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 }

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　　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

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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 }

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　　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

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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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