風扇雙工作模式定時控制器設(shè)計

摘 要:采用了AT89C2051單片機為核心，輔以上電復位電路、時鐘電路、功能設(shè)置電路、顯示電路、風扇加電斷電控制電路構(gòu)成了電風扇多模式定時控制器。同時設(shè)計了與硬件相配套的軟件，包括主程序和定時中斷子程序，通過仿真測試、分析，能隨時進行新的時間參數(shù)設(shè)置;且在整個定時時間內(nèi)，電路具有允許用戶隨時自行選擇“陣風”或“連續(xù)風”兩種工作模式的控制功能。設(shè)計電路簡單、制作容易、設(shè)置方便、使用靈活。

關(guān)鍵詞:單片機; 自動運行; 定時; 陣風; 連續(xù)風

中圖分類號:TP23 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)07-0141-04

Fan Controller Design for Dual-mode Timing

LI Hua

(Sichuan Information Technology College， Guangyuan 628017， China)

Abstract:The fan multi-mode timing controller is constituted by taking AT89C2051 MCU as the core， supplemented by power-on reset circuit， clock circuit， function setting circuit， display circuit and fan control circuit. A software(including the main program and timing interrupt subroutine) coupled with the hardware was designed at the same time. Through simulation testing and analysis， a new time parameter can be set at any time. Throughout the regular time， the circuit can make users choose their own ″gust″ or ″continuous wind″ of the two working mode control functions. The designed circuit is simple and easy to make， convenient to set and flexible to use.

Keywords:single chip computer; automatic operation; timing; gust; continuous wind

0 引 言

目前，隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們的生活水平越來越高，智能化的產(chǎn)品走入了千家萬戶。單片機是應(yīng)智能控制領(lǐng)域應(yīng)用的需求而出現(xiàn)的。隨著單片機的迅速發(fā)展，它在家用電器、機電一體化產(chǎn)品和航空航天電子系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。而MCS-51系列單片機以其高性能成熟的技術(shù)及高性價比等成為國內(nèi)單片機應(yīng)用領(lǐng)域的主流[1]。本文以89C2051單片機為核心的風扇雙工作模式定時控制器設(shè)計為例，闡述51單片機的簡單應(yīng)用。

設(shè)計主要實現(xiàn)以下功能:

(1) 初始加電時，電風扇將自動處于加電狀態(tài)，數(shù)碼顯示器將顯示出系統(tǒng)默認的“定時時間”，如不進行新的時間設(shè)置，電路將按系統(tǒng)默認的“定時時間”自動開始運行。

(2) 電路允許用戶隨時通過按鍵開關(guān)自行設(shè)置時間參數(shù)。

(3) 本電路采用光電耦合式且具有“過零觸發(fā)功能”的可控硅芯片GK和外接的大功率雙向可控硅SKG，對電風扇進行無觸點隔離控制，既可有效防止負載電源接通或斷開時對系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，又不會在工作中產(chǎn)生任何機械噪音。

(4) 在進行新的時間參數(shù)設(shè)置時，各數(shù)碼管上的小數(shù)點將自動停止閃動，表明電路已退出工作狀態(tài)，進入了設(shè)置狀態(tài)，此時，電風扇停止加電工作。

(5) 在進行時間參數(shù)設(shè)置和整個定時過程中，系統(tǒng)均采用三位數(shù)碼管做“百位、十位、個位”的倒計時顯示，同時用數(shù)碼管上小數(shù)點的同步閃亮作為秒顯示，顯示直觀、準確。

(6) 在整個定時狀態(tài)下，電路具有允許用戶隨時自行選擇使用工作模式的控制功能。

1 風扇陣風定時控制器結(jié)構(gòu)框圖和工作原理

設(shè)計一個控制系統(tǒng)，硬件部分尤為重要，它是整個系統(tǒng)的骨架，缺少硬件支撐的系統(tǒng)將會癱瘓。另外硬件是軟件實現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)，軟件只有通過與硬件相互聯(lián)系才能更好地實現(xiàn)其功能[2]。

1.1 風扇陣風定時控制器的結(jié)構(gòu)框圖

如圖1所示:風扇陣風定時控制器主要由六大部分組成。電源電路為設(shè)備提供恒定的能源;時鐘電路為單片機提供恒定的時序保證單片機正常工作;復位電路防止單片機出現(xiàn)故障后可以重新正常工作;由單片機控制顯示電路和風扇的工作狀態(tài)使電路工作可靠而且方便靈活。

圖1 風扇陣風定時控制器的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 風扇陣風定時控制器電路組成和各部分作用

風扇陣風定時控制器由電源電路、時鐘電路、復位電路、功能設(shè)置電路、風扇加電斷電控制電路、顯示電路組成。

(1) 電源電路

電源電路是給電路提供能源的設(shè)備，其作用是給電路提供電源，使電路能正常的工作。常用的電路有:半波整流、全波整流、橋式整流，而常用的電源電路使用的是橋式整流電路為主要電源電路部分。采用穩(wěn)壓管可以穩(wěn)定輸出恒定電壓以保證電路正常工作。

(2) 時鐘電路

有了CPU芯片，電片機還不能正常工作，CPU應(yīng)按一定的時序有規(guī)律的工作。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號。

(3) 復位電路

有了單片機時鐘電路以后，單片機可以正常工作，但一旦出現(xiàn)故障，CPU就不能正常工作，所以系統(tǒng)復位對微處理器電路相當重要。

(4) 功能設(shè)置電路

本電路設(shè)計采用數(shù)碼管的動態(tài)顯示通過外部按鍵對電路功能進行重新設(shè)置，通過對開關(guān)的設(shè)置來實現(xiàn)。

(5) 風扇加電斷電控制電路

風扇要運轉(zhuǎn)或是停止工作需有一個控制回路或是控制端口。此電路采用芯片引腳的輸出信號的高低電平來控制風扇的工作狀態(tài)。

(6) 顯示電路

為了很直觀、方便、明確地知道電路是否正常工作或是它是如何工作、工作狀態(tài)怎樣，電路還要有顯示部分。

1.3 風扇陣風定時控制器的工作原理

接通電源后，經(jīng)電源電路，輸出一個恒定的+5 V電壓給可控硅的陽極，同時將該電壓提供給芯片AT89C2051，芯片上電即開始工作。通過它的P1口與P3輸出信號控制LED數(shù)碼管顯示。P1.0為秒顯示輸出口，P1.1~P1.7作為七段數(shù)碼管的段選信號輸出口。而P3.0~P3.1為設(shè)置輸入口。P3.2為設(shè)置“陣風/連續(xù)風”狀態(tài)的選擇控制口。P3.3~P3.5的輸出信號作為數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式的位選信號。輸出信號分別通過一只三極管驅(qū)動數(shù)碼管交替顯示。P3.7為輸出控制口，接至一片“光電耦合型過零觸發(fā)雙向可控硅”芯片GK的輸入端。當輸出為低電平時，可控硅正常工作，風扇按預(yù)設(shè)置正常工作，反之將不能正常工作。

2 單元電路的設(shè)計

2.1 電源電路的組成和原理

單片機或硬件設(shè)備要工作需要有電源供電。所以此電路就是給單片機及其他設(shè)備提供恒定的電源。當通入220 V市電經(jīng)變壓器后，輸出一個含紋波電壓和干擾很重的9 V的電壓。經(jīng)過橋式整流后再經(jīng)電容C4，C5濾波給三端穩(wěn)壓器提供一個9 V電壓。然后經(jīng)穩(wěn)壓管輸出一個恒定的5 V電壓再經(jīng)電容C6，C7濾波后提供給負載[3]。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電源電路

2.2 時鐘電路的組成和原理

單片機的時鐘信號用來提供單片機內(nèi)各種微操作的時間基準，時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號。MCS-51單片機的內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器[4]。其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時鐘電路。電容C1和C2對頻率有微調(diào)作用，電容值取30 pF，振蕩頻率范圍為1.2～12 MHz。MCS-51在通常情況下，使用振蕩頻率為12 MHz的石英晶體。

振蕩脈沖信號經(jīng)過內(nèi)部時鐘發(fā)生器進行二分頻之后，才可以成為單片機的時鐘信號。本電路采用內(nèi)部時鐘方式，如圖3所示。

圖3 時鐘電路

2.3 復位電路的組成和原理

有了單片機時鐘電路后，單片機可以正常工作。但一旦出現(xiàn)故障，CPU就不能重新工作，所以系統(tǒng)復位對微處理器是相當重要的。

復位是單片機的初始化操作，其目的是使CPU及各專用寄存器處于一個確定的初始狀態(tài)。當單片機系統(tǒng)在運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要復位以使其恢復正常工作狀態(tài)[5]。

RST端的外部復位電路有兩種操作方式:上電自動復位和按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種，本系統(tǒng)設(shè)計采用上電自動復位，如圖4所示。上電自動復位是相當于電容的來實現(xiàn)單片機的復位。

2.4 功能設(shè)置電路

本設(shè)計采用LED數(shù)碼管的動態(tài)顯示。所以將單片機的P3口作為輸入端口。將P3.0~P3.2作為功能設(shè)置輸入端口。S1作為設(shè)置鍵，S2作為操作減一鍵。而S3則作為陣風連續(xù)風的選擇鍵。通過對開關(guān)按鍵的設(shè)置可以對風扇的工作狀態(tài)進行改變。如圖5所示。

圖4 復位電路

圖5 功能設(shè)置電路

2.5 風扇加電斷電控制電路

本設(shè)計是利用單片機對電路進行控制。通過單片機P3.7輸出的信號電平來控制風扇的工作狀態(tài)。當P3.7輸出為低電平時光電二極管導通發(fā)光，光電耦合型過零觸發(fā)雙向可控硅開始工作，同時輸出一電流讓雙向可控硅也開始工作，從而風扇開始工作。若P3.7口輸出高電平則光控硅與雙向可控硅均截止，風扇不工作。如圖6所示。

圖6 風扇加電斷電控制電路

2.6 顯示電路

本次設(shè)計中采用三只共陽極型LED數(shù)碼管，應(yīng)采用低平驅(qū)動方式。而將單片機與數(shù)碼管接成動態(tài)顯示方式，克服了靜態(tài)顯示占用多條端口線而單片機的端口引腳有限的缺陷，且動態(tài)顯示在顯示時，單片機控制電路可連續(xù)不斷地刷新輸出顯示數(shù)據(jù)，使各數(shù)碼管輪流點亮。

3 整機電路的分析

電路如圖7所示:電源變壓器B、橋式整流器QZ、7805三端穩(wěn)壓器WY及C4~C7組成了電源電路，可為整個電路提供穩(wěn)定的+5 V直流工作電源。“AT89C2051單片機”芯片IC1作為本電路的CPU，C3和R10構(gòu)成了簡易的上電自動復位電路。晶振JT、C1、C2與芯片相關(guān)引腳構(gòu)成了時鐘電路。顯示器采用三只“共陽”型數(shù)碼管。IC1的P1.0通過一只限流電阻接至各數(shù)碼管的小數(shù)點電極上，作為秒顯示輸出口，正常工作時，將以小數(shù)點的閃爍作為秒信號顯示;P1.1~P1.7作為七段數(shù)碼管的段選信號輸出口，分別通過一只限流電阻，接至各數(shù)碼管的相應(yīng)筆段。數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描的方式進行，其動態(tài)位選信號分別由IC1的P3.3，P3.4和P3.5輸出，高電平有效，其輸出信號經(jīng)VT1，VT2，VT3分別驅(qū)動三只數(shù)碼管動態(tài)顯示。IC1的P3.0和P3.1為設(shè)置輸入口，其對“地”間各接有一只常開型自復位按鍵開關(guān)S1和S2;通過與軟件配合，利用S1，S2即可完成控制電風扇定時工作時間的輸入與設(shè)置。P3.2為設(shè)置“陣風/連續(xù)風”工作模式的選擇控制端，接有一只單刀雙擲開關(guān)，當其撥至“陣風”位時，P3.2被接至低電位;當其撥至“連續(xù)風”位時，P3.2通過單片機內(nèi)部上拉電阻接至高電位。通過與軟件配合，即可完成“陣風/連續(xù)風”兩種不同工作模式的選擇控制功能。P3.7為輸出控制口，通過一只電阻接至一片可控硅芯片GK的輸入端，可適時通過“GK”觸發(fā)外接的雙向可控硅SKG導通與截止，控制電風扇的上電與斷電，進而實現(xiàn)在整個定時時間范圍內(nèi)，對電風扇連續(xù)加電(連續(xù)風)或周期性的斷續(xù)加電(陣風)的控制功能。

圖7 整機電路原理圖

4 軟件程序設(shè)計

本設(shè)計程序的主程序和定時中斷子程序的流程圖如圖8所示。

圖8 電路程序流程圖

程序運行后，首先對片內(nèi)RAM空間進行分配和定義，其中，42H，43H，44H分別用于存放個位、十位、百位數(shù)碼管中擬顯示的數(shù)據(jù);4AH，4BH，4CH為三個記憶單元，分別用于存放設(shè)置好的三位數(shù)的定時數(shù)據(jù)。電路工作時，根據(jù)需要適時被分別讀入42H，43H和44H中。

在定時計數(shù)中斷子程序中，要完成秒信號的產(chǎn)生、60 s計數(shù)、定時時間到否達及是否選擇使用“陣風”方式的查詢等功能。秒信號由P1.0輸出，以實現(xiàn)秒閃爍功能。同時，該信號還經(jīng)過60次計數(shù)后產(chǎn)生分頻信號，最后，再以分鐘為時間間隔，從設(shè)置好的定時時間數(shù)據(jù)內(nèi)逐一遞減并隨時顯示剩余的定時時間參數(shù)，形成倒計數(shù)的顯示方式。在某一種(陣風或連續(xù)風)工作狀態(tài)下，當42H，43H和44H同時都減為0時，則該狀態(tài)下的定時過程也就完成了，系統(tǒng)將自動在P3.7口輸出高電平，使“GK”和“SKG”同時截止，控制電風扇停止工作。與此同時，三位數(shù)碼管將同時顯示一個“–”號，且用于秒顯示的各數(shù)碼管上的小數(shù)點也將熄滅，表示電路的定時過程已經(jīng)結(jié)束。

在按鍵處理子程序中，要完成對兩種按鍵信號的輸入識別、按鍵的延時消抖、三位定時數(shù)據(jù)的分別減1等設(shè)置功能。在顯示子程序中，采用了查詢方式，分別完成三位數(shù)碼管的動態(tài)顯示。電路“陣風”功能的實現(xiàn)是首先由軟件通過對P3.2口狀態(tài)識別，當發(fā)現(xiàn)用戶選擇使用了“陣風”功能時，即由軟件控制以60 s為間隔，使P3.7輸出口周期性地輸出高、低電位，因而使“GK”和“SKG”也周期性地導通與截止，電風扇自然就是斷續(xù)地加電工作，從而實現(xiàn)“陣風”的效果，直至定時結(jié)束。

5 電路仿真[6-8]

5.1 風扇陣風定時控制器仿真圖

風扇陣風定時控制器仿真圖如圖9所示。

圖9 風扇陣風定時控制器仿真圖

5.2 自行設(shè)置時間參數(shù)的方法

本電路設(shè)置定時時間參數(shù)采用循環(huán)方式進行[9]。在設(shè)置時，按以下步驟進行:

(1) 先按一下S1設(shè)置鍵，電路將立即進入“定時時間”的個位數(shù)設(shè)置狀態(tài)，此時，僅個位上的數(shù)碼管顯示，秒閃動停止。

(2) 按S2，可使個位的數(shù)碼管做倒計數(shù)顯示，選擇所需的數(shù)字。

(3) 再按S1，電路將進入“定時時間”的十位數(shù)設(shè)置狀態(tài)，此時，僅十位上的數(shù)碼管顯示。

(4) 按動S2，可使十位的數(shù)碼管做倒計數(shù)顯示，選擇到所需的數(shù)字即可。依此方法，可繼續(xù)完成百位數(shù)字的設(shè)置。

(5) 當百位數(shù)字的設(shè)置也完成后，再按S1鍵時，電路將自動退出設(shè)置狀態(tài)，而定時工作狀態(tài)也同時被啟動，數(shù)碼管將自動顯示出新設(shè)置好的三位數(shù)的定時時間，秒顯示也開始閃亮，整個電路開始運行。

設(shè)置時，只要電路一進入設(shè)置狀態(tài)，各數(shù)碼管上的小數(shù)點將立即停止閃動，電路也立即退出定時狀態(tài)，“GK”和“SKG”同時截止，電風扇停止工作。在進行各位數(shù)字設(shè)置時，當調(diào)整到數(shù)碼管顯示為0后，若再按動S2(-1鍵)時，對應(yīng)的數(shù)碼管將自動回到顯示9，因此，各位數(shù)字的設(shè)置均可以循環(huán)調(diào)整和顯示。

當電路正處于定時的過程中時，若按一下S1“設(shè)置”鍵，電路同樣會立即退出定時狀態(tài)而進入“設(shè)置”狀態(tài)，此時，數(shù)碼管上的小數(shù)點也將停止閃亮，“GK”和“SKG”同時截止，電風扇停止工作。若需恢復定時狀態(tài)，仍需繼續(xù)按動3次S1(設(shè)置)鍵，先使電路退出設(shè)置狀態(tài)，電路即可按照系統(tǒng)先前所記憶的上次設(shè)置的定時時間(或系統(tǒng)默認的定時時間)重新開始進入定時工作狀態(tài)[10]。

6 結(jié) 語

該電路的控制軟件及硬件電路均已實際調(diào)試運行通過，非常適合在業(yè)余條件下制作、安裝和使用，也可由電風扇專業(yè)生產(chǎn)廠將其作為自動控制電路，在新型電風扇產(chǎn)品中安裝。通過該電路，還可以進一步了解到單片機電路的應(yīng)用擴展功能和指令應(yīng)用技巧。

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