基于单片机的智能温控风扇设计(共34页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要本设计为智能温控风扇系统，该系统可以实现风扇随实时环境温度而智能变速功能。系统主要选用STC89C52 单片机作为控制中心，DS18B20数字温度传感器采集实时温度，再经单片机处理后通过三极管放大信号后驱动直流风扇的电机。用户可以预设上限、下限温度值，当测得环境温度值在预设上下限值区间中时，此时风扇以半速转动；当温度升高并大于预设上限温度值时，风扇会自动调速，以全速转动；当温度降低并低于预设的下限温度值时，这时风扇电机自动停止转动。全程实现风扇转速随外界温度而智能自变。关键词：温控风扇，STC89C52单片机，DS18B20数字温度传感器，智能自变Abstrac

2、tThis design for the intelligent temperature control fan system, the system can realize the fan intelligent variable speed function according to the real-time environmental temperature.STC89C52 single-chip microcomputer system is mainly used as the control center, DS18B20 digital temperature sensor

3、to collect real-time temperature, then through single chip through triode amplifier signal after drive dc fan motor.Users can preset upper limit and lower limit temperature, when the environment temperature measurement in the preset upper and lower limit range, the fan rotates at half speed;When the

4、 temperature is greater than the preset limit temperature, fan speed automatically, with full rotation.When the lower limit of temperature is lower and lower than the preset value, the fan motor automatically stop running.The entire implementation and intelligence from change fan speed varies with t

5、emperature.Key words: temperature control fan, STC89C52 Single chip microcomputer and DS18B20 digital temperature sensor, smart since the change专心-专注-专业目录1绪论1.1 本设计的背景及意义随着社会水平的高速发展，家用电器已经越来越智能化，紧随着物价也自然会因为设计成本的提高而上涨。单单从夏季我们用来降温的电器来看，尽管很多城市家庭如今已经用上了空调，但大多数的中国农村家庭仍还在利用电扇降温防暑。电扇虽有调节档位的功能，但仍然离不开人工手换档，灵

6、活性太差。比如在深夜里，温度下降后风扇的风速应该降低，可是这时人已经入睡并不能及时手动换挡，就很容易感冒。为了避免这种不便情况，我们一般都会给风扇定时，让风扇定时关闭，但这依旧不是很智能化。因为如果当风扇定时时间到后，气温依旧没有明显的下降，但是这时风扇已经关闭，人就很容易会再次被热醒，而不得不起床重新打开风扇，这样人根本得不到充足的休息时间。因此，智能温控风扇是当今市场迫切需求的产品。1.2 发展现状截止目前，可以说社会已经完全步入了现代化电子时代，由于温度控制器能够实时监控环境温度，并能及时对机器做出调整，它被广泛的运用到各行各业。它的普及带给人们极大的方便。温控风扇正是基于温度控制器下的

7、一种产物。目前，这种系统在很多国内家庭都得到运用，尤其是家用电器里的自动散热。系统效率越来越高。1.3 本设计的主要内容本系统采用STC89C52单片机作为主控芯片，结合温度传感器DS18B20，12V直流风扇以及4个共阴极的LED数码管，可做到显示实时环境温度值和预设温度值，一旦当系统检测到当前环境温度，则会对比预设温度值，自动改变风扇的状态，动作准确。本篇论文主要以以下思路撰写：首先介绍该设计的意义并简要说明设计中主要涉及到的一些元器件；其次对每个模块进行选择最合适的元件并论证；然后从硬件方面，依次详细介绍每个元件的性能及在本系统中的功能；紧随着再从软件设计方面，对每个模块的子程序进行说明

8、；最后便是对整个系统软硬件的调试，发现问题并解决问题。2 系统整体设计2.1 系统整体设计框图系统的整体设计框图结构如下图2-1所示：主控机显示器显示驱动电路复位电路直流风扇直流风扇驱动电路晶振电路温度采集电路独立键盘电路图2-1 系统整体框图2.2 系统各模块选用方案论证2.2.1 温度传感器的选用温度传感器主要有以下两种方案可供选用：方案一：选用热敏电阻作为温度传感器的核心元件。由于热敏电阻的电阻会跟着温度的变化而变化，如此就会产生模拟信号，随后再将模拟信号转换成数字信号，最终发送给单片机IN-0口进行处理。具体热敏温度采集电路如图2-2所示：图2-2 热敏温度采集电路方案二：选用温度传感

9、器DS18B20作为温度传感器的核心元件。通过其传感温度，然后直接输出数字温度信号并传给单片机处理。具体DS18B20采集电路如图2-3所示：图2-3 DS18B20温度采集电路对于方案一，热敏电阻的最大特点就是它的价廉而且很多市场上都有这种元件，但热敏电阻对温度并不敏感，在温度采集时很容易产生误差。虽然这种误差可以通过减小，但并不会避免。故本方案不适合本系统。对于方案二，因为DS18B20是单总线，且其集成度极高，所以该传感器可以大幅度降低外部误差。其次由于其感测温度与热敏电阻的方法并不一样，使其具有较强的温度识别能力。所测到的温度直接就可以转换成具体数字值并发送给单片机。因此，本方案比较适

10、合该系统。2.2.2 主控机的选用方案一：选用凌阳系列单片机来控制系统，这类单片机可以实现不同的复杂逻辑功能，它将所有元器件都集成在一块芯片上，集成度十分高，提高了稳定性。凌阳单片机的系统处理速度很快，适合用于大规模实时系统的控制。方案二：采用ST89C52单片机控制整个系统的运行。主要通过编程的方式对测得的温度进行判断，然后输出对应的控制信号。进而实现对系统实时控制。由于ST89C52单片机要比凌阳系列单片机的价格低得多，且本设计不需要很高的处理速度，从经济和方便使用角度考虑，本设计更倾向于选择了方案二。其次，通过单片机可以直接将测得温度在显示器上显示出来。综合来看，本系统更适合采用方案二。

11、2.2.3 显示电路的选用方案一：采用数码管作为系统的显示器。尽管数码管显示的内容有限，但是对于本设计，只要显示一些基本的数字和字母就已经足够了。并且价格低廉。方案二：采用液晶字符式显示屏作为系统的显示器。能够用软件达到很好的控制，元件器简单。对于方案一，该方案具有成本低，功耗低的特点，显示驱动程序编写是比较简单的，唯一不足之处是其采用的是动态扫描显示方式，因此在这过程中会有短暂的闪烁，但我们可以通过增加扫描频率来避免闪烁。对于方案二，液晶显示屏不仅可以显示字符，甚至还能够显示图形，这是LED数码管远远做不到的。但也正是因为它强大的显示功能，使得液晶显示屏的驱动程序复杂，价格相对而言比较昂贵。

12、从实用以及价格多角度来看，方案一更适合该系统。2.2.4 调速方式的选用方案一：采用变压器调节方式，运用电磁感应原理进行变压，当风扇电机接到不同电压值的线圈上，电机的转速也会转变，如此就可控制风扇风力大小。方案二：采用三极管驱动PWM控制。对于方案一，变压器主要是调节电压，那么在变压过程中就会不可避免的存在损耗，效率不高。还有可能会发热过度起火，带来一些不必要的麻烦。对于方案二，三极管PWM的最大长处便是无需数模转换，从处理器到被控系统信号一概都是数字形式的。而数字信号正可以在极大程度上降低噪声影响。PWM的第二大特点是它相对于模拟控制有更高的抗干扰能力，正因为如此，在特定情况下亦可以将其用于

13、通信。当模拟信号转向PWM时会延长通讯的距离。故本系统采用方案二。3 系统硬件设计3.1 系统硬件原理图本系统主要由温度传感器DS18B20、STC89C52单片机、LED共阴数码管、三极管驱动电路及一些其他外围器件电阻、电容、晶振、电源、按键、开关和风扇组成。系统硬件原理图如下图3-1所示：图3-1 系统硬件原理图3.2 主控芯片介绍3.2.1 STC89C52简介STC89C52单片机是美国STC公司生产的高性能COMOS 8位单片机。STC89C52使用经典的MCS-51内核片，但做了大量的改进，加入了51系列不具备的诸多功能。正因为如此，两种单片机的指令集和输出管脚都相兼容。STC89

14、C52单片机引脚图如下图3-2所示：图3-2 STC89C52单片机引脚图3.2.2 STC89C52主要性能参数单片机的主要性能参数如下表3.1所示：表3.1 STC89C52主要性能参数性能参数中断源8个RAM512字节工作电压3.85.5V通用I/O口32/36个通用异步通信口1个工作频率范围040MHZ定时器/计数器3个16B机器周期6个状态周期，12个时钟周期I/O口线32位3.2.3 STC89C52单片机引脚说明引脚说明如下表3.2所示：表3.2 STC89C52单片机引脚说明VCC：供电电压；GND：接地；P0口：8位双向I/O口，引脚名称为P0.0-P0.7(39脚至32脚)

15、；P1口：8位准双向I/O口，引脚名称为P1.0-P1.7(1脚至8脚)；P2口：8位准双向I/O口，引脚名称为P2.0-P2.7(21脚至28脚)；P3口：8位准双向I/O口，引脚名称为P3.0-P3.7(10脚至17脚)；P3.0：RXD 串行输入口；P3.1：TXD 串行输出口；P3.2：INT0 外部中断0；P3.3：INT1 外部中断1；P3.4：T0 定时/计数器0计数输入；P3.5：T1 定时/计数器1计数输入；P3.6：WR 外部数据存储器写选通；P3.7：RD 外部数据存储器读选通；RST：复位输入；/PSEN：外部ROM的读选通引脚。当对外部ROM取指令时，会自动在该脚输入

16、一个负脉冲，其他情况均为高电平。其在每个机器周期有效两次；/EA/VPP：单片机正常工作时，该脚为内外ROM选择端。当引脚接+5V时，CPU可访问内部程序存储器；当引脚接地时，CPU只访问外部程序存储器；在Flash ROM编程期间，由VPP接编程电源；3.2.4 STC89C52单片机最小系统STC89C52单片机结构主要包含4个组成部分，即晶振电路、复位电路、电源电路和/EA脚电路。 STC89C52单片机最小控制系统结构如下图3-3所示： 图3-3单片机最小系统结构 1. 晶振电路晶振电路由一个晶振和两个瓷片电容构成。两个瓷片电容相连接的那一端需接地。该电路用于产生单片机工作的时钟信号。

17、单片机正常工作离不开晶振电路，一般晶振工作在并联谐振状态。具体晶振电路如下图3-4所示：图3-4晶振电路2. 复位电路复位就是使中央处理器（CPU）以及其他功能部件都恢复到初始状态，并重新从初始状态开始工作。单片机在开机时或在工作中因干扰而使程序失控或工作在一个死区的过程中需要使用复位按钮。复位电路一般有上电复位、手动复位和自动复位电路三种。张筱云、李淑萍 单片机原理及接口技术项目教程J2012.8：41-43电路图如图3-5所示：图3-5 STC89C52复位电路3.3 DS18B20温度采集电路DS18B20是美国DALLAS公司生产的一线式高精度数字式温度传感器。其采用单根信号线,可以传

18、输时钟也能够传输数据,并且数据传输是双向的,其优点是结构简单、廉价、便于总线的扩展和维护等。张筱云、李淑萍 单片机原理及接口技术项目教程J2012.8：340-3423.3.1 DS18B20引脚功能介绍表3.3 DS18B20引脚功能介绍NC空引脚,一无连接；VDD可选电源电压,电源电压范围35.5V；I/O数据I/O，对于单线操作：漏极开路。当工作在寄生电源模式时用来提供电源。DS18B20主要选用TO-92封装或SOIC及CSP封装形式。图3-6所示为DS18B20的内部结构框图：图3-6 DS18B20的封装3.3.2 DS18B20主要性能参数DS18B20的主要性能参数如下表3.4

19、所示：表3.4 DS18B20主要性能参数性能参数工作电压3.05.5V接口方式单线接口工作温度-55+125工作电压3.85.5V可编程分辨率912位3.3.3 DS18B20的工作原理及时序64位ROM的结构如图3-7所示，开始一部分的8位是工厂代码；中间一部分的是每个器件唯一的48位序列号；最后一部分的是8位CRC检验码，这也是多个DS18B20为什么可采用单线进行通信的原故。图3-7 64位ROM示意图LSB按键输入电路LSBMSB48位序列号8位检验CRC8位工厂代码（10H）在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并与存

20、入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否准确。表3.5 DS18B20主要编程指令：Read ROM（读ROM）33H：这条命令允许总线控制读到温度采集器64位ROM。当总线上只有一个DS18B20的时候才可以使用此条指令。Match ROM（指定匹配芯片）55H：这条指令后面跟着由控制器发出了64位序列号，当总线上有多个DS18B20时，只有当其与控制发出的序列号相同的芯片时才能做出反应，其它芯片要等待下一次复位。Skip ROM（跳跃ROM指令）CCH：单总线时，选用此指令可以节省时间。在多芯片挂接时不能使用此指令。Alarm Search（报警芯片搜索）ECH这条

21、指令在多芯片挂接的时，报警芯片搜索指令只对吻合温度高于TH或小于TL报警条件的芯片进行报警。直到重新测得温度达不到报警条件停止。如图3-8所示，本设计是采用单独电源供电方式。 图3-8 DS18B20的工作电路3.4 数码管显示电路本系统的显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管构成。可以显示感测到的温度和当前风扇的档位。它是一个共阴极的数码管，每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收单片机的P0口产生的显示段码。S1，S2，S3，S4引脚端为其位选端，用于接收单片机的P2口产生的位选码。具体原理图如图3-9所示图3-9 数码管显示电路当一个共阴极数码管接

22、至单片机的电路，它显示的每一个字符都有其对应的段码，下表3.6便是字形与段选码的关系：表3.6 7段LED的段选码表显示字符共阴极段码显示字符共阴极段码03fH87fH106H96fH25bHA77H34fHB7fH466HC39H56dHD3fH67dHE79H707HF71H3.5 风扇驱动电路风扇的驱动采用的是两个三极管直接与风扇连接，因为三极管具有放大性，所以可以通过三级管来放大信号，然后直接传输到风扇，下图3-10就是该模块电路： 图3-10 风扇驱动模块 图3-11 三极管引脚介绍 三极管是一个电流放大器，具有三个电极，如图3-11所示，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。3.6

23、按键模块单片机的键盘有两种主要类型，分别是独立式的键盘和矩阵式键盘。独立式键盘每个按键单独占用一个输入/输出端口。按下一个按钮，不会影响其他的输入/输出接口。而矩阵式键盘与独立式的恰恰相反，它的每条水平线和垂直线在交叉处是通过一个按键连接。通过分析很显然独立式键盘接法更适合该设计。独立式键盘是根据对I/O口的高低电平进行判断按键的状态。这种按键方法一般采用查询式结构。依次对每个I/O口查询，一旦检测到某个接口输入为低电平。即可确认该口对应的按键已按下，随后传送到该键的处理程序。张筱云、李淑萍 单片机原理及接口技术项目教程J2012.8：265-266硬件电路如图3-12所示：图3-12 按键模

24、块电路图4 系统软件设计4.1 主程序流程图对于本设计温控风扇，如果要实现它的理想功能：根据实时环境温度来控制风扇的转速，就必须在运作时进行不断地进行程序判断，当超过设定温度值的上下限时，相应的子程序会及时控制风扇，实时的切换关闭、弱风、大风三个状态。显示驱动程序以查七段码取得各数码管应显数字，逐位扫描显示。主程序流程图如图4-1所示：开始程序初始化调用DS18B20初始化函数调用DS18B20温度转换函数调用温度读取函数调用按键扫描函数调用数码管显示函数调用温度处理函数调用风扇控制函数结束图4-1 主程序流程图4.2 DS18B20子程序流程图DS18B20的每一步操作都要按照它的工作时序执

25、行。即首先要对元件复位，再进行ROM命令，最后才能对存储器和数据操作。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程就必须遵循这一规则，具体流程图如下图4-2所示：图4-2 DS18B20程序流程图4.3 按键子程序流程图本模块硬件设计上主要通过3个按键实现，软件上由按键扫描子程序KEYSCAN子程序实现。按一下板子上的K1键即可进入系统上限温度设置，此时按“加”键K2，则上限温度+1，同理按K3便是上限温度1；若要设置下限温度只要再按一下K1键即可，同样也可以通过K2，K3键进行设置下限的温度值。具体按键程序流程图如图4-3所示：设置按键按下NYYN结束修改设置的阀值判断加、减键是否按下设置上

26、限设置下限退出设置判断当前设置模式判断设置键是否按下延时去抖图4-3 按键程序流程图4.4 数码管显示子程序流程图数码管显示程序采用动态扫描的方式。显示程序可以将温度采集器采集到的温度值转换成7段LED的段选码，最后通过数码管显示出来。按位选信号，段选信号，延时的顺序进行。具体流程图如图4-4所示：第一位送位选给低结束延时10ms显示第四位送形第四位送位选给低延时10ms显示第三位送形第三位送位选给低延时10ms显示第二位送形第二位送位选给低第一位送形延时10ms显示 图4-4 数码管显示程序流程图5 系统调试5.1 系统功能5.1.1 系统实现的功能本系统可实现根据环境温度智能控制风扇转速的

27、功能，具体为：当环境温度小于预设温度值的MIN下限时，风扇不转动或者从开始转动的状态下停止转动；当环境温度在预设温度值上下限区间中时，风扇以一半的速度转动；当环境温度大于预设温度值的MAX上限，此时风扇全速转动。全程无需人工手动调速，智能自动化。5.1.2 系统功能分析系统整体上主要由四大模块组成，分别是按键模块、数码管显示模块、温度感测模块、直流风扇模块。在本设计中，很明显温度感测模块是整个系统的核心，因为只有感测到当前的环境温度，才能通过单片机将当前温度与系统预设值相比较，最后再用单片机调节风扇的转速；其次是直流风扇模块，该部分是通过两个三极管组成的复合管来放大信号，然后再根据不同的PWM

28、信号控制风扇的转速；最后则是数码管显示模块，动态扫描结合DS18B20感测实时环境温度，实现了对环境温度和档位的及时连续显示。5.2 软硬件调试5.2.1 系统硬件实物介绍系统主要由STC89C52单片机、温度传感器DS18B20、LED共阴数码管、三极管驱动电路及一些其他外围器件电阻、电容、晶振、USB电源、按键、开关和风扇组成。系统总体实物图如下图5-1所示：图5-1 总体实物图5.2.2 按键显示部分的调试按键部分如下图5-2所示：本系统一共有4个按键，右下角有三个实体按键，最左边一个即为设置键K1，中间一个是“加”键K2，最右边一个则是“减”键K3。位于单片机左上角的是一个电源键，也相

29、当于复位键。按一下板子上的K1键即可进入系统上限温度设置，此时按“加”键K2，则上限温度+1，同理按K3便是上限温度1；若要设置下限温度只要再按一下K1键即可，同样也可以通过K2，K3键进行设置下限的温度值。当接通电源后，按一下电源键，则为通电状态。在系统工作过程中按电源键相当于复位，所有数据恢复到初始值。数码管显示部分由4个共阴极LED数码组成。可显示实时温度和风扇档位。实物图如下面5-3所示： 图5-2 按键部分实物图 图5-3 数码管部分实物图5.2.3 温度传感器DS18B20温度采集部分调试由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，极大的简便了软件的设计和调试，编程时指定了

30、P1.6口为数字温度输入口，并通过编程，实现了对实时环境温度的不间断性检测，但由于硬件LED个数的限制，只能显示预设温度的整数位。图5-4为温度传感器DS18B20实物图。为了检测传感器DS18B20的实际效果以及它的敏感度，可以直接用手捏着温度传感器，如果数码管上的温度值有变化，则能确定该传感器没有问题，可以使用。下面两幅图就是检测的实际效果图。图5-5为开机后初始环境温度26，图5-6为用手捏住之后的温度30。从图中可以分析得该电路及传感器都没有损坏，且DS18B20敏感度极强。 图5-4 DS18B20实物图 图5-5初始温度26 图5-6测试后温度305.2.4 风扇调速电路部分调试在

31、该系统设计中，通过三极管的放大作用直接来驱动直流电机转动。通过编程，可以根据不同的环境温度对应输出不同的PWM波，因为不同的PWM波会产生不同的占空比，进而利用不同的占空比来控制电机的转速。在这个系统中，风扇电机有两种不同的转速。通过DS18B20检测的温度与预设温度值的比较，来实现风扇转速的变换。下面进行调试风扇，如图5-7所示，当环境温度MAX时，这时数码管上显示2，风扇会全速转动。 图5-7环境温度MAX结 论本次设计的系统以单片机STC89C52为控制核心，用温度传感器DS18B20采集实时环境温度，最终可实现风扇的转速随着环境温度的变化而改变，并还可以通过LED数码管显示当前的环境温

32、度和风扇档位，完成了基于单片机的温控风扇的设计。本系统设计可推广到各种电动机的控制系统中，实现电动机的转速调节。在生产生活中，本系统可用于简单的日常风扇的智能控制，为生活带来便利；在工业生产中，可以改变不同的输入信号，实现对不同信号输入控制电机的转速，进而实现生产自动化，如在电力系统中可以根据不同的负荷达到不同的电压信号，再由电压信号调节不同的发电机转速，进而调节发电量，实现电力系统的自动化调节。综上所述，该系统的设计和研究在社会生产和生活中具有重要地位。致 谢白驹过隙，毕业设计结束了，三年的求学生涯也快要画上圆满的句号。毕业前所有的努力都浓缩在这张毕业答卷中。在这里首先要衷心地感谢我的毕业指

33、导老师戴桂平老师一直以来对我的指导和帮助。在整个毕业设计过程中，从选题到硬件制作再到论文撰写阶段，戴老师每周都会在空余时间帮我主动约我们见面，对毕业课题的选择进行了讨论并且对相关课题进行了阐述，并时刻督促我们按时完成毕业设计的各项任务。三年的朝夕相处，我与我那群同学们早已情同手足，在此我也要感谢他们，每天几乎相同的生活节奏让我们形影不离，一起上课一起复习一起讨论问题让我们潜移默化中对问题的解决变得从容镇定。最后，我还要感谢培养我的苏州市职业大学，在这里，我们不但学到了很多通信专业的知识，在生活上更学会了独立和如何做人处事。这将为我以后的成长道路上铺垫更加坚固的基石。参考文献1张筱云、李淑萍，单

34、片机原理及接口技术项目教程J，2012.82谢志平,基于单片机控制的智能风扇J中国新技术新产品,20113王伦,电风扇原理与维修技术M.北京：新时代出版社,19994方佩,新编传感器原理与应用M.北京:电子工业出版社,1994.5王会明,侯加林.智能电风扇控制器的研制J.电子与自动化,19986夏大勇,周晓辉,赵增,陈博峰,虎恩典.MCS-51单片机温度控制系统J.业与自动化装置,20077明德刚.DS18B20在单片机温控系统中的应用J.贵州大学学报(自然科学版本),20068李学龙.使用单片机控制的智能遥控电风扇控制器J.电子电路制作，20039张文兵,智能无级温控调速电风扇J微特电机,2007 10曹巧媛.单片机原理及应用(第二版).北京:电子工业出版社,200211于蓉,丁兆花，李宇清.温控风扇设计N科技咨询导报,200712何立民,单片机应用系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社,199513马云峰,单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计J.计算机测量控制,2007附录源程序：