基于AT89C52單片機的遙控電扇

摘要：采用AT89C52型號的單片機對傳統(tǒng)的電扇系統(tǒng)進(jìn)行改造，實現(xiàn)對電扇的短距離控制。該設(shè)計利用單片機進(jìn)行紅外發(fā)送，紅外接收，在此過程中對紅外進(jìn)行編碼和解碼，而后通過不同的編碼形成對風(fēng)扇的不同控制。同時對單片機P0口的輸出進(jìn)行DA變換后，完成對風(fēng)扇的速度的實時控制。通過仿真實驗，驗證了該方案的可行性，該設(shè)計簡單、可靠，具有很強的實用性。
關(guān)鍵詞：單片機；紅外發(fā)送；紅外接收；DA變換；實時控制

    傳統(tǒng)電風(fēng)扇多采用機械方式進(jìn)行控制，功能少，噪音大，各檔的風(fēng)速變化大。隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，家用電器產(chǎn)品趨向于自動化、智能化、環(huán)?；腿诵曰沟糜晌C控制的智能電風(fēng)扇得以出現(xiàn)。隨著電子制造業(yè)的不斷發(fā)展，社會對生產(chǎn)率的要求越來越高，各行業(yè)都需要精良高效、高可靠性的設(shè)備來滿足要求。作為一種老式家電，電風(fēng)扇具有價格便宜、擺放方便、體積輕巧等特點。由于大部分家庭消費水平的限制，電風(fēng)扇作為一個成熟的家電行業(yè)的一員，在中小城市以及鄉(xiāng)村將來一段時間內(nèi)仍然會占有市場的大部分份額，但電風(fēng)扇功能簡單，不能滿足智能化的要求。本文利用了單片機的紅外控制功能，對電扇的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新的設(shè)計，使得人在距離電扇10 m范圍內(nèi)就可以短程控制電扇，使得人不用走近電扇即可對電扇的風(fēng)速進(jìn)行調(diào)控，方便，實用，具有廣闊的市場前景。

1 系統(tǒng)功能簡介
    傳統(tǒng)的電扇都是由機械按鍵來控制電扇的啟停，本設(shè)計采用紅外遙控進(jìn)行控制，由一單片機作為發(fā)射電路的主控部分，根據(jù)傳統(tǒng)的機械按鍵也設(shè)計了4個按鍵控制，分別是關(guān)閉，小風(fēng)速，中檔風(fēng)速，高風(fēng)速。用戶可以在夏天的時候，坐在沙發(fā)上，就可以完成電扇的打開，關(guān)閉，高速，低速的調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    該設(shè)計的系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

    由圖1我們可以看到該設(shè)計一共由6大模塊構(gòu)成，其中2個單片機AT89C52模塊是相同的，他們分別是單片機的最小系統(tǒng)，具有單片機的最基本的啟動和復(fù)位功能，其中按鍵部分完成按鍵功能，將0或者1的電平送給單片機進(jìn)行處理，至于紅外發(fā)送模塊，功能就是把單片機編制好的紅外編碼發(fā)送出去，紅外接收模塊僅僅完成接收工作。后面的單片機模塊完成對紅外脈沖的解碼，由不同的編碼完成對電機的控制，也就相當(dāng)于對電扇進(jìn)行控制了。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3．1 遙控發(fā)射電路設(shè)計
    如圖2所示，該圖為紅外遙控發(fā)射電路圖。
    在圖2中，單片機采用AT89C52，這是遙控電路的主芯片。ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機采用高性能的靜態(tài)80C51設(shè)計，并采用先進(jìn)工藝制造，還帶有非易失性的Flash程序存儲器，它是一種高性能、低功耗的8位CMOS微處理芯片，市場應(yīng)用最多。其主要性能特點如下：
    *8 kB Flash ROM，可以擦除1 000次以上，數(shù)據(jù)保存10年。
    *256字節(jié)內(nèi)部RAM。
    *電源控制模式：1)時鐘可停止恢復(fù)2)空閑模式3)掉電模式。
    *6個中斷源。
    *4個中斷優(yōu)先級。
    *4個8位I／O口。
    *全雙工增強型UART。
    *3個16位定時／計數(shù)器：T0，T1(標(biāo)準(zhǔn)80C51)和增加的T2(捕獲和比較)。
    *全靜態(tài)工作方式：0～24 MHz。

    在單片機的右半部分，接有4個按鍵分別是S2，S3，S4，S5與單片機的P0口的0到3號端口相連。P0口在用作輸入的時候，必須接有上拉電阻。在單片機的左半部分是最小系統(tǒng)模塊和紅外發(fā)射部分，遙控器的信息碼由AT89C52單片機的定時器1中斷產(chǎn)生40 kHz紅外線方波信號，由P3．5口輸出，經(jīng)過三極管9013放大，由紅外線發(fā)射管發(fā)送。改變電阻R3的大小可以改變發(fā)射距離。
3．2 紅外遙控接收電路設(shè)計
    如圖3所示，該圖為紅外遙控接收電路圖。
    如圖3所示，單片機的左半部分是萬能紅外接收頭IR1838，其管腳1為輸出，管腳2，3分別是接地和電源的輸入，電源電壓仍然為5 V，左半部分的單片機的最小系統(tǒng)完成的是單片機的復(fù)位功能和啟停，右半部分電路是由一個DAC0808芯片構(gòu)成，該芯片輸出與一個放大器相連，通過放大后將電壓加在直流電機的兩端，從而驅(qū)動了電機的工作。關(guān)于DAC0808它的主要參數(shù)為，誤差最大，快速建立時間為150 ns，高速輸入乘以轉(zhuǎn)換率為：8 mA／μs，電源電壓為±4．5～±18 V到，該芯片為低功耗的，最大功耗為33 mW。該DAC是8位的，也就意味著輸入的范圍為0到255，輸出的電壓從0～10 V變化的，這樣最小精度為10／255 V，但是經(jīng)過一個集成放大器后，也就能驅(qū)動一個小小的電動機了。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4．1 紅外發(fā)射和接收原理
    先講一講什么是紅外線。我們知道，人的眼睛能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。其中紅光的波長范圍為0．62～0．76μm；紫光的波長范圍為0．38～O．46μm。比紫光波長還短的光叫紫外線，比紅光波長還長的光叫紅外線。紅外線遙控就是利用波長為0．76～1．5μm之間的近紅外線來傳送控制信號的。
    常用的紅外遙控系統(tǒng)一般分發(fā)射和接收2個部分。發(fā)射部分的主要元件為紅外發(fā)光二極管。它實際上是一只特殊的發(fā)光二極管，由于其內(nèi)部材料不同于普通發(fā)光二極管，因而在其兩端施加一定電壓時，它便發(fā)出的是紅外線而不是可見光。目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940 nm左右，外形與普通發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。紅外發(fā)光二極管一般有黑色、深藍(lán)、透明3種顏色。判斷紅外發(fā)光二極管好壞的辦法與判斷普通二極管一樣：用萬用表電阻擋量一下紅外發(fā)光二極管的正、反向電阻即可。紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率要用專門的儀器才能精確測定，而業(yè)余條件下只能用拉距法來粗略判定。
    接收部分的紅外接收管是一種光敏二極管。在實際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時是反向運用，這樣才能獲得較高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。
    由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率一般都較小(100 mW左右)，所以紅外接收二極管接收到的信號比較微弱，因此就要增加高增益放大電路。前些年常用μPC1373H、CX20106A等紅外接收專用放大電路。最近幾年不論是業(yè)余制作還是正式產(chǎn)品，大多都采用成品紅外接收頭。成品紅外接收頭的封裝大致有兩種：一種采用鐵皮屏蔽；一種是塑料封裝。均有3只引腳，即電源正(VDD)、電源(GND)和數(shù)據(jù)輸出(VO或OUT)。紅外接收頭的引腳排列因型號不同而不盡相同，可參考廠家的使用說明。成品紅外接收頭的優(yōu)點是不需要復(fù)雜的調(diào)試和外殼屏蔽，使用起來如同一只三極管．非常方便。但在使用時注意成品紅外接收頭的載波頻率。紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz，這是由發(fā)射端所使用的455 kHz晶振來決定的。在發(fā)射端要對晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455 kHz÷12≈37．9kHz≈38kHz。也有一些遙控系統(tǒng)采用36kHz、40 kHz、56 kHz等，一般由發(fā)射端晶振的振蕩頻率來決定。在本系統(tǒng)的中采用的是40 kHz的紅外發(fā)射波，接收裝置采用的是萬能紅外接收頭IR1838。
4．2 遙控碼的編碼格式
    遙控碼采用脈沖，不同的脈沖個數(shù)代表不同的碼，最小為2個脈沖，最大為17個脈沖。
    為了使接收可靠，第一位碼寬為3 ms，其余為1 ms，遙控碼數(shù)據(jù)幀間隔大于10 ms，其編碼波形如圖4所示。

    如圖4所示，當(dāng)某個操作鍵按下時，單片機先讀出鍵值，然后根據(jù)鍵值設(shè)定遙控碼的脈沖個數(shù)，再調(diào)制成40 kHz的方波由紅外線發(fā)射管發(fā)射出去。在上述的發(fā)射電路中，一共設(shè)置了4個按鍵，其中S2，S3，S4，S5的編碼分別是電器碼2，3，4，5，對于發(fā)射電路，每發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀最短的時間間隔是10 ms。例如在按下S4時，即先發(fā)送3 ms的前導(dǎo)碼，隨后再發(fā)送5個1 ms的脈沖，就表示按鍵S4被按下了，單片機紅外接收電路在接收到一串串脈沖之后，通過軟件完成對紅外的解碼，通過設(shè)置，每個編碼對應(yīng)于電動機不同的操作，比如2這個編碼，那么單片機的P0口輸出00000000，再經(jīng)過DAC0808之后，輸出電壓為0，這樣電動機就可以停止工作了。類似的編碼3，4，5分別對應(yīng)直流電機的低速，中速和高速的操作。
4．3 單片機紅外發(fā)送和接收程序
    由于程序較長，所以在本設(shè)計中只給出部分的核心的紅外發(fā)送和接收程序。關(guān)于紅外的發(fā)送程序如下：


    如上面程序所示發(fā)送函數(shù)是固定不變的，在發(fā)送函數(shù)中完成了編碼的功能，在tx函數(shù)中，用到了一個swicch開關(guān)語句，分別對按鍵值的不同進(jìn)行處理，例如當(dāng)keyvol=2的時候，就發(fā)送3個脈沖信號。
    關(guān)于單片機的紅外接收解碼過程，其核心程序如下：

    由面的解碼程序可以知道，用到了一個中斷接收的程序，其中remotein為臨時變量，解碼時的關(guān)鍵在于對脈沖個數(shù)的計量，這樣keyvol的值就能很方便的讀出來，再用到一個switch語句就可以分別對風(fēng)速進(jìn)行控制了。

5 結(jié)束語
    紅外遙控的特點是不影響周邊環(huán)境，不干擾其它電器設(shè)備。由于其無法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡單，只要按給定電路連接無誤，一般不需任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容易，可進(jìn)行多路遙控。由于各生產(chǎn)廠家生產(chǎn)了大量紅外遙控專用集成電路，需要時按圖索驥即可。因此，現(xiàn)在紅外遙控在家用電器、室內(nèi)近距離(小于10 m)遙控中得到了廣泛的應(yīng)用。
    在本設(shè)計中，利用2個單片機就可以實現(xiàn)短距離的控制，實際上其本質(zhì)就是利用紅外進(jìn)行通信，并把通信的結(jié)果進(jìn)行處理，反饋到最終的形式就是電扇風(fēng)速的不同。另外本設(shè)計還可以進(jìn)行改進(jìn)的，比如我們在考慮單片機的功耗時，因為用于紅外接收的那個單片機在風(fēng)扇停止工作的時候，單片機如果仍在工作，那么勢必增加了系統(tǒng)的功耗，所以為了降低功耗，在用于紅外接收的那個單片機中，應(yīng)該添加一個待機模式，這樣就大大降低了功耗，節(jié)省了能源，當(dāng)有外部中斷來的時候，才喚醒單片機，讓它處于工作狀態(tài)，這樣就達(dá)到低功耗的目的了。此外，若能在接收端加上一個測溫系統(tǒng)，并把實時溫度顯示出來，用戶根據(jù)目前環(huán)境的溫度來對電扇進(jìn)行操作，那就更好了。
    經(jīng)Proteus電路仿真驗證后，該系統(tǒng)運行良好，單片機的遙控電扇工作起來可靠性較高，用戶可以在幾米遠(yuǎn)的地方，就可以對電扇進(jìn)行實時控制了。該系統(tǒng)成本低廉，操作簡單，隨時可以根據(jù)軟件編寫新的功能。操作按鍵可擴展性強，只要稍加改變，就可以增加幾個按鍵的功能，本系統(tǒng)在當(dāng)今提倡人性化設(shè)計和健康產(chǎn)品的環(huán)境下具有非常好的市場前景。