基于51单片机的温控风扇设计文档格式.docx
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第1章绪论
1.1研究本课题的目的和意义
日常学习中，我们往往会选择使用很多与温度联系的家具。
就像尽管很多大都市家庭的空调都是必备品，但他们仍然选择电风扇当做农村地区人口的冷却和防暑用品，实则这类人占我国大多数。
每当夏天日间温度让人燥热难耐，此时电风扇应该转速很高才能起到降温作用这样的风速和风量会让人觉得舒适;
在晚上，温度会降低不少，当人们熟睡后应逐渐降低转速速度以避免免疫力差的人们着凉生病。
尽管风扇具有调整不同模式的能力，但只能手动改变它。
然而如果他们睡着了，他们什么也做不了。
常用的运用计时器关闭风扇的设计，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，这会让人在睡梦中醒来，不得不醒来从新扭动风扇，补充计时器的工作时长，这相当困苦，并且在结尾一次定时可能比较久，温度下降后风扇却连续吹；
还有一个弊端是在某一时间内关上风扇电源的简略性能无法实现随温度变化对风扇风速有各自的需求。
如果在大功率电子产品的消散热量，当今普遍都利用空气冷却系统，它们使用风扇造成气体流动并带走热量降低温度，使电子器件不会烧坏。
为了让电子器件维持在合适的环境条件下，只能利用高功率、高速和高风量的风扇，但是风扇功率越大杂音就越大。
如果你想要低噪音，你需要降低风扇速度，这将导致电子元件温度提高，很难两全其美。
为处理这个难题，我们制造了这种温控风扇系统。
产品选择单片机控制的灵敏集成温度传感器，可随时显示温度，自动完成小风或强风并遵照用户预设的温度停止运行，不会发生误动。
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。
温控风扇是由MCU主控来制造的一台精密使用的产品。
被全球人民所热爱使用，其产品精度已经比较高，制造成本也在随着技术的更新比一开始减小了很多。
其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。
该产品还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。
第2章整体方案选择
2.1温度传感器的选用
温度传感器有多种设计思路采用：
思路一：
挑选热敏电阻当作接收温度信息的中枢部件，温度变化会让热敏电阻的阻值改变，这样就会让输出电压产生微弱的改变，再经过运算放大器将其变大，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。
具体方案如图2-1
图2-1热敏温度采集电路
思路二：
数字集成温度传感器DS18B20用作检测温度的中枢部件，数字温度信号直接输出，由单片机集中管理。
电路设计如图2-2
图2-2DS18B20温度采电路
关于第一个思路，热敏电阻具有价钱低廉和方便置备元件的好处，但热敏电阻感知不到温度的微小改变，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呈不是线性关联，它的子身电阻随温度改变会有难以预测的不精确，即使能够外接适当的电路进行修正，这样做会让电路复杂，大大降低了电路的稳定性，很难检测到其所在工作环境的很小的改变。
所以这个思路并不适合本产品。
关于第二种思路，因为数字集成温度传感器DS18B20的高集成度，电路的偏差成分如外部放大转换大大减少，拥有较小的温度偏差。
接收温度的原理不同于前一种思路的原理，差别之处在于温度辨识度很强。
温度值在设备内部变更为数字信号再输出，系统程序设计比较简单。
因为传感器选取先进的单总线手段（1-WRIE），因此与MCU的接口变得特别容易，抗扰乱功能比较强。
有关DS18B20的详尽全面参数，请参见下面的“硬件设计”中的模块详述。
2.2显示电路
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。
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。
对于思路一，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。
对于思路二，LCD显示屏展示的数字符号更加好看，除了表示数字外还能完美地表示出来字符乃至图案，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，本设计使用思路一。
2.4调速方式
利用变压器调整模式，利用电磁感应原理把民用的220V的电压下降为不同的电压。
这样就可以掌管风扇电动机以连接具有不同电压值的线圈，以控制电动机的速度，从而操纵风扇风量。
使用三极管驱动PWM实行限制。
关于思路一，其弊端是利用变压器来转化电压调节风速等级受到限制，这不能符合人性化的宗旨。
在压力转换流程中，会有热量耗损导致效能不高，散发的热量是很大的安全隐患。
关于思路二，PWM的最大优点在于主控器到受控系统的信号全部以数字办法呈现的，无需从数字信号到模拟信号改变。
以数字方法保留信号可以最大限度地减少噪声的作用。
当杂音大到可以将数字1变为数字0或者将数字0变为数字1时才会干扰到数字信号。
抗杂音是通过PWM进行模拟控制的最大亮点，这也是PWM在一些特定场景可以用于通信的关键源由。
从模拟信号到PWM的切换能够大大拉长通信间隔。
因此，本系统使用第二种思路。
第3章系统硬件组成
3.1系统结构
该系统由一个集成的温度传感器，一个三极管驱动电路，一个LED数码管，一个单片机和其他一些外部设备构成。
借助STC89C51微控制器便宜且易于置备，系统升级很容易实现通过修改程序。
系统的框图组织如下：
图3-1系统框图
3.2主控芯片介绍
3.2.1STC89C52简介
STC89C52是一款低功耗，高性能CMOS8位微处理器。
在单芯片上，采用智能8位CPU和可编程闪存，STC89C51具有极高的灵活性，完美地适用于许多嵌入式操纵运用。
它具有以下标准功能：
8K可编程闪存，看门狗定时器，4k字节闪存，MAX810复位电路，256字节RAM，32位I/O线，内置4KBEEPROM，3个16位定时器/计数器，全双工串行端口，一个6矢量2电平中断组织。
此外，静态逻辑可以将STC89X51降至0Hz，支撑两种软件可选的节能模式。
在待机模式下，CPU不再动作，许可RAM，定时器/计数器，串行端口和中断无间运行。
在断电保护模式下，RAM内容被存储，振荡器被冻结以及微处理器的全部操纵停止直到下一次中断或硬件复位。
最大运行频率为35MHz，6T/12T是可选的。
图3-2STC89C52单片机引脚图
89C52是STC最新发布的51芯单片机。
该芯片包含闪存程序存储器，SRAM，UART，SPI，PWM等模块。
。
3.2.2STC89C52主要功能和性能参数
1
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;
2
工作频率范围：
0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ
3
STC89C52RC对应Flash空间：
4KB
4
内部存储器（RAM）：
512B
5
定时器\计数器：
3个16位
6
通用异步通信口（UART）1个
7
中断源:
8个
8
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
9
通用I\O口：
32\36个
10
工作电压：
3.8~5.5V
11
外形封装：
40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等
3.2.3STC89C52单片机引脚说明
VCC：
电源。
GND：
地线。
P0口：
P0端口是一个8位漏极开路双向I/O端口，每个引脚能够摄取8个TTL栅极电流。
当P1端口的引脚第一次写入1时，将其定义为高阻抗输入。
P0可用于外部程序数据存储器，可定义为数据/地址的第8位。
在FLASH编程中，P0端口用作原始代码输入端口。
当FIASH执行验证时，P0输出原始代码。
此时，P0务必拉高。
P1口：
P1端口是一个8位I/O端口，内部带有一个引入电阻。
P1端口缓冲器可以摄取电流4TTL输出.P1端口引脚写入1后，内部拉高，可用作输入。
当P1端口从外部拉低时，电流将被内部上拉引起。
在FLASH编程和验证中，端口P1被接受为第8位地址。
P2口：
P2端口是一个8位双向I/O端口，带有内部上拉电阻。
P2端口缓冲器可以接收和输出4个TTL栅极电流。
当P2端口写入“1”时，其引脚被内部上拉电阻拉高作为输入。
于是，当用作输入时，P2端口的引脚从外部拉低还会输出电流。
这是因为内部上拉造成。
当P2端口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行访问时，P2端口输出地址的高8位。
当地址为“给出1”，它利用内部上拉的好处，当读写外部8位地址数据存储器时，P2端口输出其特殊功能寄存器的内容.P2端口在FLASH编程和验证期间接收高8位地址信号和控制信号。
P3口：
P3端口引脚是8个双向I/O端口，带有内部上拉电阻，可以接收和输出4个TTL门电流。
当P3端口写入“1”时，它们在内部上拉为高电平并用作输入。
作为输入，由于外部下拉电阻较低，P3端口将因上拉而输出电流（ILL）。
P3口外用功能如表
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
/INT0
外部中断0
P3.3
/INT1
外部中断1
P3.4
T0
记时器0外部输入
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
RST：
复位输入。
若想让振荡器复位器件时，要持续给RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
寻址外部存储器时，地址锁定许可的输出电平用于锁定地址的状态字节。
该引脚用于在FLASH编程时候输入编程脉冲。
正常情况下，ALE处给出一个恒定频率周期的正脉冲函数，它是振荡器频率的1/6。
因此，它可以用作外部输出或定时用途的脉冲。
但是，应该注意，当用作ALE脉冲时，若当做外部数据存储器跳过ALE脉冲。
如果要禁用ALE的输出，可以在SFR8EH地址配置为0。
此时，ALE仅在MOVX执行且MOVC指令为ALE时有效。
此外，该引脚拉高一点。
如果微处理器处于外部执行状态ALE阻塞，则该设置无效。
/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维持低电平时，则在此时候外部程序存储器（0000H-FFFFH），无论有没有内部程序存储器。
注意当加密模式1时，/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端子维持高电平时，内部程序存储器就在此处。
该引脚还用于在FLASH编程期间应用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。
3.2.4STC89C51单片机最小系统
最小系统包含一个带有一个芯片的微型计算机和必要的电源，时钟，复位等，以保持微控制器处于正常工作状态。
电源，时钟和其他电路是运行的必要前提。
最小系统可以当作应用系统的核心部分，借助内存扩充和A/D扩充，MCU可以执行更丰富的功用。
STC89C51是一款带有片内ROM/EPROM的微控制器。
所以，该芯片的最小系统单一稳当。
当运用STC89C52MCU构成最小操纵系统时，只需将MCU接连到时钟电路和复位电路即可。
组成如图3-3所示。
出于集成的局限，最小应用系统只能用作一些小型控制单元。
图3-3单片机最小系统原理框图
下图是单片机工作的最小模块，如图2-3所示。
图单片机最小系统电路图
1.时钟电路
STC89C51微控制器的时钟信号通常以两种方式产生。
一种是内部时钟模式，另一种是外部时钟模式。
内部时钟模式如图2-4所示。
STC89C51MCU内部有一个振荡电路，只要晶体振荡器（称为晶体振荡器）外部连接到MCU的XTAL1（18）和XTAL2（19）引脚，它就形成一个自激振荡器，在其内部生成时钟信号。
图中电容器C1和C2的功能是时频率稳定，启动快，容量为5到30pF，标准值为30pF。
晶体振荡器CYS的振荡频率范
围选自1.2至12MHz，标准值为12MHz和6MHz。
图3-4STC89C51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留2个机械周期时，单片机内部就施行复位功能（若该引脚持续维持高电平，单片机就处于循环复位状态）。
复位电路广泛选择上电自动复位和按钮复位两种形式。
最方便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完成的。
只要Vcc的高涨间隔不超越1ms,就可以完成自动上电复位。
除了上电复位外，偶而还使用按键手动复位。
本产品便是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方法和脉冲方法两种。
此中电平复位是通过RST（9）端与电源Vcc接通而完成的。
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10kΩ。
图3-5STC89C51复位电路
3.3DS18B20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公司的一项专有手艺,它选取单根信号线,既传输时钟又传输数据,并且数据传输是双向互传的,可以减少I/O口线占用资源、组织浅显、成本低廉、便于总线增加和检查修改等诸多优点。
3.3.1DS18B20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可以并联在唯一的三根线上，实现组网多点测量
适应电压范围宽3.0-5.5V，不需要备份电源、可用数据线供电，温度测量范围为-55℃~125℃，-10℃~85℃时测量精度为±
0.5℃
通过编程可实现9~12位的数字值读数方式，对应的可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃，0.0625℃，实现高精度测温
负压特性。
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作
封装图及内部构造，如下图3-7和3-8所示
图3-7DS18B20外部结构框图
3.3.2引脚功能介绍
NC
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
I/O
数据输入/输出脚
漏极开路,常态下高电平
DS18B20选取3脚TO-92封装或8脚SOIC及CSP封装手段。
图2-8所示为DS18B20的内部组织框图，它关键包含温度传感器、64位光刻ROM、单总线接口、寄生电源、存放中转数据的带有便笺式RAM的高速暂存器、存储与控制逻辑、可以存储用户设定的温度高低限值的TH和TL触发器、8位循环冗余校验码（CRC）发生器及结构寄存器等八
大功能。
图3-9DS18B20的封装
3.3.3DS18B20的工作原理
64位ROM的构造如图3-10所示。
前8位是器件类型编号;
接下来是每个设备的唯一序列号，共48位;
结尾8位是CRC校验码的前56位，这也是几个DS18B20可以使用单线通信的原因。
温度报警触发TH和TL具有不易丢失的特点，可以编程上传使用者报警数值。
8位检验CRC
48位序列号
8位工厂代码
图64位ROM示意图
DS18B20的片上存储器还包含便笺式RAM和非易失性电可擦除EEPROM。
笺式RAM结构是9字节的内存，如图2-12所示。
便前两个字节包括有关勘测温度的信息。
第三个和第四个字节是TH和TL的副本，它们具有易失性，并在每次上电复位时更新。
第五个字节是配置寄存器，其内容用于判断温度值的数字变更频率，当DS18B20运行时，温度根据该寄存器的辨识率转换为相应的精度值。
该字节的每个位的定义如图2-13所示，低5位始终为1，TM是用于将DS18B20选定为运行模式或检测模式的测试模式位。
用户不应更改它;
R1和R2用于明确配置分辨率的温度改变的精度位数。
微控制器可以通过单线接口读取数据。
低位在前高位在后，数据形式为0.0625°
C/LSB。
表3-1是部分温度值对应的二进制温度表示数据。
表3-1DS18B20温度与表示值对应表
温度/℃
二进制
十六进制
+125
0000011111010000
07D0H
+85
000001010101
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