基于单片机智能遥控风扇的设计与制作大学论文.docx

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基于单片机智能遥控风扇的设计与制作大学论文

基于单片机智能遥控风扇的设计与制作

摘要

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。

在炎热的夏天人们用电风扇来降温；在工业生产中，大型机械用电风扇来散热等。

随着温度控制的技术不断发展，应运而生的温控电风扇也逐渐走进了人们的生活中。

温控电风扇可以根据环境温度自动调节电风扇启停与转速，在实际生活的使用中，温控风扇不仅可节省宝贵的电资源，也大大方便了人们的生活和生产。

本设计为一种温控风扇系统，具有灵敏的温度感测和显示功能，系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制平台对风扇转速进行控制。

利用DS18B20数字温度传感器采集实时温度，经单片机的PWM控制光耦，光耦将单片机的信号和风扇的控制隔离，这样实现了风扇高电压的控制，光耦控制三极管的放大倍数，实现了风扇的控制。

关键词：

温控风扇，单片机，DS18B20，自动控制

Basedonthedesignandmanufactureofintelligentremotecontrolfan

Abstract

Intoday'ssocietyhasenteredtheelectronicinformationcompletely,thetemperaturecontrollerinallwalksoflifehavebeenfullyutilized.Hasthefunctionofreal-timemonitoringoftemperaturetoensuretheindustrialinstruments,measuringtools,agriculturalplantingofnormaloperation,itisthebiggestcharacteristicofreal-timemonitorthesurroundingtemperature,andcancontrolthemotoroperationtochangethetemperatureatthesametime.ItiswidelyusedandpopularizebroughtconveniencetoPeople'sDailylives.

Inthehotsummer, peopleuse coolingfan; intheindustrialproduction, isusedtoheat theelectricfan largemachinery. Withthecontinuousdevelopment ofthetechnology oftemperaturecontrol, temperaturecontrolledelectricfan emergeasthetimesrequire graduallyinto people'slives. Temperaturecontrolledelectricfan canbeadjustedautomatically stop and start thefan speed accordingtotheenvironmenttemperature, the use ofreallife, temperaturecontrolledfan notonlycansave powerresources valuable, butalsogreatlyfacilitatethe people'slifeandproduction.

Thisdesignis atemperaturecontrolledfan system, with thesensitivetemperature sensingfunctionof measurementand display, thesystem usesSTC12C5A60S2microcontrollerasthecontrol platform tocontrol fanspeed. Thereal-timecollectionof temperatureusing DS18B20digitaltemperaturesensor,controlopticalcoupler by SCMPWM, optocoupler isolationcontrol high voltage, optocoupler controltriode amplification,control high voltage, optocoupler 

controltriode amplification,realizesthe fan control.

Keywords:

Temperaturecontrolfan, MCU, DS18B20,automaticcontrol

前言

在现代社会中，风扇被广泛的应用，发挥着举足轻重的作用，如夏天人们用的散热风扇、工业生产中大型机械中的散热风扇以及现在笔记本电脑上广泛使用的智能CPU风扇等。

而随着温度控制技术的发展，为了降低风扇运转时的噪音以及节省能源等，温控风扇越来越受到重视并被广泛的应用。

随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制的温度控制系统也应运而生，如基于单片机的温控风扇系统。

它使风扇根据环境温度的变化实现自动启停，使风扇转速随着环境温度的变化而变化，实现了风扇的智能控制。

它的设计为现代社会人们的生活以及生产带来了诸多便利，在提高人们的生活质量、生产效率的同时还能节省风扇运转所需的能量。

本文设计了基于单片机的智能温控风扇系统，用单片机为控制器，利用温度传感器DS18B20作为温度采集元件，并根据采集到的温度，通过单片机的PWM控制光耦的发光强度，再通过光耦来控制TIP122达林顿三极管放大，来驱动风扇。

通过人体感应模块来确定风扇是否具备开启条件。

第一章设计目的和意义

1.1研究本课题的目的

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。

所以设计了这套温控风扇系统。

1.2研究本课题的意义及发展

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。

智能温控风扇是用单片机系统来完成的一个小型的控制系统。

大多数设计都是采用STC89C51单片机设计的智能风扇，用STC89C51单片机作为中央处理器，其内部包含了定时器、程序储蓄器数据储蓄器等硬件。

温度传感器多数采用DS18B20，其高度集成化，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，温度误差小，温度辨别力极高。

但是一般的设计都不具有人体感应的功能，人体感应系统功能更具有人性化，人们用起来将会更加方便。

本系统采用的是STC89C51单片机的升级版STC12C5A60S2单片机，高精度集成温度传感器也是DS18B20，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，具有人体感应系统。

第二章总体设计方案

2.1设计要求

本设计为一种温控风扇系统，具有灵敏的温度感测和显示功能，系统采用STC12C5A60S2单片机作为控制平台对风扇转速进行控制。

利用DS18B20数字温度传感器采集实时温度，经单片机的PWM控制光耦，光耦将单片机的信号和风扇的控制隔离，这样实现了风扇高电压的控制，光耦控制三极管的放大倍数，实现了风扇的控制。

（1）要求完成红外遥控器控制风扇；

（2）要求完成LCD1602液晶显示年月日和具体时间以及温度等信息；

（3）要求完成单片机的PWM控制光耦，光耦来改变三极管放大的倍数，从而达到驱动高于本设计电压的风扇；

（4）要求完成人体感应模块检测人体信号；

（5）要求完成DS18B20检测温度。

2.2设计方案

2.2.1总体设计方案

本系统由温度采集电路、单片机、液晶显示电路、DS1302时钟电路、EEPROM电路、风扇驱动电路、人体感应电路、红外接收电路、稳压电路及一些其他外围器件组成。

使用具有价廉易购的STC12C5A60S2单片机编程控制，通过修改程序可方便实现系统升级。

系统的框图结构见图2-1所示：

图2-1系统框图

2.3模块的功能

2.3.1无线红外模块

红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射雕红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。

2.3.2人体感应模块

热释电的主控芯片是BISS0001，是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。

它配以热释电红外传感器和少量外接元器件即可构成被动式热释电红外开关，故能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

2.3.3DS1302时钟模块

DS1302是Dallas公司生产的一种实时时钟芯片。

它通过串行方式与单片机进行数据传送，能够向单片机提供包括秒、分、时、日、月、年等在内的实时时间信息，并可对月末日期、闰年天数自动进行调整；它还拥有用于主电源和备份电源的双电源引脚，在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。

另外，它还能提供31字节的用于高速数据暂存的RAM。

2.3.4EEPROM存储电路

AT24C02是美国Atmel公司的低功耗CMOS型E2PROM，内含256×8位存储空间，具有工作电压宽（2.5～5.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10ms）、抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。

而且他是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I／O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便。

AT24C02中带有的片内地址寄存器。

每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。

第三章总体设计电路

3.1最小系统

3.1.1简介

STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。

是增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。

STC12C5A60S2系列工作电压为5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压为3.6V-2.2V（3V单片机）。

工作频率范围为0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz。

3.1.2STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换器的结构

STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0）,有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。

8路电压输入型A/D，可做温度检测、电源电压检测、按键扫描、频谱检测等。

上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的I/O口可以继续作为I/O口使用。

3.1.3单片机最小系统设计

单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括:

单片机、晶振电路、复位电路。

下面给出一个51单片机的最小系统电路图。

图3-1stc12c5A60S2和上拉电阻

图3-2复位电路和晶振电路

复位电路：

电阻给电容充电，电容的电压缓慢上升直到vcc，没到vcc时芯片复位脚近似低电平，于是芯片复位，接近vcc时芯片复位脚近高电平，于是芯片停止复位，复位完成。

晶振电路：

晶振是给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度，比如12M晶振，单片机工作速度就是每秒12M当然，单片机的工作频率是有范围的，不能太大一般24M就不上去了，不然不稳定。

晶振与单片机的脚XTAL0和脚XTAL1构成的振荡电路中会产生偕波（也就是不希望存在的其他频率的波）这个波对电路的影响不大，但会降低电路的时钟振荡器的稳定性，为了电路的稳定性起见，ATMEL公司只是建议在晶振的两引脚处接入两个10pf-50pf的瓷片电容接地来削减偕波对电路的稳定性的影响。

P0口的上拉电阻：

P0口作为I/O口输出的时候时，输出低电平为0，输出高电平为高组态。

也就是说P0，口不能真正的输出高电平，给所接的负载提供电流，因此必须接上拉电阻（一电阻连接到VCC），由电源通过这个上拉电阻给负载提供电流。

由于P0口内部没有上拉电阻，是开漏的，不管它的驱动能力多大，相当于它是没有电源的，需要外部的电路提供，绝大多数情况下P0口是必需加上拉电阻的。

1.一般单片机的P0口在作为地址/数据复用时不接上拉电阻。

2.作为一般的I/O口时用时，由于内部没有上拉电阻，故要接上上拉电阻。

3.当p0口用来驱动PNP管子的时候，就不需要上拉电阻，因为此时的低电平有效。

4.当P0口用来驱动NPN管子的时候，就需要上拉电阻的，因为此时只有当P0为1时候，才能够使后级端导通。

3.2电源设计

本设计是用9V电池供电，9V电压是对风扇供电，9V电压能使风扇的转动更加明显。

单片机内部是5V供电的，通过L7805把9V电压转换成5V电压，电容的作用是滤波具体见图3-3所示

图3-3L7805原理

3.3传感器

3.3.1温度传感器

1、DS18B20的特点

（1）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；

（2）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；

（3）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；

（4）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℃；

（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；

（6）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。

见图3-4、3-5

图3-4DS18B20外部结构框图

图3-5DS18B20内部结构框图

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采用3脚TO-92封装或8脚SOIC及CSP封装方式。

图3-5所示为DS18B20的内部结构框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位光刻ROM及单总线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM）、存储与控制逻辑、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器、结构寄存器、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等八部分。

见图3-6

图3-6DS18B20的封装

人体感应模块

图3-7人体感应模块原理图

BISS0001的主要功能如下：

1.为CMOS数模混合专用集成电路；

2.具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配进行信号处理；

3.带有双向鉴幅器，可有效抑制干扰；

4.内设延迟时间定时器和封锁时间定时器；

5.结构新颖，稳定可靠，调解范围宽；

6.内置参考电压，工作电压范围为2～6V。

图3-8人体感应模块接线

3.3.2红外传感器

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射,他将太阳光用三棱镜分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。

结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。

因此得到结论：

太阳光谱中，红光的外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。

也可以当作传输之媒界。

太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75～1000μm。

红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.75～1.50μm之间；中红外线，波长为1.50～6.0μm之间；远红外线，波长为6.0～l000μm之间。

见图3-9

图3-9红外遥控器及编码

一体化红外线接收器是一种集红外线接收和放大整形于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积又很小巧，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输，广泛用于电视机、卫星接收机、VCD、DVD、音响、空调等家用电器中接收红外信号。

见图3-10

图3-10红外接收电路

3.3.3DS1302时钟

DS1302时钟芯片内主要包括移位寄存器、控制逻辑电路、振荡器。

DS1302与单片机系统的数据传送依靠RST，I/O，SCLK三根端线即可完成。

其工作过程可概括为：

首先系统RST引脚驱动至高电平，然后在SCLK时钟脉冲的作用下，通过I/O引脚向DS1302输入地址/命令字节，随后再在SCLK时钟脉冲的配合下，从I/O引脚写入或读出相应的数据字节。

因此,其与单片机之间的数据传送是十分容易实现的，DS1302的引脚排列及内部结构图见图3-11：

DS1302引脚说明：

X1，X232.768kHz晶振引脚

GND地线

RST复位端

I/O数据输入/输出端口

图3-11DS1302管脚图

SCLK串行时钟端口

VCC1慢速充电引脚

VCC2电源引脚

时钟芯片DS1302的接口电路及工作原理见图3-12：

图3-12DS1302与MCU接口电路

上图为DS1302的接口电路，其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。

VCC1在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。

VCC2在双电源系统中提供主电源，在这种运用方式中VCC1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。

3.4LCD液晶显示电路

在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

（1）引脚说明：

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，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7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

（2）1602LCD的RAM地址映射以及标准字库表

LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符图有：

阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母。

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：

1为高电平，0为低电平）。

指令1：

清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置。

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H。

指令3：

光标和显示模式设置I/D：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移。

S：

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效。

指令4：

显示开关控制。

D：

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。

C：

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标。

B：

控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。

指令5：

光标或显示移位S/C：

高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。

指令6：

功能设置命令DL：

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线。

N：

低电平时为单行显示，高电平时双行显示。

F：

低电平时显示5X7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符（有些模块是DL：

高电平时为8位总线，低电平时为4位总线）。

指令7：

字符发生器RAM地址设置。

指令8：

DDRAM地址设置。

指令9：

读出忙信号和光标地址。

BF为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙，模块就能接收相应的命令或者数据。

指令10：

写数据。

指令11：

读数据。

液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。

要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。

液晶显示的原理是