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一种智能电风扇的设计
摘要
本设计主要介绍了一种智能电风扇的设计方案。
该系统以单片机为核心,应用Motorola的电场传感器MC33794和加速度MNA1260D,为风扇提供了多方位的保护,也为用户提供了更智能化的管理。
本设计采用的温度智能控制,使风扇可以感知环境的温度,以调节风扇的转速,达到更好的工作效果。
用户可以选择这种智能调速的方式,也可以选择手动设定方式来控制转速。
当选择手动设定方式时,该功能不发挥作用。
智能照明功能,在晚间当,用户接近风扇时候,风扇能够探测到人体的接近,从而启动微光照明,方便用户操作并避免用户和风扇或其他物体发生不必要的碰撞。
而定时工作功能可以让用户自己定制风扇工作时间的长短,以提供更人性化的服务。
液晶显示功能使用液晶屏显示当前室温度,风扇的转速,风扇的工作模式,当前时间,风扇工作时间等参数,美观大方。
关键词:
智能,电风扇,电场传感器,加速度,接近检测
ABSTRACT
Thisdesignmainlyintroducedonekindofintelligentelectricfandesignproposal.Thissystemtakethemonolithicintegratedcircuitasacore,appliesMotorolaelectricfieldsensorMC33794andaccelerationMNA1260D,hasprovidedthemulti-positionsprotectionfortheventilator,alsohasprovidedamoreintellectualizedmanagementfortheuser.
Thisdesignusesthetemperatureintelligencecontrol,enablestheventilatortobepossiblethesensationenvironmenttemperature,byadjuststheventilatortherotationalspeed,achievesthebetterworkeffect.Theusermaychoosethiskindofintelligentvelocitymodulationtheway,alsomaychoosethemanualhypothesiswaytocontroltherotationalspeed.Whenchoosesthemanualhypothesisway,thisfunctiondoesnotplaytherole.Theintelligentilluminationfunction,worksasintheevening,theuserapproachesventilatortime,theventilatorcansurveytohumanbodyapproaching,thusthestartglimmerillumination,theconvenientuseroperatesandavoidstheuserandtheventilatororotherobjectshasthenonessentialcollision.Butfixedtimeworksthefunctiontobepossibletoletuserhavecustom-madetheventilatoroperatingtimeoperatingtimethelength,byprovidesthepersonalservice.Theliquidcrystaldisplayfunctionuseliquidcrystalscreendemonstratesthecurrentroomtemperature,theventilatorrotationalspeed,theventilatorworkingpattern,currenttime,parameterandsoonventilatoroperatingtimeoperatingtime,elegantappearance.
Keyword:
intelligent,electricfan,electricfieldsensor,acceleration
1绪言
本章主要阐述了智能电风扇的研究背景,现状,发展方向,明确的指出了制作智能电风扇所用到的元器件,以及各个元器件的功能描述。
1.1课题背景
电风扇在我国,是80年代开始兴起的一种小型的家用电器,刚开始它的功能单一,而且耗电量大。
随着技术的不断更新,它的功能更加强大,更加趋于人性化。
作为一种老式的家电,电风扇具有价格便宜,摆放方便,体积轻巧等特点。
由于大部分家庭消费水平的限制,电风作为扇作为一个成熟的家电行业的一员,尤其在中小城市,以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场大部分份额。
面临庞大的市场需要的同时,也要提高电风扇的市场竞争力。
使之在技术含量上有所提高,应使风扇不仅功能多样,操作简便,而且更加安全可靠。
本设计采用了单片机作为该智能电风扇系统的核心部分。
在国际市场上,单片机产品的类型很多。
其中Intel公司的产品比较领先和占有较大销售份额。
在我国Intel公司MCS-48系列,MCS-51系列,MCS-96系列的各种机型用得最多,占主流地位。
随着大规模集成电路技术的演进,单片机的性能仍在快速提高。
其生产工艺经历了PMOS,NMOS,HMOS,CMOS等各个阶段,正朝CHMOS(高速型CMOS)工艺的方向发展并继续提高集成度;增大RAM,ROM容量;增多功能模块;提高速度;降低功耗。
单片机的特点:
单片机芯片的集成度很高,它将微型计算机的主要不见都集成在一块芯片上,具有下列特点:
1.体积小,重量轻,价格便宜,耗电少。
2.根据工控环境要求设计,且许多功能部件集成在芯片内部,其信号通道受外界影响小,故可靠性高,抗干扰性能优于采用一般的CPU。
3.控制功能强,运行速度快。
其结构组成与指令系统都着重满足工控要求。
。
有极丰富的条件分支转移指令,有很强的位处理功能和I/O口逻辑操作功能.
4.片内存储器的容量不可能很大;引脚也嫌少,I/O引脚常不够用,且兼第二功能以至第三功能。
但存储器和I/O接口都易于扩展。
人类社会已经进入信息时代,人民的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取,传输与处理。
传感器处于研究对象与测试系统的借口位置,即检测与控制系统之首。
因此,传感器成为感知,获取与检测信息的窗口,一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息,都要通过获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。
所以传感器的作用与地位就特别重要了。
若将计算机比喻为人的大脑,那么传感器就可以比喻为人的感觉器官了。
可以设想,没有功能正常而完美的感觉器官,不能迅速而准确的采集与转换欲获得的外界信息,纵有再好的大脑也无法发挥其应有的作用。
科学技术越发达,自动化程度越高,对传感器的依赖性就越大。
所以,20世纪80年代以来,世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术,备受重视。
1.2课题研究的目的和意义
面临庞大的市场需要,需要提高电风扇的市场竞争力。
使之在技术含量上有所提高,应使风扇不仅功能多样,操作简便,而且更加安全可靠。
为此,在将要走出大学校门,撰写毕业论文之计,我选择了《智能电风扇》作为我的毕业设计的研究课题。
大学学习期间,分别学习了《单片微机原理及其应用》,《传感器检测及应用技术》等课程,对单片机有一定的了解,特别是MCS-51系列的单片机的特点及其应用非常熟悉;而对于传感器的一些应用也略知一二。
所以,在设计智能电风扇的时候,给电风扇赋予了更多人性化的设计,如安全保护,倾倒保护,智能照明等功能,使电风扇更加人性化,相信其丰富的功能,人性化的设计将大大提高电风扇的市场竞争力。
而且最主要的是通过智能的控制使得科技的应用深入生活中,让广大的人民能享受到科技带来的方便.
2系统设计方案的研究
2.1系统的控制特点与性能要求
本设计主要目的是使普通的电风扇的功能更加强大,使操作简单化,智能化,主要实现以下几个部分的功能:
1.温度控制功能:
电风扇可以感知环境温度,以调节风扇的转速,达到更好的工作效果。
用户可以选择这种智能的调速方式,也可以选择手动设定方式来控制转速。
当选择手动设定方式时,该功能不发挥作用。
2.智能照明功能:
在晚间,当用户接近风扇时,风扇能够探测到人体的接近,从而启动微光照明,方便用户操作并避免用户和风扇或其他物体发生不必要的碰撞。
3.定时工作功能:
该定时功能可以让自己制定风扇工作时间的长短,以提供更人性化的服务。
2.2系统概述
智能电风扇主要由MCU,接近检测,倾倒检测,温度检测
人机接口等主要部分组成:
1.MCU使用Motorola的8位单片机MC68HC908AP64。
2.接近检测模块使用Motorola的电场传感器MC33794,利用电场成像技术实现对人体的检测。
3.温度检测模块使用DS18B20,主要用来监测室温和电机温度..
4.人机接口包括键盘模块和LCD显示模块,实现电风扇与用户的信息交互.
其系统框图如图所示:
图2.1智能电风扇系统框图
3硬件设计
本设计对智能电风扇的控制,主要采用的是Motorola的8位单片机MC68HC908AP64和温度传感器,加速度传感器。
3.1Motorola单片机MC68HC908AP64简介
Motorola单片机MC68HC908AP64
在电风扇开发领域,很多业界采用的都是专用的风扇控制芯片,虽然它实现简单,但是跟我们所要设计的智能电风扇相比,其计算能力就相差甚远了。
在认真分析了功能需求和成本限制的基础上,我们决定选用Motorola单片机MC68HC908AP64作为本系统的核心控制部分,它具有以下特点:
1.较高的8MHZ总线频率。
2.丰富的片内资源:
2K片内RAM,62K片内FLASH。
3.2路16位,双通道的时钟接口模块。
4.串行通信接口模块,用于跟电场传感器MC33794进行串行通信。
5.串行外设接口,外接一74HC164串转并转换芯片,与液晶屏连接。
6.8通道10位的A/D数模转换器。
7.8位键盘唤醒口:
用于跟小键盘连接,对系统进行设置,控制电扇。
图3.1AP64核心电路
3.2MC33794控制模块
MC33794控制模块的控制芯片选用的是MC68HC908QY4,在保证了对MC33794很好的控制的同时,有效的控制了成本。
1.由于MC33794可以为外部电路提供5V的电压,所以整个控制模块只要一个12V的电压电源即可。
2.MC33794是通过对外发射低频的纯正的正弦波来实现电场成像的连接在R-OSC引脚上调整电阻可以对正弦波的频率进行调整,以达到最优。
3.控制芯片MC68HC908QY4通过串口与主控模块通信,采用双通道RS232电平转换芯片,通过PTA0引脚来实现数据的串口模拟收发。
有关电场感应器件MC33794
Motorola公司提供可产生及检测低水平电场和功率并支持微控制器(MCU)的集成电路(IC)电场成像器件IC(MC33794)。
设计工程师在需要非接触探测和三维(3D)电场成像的嵌入式系统中使用MC33794,可减少系统所需器件和成本。
这款IC支持微控制器及9个简单的电极。
这些电极均可独立使用,提供在微弱电场中物体的尺寸和位置等信息。
以前为了实现相同功能需要使用许多分立器件,MC33794是为了替代这些分立器件而设计的。
这款IC的应用目标包括电器、机器、汽车安全系统和使用人体感应触摸板输入作为用户接口的任何产品或者系统.MC33794的工作原理如图3.2.1所示。
正弦波生成器与外接负载电阻配合产生120kHz的纯正弦波,当电极的电场发生变化时,相应的电容值发生改变,测得的电压与1/C成比例,即电容增加检测的电压减小。
图3.2.1中的检波器和低通滤波器均在MC33794片内,使用时只需接10nF电容。
图3.2.1MC33794的内部结构
MC33794的内部结构如图3.2.2所示,其特点如下:
1.最多可接9个电极,2个参考电极;
2.用屏蔽同轴电缆可远距离驱动电极;
3.+5V调节器为外部电路供电
4.ISO-9141物理层接口
5.灯驱动输出
6.看门狗和电源复位定时器
7.测量时临界内部接点比例缩放和选择
8.由外部电阻产生无谐波的正弦波
9.封装形式:
44HSOP,54SOICW
图3.2.2MC33794结构图
MC33794主要管脚的功能如下:
1.E1-E9是连接电极的管脚,用屏蔽的同轴电缆连接的电极是有方向的,每次选择一个电极,测量它的电容,其它电极由内部开关自动接地。
2.REF_A、REF_B是参考值接入管脚,通常将已知电容值的电容接在这2个管脚上,但电容值不同,用A、B、C、D选通REF_A或REF_B。
当REF_A或REF_B不被选通时,它们不接地。
3.A、B、C、D用于选择要电极,参见下表。
4.ISO_OUT管脚给MCU发送符合ISO-9141的5.0V逻辑值。
5.ISO_IN管脚从MCU接收符合ISO-9141通讯接口的5.0V逻辑值。
6.ISO-9141管脚与ISO-9141总线相接,它提供驱动,并检测总线上的信号,为MCU提供总线电平到逻辑电平的转换。
7.LP_CAP是低通滤波电容管脚,通常接10nF的电容。
8.LEVEL管脚用于测量选定电极的电压,它与MCU的模拟信号输入管脚相连,连接在LP_CAP管脚的电容实现校正信号的滤波。
9.VDD_MON是VDD监测管脚,VDD经内部电阻分压使供给MCU的电压值在ADC的转换范围内,它与MCU的模拟信号输入管脚相连。
10.PWR_MON是VPWR监测管脚,VPWR经内部电阻分压使供给MCU的电压值在ADC的转换范围内,它与MCU的模拟信号输入管脚相连。
11.PWR_MON是VPWR监测管脚,VPWR经内部电阻分压使供给MCU的电压值在ADC的转换范围内,它与MCU的模拟信号输入管脚相连。
12.LAMP_MON是LAMP_SENSE监测管脚,LAMP_SENSE经内部电阻分压使供给MCU的电压值在ADC的转换范围内,它与MCU的模拟信号输入管脚相连。
13.LAMP_SENSE管脚电压被降低后送给LAMP_MON,它通常与LAMP_OUT管脚相连。
14.LAMP_CTRL是灯控制管脚,当管脚是高电平时,灯是亮的。
LAMP_GND管脚提供灯电流的地,电流流进LAMP_OUT,从此管脚流出。
表3.1电极的选择
管脚/信号
D
C
B
A
Source(内部)
0
0
0
0
E1
0
0
0
1
E2
0
0
1
0
E3
0
0
1
1
E4
0
1
0
0
E5
0
1
0
1
E6
0
1
1
0
E7
0
1
1
1
E8
1
0
0
0
E9
1
0
0
1
REF_A
1
0
1
0
REF_B
1
0
1
1
内部OSC
1
1
0
0
接22K电阻后内部OSC
1
1
0
1
内部地
1
1
1
0
保留
1
1
1
1
电极的选择(续)
15.LAMP_OUT是灯驱动管脚,它为指示灯提供吸电流,灯的一端接电源正极,灯的另一端接此管脚,它能限制电流以便保护IC,同时在灯的开和关的瞬间抑制浪涌。
16.WD_IN是看门狗输入管脚。
17.IS_SHIELD是屏蔽驱动禁止管脚,用于禁止屏蔽信号,目的是判断屏蔽信号是否工作正常,或者同轴屏蔽线是否断开。
当禁止了屏蔽信号,且屏蔽信号工作不正常,那么被测电容不会改变。
18.SHIELD是屏蔽驱动管脚,它与电缆的屏蔽端相连,用于消除电缆电容。
19.R_OSC是振荡器电阻管脚,电阻的一端接此管脚,另一端接地。
电阻值决定MC33794的振荡器频率,最好让它工作在120kHz。
20.CLK管脚输出方波,方波频率与内部振荡器频率相同,方波的边沿与正弦波的峰值一致。
21.VPWR正电源输入管脚,它接12V电源,它能将此电压调节成5V(VCC)和8.5V(VDD),为MCU和其它外部器件供电。
MC33794与MCU的典型连接如图3.2.3所示。
值得一提的是,我们只需提供12V电源电压,MCU使用的5V电源由MC33794提供,MCU有8位AD即可。
MC33794的电容测量范围是0pF-100pF,当使用8位的ADC时,分别率是0.4pF,当使用10位的ADC时,分别率是0.1pF。
从图3可以看出,MC33794使用非常方便,只需外界少量的电阻电容即可工作。
同时MC33794对MCU的要求也不高,只需8位ADC和通用接口。
典型的测量方法是:
首先测量已知电容值(REF_A和REF_B)对应的电压,电容值通常选择被测电极的最小值和最大值,一般在10pF-100pF之间。
在图4和图5的应用实例中,REF_A和REF_B分别接10pF和56pF。
然后测量电极的电压。
用这种方法可以消除温度和感应时间变化产生的影响。
MC68HC908GR8片内有6个8位的ADC、1个SCI和最多21个I/O接口。
用SCI与PC机进行串行通信,可以将测量结果传送给PC机,做进一步的分析和处理。
此应用实例中没有接指示灯和ISO9141,如果要使用指示灯和ISO9141,可以连接LSP2-LSP4。
若要与其他MCU进行SPI通信可以连接JP1。
如果要使用MC33794的CLK和WD_IN,可以连接JP2。
如图3.2.3所示。
图3.2.3MC33794与微控制器连接
MC33794控制模块的控制芯片选用的是MC68HC908QY4,在保证了对MC33794很好控制的同时,有效的控制了成本。
1.MC33794可以为外部电路提供5V的电压,所以整个控制模块只要一个12V的电源电压即可。
2.MC33794是通过对外发射低频的纯正的正弦波来实现电场成像的,连接在R-OSC引脚上调整电阻可以对正弦波的频率进行调整,以达最优。
3.控制芯片MC68HC908QY4通过串口与主控制模块通信,采用双通道RS232电平转换芯片,通过PTAO引脚来单线实现数据的串口模拟收发。
3.3倾倒检测电路(MMA1260D)
本电路采用Motorola的加速度传感器芯片MMA1260D,为了测量加速度传感器芯片的输出电压,我们将Volt引脚与AP64的A/D口连接。
管脚之间接一个电阻和电容,起滤波作用,以减小时钟噪声。
电源与地之间的接一个0.01uF的电容用于去耦。
同时尽可能缩短了MMA1260D与AP64的距离。
我们将MMA1260D竖直的固定在风扇机身,当风扇正常工作时,MMA1260D测得的加速度为0,而当机身倾倒时,MMA1260D测得的加速度将增大,由于加速度与输出电压成正比,则AP64通过A/D端口得到的电压值也会发生变化(根据倾倒方向的不同,测得的加速度值也会不同),然后将对应的电压值转换成相应的角度值,进行判断,即
实现了倾倒检测。
如图3.3所示。
图3.3MMA1260D连接电路
3.4串口模拟通信电路
主控模块和MC33794模块的通信采用的是串口通信。
在AP64端,可以通过SCI模块轻松实现稳定的串口数据的收发,而MC33794控制模块端则不存在对应的SCI模块,这样就需要一定的硬件电路来保证对串口通信的正确模拟,同时也为软件上实现高低电平的发送提供了基础。
串口发送,发送“1”时,将PTA0设置为输入,PTA0引脚为+5V,与Vcc等电势,则RS232发送输出端T1为逻辑“1”;发送“0”时,将PTA0设置为输出,RS232发送端的电压值应该为1/(1+10)V,即0.45V。
串口接收,接收“1”时,RS232的接收输出端引脚为逻辑“1”,则PTA0输入为逻辑“1”;接收“0”时,RS232的接收输出端引脚为逻辑“0”,则PTA0输入为逻辑“0”。
MC33794控制模块串口通信电路如下图3.4所示:
图3.4MC33794控制模块串口通信电路
3.5定时器电路
采用MAXIM公司DS1302低功耗实时时钟新片为本系统提供时间,它可以对年,月,日,周,时,分,秒进行计时,且具有闰年补偿等多种功能。
DS1302可以双电源供电,使用电池作为第二供电电源,保证了在系统不供电的情况下长时间维持时钟的正常工作。
DS1302的电路图如下图3.5所示:
图3.5DS1302的电路图
3.6红外收/发电路
使用TC9148编码芯片将按键信号调制在38KHz的载波信号上通过三极管放大后发射出去。
如图3.6.1所示。
图3.6.1红外信号发射电路
红外接收电路采取红外接收器件HS0038,通过系统的输入捕捉接收红外遥控信号。
如图3.6.2所示。
图3.6.2红外信号接收电路
3.7电机控制电路
由CPU来控制信号经光电耦合器TLP521-4耦合后,接可控硅MAC-97的门极,以控制电机的运转。
如图3.7所示。
3.7电机控制电路
3.8温度探测电路
3.8.1关于传感器
一.传感器的组成
传感器由敏感元件和转换元件组成。
但是由于传感器输出信号一般都很微弱,需要有信号调节与转换电路将其放大或变换为容易传输,处理,记录和显示的形式。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用,传感器的信号调节与转换可以安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
因此,信号调节与转换电路以及所需电源都应作为传感器的组成部分。
常见的信号调节与转换电路有放大器,电桥,震荡器,电荷放大器等,他们分别与响应的传感器相配合。
二.传感器的作用和地位
人类社会已经进入信息时代,人民的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取,传输与处理。
传感器处于研究对象与测试系统的借口位置,即检测与控制系统之首。
因此,传感器成为感知,获取与检测信息的窗口,一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息,都要通过获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。
所以传感器的作用与地位就特别重要了。
若将计算机比喻为人的大脑,那么传感器就可以比喻为人的感觉器官了。
可以设想,没有功能正常而完美的感觉器官,不能迅速而准确的采集与转换欲获得的外界信息,纵有再好的大脑也无法发挥其应有的作用。
科学技术越发达,自动化程度越高,对传感器的依赖性就越大。
所以,20世纪80年代以来,世界各国都将传感器技术列为重点发展的高技术,备受重视。
3.8.2温度传感器DS18B20
单线数字温度传感器DS18B20采用一线总线接口,大大节省了系统的I/O资源。
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生
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