温控风扇

2017届毕业设计说明书（论文）智能温控风扇系统设计

摘要

在炎热的夏季人们通常都用风扇来散热，随着科技的进步与发展，智能温控风扇应运而生,逐渐进入了大众的生活中，相比以往的吊扇与落地扇等电风扇，基于单片机的温控风扇不但制作成本低、易编程，而且它可以自动的根据环境温度的变化而调节相应风速挡位，给人们带来更舒适的体验，也极大的方便了人们的生活。因此，设计智能温控风扇具有较好的意义。

课题设计了一款智能温控风扇系统，分析了课题的设计要求之后，确定了以单片机为控制核心的设计方案。系统设计采用 STC89C52为系统的主控芯片，通DS18B20采集当前温度并对其进行数字化，直接传给单片机，通过控制I/O 口来调节系统的运行。设计采用数码管来显示当前温度及电机挡位，并可通过按键来设置系统温度的上限值和下限值。根据控制要求，系统进行了按键电路、数码管显示电路、温度采集电路、风扇驱动电路，主控制系统的程序设计，并进行了系统的仿真和实物制作调试。仿真和实物调试结果表明，系统可以实现当所测环境温度低于温度的下限值时，风扇停止转动，而当所测温度高于温度

的上限值时，风扇则会快速转动，当介于两者之间则会慢速转动，基本满足了能够自动调节电机转速的设计要求。

关键词：温控风扇，STC89C52，DS18B20，PWM调速，显示电路

Abstract

In the hot summer, people usually use the fan to heat, with the development of science and technology, intelligent temperature control fan came into being, and gradually into the public life, compared to the previous ceiling fan and fan, electric fan, temperature controlled fan chip not only low manufacturing cost, easy programming, and it can automatically according to the change of environment temperature the

corresponding wind speed adjusting gear, bring people more comfortable experience, but also a great convenience to people's life. Therefore, the design of intelligent temperature control fan is of great significance.

The subject designs an intelligent temperature control fan system. After analyzing the design requirements of the subject, the design scheme with the single chip microcomputer as the control core is determined. The system design uses STC89C52 as the master chip of the system, collects the current temperature through the DS18B20, and carries on the digitization to it, passes directly to the monolithic integrated circuit, through controls the I/O mouth to adjust the system movement. The design uses digital tube to display the current temperature and motor gear, and through the button to set the system temperature upper limit and lower value. According to the control requirements, the system of key circuit, digital display circuit, temperature acquisition circuit, fan drive circuit, the program design of the main control system, and the system simulation and physical production debugging. The results of simulation and debugging of real system show that can be achieved when the measured temperature is lower than the temperature of the lower limit value, the fan stops rotating, and when the measured temperature is higher than the temperature of the upper limit value, the fan will rotate between the two, when will the slow rotation, can basically meet the design requirements of automatic control of motor speed.

Key words: temperature controlled fan, STC89C52, DS18B20, PWM speed regulation, display circuit

目录

1 绪论 0

1.1 课题的目的和意义 0

1.2 智能温控风扇发展历程 (1)

1.3论文主要的研究内容和章节安排 (2)

2 系统硬件电路设计 (3)

2.1 系统总体结构 (3)

2.2 主控芯片 (4)

2.2.1 STC89C52简介 (4)

2.2.2 STC89C52引脚 (5)

2.3 各硬件模块电路设计 (6)

2.3.1 时钟电路 (6)

2.3.2 温度传感器电路 (7)

2.3.3 显示电路 (13)

2.3.4 风扇驱动电路 (14)

2.3.5 按键电路 (15)

2.3.6 复位电路 (16)

3 系统软件设计 (17)

3.1 系统总体设计 (17)

3.2 各软件模块设计 (18)

3.2.1 DS18B20温度传感器模块 (18)

3.2.2 数码管显示模块 (19)

3.2.3 按键模块 (20)

3.2.4 电机驱动模块 (21)

4 仿真及实物制作调试 (23)

4.1 仿真电路设计 (23)

4.2 仿真电路调试 (27)

4.3 实物制作与调试 (28)

结束语 (30)

参考文献 (32)

致谢 (33)

附录 (35)

附录1： (36)

附录2： (36)

1 绪论

1.1 课题的目的和意义

在如今，纵使生活中的事物变幻莫测，但对追求冬暖夏凉的舒适是永远不变的。在炎热的夏季，以前人们只能通过扇子扇风来让自己凉爽一些，后来风扇的出现受到广大人民的热爱，可以说是家家户户必备的清凉神器。现在，虽然空调的凉爽效果比风扇好了很多，也给了人们更好的体验，但是,空调本身不仅价格比风扇昂贵不少，而且耗电量也很大，因此很多农村地区和偏远地区使用空调的家庭是少之又少，可以说风扇仍然是每个家庭都有的防暑电器，它依然扮演着重要的角色。但是，风扇有不能自动调节风速等很多的缺陷，在夏季的夜晚，刚睡觉的时候温度可能还很高，往往需要把风扇开到高速档，人们才能舒适的入睡，到了半夜，气温会变低很多，这时候风扇的风力就相对来说过大了，容易让人着凉，也容易把人们冷醒。在这种情况下，往往只能起床去手动调节或关闭，还有其他的一部分人就会选择定时，而定时常常把人热醒。为了解决上述问题，进行智能温控风扇系统的设计是很有意义的，系统设计的温控风扇能够能够自动的检测环境温度，能够根据温度的变化自动调节风速，随着温度升高而提高风速，温度降低而降低风力，给人如同自然风一般的舒爽，给人们带来更好的体验。

所以，为了让风扇带来更好的效果，让更多的人民用的更舒适，开展智能温控风扇的设计是非常有意义的。

1.2 智能温控风扇发展历程

风扇的发展起源于1830年，由美国人詹姆斯·拜伦发明创造，其原理是如同钟表一般给风扇上发条从而驱动风扇转动，虽然在夏天能带来徐徐凉风，但是没隔一段时间都要手动上发条比较麻烦。

1880年，美国人舒乐发明了第一台电风扇，舒乐将风扇的扇叶连接在电动机上，扇叶飞速的转动，比起机械风扇更方便、更高效，是风扇发展史上的一个重大突破。

风扇自从发明之日起受到全世界的喜爱，可以说与人们的生活息息相关，特别是电风扇，一直沿用至今。如今国内外的风扇主要分为台扇、落地扇、吊扇、转页扇这几种，它们的主要功能包括调节风速，风扇摇头、定时开闭和红外遥控等。随着科学技术的不断发展与创新，如今单片机技术和温度传感器技术在各行各业都得到了广泛的应用，由单片机和温度传感器相结合的智能温控风扇技术也越发被重视，它开始走进慢慢大众的生活，广泛运用与国内大部

分地区。其凭借效率高、更智能、低成本、稳定性强的优点，弥补了传统风扇过于死板的缺点，给人们带来更好的体验。随着温度控制技术的发展，智能温控风扇越来越被广大人民所喜爱，智能温控风扇还有更广阔的发展空间，它也将慢慢取代传统的电风扇。

1.3论文主要的研究内容和章节安排

课题设计了一款智能温控风扇系统，分析了课题的设计要求之后，确定了以单片机为控制核心的设计方案。系统设计采用STC89C52为系统的主控芯片，通DS18B20采集当前温度并对其进行数字化，直接传给单片机，通过控制I/O口来调节系统的运行。设计采用数码管来显示当前温度及电机挡位，并可通过按键来设置系统温度的上限值和下限值。根据控制要求，系统进行了按键电路、数码管显示电路、温度采集电路、风扇驱动电路，主控制系统的程序设计，并进行了系统的仿真和实物制作调试。仿真和实物调试结果表明，系统可以实现当所测环境温度低于温度的下限值时，风扇停止转动，而当所测温度高于温度的上限值时，风扇则会快速转动，当介于两者之间则会慢速转动，基本满足了能够自动调节电机转速的设计要求。论文共分为4个章节，各章节内容安排如下所示：

第1章绪论,主要阐述了智能温控风扇系统的背景和研究意义，然后介绍了智能温控风扇的发展现状。

第2章系统硬件组成及原理,先介绍了系统电路设计的整体方案，然后具体讲述了各子模块电路的设计。

第3章系统软件设计,设计了智能温控风扇系统的主函数流程图以及各子模块的流程图。

第4章仿真及实物制作与测试,主要阐述了该系统原理图的仿真调试，以及实物的制作和调试，且仿真调试和实物调试均达到了设计要求。

2 系统硬件电路设计

2.1 系统总体结构

系统由单片机STC89C52、LED数码管显示电路、按键电路、温度传感器电路、晶振电路、复位电路及一些其他外围器件组成。该系统用C语言编程控制，实现的功能是根是根据当前环境温度自动调节相应的挡位，当温度低于下系统所设下限值时，电机会调节为0挡，不转动。当温度介于系统所设温度上限值和下限值之间则电机会调节为1挡，慢速转动。当温度高于上限值时电机会调节为2挡，快速转动。在电机转动的同时还会在数码管上显示相应的挡位

及当前温度值，当温度该系统的总体框图如图1所示：

图1 温控风扇系统组成框图

2.2 主控芯片

2.2.1 STC89C52简介

STC89C52是由STC公司生产的一款增强型8051单片机，该芯片具有低功耗、高性能的特点，其拥有8 位CPU 和在系统可编程Flash，能够为众多的嵌入式控制系统提供更加灵活、更加有效的方案。其引脚图如图2所示。STC89C52主要性能参数及特点如下：（1）拥有3个16位计数器\定时器；

（2）拥有512B的RAM；

（3）有32个或36个通用I\O口；

（4）其工作电压在3.8--5.5V之间；

（5

（6

（7

（8

（9

图2 STC89C52芯片引脚图2.2.2 STC89C52引脚

VCC为电源输入接口。

GND为地线接口。

XTAL1是反向振荡放大器的输入接口。

XTAL2是反向振荡器的输出接口。

P0、P1、P2、P3都是I/O口，共32个引脚，输入时都是准双向口，每个口都有其独特的作用，主要负责单片机的读写。

RST为复位接口，起到复位作用。

ALE为锁存器接口，控制数据锁存。

/PSEN为选通信号接口。

2.3 各硬件模块电路设计

2.3.1 时钟电路

STC89C52单片机的时钟信号一般通过两种方式产生：第一种是内部时钟的方式，第二种是外部的时钟方式。单片机内部时钟方式如图3所示。STC89C52单片机内部有振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振，就能够产生脉冲时钟信号。图3中C2和C3两个电容是为了快速起振和稳定频率。电容值在一般选择5pF--30pF，此次选择的是30pF。晶振的振荡频率范围在

1.2MHz--12MHz间选择，在此次设计中选取了12M晶振。

30P

C2

晶振

12M

C1

30P

图3 时钟电路

2.3.2 温度传感器电路

（1） 温度传感器的选取

课题设计中温度传感器是至关重要的一部分，温度传感器的选取直接关系到此次设计的结果，目前以下有两种方案可供选择：

方案一：选取热敏电阻来感测温度，然后用运算放大器放大，温度变化会引起热敏电阻阻值的变化、进而会导至电压发生变化，再通过AD 转换芯片ADC0809将电压变化的模拟信号转化为数字信号

VCC

图4 热敏温度采集电路

方案二：直接用集成的数字温度传感器DS18B20，其能直接输出数字温度信号给单片机。其温度采集电路图如图5所示。

图5 DS18B20温度采集电路

对于方案一：

它的优点是热敏电阻价格很便宜，并且方便采购。而缺点是该电路在温度采集、放大和转换的过程中容易产生失真，从而导致误差。并且热敏电阻对温度的敏感度相对来说较低，难以检测到温度微弱的变化。由于此次设计对温度要求较高，所以不能采用此方案。

对于方案二：

VCC

因为DS18B20是高度集成化的数字温度传感器，所以它极大的降低了像外放电路一般带来的误差因数。并且其对温度的灵敏度远高于热敏电阻，能够测量出更准确的温度，此外DS18B20能温度值在内部转换成数字量直接输出给单片机，极大简化了程序和电路设计。此方案简单方便，且效果好，故采用此方案。

（2）DS18B20 的特点及内部构造

特点如下所示：

（1）只需要一根信号线与单片机相连，就能够实现数据双向通信，不需要其他外部元件；

（2）测量结果能直接输出为数字温度信号，然后传送给控制器，抗干扰能力强；

（3）其温度可测范围在-55℃-125℃之间，工作电压在

3.0-5.5V之间，测量精度为±0.5℃；

（4）编程可以实现更高的精度测量，精度最好可达到±

0.0125℃；

（5）当电压正负极接反时不会被烧坏，仅仅不能正常工作。

DS18B20封装图以及内部构造图如下图6和图7所示。其中DS18B20的内部主要由8位CRC发生器、结构器存器、下限寄存器、温度传感器，高速暂存寄存器等组成。

图6 DS18B20封装图

DS18B20的仿真作电路如图8所示，采用的单独电源供电模，DS18B20有其特定的时序，必须严格按照DS18B20的时序来进行数据的读写操作，否则不会正常工作。DS18B20的时序主要分为初始化时序、写数据时序、读数据时序三个部分。

图8 DS18B20的工作电路

（1）初始化时序步骤如下：

1）给数据线高电平。

2）延时。

3）数据线给低电平。

4）延时700μs(该延时范围应在480-960μs之间)。

5）给数据线高电平。

6）如果初始化成功在60ms内会产生一个由DS18B20返回的低电平0。但是应注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环。

7）再次给数据线高电平。

（2）写数据时序具体步骤如下：

1）先给数据线低电平。

2）延时时间给15μs。按从低位到高位的顺序发送数据（每一次只发送一位数据）。

3）延时时间给为45μs。

4）给数据线高电平。

5）重复上述步骤，直到发送所有的字节。

6）最后给数据线置高电平。

（3）读数据时序步骤如下:

1）先给数据线高电平。

2）延时2μs。

3）给数据线低电平。

4）延时6μs。

5）在给数据线高电平。

6）再延时4μs。

7）读数据线的状态得到一个状态位，并进行数据处理。

8）延时6μs。

9）重复以上步骤，直到读取完数据。

2.3.3 显示电路

（1）显示电路的选取

对于显示电路，有两种常见的方案可供选择。

方案一：采用数码管显示温度，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，数码管成本较低，功耗也很低，并且显示驱动程序比较容易编写，缺点就是在光线强的地方有时看不清数码管显示的数字。

对于方案二，液晶体显示屏显示效果很好，其不但能显示数字还能显示字符和图形，这是LED数码管无法比拟的。但是液晶显示模块价格比较贵，驱动程序复杂，且本次设计对显示要求并不高，故此系统采用方案一。

（2）数码管显示电路

数码管显示电路的作用就是显示当前环境下的温度及电机转动的档位。此数码管显示电路主要是由74HC573芯片和一个四位一体的数码管构成。此次设计中采取数码管共阴极的方式显示，数码管的dp端和a-f端都各自相连，用于接收来自单片机P0口发送的显示数据。而S1，S2，S3，S4这四个端口则为位选端，用来接收单片机P2口发送的位选码。其原理图如图9所示。