文章目录
- 1 简介
- 1 设计概要
- 2 系统设计
- 2.1 系统供电问题
- 2.2 自动/手动模式的切换
- 2.3 PWM信号的产生
- 2.4 单片机内部资源的分配
- 三、硬件搭建
- 3.1 单片机最小系统
- 3.2 电机驱动模块
- 3.3 超声波测距模块
- 3.4 红外遥控模块
- 3.5 液晶显示模块
- 3.6 供电模块
- 4 工程代码(全开源)
- 4.1 总头文件
- 4.2 电机驱动及头文件
- 4.3 超声波驱动及头文件
- 4.4 红外遥控驱动及头文件
- 4.5 液晶显示驱动及头文件
- 4.6 延时函数及头文件
- 4.7 主函数
- 5 最后
1 简介
Hi，大家好，学长今天向大家介绍一个 单片机项目，大家可用于 课程设计 或 毕业设计
基于超声波与红外的自动调速风扇系统
1 设计概要
本系统为基于红外和超声波的手动/自动调速风扇系统，风扇转速的调节模式可分为自动模式与手动模式：在自动模式下，由超声波检测人与风扇的距离，根据距离调节风扇转速；在手动模式下，可通过红外遥控的按键调节风扇转速。相应参数信息通过LCD液晶显示屏显示。本系统的主控芯片采用STC89C52单片机，测距采用HC-SR04超声波模块，风扇电机由L298N电机驱动模块驱动，遥控部分用传统的红外遥控器，显示部分用LCD1602液晶显示屏。电机驱动模块采用12V供电，单片机及其他各部分采用5V供电。
2 系统设计
2.1 系统供电问题
STC89C52单片机及超声波传感器、红外遥控接收头、液晶显示屏均为+5V标准供电，可以直接使用电脑USB接口引出电压。但考虑到电机用到PWM调速，需要大电压和大电流，因此决定使用电池盒额外供电。
2.2 自动/手动模式的切换
主函数内部用一个while大循环，超声波数据采集及电机驱动等程序均放在循环内部。在while内部有两段程序，一段为手动模式，一段为自动模式，分别放在if…else…的两个分支内。定义全局变量flag，在红外遥控中断内部可改变flag的值，通过flag的值控制if…else…选择结构的走向，进而实现两种模式的切换。
2.3 PWM信号的产生
电机转速调节需用到PWM信号，需由单片机内部产生。有两种可行方案：其一为通过软件延时，不断地改变某一引脚电平的高低，由该引脚向外输出PWM信号；其二为通过中断计时，计满后进入中断服务程序，在中断服务程序中改变某一引脚电平的高低，由该引脚向外输出PWM信号。考虑到系统较为复杂，用方案一在时间上会占用单片机的大量资源，影响到系统的稳定性和实时性，因此采用方案二。
2.4 单片机内部资源的分配
在本系统中，用到两个定时器和两个中断：超声波测距时等待返回波用到一个定时器，控制PWM信号的发生用到一个定时器；红外遥控的响应用到一个外部中断，PWM信号的发生用到定时器中断。考虑到系统的实时性，给红外遥控分配优先级最高的外部中断0，PWM信号发生使用定时器T0并开中断，超声波测距使用定时器T1，不开中断。
三、硬件搭建
由于硬件部分中的很多模块在仿真软件中都没有，且各模块之间的连接关系比较简单，因此在这里不提供电路图，仅用语言描述各引脚之间的连接关系。
3.1 单片机最小系统
对51 系列单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等。最小系统的焊接有一套标准的流程，为基本功，这里不做赘述。
3.2 电机驱动模块
本系统电机驱动模块使用常见的L298N电机驱动模块。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
在本系统中，只使能了EnA来驱动一个电机，其中EnA接单片机引脚P20,IN1接P21，IN2接P22。L298N电机驱动模块实物图如下所示：
3.3 超声波测距模块
在自动调速模式下，需用到超声波模块采集距离信息。本系统采用HC-SR04超声波模块， HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：
- （1）采用I0口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；
- （2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
- （3）有信号返回，通过I0口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声往返所用的时间。
- （4）根据声音在空气中的速度为344米/秒，即可计算出所测的距离。
在本系统中，超声波模块的Trig脚接单片机引脚P36,Echo脚接单片机引脚P22。HC-SR04工作时序图如下所示：
3.4 红外遥控模块
根据使用的编码芯片不同，红外遥控编码的格式也不同，较普遍的有NEC标准和PHILIPS标准。最常用的是NEC标准，本系统采用的也是NEC标准。
NEC标准：遥控载波的频率为38KHz(占空比1:3)当某个键按下时，发射端首先发射一个完整的全码，如果按键超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发代码）将由起始码(9ms)和结束码(2.5ms)组成，并每隔108ms重复。
一个完整的全码由引导码、用户码、用户码、数据码、数据码以及数据反码共同组成。其中，引导码高电平9ms，低电平4.5ms；系统码8位，数据码8位，共32位；其中前16位为用户识别码，能区别不同的红外遥控设备，以防止不同的机种遥控码互相干扰。后16位为8位的操作码和8位的操作反码，用于核对数据是否接收准确。收端根据数据码做出应该执行上面动作的判断。连发代码是在持续按键时发送的码。它告知接收端。某键是在被连续的按着。
NEC标准下的发射码表示：发射数据0时用“0.56ms高电平 + 0.565ms低电平 = 1.125ms”表示；发射数据1用“0.56ms高电平 + 1.69ms低电平 = 2.25ms”表示。
在本系统中，红外接收器的INIR脚接单片机引脚P32。NEC标准完整码组成及NEC标准发射码如下所示：
3.5 液晶显示模块
本系统的液晶显示部分采用LCD1602液晶显示屏。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块 它有若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。
LCD1602是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
在本系统中，液晶显示屏接法如下所示:
3.6 供电模块
为了驱动电机，需采用+12V供电，结合手上现有资源，决定采用4节3.7V的锂电池串联供电。串联后的输出电压在+15V左右，使用LM2596S直流降压模块，将电压降至+12V后提供给电机驱动模块L298N，单片机所需的+5V电可直接从电机驱动模块中引出。
4 工程代码(全开源)
代码用C语言编写，在Keil5环境下开发的。给每个模块都写了驱动，每个模块的驱动拿出后略加改动，都能单独使用。代码工程结构如下所示：
4.1 总头文件
把常用的宏定义和硬件的引脚连接定义到了reg52.h里面，更名为my52.h。所以整个工程代码中每个文件都#include "my52.h"而不是 #include “reg52.h”。
#ifndef __MY52_H__
#define __MY52_H__
/* BYTE Registers */
sfr P0 = 0x80;
sfr P1 = 0x90;
sfr P2 = 0xA0;
sfr P3 = 0xB0;
sfr PSW = 0xD0;
sfr ACC = 0xE0;
sfr B = 0xF0;
sfr SP = 0x81;
sfr DPL = 0x82;
sfr DPH = 0x83;
sfr PCON = 0x87;
sfr TCON = 0x88;
sfr TMOD = 0x89;
sfr TL0 = 0x8A;
sfr TL1 = 0x8B;
sfr TH0 = 0x8C;
sfr TH1 = 0x8D;
sfr IE = 0xA8;
sfr IP = 0xB8;
sfr SCON = 0x98;
sfr SBUF = 0x99;
/* 8052 Extensions */
sfr T2CON = 0xC8;
sfr RCAP2L = 0xCA;
sfr RCAP2H = 0xCB;
sfr TL2 = 0xCC;
sfr TH2 = 0xCD;
/* BIT Registers */
/* PSW */
sbit CY = PSW^7;
sbit AC = PSW^6;
sbit F0 = PSW^5;
sbit RS1 = PSW^4;
sbit RS0 = PSW^3;
sbit OV = PSW^2;
sbit P = PSW^0; //8052 only
/* TCON */
sbit TF1 = TCON^7;
sbit TR1 = TCON^6;
sbit TF0 = TCON^5;
sbit TR0 = TCON^4;
sbit IE1 = TCON^3;
sbit IT1 = TCON^2;
sbit IE0 = TCON^1;
sbit IT0 = TCON^0;
/* IE */
sbit EA = IE^7;
sbit ET2 = IE^5; //8052 only
sbit ES = IE^4;
sbit ET1 = IE^3;
sbit EX1 = IE^2;
sbit ET0 = IE^1;
sbit EX0 = IE^0;
/* IP */
sbit PT2 = IP^5;
sbit PS = IP^4;
sbit PT1 = IP^3;
sbit PX1 = IP^2;
sbit PT0 = IP^1;
sbit PX0 = IP^0;
/* P3 */
sbit RD = P3^7;
sbit WR = P3^6;
sbit T1 = P3^5;
sbit T0 = P3^4;
sbit INT1 = P3^3;
sbit INT0 = P3^2;
sbit TXD = P3^1;
sbit RXD = P3^0;
/* SCON */
sbit SM0 = SCON^7;
sbit SM1 = SCON^6;
sbit SM2 = SCON^5;
sbit REN = SCON^4;
sbit TB8 = SCON^3;
sbit RB8 = SCON^2;
sbit TI = SCON^1;
sbit RI = SCON^0;
/* P1 */
sbit T2EX = P1^1; // 8052 only
sbit T2 = P1^0; // 8052 only
/* T2CON */
sbit TF2 = T2CON^7;
sbit EXF2 = T2CON^6;
sbit RCLK = T2CON^5;
sbit TCLK = T2CON^4;
sbit EXEN2 = T2CON^3;
sbit TR2 = T2CON^2;
sbit C_T2 = T2CON^1;
sbit CP_RL2 = T2CON^0;
/*------------------一下为添加部分---------------------*/
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define HighGear 4
#define MiddleGear 3
#define LowGear 2
//电机驱动
sbit ENA = P2^0; //PWM输入端口
sbit IN1 = P2^1; //0
sbit IN2 = P2^2; //1
//超声波
sbit Trig=P3^6;
sbit Echo=P3^7;
//LCD1602
sbit RS=P1^2; // 数据/命令选择端（H/L）
sbit RW=P1^1; //读写选择端（H/L）
sbit E=P1^0; //使能信号
//红外遥控
sbit IRIN=P3^2;// 红外接收器端口定义，外部中断0优先级最高
#endif4.2 电机驱动及头文件
电机驱动文件motor_driver.c：
#include "my52.h"
uchar motor_gear,pwm_num;
void motor_run(uchar gear)
{
motor_gear = gear; //挡位设置，分2，3，4档
TMOD = 0x11; //设置定时器1为工作方式1
TH1 = (65536-100)/256; //装初值，每0.1ms中断一次
TL1 = (65536-100)%256;
ET1 = 1; //开定时器1中断
TR1 = 1; //启动定时器1
}
void T1_PWM() interrupt 3
{
TH1 = (65536-100)/256; //装初值
TL1 = (65536-100)%256;
pwm_num++;
if(pwm_num == 5)
pwm_num = 0;
if(pwm_num <= motor_gear)
ENA = 1;
else
ENA = 0;
}电机驱动头文件motor_driver.h
1 #ifndef __MOTOR_DRIVER_C__
2 #define __MOTOR_DRIVER_C__
3 extern motor_run(uchar gear); //可填2，3，4，占空比分别为0.6，0.8，1
4 #endif4.3 超声波驱动及头文件
超声波驱动文件sr04_driver.c：
#include "my52.h"
#include "motor_driver.h"
#include <intrins.h> // _nop_()延时
extern uchar InfraredGear;
uint distance() //HC-SR04超声波测距模块工作函数
{
uint dis = 0;
uint time = 0;
uchar i = 10;
Trig = 0;//初始化
Echo = 0;
TMOD = 0x11;
TH0=0;//给T0装初值0
TL0=0;
Trig = 1;
while(i--)
_nop_();
while(Echo==0);
TR0=1;//启动T0
while(Echo==1);//等待返回信号的接收完毕
time=TH0*256+TL0;//微秒
dis=(time*1.7+5)/10;//340米每秒即0.34毫米每微秒，1.7=0.34/2×10，来回除2，四舍五入先乘10
TR0=0;//关闭T0
return dis;
}
void sr04_motor(uint dist)
{
if(dist <= 300)
InfraredGear = LowGear;
else if(dist > 600)
InfraredGear = HighGear;
else
InfraredGear = MiddleGear;
}超声波驱动头文件sr04_driver.h：
4.4 红外遥控驱动及头文件
红外遥控驱动文件infrared_driver.c：
#include "my52.h"
#include "delay.h"
extern uchar InfraredGear;
extern uchar Flag ;
uchar IrValue[4];//两位用户码，一位数据码，一位数据反码
uchar num;
void read() interrupt 0{//红外中断读取档位数据
uchar j,k,t;
uint i;
num=0;
t=IrValue[2];
delay_ms(7);//起始码前9ms为低电平,在这里等待7ms
if(IRIN==0){//确认真的收到信号后执行以下程序
i=1000; //如果出错利用i跳出以下等待，以免程序在这里死循环
while((IRIN==0)&&(i>0)){ //等待前9ms结束
delay_10us(1);
i--;
}
if(IRIN==1){//起始码前9ms结束，后4.5ms为高电平
i=500; //用i防止死循环
while((IRIN==1)&&(i>0)){//等待起始码的后4.5ms高电平
delay_10us(1);
i--;
}
for(k=0;k<4;k++){//2个用户码，1个数据码，1个数据反码，共4个字节
for(j=0;j<8;j++){ //每个字节8位，以下程序用于确定每位电平的高低
i=60;
while((IRIN==0)&&(i>0)){//等待0.56ms的低电平，每位前面都有0.56ms的低电平
delay_10us(1); //后面高电平0.565ms(565us)为0， 1.69ms(1690us)为1
i--;
}
i=500;
while((IRIN==1)&&(i>0)){//低电平结束，高电平到来后进入，用于计算高电平持续时间
delay_10us(10);//延时100us
num++;
i--;
if(num>30){//超出3000us(3ms)，本程序出错(最大不能超过2.25ms)，返回主调函数
return;
}
}
IrValue[k]>>=1;//腾出最高位用于接收本位数据
if(num>=8){//高电平持续时间大于800us,该位为1
IrValue[k]|=0x80; //给最高位写1
}
num=0; //计数变量清零
}
}
}
if(IrValue[2]!=~IrValue[3]){//数据位校验
IrValue[2]=t;
return;
}
}
if(IrValue[2]==69)
InfraredGear=LowGear;
else if(IrValue[2]==70)
InfraredGear=MiddleGear;
else if(IrValue[2]==71)
InfraredGear=HighGear;
else if(IrValue[2]==68) //切换自动模式
Flag = 0;
else if(IrValue[2]==67) //切换手动模式
Flag = 1;
else if(IrValue[2]==64) //急停
IN1 = 1;
else if(IrValue[2]==21)
IN1 = 0;
}红外遥控驱动头文件infrared_driver.h
1 #ifndef __INFRARED_DRIVER_C__
2 #define __INFRARED_DRIVER_C__
3
4 #endif4.5 液晶显示驱动及头文件
液晶显示驱动文件lcd1602_driver.c：
#include "my52.h"
extern uchar InfraredGear;
void delays(uint i)
{
uchar j;
while(i--)
for(j=50;j>0;j--);
}
void write_com(uchar com)
{
RS=0;
P0=com;
delays(1);
E=1;
delays(1);
E=0;
}
void write_date(uchar date)
{
RS=1;
P0=date;
delays(1);
E=1;
delays(1);
E=0;
}
void lcdinit()
{
RW=0;
E=0;
write_com(0x38); //设置16X2显示，5X7点阵，8位数据接口
write_com(0x0c); //设置开显示，不显示光标
write_com(0x06); //写一个字符后地址指针加1
write_com(0x01); //显示清零，数据指针清零
}
void display0(uint dis) //手动调速下1602显示
{
uchar g1,g2,g3,g4;
g1=dis%10;
g2=(dis/10)%10;
g3=(dis/100)%10;
g4=dis/1000;
lcdinit();
write_com(0x80);
write_date('M');
write_date('o');
write_date('d');
write_date('e');
write_date('l');
write_date(':');
write_date('A');
write_date('U');
write_date('T');
write_date('O');
write_date(' ');//挡位显示
write_date(0x30+InfraredGear-1);
write_com(0x80+0x40);//换行显示
write_date('D');//距离显示
write_date('i');
write_date('s');
write_date(':');
write_date(0x30+g4);
write_date(0x30+g3);
write_date(0x30+g2);
write_date(0x30+g1);
write_date('m');
write_date('m');
}
void display1()
{
lcdinit();
write_com(0x80);
write_date('M');
write_date('o');
write_date('d');
write_date('e');
write_date('l');
write_date(':');
write_date('M');
write_date('A');
write_date('N');
write_date('U');
write_date(' ');//挡位显示
write_date(0x30+InfraredGear-1);
}液晶显示驱动头文件lcd1602_driver.h：
#ifndef __LCD1602_DRIVER_C__
#define __LCD1602_DRIVER_C__
extern void delays(uint i);
extern void write_com(uchar com);
extern void write_date(uchar date);
extern void lcdinit();
extern void display0(uint dis);
extern void display1();
#endif4.6 延时函数及头文件
延时函数所在文件delay.c:
#include "my52.h"
void delay_ms(uint t)
{
uint i,j;
for(i=0;i<t;i++)
for(j=0;j<114;j++);
}
void delay_10us(uint t) //延时函数，t=1延时10us
{
while(t--);
}4.7 主函数
#include "my52.h"
#include "motor_driver.h"
#include "sr04_driver.h"
#include "delay.h"
#include "lcd1602_driver.h"
#include "infrared_driver.h"
uchar InfraredGear = LowGear;//手动调节挡位，红外驱动文件中改变该值
uchar Flag = 0;//自动0/手动1模式
void main()
{
uint dis;
ENA = 1;
IN1 = 0;
IN2 = 1;
EA = 1;//开总中断
EX0 = 1; //开外部中断0，接收红外信号
while(1)
{
if(Flag == 0) //自动
{
dis = distance(); //超声波测距
sr04_motor(dis); //根据距离调节挡位
motor_run(InfraredGear);
display0(dis); //液晶显示
delay_ms(100); //延时，每100ms更新一次数据
}
else
{
motor_run(InfraredGear); //手动调节转速
display1(); //液晶显示
delay_ms(100); //延时，每100ms更新一次液晶内容
}
}
}5 最后
