基于单片机温控风扇转速的设计(毕业论文)

080902 学科分类号（二级学科）

Ningxia Normal University

本科学生毕业论文（设计）

题目基于单片机的温控风扇转速的设计

姓名颜亮亮

学号 201005230129 论文编号 En14141029 院（系）物理与信息技术学院

专业电子科学与技术

指导教师黄晓青

职称（学历）助教（研究生）

完成时间 2014年5月15日

宁夏师范学院教务处制

本设计为一种基于单片机的温控风扇转速系统，具有灵敏的温度感测、显示功能和电机稳定换挡停机功能；系统采用51系列单片机AT89C51作为控制平台对风扇的转速进行控制，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两个三极管驱动直流风扇的电机。另外可由用户设置高、低温度值，所设高低温值保存在温度传感器DS18B20内部E2ROM中，掉电后仍然能保存上次设定值。风扇档位控制状态随外界温度而定，当温度升高超过所设定的温度时自动切换到全速运转档位；当温度小于所设定的温度时自动关闭风扇，当测得温度值在高低温度之间时打开风扇的相应风档。

关键词：自动控制；单片机AT89C51；温控；风扇；温度感测

This design for a fan speed control system based on single chip microcomputer, a smart temperature sensors, display and motor steady shift stop function; System USES 51 series microcontroller AT89C51 as the control platform to control the speed of the fan, using DS18B20 digital temperature sensor to collect real-time temperature and treated with single chip microcomputer through two triode driven dc fan motor. Another high and low temperature can be set by the user, set high and low temperature values stored in internal temperature sensor DS18B20 E2ROM, still can keep the power lost when the last value. Fan gear control state varies with temperature and decide, when the temperature exceeds the set temperature automatically switch to the running gear at full speed; When the temperature is less than the set temperature automatically shut down the fan, when measured temperature between high and low temperature open the corresponding wind profile of the fan.

Keywords: automatic control; AT89C51 MCU; temperature control; fan;temperature sensor.

目录

摘要 ...................................................................... I Abstract..................................................................... I I 0绪论.. (1)

0.1 本课题的研究实践意义 (1)

0.2 研究本课题的主要内容 (1)

1 基于单片机的温控风扇转速系统部分模块的方案选用及论证 (2)

1.1 温度采集模块的选用 (2)

1.2 控制核心模块的方案选择 (2)

1.3 显示模块选用方案 (3)

1.4 调速方式及设计方案 (3)

2 基于AT89C51单片机的温控风扇转速系统的硬件设计 (4)

2.1 系统简述 (4)

2.2 本系统各器件简介 (4)

2.2.1 DS18B20 单线数字温度传感器简介 (4)

2.2.2 AT89C51 单片机简介 (5)

2.2.3八段LED 数码管简介 (7)

2.3 本系统部分模块的硬件设计 (7)

2.3.1 温度采集和温度设定上下限模块电路 (7)

2.3.2 控制核心模块电路 (8)

2.3.3 显示模块电路 (9)

2.3.4 驱动风扇模块电路 (10)

3 基于AT89C51单片机的温控风扇转速系统的软件设计 (11)

4 结束语 (14)

谢辞 (15)

参考文献 (15)

附录 (16)

附录1:本系统总电路图： (16)

附录2：基于AT89C51单片机温控电机转速系统实物图 (16)

附录3：源程序 (17)

0绪论

0.1 本课题的研究实践意义

随着电子技术的发展，用计算机控制的方面也涉及到各个领域，其中用单片机控制温度、是应用于实践的重要方面之一。温度是一个很重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。

本课题将基于单片机的温度控制风扇系统设计，该系统能实现温度检测，并根据当前温度的状态对风扇进行控制。系统主要由电源、温度采集、单片机控制、显示、键盘、输出控制、显示几个单元组成。温度采集系统是整个系统的重点，采用温度传感来对温度进行采集，温度数据在传感器内部转化为数字信号并传送给单片机；单片机对传感器采集来的数据进行处理；当温度超出系统设定的范围时，系统改变输出控制的状态，对风扇进行自动的调整。

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本设计采用MCS-51系列单片机与各种外围电路构成单片机温度采集和控制系统，实现对温度的实时采集和控制。通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方法。熟悉Protues软件的使用方法。通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合应用知识的能力。锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。

0.2 研究本课题的主要内容

利用单片机作为系统的核心,把温度传感器所测的温度和被风扇作用后的温度与设置温度进行比较,从而确定输出端风扇的转速,来形成一个温控风扇的降温系统。

在系统中，由于要调整风扇的转速来控制空气温度从而到本达到降温效果，由单片机控制处理来自于传感器所测得数据，然而去控制风扇的转速。所以在系统中单片机来实时控制风扇的转速是有难度的。

系统结构可分为以下模块：电源模块、显示模块、控制模块、温度采集模块、震荡复位模块、风扇降温模块、按键输入模块。在该系统中，温度采集模块需要准确的测量然后把数据传给单片机来处理，单片机处理后数据，输出到风扇驱动电路来控制风扇的转速，从而达到降温的效果。

1 基于单片机的温控风扇转速系统部分模块的方案选用及论证

本系统实现温度控制风扇的转速，需要有较高的温度变化分辨率和稳定可靠的换档停机控制部件。

1.1 温度采集模块的选用

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。

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。

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。

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，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（1-WRIE），与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。

1.2 控制核心模块的方案选择

方案一：采用电压比较电路作为控制部件。温度传感器采用热敏电阻或热电偶等，温度信号转为电信号并放大，由集成运放组成的比较电路判决控制风扇转速，当高于或低于某值时将风扇切换到相应档位。

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。

对于方案一，采用电压比较电路具有电路简单、易于实现，以及无需编写软件程序的特点，但控制方式过于单一，不能自由设置上下限动作温度，无法满足不同用户以及不同环境下的多种动作温度要求。

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。

1.3 显示模块选用方案

方案一：采用LED数码管显示温度，动态扫描显示方式。

方案二：采用液晶显示屏LCD显示温度

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。

1.4 调速方式及设计方案

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（脉冲宽度调制电路）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。

2 基于AT89C51单片机的温控风扇转速系统的硬件设计

2.1 系统简述

该系统主要部件包括DS18B20温度传感器、AT89C51单片机、LED数码管和风扇。辅助元件包括电阻、晶振、电源、按键等。本系统结构可分为以下模块：电源模块、显示模块、控制模块、温度采集模块、震荡复位电路模块、风扇降温模块和按键输入模块。系统的框图2-1结构如下：

图2-1 基于单片机的温控风扇转速系统的硬件电路原理框图

在本系统中，采用温度传感来对温度进行实时采集，温度数据在传感器内部转化为数字信号并传送给AT89C51单片机,单片机对传感器采集来的数据进行处理,当温度超出系统设定的范围时,系统通过风扇驱动电路改变输出控制的状态，对风扇转速进行自动的调整。

2.2 本系统各器件简介

2.2.1 DS18B20 单线数字温度传感器简介

DS18B20 单线数字温度传感器是Dallas半导体公司开发的世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。它具有3 引脚TO－92小体积封装形式。温度测量范围为

-55℃——+125℃，可编程为9位——12位A/D 转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出。工作电压支持3V——5.5V 的电压范围，既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。DS18B20 还支持“一线总线”接口，多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。它还有存储用户定义报警温度等功能。DS18B20内部结构如下图2-2所示。

图2-2DS18B20内部结构

其内部结构主要由四部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20单线数字温度传感器管脚排列如下图2-3所示，DQ为数字信号端，GND为电源地，VDD为电源输入端。

图2-3 DS18B20外形及管脚

引脚功能如下：

GND:空引脚，悬空不使用；

VDD:可选电源脚，电源电压范围3~5.5V。工作于寄生电源时,此引脚应接地；

DQ:数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。

2.2.2 AT89C51 单片机简介

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM）256B片内RAM 的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术

制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51单片机管脚如图2-4所示。

图2-4 AT89C51单片机的管脚图

各管脚功能：

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，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，在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地接收。

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（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3.5：T1（记时器1外部输入）；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）。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

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时间。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），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（VPP）。

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。

2.2.3八段LED数码管简介

本系统采用共阴极四位数码管显示数据，单片机P0口加上拉电阻驱动数码管的段码，数码管位选端可直接单片机，即可驱动点亮数码管。LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。如图

2-5 所示。

图2-5 LED数码管引脚定义

当数码管特定的段加上电压后。这些特定的段就会发亮发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。LED数码管引脚定义：每一笔划都是对应一个字母表示，DP是小数点。LED 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两种。

2.3 本系统部分模块的硬件设计

2.3.1 温度采集和温度设定上下限模块电路

温度采集电路其主要是由DS18B20构成，它可以把采集的温度数据转化成二进制数，数字信号通过DS18B20的DQ端口与单片机的I/O口P1.6的连接导线输入单片机中处理

后输出送数码管显示。如图2-6所示。

图2-6温度采集电路

温度设定上下限电路（如图2-7所示），主要是通过按键K1、K2|、K3来设定的。按键K1、K2、K3分别接入单片机的P3.5、P3.6、P3.7脚。K1是设定键，用于对风速调节的上限和下限值TH、TL的设置。按下一次设置键K1，进入温度上限设置，此时按下“加”键K2，加一，按下“减”键K3，减一。再按一次设置键K2，进入温度下限设置状态，此时按下“加”键K2，加一，按下“减”键K3，减一。下限动作温度值TL和上限动作温度值的设置范围为10-100摄氏度，满足一般使用要求。再按一次设置键K3退出上下限温度设置状态，恢复到当前温度显示状态。如图2-7所示。

图2-7 温度设定上下限电路

2.3.2 控制核心模块电路

本系统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P3.4-P3.7，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，能精确采集环境温度的微小变化。如图2-8所示。

图2-8 控制核心模块电路

2.3.3 显示模块电路

显示部分包括如下：4个八段（共阳）数码管、八排阻等。其连接方式如下：应用单片机P0口连接八段数码管(a,b,c,d,e,f,g,dp)，用P2口的P2.4-P2.7四个端口作为数码管的片选信号输出端口(1，2，3，4)。又因为P0口做I/O口时要加上拉电阻,所以我们给P0各位各加一个10K的电阻到电源。为了防止烧坏数码管，所以给数码管各段各加一个限流电阻。要显示的数据通过P0.0-P0.7口送给数码管显示，通过P2口的P2.7—P2.4四个端口分别对数码管进行位选，事实上数码管是间断被点亮的，只是其间断时间十分短，扫描周期在20ms 以下，利用人眼视觉暂留，我们基本看不出它们的闪烁。如图2-9所示。

图2-9 显示模块电路

2.3.4 驱动风扇模块电路

本设计中由单片机的I/O口输出PWM脉冲，通过一个NPN型和PNP型三极管来驱动风扇电机以及实现风扇电机速度的调节。如图2-10所示。

图2-10 驱动风扇模块电路

键盘控制设置温度，通过软件向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0口输出与转速相应的PWM脉冲驱动风扇直流电机控制电路，实现电机转速与启停的自动控制。当环境温度升高时，直流电机的转速会相应按照设定的等级有所提高；当环境温度下降时，电机的转速会相应的下降；当环境温度低于设置温度时，电机停止转动，而环境温度又高于预设温度时，电机重新启动。

3 基于AT89C51单片机的温控风扇转速系统的软件设计

图3-1 主程序流程图

温度采集（读取）子程序主要负责驱动外部的温度传感器DS18B20进行工作。通过单片机P1.6串口向DS18B20写入ROM命令，并读取当前温度值，将读取的数据存放在存储单元。温度采集（读取）子程序流程图如图3-2所示。

4 结束语

通过三个月的设计，我也有很深的感触：当今社会在飞速发展，科学技术发展的速度更是迅猛无比，尤其是单片机技术在未来社会发展中一定会起着十分重要的作用，而通过本次设计无论是从硬件实现还是到整个系统的完成，无不是对我个人专业能力的一次提高和体现。而本次设计主要是完成两方面工作，软件程序设计和硬件电路板设计。软件设计包括用单片机设计语言设计控制系统并仿真、实现。硬件设计包括绘制电路原理图，生成图后制作电路板、插件焊件、再做硬件测试。通过这些都使我对采用单片机设计方法有了更深的理解和掌握，同时也让我把所学的知识广泛的应用到了实践中，充分的做到了理论与实践相结合。无论从专业知识、动手能力，还是毅志品质，都使我受益非浅。当然，这与老师和同学的热心帮助也是分不开的。大学生活虽然结束了，但我们的学习还没有结束，只有不断学习，用知识充实自己的头脑，才能在未来社会有一席之地，才能为社会的发展做出应有的贡献，一句话：学无止境。

谢辞

四年的大学生活即将划上句号，而与我，却是新征程的开始。

回顾四年漫漫长路，每一位师长和亲友都给了我默默的支持，并在迷途路上指引我方向，给我动力。而今我将要迈开承重的脚步去追逐梦想，去搏击长空。但对教我知识，勤勤恳恳的恩师们，却难以忘怀。是你们将我此刻的不舍的思绪拉的太远太远……

虽然我不是你们最出色的学生，不是你们最值得称赞的学生，但你们治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔的博学却是我不竭的动力。你们授人以鱼不如授人以渔的教学方法让我耳濡目染，潜移默化的使我树立了更加深远的学术目标，领会了对待知识要有严密深思的想法。

而黄老师就是这样一位使我深深尊敬且爱戴的老师。不管是从论文题目的选定还是到论文写作的指导, 常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”的感觉。我想说，都是在您悉心的点拨之下,才让我有思考后的顿彻顿悟。

其次，我还要感谢父母。有句话说的好：焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报。感谢他们一如既往给予的帮助和关怀，或许我平时的牢骚满腹曾经无形的伤害过你们，但感谢你们让我依然感觉到爱的存在。我还要感谢同学，在我遇到困境时向我伸出援助之手，我只想说同窗之谊，我们社会再续！总之，是你们让我看到了人间真情暖人心，激励我时时刻刻努力，奋发向上，排除万难勇往直前。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，是你们——师长、同学、朋友，给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！

最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

参考文献

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[2] 吴金戍，沈庆阳，郭庭吉．8051单片机实践与应用[M]．北京：清华大学出版社，2002年．

[3] 求是科技．单片机典型模块设计实例导航[M]．北京：人民邮电出版社，2004年．

[4] 王化详，张淑英.传感器原理[M]．天津：天津大学出版社，2002年．

[5] 荣俊昌．新型电风扇原理与维修[M]．北京：高等教育出版社，2004年．

[6] 王港元．电工电子实践指导[M]．江西：江西科学技术出版社，2005年.

[7]谢志平，基于单片机控制的智能温控风扇[J]．China New Technologies and Products 工业技术，中国新技术新产品，2011年．

附录

附录1:本系统总电路图：

基于AT89C51单片机温控电机转速系统电路图附录2：基于AT89C51单片机温控电机转速系统实物图