基于AT89C52单片机的智能温控风扇设计Word下载.docx
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关键词AT89C52/温度传感器/直流电机/模拟风扇
Esignofintelligenttemperaturecontrolfan
ABSTRACT
Baseddetectionandsingle-chipcontroltechnology,thedesignofasmarttemperaturecontrolfanspeed.Explainssmarttemperaturecontrolfanspeedcontrolworks,hardwaredesign,softwareimplementationprocess.Systemissimple,stable,lowcost,hasacertainenergy-savingeffect.
Controlledbythemicrocontrollertoachieveafanofourmainfunctions:
Whenyoupressthekeytoopenthesysteminitializethedefaultsettemperatureis25degrees,iftheoutsidetemperatureisabovethesettemperatureforfanoperation,iftheoutsidetemperatureishighbelowthesettemperatureinthewinddoesnotturnthepage,displayingtheoutsidetemperature.Youcansetthedesiredtemperature,andalsoshowsthesettemperature,presstheplusorminuskeytoexitthesettingmode.
Automaticfancontrol,sofansofthehomeappliancesbecomemoreintelligent.Unabletoovercometheordinaryfanspeedautomaticallyadjustedaccordingtooutsidetemperaturedifficult.Smartfandesignhasimportantpracticalsignificance.
KEYWORDSAT89C52,temperaturesensor,D.C.electricmachine，Simulationoffan.
中文摘要.......................................................................................................Ⅰ
英文摘要.......................................................................................................Ⅱ
1绪论
1.1引言
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（夏秋）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。
虽然电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自动风扇系统。
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发展现状与应用领域
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。
简易温度监测控制器是利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。
它广泛应用于城市、农村、各种工业生产，在一定情况下亦适用于太阳能、锅炉及对温度敏感的产业的自动控制和温度报警，是实现无人值守的理想产品，市场极为广阔，需求量大。
并且使用寿命长，适用范围广，安装极其容易。
2整体方案的设计
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检测环境温度并直接输出数字温度信号给单片机AT89C52进行处理，在LED数码管上显示当前环境温度值以及预设温度值。
其中预设温度值只能为整数形式，检测到的当前环境温度可精确到小数点后一位。
同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速。
并通过两个按键改变预设温度值，一个提高预设温度，另一个降低预设温度值。
系统结构框图：
如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
2.2方案论证
本设计要实现风扇直流电机的温度控制，使风扇电机能根据环境温度的变化自动启停及改变转速，需要比较高的温度变化分辨率以及稳定可靠的换挡停机控制部件。
2.3温度传感器的选择方案
在本设计中，温度传感器的选择有以下两种方案：
方案一：
采用热敏电阻作为检测温度的核心元件，并通过运算放大器放大，由于热敏电阻会随温度变化而变化，进而产生输出电压变化的微弱电压变化信号，再经模数转换芯片ADC0809将微弱电压变化信号转化为数字信号输入单片机处理。
方案二：
采用数字式的集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件，由其检测并直接输出数字温度信号给单片机进行处理。
对于方案一，采用热敏电阻作为温度检测元件，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太敏感，在信号采集、放大以及转换的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，其自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来修正，但这不仅将使电路变得更加复杂，而且在人体所处环境温度变化过程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，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化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测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化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。
2.4控制核心的选择
在本设计中采用AT89C52单片机作为控制核心，通过软件编程的方法进行温度检测和判断，并在其I/O口输出控制信号。
AT89C52单片机工作电压低，性能高，片内含8k字节的只读程序存储器ROM和256字节的随机数据存储器RAM，它兼容标准的MCS-51指令系统，单片价格也不贵，适合本设计系统。
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。
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，故不在本系统中采用。
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显示电路的选择
采用四位共阳数码管显示温度，动态扫描显示方式。
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四个LED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。
2.4调速方式的选择
采用数模转换芯片DAC0832来控制，由单片机根据当前环境温度值输出相应数字量到DAC0832中，再由DAC0832产生相应模拟信号控制晶闸管的导通角，从而通过无级调速电路实现风扇电机转速的自动调节。
采用单片机软件编程实现PWM（脉冲宽度调制）调速的方法。
PWM是英文PulseWidthModulation的缩写，它是按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，在控制时需要调节PWM波得占空比。
占空比是指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。
在控制电机的转速时，占空比越大，转速就越快，若全为高电平，占空比为100%时，转速达到最大。
用单片机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，然后再延时一定时间；
当低电平延时时间到时，再对该I/O口电平取反，如此循环即可得到PWM信号。
在本设计中应用了此方法。
（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定时进行高低电平的转变，而不是用软件延时。
应用此方法时编程相对复杂。
（3）利用单片机自带的PWM控制器。
在STC12系列单片机中自身带有PWM控制器，但本系统所用到得AT89系列单片机无此功能。
对于方案一，该方案能够实现对直流风扇电机的无级调速，速度变化灵敏，但是D/A转换芯片的价格较高，与其温控状态下无级调速功能相比性价比不高。
对于方案二，相对于其他用硬件或者软硬件相结合的方法实现对电机进行调速而言，采用PWM用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，并可大大降低成本，能够充分发挥单片机的功能，对于简单速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。
综合考虑选用方案二。
2.5控制执行部件的选择
采用数模转换芯片AD0832控制，由单片机根据当前温度值送出相应数字量到AD0832，由AD0832产生模拟信号控制晶闸管的导通角，从而配合无级调速电路实现温控时的自动无级风力调节。
采用继电器，继电器的接有控制晶闸管导通角的电阻的接入电路与否由单片机控制，根据当前温度值在相应管脚送出高/低电平，决定某个继电器的导通角控制电阻是否接入电路。
对于方案一，该方案能够实现在风扇处于温控状态时也能无级调速，但是D/A转换芯片价格较高，与其温控状态下无级调速功能相比性价比不高。
对于方案二，虽然在温控状态下只能实现弱/大风两级调速，但采用继电器价格便宜，控制可靠，且出于在温控状态时无级调速并不是特别需要的功能，综合考虑采用方案二。
3主要原件的介绍
系统主要器件包括DS18B20温度传感器、AT89C52单片机、四位LED共阴数码管、风扇步进电机。
辅助元件包括电阻、电容、晶振、电源、按键、开关等。
3.1温度传感器
3.1.1温度传感器的种类和选择
目前市场上常用的温度传感器有pt100，温敏电阻，DS18B20等等。
本次设计我们采用DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器
它具有以下特点：
（1）独立的单线接口，只需一个接口引脚即可通信；
（2）多点能力使分布使分布式温度检测应用得以简化；
（3）不需外部元件；
（4）可用数据线供电，不需要备用电源；
（5）测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度，增值量为0.5摄氏度；
（6）以9位数字值方式读出温度；
（7）在1秒（典型值）内把温度变为数字；
（8）用户可定义的，非易失行的温度警告设置；
（9）告警收索命令识别和寻址温度在编订的极限范围之外的器件；
（10）应用范围包括恒温控制，工业系统，消费类产品，温度计和各种热敏系统。
3.1.2DS18B20的工作原理及其单片机的接口电路
DS18B20内部结构如图3-1所示，主要由4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。
其管脚排列如图3-2所示，DQ为数字信号端，GND为电源地，VDD为电源输入端。
图3-1DS18B20内部结构图
图3-2DS18B20外形及管脚
由于DS18B20只有一根数据线。
因此它和主机（单片机）通信是需要串行通信，而AT89S51有两个串行端口，所以可以不用软件来模拟实现。
经过单线接口访问DS18B20必须遵循如下协议：
初始化、ROM操作命令、存储器操作命令和控制操作。
要使传感器工作，一切处理均从序列开始。
主机发送（Tx）--复位脉冲（最短为480μs的低电平信号）。
接着主机便释放此线并进入接收方式（Rx）。
总线经过4.7K的上拉电阻被拉至高电平状态。
在检测到I/O引脚上的上升沿之后，DS18B20等待15-60μs,并且接着发送脉冲（60-240μs的低电平信号）。
然后以存在复位脉冲表示DS18B20已经准备好发送或接收，然后给出正确的ROM命令和存储操作命令的数据。
DS18B20通过使用时间片来读出和写入数据，时间片用于处理数据位和进行何种指定操作的命令。
它有写时间片和读时间片两种。
写时间片：
当主机把数据线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时，产生写时间片。
有两种类型的写时间片：
写1时间片和写0时间片。
所有时间片必须有60微秒的持续期，在各写周期之间必须有最短为1微秒的恢复时间。
读时间片：
从DS18B20读数据时，使用读时间片。
当主机把数据线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时产生读时间片。
数据线在逻辑低电平必须保持至少1微秒；
来自DS18B20的输出数据在时间下降沿之后的15微秒内有效。
为了读出从读时间片开始算起15微秒的状态，主机必须停止把引脚驱动拉至低电平。
在时间片结束时，I/O引脚经过外部的上拉电阻拉回高电平，所有读时间片的最短持续期为60微秒，包括两个读周期间至少1μs的恢复时间。
一旦主机检测到DS18B20的存在，它便可以发送一个器件ROM操作命令。
所有ROM操作命令均为8位长。
图3-3DS18B20与单片机接口电路
3.2单片机
3.2.1单片机的种类及选择
当今世界上的单片机种类繁多，厂商琳琅满目，产品性能各异。
其种类如下：
（1）AVR单片机：
ATMEL公司的AVR单片机，是增强型RISC内载Flash的单片机，芯片上的Flash存储器附在用户的产品中，可随时编程，再编程，使用户的产品设计容易，更新换代方便。
AVR单片机采用增强的RISC结构，使其具有高速处理能力，在一个时钟周期内可执行复杂的指令，每MHz可实现1MIPS的处理能力。
AVR单片机工作电压为2.7~6.0V，可以实现耗电最优化。
AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。
（2）Motorola单片机：
Motorola是世界上最大的单片机厂商。
从M6800开始，开发了广泛的品种，4位，8位，16位，32位的单片机都能生产，其中典型的代表有:
8位机M6805，M68HC05系列，8位增强型M68HC11，M68HC12，16位机M68HC16，32位机M683XX。
Motorola单片机的特点之一是在同样的速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合于工控领域及恶劣的环境。
（3）MicroChip单片机：
MicroChip单片机的主要产品是PIC16C系列和17C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，分别仅有33，35，58条指令，采用Harvard双总线结构，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积。
适用于用量大，档次低，价格敏感的产品。
在办公自动化设备，消费电子产品，电讯通信，智能仪器仪表，汽车电子，金融电子，工业控制不同领域都有广泛的应用，PIC系列单片机在世界单片机市场份额排名中逐年提高，发展非常迅速。
（4）MDT20XX系列单片机：
工业级OTP单片机，Micon公司生产，与PIC单片机管脚完全一致，海尔集团的电冰箱控制器，TCL通信产品，长安奥拓铃木小轿车功率分配器就采用这种单片机。
（5）Scenix单片机：
Scenix公司推出的8位RISC结构SX系列单片机与Intel的PentiumII等一起被<
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ElectronicIndustryYearbook1998>
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评选为1998年世界十大处理器。
在技术上有其独到之处：
SX系列双时钟设置，指令运行速度可达50/75/100MIPS（每秒执行百万条指令，XXXMInstructionPerSecond）；
具有虚拟外设功能，柔性化I/O端口，所有的I/O端口都可单独编程设定，公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能，如多路UART，多路A/D，PWM，SPI，DTMF，FS，LCD驱动等等。
采用EEPROM/FLASH程序存储器，可以实现在线系统编程。
通过计算机RS232C接口，采用专用串行电缆即可对目标系统进行在线实时仿真。
（6）EPSON单片机：
EPSON单片机以低电压，低功耗和内置LCD驱动器特点著名于世，尤其是LCD驱动部分做得很好。
广泛用于工业控制，医疗设备，家用电器，仪器仪表，通信设备和手持式消费类产品等领域。
目前EPSON已推出四位单片机SMC62系列，SMC63系列，SMC60系列和八位单片机SMC88系列。
（7）东芝单片机：
东芝单片机门类齐全，4位机在家电领域有很大市场，8位机主要有870系列，90系列，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗降至10UA数量级。
东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的CPU结构，面向VCD，数字相机，图像处理等市场。
（8）8051单片机：
8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大，应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。
LG公司生产的GMS90系列单片机，与IntelMCS-51系列，Atmel89C51/52，89C2051等单片机兼容，CMOS技术，高达40MHZ的时钟频率，应用于:
多功能电话，智能传感器，电度表，工业控制，防盗报警装置，各种计费器，各种IC卡装置，DVD，VCD，CD-ROM。
（9）华邦单片机：
华邦公司的W77，W78系列8位单片机的脚位和指令集与8051兼容，但每个指令周期只需要4个时钟周期，速度提高了三倍，工作频率最高可达40MHz。
同时增加了WatchDogTimer，6组外部中断源，2组UART，2组Datapointer及Waitstatecontrolpin。
W741系列的4位单片机带液晶驱动，在线烧录，保密性高，低操作电压（1.2V~1.8V）。
3.2.2AT89C52单片机简介
AT89C52是52系列单片机的一个型号，它是由ATMEL公司生产的一个低电压、高性能的8位单片机，片内器件采用ATMEL公司的非易失性、高密度存储技术生产，与标准的MCS-51指令系统兼容，同时片内置有通用8位中央处理器和8k字节的可反复擦写的只读程序存储器ROM以及256字节的数据存储器RAM，在许多许多较复杂的控制系统中AT89C2单片机得到了广泛的应用。
AT89C2有40个引脚，各引脚介绍如下：
VCC：
+5V电源线；
GND：
接地线。
P0口：
P0.7~P0.0，这组引脚共8条，其中P0.7为最高位，P0.0为最低位。
这8条引脚共有两种不同的功能，分别使用于两种不同的情况。
第一种情况是单片机不带片外存储器，P0口可以作为通用I/O口使用，P0.7~P0.0用于传送CPU的输入/输出数据，此时它需外接一上拉电阻才能正常工作。
第二种情况是单片机带片外存储器，其各引脚在CPU访问片外存储器时先是用于传送片外存储器的低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写数据。
P1口：
P1口是一个内部含上拉电阻的8位双向I/O口。
它也可作为通用的I/O口使用，与P0口一样用于传送用户的输入输出数据，所不同的是它片内含上拉电阻而P0口没有，故P0口在做该用途时需外接上拉电阻而P1口则无需。
在FLASH编程和校验时，P1口用于输入片内EPROM的低8位地址。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，它可以作为通用I/O口使用，传送用户的输入/输出数据，同时可与P0口的第二功能配合，用于输出片外存储器的高8位地址，共同选中片外存储单元，但此时不能传送存储器的读写数据。
在一些型号的单片机中，P2口还可以配合P1口传送片内EPROM的12位地址中的高4位地
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