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1、 第 页11.前言电风扇简称电扇，香港称为风扇，日本及韩国称为扇风机，是一种利用电动机驱动扇叶旋转，来达到使空气加速流通的家用电器，主要用于清凉解暑和流通空气。广泛用于家庭、办公室、商店、医院和宾馆等场所。电风扇价格低和耗电量小，拥有庞大的目标消费群。现在市面上的风扇大多只能通过主控板上的按键实现风扇的控制，控制方式又以模拟调控为主要控制手段，功能简单，智能化以及便捷性程度远远跟不上现代人的生活需求。一般的风扇的电机是采用多抽头交流电机，通过手动直接控制抽头的选择实现调速，这种控制方式电路复杂、操作不便而且效率也不高。而采用单片机控制可控硅的导通角来调节电机速度的遥控电风扇作为消费市场的新宠儿
2、，为电风扇行业增加新的亮点。单片机和一般的数字和模拟芯片相比有着强大的功能，而且编程简单，因此利用单片机来实现对控制电机转速十分理想；本设计的研究目的就是实现对交流电机的控制来模拟风扇控制器；掌握单片机硬件和软件的综合设计方法。硬件部分包括有单片机最小系统、键盘输入部分、外接电机驱动部分、输出显示部分、红外发送接收部分、语音提示部分。软件部分包括有初始化状态、控制输出显示、信号产生与调制部分、占空比控制、中断控制、键盘输入部分部分。本论文共分九章，详细地介绍了红外遥控电风扇系统。重点介绍红外遥控信号的产生、发射、接收、应用的原理和特性。本文中，首先提出了几种可行的方案，并进行了项目的可行性分析
3、，选择合适的方案，然后就该方案入手，先后介绍了硬件、软件电路的设计。最后，通过对调试结果的分析，得出结论，进行了项目设计的总结。本论文使读者可以明白项目设计的过程，设计中由于时间的仓促以及本人水平的局限，项目设计难免有不足之处，恳请各位老师、同学给予指正。 第 页22.项目分析家用电器发展的一个重要方面是让用户界面更加人性化，使用更加方便自然，做到老年人和残疾人也可以无障碍地使用。电风扇作为传统的家用电器，在百姓日常生活中有着很大的作用。但是目前市面上的电风扇仍然以机械旋钮或者简单红外遥控方式为主，无较好的人机界面。此处我采用 51 单片机作为电风扇的主控元器件，增加语音提示功能、液晶显示界面
4、、16 档风速选择、红外遥控等功能，力求使电风扇控制更为简单且与用户的交互性更为直观方便。2.1.行业发展现状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距今已有 100 多年时间。随着科技进步，电风扇作为与老百姓日常生活紧密相关的家用电器，得到了长足的发展。从种类上划分出台扇、地扇、吊扇、壁扇。在控制方式上从最开始的旋钮、按钮控制方式到之后的触摸式操作。扇页材质也从最开始的金属材质换成塑料材质。最初的电风扇在控制方面相当呆板，因此不久之后，一种只需要设置好工作时间，就会根据设置，按时开、按时关的定时风扇风靡一时。定时风扇的操作方式也从旋钮
5、、按键到之后的触摸式操作，估计现在不少朋友家中还有这种风扇。但是随着市场的发展、消费者审美习惯的转移以及健康节能观念的不断深入等，电风扇在功能和外观上的适时变换也是大势所趋。在目前市场上，开发较早且比较实用的电风扇首推遥控电风扇。由此可见，在如今工作节奏日益加快的工业化时代，生活上的便捷性成为了现代都市人的时尚选择。具体来说，便捷性产品不仅使操作摆脱了一定的空间限制，而且加上液晶屏幕的动态显示，操作起来一目了然。2.2.红外遥控简介远程遥控技术又称为遥控技术，是指实现对被控目标的遥远控制，在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛。红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠
6、，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为 0.01um1000um。根据波长的不同可分为可见光和不可见光，波长为 0.38um0.76um 的光波可为可见光，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。光波为 0.01um0.38um 的光波为紫外光， 第 页3波长为 0.76um1000um 的光波为红外光。红外光按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极红外四类。红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长为0.76um1.5um。用近红外作为遥控光源，是因为目前红外发射器件(红
7、外发光管)与红外接收器件(光敏二极管、三极管及光电池)的发光与受光峰值波长一般为0.8um0.94um，在近红外光波段内，二者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。发射机一般由指令键或操作杆、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调
8、制定的指令编码信号。接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路等几部分组成。接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。 第 页43.总体方案设计本设计通过红外信号发射器实现遥控功能，主控芯片在接收到红外遥控信号过后，通过解调、译码之后得到相应的码值，是以做出相应的加减档、开关机等动作，在完成相应动作过后，会伴有语音提示。在工作过程中，显示器能显示工作状态。以下对该是设计总体方案如何形成
9、的具体比较、论证分析。3.1.方案比较论证3.1.1 红外遥控信号的产生、调制及发射方案的选择方案一：载波采用外部芯片信号源提供，比如 555 振荡电路，RC 振荡器，桥氏振荡器等，后接施密特触发电路整形后可得到比较标准的 38KHZ 载波，再用键盘产生按键信号，在外部将这两个信号相与后即可获得调制波。这种方法比较传统，成本也很低，不过设计起来比较繁琐，这种方法比较适合于一些定点发射的场合。方案二：使用单片机作为发射部分的主控中心，载波的产生、信号的采集、信号编码、信号与载波的调制都在芯片内部完成，输出的调制波经外接的整形放大电路后发射出去。这种方式成本稍高，不过设计灵活，保密性也好，可扩展性
10、也强。3.1.2 电机调速方案的选择方案一：采用现在通用的多抽头交流电机，通过可控硅控制或都手动直接控制抽头的选择，从而选择不同的电机线圈，电机转速因此而变化，达到调速的目的。如下图。 第 页5图 3.1 多抽头交流电机调速电路图此种方式在大多数现行的风扇中都采用到，它成本低，但 16 档变速电路过于复杂而且控制不方便。方案二：采用单相交流电机或者直流电机，可控硅的导通角控制电机的开与关，而可控硅导通角可以由可变电阻来调节，这种方法可以实现无级调速。不过此种方案控制不太精确。电路如下图所示。MGA2A1G MAC15A6R1220VVCC图 3.2 可变电阻控制可控硅导通角调速电路图方案三：采
11、用单片机控制可控硅的导通角来调节电机速度，同时要用光耦将强电隔离开来，使电路更安全，这种方法可以实现无级调速，而且调速控制精确，但成本稍高。电路如下图所示。VCCR14360R13470R15360R16360C8103p/400vC90.05u/400vU1MOC3025A2A1GU2BT136U3MG220VP10AC_GND图 3.3 单片机控制可控硅导通角调速电路图3.2.方案确定针对以上方案的比较论证，在红外遥控信号产生、调制及发射的方案中，我选择 第 页6了方案二，即软件调制的方案，此方案采用软件调制的方式，在硬件上，只需完成信号的保持及功率放大，信号的载波产生及载波与信号的调制则
12、全部由软件完成。该方案设计灵活，保密性也好，可扩展性也强。在电机调速的方案中，我采用的方案三，单片机控制可控硅的导通角来调节电机速度，同时可以用光耦将强电隔离开来，使电路更安全，这种方法可以实现无级调速，同时也可以达到很精确的控制。根据以上两个模块方案的选择，随即确定了总体方案。以下是总体方案框图。按键遥控芯片整形、放大、发射电路一体化红外接收头主控芯片液晶显示按键语音芯片扬声器电机驱动电路 单相交流电机图 3.1 总体方案框图以下开始说明本设计的具体内容。红外遥控信号 第 页74.硬件设计本设计的系统分为红外遥控信号发射部分和红外遥控信号接收及控制部分，硬件构造主要由红外信号调制及发射模块、
13、红外信号接收模块、CPU 处理模块、液晶显示模块、语音提示模块组成。以下对每个模块做具体阐述。4.1.红外遥控信号发射模块项目中处理的对象是红外遥控信号。所谓的遥控就是利用遥控器远距离控制电风扇的运行状况，本设计中通过遥控器上的按键电路及控制芯片对遥控按键进行识别，然后把按键信号调制在 38KHz 载波信号上通过三极管放大过后发送出去。4.1.1.遥控器按键识别3 个按键 K5、K6、K7 分别通过发光二极管 D7、D6、D5 连接到 P32 外部中断 0 的引脚处，当任意一个按键按下时，将会触发外部中断，通过外部中断子程序可读取键值。这种思路设计的程序较简明，而且可以在睡眠状态下唤醒 CPU
14、，节约电池电量。K5KEYK6KEYK7KEYR22330R23330R24330D5LEDD6LEDD7LEDp32p17p16p15图 4.1 遥控器按键电路图表 4.1 遥控器按键功能、键值表K5 K6 K7按键功能 开/关机 加档 减档 第 页8键值 01H 02H 03H当无键按下时，延时 10 秒后进入空闲状态，系统处于低功耗模式。当有按键按下时，将触发外部中断 0 产生中断，同时唤醒 CPU，进入工作状态。4.1.2.红外信号调制及发射按键信号在经过遥控器主控芯片进行按键识别、编码并与生成的载波调制过后，经由 P33 口送到 CD40106 整形然后再送到三极管 9013 放大，
15、最后通过红外发射头TSAL6200 将遥控信号发射出去。112233445566VSS7 8 89 910 1011 1112 1213 13VCC 14IC6CD40106VCCD8TSAL6200R273.9KR284.7KR29470T19013D9LEDVCCp33图 4.2 红外遥控信号整形、放大、发射电路图4.1.3.红外信号的传输协议红外信号的传输协议除了规定红外遥控信号的载波频率、编码方式、空号和传号的宽度等外，还对数据传输的格式进行了严格的规定，以确保发送端和接收端之间的数据传输的准确无误。 第 页9红外遥控传输协议很多，此次设计采用的是 SAA3010T 的编码解码协议。该
16、协议采用的编码方式为 PPM 脉冲位置编码的方式，在此种编码方式下，每一位二进制数所占用的时间是一样的，只是传号脉冲的位置有所不同。空号在前、传号在后的表示为“1”，传号在前、空号在后的表示为“0” 。1 1 10 0 0 0图 4.3 PPM 脉冲位置编码码值示意图“0”和“1”组成的二进制码经 38kHz 的载波进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管发射。当点击按钮，遥控器会发射完整的一帧，一帧应包括 2 位的起始位，1 位的控制位，5 位的系统码和 6 位的指令码。起始位控制位系统码 指令码一帧信号图 4.4 一帧信号指令结构图4.1.4.遥控器最小系统图遥控器采用 AT89C2051 做主控芯片，最小系统除了 2051 芯片以外还包括复位电路、时
