基於紅外和超聲波的手動/自動調速風扇系統
一、前言
本系統為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為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，可通過紅外遙控的按鍵調節風扇轉速。相應引數資訊通過LCD液晶顯示屏顯示。本系統的主控晶片採用STC89C52微控制器，測距採用HC-SR04超聲波模組，風扇電機由L298N電機驅動模組驅動，遙控部分用傳統的紅外遙控器，顯示部分用LCD1602液晶顯示屏。電機驅動模組採用12V供電，微控制器及其他各部分採用5V供電。
該專案是筆者在大一暑假時完成的，在大三上學期又把程式碼整理、優化了一次，拿去充當了一次課程設計。正好趕上這兩天有空，決定把這個小玩意整理成部落格。一來這個東西確實是當時用心做了的，且以後筆者可能也不會再碰微控制器相關的東西了，整理出來留作念想；二來希望能在學弟學妹們做課設的時候提供一些思路，拋磚引玉；僅此而已。這裡先附醜圖一張：
二、思路分析
2.1 系統供電問題
STC89C52微控制器及超聲波感測器、紅外遙控接收頭、液晶顯示屏均為+5V標準供電，可以直接使用電腦USB介面引出電壓。但考慮到電機用到PWM調速，需要大電壓和大電流，因此決定使用電池盒額外供電。
2.2 自動/手動模式的切換
主函式內部用一個while大迴圈，超聲波資料採集及電機驅動等程式均放在迴圈內部。在while內部有兩段程式，一段為手動模式，一段為自動模式，分別放在if…else…的兩個分支內。定義全域性變數flag，在紅外遙控中斷內部可改變flag的值，通過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。
2.3 PWM訊號的產生
電機轉速調節需用到PWM訊號，需由微控制器內部產生。有兩種可行方案：其一為通過軟體延時，不斷地改變某一引腳電平的高低，由該引腳向外輸出PWM訊號；其二為通過中斷計時，計滿後進入中斷服務程式，在中斷服務程式中改變某一引腳電平的高低，由該引腳向外輸出PWM訊號。考慮到系統較為複雜，用方案一在時間上會佔用微控制器的大量資源，影響到系統的穩定性和實時性，因此採用方案二。
2.4 微控制器內部資源的分配
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訊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訊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順序最高的外部中斷0，PWM訊號發生使用定時器T0並開中斷，超聲波測距使用定時器T1，不開中斷。
三、硬體搭建
由於硬體部分中的很多模組在模擬軟體中都沒有，且各模組之間的連線關係比較簡單，因此在這裡不提供電路圖，僅用語言描述各引腳之間的連線關係。
3.1 微控制器最小系統
對51 系列微控制器來說， 最小系統一般應該包括： 微控制器、時鐘電路、復位電路、輸入/ 輸出裝置等。最小系統的焊接有一套標準的流程，為基本功，這裡不做贅述。
3.2 電機驅動模組
本系統電機驅動模組使用常見的L298N電機驅動模組。L298N晶片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調節輸出電壓；可以直接用微控制器的IO口提供訊號；而且電路簡單，使用比較方便。
在本系統中，只使能了EnA來驅動一個電機，其中EnA接微控制器引腳P20,IN1接P21，IN2接P22。L298N電機驅動模組實物圖如下所示：
3.3 超聲波測距模組
在自動調速模式下，需用到超聲波模組採集距離資訊。本系統採用HC-SR04超聲波模組， HC-SR04超聲波測距模組可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm；模組包括超聲波發射器、接收器與控制電路。基本工作原理：
（1）採用I0口TRIG觸發測距，給至少10us的高電平訊號；
（2）模組自動傳送8個40khz的方波，自動檢測是否有訊號返回；
（3）有訊號返回，通過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為344米/秒，即可計算出所測的距離。
在本系統中，超聲波模組的Trig腳接微控制器引腳P36,Echo腳接微控制器引腳P22。HC-SR04工作時序圖如下所示：
3.4 紅外遙控模組
根據使用的編碼晶片不同，紅外遙控編碼的格式也不同，較普遍的有NEC標準和PHILIPS標準。最常用的是NEC標準，本系統採用的也是NEC標準。
NEC標準：遙控載波的頻率為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，如果按鍵超過108ms仍未鬆開，接下來發射的程式碼（連發程式碼）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、使用者碼、使用者碼、資料碼、資料碼以及資料反碼共同組成。其中，引導碼高電平9ms，低電平4.5ms；系統碼8位，資料碼8位，共32位；其中前16位為使用者識別碼，能區別不同的紅外遙控裝置，以防止不同的機種遙控碼互相干擾。後16位為8位的操作碼和8位的操作反碼，用於核對資料是否接收準確。收端根據資料碼做出應該執行上面動作的判斷。連發程式碼是在持續按鍵時傳送的碼。它告知接收端。某鍵是在被連續的按著。
NEC標準下的發射碼錶示：發射資料0時用“0.56ms高電平 + 0.565ms低電平 = 1.125ms”表示；發射資料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腳接微控制器引腳P32。NEC標準完整碼組成及NEC標準發射碼如下所示：
3.5 液晶顯示模組
本系統的液晶顯示部分採用LCD1602液晶顯示屏。1602液晶也叫1602字元型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模組 它有若干個5X7或者5X11等點陣字元位組成，每個點陣字元位都可以顯示一個字元。每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有也有間隔，起到了字元間距和行間距的作用。
LCD1602是指顯示的內容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字元液晶模組（顯示字元和數字）。目前市面上字元液晶絕大多數是基於HD44780液晶晶片的，控制原理是完全相同的，因此基於HD44780寫的控制程式可以很方便地應用於市面上大部分的字元型液晶。
在本系統中，液晶顯示屏接法如下所示:
3.6 供電模組
為了驅動電機，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直流降壓模組，將電壓降至+12V後提供給電機驅動模組L298N，微控制器所需的+5V電可直接從電機驅動模組中引出。
四、程式碼分享
程式碼用C語言編寫，在Keil4環境下開發的。給每個模組都寫了驅動，每個模組的驅動拿出後略加改動，都能單獨使用。程式碼工程結構如下所示：
4.1 總標頭檔案
把常用的巨集定義和硬體的引腳連線定義到了reg52.h裡面，更名為my52.h。所以整個工程程式碼中每個檔案都#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 /*------------------一下為新增部分---------------------*/ 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輸入埠 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; // 資料/命令選擇端（H/L） 126 sbit RW=P1^1; //讀寫選擇端（H/L） 127 sbit E=P1^0; //使能訊號 128 129 //紅外遙控 130 sbit IRIN=P3^2;// 紅外接收器埠定義，外部中斷0優先順序最高 131 132 133 #endifView Code
4.2 電機驅動及標頭檔案
電機驅動檔案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; //擋位設定，分2，3，4檔
8 TMOD = 0x11; //設定定時器1為工作方式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; //啟動定時器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 }
View Code
電機驅動標頭檔案motor_driver.h：
1 #ifndef __MOTOR_DRIVER_C__ 2 #define __MOTOR_DRIVER_C__ 3 extern motor_run(uchar gear); //可填2，3，4，佔空比分別為0.6，0.8，1 4 #endifView Code
4.3 超聲波驅動及標頭檔案
超聲波驅動檔案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超聲波測距模組工作函式
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;//啟動T0
26 while(Echo==1);//等待返回訊號的接收完畢
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 }
View Code
超聲波驅動標頭檔案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 #endifView Code
4.4 紅外遙控驅動及標頭檔案
紅外遙控驅動檔案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];//兩位使用者碼，一位資料碼，一位資料反碼
8 uchar num;
9
10 void read() interrupt 0{//紅外中斷讀取檔位資料
11 uchar j,k,t;
12 uint i;
13 num=0;
14 t=IrValue[2];
15 delay_ms(7);//起始碼前9ms為低電平,在這裡等待7ms
16 if(IRIN==0){//確認真的收到訊號後執行以下程式
17 i=1000; //如果出錯利用i跳出以下等待，以免程式在這裡死迴圈
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為高電平
23 i=500; //用i防止死迴圈
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個使用者碼，1個數據碼，1個數據反碼，共4個位元組
29 for(j=0;j<8;j++){ //每個位元組8位，以下程式用於確定每位電平的高低
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)為0， 1.69ms(1690us)為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)，本程式出錯(最大不能超過2.25ms)，返回主調函式
41 return;
42 }
43 }
44 IrValue[k]>>=1;//騰出最高位用於接收本位資料
45 if(num>=8){//高電平持續時間大於800us,該位為1
46 IrValue[k]|=0x80; //給最高位寫1
47 }
48 num=0; //計數變數清零
49 }
50 }
51 }
52 if(IrValue[2]!=~IrValue[3]){//資料位校驗
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 }
View Code
紅外遙控驅動標頭檔案infrared_driver.h：
1 #ifndef __INFRARED_DRIVER_C__ 2 #define __INFRARED_DRIVER_C__ 3 4 #endifView Code
4.5 液晶顯示驅動及標頭檔案
液晶顯示驅動檔案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); //設定16X2顯示，5X7點陣，8位資料介面
34 write_com(0x0c); //設定開顯示，不顯示游標
35 write_com(0x06); //寫一個字元後地址指標加1
36 write_com(0x01); //顯示清零，資料指標清零
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 }
View Code
液晶顯示驅動標頭檔案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 #endifView Code
4.6 延時函式及標頭檔案
延時函式所在檔案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) //延時函式，t=1延時10us
11 {
12 while(t--);
13 }
View Code
對應標頭檔案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 #endifView Code
4.7 主函式
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，紅外驅動檔案中改變該值
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，接收紅外訊號
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更新一次資料
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 }
View Code