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1、本科毕业论文基于单片机的温控风扇的设计 摘 要 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AT89C52单片机作为控制平台对风扇转速进行控制。可由用户设置高、低温度值，测得温度值在高低温度之间时打开风扇弱风档，当温度升高超过所设定的温度时自动切换到大风档，当温度小于所设定的温度时自动关闭风扇，控制状态随外界温度而定。所设高低温值保存在温度传感器DS18B20内部E2ROM中，掉电后仍然能保存上次设定值，性能稳定，控制准确。 关键词： 自动控制;单片机;温控 Abstract This design is a kind of temperature control fan sy
2、stem, has the sensitive temperature sensor and display function, system AT89C52monolithic as control platform to control the fan speed. High and low temperature can be set by the user, the measured temperature value between high and low temperature open the fan when the windshield, when temperature
3、exceeds the set temperature automatically switch to the wind, when the temperature is less than the set temperature automatically shut down the fan, control state varies with temperature. Set high and low temperature values stored in internal temperature sensor DS18B20 E2ROM, after power off can sti
4、ll be saved the set value, stable performance and accurate control. Key words: Automatic control; Single chip microcomputer; Temperature control 目录 第一章 整体方案设计. 2 1.1 前 言 . 2 1.2 系统整体设计. 2 1.3方案论证 . 3 1.3.1 温度传感器的选择 . 3 1.3.2 控制核心的选择 . 4 1.3.3 显示电路的选择 . 4 1.3.4 调速方式的选择 . 5 第二章 各单元模块的硬件设计 . 7 2.1系统器件简
5、介. 7 2.1.1 DS18B20单线数字温度传感器简介 . 7 2.1.2 达林顿反向驱动器ULN2803简介 . 7 2.1.3 AT89C52单片机简介 . 8 2.1.4 LED数码管简介 . 10 2.2 各部分电路设计.11 2.2.1 开关复位与晶振电路 .11 2.2.3 数码管显示电路 . 12 2.2.4 温度采集电路 . 13 2.2.5 风扇电机驱动与调速电路 . 15 第三章 软件设计 . 17 3.1 程序设置 . 17 3.2 用Keil C51编写程序 . 17 3.3 用Proteus进行仿真 . 18 3.3.1 Proteus简介 . 18 3.3.2
6、本设计基于Proteus的仿真 . 19 第四章 系统调试 . 24 4.1 软件调试 . 24 4.1.1 按键显示部分的调试 . 24 4.1.2 传感器DS18B20温度采集部分调试 . 24 4.1.3 电动机调速电路部分调试 . 24 4.2 硬件调试 . 25 4.2.1 按键显示部分的调试 . 25 4.2.2 传感器DS18B20温度采集部分调试 . 25 4.2.3 电动机调速电路部分调试 . 25 4.3 系统功能 . 26 4.3.1 系统实现的功能 . 26 4.3.2 系统功能分析 . 26 结 论 . 27 参考文献 . 28 附录1：电路总图 . 29 附录2：程
7、序代码 . 30 1 第一章 整体方案设计 1.1 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。在现阶段，温控风扇的设计已经有了一定的成效，可以使风扇根据环境温度的变化进行自动无级调速，当温度升高到一定时能自动启动风扇，当温度降到一定时能自动停止风扇的转动，实现智能控制。 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
8、。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。 本文设计了由ATMEL公司的8052系列单片机AT89C52作为控制器，采用DALLAS公司的温度传感器DS18B20作为温度采集元件，并通过一个达林顿反向驱动器ULN2803驱动风扇电机的转动。同时使系统检测到得环境温度以及系统预设的温度动态的显示在LED数码管上。根据系统检测到得环境温度与系统预设温度的比较，实现风扇电机的自动启停以及转速的自动调节。 1.2 系统整体设计 本
9、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1： 2 温度显示 DS18B20 独立键盘 AT89C52 PWM驱动电路 直流电机 复位 晶振 图1系统构成框图 1.3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
10、高的温度变化分辨率以及稳定可靠的换挡停机控制部件1。 1.3.1 温度传感器的选择 在本设计中，温度传感器的选择有以下三种方案： 方案一：选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大由于温度变化引起热敏电阻电阻的变化、进而导至的输出电压变化的微弱电压变化信号，再用AD转换芯片ADC0809将模拟信号转化为数字信号输入单片机处理。 方案二：采用热电偶作为感测温度的核心元件，配合桥式电路，运算放大电路和AD转换电路，将温度变化信号送入单片机处理。 方案三：采用数字式集成温度传感器DS18B20作为感测温度的核心元件，直接输出数字温度信号供单片机处理。 对于方案一，采用热敏电阻有价格便宜、
11、元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换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，其本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予以纠正，但不仅将使电路复杂稳定性降低，而且在人体所处温度环境温度变化中难以检测到小的温度变化。故该方案不适合本系统。 1 李学龙. 使用单片机控制的智能遥控电风扇控制器J.电子电路制作，2003,9：1315. 3 对于方案二，采用热电偶和桥式测量电路相对于热敏电阻其对温度的敏感性和器件的非线性误差都有较大提高，其测温范围也非常宽，从-50摄氏度到1600摄氏度均可测量。但是依然存在电路复杂，对温度敏感
12、性达不到本系统要求的标准，故不采用该方案。 对于方案三，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换等电路的误差因素，温度误差很小，并且由于其感测温度的原理与上述两种方案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换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。 1.3.2 控制核心的选择 方案一：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
13、换到相应档位。 方案二：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。 1.3.3 显示电路
14、的选择 方案一：应用动态扫描的方式，采用LED共阴极数码管显示温度。 方案二：采用LCD液晶显示屏显示温度。 对于方案一，该方案成本很低，显示温度明确醒目，即使在黑暗空间也能清楚看见，功耗极低，同时温度显示程序的编写也相对简单，因而这种显示方式得到了广泛应用。但不足的地方是它采用动态扫描的显示方式，各个LED数码管是逐个点亮的，因此会产生闪烁，但由于人眼的视觉暂留时间为20MS，故当数码管扫描周期小于这个时间时人眼不会感觉到闪烁，因此只要描频率设置得当即可采用该方案。 4 对于方案二，液晶显示屏具有显示字符优美，其不仅能显示数字还能显示字符甚至图形，这是LED数码管无法比拟的。但是液晶显示模块
15、的元件价格昂贵，显示驱动程序的编写也较复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一。 1.3.4 调速方式的选择 方案一：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。 方案二：采用变压器调节方式，运用电磁感应原理将220V电压通过线圈降压到不同的电压，控制风扇电机接到不同电压值的线圈上可控制电机的转速，从而控制风扇风力大小。 方案三：采用单片机软件编程实现PWM调速的方法。PWM是英文Pulse Width Modulation的缩写，它是
16、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 2。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
17、，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，由于采用变压器改变电压调节，有风速级别限制，不能适应人性化要求。且在变压过程中会有损耗发热，效率不高，发热有不安全因素。 2 蓝厚荣.单片机的PWM控制技术J .工业控制计算机，2010,23:9798 5 对于
18、方案三，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。综合考虑选用方案三。 6 第二章 各单元模块的硬件设计 系统主要器件包括DS18B20温度传感器、AT89C52单片机、五位LED共阴数码管、风扇直流电机、达林顿反向驱动器ULN2803。辅助元件包括电阻电容、晶振、电源、按键、拨码开关等。 2.1系统器件简介 2.1.1 DS18B20单线数字温度传感器简介 DS18B20 单线数字温度传感器是Dallas 半导体公司开发的
19、世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。它具有3 引脚TO92 小体积封装形式。温度测量范围为-55+125，可编程为9 位12 位A/D 转换精度，测温分辨率可达0.0625。被测温度用符号扩展的16 位数字量方式串行输出。工作电压支持3V5.5V 的电压范围，既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生。DS18B20 还支持“一线总线”接口，多个DS18B20可以并联到3 根或2 根线上，CPU 只需一根端口线就能与诸多DS18B20 通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。它还有存储用户定义报警温度等功能。 DS18B20 内部结构如图2所示，主要由4 部分组成：6
20、4 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所示，DQ 为数字信号端，GND 为电源地，VDD 为电源输入端。 图2 DS18B20 内部结构 2.1.2 达林顿反向驱动器ULN2803简介 本系统要用单片机控制风扇直流电机，需要加驱动电路，为直流电机提供足够大的驱动电流。在本系统驱动电路中，选用达林顿反向驱动器ULN2803来驱动风扇直流电7 机。ULN2803在使用时接口简单，操作方便，可为电机提供较大的驱动电流，它实际上是一个集成芯片，单块芯片可同时驱动8个电机。每个电机由单片机的一个I/O口控制，单片机I/O口输出的为5V的TTL信号。 图
21、3 DS18B20外形及管脚 ULN2803由8个NPN达林顿晶体管组装而成，共18个引脚，引脚18分别是8路驱动器的输入端，输入信号可直接是TTL或CMOS信号；引脚1118分别是8路驱动器的输出端；引脚9为接地线，引脚10为电源输入。当输入TTL信号为5V或CMOS信号为615V时，输出的最大电压为50V，最大电流为500mA，工作温度范围为070。本系统选用的电机为12V直流无刷电机，可用ULN2803来驱动。 2.1.3 AT89C52单片机简介 AT89C52是一种带8K字节闪存可编程可擦除只读存储器256B片内RAM的低电压，高性能CMOS8 位微处理器。该器件采用ATMEL 高密
22、度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C52 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 AT89C52单片机管脚如图4所示。 各管脚功能： VCC：供电电压。 GND：接地。 8 图4 AT89C52单片机管脚 P0 口：P0 口为一个8 位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1 口的管脚第一次写1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码
23、输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0 外部必须被拉高。 P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地接收。 P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出4 个TTL 门电流，当P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘
24、故。P2 口当用于外部程序存储器或16 位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口：P3 口管脚是8 个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4 个TTL 门电流。当P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流这是由于上拉的缘故。P3 口也可作为AT89C51 的一些特殊功能口。P3.0：RXD；P3.1：TXD；P3.2：/
25、INT0；P3.3：/INT1；P3.4：T0；P3.5：T1；P3.6：/WR；P3.7：/RD。P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST 脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置
26、0。此时，ALE 只有在执行MOVX，MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不出现。/EA/VPP：当/EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/EA 将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V 编程电源。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时
27、钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 2.1.4 LED数码管简介 本系统选用五个LED数码管来进行温度显示。LED又称为数码管，它主要是由8段发光二极管组成的不同组合，其中 ag为数字和字符显示段，dp为小数点的显示，通过ag这7个发光二极管点亮的不同组合，可以显示09和AF共16个数字和字母。LED数码管可以分为共阴极和共阳极两种结构，如下图5(a)和图5(b) 所示。共阴极结构把8个发光二极管阴极连在一起，共阳极结构把8个发光二极管阳极连在一起。通过单片机引脚输出高低电平，可使数码管显示相应的数字或字母，这种使数码管显示字形的数据称字形码，又称段选码5。 一个共阴极数码
28、管接至单片机的电路，要想显示数字“7”须a、b、c这3个显示段发光 只要在P0口输入00000111即可。这里07H即为数字7的段选码。字形与段选码的关系见表1所示。 5 胡全.51单片机的数码管动态显示技术J .信息技术，2009,13:2526 10 Rx8Rx8abcdefgdpgfgndababcdefg数码管引脚分配图 a.共阴极 b.共阳极 图5 七段LED数码管 表1 7段LED的段选码表 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 1 2 3 4 5 6 7 3fH 06H 5bH 4fH 66H 6dH 7dH 07H C0H F9H A4H B0
29、H 99H 92H 82H F8H 8 9 A B C D E F 7fH 6fH 77H 7fH 39H 3fH 79H 71H 80H 90H 88H 83H C6H A1H 86H 8EH 2.2 各部分电路设计 2.2.1 开关复位与晶振电路 在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。单片机上的XTAL1和XTAL2用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路。本设计中开关复位与晶振电路如图6所示，当按下按键开关S1时，系统复位一次。其中电容C1、C2为20pF，C3为1
30、0uF，电阻R2、R3为10k，晶振为11.0592MHz。 edgndcdp11 图6 系统复位与晶振电路 2.2.3 数码管显示电路 本设计制作中选用5位共阴极数码管作为显示模块，它和单片机硬件的接口如图8所示。其中前3位数码管DS1、DS2、DS3用于显示温度传感器实时检测采集到的温度，可精确到0.1摄氏度，显示范围为099.9摄氏度；后2位数码管DS4、DS5用于显示系统设置的初值温度，只能显示整数的温度值，显示范围为099摄氏度。5位数码管的段选a、b、c、d、e、f、g、dp线分别与单片机的P0.0P0.7口连接，其中P0口需接一10K的上拉电阻，以使单片机的P0口能够输出高低电平
31、。5位数码管的位选W1W5分别与单片机的P2.0P2.4口相连接，只要P2.0P2.4中任一位中输出低电平，则选中与该位相连的数码管。 12 图7 独立键盘连接电路 2.2.4 温度采集电路 DS18B20数字温度传感器通过其内部计数时钟周期来的作用，实现了特有的温度测量功能。低温系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数，计数器预先置有与-55相对应的一个基权值。如果计数器计数到0时，高温度系数振荡周期还未结束，则表示测量的温度值高于-55，被预置在-55的温度寄存器中的值就增加1，然后这个过程不断重复，直到高温度系数振荡周期结束为止。此时温度寄存器中的值即为被测温度
32、值，这个值以16位二进制形式存放在存储器中，通过主机发送存储器读命令可读出此温度值，读取时低位在前，高位在后，依次进行。由于温度振荡器的抛物线特性的影响，其内用斜率累加器进行补偿 6。 DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只须将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测7。在本设计中将DS18B20接在P1.7口实现温度的采集。其与单片机 6 李钢,赵彦峰.1-Wire总线数字温度传感器DSI8B20原理及应用J.现代电子技术，2005,28(21)：7779. 7 马云峰.单片机与数字温度传感器DS18B20的接口设计J.计算机测量与控制，2007,10(4)：278280. 13 的连接如图9所示。 图8 数码管显示电路
