單片機課設----基於紅外和超聲波的手動/自動調速風扇系統

時間 2020-08-07

標籤單片機基於紅外超聲波手動自動調速風扇系統简体版

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1、前言

　　本系統爲基於紅外和超聲波的手動/自動調速風扇系統，風扇轉速的調節模式可分爲自動模式與手動模式：在自動模式下，由超聲波檢測人與風扇的距離，根據距離調節風扇轉速；在手動模式下，可經過紅外遙控的按鍵調節風扇轉速。相應參數信息經過LCD液晶顯示屏顯示。本系統的主控芯片採用STC89C52單片機，測距採用HC-SR04超聲波模塊，風扇電機由L298N電機驅動模塊驅動，遙控部分用傳統的紅外遙控器，顯示部分用LCD1602液晶顯示屏。電機驅動模塊採用12V供電，單片機及其餘各部分採用5V供電。ide

　　該項目是筆者在大一暑假時完成的，在大三上學期又把代碼整理、優化了一次，拿去充當了一次課程設計。正好遇上這兩天有空，決定把這個小玩意整理成博客。一來這個東西確實是當時用心作了的，且之後筆者可能也不會再碰單片機相關的東西了，整理出來留做念想；二來但願能在學弟學妹們作課設的時候提供一些思路，拋磚引玉；僅此而已。這裏先附醜圖一張：函數

2、思路分析

2.1 系統供電問題

　　STC89C52單片機及超聲波傳感器、紅外遙控接收頭、液晶顯示屏均爲+5V標準供電，能夠直接使用電腦USB接口引出電壓。但考慮到電機用到PWM調速，須要大電壓和大電流，所以決定使用電池盒額外供電。優化

2.2 自動/手動模式的切換

　　主函數內部用一個while大循環，超聲波數據採集及電機驅動等程序均放在循環內部。在while內部有兩段程序，一段爲手動模式，一段爲自動模式，分別放在if…else…的兩個分支內。定義全局變量flag，在紅外遙控中斷內部可改變flag的值，經過flag的值控制if…else…選擇結構的走向，進而實現兩種模式的切換。ui

2.3 PWM信號的產生

　　電機轉速調節需用到PWM信號，需由單片機內部產生。有兩種可行方案：其一爲經過軟件延時，不斷地改變某一引腳電平的高低，由該引腳向外輸出PWM信號；其二爲經過中斷計時，計滿後進入中斷服務程序，在中斷服務程序中改變某一引腳電平的高低，由該引腳向外輸出PWM信號。考慮到系統較爲複雜，用方案一在時間上會佔用單片機的大量資源，影響到系統的穩定性和實時性，所以採用方案二。編碼

2.4 單片機內部資源的分配　

　　在本系統中，用到兩個定時器和兩個中斷：超聲波測距時等待返回波用到一個定時器，控制PWM信號的發生用到一個定時器；紅外遙控的響應用到一個外部中斷，PWM信號的發生用到定時器中斷。考慮到系統的實時性，給紅外遙控分配優先級最高的外部中斷0，PWM信號發生使用定時器T0並開中斷，超聲波測距使用定時器T1，不開中斷。spa

3、硬件搭建

　　因爲硬件部分中的不少模塊在仿真軟件中都沒有，且各模塊之間的鏈接關係比較簡單，所以在這裏不提供電路圖，僅用語言描述各引腳之間的鏈接關係。設計

3.1 單片機最小系統　

　　對51 系列單片機來講，最小系統通常應該包括：單片機、時鐘電路、復位電路、輸入/ 輸出設備等。最小系統的焊接有一套標準的流程，爲基本功，這裏不作贅述。指針

3.2 電機驅動模塊

　　本系統電機驅動模塊使用常見的L298N電機驅動模塊。L298N芯片能夠驅動兩個二相電機，也能夠驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，能夠直接經過電源來調節輸出電壓；能夠直接用單片機的IO口提供信號；並且電路簡單，使用比較方便。code

　　在本系統中，只使能了EnA來驅動一個電機，其中EnA接單片機引腳P20,IN1接P21，IN2接P22。L298N電機驅動模塊實物圖以下所示：blog

3.3 超聲波測距模塊

　　在自動調速模式下，需用到超聲波模塊採集距離信息。本系統採用HC-SR04超聲波模塊， HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。基本工做原理：

（1）採用I0口TRIG觸發測距，給至少10us的高電平信號；

（2）模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）有信號返回，經過I0口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲往返所用的時間。

（4）根據聲音在空氣中的速度爲344米/秒，便可計算出所測的距離。

　　在本系統中，超聲波模塊的Trig腳接單片機引腳P36,Echo腳接單片機引腳P22。HC-SR04工做時序圖以下所示：

3.4 紅外遙控模塊

　　根據使用的編碼芯片不一樣，紅外遙控編碼的格式也不一樣，較廣泛的有NEC標準和PHILIPS標準。最經常使用的是NEC標準，本系統採用的也是NEC標準。

　　NEC標準：遙控載波的頻率爲38KHz(佔空比1:3)當某個鍵按下時，發射端首先發射一個完整的全碼，若是按鍵超過108ms仍未鬆開，接下來發射的代碼（連發代碼）將由起始碼(9ms)和結束碼(2.5ms)組成，並每隔108ms重複。

　　一個完整的全碼由引導碼、用戶碼、用戶碼、數據碼、數據碼以及數據反碼共同組成。其中，引導碼高電平9ms，低電平4.5ms；系統碼8位，數據碼8位，共32位；其中前16位爲用戶識別碼，能區別不一樣的紅外遙控設備，以防止不一樣的機種遙控碼互相干擾。後16位爲8位的操做碼和8位的操做反碼，用於覈對數據是否接收準確。收端根據數據碼作出應該執行上面動做的判斷。連發代碼是在持續按鍵時發送的碼。它告知接收端。某鍵是在被連續的按着。

　　NEC標準下的發射碼錶示：發射數據0時用「0.56ms高電平 + 0.565ms低電平 = 1.125ms」表示；發射數據1用「0.56ms高電平 + 1.69ms低電平 = 2.25ms」表示。

　　在本系統中，紅外接收器的INIR腳接單片機引腳P32。NEC標準完整碼組成及NEC標準發射碼以下所示：

3.5 液晶顯示模塊

　　本系統的液晶顯示部分採用LCD1602液晶顯示屏。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊它有若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每一個點陣字符位均可以顯示一個字符。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有也有間隔，起到了字符間距和行間距的做用。

　　LCD1602是指顯示的內容爲16X2,便可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。目前市面上字符液晶絕大多數是基於HD44780液晶芯片的，控制原理是徹底相同的，所以基於HD44780寫的控制程序能夠很方便地應用於市面上大部分的字符型液晶。

　　在本系統中，液晶顯示屏接法以下所示:

3.6 供電模塊

　　爲了驅動電機，需採用+12V供電，結合手上現有資源，決定採用4節3.7V的鋰電池串聯供電。串聯後的輸出電壓在+15V左右，使用LM2596S直流降壓模塊，將電壓降至+12V後提供給電機驅動模塊L298N，單片機所需的+5V電可直接從電機驅動模塊中引出。

4、代碼分享

　　代碼用C語言編寫，在Keil4環境下開發的。給每一個模塊都寫了驅動，每一個模塊的驅動拿出後略加改動，都能單獨使用。代碼工程結構以下所示：

4.1 總頭文件

　　把經常使用的宏定義和硬件的引腳鏈接定義到了reg52.h裏面，改名爲my52.h。因此整個工程代碼中每一個文件都#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 /*------------------一下爲添加部分---------------------*/
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 //電機驅動
116 sbit ENA = P2^0; //PWM輸入端口
117 sbit IN1 = P2^1; //0
118 sbit IN2 = P2^2; //1 119 
120 //超聲波
121 sbit Trig=P3^6; 122 sbit Echo=P3^7; 123 
124 //LCD1602
125 sbit RS=P1^2;  // 數據/命令選擇端（H/L）
126 sbit RW=P1^1;  //讀寫選擇端（H/L）
127 sbit E=P1^0;   //使能信號 128 
129 //紅外遙控
130 sbit IRIN=P3^2;// 紅外接收器端口定義，外部中斷0優先級最高
131 
132 
133 #endif

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4.2 電機驅動及頭文件

　　電機驅動文件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; //擋位設置，分2，3，4檔
 8     TMOD = 0x11; //設置定時器1爲工做方式1
 9     TH1 = (65536-100)/256; //裝初值，每0.1ms中斷一次
10     TL1 = (65536-100)%256; 11     ET1 = 1; //開定時器1中斷
12     TR1 = 1; //啓動定時器1
13 } 14 
15 void T1_PWM() interrupt 3
16 { 17     TH1 = (65536-100)/256; //裝初值
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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　　電機驅動頭文件motor_driver.h：

1 #ifndef __MOTOR_DRIVER_C__ 2 #define __MOTOR_DRIVER_C__
3 extern motor_run(uchar gear); //可填2，3，4，佔空比分別爲0.6，0.8，1
4 #endif

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4.3 超聲波驅動及頭文件

　　超聲波驅動文件sr04_driver.c：

 1 #include "my52.h"
 2 #include "motor_driver.h"
 3 #include <intrins.h> // _nop_()延時
 4 
 5 extern uchar InfraredGear;  6 
 7 uint distance()     //HC-SR04超聲波測距模塊工做函數
 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;//給T0裝初值0
19     TL0=0; 20 
21     Trig = 1; 22     while(i--) 23  _nop_(); 24     while(Echo==0); 25     TR0=1;//啓動T0
26     while(Echo==1);//等待返回信號的接收完畢
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，來回除2，四捨五入先乘10
29     TR0=0;//關閉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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　　超聲波驅動頭文件sr04_driver.h：

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

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4.4 紅外遙控驅動及頭文件

　　紅外遙控驅動文件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];//兩位用戶碼，一位數據碼，一位數據反碼
 8 uchar num;  9 
10 void read() interrupt 0{//紅外中斷讀取檔位數據
11  uchar j,k,t; 12     uint i; 13     num=0; 14     t=IrValue[2]; 15     delay_ms(7);//起始碼前9ms爲低電平,在這裏等待7ms
16     if(IRIN==0){//確認真的收到信號後執行如下程序
17         i=1000;    //若是出錯利用i跳出如下等待，以避免程序在這裏死循環
18         while((IRIN==0)&&(i>0)){ //等待前9ms結束
19             delay_10us(1); 20             i--; 21  } 22         if(IRIN==1){//起始碼前9ms結束，後4.5ms爲高電平
23             i=500; //用i防止死循環
24             while((IRIN==1)&&(i>0)){//等待起始碼的後4.5ms高電平
25                 delay_10us(1); 26                 i--; 27  } 28             for(k=0;k<4;k++){//2個用戶碼，1個數據碼，1個數據反碼，共4個字節
29                 for(j=0;j<8;j++){ //每一個字節8位，如下程序用於肯定每位電平的高低
30                     i=60; 31                     while((IRIN==0)&&(i>0)){//等待0.56ms的低電平，每位前面都有0.56ms的低電平
32                         delay_10us(1);            //後面高電平0.565ms(565us)爲0， 1.69ms(1690us)爲1
33                         i--; 34  } 35                     i=500; 36                     while((IRIN==1)&&(i>0)){//低電平結束，高電平到來後進入，用於計算高電平持續時間
37                         delay_10us(10);//延時100us
38                         num++; 39                         i--; 40                         if(num>30){//超出3000us(3ms)，本程序出錯(最大不能超過2.25ms)，返回主調函數
41                             return; 42  } 43  } 44                     IrValue[k]>>=1;//騰出最高位用於接收本位數據
45                     if(num>=8){//高電平持續時間大於800us,該位爲1
46                         IrValue[k]|=0x80; //給最高位寫1
47  } 48                     num=0;    //計數變量清零
49  } 50  } 51  } 52         if(IrValue[2]!=~IrValue[3]){//數據位校驗
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)      //切換自動模式
64         Flag = 0; 65     else if(IrValue[2]==67)      //切換手動模式
66         Flag = 1; 67     else if(IrValue[2]==64)      //急停
68         IN1 = 1; 69     else if(IrValue[2]==21) 70         IN1 = 0; 71 }

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　　紅外遙控驅動頭文件infrared_driver.h：

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

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4.5 液晶顯示驅動及頭文件

　　液晶顯示驅動文件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); //設置16X2顯示，5X7點陣，8位數據接口
34     write_com(0x0c); //設置開顯示，不顯示光標
35     write_com(0x06); //寫一個字符後地址指針加1 
36     write_com(0x01); //顯示清零，數據指針清零
37 } 38 
39 void display0(uint dis) //手動調速下1602顯示
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(' ');//擋位顯示
60     write_date(0x30+InfraredGear-1); 61     
62     write_com(0x80+0x40);//換行顯示
63 
64     write_date('D');//距離顯示
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(' ');//擋位顯示
93     write_date(0x30+InfraredGear-1); 94 }

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　　液晶顯示驅動頭文件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

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4.6 延時函數及頭文件

　　延時函數所在文件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)  //延時函數，t=1延時10us
11 { 12     while(t--); 13 }

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　　對應頭文件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

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4.7 主函數

 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;//手動調節擋位，紅外驅動文件中改變該值
 9 uchar Flag = 0;//自動0/手動1模式
10 
11 void main() 12 { 13     uint dis; 14     ENA = 1; 15     IN1 = 0; 16     IN2 = 1; 17     EA = 1;//開總中斷
18     EX0 = 1; //開外部中斷0，接收紅外信號
19     while(1) 20  { 21         if(Flag == 0) //自動
22  { 23             dis = distance(); //超聲波測距
24             sr04_motor(dis); //根據距離調節擋位
25  motor_run(InfraredGear); 26             display0(dis);    //液晶顯示
27             delay_ms(100);    //延時，每100ms更新一次數據
28  } 29         else
30  { 31             motor_run(InfraredGear); //手動調節轉速
32             display1();     //液晶顯示
33             delay_ms(100); //延時，每100ms更新一次液晶內容
34  } 35  } 36 }