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基于单片机的温控风扇设计毕业论文 洛阳理工学院毕业设计 基于51单片机的温控风扇设计 摘 要 在炎热的夏天人们用电风扇来降温；在工业生产中，大型机械用电风扇来散热等。随着温度控制的技术不断发展，应运而生的温控电风扇也逐渐走进了人们的生活中。温控电风扇可以根据环境温度自动调节电风扇启停与转速，在实际生活的使用中，温控风扇不仅可节省宝贵的电资源，也大大方便了人们的生活和生产。 本设计为一种温控风扇系统，具有灵敏的温度感测和显示功能，系统采用STC89C51 单片机作为控制平台对风扇转速进行控制。利用DS18B20数字温度传感器采集实时温度，经单片机处理后通过三极管驱动直流风扇的电机。根据采集的实时温度，实现了风扇的自起自停。可由用户设置高、低温度值，测得温度值在高低温度之间时打开风扇弱风档，当温度升高超过所设定的温度时自动切换到大风档，当温度小于所设定的温度时自动关闭风扇，控制状态随外界温度而定。 关键词：温控风扇，单片机，DS18B20，自动控制 I 洛阳理工学院毕业设计 Temperature control fan design based on 51 single chip microcomputer ABSTRACT In the hot summer, people use cooling fan; in the industrial production, is used toheat the electric fan large machinery. With the continuous development of thetechnology of temperature control, temperature controlled electric fan emerge as the times require gradually fan can be into people's adjusted lives. Temperature controlled electric automatically stop and start the fan speed according to the environment temperature, the use of real life, temperature controlled fan not only can save power resources valuable, but also greatly facilitate the people's life and production. The design of a temperature controlled fan system, sensitive temperate- easuing and display, the system uses STC89C51 microcontroller as the control platform to control the speed of the fan. The real-time temperature using DS18B20 digital temperature sensor, SCM processing through the transistor DCfan motor drive. According to the real-time temperature acquisition, the fan selfstop. High, low temperature value set by the user, the measured temperaturevalues in the high and low temperature between open temperature exceeds the fan weak set wind profile,when the switch temperature automatically to thefile, automatically turn off the fan when the temperature is lower than the set temperature, the control state varies with the outside temperature. KEY WORDS: Temperature control fan, MCU, DS18B20,automatic control II 洛阳理工学院毕业设计 目 录 前 言 . 1 第1章 绪论 . 2 1.1 研究本课题的目的和意义 . 2 1.2 发展现状 . 2 第2章 整体方案选择 . 4 2.1 温度传感器的选用 . 4 2.2 主控机的选择 . 6 2.3显示电路 . 6 2.4调速方式 . 7 第3章 系统硬件组成 . 8 3.1 系统结构 . 8 3.2 主控芯片介绍 . 8 3.2.1 STC89C51简介 . 8 3.2.2 STC89C51主要功能和性能参数 . 9 3.2.3 STC89C51单片机引脚说明 . 10 3.2.4 STC89C51单片机最小系统 . 12 3.2.5 STC89C51中断技术概述 . 14 3.3 DS18B20温度采集电路 . 15 3.3.1 DS18B20 的特点及内部构造 . 15 3.3.3 DS18B20的工作原理 . 17 3.3.3 DS18B20的工作时序 . 19 3.4 数码管驱动显示电路 . 22 3.4.1 数码管驱动电路 . 22 3.4.2 数码管显示电路 . 23 3.5 风扇驱动电路 . 24 3.6 按键模块 . 26 第4章 系统软件设计 . 28 4.1 软件介绍 . 28 III 洛阳理工学院毕业设计 4.1.1 Keil C51 . 28 4.1.2 Protel99SE . 29 4.1.3 Proteus . 30 4.2 主程序流程图 . 32 4.3 DS18B20子程序流程图 . 33 4.4 数码管显示子程序流程图 . 34 4.5 按键子程序流程图 . 35 第5章 系统调试 . 37 5.1 软硬件调试 . 37 5.1.1 按键显示部分的调试 . 37 5.1.2 传感器DS18B20温度采集部分调试 . 37 5.1.3 风扇调速电路部分调试 . 38 5.2 系统功能 . 38 5.2.1 系统实现的功能 . 38 5.2.2 系统功能分析 . 39 结 论 . 40 谢 辞 . 41 参考文献 . 42 附 录 . 43 附录1：protel原理图 . 43 附录2：proteus仿真图 . 44 附录3：源程序 . 45 外文资料译文 . 52 IV 洛阳理工学院毕业设计 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。 随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制的温度控制系统也应运而生，如基于单片机的温控风扇系统。它使风扇根据环境温度的变化实现自动启停，使风扇转速随着环境温度的变化而变化，实现了风扇的智能控制。它的设计为现代社会人们的生活以及生产带来了诸多便利，在提高人们的生活质量、生产效率的同时还能节省风扇运转所需的能量。 本文设计了基于单片机的温控风扇系统，用单片机为控制器，利用温度传感器DS18B20作为温度采集元件，并根据采集到的温度，通过两个三极管驱动风扇电机。根据检测到的温度与系统设定的温度比较实现风扇电机的自动启动和停止，并能根据温度的变化自动改变风扇电机的转速档位，同时用LED八段数码管显示检测到的温度与当前档位。系统的预设温度的设置是通过三个独立按键来实现的，一个是设置按键，一个是增大预设温度，一个是减小预设温度。 1 洛阳理工学院毕业设计 第1章 绪论 1.1 研究本课题的目的和意义 生活中，我们经常会使用一些与温度有关的设备。比如，现在虽然不少城市家庭用上了空调，但在占中国大部分人口的农村地区依旧使用电风扇作为降温防暑设备，春夏交替时节，白天温度依旧很高，电风扇应高转速、大风量，使人感到清凉；到了晚上，气温降低，当人入睡后，应该逐步减小转速，以免使人感冒。虽然风扇都有调节不同档位的功能，但必须要人手动换档，睡着了就无能为力了，而普遍采用的定时器关闭的做法，一方面是定时时间长短有限制，一般是一两个小时；另一方面可能在一两个小时后气温依旧没有降低很多，而风扇就关闭了，使人在睡梦中热醒而不得不起床重新打开风扇，增加定时器时间，非常麻烦，而且可能多次定时后最后一次定时时间太长，在温度降低以后风扇依旧继续吹风，使人感冒；第三方面是只有简单的到了定时时间就关闭风扇电源的单一功能，不能满足气温变化对风扇风速大小的不同要求。又比如在较大功率的电子产品散热方面，现在绝大多数都采用了风冷系统，利用风扇引起空气流动，带走热量，使电子产品不至于发热烧坏。要使电子产品保持较低的温度，必须用大功率、高转速、大风量的风扇，而风扇的噪音与其功率成正比。如果要低噪音，则要减小风扇转速，又会引起电子设备温度上升，不能两全其美。为解决上述问题，我们设计了这套温控风扇系统。本系统采用高精度集成温度传感器，用单片机控制，能显示实时温度，并根据使用者设定的温度自动在相应温度时作出小风、大风、停机动作，精确度高，动作准确。 1.2 发展现状 当今社会已经完全进入了电子信息化，温度控制器在各行各业中已经得到了充分的利用。具有对温度进行实时监控的功能，以保证工业仪器，测量工具，农业种植的正常运作，它的最大特点是能实时监控周围温度的2 洛阳理工学院毕业设计 高低，并能同时控制电机运作来改变温度。它的广泛应用和普及给人们的日常生活带来了方便。 温控风扇是用单片机系统来完成的一个小型的控制系统。现阶段运用与国内大部分家庭，系统效率越来越高，成本也越来越低。其发展趋势可以根据其性质进行相应的改进可以运用与不同场合的温度监测控制，并带来大量的经济效益。3 洛阳理工学院毕业设计 第2章 整体方案选择 2.1 温度传感器的选用 温度传感器可由以下几种方案可供选择： 方案一：选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大由于温度变化引起热敏电阻电阻的变化、进而导至的输出电压变化的微弱电压变化信号，再用AD转换芯片ADC0809将模拟信号转化为数字信号输入单片机处理。具体方案如果2-1 R8VCC2627R1010k2812345U2IN-0IN-1IN-2IN-3IN-4EOCIN-5IN-6IN-7ALE16VCC12ref(-)ref(+)ENABLESTARTCLOCKADD-AADD-BADD-CADC0809msb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-8212019188151417725242322ST9OE6ST10ALEP17P16P15P14P13P12P11P10EOC热敏图2-1 热敏温度采集电路 方案二：采用热电偶作为感测温度的核心元件，配合桥式电路，运算放大电路和AD转换电路，将温度变化信号送入单片机处理。此方案原理和方案一的原理大同小异，AD转换电路一样，就是模拟量输入的处理方式不一样，热电偶的还需要配合桥式电路，整体更加复杂点，但是此方案的测温范围更广。 方案三：采用数字式集成温度传感器DS18B20作为感测温度的核心元件，直接输出数字温度信号供单片机处理。 4 洛阳理工学院毕业设计 U3DS18B20VCCR1310K图2-2 DS18B20温度采电路 对于方案一，采用热敏电阻有价格便宜、元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，AD0809也只有8位，所以显示温度也只能显示到度，不能显示到小数。在信号采集、放大、转换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，其本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予以纠正，但不仅将使电路复杂稳定性降低，而且在人体所处温度环境温度变化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，采用热电偶和桥式测量电路相对于热敏电阻其对温度的敏感性和器件的非线性误差都有较大提高，其测温范围也非常宽，从-50摄氏度到1600摄氏度均可测量。但是依然存在电路复杂，对温度敏感性达不到本系统要求的标准，故不采用该方案。 对于方案三，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换等电路的误差因素，温度误差很小，并且由于其感测温度的原理与上述两种方案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换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。关于DS18B20的详细参数参看下面“硬件设计”中的器件介绍。 5 洛阳理工学院毕业设计 2.2 主控机的选择 方案一：采用凌阳系列单片机作为系统的控制器，凌阳系列单片机可以实现各种复杂的逻辑功能，模块大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减少了体积，提高了稳定性。凌阳系列单片机提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。 方案二：采用单片机作为控制核心。以软件编程的方法进行温度判断，并在端口输出控制信号。 因51单片机价格比凌阳系列低得多，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，本设计选择了方案二。对于方案二，以单片机作为控制器，通过编写程序不但能将传感器感测到的温度通过显示电路显示出来，而且用户能通过键盘接口，自由设置上下限动作温度值，满足全方位的需求。并且通过程序判断温度具有极高的精准度，能精确把握环境温度的微小变化。故本系统采用方案二。 2.3显示电路 方案一：采用数码管显示温度，动态扫描显示方式。采用LED数码管这种方案。虽然显示的内容有限，但是也可以显示数字和几个英文字母，在这个设计中已经足够了，并且价格比液晶字符式要低的多，为了控制设计制作的成本，在此设计中选用LED数码管显示。 方案二：采用液晶显示屏LCD显示温度。显示用液晶字符式，可以用软件达到很好的控制，硬件不复杂，液晶字符显示器可以显示很丰富的内容，但是液晶字符式价格昂贵。 对于方案一，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。不足的地方是扫描显示方式是使数码管逐个点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为20MS，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼将感觉不到闪烁，因此可以通过增大扫描频率来消除闪烁感。 对于方案二，液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，这是LED数码管无法比拟的。但是液晶显示模块价格昂贵，驱动程序复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一。 6 洛阳理工学院毕业设计 2.4调速方式 方案一：采用变压器调节方式，运用电磁感应原理将220V电压通过线圈降压到不同的电压，控制风扇电机接到不同电压值的线圈上可控制电机的转速，从而控制风扇风力大小。 方案二：采用三极管驱动PWM进行控制。 对于方案一，由于采用变压器改变电压调节，有风速级别限制，不能适应人性化要求。且在变压过程中会有损耗发热，效率不高，发热有不安全因素。 对于方案二，PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。故本系统采用方案二。 7 洛阳理工学院毕业设计 第3章 系统硬件组成 3.1 系统结构 本系统由集成温度传感器、单片机、LED数码管、三极管驱动电路及一些其他外围器件组成。使用具有价廉易购的STC89C51单片机编程控制，通过修改程序可方便实现系统升级。系统的框图结构如下： 复位电路 单 片 机 数码管 驱动电路 数码管 显示 晶振电路 风扇驱动电路 风扇 温度采集按键设置电路 电路 图3-1 系统框图 3.2 主控芯片介绍 3.2.1 STC89C51简介 STC89C51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X51 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保8 洛阳理工学院毕业设计 护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。 U489C51140P10VCC239P11P00338P12P01437P13P02536P14P03635P15P04734P16P05833P17P06932RSTP071031P30EA1130P31ALE1229P32PSEN1328P33P271427P34P261526P35P251625P36P241724P37P231823X1P221922X2P212021GNDP20图3-2 STC89C51单片机引脚图 单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、PWM等模块。 3.2.2 STC89C51主要功能和性能参数 内置标准51内核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟; 工作频率范围：040MHZ，相当于普通8051的080MHZ; STC89C51RC对应Flash空间：4KB; 内部存储器定时器计数器：3个16位； 通用异步通信口1个； 中断源:8个； 9 洛阳理工学院毕业设计 有ISP(在系统可编程）IAP(在应用可编程),无需专用编程器仿真器； 通用IO口：3236个； 工作电压：3.85.5V； 外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。 3.2.3 STC89C51单片机引脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流这是由于上拉的缘故。 10 洛阳理工学院毕业设计 P3.0 RXD P3.1 TXD P3.2 /INT0 P3.3 /INT1 P3.4 T0 P3.5 T1 P3.6 /WR P3.7 /RD P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的，不需要我们操心，1然后再实行读引脚操作，否则就可能读入出错，为什么看上面的图，如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为1加到场效应管栅极的信号为1，该场效应管就导通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1，也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定是1。若先执行置1操作，则可以使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入，由于在输入操作时还必须附加一个准备动作，所以这类I/O口被称为准双向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作为输入时都是准双向口。 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时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起11 洛阳理工学院毕业设计 作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3.2.4 STC89C51单片机最小系统 最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。 STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图2-3所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。 复位电路 图3-3 单片机最小系统原理框图 时钟电路 STC89C51 I/0 口 1. 时钟电路 STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式如图2-4所示。在STC89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)引脚外接石英晶体12 洛阳理工学院毕业设计 (简称晶振)，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在530pF，典型值为30pF。晶振CYS的振荡频率范围在1.212MHz间选择，典型值为12MHz和6MHz。 C212M30PC3晶振1P图303-4 STC89C51内部时钟电路 2. 复位电路 当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态)。 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。 除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST(9)端与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见图2-5。时钟频率用11.0592MHZ时C取10uF,R取10k。 13 洛阳理工学院毕业设计 VCCC110UFR110k图3-5 STC89C51复位电路 3.2.5 STC89C51中断技术概述 中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统来实现的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处，继续执行被中断的主程序。 图3-6为整个中断响应和处理过程。 图3-6 中断响应和处理过程 如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。 14 洛阳理工学院毕业设计 3.3 DS18B20温度采集电路 DS18B20是美国DALLAS半导体器件公司推出的单总线数字化智能集成温度传感器。单总线(1-Wire)是DALLAS公司的一项专有技术,它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的,具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。 3.3.1 DS18B20 的特点及内部构造 特点如下： 采用独特的单总线接口方式，即只有一根信号线与控制器相连，实现数据的双向通信，不需要外部元件； 测量结果直接输出数字温度信号，以单总线串行传送给控制器，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力； 支持多点组网功能，多个DS18B20可以