基于单片机温控风扇转速的设计毕业论文

080902 学科分类号（二级学科）Ningxia Normal University本科学生毕业论文（设计）题 目 基于单片机的温控风扇转速的设计 姓 名 颜 亮 亮 学 号 201005230129 论文编号 En14141029 院（系） 物理与信息技术学院 专 业 电子科学与技术 指导教师 黄 晓 青 职称（学历） 助教（研究生） 完成时间 2014 年 5 月 15 日 宁夏师范学院教务处制宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）I摘 要本设计为一种基于单片机的温控风扇转速系统，具有灵敏的温度感测、显示功能和电机稳定换挡停机功能；系统采用51系列单片机AT89C51作为控制平台对风扇的转速进行控制，利用DS18B20数字温度传感器采集实时温度，经单片机处理后通过两个三极管驱动直流风扇的电机。另外可由用户设置高、低温度值，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。风扇档位控制状态随外界温度而定，当温度升高超过所设定的温度时自动切换到全速运转档位；当温度小于所设定的温度时自动关闭风扇，当测得温度值在高低温度之间时打开风扇的相应风档。关键词： 自动控制；单片机 AT89C51；温控；风扇；温度感测宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）IIAbstractThis design for a fan speed control system based on single chip microcomputer, a smart temperature sensors, display and motor steady shift stop function; System USES 51 series microcontroller AT89C51 as the control platform to control the speed of the fan, using DS18B20 digital temperature sensor to collect real-time temperature and treated with single chip microcomputer through two triode driven dc fan motor. Another high and low temperature can be set by the user, set high and low temperature values stored in internal temperature sensor DS18B20 E2ROM, still can keep the power lost when the last value. Fan gear control state varies with temperature and decide, when the temperature exceeds the set temperature automatically switch to the running gear at full speed; When the temperature is less than the set temperature automatically shut down the fan, when measured temperature between high and low temperature open the corresponding wind profile of the fan.Keywords: automatic control; AT89C51 MCU; temperature control; fan;temperature sensor.宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）目 录摘 要 .IAbstract.II0 绪论 .10.1 本课题的研究实践意义 .10.2 研究本课题的主要内容 .11 基于单片机的温控风扇转速系统部分模块的方案选用及论证 .21.1 温度采集模块的选用 .21.2 控制核心模块的方案选择 .21.3 显示模块选用方案 .31.4 调速方式及设计方案 .32 基于 AT89C51 单片机的温控风扇转速系统的硬件设计 .42.1 系统简述 .42.2 本系统各器件简介 .42.2.1 DS18B20 单线数字温度传感器简介 .42.2.2 AT89C51 单片机简介 .52.2.3 八段 LED 数码管简介 .72.3 本系统部分模块的硬件设计 .72.3.1 温度采集和温度设定上下限模块电路 .72.3.2 控制核心模块电路 .82.3.3 显示模块电路 .92.3.4 驱动风扇模块电路 .103 基于 AT89C51 单片机的温控风扇转速系统的软件设计 .114 结束语 .14谢 辞 .15参考文献 .15附录 .16附录 1:本系统总电路图： .16附录 2：基于 AT89C51 单片机温控电机转速系统实物图 .16附录 3：源程序 .17宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）10 绪论0.1 本课题的研究实践意义随着电子技术的发展，用计算机控制的方面也涉及到各个领域，其中用单片机控制温度、是应用于实践的重要方面之一。温度是一个很重要的物理量，对它的测量与控制有十分重要的意义。 本课题将基于单片机的温度控制风扇系统设计，该系统能实现温度检测，并根据当前温度的状态对风扇进行控制。系统主要由电源、温度采集、单片机控制、显示、键盘、输出控制、显示几个单元组成。温度采集系统是整个系统的重点，采用温度传感来对温度进行采集，温度数据在传感器内部转化为数字信号并传送给单片机；单片机对传感器采集来的数据进行处理；当温度超出系统设定的范围时，系统改变输出控制的状态，对风扇进行自动的调整。在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测。采用单片机来对温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。因此单片机对温度的控制问题是一个工业生产中经常会遇到的问题。本设计采用 MCS-51 系列单片机与各种外围电路构成单片机温度采集和控制系统，实现对温度的实时采集和控制。通过本次设计掌握温度检测控制系统的硬件设计方法和软件编写方法。熟悉 Protues 软件的使用方法。通过课题的研究进一步巩固所学的知识，同时学习课程以外的相关知识，培养综合应用知识的能力。锻炼动手能力与实际工作能力，将所学的理论与实践结合起来。0.2 研究本课题的主要内容利用单片机作为系统的核心,把温度传感器所测的温度和被风扇作用后的温度与设置温度进行比较,从而确定输出端风扇的转速,来形成一个温控风扇的降温系统。在系统中，由于要调整风扇的转速来控制空气温度从而到本达到降温效果，由单片机控制处理来自于传感器所测得数据，然而去控制风扇的转速。所以在系统中单片机来实时控制风扇的转速是有难度的。系统结构可分为以下模块：电源模块、显示模块、控制模块、温度采集模块、震荡复位模块、风扇降温模块、按键输入模块。在该系统中，温度采集模块需要准确的测量然后把数据传给单片机来处理，单片机处理后数据，输出到风扇驱动电路来控制风扇的转速，从而达到降温的效果。宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）21 基于单片机的温控风扇转速系统部分模块的方案选用及论证本系统实现温度控制风扇的转速，需要有较高的温度变化分辨率和稳定可靠的换档停机控制部件。1.1 温度采集模块的选用温度传感器可由以下几种方案可供选择：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、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。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（1-WRIE） ，与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。1.2 控制核心模块的方案选择方案一：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宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）3同环境下的多种动作温度要求。对于方案二，以单片机作为控制器，通过编写程序不但能将传感器感测到的温度通过显示电路显示出来，而且用户能通过键盘接口，自由设置上下限动作温度值，满足全方位的需求。并且通过程序判断温度具有极高的精准度，能精确把握环境温度的微小变化。故本系统采用方案二。1.3 显示模块选用方案方案一：采用 LED 数码管显示温度，动态扫描显示方式。方案二：采用液晶显示屏 LCD 显示温度对于方案一，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。不足的地方是扫描显示方式是使数码管逐个点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为 20MS，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼将感觉不到闪烁，因此可以通过增大扫描频率来消除闪烁感。对于方案二，液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，这是 LED 数码管无法比拟的。但是液晶显示模块价格昂贵，驱动程序复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一。1.4 调速方式及设计方案方案一：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。方案二：采用三极管驱动 PWM 进行控制。对于方案一，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。对于方案二，PWM（脉冲宽度调制电路）的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是 PWM 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将 PWM 用于通信的主要原因。从模拟信号转向 PWM 可以极大地延长通信距离。故本系统采用方案二。宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）42 基于 AT89C51 单片机的温控风扇转速系统的硬件设计2.1 系统简述该系统主要部件包括DS18B20温度传感器、AT89C51单片机、LED 数码管和风扇。辅助元件包括电阻、晶振、电源、按键等。本系统结构可分为以下模块：电源模块、显示模块、控制模块、温度采集模块、震荡复位电路模块、风扇降温模块和按键输入模块。系统的框图2-1结构如下：图 2-1 基于单片机的温控风扇转速系统的硬件电路原理框图在本系统中，采用温度传感来对温度进行实时采集，温度数据在传感器内部转化为数字信号并传送给AT89C51单片机,单片机对传感器采集来的数据进行处理,当温度超出系统设定的范围时,系统通过风扇驱动电路改变输出控制的状态，对风扇转速进行自动的调整。2.2 本系统各器件简介2.2.1 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3V 5.5V 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内部结构如下图2-2所示。震荡和复位电路模块温度采集模块数码管显示模块风扇驱动电路按键输入电路AT89C51单片机控制模块 风扇（电机）宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）5图 2-2 DS18B20 内部结构其内部结构主要由四部分组成：64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。DS18B20单线数字温度传感器管脚排列如下图2-3所示，DQ为数字信号端，GND为电源地，VDD为电源输入端。图2-3 DS18B20外形及管脚引脚功能如下：GND:空引脚，悬空不使用；VDD:可选电源脚，电源电压范围 35.5V。工作于寄生电源时,此引脚应接地；DQ:数据输入/输出脚，漏极开路，常态下高电平。 2.2.2 AT89C51 单片机简介 AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（ FPEROM）256B片内RAM的低电压，高性能CMOS8 位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术宁夏师范学院 2014 届本科毕业论文（设计）6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