智能温控风扇课程设计说明书.doc

1、I韶 关 学 院课程设计说明书（论文）课程设计题目：智能温控风扇学生姓名：赵永桢学 号：13101025026组员姓名：郭楚茂 李辉煌 练远劲 杨伟成院 系：物理与机电工程学院专业班级：2013 级机制 5 班指导教师姓名及职称：彭昕昀 讲师、韩竺秦 讲师起止时间： 2016 年 3 月 2016 年 6 月课程设计评分：（教务处制）II目录1 引言 . 1 2 方案设计 . 1 2.1 系统整体设计 1 2.2 方案论证 12.2.1 温度传感器的选择 . . 1 2.2.2 控制核心的选择 . 2 2.2.3 显示器件的选择 . 22.2.4 调速方式的选择 . 32.2.5 驱动方式选择

2、 . 33 硬件设计 . 4 3.1 系统各器件简介 43.1.1 单线程数字温度传感器 DS18B20 43.1.2 AT89S51 单片机简介 . .4 3.1.3 桥式驱动电路 L298N 简介 . 53.1.4 LCD1602 简介 . .63.2 各部分电路设计 6 3.2.1 开关复位与晶振电路 . .6 3.2.2 LCD 显示电路 . . . 7 3.2.3 温度采集电路 . .7 3.2.4 风扇驱动电路 . .8 4 软件设计 8 4.1 程序 . . 95 硬件调试 . 105.1 按键电路的调试 . . . 105.2 温度传感器电路的调试 . 105.3 电机电路的调

3、试 10 5.4 硬件调试遇到的问题 . . .106 结论 . . 117 结语 . . .11参考文献： . .121基于 51 单片机的智能温控电扇设计摘要：风扇是人们日常生活中必不可缺的工具，尤其是在夏天，作为一种使用频率很高的电器，备受人们喜爱。本文将以 AT89S51 为主控芯片，辅以 DS18B20 温度传感器，结合红外探测装置，来实现一种智能温控电扇的设计。此风扇通过液晶显示器来显示温度和风速，配备 2 个温度设定按键，由 DS18B20 读取外界温度，红外探头探测是否有人，通过设定的温度配合程序来调节风速，最后通过 L298N 来驱动电机。经过调试，风扇可以按照温度智能变速，

4、无人自动关闭，实现了智能温控的目标。 关键词： DS18B20；AT89S51；红外探头；液晶显示器 1602；L298N 1 引言 电扇是人们日常生活中常用的降温工具，从开始的吊扇到现在的 USB 风扇，无处不见电扇的踪迹。虽然如今空调已经走进千家万户，但是电扇的低位还是无可取代，作为一种节能环保，并且廉价简单的降温工具，电扇还在很多人家发挥着自己独特的作用。顺应时代潮流，各种多功能的风扇逐渐在取代传统风扇。单片机作为一种智能化程度高，控制精度高，操作简单，廉价易得，抗干扰能力强等特点，越来越多的应用于智能化产品之中。 市场上智能风扇产品相继问世，制作方法也多种多样，功能也逐渐完善，普遍都具

5、有了手动变速和定时关闭等功能，相对而言，具备人性化，智能化的风扇还是很少，使用也并不广泛，而且在电子工艺高度发展的今天，智能化的步伐也越来越快，尤其是中国这个高速发展的国家，电扇的智能化也该向前迈进一个步伐。在中国市场上风扇还是有一定的市场份额的，几乎每个家庭都有风扇，具备价格便宜，摆放轻便，体积灵巧等特点，使得风扇在中小城市以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额，为提高风扇的市场竞争力，使之在技术含量上有所提高，满足智能化的要求，智能风扇很具竞争力。大学四年即将结束，为了检验自己的学习情况，我决定使用之前所学习到的硬件只是结合相关的软件基础来制作一个基于单片机的智能温控风扇。 基于

6、对人性化与智能化相结合的考虑，同时基于对价格的考虑，本设计决定制作一个基于 51 单片机的智能温控风扇，该风扇具有随温度自动调节风速的功能，并且在无人时可以自动关闭，而且可以根据每个人的不同情况来设定基准温度，从而实现了人性化与智能化的双重目标。2 方案设计 2.1 系统整体设计 本设计的整体思路是：利用温度传感器 DS18B20 来检测环境温度，并直接输出数字温度给 51 单片机进行处理，并将实时温度、设置温度、风速显示在液晶 1602 上。设置温度辅以 2 个可调按键，一个提高设置温度，一个降低设置温度，设置温度只能是整数型式，检测到的环境温度可以精确到小数点后一位。 2.2 方案论证 本

7、设计要求实现在温度变化的情况下风扇直流电机转速随之改变，并且能够在无人的情况和温度低于设定温度的时候自行停止，需要比较高的温度分辨率和稳定的探测工具以及可靠的电机控制部件。 2.2.1 温度传感器的选择 2在本设计中，温度传感器的方案有以下两种： 方案一：采用热敏电阻。热敏电阻的特性就是阻值可以随温度的变化而变化，采用热敏电阻作为检测温度的核心部件，然后通过放大电路放大信号，经过 AD0809 数模转换讲放大的微弱电压变化信号转化了数字信号输入单片机处理。 方案二：单总线数字温度计 DS18B20。作为一款优秀的数字集成温度传感器，DS18B20 可以直接检测并输出数字信号给单片机进行处理。

8、对于方案一，如若采用热敏电阻作为温度检测元件，则价格方面比较便宜，元件易得，但是热敏电阻的缺点显而易见，对于温度细微变化反应不敏感，而且在后续的放大和转换电路中还会造成失真和误差， AT89S51 晶振 L298N LCD1602 DS18B20 复位 红外探头 独立键盘 直流电机 3 并且热敏电阻的变化曲线非线性，每个热敏电阻都不同，还需要单独测试描绘出曲线，虽然可以通过软件来实现误差的修正，但是这会使得电路的复杂性增加，并且在人体所在实际环境中难以检测到小的温度变化。所以这个方案在本设计中难以胜任。 对于方案二，DS18B20 测量范围从-55到+125，增量值为 0.5，人体所处的环境温

9、度包括其中，分辨率较高，所获取的温度误差小，并且对温度变化反应灵敏。DS18B20 最具优势的是其温度值在器件内部直接转化成数字信号输出，简化了系统设计，又由于该温度传感器采用了单总线技术，使得其接口与单片机接口变得非常简洁，抗干扰能力也得到了提高，所以本系统采用这个方案。 2.2.2 控制核心的选择 本设计采用 AT89S51 单片机作为控制核心，通过软件编程的方法进行温度的实时检测与判断，并在 I/O 口上输出控制信号，控制电机工作。AT89S51 具有较大的存储空间，工作电压低，性能高，片内含 4K 字节的只读程序存储器 ROM 和 128 字节的随即数据存储器 RAM，兼容标准 MCS

10、-51 指令系统，价格便宜，与本系统的设计相符合。 2.2.3 显示器件的选择 方案一：LED 共阴极数码显示管。 方案二：LCD 液晶显示屏 1602。 对于方案一，成本相对低廉，功耗也低，在黑暗空间也可以看的清楚，可视距离较远，同时显示温度的程序也相对而言简单，所以这种显示方式也得到了广泛应用。但是它采用的显示方式是动态扫描，各个 LED 逐个点亮，会产生闪烁，在这个温度实时变化的环境中闪烁可能太快，数据可能不能很好的展示出来，故此方案不采用。 对于方案二，液晶显示屏显示字符清晰，自带背光，还能显示符号，并且不会不断闪烁，显3示性能一流，并且考虑到此设计不只是要显示温度，还要显示电机和红外

11、的状态，所以从设计完善的角度来考虑，选择此方案更有优势。 2.2.4 调速方式的选择 方案一：采用数模转化芯片 DAC0832 来控制，有单片机根据当前环境温度输出数值到 DAC0832 中，再由 DAC0832 产生相应的模拟信号控制晶闸管的导通脚，从而采用无级调速电路实现电扇电机转速的调节。 方案二：采用单片机软件模拟 PWM 调速的方法。PWM 是一种按照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，在控制时调节 PWM 波的占空比。占空比是指高电平在一个周期时间内的百分比。在控制电机的转速时，占空比

12、越大，转速就越快，若全为高电平时占空比为 100%，此时转速达到最大。用单片机的 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，再延时一定时间，反之在低电平延时到时，对 I/O 口电平取反，如此循环即可得到PWM 信号。本设计就是采用了这种方法。 （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进行高低电平的转变，而不是利用软件的延时。应用此方法时编程相对复杂，故不予以采用。 （3）利用单片机自带的PWM 控制器。STC 系列单片机自带 PWM 控制器，但本系统使用的 AT89 系列

13、单片机没有此功能，所以不能使用。 对于方案一，该方案能实现对直流电机的无级调速，速度变化灵敏，但是 D/A 转换芯片价格较高，性价比不高，不采用。 对于方案二，相对于其他方案来说，采用软件模拟 PWM 实现调速的过程，具有个高的性价比与灵活性，充分的发挥了单片机自身的性能，对本系统的实现又提供了一条有效的途径。所以综合考虑还是选择方案二的第一种。 2.2.5 驱动方式选择 方案一：达林顿反向驱动器 ULN2803。 方案二：电桥驱动电路 L298N。 对于方案一，作为一款反向驱动器，ULN2803 应用广泛，驱动效果也很好，与 TTL 信号兼容性很好，但是在后续的硬件电路中表现不佳，风扇转速改

14、变不明显，而且在最高档出现断档的情况，风扇不转，在修改硬件电路，修改程序后依旧效果不佳，驱动力明显不足，故方案一中途停用。 对于方案二，由于之前已经有使用过，对 L298N这个桥式驱动模块的应用上手快速，驱动能力也比 ULN2803 好很多，驱动风扇 5 档变速的实际效果明显，故采用方案二。43 硬件设计系统主要器件包括温度传感器 DS18B20、AT89S51 单片机、液晶显示屏LCD1602、桥式驱动模块 L298N、开关和风扇。辅助元件包括电容电阻、晶振、电源、按键、变压器等。 3.1 系统各器件简介 3.1.1 单线程数字温度传感器 DS18B20 此温度传感器是美国 DALLAS 半

15、导体公司继 DS1820 之后推出的一种改进型智能温度传感器 DS18B20。作为新一带数字检测元件，DS1820 是世界上第一片支持 “一线总线“接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的 DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。使你可以充分发挥“一线总线”的优点。DS18B20 可以程序设定 912 位的分辨率，精度为0.5C。可选更小的封装方式，更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在 E

16、EPROM 中，掉电后依然保存。测温范围为-55125，最大分辨率可达 0.0625。DS18B20 减少了外部的硬件电路，直接输出数字信号，具有低成本和易使用的特点。 图 2 温度传感器 DS18B20 3.1.2 AT89S51 单片机简介 AT89S51 是一个低功耗，高性能 COMS 8 位单片机，片内含 4Kbytes ISP 的反复可读写 1000 次的 Flash 只读程序储存器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了 8 位中央处理器和 IPS Flash 存储单元，AT89S51 在众多

17、嵌入式系统中得到了广泛的应用。AT89S51 具有完整的输入输出和控制端口、以及内部程序存储空间。与我们通常5意义上的微机原理类似，可以通过外接 A/D，D/A 转换电路及运放芯片实现对传感器传送信息的采集，且能够提供以点阵或 LCD 液晶及外接按键实现人机交互，能对内部众多 I/O 端口连接步进电机对外围设备进行精确操控，具有强大的工控能力。 AT89S51 系列单片机编写程序简单。其语法结构与我们常用的计算机 C 语言基本相同，不同之处在于增加了控制具体引脚工作的语句和命令，相对于计算机 C 语言，单片机 C 语言更简练和明确，可以控制每个引脚的输入输出状态。其主要语句集中在例如：“ife

18、lse” 、 “while”、 “for”等循环与判断语句上，相比计算机 C 语言更简单。 使用 AT89S51 系列单片机编程，可以在没有实物单片机的情况下在普通电脑上进行程序编写甚至是调试工作。一般工作中使用 Keil 公司开发的 51 单片机编程软件进行编程，它采用目前流行的开发环境，集编辑，编译和仿真于一体。在该软件上用户可以编写汇编语言或 C 语言源程序，并利用该软件生成单片机能运行的程序。AT89S51 价格便宜，适合对大批量的计量仪器进行规模化改造，其单片售价不超过 5 元。 图 3 AT89S51 引脚图 DIP 封装 3.1.3 桥式驱动电路 L298N 简介 本系统要用单片

19、机控制风扇直流电机，需要加驱动电路，为直流电机提供足够大的驱动电流，并能在模拟 PWM 波的情况下实现风扇转速的改变。在本系统驱动电路中，选用桥式驱动电路 L298N 来驱动风扇直流电机。L298N 在使用时接口简单，操作方便，可为电机提供稳定的驱动电流，可以同时驱动两台直流电机，可以在模拟 PWM波的情况下很好的输出信号，实现风扇转速的平滑改变。 L298N 是专用驱动集成电路，属于 H 桥集成电路，与 L293D 的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为 2A，最高电流 4A，最高工作电压 50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电6机，(二相、三相、四相)步进电机，伺服电机，电磁阀等

20、，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。 模块接口说明： +5V：芯片电压5V。 VCC：电机电压，最大可接 50V。 GND：共地接法。 EN1、EN2：高电平有效，EN1、EN2 分别为 IN1 和 IN2、IN3 和 IN4 的使能端。 IN1IN4：输入端，输入端电平和输出端电平是对应的。 3.1.4 LCD1602 简介 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1，16*2，20*2 和 40*2 行等的模块。一般

21、 1602 字符型液晶显示器实物如图：图 4 LCD1602 LCD1602主要技术参数： 显示容量:162 个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm 第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：R/W 为读写信号线

22、，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。 第15 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。3.2 各部分电路设计3.2.1 开关复位与晶振电路 单片机系统中，有两个非常重要的电路，一个是开关复位电路，用来对单片机本7身和其外部扩展 I/O 接口电路进行复位，还有一个是晶振电路，用于产生谐振，使单

23、片机得以工作。电路图如图 5 所示： 图 5 晶振电路与复位电路 单片机的 XTAL1 和 XTAL2 用来外界石英晶体和微调电容，连接单片机内 OSC 的定时反馈电路。如图所示，当按下按键开关是，系统复位一次。其中电容 C1、C2 为 20pF，C3 为 10uF，电阻 R1 为 10k，晶振为 12MHz。 3.2.2 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

24、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。此时温度寄存器中的值即为被测温度值，这个值以 16 位二进制形式存放在存储器中，通过主机发送存储器读命令可读出此温度值，读取时低位在前，高位在后，依次进行。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 由于直接可以输出数字信号，所以可以直接输出给单片机，但是需要在输出口上接一个上拉电阻来确保工作，连接图如图 6 所示： 图 6DS18B20 连接电路 3.2.3 风扇驱动电路 本设计采用单片机模拟 PWM 波的方式通过 I/O 口输出 TTL

25、 信号，再通过一个电机驱8动模块 L298N 来驱动 12V 直流无刷电机工作，从而实现电扇转速的调节。 红外探测控制电机开关，键盘改变设置的温度，然后和预设的温度进行比较，通过软件判断后由单片机的 P3.4 口输出脉冲信号，经由 L298N 驱动风扇直流电机电路，实现电机的启动和转速的改变。当环境温度改变时，电机的转速会按照设定的程序相对进行改变，温度升高转速变快，温度降低，转速变慢，温度过低时自动停止，无人状态下也会自动停止。当有人出现后，并且温度高于预设温度，电机重新开始工作。如图 12 所示： 图 11 L298N 驱动电路 3.2.4 风扇驱动电路本设计采用单片机模拟 PWM 波的方

26、式通过 I/O 口输出 TTL 信号，再通过一个电机驱动模块 L298N 来驱动 12V 直流无刷电机工作，从而实现电扇转速的调节。P3.4 口输出脉冲信号，经由 L298N 驱动风扇直流电机电路，实现电机的启动和转速的改变。当环境温度改变时，电机的转速会按照设定的程序相对进行改变，温度升高转速变快，温度降低，转速变慢，温度过低时自动停止，无人状态下也会自动停止。当有人出现后，并且温度高于预设温度，电机重新开始工作。如图 7 所示：4 软件设计软件编写有 C 语言和汇编语言两种，这两种语言我都有所了解，两种语言各有特点。C 语言具有编写简单，容易上手的特点，而且看起来条理清晰，便于修改，能够快

27、速准确的找到错误并进行改正。相对于汇编语言，作为一种低级的机器语言，读9程序相对繁琐，但程序写好后意思明了，效率也要高于 C 语言编写的程序，具有很好的开发功能。 结合自身实际，我还是选择了 C 语言，容易上手，可以更好的调试与编译程序。4.1 源程序/ 说明: 大于等于 45时加速正转/小于等于 10时加速反转 / 75时达到全速正转/0时达到全速反转/ 温度回到 10至 45之间时电机逐渐停止转动 /-#include #include #include #define INT8U unsigned char#define INT16U unsigned intextern INT8U T

28、emp_Value; /传感器返回的两字节温度原始数据extern INT8U Read_Temperature(); /读传感器温度函数extern void delay_ms(INT16U x);extern void LCD_Initialise();extern void LCD_ShowString(INT8U, INT8U,INT8U *) reentrant;sbit MA = P10; /电机方向控制端(MA,MB)sbit MB = P11;sbit PWM1 = P12; /PWM 调整控制端INT8U Back_Temp_Value = 0xFF,0xFF;/温度数据备份

29、char Temp_Disp_Buff17; /显示缓冲float f_Temp = 35.0; /浮点温度值/-/ T0 定时器溢出中断函数控制电机正/反转,并输出 PWM 信号控制转速/-void T0_INT() interrupt 110/-/ 主函数/-void main()5 硬件调试硬件电路的调试相对来说比较简单。调试的功能包括按键电路，DS18B20，电机电路和红外传感电路。5.1 按键电路的调试 按键电路实现的功能是在按键按下后能执行设定温度的改变，这项采用实物调试，按键按下之后，温度随之改变。 5.2 温度传感器电路的调试 温度传感器 DS18B20 的调试在实物上进行，当

30、用手指去加热温度传感器 DS18B20 的时候，LCD 示数开始随温度的上升而改变，变化明显而且刷新频率适中，可以清晰的看到所显示的温度。 5.3 电机电路的调试 电机电路进行调试，不断的将设定温度降低，观察电机转速的变化。电机随设定温度与实际温度差值的改变而改变，转速变化较为平滑，达到了预期的效果。 5.4 硬件调试遇到的问题 本次设计中遇到的最困难的问题就是出在了电机的驱动上，刚开始的设计使用的11达林顿 ULN2803 反向驱动器来驱动电机，可是在软件无误，硬件连接无误的情况下，电机转动表现出来的是变速效果不明显，最高档时停转现象的发生。再不断的修改软件和硬件电路无果的情况下，放弃了这个

31、驱动，改用桥式驱动电路 L298N，所有的问题迎刃而解，反向驱动的驱动力不连续，而且驱动力在小电流的输入输出时不足，使得电机驱动产生了非常不理想的效果。6结论此次的设计遇到的每个问题对我来说都是一个很大的挑战，在老师的帮助和自己的探索中，我完成了“基于 51 单片机的智能温控电扇设计” ，设计了硬件电路，独立完成了软件编写。 在设计中，实现了预期的功能，成功设计出了 LCD 显示模块、DS18B20 测温模块、温控变速模块，以及进行了系统的仿真，从实践中巩固了所学的知识，并且在探索中学习到了新的知识。 通过这次设计，我又对单片机的知识有了一定的拓展，对处理问题的能力有了一定的提高，这次设计中的

32、电机驱动就是一个很好的挑战，虽然一开始走了弯路，没有能够很好的处理好这个变速的问题，但是经过一番的反复实践，终于获得了一种最好的电路，很好的完成了这个设计。 这次的设计对我而言不仅仅是一个毕业设计，更是对我大学四年学习的一个检验，给了我一次实践的机会，运用自己的所学来完成这个设计。从设计中，我学习到了很多东西，提高了自己独立学习和思考能力，不管对于硬件电路还是软件设计，都有了很多自己的体会和认识，懂得了如何在实际中灵活运用所学的知识，是一次难得的锻炼机会，为我以后无论是学习还是工作打下了坚实的基础。7 结语致 谢这次毕业设计是在韩竺秦老师的悉心指导之下完成的。在老师严谨的教学态度和工作方式的影

33、响下，我得到了非常多的帮助。老师给我提出了非常多有价值的建议，我在此过程中，自己的学习和实践能力也得到了进步。在此表示衷心的感谢自大一进入这个班级以来韩竺秦老师对我的关心和指导。同学们给也给我提供了很多帮助，在此我也感谢他们在我进行设计时遇到不懂的问题，能够热情地帮助我解决。12最后也要感谢我的父母，他们的理解和支持也给予了我莫大的动力，使我能够在学校专心完成我的学业。参考文献1 李学龙使用单片机控制的智能遥控电风扇控制器J电子电路制作20039：1315 2 胡汉才单片机原理及其接口技术M （第 2 版） 北京：清华大学出版社 2004.4977 3 胡全51 单片机的数码管动态显示技术J 信息技术 200913：2526 4 李钢，赵彦峰1-Wire 总线数字温度传感器 DSI8B20 原理及应用J现代电子技术200528(21)： 7779 5 马云峰单片机与数字温度传感器 DS18B20 的接口设计J计算机测量与控制200710(4)： 278280