基于单片机的智能风扇控制系统设计文档格式.docx

1、5.2 用 PROTEUS 进行仿真14 4.5.1 PROTEUS 软件的使用14 4.5.1 本实物在PROTEUS 上的仿真15 5.3 本章小结20 6 系统硬件调试2 0 6.1 实物的整体结构20 6.2 实物接入电源调试20 6.3 实物设定预设值调试21 6.4 实物运行工作调试22 6.5 本章小结23 结论与展望2 3 附录A：系统原理图2 6 附录B：系统PCB 图2 7 附录C：系统源程序2 8- III -1 绪论1.1 研究背景状况在现如今的社会生活中，风扇的应用是十分广泛的，它在日常的生活和生产中有着十分重要的作用，例如在工业生产制造中的生产机械里的散热系统中对风

2、扇的运用、又比如每个人的笔记本电脑上的散热风扇、家庭日常生活中用来降温的电风扇等。而在温度控制方面的不断进步和控制的精准，所以我们可以将已经反向指向通过温度控制以达到更精准的控制技术来降低风扇工作刚才中的噪音和相应的无用功带来的电力资源的浪费，温度控制的风扇随着研究的深入以及科研究所的进步，这项技术的优越性将会被展示出来，可以适用在诸多场合和不同的环境中，给人们带来便捷。在现在的研究成果中，温控风扇的研究水平研究达到了很高的程度了，风扇已经可以实现根据自身通过周围环境温度的改变进而智能的进行无级调速，这是该系统设计要实现的一个重要要求，简单来说就是在外界温度升到一风扇系统设定的最高值是它将自动

3、启动风扇运转，同样的当外界温度降到相应的设定最低值时则自动停止风扇的转动，以此来实现通过温度对风扇智能化控制。1.2 国内外研究现状目前风扇的发展趋势是节能、功能多样化，在外观和功能上追求个性化，像电脑控制、自然风、睡眠风、负离子功能这些本属于空调的功能，也被众多的风扇所使用，甚至还有增加照明、驱蚊等更多实用的功能。温控风扇的研究使用很早就开始了，工业控制中最为普遍，笔记本中也使用的是温控小风扇。目前的温控风扇研究最多的以单片机或基于FPGA/CPLD为控制核心，由于其运行速度快、性能稳定、数字化程度高、精度高、适应性 强等特点，对电器的自动控制具有重要的意义和价值，除此以外还添加了一些其他的

4、技术功能，使得风扇更加人性化，对风扇行业的发展大有裨益。1.3 研究目的与意义近几年，伴随人们日常的生活以及科技水平的提高，家庭使用的电器化产品无论是在功能、样式等方面不断完善，并且都向着安全、实用、节能、健康、多功能等方面进行发展和研究。同时电风扇因为其低廉的价格、低耗的用电量，以及其安装和使用中便利，所以中国农村的大部分地区以及一些校园里的教师办公室和宿舍中依旧将电风扇作为降温 的工具。但是现如今市场上的电风扇大多数采用的都是全硬件电路的风扇，其电路十分复杂而起且功能非常单一。并且因为现在市场上的电风扇，大部分都是手动控制机械旋钮来调节转速和定时，经常会发生没有人时风扇依然工作运转，温度已

5、经很低了仍然在工作。因此，我们目的在于开发，设计一个新型的具有人体红外和温度传感系统来检测室内有无5人员以及室内温度。然后通过程序，与传感器来自动控制电风扇工作与停止，以及工作时转速的大小。从而达到我们所预期的智能控制和节能环保的目的。1.4 本章小结由于单片机的便捷，智能，高效，操作简便，使得其更容易被人们接受使用，所以就有许多以单片机作为核心控制来实现温度控制的系统也随之产生，例如通过单片机为核心实现的通过温度控制电机的系统。该系统控制电机的自动启动和停止是通过对外界温度改变感应到的信号来实现控制的，并且可以使得风扇的转速根据环境温度的变化而进行相应的调整，这样就可以实现通过温度对风扇的智

6、能化控制。该研究和开发可以为人们的生活以及生产带来了更多便捷之处，使得我们不仅可以提高人们的生活品质、生产效益的同时还能为节能减排保护环境做出贡献。2 系统总体设计2.1 设计要求本实物的设计采用了 AT89C52 单片机作为智能风扇的控制器，利用 DS18B20 温度传感器作为该设计的温度采集元件，同时利用达林顿反向驱动器 ULN2803 来驱使风扇电机的转动。同时我们检测到的外界温度以及根据我们所需要而设定的温度都可以直接显示在数码管上。系统通过检测到外界温度与系统预设温度的差别，来达到对电机的启动停止以及转速大小的智能控制。2.2 系统方案规划本实物的总体方案和规划是：通过 DS18B2

7、0 温度传感器对环境温度进行检测并且将相应的温度信息转化为数字温度信号传输给 AT89C52 单片机进行温度间差别的比对，同时也将外界温度和设定温度显示在数码管上。其中设定的温度数值大小是以整数形式显示出来的，实时外界温度的温度大小显示上精确到一位小数。并且该设计产品通过 PWM 脉宽调制方式来实现对直流风扇电机的转速加以控制。系统结构框图如下：温度显示DS18B20AT89C52达林顿驱动电路直流电机复位电路晶振电路图 2.1 系统构成框图2.2.1 硬件设计本设计实物需要使用到的器件有 AT89C52 单片机、DS18B20 温度传感器、LED 共阴数码管、达林顿反向驱动器、直流电机。其他

8、小的元器件有：电源，晶振，按键，拨码开关， 电阻和电容等。2.2.2 软件设计软件的程序设计主要包涵：主程序设计，DS18B20 的初始化函数和温度转换函数以及温度读取函数，还有键盘扫描的函数，数码管显示数据函数和温度处理函数以及对电机控制的函数。DS18B20 初始化函数的作用是对温度传感器做出初始化的实现；DS18B20 温度转换函数是实现对环境温度数据的实时采集；温度读取函数是主机对温度传感器传输的数据的读取以及换算，键盘扫描函数则是实现对初值的加减设定；温度处理函数对检测到的实时温度进行分析处理解析，给电机转速的变化提供信息；风扇电机控制函数则是通过温度数值对电机转速和启停的进行控制。

9、2.3 本章小结本研究产品是要达到实现风扇直流电机的温度控制的要求，将风扇电机改造成能够根据环境温度的实时变化情况去实现启停及改变转速的自动控制，因此我们需要让这样的风扇达到一个较高的温度变化分辨率和稳定可靠的风扇换挡以及停机控制器件。3 系统硬件设计3.1 系统器件简介3.1.1 DS18B20 数字温度传感器我们该设计中用到的温度传感器是我们日常生活中经常使用的 DS18B20 温度传感器，该拥有体积小，器件成本低，抗干扰能力强，精度高，接线方便，封装成后可应用于多种场合等优势，因此被选作作为这次温控风扇的温度传感器，并且也十分适合运用到产品的设计中。DS18B20 主要特征有：第一：其适

10、用的电压范围非常广泛，电压的范围在：3.05.5V， 并且在寄生电源方式下可由数据线供电。第二：其有着独特的接口方式，该温度传感器在与微处理器连接时只需要一条线即可完成微处理器与其的双向通讯。第三：它可以支持多点组网功能，因此可以实现多个温度传感器并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。第四：它在使用中不需要其他外围元件，全部传感元件及转换电路集成在一个三极管的集成电路内。第五：其温度测量范围在55+125，在-10+85时精度为0.5可见范围非常广泛。第六：它可编程的分辨率为912 位，相对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和 0.0625，因此可以实现温度的高精度测量。第七：它

11、在 9 位分辨率时最久在 93.75ms 内就可以把相应的温度信号转换为数字信号， 12 位分辨率时最多在750ms 内把温度值转换为数字信号，速度非常迅速。第八：测量结果直接输出数字温度信号，并且以一 线总线串行传送给 CPU 控制中心，同时它还可以传递 CRC 校验码，使其具有很强的抗干扰和纠错能力。第九：电源极性接反时，芯片并不会因为发热而烧毁，但不能正常工作，这样也避免了因为操作不当造成的器件损坏。3.1.2 达林顿电路本设计实物是以单片机来实现对直流电机进行控制，因为单片机的 I/O 口上拉电流很微弱，灌电流也不过510mA，远不能胜任驱动风扇的功能故需要加驱动电路，为直流电机提供足

12、够大的驱动电流。传统的功率输出方式是使用继电器和晶体管。在本系统驱动电路中，因为输出需要通过快速通断电来改变驱动功率，而继电器的反应速度相比电信号的变化显示过慢。所以选用达林顿驱动器来驱动风扇直流电机。3.1.3 AT89C52 单片机概况AT89S52 单片机是一种低电压高性能的 8 位 CMOS 微型控制器，拥有 8K 字节可在线编程的 flash 存储区。它运用 Atmel 高密度非易失性的存储技术，可以兼容 80C51 的指令集和管脚。该单片机上的 flash 支持 ISP 并且传统的 flash 编程器也可以对其进行重新编写程序。通用的 8 位 CPU 以及可在线编程，使得其可以为我

13、们提供了一个灵活、高效的嵌入式应用解决方案。该类单片机主要特征：兼容 MCS-51 指令，使其使用面更广，兼容性更高。8K 字节支持在线编程的 Flash 储存区，可以进行多次擦写，使其编程起来更为便捷。工作电压在 4.0V-5.5V，范围还是相当大。256*8bit 的片内 RAM，空间比较充裕。它有三个 16Bit 计数器和定时器。该单片机中有 8 个中断源。 它拥有全双工 UART 串行通道。该单片机可以在低电压模式和电源睡眠模式两种模式下工作。其在电源睡眠模式下时，中断触发将返回原状态。第十：其拥有两个数据指针 DP。第十一：该单片机可以采用 Fast Programming Time

14、 快速编程。第十二：其拥有着特有的电源关闭标志，并且该单片机是绿色包装，无铅和卤化物。下图片为 AT89C51 封装实物图：图 3.1 AT89C51 单片机封装实物图3. 1. 4 LED 数码管简介我的这个设计实物选取的 LED 数码管是一个 7 段两位带小数点 10 引脚的 LED 数码管，并且其引脚定义每一个笔划都是相对应一个字母并且表示 DP 是小数点。它可以通过分时以达到轮流控制每个 LED 数码管的 COM 端，就可以使各个数码管依次轮流受控显示，这样就是动态驱动原理。每个数码管的点亮时间为 1ms2ms，但是因为人的视觉暂留现象以及发光二极体具有的余辉效应，虽然实际上每位数码管

15、并不是同时亮，但是只要其扫描的速 度足够快，给人的现象就是一组稳定的显示数据，而且并不会有闪烁感，如此看来动态显 示的效果和静态显示是相同的，这样就能够节省很多的 I/O 口，并且这样数码管的功耗更低。下表是数码管的选码表：表 2.1.1 7 段 LED 的段选码表显示字符共阴极段码共阳极段码3fHC0H87fH80H106HF9H96fH90H25bHA4HA77H88H34fHB0HB83H466H99HC39HC6H6dH92HDA1H67dH82HE79H86H707HF8HF71H8EH3.2 各部分电路设计3.2.1 开关复位与晶振电路在一个完整的单片机控制系统中我们必须要设计出相

16、应的开关复位和晶振电路。因为 单片机自身需要复位，同时外部扩展的 I/O 接口电路也需要相应的复位开关，因此需要为该控制系统设计出一个同时拥有上电和复位按钮的系统同步复位电路。在单片机上有XTAL1 和 XTAL2 主要用于连接单片机内部的 OSC 定时反馈回路的 。 该实物中的复位开关和晶振电路如下图所示：34S1+12VR17805VCCJ1VinVoutGNDPWR2.5SW-DPDTKey414234*4C1C2470uF/25V470uF/25VC3 10u FR9 1KDS图 2.2.1系统复位与晶振电路3.2.2 独立键盘的控制原理键盘中有 2 个独立按键，其中一端是和单片机的

17、P1.3 和 P1.4 两个端口相连，另外一个端口接地。在将系统通上电源后，独立键盘开始扫描子程序，并以查询为方式去确认各按键，并且完成对初值温度的设定。其中按键与单片机相连的为加按键，每按一次就是对初始设定值进行一次加一，接地的按键为减按键，每按一次就是对初始设定值进行一减一。其接线图如下：设Key1定Key2Key3加减3.2.3 数码管显示电路图 2.2.2独立键盘连接电路本实物设计中的数码显示器主要用于对温度传感器检测到的实时温度进行检测和显示的作用，它的精确程度达到 0.1 摄氏度，并且数码管的温度显示范围从 0 到 99 摄氏度；数码管的后 2 位是用来显示系统设定出的初始温度值，

18、并且其显示的温度值只能是整数，范围也不能超过 0 到 99 摄氏度。2110198LED1 LG5641BH1af23bedbpcg123456Q1 855 0Q2 8550Q3 8550Q4 8550220*8R10 1KR11 1KR12 1KR13 1K图 2.2.3数码管显示电路3.2.4 温度采集电路U2Vcc DS GND图 2.2.4温度采集电路DS18B20 数字温度传感器的工作原理主要是通过它内部计数时钟周期来的效果，用来完成对温度测量功能。它一方面可以将检测到的温度信号转化成数字信号传到单片机中与初始的设定值进行比对和处理，另一方面则是将检测到的温度信号转化成数字信号传递到

19、数码显示管处，对实时温度进行准确的显示。以下是其与单片机的图：3.2.5 风扇电机驱动和与之相应的调速电路该实物设计中里首先从单片机的 I/O 口输出一个 PWM 的脉冲信号。再利用达林顿反向驱动装置来带动直流风扇电机的转动同时实现对风扇转速的控制和调节。利用键盘去设置温度值，再通过软件去编写单片机相应的控制程序，然后通过单片机输出的 PWM 脉冲信号， 再通过三极管来驱动电机电路，以用来实现电机的启动停止和转速的控制。当温度升高或者下降电机都会通过相应的信号和设定的等级比对做出转速提高或是下降的反应。如果当环境的温度低于相应的设定温度时，电机就停止转动，但当温度又达到预设温度是，电机又会重新

20、开始工作。下图是电机驱动和调速电路的电路连接图：Q5 8550R14 1KOUT+12Q7 8050B1+A-微型风扇D1Diode 1N4007达林顿驱动电路图 2.2.5风扇电机驱动与调速电路3.3 本章小结系统的硬件设计主要是单片机为处理中心，温度传感器为检测中心实现对外部环境温度的实时检测并传递到相应控制部门，数码显示管做为显示中心主要用于对测量得到的外界实时温度以及系统本身设定的初始温度进行直观的显示，最后再通过这些作用到相应的驱动电路和调速电路中去，则即可实现风扇的智能控制的效果。4 系统软件设计4.1 程序设置该实物的软件方面的设计主要含有以下几个方面：单片机上的主程序的编辑，温

21、度传感器上需要设计的初始化函数，温度转换函数，其中温度传感器的初始化函数对其进行初始化的作用，温度转换函数用来实现将检测到的温度信号转换成数字信号的作用。键盘中的键盘扫描函数是用于对初始值的加减的设定。温度处理函数主要是用于单片机核心对采主程序开始调用键盘扫描函数程序初始化调用数码管显示函数调用DS18B20初始化函数调用温度处理调用DS18B20温度转换函数调用风扇电机控制函数调用温度读取结束集到的温度信号进行分析处理，以用来对电机转速进行控制。风扇电机的控制函数则是通过处理过的温度数值对电机的启停和调速进行控制。主程序流程图如下图所示：4.2 温度传感器模块4.1.1 主程序流程图如下图

22、4.2 所示，初始化，ROM 的操作指令以及存储器的操作指令组成了 DS18B20 温度传感器的温度转换工作，通过这三步来实现温度传感器的温度检测，传递等一系列功能。开始系统初始化进行测温设置参数初始化DS18B20启动DS18B20测温异常内部判断调用相应的控制程序调用相应的键值处理程序正常调用读子程序调用写子程序输出显示图 4.2 温度传感器模块程序流程图DS18B20 芯片功能命令表如表2 所示。命令说明协议READ ROM MATCH ROM SKIP ROM SEARCH ROM ALARM SEARCHWRITE SCRATCHPAD READ SCRATCHPAD COPY SC

23、RATCHPAD CONVERT TRECALL EREAD POWER SUPPL Y读取激光 ROM64 位匹配ROM跳过ROM 搜索ROM 告警搜索把字节写入暂存器地址 2 和 3读取暂存器和CRC 字节把暂存器内容拷贝到非易失性存储器中开始温度转换把非易性存储器中的值召回存储器读电源供电方式：0 为寄生电源，1 为外电源33H55H CCH FOH ECH 4EH BEH 48H44HB8H B4H表 2 DS18B20 功能命令表4.3 电机调速与控制子模块该单片机控制系统中调速的方式采用的是双向可控硅过零触发方式来实现对速度的调控，因为该调控方式中分级明确，控制精度高，所以适合用于

24、智能风扇控制系统中，下图是电机控制模块中断响应流程图如图 4.3 所示。EX0中断温度大于等于下限值并且小于上限值控制可控硅截止设置T0参数启动定时中断返回T0中断控制可控硅导通停止T0定时图 4.3 电机控制模块中断响应流程图5.软件调试5.1 用 Keil C51 编写程序Keil C51 是一款主要用于 51 系列的单片机 C 语言的软件开发系统。相比较单片机的汇编语言来说的话， C 语言有其特有的便捷之处更适合 51 系列单片机的系统编写，因为它在语句简单便捷的同时，它的编写模块的可移植性更强了，所以跟容易被大众接受和学习，使用起来效率更高。目前来说Keil 是使用比较多的 51 系列

25、单片机的开发软件。下图是 Keil C51 的使用界面，如图 4.2.1。5.2 用 Proteus 软件进行仿真工作5.2.1 Proteus 软件的使用如下图是 Proteus 软件打开使用时的主界面，如图 4.3.1。图 4.3.1 Proteus 使用主界面5.2.2 本实物在 Proteus 上的仿真第一先启动 Proteus 软件然后创建一个新工程，然后通过原理图导出相应的元器件， 再通过需要的要求对各原件的属性进行修改然后再按照原理图的连接方式再相应把各原件连接起来。在根据原理图连接好再把编程好的程序加载到其中去。最后根据系统要实现的功能一步步进行仿真。将温度传感器上的检测到的温度设为 26.4 摄氏度，然后再用键盘将系统预设的温度调节为 22 摄氏度。随后