1.1 选题背景及设计目的

    背景介绍：

    电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，市场人士称， 家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。其主要原因：一是风扇和空调的降温效果不同——空调有强大的制冷功能，可以快速有效地降低环境温度，但电风扇的风更温和，更加适合老人儿童和体质较弱的人 使用；二是电风扇有价格优势，价格低廉而且相对省电，安装和使用都非常简单。

设计目的：

1、巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力；

2、选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；

3、通过对设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤。

1．2 完成的功能

系统主要功能如下：

    1、用数码管实时显示电风扇的工作状态，显示定时时间：动态倒计时显示剩余的定时时间，无定时显示“0”。显示风类：“自然风” LED1、 “常风” LED2、“睡眠风” LED3。

2、设计 “自然风”、 “常风”和“睡眠风” 三个风类键用于设置风类；

   设计一个“定时”键，用于定时时间长短设置；

   设计一个“摇头” 键用于控制电机摇头。   

3、设计过热检测与保护电路，若电风扇电机过热，则电机停止转动，电机冷却后电机又恢复转动。

1．3 任务的内容和要求

1.必须充分利用给定套装元件（内附元件，材料清单表）进行设计。

2.用一个直流小电机模拟电风扇电机，按下相应的风类键，电机工作在相应状态：“自然风”运行时PWM的占空比为1:3；“睡眠风”运行时PWM的占空比为1:5；“常风”运行时PWM的占空比为3:1。

3.每按一次“定时”键，定时时间增加10秒钟，工作过程如下：

图1

4. 用另一个直流小电机模拟风扇摇头机构，按下“摇头” 键，“摇头”电机先正转30ms，再反转30ms，如次往复。 

6.过热检测与保护电路用传感器，若信号为低电平，则电机停止转动。

第2章 系统设计总体方案

本设计采用AIP15F2K61S2单片机为核心控制器件，系统框图如图2所示

图2        

2.1 设计方案特点

1、初始加电时，电风扇不加电，只有按下“自然风”、 “常风”和“睡眠风”任一按键，电风扇开始工作。同时，定时器只要不进行新的时间设置，电路就将按系统默认控制负载定时工作的时间方式自动开始运行。

2、电路允许用户随时通过按键开关自行输入设置新的定时时间参数。

3、在整个定时状态下，电路具有允许用户随时自行选择使用“自然风”状态，也可选择使用“常风”和“睡眠风”状态。

4、过热检测与保护电路用传感器，若信号为低电平，则电机停止转动。

5、按下“摇头”键，“摇头”电机先正转30ms，再反转30ms，如此往复。

第三章 系统硬件设计

3.1 系统硬件设计电路图

该系统已AIP15F2K61S2单片机为核心，由电源电路，复位电路，显示电路，键盘，电机驱动组成。图2是系统硬件电路图。

图4

3.2 系统硬件电路

复位电路：

首先形成单片机最小系统，RST加入复位电路，EA加入高电平。

    AIP15F2K61S21的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路分为上电复位和手动复位，我们采用的是上电+手动复位，正常工作时按下S2键，IO口变成高电平，单片机复位，按键松开，通过电容放电，IO口回到低电平。所以C=10uf,R1=10K。

 3.3 单片机电源电路

电路主要是稳压。电流进入电路，7805稳压后，输出稳定的+5V直流工作电压。

图7

3.7 稳压芯片H7805

稳压芯片H7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保 护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电 路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。外形图及引脚排列如图13所示。

图13

它的主要特点：

•输出电流可达 1A输出电压有：5V

•过热保护

•短路保护

•输出晶体管 SOA 保护

功能框图如图14所示。

图14

3.8 直流电机

直流电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，它能使绕组在气隙磁场中旋转感生出交流电动势，并依靠换向装置，将此交流电变为直流电。其产生交流电的物理根源在于，电机中存在磁场和与之有相对运动的电路，即气隙磁场和绕组。旋转绕组和静止气隙磁场相互作用的关系可通过电磁感应定律和电磁力定律来分析。

根据电磁感应定律，在恒定磁场中，当导体切割磁场磁力线时，导体中将感应电动势。如果磁力线、导体及其运动方向三者互相垂直，则导体中产生的感应电动势的大小为

图15                                                    

式中，b为磁感应强度，单位为t；为导体切割磁力线的有效长度，单位为m；为导体切割磁场的线速度，单位为m／s；为导体感应电动势，单位为v。

    依据电磁力定律，当磁场与载流导体相互垂直时，如图15(a)所示，作用在载流导体上的电磁力为

式中，为载流导体中电流，单位为a；为电磁力，单位为n。电磁力的方向用左手定则确定，如图15(b)所示。

直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。但要获得恒定方向的转矩，需将其外电路的直流电流变为绕组中的交流电流，即同样需要机械整流装置。

直流电动机的基本结构与直流发电机相同，如图16所示，此时a、b电刷接在直流电源上，电机的轴上带着被拖动的负载。

图16

当直流电流从电刷a流人，经换向片1、线圈abcd、换向片2，由电刷b流出时，如图16(a)所示，载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，据左手定则，使线圈沿逆时针方向转动。当电枢转过半周时，如图16(b)所示，dc处于n极下，ab处于s极下，此时电流仍从电刷a流入，经换向片2、线圈dcba、换向片1，最后由电刷b流出，据左手定则，此时线圈仍然沿逆时针方向转动。因此，电枢将沿一个恒定方向转动。

实际上，直流电动机的电枢上有许多线圈，这些线圈产生的电磁转矩合成为一个总的电磁转矩，拖动负载转动。

总之，在上述直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是哪个导体运行到该极下，其中的电流方向总是相同的。因此，直流电动机可获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续旋转。这就是直流电动机的工作原理。下载本文