基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计毕业设计.docx
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基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计毕业设计
基于单片机的多功能自动调温风扇系统设计毕业设计
摘要
Abstract
3.1.2单片机的特点6
3.1.3单片机的发展方向7
3.1.4单片机的应用7
4.4仿真图25
附录37
第一章绪论
1.1选题背景及意义
当今社会，电扇被大量的使用，施展着很重要的作用，例如夏天许多人用来凉快的电风扇、工业生产中大型机器中的散热风扇以及笔记本电脑上普遍使用的智能CPU风扇等[1]。
伴随着温度控制技术的发展，为了降低电扇转动时的噪音以及能耗等，温控风扇越来越受到重视并被普及应用。
在现在社会，温控风扇的设计已经取得了很大的进展，可以使风扇按照周边环境温度的变化进行主动调速，当温度升高到一定值时能自动开启风扇，当温度降到一定时能自动让风扇停转，实现智能控制[2]。
随着电子技术的高速发展，给居民的生活带来了的十分大的变化，如果要说微型计算机的发明让现代技术研究得到了质的提升，那么温控电风扇的出现在现代工业领域也掀起了一股风暴。
在现在的社会中，温控电风扇不但在工厂生产方面得到应用，而且也关系到了我们生活的各方面。
我们在生活中经常能看见单片机对我们生活的作用，我们的衣食住行也离不开单片机的控制技术。
各种IC卡、小汽车的安全系统、电脑的主板、智能洗衣机的控制、部分儿童玩具、电子宠物、收音机和智能手机等等，这些东西都普遍使用到了单片机。
因为单片机拥有体积小，能耗低，控制方面比较强，扩展也灵活，微型化和易用性等等这些优点，所以单片机被广泛的作为微控制器应用在很多地方。
我们设计研究基于单片机的多功能自动调温风扇系统，这是因为：
单片机拥有体积小、能耗低、微型化、易用性、控制功能强和扩展灵活，它在我们生活中具有长远的意义[3]。
同时能提高我们对单片机开发的技术，能清楚的了解到更多传感器的应用，可以明确地知道自动化对我们生活的影响，为未来的发展学到更多新技术。
本文设计了由Mega2560作为控制器，采用DS18B20温度传感器作为温度采集元件，并通过一个L298N电机驱动芯片驱动风扇电机的转动。
同时把系统检测到的环境温度和系统预先设置的温度动态地显示在LCD1602工业字符型液晶屏上。
依据系统检测到的环境温度与系统预先设制的温度进行对比，实现风扇的自动启停以及转速的自动调节。
1.2国内外研究状况
现在，我们很多家庭都使用着电风扇，它满足了我们在降温、散热方面的需求，有这方面的需求就会有这方面的市场。
还有城镇居民居住条件和环境的不断改善，居民对生活舒适度的要求将会不断的提高。
温控电风扇几年来发展得很不错，市场的占有率在不断地增长,温控风扇技术也在高速发展。
科技的发展是永无止境的，并且正在时时刻刻改变着我们的生活。
当人民意识到传统的电扇已经不能满足于他们对于生活品质的追求时，正因为这样温控电风扇应运而生。
与普通风扇相比，该温控电风扇既实现了普通电扇的日用功能，也提供了高质量的生活品质。
将手动调整的结构改为利用计算机技术和通讯技术制成智能系统。
提高了人们日常的生活效率。
因此，温控风扇就像雨后春笋，遍地而生。
温控风扇作为智能家居其中的一部分，早就遍布发达国内外的大部分地区，经过多年的发展，已经变得十分之成熟。
从近几年来看，随着人们生活质量的不断提高，和自身发展的不断进步使温控电风扇的成本不断下降且实用性不断提高，引起了一股智能温控电风扇的新风潮。
温控电风扇的需求量是巨大的，所以温控风扇发展势头一马平川，一片光明。
随着现在科技的不断进步，各项技术不断地在改良与进步，目前已经可以很好地控制生产的成本，以及人们生活指标越来越高，自然对温控风扇的质量有着更高的期盼，基于单片机的多功能自动调温风扇已经成为潮流新方向。
1.3本次设计主要研究内容
此设计要实现风扇能够按照周边环境温度的变化自动启停及调整转速，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[4]。
本设计以Mega2560单片机为核心，采取DS18B20温度传感器以及PID调速算法，实现了对风扇转速的高精度控制，完成了对家用电风扇的改进，实现能够按照周边环境温度的变化实时改变风扇转速的基本功能以及手机蓝牙控制等多种功能[5]。
第二章系统总体设计
2.1本次设计功能要求及技术指标
功能要求及技术指标具体包括：
[1]本系统电风扇设置有三种工作模式：
在自动模式下，电风扇采集周围环境温度，自动精确控制风扇电机转速，使风扇转速能够根据周围环境温度的不同自动调整；在设定模式下，电风扇根据用户设定的调节温度，结合当前环境温度，自主调节风扇电机转速；在定档模式下，电风扇按照一档、二档、三档所对应的固定转速运行。
[2]通过LCD1602液晶显示模块，对温度、转速实时显示。
[3]用户可通过手机蓝牙控制调节温度。
[4]用户可远距离遥控电风扇开/关、档位切换和启动自动模式。
[5]算法：
PID控制 。
[6]利用Arduino软件进行硬件设计：
包括主控单元、电源模块、温度监测模块、显示模块等电路设计。
[7]利用Simulink进行PID控制算法仿真 。
[8]利用Arduino软件进行程序设计。
2.2总体设计方案
本系统主要器件包含DS18B20温度传感器、Mega2560单片机、LCD1602液晶显示屏、电扇直流电机、L298N电机驱动芯片等。
辅助元器件包含电阻、电容、晶振、电源、按键、开关等。
本设计的思路是：
利用温度传感器DS18B20检测周围温度并直接输出温度信号给单片机Mega2560进行处理，在LCD1602显示屏上显示当前环境温度值以及预设的温度值。
其中预先设置的温度值只能为整数形式，检测到的当前环境温度可以精确到小数点后两位。
并通过手机蓝牙按键来改变预设温度值，一个提高预设温度值，另外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
2.3小结
本系统采取Mega2560单片机作为控制器，采取DS18B20温度传感器作为温度采集元件，并通过L298N驱动电路驱动电扇电机的转动。
同时把系统检测到的环境温度和系统预设的温度显示在液晶显示屏上。
依据系统检测到的环境温度与系统预先设制的温度进行比较，实现电扇的自动启停以及转速的自动调节[6]。
第三章系统硬件设计
3.1单片机概述
3.1.1单片机的结构
其实我们平常口中所说的单片机它只是一个简称，它的全称为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer），有人也成其为微控制器（microcontroller），它主要是由中央处理器（centralprocessingunit，cpu）、储存器、计数器/定时器、输出/输入
IO口、总线等部件组成，并将其集成在一个芯片上组成的一个微型芯片[7]。
现在的单片机系统应用当中，单片机经常给作为控制器嵌入其中，所以也被称为嵌入式微控制器或嵌入式单片微机。
a.单片机的核心部件是CPU，它是整个系统的大脑，主要完成算数运算、逻辑运算以及逻辑控制等主要功能，组成部分为运算器和控制器。
b.存储器，顾名思义就是作为储存功能的一个电气器件，主要是带有记忆功能。
存储器主要分为两类，一是只读存储器（readonlymemory，ROM）；二是随机存储器（randomaccessmemory）。
只读存储器和随机存储器所肩负的职责不一样，功能也不一样[8]。
只读存储器主要是负责一些相对固定的信息，比如存储程序，表格类、文本类等；而随机存储器的功能恰恰和只读存储器相对，它主要是负责在存储器用于存储程序运行的时候记录所需要的数据和产生的结果。
c.输入/输出端口就是负责单片机的输入输出，是单片机与外界通讯的唯一信息交换方式。
如果没有了输入输出端口，就如同一座孤立了的大楼，没有水电食物等的供给，里面的人根本无法生活，也失去了大楼的意义。
它的主要作用是协调着单片机，并配合其与外界设备通讯。
输入输出串口有两种，一是并行串口，二是串行串口，它们功能不一工作方式也有所不同。
d.定时器/计数器，这个器件我们一看就懂它的功能，就是用来定时和计数用的，但是它不仅仅是只有计数或定时功能，它还对定时或计数的结果对所操作的客户进行控制。
e.中断控制系统
f.时钟电路，对这里所说到的时钟的功能就是我们生说中的钟、表的功能，我们人类生活需要时间来参考度量，单片机内也需要一个时间作为标准，为系统内部各个部件提供时钟。
总的来说，时钟电路就是由振荡器和分频器组成的一个给单片机提供时钟的电路。
g.总线
3.1.2单片机的特点
单片机，我们绝不能小瞧一个小小的单片机，虽然说它像一个吃胖了的蜈蚣，两边长满了脚，但是它的功能可不小，种类也是多的不可胜数、它的型号也是琳琅满目，各个厂家所生产的不同型号的单片机又具备着各自的特色和优势，但是万变不离其
中，它们总的来说都有一下的普遍特点。
a.种类不仅多而且还非常的齐全
单片机所涉及的范围广，它应用于行行业业的各个角落里，一个型号的小小的单片机适应不了如此大的功能需求，因此各大厂家为了满足市场上各大功能的需求，都推出了丰富系列的产品来满足各个行业的需求。
虽然说单片机的花样变多了，但是它的大多数的产品适应性都是很强的，兼容性比较好，并且易于进行升级换代[9]。
b.体积做的越来越小，价格也越来越低
在工业制造技术的快速发展，纳米级技术的成熟完善的前提下，芯片的制造技术越来越成熟，使得了单片机的集成度越来越高，以及使得其容量也越来越大功能也更加丰富，体积也越来越小，能够更广泛的适应和应用于各种智能化的设备和仪器[10]。
如今的原材料获取越来越简单，化学合成基础越来越成熟，使得单片机的制造成本越来越低，销量也不断增加，使得它的应用领域越来越大。
c.用原始简便的C语言开发
一讲到单片机，我们自然就会想到C语言，之所以我们会有这样的想法是因为目前绝大多数的的单片机系统都是基于C语言的开发平台，C语言的优点就是提供了大量的实用函数库，其减小了单片机的研发的天使时间，优化了程序的编写和调速，大大提高了他的兼容性。
d.扩展功能强
仅仅靠某一型号单片机的内部功能是远远不足以达到目前人类各式各样的要求，虽然说可以通过重新研发一新型的来解决这一个问题，但是这一方法是不理想不现实的。
所以一个单片机的扩展功能的是否强大变得相当重要。
e.抗干扰能力
它的抵抗外界干扰能力很强，能有效的抗电磁干扰等；而且它的工作温度范围广，能够在各种恶劣的环境下可靠的正常运行。
3.1.3单片机的发展方向
说到单片机的发展，从1971年Intel公司的Hoff研制成功了世界上第一块4位微处理器芯片Intel4004之后，单片机研发的脚步一直在不断的加快和完善。
从4位单片机到8位单片机再到16位单片机到如今的32位单片机，其容量在不断的扩大，体积在不断的减小，功能也是爆炸式的丰富[11]。
它日前的发展方向主要为功能的多样化，高速化、低功耗、高容量等。
3.1.4单片机的应用
俗话说得好，麻雀虽小，五官俱全，单片机就是这样一个东西，个头小小却功能强悍，绝对是计算机中的战斗机。
功能强大、价格低廉、小巧精悍使用方便等等这些特点，使得单片机的使用已经渗入我们行行业业以及生活中的个个方面。
a、各个领域（工农业、军事、医疗、教育等）
单片机作为控制器被很大范围的应用用于工业（测控，车床，工业机械臂）、航空航天、尖端武器、船舶、精细农业等事实控制系统中[12]。
这些领域都应用到了一个单片机强大功能，就是它的即时数据处理能力和控制功能，正是这一强大能力使得了系
统能够时刻保持在良好的状况下运行，这有效的减小了系统的异常状况，从而保证了产品的合格率。
b、计算机外部设备与智能接口
现在，基本上所有的计算机外部设备都能看的见单片机的身影。
鼠标啊，键盘啊，打印机啊，传真机，复印机等等。
例如打印机，其内部就是采用了单片机来控制其工作，它的内部自带有一个微型的字库来打印，其通信简单，与一般的4位/8位机都能匹配链接，使用起来相当的便捷。
c、家用电器设备
在我们家庭当中，单片机的使用就更加普及了，大到电冰箱、空调、洗衣机、电视机等大型家用电器，小到遥控、热水壶、MP3等都使用到了单片机，在这些家用电器增加了单片机之后，其功能有着飞跃增加，而且在操作上（人机交流）更加的方便便捷。
d、电子商务设备
在电子商务设备中自动售货机，电子秤，银行统计机，电子收款机等设备中都使用了单片机。
3.2单片机的选择
方案一：
选取STC89C52单片机，STC89C52单片机的功能介绍及特征。
单片机最小系统是整个系统的核心。
其包含复位电路、晶振震荡电路、程序下载接口等。
STC89C52单片机的第9脚是复位引脚，可以直接加一个下拉电阻到地。
系统只会在上电瞬间进行复位，在整个系统运行过程中不可以复位。
STC89C52单片机的18/19号为晶振输入引脚，晶振电路主要是给单片机正常工作提供心跳时钟。
STC89C52单片机最大可以支持的晶振时钟是24M，在这个电路中，它使用11.0592M石英晶体，满足了系统设计方面的要求。
晶振的隔壁拥有两个33PF电容，称为晶振负载电容，可以产生起振的作用，可以使晶振的震荡波形更为稳定。
程序下载来说，STC89C52芯片使用的一种方法是串口ISP下载，它不支持在线的一个编程，属于硬件程序烧录模式，芯片的第10、11引脚是串口的RX\TX引脚。
STC89C52RC单片机，它主要的特点是：
使用了Flash存贮器的技术，这样可以缩减制造的成本。
指令代码与8051单片机兼容，并使用高密度非易失存储器这种制造技术来制造。
单个芯片中包含了八位CPU与闪烁存储器，这得到了中国大部分的使用者的欢迎。
STC89C52拥有宽松的工作电源电压，可以在2.7～6V范围内工作[13]。
如果工作电压在3V的时候，电流为6V工作电压的25%。
它的功耗比较低，所以适合电池供电控制系统。
下面讲述部分引脚的实际功能：
1）电源：
VCC为芯片电源，连接+5V。
2）时钟：
XTAL1-振荡电路反相输入端。
XTAL2-晶振电路输出端。
3）控制线：
控制线共有4根
ALE/PROG：
地址锁存允许片内eprom编程脉冲。
RST/：
复位。
VPD：
备用电源。
ALE的功能是：
锁存P0口送出的低8位地址。
RST功能：
复位信号输入端。
VPD功能：
当停电时，接备用电源。
PSEN：
外读选通信号。
EA：
内外只读存储器选择。
VPP：
片内可擦可编程只读存储器编程电源。
EA功能：
内外ROM选择端。
EA是访问外部程序储器控制信号，低电平有效。
VPP功能：
片内有可擦可编程只读存储器的芯片。
4）i/o口线：
P0-3共四个8位口。
STC89C52电路原理如图3.1所示：
图3.1单片机最小系统原理图
方案二：
选取Mega2560单片机。
Mega2560单片机的功能介绍及特征。
本系统的Mega2560有一个USB接口。
它有四路串口信号。
串口0：
0（RX）和1（TX）。
串口1：
19（RX）和18（TX）。
串口2：
17（RX）和16（TX）。
串口3：
15（RX）和14（TX）。
六路外部中断。
中断0
（2），中断1（3），中断5（18），中断4（19），中断3（20）和中断2（21）。
Mega2560单片机有三种供电方式，第一种供电方式是外接电源，第二种是直接USB接口供电，第三种是电池连接电源的GND和VIN。
其触发方式有三种：
上升沿触发，下降沿触发和同时触发。
当电源插座与外部电源连接时，它能够经过VIN向外部供电或者通过此引脚向Mega2560供电。
Mega2560单片机发展速度较快，已经被发展到第三版了。
综上分析：
本设计以Mega2560单片机为核心并作为控制器。
Mega2560原理图如图3.2所示：
图3.2Mega2560原理图
3.3液晶显示模块设计
液晶显示原理
液晶显示（LiquidCrystalDisplay，LCD）是一种体积小、重量轻、功耗低的显示器件，被广泛应用于单片机应用系统[14]。
其原理就是字面上的意思，液晶显示。
要想液晶正常显示图像，前提必须得有供电。
LCD划分为专用和通用。
但是一般使用的是通用型的，因为应用领域宽广，可以很好地显示数字、字符和图文。
在目前的电子商场上，液晶显示器类别多种多样，功能特性各不相同。
液晶显示器的分类
根据结构的不同，在加上功能的不一样，LCD能够分成3种类型，分别是段型、字符点阵型和图形点阵型。
段型的LCD就好像7段LED，显示段构成内容的显示，方式和数码管相似。
字符点阵型的构成是：
LCD控制器、LCD驱动器、LCD显示器。
通
常称这3部分为液晶显示模块。
而图形点阵型通常适用于图像的显示，相对复杂，但是优势就是很灵活地显示出信息。
LCD1602：
最近10年液晶显示，即LCD以喷井式速度发展，其优点举不胜数，最主要的特点是功耗低。
根据性能与结构之间的差异，LCD大体上分类为3种。
根据本次毕业设计的要求，选择了字符点阵性LCD,其具体的型号是LCD1602液晶显示，顾名思义，16就是16个字符出现在每一行的液晶显示中，02表示显示的液晶有2行，这样就可以知道LCD1602液晶可以显示32个字符。
液晶模块电路图如图3.3所示：
图3.3LCD1602原理图
现在对LCD1602液晶显示屏的所有引脚功能进行逐一说明。
第1脚：
符号是VSS，就是接地电源。
第2脚：
符号是VDD，即是接5v的正电源。
第3脚：
VL，这个是1602显示器的对比度调整端，当其对比度最弱时，表明它接的是正电源，同理，其对比度最高时，表明它直接接地。
对比度不是越高越好，过高时，会导致显示器不稳定。
其解决方法是使用一个阻值是10K的电位器，这就可以对对比度进行调整。
第4脚：
RS，对寄存器进行选择，当选择是数据寄存器时，这是作为高电平的时候；当显示是低电平的时候，表明选择是指令寄存器。
第5脚：
RW为读写信号线，作为高电平时，实现读操作。
作为低电平时，实现行写操作。
第6脚：
E端为始能端，当E端由高电平变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
符号分别是D0～D7，这八个引脚都是8位双向数据线。
当我们只用其4位进行传输时，只能使用高四位。
第15～16脚：
都是BLA。
其中15引脚是正极背光；16引脚是负极背光。
3.4温度传感器电路设计
在系统的设计中，应用了DS18B20来采集温度，它可以直接把所检测到的温度短时间内转化成数字[15]。
温度是人们在日常生活中最为关注的物理量之一。
各种传感器的差异，主要是因为实现不同的功能，就像上面提及的温度传感器就是为了实现温度这一模块的功能，不同功能的传感器各司其职。
温度传感器利用自己对外界温度的感知，将其转换成合适的输出信号，通过单片机这个核心部分，最后自动发出警报，让人们得知。
对于温度传感器的选型，采用了18B20温度传感器。
18B20温度传感器是DALLDS半导体公司开发的，是1820的升级版。
它可以将外界的温度直接显示在屏幕中，方便人们读取数据，18B20温度传感器使用十分快捷，方便，只需要一根单线接口线就可以读写。
另外，它可以抵抗外界较为强烈的干扰，正因如此，比较适合用在此设计上。
18B20温度传感器性能也十分优越，使用上来也十分方便，不需要其他的器件，就像刚才所述，只需要一根导线和单片机串口连接就可以使用，它可以直接用数据线充电（范围+3V到+5V），它的测量范围十分之广，在世界各处的气候都可以适用，大约在-55摄氏度至125摄氏度范围内，而且误差范围在2摄氏度内，如果应用在本系统中，即在正常的温度下，误差范围在0.5摄氏度内，完全满足正常使用。
选择18B20温度传感器还有一个最大的好处就是可以和任何型号的单片机完美兼容，和本设计的Mega2560单片机可以无缝对接。
我们可以设置任意的温度值，当温度大于该值，温度传感器就会精确感知，就像我们对外界温度的感知一样，只是它更胜一筹，可以精确到具体的温度。
其部分流程图如下：
图3.4DS18B20部分流程图
温度传感器的电路设计图如下：
图3.5温度传感器的电路设计原理图
3.5电机驱动模块选择
方案一：
使用达林顿管ULN2003驱动。
ULN2003有着带负载能力强、温度范围宽、电流增益高、工作电压高的特点，常被用于各种电磁阀、伺服电机等功率较高的器件上，而且不用设计任何电路参数[16]。
方案二：
采用多个三极管驱动。
三极管的特性主要是放大，三极管构成的级数越多，放大的倍数越大。
而且三极管成本低、体积小，不需要任何程序处理。
但一个三极管放大的倍数不能达到驱动电机的理想效果，设计中至少需要2个以上，而且三极管容易温漂，这样一来电路参数繁杂，参数易变。
方案三：
使用L298N，其是一种双H桥电机驱动芯片，其中每个H桥可以供应2A的电流，功率部分的供电电压范围是2.5-48v，逻辑部分5v供电，接受5vTTL电平。
在一般情况下，功率部分的电压应大于6V，否则芯片可能不能正常工作。
对于以上方案进行分析拟定方案三，采用L298N作为驱动模块。
L298N原理图，如图3.6所示：
图3.6L298N原理图
3.6XM15B蓝牙串口模块
本设计所用的蓝牙串口硬件兼容Arduino,设置好所需的模式后，与Android系统的手机进行连接，因为本系统用到的蓝牙模块与iOS系统的手机不兼容。
本模块的原理。
蓝牙标准是V2.1+EDR，内置电源防反接保护电路，内置电源管理芯片，供电电压范围为3V到6V。
蓝牙profile是SPPV1.2，内置TTL信号电平转换电路，兼容3、3.3、5V的信号，TXD高电平输出电压VCC。
其功率级别是Class1.5。
波特率9600，配对码是1234，工作模式从机。
它的最大发射功率为+10db。
其最大通讯距离为30米。
采用兼容CSR的主流蓝牙芯片，通过了蓝牙BQB认证。
其可以快速启动，仅需要0.3秒就可以完成蓝牙协议栈的初始化工作。
内置硬件看门狗，其永不死机。
它的兼容性更好，能够与Windows自带协议栈、Android等系统兼容，几乎兼容所有版本的Android。
内置RC复位电路，复位稳定可靠，无须外部复位电路。
XM15B蓝牙模块运行状态
跳变时，其模块处于搜索或等待被连接状态。
当LED常亮时，固定高，其已与配对模块建立连接。
当LED不亮时，固定低，其已关机。
3.7蓝牙串口APP概述
打开此系统应用到的蓝牙串口APP，出现一个界面，界面上有：
模式：
模式有会话模式和接受模式，选择为接受模式。
串口延迟：
有0ms,10ms,20ms,30ms,50ms,100ms,200ms,300ms,500ms,1000ms十个选择。
串口延迟时间选择为50ms。
有Hex显示、Hex发送、发送新行，这里的Hex是十六进制的意思。
有连接、清空、发送。
蓝牙串口APP使用如图3.7所示：
图3.7蓝牙串口APP使用界面图
3.8PID的工作原理
PID控制是传统经典控制理论中很重要的一种控制方法[17]。
PID闭环系统的原理是用给定减测量,得出一个偏差进行控制，在典型PID系统中P、I、D是并联作用的，P直接使偏差乘以一个比例系数输出，当没有误差时，控制器输出也为0该调解属有差调节。
I是偏差积分，也就是说偏差变大的时候，控制器的输出增量就大，误差为没有时，I输出就保持不变属无差调节。
D是是求出其变化率，在控制作用中起到超前控制的效果。
PID控制器的公式为：
采用PID控制，比例项使系统对转速误差迅速做出反应，积
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