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基于单片机的温控风扇的设计论文

科技学院

单片机课程设计

题目基于单片机的温控风扇的设计

第一章整体方案设计

1.1前言

在现代社会中，风扇被广泛的应用，发挥着举足轻重的作用，如夏天人们用的散热风扇、工业生产中大型机械中的散热风扇以及现在笔记本电脑上广泛使用的智能CPU风扇等。

而随着温度控制技术的发展，为了降低风扇运转时的噪音以及节省能源等，温控风扇越来越受到重视并被广泛的应用。

在现阶段，温控风扇的设计已经有了一定的成效，可以使风扇根据环境温度的变化进行自动无级调速，当温度升高到一定时能自动启动风扇，当温度降到一定时能自动停止风扇的转动，实现智能控制。

1.2系统整体设计

本设计的整体思路是：

利用温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出数字温度信号给单片机AT89C52进行处理，在LED数码管上显示当前环境温度值以及预设温度值。

度可精确到小数点后一位。

并通过两个按键改变预设温度值，一个提高预设温度，另一个降低预设温度值。

系统结构框图如下：

图1.1系统构成框图

1.3方案论证

本设计要实现风扇直流电机的温度控制，使风扇电机能根据环境温度的变化自动启停及改变转速，需要比较高的温度变化分辨率以及稳定可靠的换挡停机控制部件

1.3.1温度传感器的选择

在本设计中，温度传感器的选择有以下两种方案：

方案一：

采用热敏电阻作为检测温度的核心元件，并通过运算放大器放大，由于热敏电阻会随温度变化而变化，进而产生输出电压变化的微弱电压变化信号，再经模数转换芯片ADC0809将微弱电压变化信号转化为数字信号输入单片机处理。

方案二：

采用数字式的集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件，由其检测并直接输出数字温度信号给单片机进行处理。

对于方案一，采用热敏电阻作为温度检测元件，有价格便宜，元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不太敏感，在信号采集、放大以及转换的过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其自身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路来修正，但这不仅将使电路变得更加复杂，而且在人体所处环境温度变化过程中难以检测到小的温度变化。

故该方案不适合本系统。

对于方案二，由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。

温度值在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。

1.3.2控制核心的选择

在本设计中采用AT89C52单片机作为控制核心，通过软件编程的方法进行温度检测和判断，并在其I/O口输出控制信号。

AT89C52单片机工作电压低，性能高，片内含8k字节的只读程序存储器ROM和256字节的随机数据存储器RAM，它兼容标准的MCS-51指令系统，单片价格也不贵，适合本设计系统。

1.3.3温度显示器件的选择

方案一：

应用动态扫描的方式，采用LED共阴极数码管显示温度。

方案二：

采用LCD液晶显示屏显示温度。

对于方案一，该方案成本很低，显示温度明确醒目，即使在黑暗空间也能清楚看见，功耗极低，同时温度显示程序的编写也相对简单，因而这种显示方式得到了广泛应用。

但不足的地方是它采用动态扫描的显示方式，各个LED数码管是逐个点亮的，因此会产生闪烁，但由于人眼的视觉暂留时间为20MS，故当数码管扫描周期小于这个时间时人眼不会感觉到闪烁，因此只要描频率设置得当即可采用该方案。

对于方案二，液晶显示屏具有显示字符优美，其不仅能显示数字还能显示字符甚至图形，这是LED数码管无法比拟的。

但是液晶显示模块的元件价格昂贵，显示驱动程序的编写也较复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一。

1.3.4调速方式的选择

方案一：

采用数模转换芯片DAC0832来控制，由单片机根据当前环境温度值输出相应数字量到DAC0832中，再由DAC0832产生相应模拟信号控制晶闸管的导通角，从而通过无级调速电路实现风扇电机转速的自动调节。

方案二：

采用单片机软件编程实现PWM（脉冲宽度调制）调速的方法。

PWM是英文PulseWidthModulation的缩写，它是按一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调节方式，在PWM驱动控制的调节系统中，最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波得占空比。

占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。

在控制电机的转速时，占空比越大，转速就越快，若全为高电平，占空比为100%时，转速达到最大[2]。

用单片机I/O口输出PWM信号时，有如下三种方法：

（1）利用软件延时。

当高电平延时时间到时，对I/O口电平取反，使其变成低电平，然后再延时一定时间；当低电平延时时间到时，再对该I/O口电平取反，如此循环即可得到PWM信号。

在本设计中应用了此方法。

（2）利用定时器。

控制方法与

（1）相同，只是在该方法中利用单片机的定时器来定时进行高低电平的转变，而不是用软件延时。

应用此方法时编程相对复杂。

（3）利用单片机自带的PWM控制器。

在STC12系列单片机中自身带有PWM控制器，但本系统所用到得AT89系列单片机无此功能。

第二章各单元模块的硬件设计

系统主要器件包括DS18B20温度传感器、AT89C52单片机、五位LED共阴数码管、风扇直流电机、达林顿反向驱动器ULN2803。

辅助元件包括电阻电容、晶振、电源、按键、拨码开关等。

2.1系统器件简介

2.1.1DS18B20单线数字温度传感器简介

DS18B20数字温度传感器，是采用美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。

适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

DS18B20的主要特征：

测量的结果直接以数字信号的形式输出，以“一线总线”方式串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；温度测量范围在-55℃~+125℃之间，在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃；可检测温度分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；它单线接口的独特性，使它与微处理器连接时仅需一条端口线即可实现与微处理器的双向通信；支持多点组网功能，即多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温的功能；工作电压范围宽，其范围在3.0~5.5V[3]。

2.1.2AT89C52单片机简介

AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是由ATMEL公司生产的一个低电压、高性能的8位单片机，片内器件采用ATMEL公司的非易失性、高密度存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统兼容，同时片内置有通用8位中央处理器和8k字节的可反复擦写的只读程序存储器ROM以及256字节的数据存储器RAM，在许多许多较复杂的控制系统中AT89C52单片机得到了广泛的应用。

AT89C52有40个引脚，各引脚介绍如下：

VCC：

+5V电源线；GND：

接地线。

P0口：

P0.7~P0.0，这组引脚共8条，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。

这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。

第二种情况是单片机带片外存储器，其各引脚在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据[4]。

P1口：

P1口是一个内部含上拉电阻的8位双向I/O口。

它也可作为通用的I/O口使用，与P0口一样用于传送用户的输入输出数据，所不同的是它片内含上拉电阻而P0口没有，故P0口在做该用途时需外接上拉电阻而P1口则无需。

在FLASH编程和校验时，P1口用于输入片内EPROM的低8位地址。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，它可以作为通用I/O口使用，传送用户的输入/输出数据，同时可与P0口的第二功能配合，用于输出片外存储器的高8位地址，在一些型号的单片机中，P2口还可以配合P1口传送

片内EPROM的12位地址中的高4位地址。

P3口：

P3口引脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平。

图2.1.2AT89C51单片机

它也可作为通用的I/O口使用，传送用户的输入输出数据，P3口也作为一些特殊功能端口使用，如下所示：

P3.0：

RXD（串行数据接收口）、P3.1：

TXD（串行数据发送口）、P3.2：

（外部中断0输入）、P3.3：

（外部中断1输入）、P3.4：

T0（记数器0计数输入）、P3.5：

T1（记时器1外部输入）、P3.6：

（外部RAM写选通信号）、P3.7：

（外部RAM读选通信号）、RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平状态。

、ALE/：

地址锁存允许/编程线，当访问片外存储器时，在P0.7~P0.0引脚线上输出片外存储器低8位地址的同时还在ALE/线上输出一个高电位脉冲，其下降沿用于把这个片外存储器低8位地址锁存到外部专用地址锁存器，以便空出P0.7~P0.0引脚线去传送随后而来的片外存储器读写数据。

在不访问片外存储器时，单片机自动在ALE/线上输出频率为1/6晶振频率的脉冲序列。

2.1.4LED数码管简介

本系统选用五个LED数码管来进行温度显示。

LED又称为数码管，它主要是由8段发光二极管组成的不同组合，其中a~g为数字和字符显示段，dp为小数点的显示，通过a~g这7个发光二极管点亮的不同组合，可以显示0～9和A～F共16个数字和字母。

LED数码管可以分为共阴极和共阳极两种结构，如下图2.1.2（a）和图2.1.2（b）所示。

共阴极结构把8个发光二极管阴极连在一起，共阳极结构把8个发光二极管阳极连在一起。

通过单片机引脚输出高低电平，可使数码管显示相应的数字或字母，这种使数码管显示字形的数据称字形码，又称段选码

2.2各部分电路设计

2.2.1开关复位与晶振电路

在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。

单片机上的XTAL1和XTAL2用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路。

本设计中开关复位与晶振电路如下图所示，当按下按键开关S1时，系统复位一次。

其中电容C1、C2为20pF，C3为10uF，电阻R2、R3为10k，晶振为11.0592MHz。

图2.2.1系统复位与晶振电路

2.2.2独立键盘连接电路

键盘包括2个独立按键S2和S3，一端与单片机的P1.3和P1.4口相连，另一端接地，当按下任一键时，P1口读取低电平有效。

系统上电后，进入键盘扫描子程序，以查询的方式确定各按键，完成温度初值的设定。

其中按键S1为加按键，每按下一次，系统对最初设定值加一，按键S2为减按键，每按下一次，系统对初设定值进行减一计算。

其接线图如下：

图2.2.2独立键盘连接电路

2.2.3数码管显示电路

本设计制作中选用5位共阴极数码管作为显示模块，它和单片机硬件的接口如图2.2.3所示。

其中前3位数码管DS1、DS2、DS3用于显示温度传感器实时检测采集到的温度，可精确到0.1摄氏度，显示范围为0~99.9摄氏度；后2位数码管DS4、DS5用于显示系统设置的初值温度，只能显示整数的温度值，显示范围为0~99摄氏度。

5位数码管的段选a、b、c、d、e、f、g、dp线分别与单片机的P0.0~P0.7口连接，其中P0口需接一10K的上拉电阻，以使单片机的P0口能够输出高低电平。

5位数码管的位选W1~W5分别与单片机的P2.0~P2.4口相连接，只要P2.0~P2.4中任一位中输出低电平，则选中与该位相连的数码管。

图2.2.3数码管显示电路

2.2.4温度采集电路

DS18B20数字温度传感器通过其内部计数时钟周期来的作用，实现了特有的温度测量功能。

低温系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数，计数器预先置有与-55℃相对应的一个基权值。

如果计数器计数到0时，高温度系数振荡周期还未结束，则表示测量的温度值高于-55℃，被预置在-55℃的温度寄存器中的值就增加1℃，然后这个过程不断重复，直到高温度系数振荡周期结束为止。

由于温度振荡器的抛物线特性的影响，其内用斜率累加器进行补偿。

DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。

只须将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测[7]。

在本设计中将DS18B20接在P1.7口实现温度的采集其与单片机的连接如图2.2.4。

图2.2.4温度采集电路

2.2.5风扇电机驱动与调速电路

电路如图2.2.5所示，风扇电机的一端接12V电源，另一端接ULN2803的OUT7引脚，ULN2803的IN7引脚与单片机的P3.1引脚相连，通过控制单片机的P3.1引脚输出PWM信号，由此控制风扇直流电机的速度与启停。

图2.2.5风扇电机驱动与调速

第三章软件设计

3.1程序设置

程序设计部分主要包括主程序、DS18B20初始化函数、DS18B20温度转换函数、温度读取函数、键盘扫描函数、数码管显示函数、温度处理函数以及风扇电机控制函数。

DS18B20初始化函数完成对DS18B20的初始化；温度处理函数对采集到的温度进行分析出理，为电机转速的变化提供条件；风扇电机控制函数则根据温度的数值完成对电机转速及启停的控制。

主程序流程图

如图3.1.1：

图3.1.1主程序流程图

3.2用KeilC51编写程序

KeilC51是美国KeilSoftware公司开发的51系列兼容单片机C语言的软件开发系统，与单片机汇编语言相比，C语言在不仅语句简单灵活，而且编写的函数模块可移植性强[9]，因而易学易用，效率高。

随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前使用较多的MCS-51系列单片机开发的软件。

3.3用Proteus进行仿真

3.3.1Proteus简介

Proteus软件是来自英国Labcenterelectronics公司的EDA工具软件。

Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，它不仅和其它EDA工具一样有原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能，而且更重要的功能是，他的电路仿真是互动的，可以根据仿真实时观察到得现象验证设计的正确性及准确性并及时改变程序代码、原理图连接以及元件属性等。

它还能配合系统配置的虚拟仪器来显示和输出，如示波器、逻辑分析仪等，效果很好。

3.3.2本设计基于Proteus的仿真

把温度传感器DS18B20温度设置为26.4摄氏度，用键盘S2调节系统预设的温度为22摄氏度。

点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时风扇直流电机的转速为+14.2r/s，当把温度传感器DS18B20温度设置为28.4摄氏度，用键盘S2调节系统预设的温度为22摄氏度。

点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时直流风扇电机的转速为+23.3r/s，如图3.3.3所示。

图3.3.3proteus仿真效果图一

当把温度传感器DS18B20温度设置为33.4摄氏度，用键盘S2调节系统预设的温度为22摄氏度。

点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时直流风扇电机的转速为+32.0r/s，如图3.3.4所示。

图3.3.4Proteus仿真效果图二

通过以上仿真可以看出，直流风扇电机在系统设定温度一定的情况下，其转速随着环境温度（温度传感器检测到的温度）的增加而增大。

当环境温度低于系统预设的温度时，风扇自动停止运转，实现了系统所设计的功能。

当然，在此没有实现风扇直流电机的无级调速，本系统实现的是电机在随环境温度变化的四个等级的速度变化，环境温度在一定小范围内变化风扇电机转速是不变的，只有超过了设定的某一界限时转速才会变化。

第四章系统调试

4.1软件调试

4.1.1按键显示部分的调试

起初根据设计编写的系统程序：

程序的键盘接口采用P1口，数码管显示采用P0口控制LED的断码，P2口控制LED的位码，从而实现键盘功能及数码管的显示。

经过编译没有出错，但在仿真调试时，数码管显示的只是乱码，没有正确的显示温度，按键功能也不灵，当按下键时，显示并不变化。

在键盘加入了消抖程序，数码管显示程序中加入了段码的存储空间后，数码管能够正常的显示，按键也能够工作，达到了较好的效果。

4.1.2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，为软件的设计和调试带来了极大的简便，小体积、低功耗、高精度为控制电机的精度和稳定提供了可能。

软件设计采用P3.1口为数字温度输入口，但是需要对输入的数字信号进行处理后才能显示，从而多了温度转换程序。

通过软件设计，实现了对环境温度的连续检测，由于硬件LED个数的限制，只显示了预设温度的整数部分。

在温度转换程序中，为了能够正确的检测并显示温度的小数位，程序中把检测的温度与10相乘后，再按一个三位的整数来处理。

如把24.5变为245来处理，这样为程序的编写带来了方便。

4.1.3电动机调速电路部分调试

在本设计中，采用了达林顿反向驱动器ULN2803驱动直流电机，其可驱动八个直流电机，本系统仅驱动一个。

软件设置了P3.1口输出不同的PWM波形，通过达林顿反向驱动器ULN2803驱动直流电机转动，通过软件中程序设定，根据不同温度输出不同的PWM波，从而得到不同的占空比控制风扇直流电机。

4.2硬件调试

4.2.1按键显示部分的调试

系统按键部分实现了以下功能：

按下P1.3口键，LED的后两位显示温度值增一；按下P1.4口键，LED的后两位显示温度值减一。

调试过程中出现了当按键时间过长时，设置的温度值不是增一或者减一，而是增加后减少几个值，出现这种情况的主要元婴可能是按键的去抖动延时时间过长造成，改进方法为将对应的按键去抖动延时时间适量增加，但也不应过长，否则将出现按键无效的情形。

4.2.2传感器DS18B20温度采集部分调试

将DS18B20芯片接在系统板对应的P3.1口，通过插针在对应系统板的右下侧三口即为对应的VCC、P3.1和GND，可将芯片直接插在该插针上，因此即为方便。

系统调试中为验证DS18B20是否能在系统板上工作，将手心靠拢或者捏住芯片，即可发现LED显示的前两位温度也迅速升高，验证了DS18B20能在系统板上工作。

由于DS18B20为3个引脚，因此在调试过程中因注意其各个引脚的对应位置，以免将其接反而是芯片不能工作甚至烧毁芯片。

4.2.3电动机调速电路部分调试

系统本部分的设计中重在软件设计，因为外围的驱动电路只是将送来的PWM信号放大从而驱动电机转动。

系统软件设置在P3.1口输出使电机转动的PWM占空比，当环境温度高于设置温度时，电机开始转动，若此时用高于环境温度的热源靠近测温芯片DS18B20时，发现电机的转速在升高，并越来越快，当达到一定值时，发现电机的转速不再升高；系统采用的直流电机为12V的额定电压，而该驱动电路在采用单片机电源时的输出电压最高不过5V，因此在调试过程中只采用了原有的5V直流电机来调试，且得到了可观的控制效果。

4.3系统功能

4.3.1系统实现的功能

本系统能够实现单片机系统检测环境温度的变化，然后根据环境温度变化来控制风扇直流电机输入占空比的变化，从而产生不同的转动速度，亦可根据键盘调节不同的设置温度，再由环境温度与设置温度的差值来控制电机。

当环境温度低于设置温度时，电机停止转动；当环境温度高于设置温度时，单片机对应输出口输出不同占空比的PWM信号，控制电机开始转动，并随着环境温度与设置温度的差值的增加电机的转速逐渐升高。

系统还能动态的显示当前温度和设置温度，并能通过键盘调节当前的设置温度。

4.3.2系统功能分析

系统总体上由五部分来组成，既按键与复位电路、数码管显示电路、温度检测电路、电机驱动电路。

首先考滤的是温度检测电路，该部分是整个系统的首要部分，首先要检测到环境温度，才能用单片机来判断温度的高低，然后通过单片机控制直流风扇电机的转速；其次是电机驱动电路，该部分需要使用外围电路将单片机输出的PWM信号转化为平均电压输出，根据不同的PWM波形得到不同的平均电压，从而控制电机的转速，电路的设计中采用了达林顿反向驱动器ULN2803，实现较好的控制效果；再次是数码管的动态显示电路，该部分的功能实现对环境温度和设置温度的显示，其中DS18B20采集环境温度，按键实现不同设置温度的调整，实现了对环境温度和设置温度的及时连续显示。

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