单片机课设----基于红外和超声波的手动/自动调速风扇系统

一、前言

　　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。

　　该项目是笔者在大一暑假时完成的，在大三上学期又把代码整理、优化了一次，拿去充当了一次课程设计。正好赶上这两天有空，决定把这个小玩意整理成博客。一来这个东西确实是当时用心做了的，且以后笔者可能也不会再碰单片机相关的东西了，整理出来留作念想；二来希望能在学弟学妹们做课设的时候提供一些思路，抛砖引玉；仅此而已。这里先附丑图一张：

二、思路分析

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。

四、代码分享

　　代码用C语言编写，在Keil4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"。

  1 #ifndef __MY52_H__
  2 #define __MY52_H__
  3 
  4 /*  BYTE Registers  */
  5 sfr P0    = 0x80;
  6 sfr P1    = 0x90;
  7 sfr P2    = 0xA0;
  8 sfr P3    = 0xB0;
  9 sfr PSW   = 0xD0;
 10 sfr ACC   = 0xE0;
 11 sfr B     = 0xF0;
 12 sfr SP    = 0x81;
 13 sfr DPL   = 0x82;
 14 sfr DPH   = 0x83;
 15 sfr PCON  = 0x87;
 16 sfr TCON  = 0x88;
 17 sfr TMOD  = 0x89;
 18 sfr TL0   = 0x8A;
 19 sfr TL1   = 0x8B;
 20 sfr TH0   = 0x8C;
 21 sfr TH1   = 0x8D;
 22 sfr IE    = 0xA8;
 23 sfr IP    = 0xB8;
 24 sfr SCON  = 0x98;
 25 sfr SBUF  = 0x99;
 26 
 27 /*  8052 Extensions  */
 28 sfr T2CON  = 0xC8;
 29 sfr RCAP2L = 0xCA;
 30 sfr RCAP2H = 0xCB;
 31 sfr TL2    = 0xCC;
 32 sfr TH2    = 0xCD;
 33 
 34 
 35 /*  BIT Registers  */
 36 /*  PSW  */
 37 sbit CY    = PSW^7;
 38 sbit AC    = PSW^6;
 39 sbit F0    = PSW^5;
 40 sbit RS1   = PSW^4;
 41 sbit RS0   = PSW^3;
 42 sbit OV    = PSW^2;
 43 sbit P     = PSW^0; //8052 only
 44 
 45 /*  TCON  */
 46 sbit TF1   = TCON^7;
 47 sbit TR1   = TCON^6;
 48 sbit TF0   = TCON^5;
 49 sbit TR0   = TCON^4;
 50 sbit IE1   = TCON^3;
 51 sbit IT1   = TCON^2;
 52 sbit IE0   = TCON^1;
 53 sbit IT0   = TCON^0;
 54 
 55 /*  IE  */
 56 sbit EA    = IE^7;
 57 sbit ET2   = IE^5; //8052 only
 58 sbit ES    = IE^4;
 59 sbit ET1   = IE^3;
 60 sbit EX1   = IE^2;
 61 sbit ET0   = IE^1;
 62 sbit EX0   = IE^0;
 63 
 64 /*  IP  */
 65 sbit PT2   = IP^5;
 66 sbit PS    = IP^4;
 67 sbit PT1   = IP^3;
 68 sbit PX1   = IP^2;
 69 sbit PT0   = IP^1;
 70 sbit PX0   = IP^0;
 71 
 72 /*  P3  */
 73 sbit RD    = P3^7;
 74 sbit WR    = P3^6;
 75 sbit T1    = P3^5;
 76 sbit T0    = P3^4;
 77 sbit INT1  = P3^3;
 78 sbit INT0  = P3^2;
 79 sbit TXD   = P3^1;
 80 sbit RXD   = P3^0;
 81 
 82 /*  SCON  */
 83 sbit SM0   = SCON^7;
 84 sbit SM1   = SCON^6;
 85 sbit SM2   = SCON^5;
 86 sbit REN   = SCON^4;
 87 sbit TB8   = SCON^3;
 88 sbit RB8   = SCON^2;
 89 sbit TI    = SCON^1;
 90 sbit RI    = SCON^0;
 91 
 92 /*  P1  */
 93 sbit T2EX  = P1^1; // 8052 only
 94 sbit T2    = P1^0; // 8052 only
 95              
 96 /*  T2CON  */
 97 sbit TF2    = T2CON^7;
 98 sbit EXF2   = T2CON^6;
 99 sbit RCLK   = T2CON^5;
100 sbit TCLK   = T2CON^4;
101 sbit EXEN2  = T2CON^3;
102 sbit TR2    = T2CON^2;
103 sbit C_T2   = T2CON^1;
104 sbit CP_RL2 = T2CON^0;
105 
106 /*------------------一下为添加部分---------------------*/
107 
108 #define uint unsigned int 
109 #define uchar unsigned char
110 
111 #define HighGear 4
112 #define MiddleGear 3
113 #define LowGear 2
114 
115 //电机驱动
116 sbit ENA = P2^0; //PWM输入端口
117 sbit IN1 = P2^1; //0
118 sbit IN2 = P2^2; //1
119 
120 //超声波
121 sbit Trig=P3^6;
122 sbit Echo=P3^7;
123 
124 //LCD1602
125 sbit RS=P1^2;  // 数据/命令选择端（H/L）
126 sbit RW=P1^1;  //读写选择端（H/L）
127 sbit E=P1^0;   //使能信号
128 
129 //红外遥控
130 sbit IRIN=P3^2;// 红外接收器端口定义，外部中断0优先级最高
131 
132 
133 #endif

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4.2 电机驱动及头文件

　　电机驱动文件motor_driver.c：

 1 #include "my52.h"
 2 
 3 uchar motor_gear,pwm_num; 
 4 
 5 void motor_run(uchar gear)
 6 {
 7     motor_gear = gear; //挡位设置，分2，3，4档
 8     TMOD = 0x11; //设置定时器1为工作方式1
 9     TH1 = (65536-100)/256; //装初值，每0.1ms中断一次
10     TL1 = (65536-100)%256;
11     ET1 = 1; //开定时器1中断
12     TR1 = 1; //启动定时器1
13 }
14 
15 void T1_PWM() interrupt 3
16 {
17     TH1 = (65536-100)/256; //装初值
18     TL1 = (65536-100)%256;
19     pwm_num++;
20     if(pwm_num == 5)
21         pwm_num = 0;
22     if(pwm_num <= motor_gear) 
23         ENA = 1;
24     else
25         ENA = 0;
26 }

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　　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 #endif

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4.3 超声波驱动及头文件

　　超声波驱动文件sr04_driver.c：

 1 #include "my52.h"
 2 #include "motor_driver.h"
 3 #include <intrins.h> // _nop_()延时
 4 
 5 extern uchar InfraredGear;
 6 
 7 uint distance()     //HC-SR04超声波测距模块工作函数
 8 {
 9     uint dis = 0;
10     uint time = 0;
11     uchar i = 10;
12 
13     Trig = 0;//初始化
14     Echo = 0;
15 
16 
17     TMOD = 0x11;
18     TH0=0;//给T0装初值0
19     TL0=0;
20 
21     Trig = 1;
22     while(i--)
23         _nop_();
24     while(Echo==0);
25     TR0=1;//启动T0
26     while(Echo==1);//等待返回信号的接收完毕
27     time=TH0*256+TL0;//微秒
28     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
29     TR0=0;//关闭T0
30 
31     return dis;
32 }
33 
34 void sr04_motor(uint dist)
35 {
36     if(dist <= 300)
37         InfraredGear = LowGear;
38     else if(dist > 600)
39         InfraredGear = HighGear;
40     else
41         InfraredGear = MiddleGear;
42 }

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　　超声波驱动头文件sr04_driver.h：

1 #ifndef __SR04_DRIVER_C__
2 #define __SR04_DRIVER_C__
3 extern uint distance(); //单位是毫米
4 extern void sr04_motor(uint dist);
5 #endif

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4.4 红外遥控驱动及头文件

　　红外遥控驱动文件infrared_driver.c：

 1 #include "my52.h"
 2 #include "delay.h"
 3 
 4 extern uchar InfraredGear;
 5 extern uchar Flag ;
 6 
 7 uchar IrValue[4];//两位用户码，一位数据码，一位数据反码
 8 uchar num;
 9 
10 void read() interrupt 0{//红外中断读取档位数据
11     uchar j,k,t;
12     uint i;
13     num=0;
14     t=IrValue[2];
15     delay_ms(7);//起始码前9ms为低电平,在这里等待7ms
16     if(IRIN==0){//确认真的收到信号后执行以下程序
17         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
18         while((IRIN==0)&&(i>0)){ //等待前9ms结束
19             delay_10us(1);
20             i--;
21         }
22         if(IRIN==1){//起始码前9ms结束，后4.5ms为高电平
23             i=500; //用i防止死循环
24             while((IRIN==1)&&(i>0)){//等待起始码的后4.5ms高电平
25                 delay_10us(1);
26                 i--;
27             }
28             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
29                 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
30                     i=60;
31                     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
32                         delay_10us(1);            //后面高电平0.565ms(565us)为0，   1.69ms(1690us)为1
33                         i--;
34                     }
35                     i=500;
36                     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
37                         delay_10us(10);//延时100us
38                         num++;
39                         i--;
40                         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
41                             return;
42                         }
43                     }
44                     IrValue[k]>>=1;//腾出最高位用于接收本位数据
45                     if(num>=8){//高电平持续时间大于800us,该位为1
46                         IrValue[k]|=0x80; //给最高位写1
47                     }
48                     num=0;    //计数变量清零
49                 }
50             }
51         }
52         if(IrValue[2]!=~IrValue[3]){//数据位校验
53             IrValue[2]=t;
54             return;
55         }
56     }
57     if(IrValue[2]==69)
58         InfraredGear=LowGear;
59     else if(IrValue[2]==70)
60         InfraredGear=MiddleGear;
61     else if(IrValue[2]==71)
62         InfraredGear=HighGear;
63     else if(IrValue[2]==68)      //切换自动模式
64         Flag = 0;
65     else if(IrValue[2]==67)      //切换手动模式
66         Flag = 1;
67     else if(IrValue[2]==64)      //急停
68         IN1 = 1;
69     else if(IrValue[2]==21)
70         IN1 = 0;
71 }

View Code

　　红外遥控驱动头文件infrared_driver.h：

1 #ifndef __INFRARED_DRIVER_C__
2 #define __INFRARED_DRIVER_C__
3 
4 #endif

View Code

4.5 液晶显示驱动及头文件

　　液晶显示驱动文件lcd1602_driver.c：

 1 #include "my52.h"
 2 
 3 extern uchar InfraredGear;
 4 
 5 void delays(uint i)
 6 {
 7     uchar j;
 8     while(i--)
 9         for(j=50;j>0;j--);
10 }
11 void write_com(uchar com)
12 {
13     RS=0;
14     P0=com;
15     delays(1);
16     E=1;
17     delays(1);
18     E=0;
19 }        
20 void write_date(uchar date)
21 {
22     RS=1;
23     P0=date;
24     delays(1);
25     E=1;
26     delays(1);
27     E=0;
28 }        
29 void lcdinit()
30 {
31     RW=0;
32     E=0;
33     write_com(0x38); //设置16X2显示，5X7点阵，8位数据接口
34     write_com(0x0c); //设置开显示，不显示光标
35     write_com(0x06); //写一个字符后地址指针加1 
36     write_com(0x01); //显示清零，数据指针清零
37 }
38 
39 void display0(uint dis) //手动调速下1602显示
40 {
41     uchar g1,g2,g3,g4;
42     g1=dis%10;
43     g2=(dis/10)%10;
44     g3=(dis/100)%10;
45     g4=dis/1000;
46     lcdinit();
47     write_com(0x80);
48     write_date('M');
49     write_date('o');
50     write_date('d');
51     write_date('e');
52     write_date('l');
53     write_date(':');
54     write_date('A');
55     write_date('U');
56     write_date('T');
57     write_date('O');
58 
59     write_date(' ');//挡位显示
60     write_date(0x30+InfraredGear-1);
61     
62     write_com(0x80+0x40);//换行显示
63 
64     write_date('D');//距离显示
65     write_date('i');
66     write_date('s');
67     write_date(':');
68     write_date(0x30+g4);
69     write_date(0x30+g3);
70     write_date(0x30+g2);
71     write_date(0x30+g1);
72     write_date('m');
73     write_date('m');
74 }
75 
76 void display1()
77 {
78     lcdinit();
79     write_com(0x80);
80 
81     write_date('M');
82     write_date('o');
83     write_date('d');
84     write_date('e');
85     write_date('l');
86     write_date(':');
87     write_date('M');
88     write_date('A');
89     write_date('N');
90     write_date('U');
91 
92     write_date(' ');//挡位显示
93     write_date(0x30+InfraredGear-1);
94 }

View Code

　　液晶显示驱动头文件lcd1602_driver.h：

1 #ifndef __LCD1602_DRIVER_C__
2 #define __LCD1602_DRIVER_C__
3 extern void delays(uint i);
4 extern void write_com(uchar com);
5 extern void write_date(uchar date);
6 extern void lcdinit();
7 extern void display0(uint dis);
8 extern void display1();
9 #endif

View Code

4.6 延时函数及头文件

　　延时函数所在文件delay.c:

 1 #include "my52.h"
 2 
 3 void delay_ms(uint t)
 4 {
 5     uint i,j;
 6     for(i=0;i<t;i++)
 7         for(j=0;j<114;j++);
 8 }
 9 
10 void delay_10us(uint t)  //延时函数，t=1延时10us
11 { 
12     while(t--);
13 }

View Code

　　对应头文件delay.h:

1 #ifndef __DELAY_C__
2 #define __DELAY_C__
3 extern void delay_ms(uint t);
4 extern void delay_10us(uint t);
5 #endif

View Code

4.7 主函数

 1 #include "my52.h"
 2 #include "motor_driver.h"
 3 #include "sr04_driver.h"
 4 #include "delay.h"
 5 #include "lcd1602_driver.h"
 6 #include "infrared_driver.h"
 7 
 8 uchar InfraredGear = LowGear;//手动调节挡位，红外驱动文件中改变该值
 9 uchar Flag = 0;//自动0/手动1模式
10 
11 void main()
12 {
13     uint dis;
14     ENA = 1;
15     IN1 = 0;
16     IN2 = 1;
17     EA = 1;//开总中断
18     EX0 = 1; //开外部中断0，接收红外信号
19     while(1)
20     {
21         if(Flag == 0) //自动
22         {
23             dis = distance(); //超声波测距
24             sr04_motor(dis); //根据距离调节挡位
25             motor_run(InfraredGear);
26             display0(dis);    //液晶显示
27             delay_ms(100);    //延时，每100ms更新一次数据
28         }
29         else
30         {
31             motor_run(InfraredGear); //手动调节转速
32             display1();     //液晶显示
33             delay_ms(100); //延时，每100ms更新一次液晶内容
34         }
35     }    
36 }

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posted @ 2019-06-06 11:03 秋沐霖阅读(2909) 评论(5) 编辑收藏举报

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单片机课设----基于红外和超声波的手动/自动调速风扇系统

一、前言

二、思路分析

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

四、代码分享

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

公告

2.4 单片机内部资源的分配　

3.1 单片机最小系统　