关于智能温度控制风扇的课程设计.docx

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关于智能温度控制风扇的课程设计

课程设计报告

题目：

智能温度控制风扇

学生姓名：

汤玉

学生学号：

0806020230

系别：

电气信息工程学院

专业：

电子信息科学与技术

届别：

2013

指导教师：

贾鹏

摘要及前言......................................................

（1）

课题研究及其发展现状............................................

（1）

1课程设计的任务与要求..........................................（3）

1.1课程设计的任务..............................................（3）

1.2课程设计的要求..............................................（3）

2方案制定.....................................................（3）

2.1方案提出...................................................（4）

2.2设计方案...................................................（6）

2.3方案设计的特点.............................................（6）

3各单元模块功能介绍及电路设计..................................（6）

3.1数码管显示屏的构成.........................................（7）

3.2温度检测电路设计..........................................（7）

3.3电机驱动电路的设计.........................................（8）

3.4系统处理芯片..............................................（10）

3.4.1单片机选择..............................................（10）

3.4.2单片机时钟设计..........................................（12）

3.4.3系统复位电路............................................（13）

3.4.4电源电路................................................（14）

4智能温控节能风扇设计的仿真...................................（15）

5原理图和所用软件.............................................（15）

5.1Protel99SE原理图的设计....................................（15）

5.2编程软件介绍..............................................（16）

6设计小结.....................................................（18）

7参考文献.....................................................（18）

电气信息工程学院制

2012年5月

智能温度控制电扇设计

学生：

汤玉

指导教师：

贾鹏

电气信息工程学院电子信息科学与技术

摘要及前言

摘要：

随着绿色生活，低碳生活意识的普及，节能成为现代社会的一个主流命题，电扇的普及性，使得电扇智能化，节能化成为其改进方向，智能节能电扇在学生宿舍，食堂等处都有很强的实用性，该课题对于研究智能节能风扇，顺应低碳生活，节约能源有着一定启发意义。

利用AT89C51单片机作为主控芯片，采用DS18b20温度传感器采集温度信息，数码管显示，经过一定算法使得，当温度超过设定的温度上限时最大风速，低于温度下限时停转，在上下限之间时候进行风速分级转动。

该装置实现了温度控制风扇的智能化，方便人们日常生活。

本系统控制温度，设置合理，成本低，可靠性高，具有较高实用价值。

关键词：

AT89C51单片机；DS18b20；数码管显示；温度控制；电风扇

Designofintelligentenergy-savingtemperaturecontrolfan

Students:

TangYu

Instructor:

JiaPeng

ElectricalandInformationEngineeringDepartment,HuainanNormalUniversity

Abstract:

Withthegreenlife,lowcarbonthepopularityoflifeconsciousness,savingenergyandbecomeamainstreamofmodernsocietyproposition,theelectricfanuniversality,makeintelligentelectricfans,energyconservationasitsimprovingdirection,intelligentenergy-savingelectricfansinastudentdormitory,diningroomplacesuchasstrongpracticability,thistopicforresearchintelligentenergy-savingfan,conformwiththelowcarbonlife,saveenergyhasacertainenlighteningsignificanceuseAT89C51single-chipmicrocomputerasthemasterchip,thetemperaturesensorDS18b20collectiontemperatureinformation,adigitalpipedisplay,thatafteracertainalgorithm,whenthetemperaturemorethanoncesettemperaturemaximumsustainedwinds,belowthetemperaturelimitstalled,inbetweenthelowerwhenturningthedevicewindspeedclassificationrealizedthefan'sintelligenttemperaturecontrol,convenientforpeopledailylifethissystemcontroltemperature,setreasonable,Lowcost,highreliability,hashighpracticalvalue.

Keywords:

AT89C51single-chipmicrocomputer;DS18b20;Digitaltubedisplay;Temperaturecontrol;Electricfan

前言

电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，市场人士称，家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。

其主要原因：

一是风扇和空调的降温效果不同——空调有强大的制冷功能，可以快速有效地降低环境温度，但电风扇的风更温和，更加适合老人儿童和体质较弱的人使用；二是电风扇有价格优势，价格低廉而且相对省电，安装和使用都非常简单。

在日常生活中，由于单片机具有体积小、重量轻、集成度高、抗干扰能力强等特点，适用于小型自动控制系统中。

风速的随着体温变化而自动控制，使人们在晚上熟睡时不至于温度下降而着凉，也不至于需要半夜起床开关电扇，具有一定实用意义。

本文以此为目的，以单片机AT89C51为处理芯片，通过八段数码管显示温度，并且通过按钮调节温度上下限，间接调整风扇运转温度范围，并采用分级调速的思想，使得风速在不同温度时有分级的变化，达到智能控制和节能的目的。

课题研究及其发展现状

尽管电风扇有其市场优势，但传统电风扇还是有许多地方应当进行改良的，最突出的缺点是它不能根据温度的变化适时调节风力大小，对于夜间温差大的地区，人们在夏夜使用电风扇时可能遇到这样的问题：

当凌晨降温的时候电风扇依然在工作，可是人们因为熟睡而无法察觉，既浪费电资源又容易引起感冒，传统的机械定时器虽然能够控制电风扇在工作一定后关闭，但定时范围有限，且无法对温度变化灵活处理。

鉴于以上方面的考虑，我们需要设计一种智能电风扇控制系统来解决这些问题我国已有相关专利申请，申请号为200520057178.6,目前市场上也已经有相关类似产品，比如自然风电扇成品，以及相关的自然风电扇科研作品，美的等电器厂家也于近几年相继生产了自然风电扇等类似产品如图2。

有一种电风扇叫鸿运扇，风叶运转产生的风不是直接送风，而是推动一个转页轮旋转，改变风向，使人有和风习习的感受。

这便是机械式自然风模拟电扇。

图1图2

还有一种自然风电风扇，采用电子计算机模拟，也称智能电扇。

它的微电脑中存贮着许多程序，这些程序像音乐信号一样，使风扇的速度档数与时间都产生不规则的变化，因而产生“自然风”。

所不同的是，智能模拟还可产生几种不同的“自然风”。

这好比以前一支乐曲作基调，又增添新的旋律，创作出“变奏曲”一样，使风扇的速度档次和时间间隔更无规律，从而使电风扇送出的风更接近自然风，使人有身临天然环境的凉爽感。

可是，自然风和温控电扇从效果和原理上仍然有一些差别，自然风采用随机风速，而此课题是根据位于体表附近的温度传感器感受是否此时温度适合用户，并用键盘设施欠温值，键盘用于速度较快或操作简化的场合然后进行判断以及自动分级调速处理，不至于使用户手动调速，或者处于熟睡状态中因风速过大而造成身体不适。

市场所存在的相关产品，都是独立的产品，且价格相对较高。

目前所有电扇开关都是人员手动，可以考虑采用热释人体红外，和温度传感系统检测室内有无人员以及室内温度，实现智能控制。

目前还有温度控制风扇的专利。

1课程设计的任务与要求

1.1课程设计的任务

1．熟悉智能温控节能风扇的作用、分类、工作原理；

2．掌握一种智能风扇系统（由独立器件或集成器件、显示系统、驱动系统、单片机等组成）的原理设计、参数推导（自己根据需要定功率、电源、显示、温度可调范围等具体功能参数）；

3．掌握根据参数进行电子器件选型、设计应用电路的能力；

4．掌握AltiumDesigner10画（.sch）电路原理图、（.pcb）印刷电路板图的能力；

5.掌握雕刻机刻板及电路焊接、调试、封装的能力；

6．掌握检测、记录、分析数据、得出结论的能力。

1.2课程设计的要求

很多场合都希望电风扇的转速控制具有智能性，能够根据现场的温度来自动调整转速，以保持一个适宜的温度。

为了解决随温度变化电扇自动变速的问题，设计一个智能温度控制电扇，采用12V直流电机作为电扇，AT89C51单片机作为微控制器，利用LED数码管显示温度数据，ds18b20接受外界温度时单片机进行数据处理，使得电扇产生有差别的风速，实现温度对电扇风速的智能调控。

使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做出风速的变换和开停，可供家庭使用与一般的依靠电风扇散热来降温的控制系统中[4]。

2方案制定

2.1方案提出（以方框图模块化设计的形式给出至少2个方案，并简要说明）

软件设计思路分为两层：

第一层是该系统各个模块独立运作：

1.DS18B20收集体表温度传到单片机后经处理现实在数码管上，显示室温或者体表温度。

如图3所示

图3数据采集部分软件

2.直流电机通过驱动电路转动，正常运作，可以手动调节滑动变阻器来人为改变风速。

3.通过按钮可以调节温度的上限t1和下限t2，并且显示在数码管上，单片机最小系统作为处理核心。

如图4所示

图4按钮设置上下限

第二层是系统构成一个整体后，形成智能温度控制调速：

用按钮设定温度的上下限t1和t2，也就相应的规定了风扇的工作范围，通过转换按钮调节显示在数码管上的数字，此时作为处理系统的单片机最小系统，记录下温度上下限，传感器模块接收温度信息，比较记录下的温度上下限后进行风速分级控制，驱动电路驱动直流电机。

整个系统协同合作，形成智能温度控制调速。

程序流程图如图5所示

图5软件系统程序流程图

2.2设计方案

在系统中，通过检测温度传感器ds18b20所接受的温度单片机进行相应的处理，可以利用按钮通过LED数码管显示温度上限t1温度下限t2，当温度高于t1时，风速是风扇提供的最大速度，当温度低于t2时，单片机引脚输出低电平，电扇没有电流通过，停止转动，当温度在t1和t2之间的时候，利用某函数作用室温测得值，给定电扇不同速度，驱动电路采用简单易行的H桥电路[5]。

总体方案如图1

2.3方案设计的特点

（1）使用单片机处理，DS18B20温度传感器测量，简易可行的H桥式驱动电路设计，人际互动性强。

（2）可以手动设置温度上限t1和温度下限t2,使得电扇的风速可以在相对较宽的范围内变化。

（3）每个小系统都是相对独立的，可以单独工作，可以单独当做温度计，也可以单独手动控制风扇的风速。

具有比较好的灵活性。

（4）适用人群和范围广，较为人性化设计

3各单元模块功能介绍及电路设计

3.1数码管显示屏的构成

采用四个8段数码管作为显示屏，结构简单，价格便宜，因为室温最多只可能是两位数，所以四个数码管足够，选择四个八段共阳数码管、PNP型三极管、电阻等组成。

数码管显示采用动态显示方式，由单片机P0口输送显示字符，由P2.3-P2.7提供片选信号，由三极管8550提供驱动。

图68段数码管

3.2温度检测电路设计

对于温度采集部分温度采集部分能进行温度测量是本设计的创新部分，由于现在用品追求多样化，多功能化，所以我们决定给系统加上温度测量显示模块，方便人们的生活，使该设计具有人性化。

方案一、：

采用温度传感器DS18B20。

DS18B20可以满足从-55摄氏度到+125摄氏度测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5摄氏度，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。

选用的DS18B20温度传感器如图7是新的“一线器件”，体积小、适用电压范围大、价格便宜，DS18B20数字化温度传感器实现“一线总线”接口，测温范围（-55~+125℃），在一般正常室温的条件下，精确到±0.5°C。

现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性[6]。

并且其电路设计如图8更灵活、方便。

方案二、采用Pt100热电阻温度传感器作为节点环境温度的检测器件。

采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围，但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差，对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。

但是其在空气中的响应时间约为60s，反应时间慢，检测结果不是很准确。

总之，为了达到反应快速，检测数据误差在2°C内，又便于数据传输，故选择方案一，基于DS18b20的以上优点，我们决定选取DS18b20来测量温度。

DS18B20的管脚排列如下：

DQ魏数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。

3.3电机驱动电路的设计

在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：

1．功能：

电机是单向还是双向转动？

需不需要调速？

对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。

如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。

2．性能：

对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。

1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。

2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。

要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。

3）对控制输入端的影响。

功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。

4）对电源的影响。

共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。

5）可靠性。

电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。

以下进行方案的选择讨论：

方案一：

选择LM317，电压调整管，适合所有电扇的电压范围，在1.25—37V都是可以连续调压的，输出最大电流可达1.5A。

使用LM317时外围电路比较简单，只需要100uF滤波电解电容两个，一个200欧的电阻和散热热敏电阻即可。

可是考虑到LM317工作电压差达到3V，输入端和输出端有3V压差，为确保风扇可以完成风速的最大化和调整范围的宽度，所以此方案有待商榷。

方案二：

选择继电器控制电路。

继电器（如图9）主要部分为，电路图如图10，常开触点，常闭触点和线圈。

线圈无电流通过，常开触点断开，反之，常开触点闭合；常闭触点在线圈不通电的情况下是闭合的。

可以利用这一特性，使用继电器常开触点，无电流通过断开状态，有电流则闭合。

继电器室弱电控制强电器件，单片机是弱电，工作电压为5v，如果考虑使用室内的电扇作为本设计的电扇型号的话，需使用继电器，我们选取12V散热器的电扇来完成此设计，所以此方案不需要。

图9继电器实物图

图10继电器电路图

方案三；使用三极管8050构成H桥直流电机驱动电路，电路简单易行，对于12v小电扇的驱动足够可靠，且成本低廉，是经典的直流电机驱动电路。

如图11

电路的设计是硬件设计的重点和难点，其中关于驱动电路的设计和电容，电阻，传感器的选择使用都是需要根据实际情况来实验的，其中51单片机最小系统，驱动模块，显示模块的焊接和选取是重点。

初步考虑选择DS18B20温度传感器感应温度，将所得到的温度数据，经过一系列算法将此数值显示到数码管上，用单片机最小系统作为整个模型的处理器。

由于使用的是12V电源，所以用L7805芯片降压驱动单片机和数码感。

对于风扇的驱动模块部分，我们选择方案三，使用最简单的驱动电路——三极管S8550、8050以及（或LM317）构成的H桥驱动电路。

3.4系统处理芯片

3.4.1单片机选择

单片机（Microcontroller，又称微处理器）是在一块硅片上集成了各种部件的微型机，这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O口接口电路。

如图12

本系统采用AT89C52系列芯片，11.0592MHZ晶振频率。

ST89C52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8KBISP（In-SystemProgrammable）的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器,支持在线编程。

兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元。

具体特点表现为：

具有优异的性能价格比;集成度高、体积小、可靠性高;控制功能强;低电压、低功耗。

MCS-51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，它包含51和52两个子系列。

对于51子系列，主要有8031、8051、8751三种机型，它们的指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内程序存储器有所不同，8031芯片不带ROM，8051芯片带4KB的ROM，8751芯片带4KB的EPROM。

51子系列单片机的主要特点如下。

Ø8位CPU。

Ø片内带振荡器，频率范围1.2MHz~12MHz。

Ø片内带128B的数据存储器。

Ø片内带4KB的程序存储器。

Ø片外数据存储器的寻址空间为64KB。

Ø128个用户位寻址空间。

Ø21个字节特殊功能寄存器。

Ø4个8位的并行I/O接口：

P0、P1、P2、P3。

Ø两个16位定时/计数器。

Ø两个优先级别的5个中断源。

Ø1个全双工的串行I/O接口，可多机通信。

Ø111条指令，含乘法指令和除法指令。

Ø片内采用单总线结构。

Ø有较强的位处理能力。

Ø采用单一+5V电源。

对于52子系列，有8032、8052、8752三种机型。

52子系列与51子系列相比大部分相同，不同之处在于：

片内数据存储器增至256KB；8032芯片不带ROM，8052芯片带8KB的ROM，8752芯片带8KB的EPROM；有3个16位定时器/计数器；6个中断源。

51系列单片机有4个I/O端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。

每个端口都包括一个锁存器（即专用寄存器P0～P3）、一个输出驱动器和输入缓冲器。

通常把4个端口笼统地表示为P0～P3。

3.4.2单片机时钟设计

时钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。

通常时钟由于两种形式：

内部时钟和外部时钟。

我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。

AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。

电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。

晶振频率为在1.2MHZ～12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器速度要求就高。

为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ，如图13所示。

图13单片机时钟电路

3.4.3系统复位电路

计算机在启动运行时都需要复位，复位是使中央处理器CPU和内部其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。

MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。

在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平，系统内部复位。

复位有两种方式：

上电复位和按钮复位，如图14所示。

（a）上电复位电路（b）按钮复位电路

图14MCS-51