智能风扇的设计文档格式.docx

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单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：

系统时钟的单项放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL1和XTAL2上接上石英振荡器晶体系统就可以工作了，此外可以在两引脚与地之间加入30PF的小电容，可以是系统更稳定，避免噪声干扰儿死机。

RESET：

AT89C51的重置引脚，高电平工作，只要对晶片重置时，只要对此引脚电平升之高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之间的内容均被设成已知状态，并且只地址0000H处开始读入程序代码执行程序。

EA/VPP：

“EA”表示存取外部程序代码之意，低电平有效，也就是当此引脚低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。

因此在8031级8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储空间。

如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。

此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚输入。

ALE/PROG：

ALE表示地址锁存器启用信号。

AT89C51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（74LS373），将端口0的地址总线（A0~A7）锁进锁存器中，因为AT89C51是以多工的方式送出地址及数据。

所以程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时机输入。

此外在烧录8751程序代码时，此引脚会当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：

程序存储启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式是（EA=0），会公出此信号以便取得程序代价，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。

AT89C51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，是的数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORAT0（~）：

端口0是一个8位宽的开路基极双向输出入端口，共有8个位，表示位0，表示位1，因此类推。

其他三个I/O端口（P!

、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在做I/O用时可以推动8个TTL负载。

如果当EA引脚为低电平时，P0就以多工方式提升地址总线（A0~A7）及数据总线（D0~D7）设计者必须外加锁存器将端口0送出的地址锁存住成为A0~A7，再配合端口2所送出的A8~A15合成已完整的16位地址总线，而定址到6KB的外部存储器空间。

PORT1（~）：

端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LSTTL负载，同样的若将端口1的输出设为高电平，变速由此端口来输入数据。

如果是使用8052或是8032的话，又当定时器2的外部脉冲输入脚，而可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT2（~）：

端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTl负载，若将端口2的输入设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。

P2除了做一般I/O端口使用外，若是在AT89C51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提升地址总线的高字节A8~A15，这个时候P2变不能当作I/O来使用了。

PORT3（~）：

端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工作在其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制外部数据内容的读取会写入控制等功能。

其引脚分配如下：

：

RXD，串行通信输入。

TXD，串行通信输入。

INT0：

外部中断0输入。

INT1，外部中断1输入

T0，计时计数器0输入

T1，计时计数器1输入

WR外部数据存储器的写入信号。

RD，外部数据存储器的读取信号。

温度传感器DS18B20介绍

DS18B20温度传感器是美国达拉斯半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。

该期间将半导体温敏器件、A/D转换器、存储区等做在一个很小的继承电路芯片上。

本设计温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20，是在经过多方面比较和考虑后决定的，主要有以下放慢的原因：

（1）系统的特性：

测温范围为-55°

C~+125°

C，测温精度为士°

C；

温度转换精度9~12位可变，能够直接将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出：

12位精度转换的最大时间为750MS：

可以铜锁数据线供电，具有超低功耗工作方式。

（2）系统成本：

由于计算机技术和微电子技术的发展，新型大规模继承电路功能越来越强大，体积越来越小，而价格越来越低。

一支DS18B20的体积与普通三极管相差无几，价格只有十元人民币左右。

（3）系统复杂度：

由于DS18B20是单总线器件，微处理器与其接口时仅需要一个I/O端口且一条总线上尅挂接几十个DS18B20，测温时无需任何外部原件，因此，与模拟传感器相比，可以大大减少接线的数量，降低系统的复杂度，减少工程的实施量。

（4）系统的调试和维护：

由于引线的减少，使得系统接口大为简化，给系统的调试带来方便。

同时因为DS18B20是全数字器件，故障率低，抗干扰强，因此，减少了系统的日常维护工作。

DS18B20温度传感器只有三根外引线：

单线数据传输总线端口DQ，外供电源线VDD，共用地线GND。

DS18B20有两种供电方式：

一种为数据线供电方式，因此VDD接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获得能量，来完成温度转换，相应的完成温度转换时间较长。

这种情况下，用单片机的一个I/O口完成对DS18B20总线的上拉。

另一种外部供电方式（VDD接+5V），响应的完成温度测量的时间较短。

可以选用LM324A运算放大器作为温度传感器，将其设计成比例控制调节器，输出电压与热敏电阻的阻值成正比，但这种方案需要多次检测后方可使采样精确，过于烦琐。

所以我采用更为优秀的DS18B20数字温度传感器，它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，降低了电路的复杂程度，提高了电路的运行质量。

DS18B20的温度处理方法

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

可以分别在ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源，因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单可靠性更高。

他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

DS18B20简介：

（1）独特的单线接口方式：

DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（2）在使用中不需要任何外围元件。

（3）可用数据线供电，电压范围：

+~+V。

（4）测温范围：

-55~+125℃。

固有测温分辨率为0.5℃。

（5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。

（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。

（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。

（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20直接将测量温度值转化为数字量提交给单片机，工作时必须严格遵守单总线器件的工作时序。

表1DS18B20温值转换变

温度值/℃

数字输出（十六进制）

数字输出（二进制）

+125

07D0H

0000011111010000

+85

0550H

0000000101010000

+

0191H

0000000110010001

00A2H

0000000010100010

0008H

0000000000001000

0000H

0000000000000000

FFF8H

1111111111111000

FF5EH

1111111101101110

FF6FH

1111111101101111

-55

FC90H

1111110010010000

3硬件电路及系统原理分析

系统总体设计

系统总体设计图如图2所示。

图2系统总体设计结构图

本系统是以单片机为核心，由数字温度传感器DS18B20温度、单位选择、电机调速电路和蜂鸣器报警电路组成。

通过键盘可以控制系统为几个不同的工作状态，失眠状态、自动挡以及其他几个档位进行工作。

功能描述

传统电风扇供电采用的是220V交流电，电机转速分为几个档位，通过人工手动调整电机转速达到改变风速的目的。

每改变一次风力，都要有人的参与这样就会带来不便。

本设计是以AT89C51单片机为控制中心，主要通过提取温度传感器DS18B20得到的温度以及内部定时器设定时间长短来控制电风扇的开关及转速的变化。

电风扇可工作在两种状态：

手动调整状态、自动调整状态。

手动状态时可以手动调节速度：

自动状态时可以通过温度高低自动调节速度：

“温度高，转速快，温度低，转速慢”；

本设计主要介绍根据温度传感器DS18B20所采用的温度来实现自动调速。

在接通电源之后，CUP处于休眠状态，当用户选择了相应的按键及档位（自动挡，一档，二档，三档）之后，风扇就进入了相应的工作状态。

本风扇系统的自动挡是通过数字温度传感器DS18B20测量环境温度，在测量完温度之后，通过LED数码管显示出实时温度，第四位显示的是当前温度的警告信息。

处于一档进行工作：

E标识温度稍高一点（30~35度之间），用二档工作，风扇转速快一点，降温快：

F标识温度很高（37度以上），应该让风扇处于最快的转速，以快速的降低温度。

还有一位数码管是单独的显示档位的。

系统总电路图如图3所示。

图3系统总体原理图

单片机最小系统电路

在设计的温度控制系统设计中。

控制核心是AT89C51单片，它有32个I/O口，片内含4KFLASH工艺的程序存储器，便于用电的方式瞬间擦除和改写，外部12MHZ晶振，一个指令周期为1微秒其最小系统主要包括：

复位电路、振荡电路以及存储器选择模式（EA脚的高低电平选择）电路图如下图4所示。

图4单片机最小系统

键盘控制电路

单片机系统中完成控制参数输入及附带的基本输入设备，是人工干预的重要手段。

按编码方式可分为编码键盘与非编码键盘。

按键组连接方式可分为链路连接式键盘和矩阵连接式键盘。

独立键盘：

每个键互相独立，各自与一条I/O线相连，CUP可直接读取I/O线的高/低电平状态。

其优点四硬件、软件结构简单，判断速度快，使用方便，多用于设置控制键、功能键。

适用于键数少的场合。

矩阵键盘：

按键矩阵排列，各键处于矩阵行/列的节点处。

CUP通过对连在行（列）的I/O送出已知电平的信号。

然后读取列（行）线的状态信息。

逐线扫描，得出键码。

其特点是按键多，占用I/O口线少，一个按键资源利用合理，但判键速度慢，多用于设置数字键，适用于键数多的场合。

鉴于以上独立键盘和矩阵键盘的特点，本系统使用键盘较少，对键盘的速度要求是很高，因此我们选择独立键盘作为本系统的输入部分。

如图5所示。

图5键盘控制系统

数码管显示电路

动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起，有位选线控制是哪一位数码管有效。

位选数码管采用动态扫描显示。

所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管同都在显示。

动态显示的亮度比静态显示要差一点，所以在选择限流电阻应略小于静态显示电路中的。

本设计一共用5个数码管显示：

即前3个显示温度，第4个显示温度单位，第5个显示档位。

通过单片机的P1口控制数码管的段选信号，用P2口的到控制数码管的位选。

通过DS18B20采集温度信号并作为单片机的输入信号，根据输入信号的不同，通过不同的软件程序产生相应的输入信号来控制数码管的显示。

数码管显示电路如图6所示。

图6数码管显示电路

电机调速电路

电机调速是整个控制装置中的一个相当重要的方面。

通过控制改变双向可控硅的导通角，使输入端电压发生改变，从而使施加在电风扇的输入电压发生改变，以调节风扇的转速，实现各挡位风速的无级调速。

电机调速原理

双向可控硅的导通条件如下：

1）阳-阴极间加正向电压；

2）控制极-阴极间加正向触发电压；

3）阳极电流IA大于可控硅的最小维持电流IH。

电风扇的风速设为从高到低5、4、3、2、1档，各档风速都有一个限定值。

在额定电压、额定功率下，以最高转速运转时，要求风叶最大圆周上的线速度不大于2150m/min。

且线速度可由下列公式求得

（1）

式中，V为扇叶最大圆周上的线速度（m/min），D为扇中的最大顶端扫出圆的直径（mm）；

n为电风扇的最高转速（r/min）。

代入数据求得

1555r/min，取

=1250r/min，又因为：

（2）

取n1=875r/min.则可得出五个档位的转速值：

=1250r/min

=1150r/min

=1063r/min

=980r/min

=875r/min

又由于负载上电压的有效值

（3）

其中，u1为输入交流电压的有效值，α为控制角。

解得：

=0°

t=0ms

=°

t=

以上计算出的是控制角和触发时间，当检测到过零点时，按照所求得的触发时间延时脉冲，便可实现预期转速

电机控制模块设计

电路中采用了双向可控硅型光耦合MOC3041、集光电隔离、过零检测、过零触发等功能于一身，避免了输入输出通道同时控制双向可控硅触发的缺陷，简化了输出通道隔离2驱动电路的结构。

所设计的可控硅触发电路原理图见图2-3。

其中RL即为电机负载，其工作原理是：

单片机响应用户的参数设置，在I/O口输出一个高电平，经反向器反向后，送出一个低电平，使光电耦合器导通，同时触发双向可控硅，使工作电路导通工作。

给定时间内,负载得到的功率为：

（4）

式中：

P为负载得到的功率，n为给定时间内可控硅导通的正弦波个数：

N为给定时间内交流正弦波的总个数；

U为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电压有效值，I为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值。

由式

（1）可

知，当U，I，N为定值时，只要改变n值的大小即可控制功率的输出，从而达到调节电机转速的目的。

风扇电机控制电路如图7所示。

图7风扇电机控制电路

报警电路

蜂鸣器工作原理简介：

当控制端口通以不同频率及不同占空比的信号时蜂鸣器将发出不同强度及不同频率的声音。

由于其具有比传统的喇叭体积小，价格低等优点，所以此次提示音电路选用蜂鸣器。

具体电路如8图：

图8蜂鸣器报警系统

4控制器软件设计

本系统的运行程序采用C语言编写，采用模块化设计，整体程序有主程序和显示键盘扫描、红外线接收以及电机控制等子程序模块组成。

主程序

在主程序进行初始化后，开始反复检测各模块相关部门的缓冲区的标志，如果缓冲区置位，说明相应的数据需要处理，然后主程序调用相应的处理模块。

如图9所示。

如图9主程序流程图

温度传感器面模块

如下图10所示，主机控制DS18C20数字温度传感器完成温度转化工作次序经过三个步骤：

初始化好、ROM操作指令、存储器操作指令。

单片机所用过得系统频率问12MHz。

根据DS19B20数字温度传感器进行初始化时序、读时序和写时序分别可编写3个子程序：

初始化子程序、写子程序、读子程序。

图10数字温度传感器模块程序流程图

DS18B20芯片功能命令表2如下。

表2DS18B20功能命令表

命令功能描述命令代码

CONVERT开始温度转换44H

READSCRATCHPAD读温度寄存器（共9字节）BEH

READROM读DS18B20序列号33H

WRITESCRATCHPAD将警报温度值写如暂存器第2、3字节4EH

MATCHROM匹配ROM55H

SEARCHROM搜索ROMF0H

ALARMSEARCH警报搜索ECH

SKIPROM跳过读序列号的操作CCH

READPOWERSUPPLY读电源供电方式：

0为寄生电源，1为外电源B4H

电机调速与控制子程序

本模块采用双向可控硅过零触发方式，由单片机控制双向可控硅的通断。

通过改变每个控制周期内可控硅导通和关断电流完整全波信号的个数来台阶负载功率，进而达到调速的目的。

因为INTO信号反应工频电压过零时刻，所以只要在中断0的中断服务程序中完成控制门的开启与关闭，并利用中服务次数控制量n进行计数和判断，即每中断一次，对n进行减1计数，如果n不等于0。

保持控制电平为“1“，继续打开控制门；

如果n=0，则是控制电平复位为”0“，关闭控制门，使可控硅的过零控制，从而达到按制量控制的效果，实现速度可调。

（1）中断服务程序：

执行中断服务程序时，首先保护现场，INT0中断标志置位，禁止主程序修改工作参数，然后开始减1计数，判断是否关断可控硅，然后INT0中断标志位清零，还原初始化数据，恢复现场，中断返回（设1秒钟通过波形数N=100）

（2）回路控制执行程序：

主回路执行程序的人任务是初始化数据存储单元，确定电机工作参数Nmin/Nmax，并将其算成“有效过零脉冲”的个数；

确定中断优先级、开中断，为了保证正弦波的完成，工频过零同步中断INT0确定为高一级的中断源电机控制模块中断响应流程图如图11所示。

图11电机控制模块中断响应流程图

5仿真结果

当温度小于30度时，风速为1挡如图12所示。

如图12挡1示意图

当温度大于30度小于35度时，风速为2挡如图13所示。

如图13挡2示意图

当温度大于35度时，风速为3挡。

如图14所示。

如图14挡3示意图

当温度大于40度时，蜂鸣器响起，此时显示OL。

如图15所示。

如图15所示警报示意图

结论

首先，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。

我所写的系统主要根据目前节智能化电风扇技术的发展趋势和国内实际的应用特点和要求，采用了自动化的结构形式，实现对电风扇转速的自动控制。

系统以单片机AT89C51为核心部件，单片机系统完成对环境温度信号的采集、处理、显示等功能；

用Protel软件绘制电路原理图和PCB电路印刷板图，由Protues软件进行访真测试，利用MCS51汇编语言编制，运行程序该系统的主要特点是:

1）适用性强，用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同用户对最适合温度的要求，实现对最适温度的实时监控。

2）系统成本低廉，操作非常简单，随时可以根据软件编写新的功能加入产品。

操作界面可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他按键的使用功能。

本系统在当今提倡人性化设计和健康产品的环境下具有非常好的市场前景。

本设计在模拟检测中运行较好，但采样据不太稳定。

功能上的缺憾是对于两个档之间的临界温度处理不好，并且档位太少。

还有待改进。

致谢

回想起这篇课程设计之前的一段时间，特别感谢我的指导老师和张老师以及身边关心帮助我的朋友们。

在课程设计的写作当中遇了无数的困难和障碍，但都在他们的热心帮助线度过了。

尤其是强烈的感谢我的课程指导老师张具琴老师，她对我进行了无私的知道和帮助，不厌其烦的帮助我进行了课程设计的修正和改进。

同时也感谢这篇论文所涉及到的各位学者，感谢周边帮助我的同学们。

参考文献

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北京航空航天大学出版社,2002

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天津大学出版社，2001

[7]曹巧媛.单片机原理及应用.北京：

电子工业出版社，

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