入设备主要用于采集各种信号传入单片机供单片机判断与处理。DS18B20数字温度传感器主要用于采集其所处环境的实时温度数据。HC-SR501人体红外传感器主要用于采集其所处环境的人体活动情况。红外一体接收头和红外遥控器结合使用,主要实现对本设计进行红外遥控的功能。独立按键主要用于对整个系统的模式,档位与上下限进行调整。

输出设备主要用于对经过单片机处理的数据进行显示,相关的响应设备根据处理结果进行响应。其中蜂鸣器主要用于对按键操作进行实时提示。每当有按键按下时就发出声音反馈给用户,使用户具有较好的操作体验。四位一体共阴数码管主要用于显示系统当前所处的模式,相关模式下的档位以及当前环境的实时温度。7020风扇以不同的转速旋转,实时呈现单片机的处理结果,实现降低用户体感温度的目的,为用户带来较好的使用体验。

图3.1 硬件系统框图

3.2 控制芯片简介

3.2.1 STC89C52简介

STC89C52RC是一种CMOS8位微控制器,它由STC公司设计并生产,拥有8K字节系统可编程Flash存储器,具有低功耗,高性能的优点[6]

STC89C52RC采用单芯片,具有智能8 位CPU和系统内可编程闪存,可为许多嵌入式控制应用系统提供高度灵活、超有效的解决方案[7]

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