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基于单片机的风扇温控仪设计
基于单片机的风扇温控仪设计
摘要
电风扇在我们日常生活和工作中是必不可少的工具，尤其是夏天更能给人带来凉爽。
但是随着当今能源匮乏，环保节能意识加强，传统电风扇已不足以满足现在的需求。
基于单片机的智能控制,本文设计了一款新型智能风扇温控系统，可以自动控制风速。
通过感知和检测周边现场的环境温度，风扇会适当的调节自身的转速和频率，根据环境温度也会做出启动，停止等动作，不需要人为操控，具备很强的便捷性。
温度传感器DS18B20内部的E2ROM中存储设定的高温和低温数值，掉电后仍然能保存上次设定值，性能稳定,控制准确。
该智能电风扇的控制系统运用的是以STC89C52单片机作为系统控制的核心；房间温度采用温度传感器DS18B20收集。
此项设计弥补了传统风扇的种种不足，一方面在日常生活中运用智能温控技术，另一方面可以达到自动调控节省了自然资源。
关键词：
单片机，交流电机，温度传感器DS18B20
Designoffantemperaturecontrolinstrumentbasedonsinglechipmicrocomputer
abstract
Electricfansareindispensabletoolsinourdailylifeandwork,especiallyinsummer.However,withthelackofenergyandtheawarenessofenvironmentalprotectionandenergysaving,traditionalelectricfansarenotenoughtomeetthecurrentdemand.
WedesignanintelligenttemperaturecontrolfansystemwithautomatictemperaturecontrolandwindspeedcontrolbasedonSCMintelligentcontrol.Whentheambienttemperaturerises,thefanwillchangeitsspeedaccordingtothetemperature.Whenthetemperatureisreduced,itcanalsoreducethefrequency,withouthumanmanipulation,ithasastrongconvenience.Itcandetecttheambienttemperatureaccuratelyandautomaticallycontrolthestarting,stoppingandwindspeedoftheelectricfanaccordingtothechangeoftheambienttemperature.ThehightemperatureandlowtemperaturevaluesarestoredintheE2ROMofthetemperaturesensorDS18B20.Afterthepowerfailure,thelastsettingvaluecanbesaved,theperformanceisstableandthecontrolisaccurate.ThecontrolsystemoftheintelligentelectricfanisusedasthecoreofthesystemcontrolbysinglechipmicrocomputerSTC89C52,andthetemperatureacquisitionisaccomplishedbyusingthetemperaturesensorDS18B20intheindoortemperaturecollection.Thisdesignmakesupfortheshortcomingsofthetraditionalfan,ontheonehand,theuseofintelligenttechnologyindailylife,ontheotherhand,canachieveautomaticcontrolandsavethenaturalresources.
Keywords:
singlechipmicrocomputer,intelligentcontrol,temperaturesensorDS18B20
第1章绪论
1.1电风扇的工作原理
电风扇其核心的部件是：
交流电动机。
交流电动机的工作原理是：
通电线圈通过在磁场中而受到力导致转动。
其中涉及的能量的转化形式为：
电能主要转化为机械能，而且由于线圈会有电阻，所以无可厚非的有一部分电能将要转化为系统的内能。
电风扇在运行时实际室内的温度不仅没有产生下降，反而会上升。
我们就此问题剖析了原因：
这是因为电风扇在运行时，因为电风扇的线圈里有电流流过，导线中是有电阻的，所以导线会产生热量向外放热，因此温度会上升。
但人们怎么会感觉到丝丝凉意呢？
这是因为人体的汗腺遍布体表所以体表有很多的汗液，当电风扇运行开始时，室内的气流会产生流动，进而就会就加快汗液的快速蒸发，通过我们学过的知识可知道“蒸发就会需要吸收大量的热量”，所以人们会感觉到有凉意。
1.2电风扇的发展现状和前景
现在的电风扇大都采用机械方式进行控制，这种控制方式存在着一些缺陷，比如说：
会产生很大的声响影响正常工作生活，风扇的功能比较少，每个档位之间的温度变化太大无法满足人们意愿且人们需要手动的去调节档位，倘若人们入睡便无能为力，会造成伤风感冒或资源浪费。
在各种设备上电风扇的作用也不可或缺，许多大型设备需要持续运行，但设备运行时长过长时会产生大量热量进而烧坏电路，运用电风扇可以采用风冷为设备降温，达到延长运行时长产生经济效益。
当今社会的科技水平逐渐提高，智能化技术越来越多的运用在了生活家电上，
按照客户的实际需求来智能化地控制温度，比如通过强风、弱风多大来实现智能化地控制室内温度，当前市面上的大多数智能化电风扇都是采取这样的工作模式来达到精准控温的效果，并能够实时监控温度，这些都是通多单片机来实现。
1.3本设计任务和主要内容
本文通过对智能电风扇按键模块的精准控制，能够借助数字化温度传感芯片，对外部环境的温度进行精准地采集与处理，从而形成一个良性循环的温度控制中心系统，再通过识别到的温度值来智能化地控制电风扇的档位，从而达到室内温度较低时采取减弱风力，而室内温度较高时则此案去强劲风力的档位。
这种智能化的温度传感芯片能够非常精准地采集温度数据，如果把电风扇的气温最低值和气温的最高值设置完成，那么既可以实现智能控温的效果。
本设计主要内容如下：
（1）可以设定室内温度的最高值以及最低值，通过电风扇按键来实现这个功能。
（2）当温度传感系统识别到室内温度上升时，自动把电风扇的档位调高
（3）当温度传感芯片采集到室内温度达到最低值，那么自动关闭电风扇
（4）当温度传感系统识别到室内温度达到中间值时，自动把电风扇的转速降低。
第2章系统器件的选型
2.1温度传感器的选型
感测温度的核心设备是数字集成温度传感器DS18B20。
由于温度传感器DS18B20的特点是集成度高，因此其他电路中的误差（如外部放大）大大降低，要控制温度误差非常低，使用DS18B20可以使其具有非常高的温度分辨率。
借助内部器件的相互转换，温度数据可以转化为数字值，进而把这些数值导出来，简化了系统编程，与微控制器的接口变的非常简单，抗干扰能力强。
DS18B20作为美国著名公司DALLAS的最新温度传感器件，与其它传统的温度传感器件相比较，DS18B20的温度测量准确度更加精准，还可以按照室内环境的实时变化来讲进行测量，并通过9～12位之间的数值来进行探测。
DS18B20的主要特点有：
（1）单独的一条线的接口，仅需要一个单独的接口引脚即可工作。
（2）不需要外部的部件；
（3）可以用数据线供电，不需要备用电源；
（4）温度读取范围在-55摄氏度和+125摄氏度的区间，误差率为0.5摄氏度；
（5）温度可以以9-12位的数字来显示；
（6）使用者可以自己定义非易失性的报警限定值；
（7）能够达到多点温度探测的精准度，并且支持链接网络的功能，同时三部或者以上DS18B20都可以一起并联工作；
（8）DS18B20具备负压的特性，所谓负压特性就是设备在电源正负两级相反转的情况下，也不影响正常工作，测温设备也不会因受热而破坏。
如下图图2-1所示，完整地展示了DS18B20设备的内部结构，比如配置寄存器以及温度传感器，还有64位ROM器件与温度过热报警器件等等，如下图2-2所示，DQ为数字信号端，GND为电源地，VDD为电源输入端。
芯片功能命令表如表2-1所示。
图2-1DS18B20内部结构图
图2-2DS18B20外形及管脚
DS18B20芯片功能命令表如下：
表2-1DS18B20功能命令表
命令说明协议
READROM读取激光ROM64位33H
MATCHROM匹配ROM55H
SKIPROM跳过ROMCCH
SEARCHROM搜索ROMF0H
ALARMSEARCH告警搜索ECH
WRITESCRATCHPAD把字节写入暂存器的地址2和34EH
READSCRATCHPAD读取暂存器和CRC字节BEH
COPYSCRATCHPAD将暂存器内容复制到非易失性存储器48H
CONVERTT开始温度转换44H
RECALLE2将非易失性存储器中的值调回到暂存器B8H
READPOWERSUPPLY读电源供电方式：
0为寄生电源，1为外电源B4H
2.2微处理器的选择
本设计的控制核心采用的是单片机。
通过软件编程的方式来判断温度，并控制信号在单片机的输出端口。
采用单片机作为控制器有很多优点，根据程序的编写即可以在显示电路上把通过传感器所收集的温度展现出来。
本文所选取的STC89C52RC微控制器，只要室内周围的温度稍微有点变化，它都能够识别出来，从而达到非常精准的控制室内温度的目的，用户只要把室内温度的最高值和最低值设置完毕，把键盘按钮开关打开，即可完成整个微控制器的操作，十分方便、高效。
目前，国际上较为通用的微控制器是STC89C52RC，这种微控制器具备性能强劲、功耗极低的优点，可以达到8K字节编程闪存的效果。
STC89C52采用了经典的MCS-51内核，但是已经进行很多的改进使得芯片具有传统51微控制器所不具备的功能。
内置8位中央处理器单元CPU和在系统内可编程闪存。
STC89C52RC引脚简介：
（1）VCC和VSS：
VCC接+5V电压，VSS接地。
（2）P0口：
P0是一组需要外接上拉电阻的8位漏级双向I/O口。
其输出级能以吸收电流的方式驱动8个TTL负载。
在连接外部存储器时，CPU将其定义为数据/地址的低8位。
在程序校验过程中，需要外接上拉电阻才能发送信号，而在Flash程序编写过程中，无漏级开路问题可直接作为接收信号的端口。
（3）P1口：
P1是一组内部带着上拉电阻的8位双向I/O口。
该输出端可以驱动4个LSTTL负载。
内部的上拉电阻可以在端口录入为1的时候使端口升到高电位，这就可以使成为输入口。
（4）P2口：
通过Flash的编程或者校验，能够把控制信号以及地址信号传送到制定的芯片，特别是在访问数据存储中心的时候，可以接受高八位的信息，换言之，能够输出4个LSTTL逻辑门电路，也能够接入带有上拉电阻的8位双向I/O口。
（5）P3口：
它与其它接口相比较，P3只是电阻的8位双向I/O口，但是P3端口能够达到第二种功能，如下表-所示。
表2-2P3口第二功能定义
端口引脚及名称
第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
/INT0（外中断0）
P3.3
/INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时/计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时/计数器1外部输入）
P3.6
/WR（片外数据存储器写选通）
P3.7
/RD（片外数据存储器读写选通）
（6）RST:
即是单片机器件的复位器件。
当系统出现错误的时候，该器件能够同时发出高电平的输出信号来唤醒单片机复位，
（7）ALE/PROG：
在编程的过程当中，能够通过这个引脚来来输入一定脉冲波，并且从外部的存储器当中来锁定地址的数据，得到指定的数值。
（8）/PSEN：
当外部程序访问这些存储数值的时候，能够通过每个器件之间的两次/PSEN来进行判断，从而在外部程序存储数值的时候，能够选择外部存储器的信号，否则将切断信号。
（9）/EA/VPP：
在编程的时候，通过引脚的不同信号通道来进行测量，不断是否处于加密的状态，都能够把内部程序存储器的数值读出来，而在/EA端保持高电平时则可以保持一定的电平，也就是说在外部程序存储器（0000H-FFFFH）的时候，能够通过多个信号切换来达到预期的效果。
（10）XTAL1：
两种输入端口的反相震荡器件，能够同时把内部定时器来进行输入工作电路信号。
（11）XTAL2:
一种输出端口的反相震荡器件。
2.3显示器件的选型
选用液晶屏作为方案不太合适，尽管不能够准确的数值，但是能够通过图形以及一些特定的字符来表示，而且液晶屏也可以显示较为精美的专业字符。
但是液晶显示模块昂贵且驱动复杂。
故采用四位共阳数码管显示温度，动态扫描显示。
选择LED数码管是因为成本低，显示温度清晰醒目，但是，由于在人的肉眼当中只能停留短短的二十毫米，这样就会导致出现不断闪烁的问题发生，尽管功能消耗比较低，夜间也是可以用肉眼观察得到，由于所编写的驱动程序较为简单，也只能一个一个亮点的显示，或者五个LED同时扫描，远远低于数码晶体管的显示时间。
由于LED数码管具有显示亮度高、响应速度快等特点，设计采用四位LED数码管来显示环境温度。
数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管，主要是由7或8段发光二极管的不同明暗组合构成不同的字符。
如图2-3所示，其中a、b、c、d、e、f、g为数字和字符显示；dp为小数点的显示；S1、S2、S3、S4分别表示四个数码管的位。
按照LED数码管的分类，可以把LED数码管氛围两种极性，分别是共阳极以及共阴极两种，这是以二极管单元连接模式来区分的，也是两个共阳极数码管共同连接的一种连接模式，当发光二极管的阴极为低时点亮，反之亦然。
图2-3数码管
连接到微控制器电路的共阳极数码管，为了显示数字“6”必须a、c、d、e、f、g这6个显示段发光（即这6个字段为低电平）只要在P0口输入10000010（86H）即可。
86H即为数字7的段选码。
常用字符相对应的段码表见表2-3。
表2-3LED段选码表
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
显示字符
共阴极段码
共阳极段码
0
3FH
C0H
8
7FH
80H
1
06H
F9H
9
6FH
90H
2
5BH
A4H
A
77H
88H
3
4FH
B0H
B
7fH
83H
4
66H
99H
C
39H
C6H
5
6DH
92H
D
3FH
A1H
6
7DH
82H
E
79H
86H
7
07H
F8H
F
71H
8EH
第3章系统的硬件设计
3.1硬件设计的综述
220v交流电给传统电风扇提供能量，电风扇的电机分为几个档位，为了完成风速变化的目标需要运用人工手动来调节电动机的频率，即每改变一次风力，必须需要人工来完成操作，这样就会造成人力的极大浪费。
本毕业设计介绍基于STC89C52微控制器的风扇温控仪设计，为了实现智能控制风速的效果，本文所研究的课题大量地运用了温度传感系统、无级调速技术以及单片机器件等等相关智能制造技术，这些智能控制技术能够为电风扇工业制造带来前所未有的变革，不但抛弃了以往陈旧的温度控制技术，而且通过数字智能化的控温技术，能够实时自动调整风扇电机的速度。
图3-1系统总体结构框图
3.2温度检测电路
DS18B20作为一种目前较为先进的温度控制器件，内部模块也是使用了STC89C52单片机技术，功能非常完善，整个控制系统也较为简单，温度显示也非常精准，如下图3-2所示。
DS18B20温度传感器系统工作原理如下：
DS18B20温度传感器通过STC89C52单片机的P2.4口来实时采集室内环境的温度，并对其进行实时监控与控制，把温度数据传送到单片机系统进行处理，然后与系统设定的温度最高值与最低值进行智能自动比较，从而根据实际情况来进行控制风扇电机的速度。
图3-2DS18B20温度传感器原理图
3.3电机调速电路
要实现电风扇的各个档位的风速能够进行无级变速，那么则需要通过一个电动机调速的器件来实现，换言之，需要通过改变风扇的输入电压来实现这种功能，即是输出端口的电压值来实现。
其工作原理为：
通过阴阳两极性的电压数值改变，然后以阳极的电流来控制晶闸管的最小电流值，之后便可以控制阴阳两极性的触发电压以及电流。
风扇电机的每一个档位都可以设定为一个固定数值，然后在额定电流及电压的影响之下，可以使得电机能够按照设定的速度来转动，从而大奥每一个电机叶片上的速率不超过2150米每分钟，公式如下：
V=πDn×103式3-1
通过等式3-1的计算结果，可以把D设定为风扇电机的最大转速，并把V设定为叶片最大圆周上的线速度（m/min），求出结果如下：
代入数据求得n5≤1555r/min,取n5=1250r/min.又因为：
取n1=875r/min。
则可得出五个档位的转速值：
n1=875r/min，n2=980r/min，n3=1063r/min，n4=1150r/min，n5=1250r/min
又由于负载上电压的有效值
u0=u1
式3-2
在式式3-2中，u1是输入交流电压的有效值，α为控制角。
解得：
（1）当α5=0°时，t=0ms；
（2）当α4=23.5°时，t=1.70ms；
（3）当α3=46.5°时，t=2.58ms；
（4）当α2=61.5°时，t=3.43ms；
（5）当α1=76.5°时，t=4.30ms。
上述只是仅仅测算电机的触发时间以及控制角数据，如果要到达预期的电机速度，那么必须要检测触发时间的零点，然后在电路模块中使用MOC3041M元器件来控制，这样能够大大简化输出通道的电路的结构，也可以把输入或者输出的通道进行实时的监控与测量，还能够实现过零触发以及过零检测的目的，从而降低出错率。
晶闸管触发的工作电路原理，如下图3-3所示。
当然晶闸管触发器件的工作模式是通过逆变器反相之后，然后在I/O口输出一个高电平，从而达到电路的输出需求，并把这种电平通过一定耦合器来实现，这就是晶闸管触发电路的智能控制，以此来达到预期的效果。
给定时间内,负载得到的功率为:
式3-3
从式3-3当中，我们可以得出这样的结论：
首先能够求出U,I,N的固定值，其次对它们之间的数值进行一一的分析，U是指晶闸管在一定的时间内所导出的电压数值，I为一个电源在通过晶闸管的时候的电流数值，N为在指定的时间内所通过的正弦波的数值，这些都能够从式3-3中得出P的负载功率数值。
只要n值的值发生变话就可以可控制功率输出,从而达到调节电机转速的目的。
图3-3电机调速原理图
3.4按键电路设计
按键是用户与单片机沟通的重要部件。
这三个按键主要用于使用者对电风扇进行操作，S4为进出上下温度设置状态的按键，S3为设定温度的加键，S2为设定温度的减键。
经过此按键操作电路能够设置上限温度值和下限温度值的操作。
图3-4按键电路
3.5LED数码管显示电路设计
本电路的显示电路主要有一个4位一体的数码管构成，采用的是动态扫描的方式，其与单片机输出端相连电路如图3-5所示。
这是一个普通的阳极数码管，每一位数码管的a、b、c、d、e、f、g和dp都各自连接在一起。
每个端口能可以接收由微控制器的P1端口产生的显示段代码。
在照明数码管的过程中，每个数码管的照明都是即时的。
因为人类的的眼睛具有视觉暂留现象的存在，所以在人类的眼里就是能够稳定显示的4位数字。
图3-5LED数码管显示电路
第4章系统软件设计
本系统的操作程序采用C语言编写，采用模块化设计。
课程设计仿真调试采用的是Protues仿真软件，按照原理图将各器件画在软件中。
程序编写采用Keil软件，用C进行语言编写。
4.1主程序
图4-1主程序流程图
系统软件设计的整体流程图如图4-1所示，启动风扇的最低温度为t0，读取转换后的温度值及风扇运行模式并作出相应处理：
自动模式下，当温度高于t0时，风扇电路开启，风扇转动并温度变化;当温度低于t0时，风扇电路不通电，风扇不转；
4.2数字温度传感器模块和显示子模块
如图8所示，主机控制DS18B20数字温度传感器必须经过三个步骤：
初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。
单片机所用的系统频率为12MHz。
根据DS18B20数字温度传感器的初始化时序、读取时序和写入时序可以写成图4-2数字温度传感器模块程序流程图
3个子程序：
初始化子程序、写子程序、读子程序
4.3按键模块
在按键模块上是通过软件程序设定的三个按键来实现不同的功能。
三个按键结构简单，使用方便。
其中S4连接P2.2端口为设置键，按下S4一次，进入设定温度上限状态。
当再按下S4，就会进入设定温度下限状态。
S3连接P2.1端口为加键，在设定上下限温度的情况下，此时按下S3为温度上限或则温度下限加1。
S3连接P2.0端为减键，在设定上下限温度情况下，此时按下S2为温度上限或温度下限减1。
最后再次按设置按钮S4退出温度上限和下限温度设置。
图4-3按键控制的流程图
4.4电机调速控制模块
本模块采用双向可控硅过零触发的方式，由微控制器控制三端双向可控硅开关，通过改变每个控制周期期间打开和关闭的交流全波信号的数量来调整负载功率，进而达到调速的目的。
由于INT0信号反映工频电压过零时间，只要使用外部中断0中断服务程序，控制门打开和关闭，并使用服务中断次数来统计和确定控制量n，即每次中断减一次计数，如果n不等于0，则保持控制级别为“1”，并继续打开控制门；如n=0，则使控制电平将重置为“0”，并且控制门关闭，使可控硅过零触发脉冲不再通过。
这样就可以根据控制处理所需的控制量实现晶闸管的过零控制，从而达到根据控制量进行控制的效果，实现可调速度。
（1）中断服务程序：
执行中断服务程序时，首先要保护现场，设置INT0中断标志，禁止主程序修改操作参数，然后开始递减计数，判断晶闸管是否关断，INT0中断标志清零，初始化数据恢复，场景恢复，中断返回。
（设1秒钟通过波形数N=100）
（2）回路控制执行程序：
主循环控制执行程序的任务是初始化数据存储单元并确定电机工作参数nmin/nmax，并将其转换为“有效过零点”的个数；确定
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