基于单片机的智能风扇温控系统设计

基于单片机的智能风扇温控系统设计摘要随着社会的不断发展，电风扇慢慢地走向新时代，过去的电风扇是由手动的调控几个档位的风挡，而新时代的电风扇是智能化的，人性化的。虽然现在空调已经大面积的覆盖于家庭中，但是空调的降温系统并不能满足人们身体对温度的需求。新时代的电风扇是基于单片机的智能风扇，其温控系统是智能化的。在单片机AT89S52的基础上，由DS18B20温度传感器对环境温度进行测量，然后由四位7段数码管显示DS18B20温度传感器所测量的温度。通过按键，设置温度的上、下限，当环境的温度低于或高于所设置的温度下、上限，那么对应的报警灯会亮而且蜂鸣器会发出响声。当环境温度介于温度上、下限时，电风扇的转速会缓慢变化；当环境温度低于温度下限时，电风扇停止转动；当环境温度高于温度上限时，电风扇高速转动。关键字：AT89S52芯片；DS18B20温度传感器；数码管 The Design Of Temperature System Of Intelligent Fan On Single-chipABSTRACT With the development of the society, electric fan slowly towards a new era, the past electric fan is controlled by hand . While a new era of electric fan is intelligent and humane. Although air condition has widespread coverage in the family, the cooling system of air condition does not meet the needs of people for body temperature. A new era of electric fan is intelligent fan which is based on the single-chip, whose temperature control system is intelligent. On the basis of single-chip AT89S52,the environment temperature is measured by DS18B20temperature sensor, then by the four section 7 of the digital tube display the measured temperature DS18B20 temperature sensor. Setting the temperature of lower and higher limit by keys, when the environment temperature is lower or higher than the set temperature, then the corresponding alarm lights go on and the buzzer will give, when the environment temperature is between the low and high, the speed of the fan will be slow to change; when the environment temperature is lower than the setting limit, the fan will stop rotating; besides, the fan will rotate at a high speed.Key Words: Single-chipAT89S52; DS18B20; Digital tube 目 录第一章 绪论1 1.1 单片机概论1 1.2电风扇简介1 1.3设计要求1第二章 设计方案论证22.1 单片机芯片的选择22.2 输入模块选择22.3 显示模块的选择3第三章 元器件特性43.1 AT89S52芯片43.2 DS18B2053.3 ULN280383.4 独立键盘9第四章 硬件设计104.1电路设计框图104.2复位电路104.3时钟电路114.4键盘输入电路124.5显示模块电路124.6风扇驱动电路13 4.7报警电路 14 4.8主电路设计15第五章 软件设计165.1设计规划165.2 主模块165.3温度测量及显示模块程序165.4风扇驱动模块程序185.5键盘模块程序185.6主流程图19第六章 仿真与测试206.1Keil uvision4206.2 Proteus7的操作206.3 仿真结果20第七章 总结21参考文献22附录23致 谢26 天津理工大学2011届本科毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1 单片机概论单片机自20世纪70年代出现以来，其现在已广泛地应用在工业自动化、自动控制与检测、智能仪器仪表、机电一体化设备、家用电器等各个方面。单片机就是在一片半导体硅片上，集成了存储器、中央处理单元、并行I/O口、串行I/O口、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的用于测控领域的微型计算机。单片机是集成电路技术和微型计算机技术高速发展的产物，其体积小、价格低、应用方便、稳定可靠，很容易嵌入到系统之中，便于实现各种方式的检测和控制。1.2 电风扇简述从广义上说过，能够实现扇风功能的电器均可以称为电风扇。一般，在人们的认识中，电风扇就是那种标有不同档位风速并且手动调整风速的机械化电器。现今，电风扇有两种表现形式：机械化和智能化。机械化即使人们潜意识中手控风扇，而智能化即无需人们手控， 智能风扇可根据温度适时调节风扇送风量，达到温度调节的智能化控制,风扇可以通过软件形式和硬件结合，自动调节风扇的转速。1.3设计要求1. 所设计的系统可通过按键的作用设置环境温度的上、下限值；2. 用数字温度传感器DS18B20实现环境温度的测量；3. 采用四位7段LED数码管做为显示界面，实时显示温度；4. 当温度低于温度下限值时，风扇并不转动；当温度介于所设置的温度上限值和下限值之间时，风扇转速缓慢变化；当温度大于上限值时，风扇全速转动。第二章 设计方法论证2.1 单片机芯片的选择 AT89S52是一种低功耗的微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚全部兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。由于AT89S52片内有8KBFlash存储器、6个中断源、256B的RAM 、3个定时器而AT89S51片内只有4KBFlash、128B的RAM、5个中断源、以及2个定时器。所以选择AT89S52芯片。2.2 输入模块的选择 通常键盘是由若干个按键组成，操作控制人员通过键盘输入命令，实现人与机对话。键盘是常用的单片机输入设备之一。输入方式可以为独立式键盘输入方式和矩阵式键盘输入方式。键盘是由若干按键按照一定的规则组成，每一个按键实质上是一个按键开关。独立式键盘其每个按键只占用一条I/O线。其特点为当所接的键盘过多时，其占用的I/O口较多，所以I/O口的利用率不高，但是独立式键盘的程序编制比较简单。独立键盘一般是适用于按键较少的场合。矩阵式键盘是用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交叉点上。其特点为矩阵键盘的电路连接复杂，软件编程较复杂，但是却提高了I/O口利用率。所以矩阵式键盘只是适用于安装大量按键的场合。 由于在设计中，输入模块由5个按键组成，故在设计中采用独立式键盘输入方式。 2.3显示模块选择显示模块的选择有三种：LED数码管显示、LED点阵显示、LCD1602液晶显示。LED点阵显示是由若干个发光二极管按矩阵方式排列而成。虽然LCD液晶显示具有省电、体积小、抗干扰性强等优点，不过要让其显示字符，首先要对其控制器进行初始化设置，还必须对有、无光标、光标的移动方向、光标是否闪烁以及字符移动的方向等进行设置，才能获得所需要的显示效果。所以，在实验中，选择使用LED数码管显示。LED数码管是常见的显示器件。LED数码管为8字形（如下图2.1），共计7段（不包括小数点段）或8段（包括小数点段），每一段对应一个发光二极管，有共阴极和共阳极两种。本实验中用的是共阳极数码管（如下图2.2），共阳极数码管的阳极连接在一起。 图2.1 图2.2 LED数码管显示有静态显示和动态显示。由于本实验中显示的位数较多，如果用静态显示则所占用的IO口多，故采用动态显示方式，这样可以节省IO口数目。 第四章 元器件特性3.1 AT89S52芯片 AT89S52管脚说明： VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口：P0口是一个8位漏极开路的的双向I/O口。 P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。 PI引脚号第二功能： P1.0 T2:计数器T2的外部计数输入，时钟输出。 P1.1 T2EX:计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制。 P1.5 MOSI:在系统编程用。 P1.6 MISO:在系统编程用。 P1.7 SCK:在系统编程用。 P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。P3口亦可以作为AT89S52的特殊功能使用。 P3口引脚的特殊功能： P3.0 RXD:串行输入口 P3.1 TXD:串行输出口 P3.2 INTO:外中断0 P3.3 INT1:外中断1 P3.4 TO:定时/计数器0 P3.5 T1:定时/计数器1 P3.6 WR:外部数据存储器写选通 P3.7 RD:外部数据存储器读选通此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 RST:复位信号输入端。 ALE/PROG:地址锁存信号输出端，当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。第二功能是单片ROM的输入编程端。 PSEN: PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：内部或外部程序存储器的选择端，要使CPU访问外部程序存储器，则EA=0。反之则先从片内读取程序数据。 XTAL1：时钟电路的引脚。 XTAL2：时钟电路的引脚。 AT89S52引脚图如图3.1 图3.13.2 DS18B20 3.21 DS18B20管脚功能： VCC:连接电源 GND:接地 DQ:漏极开路， 在温度显示界面上有两个按键分别是加温度的按键键和减温度的按键。 DS18B20的引脚如图3.2。 图3.2 3.22 DS18B20的特性： 1.它是最常用的温度传感器测量温度范围为55+125 ，它可以直接将温度转化为数字信号传送给单片机处理，不要任何的外围设备。2.具有独特的单总线结构即只有一条数据输入或输出线DQ。3.片内的非易失性温度报警触发器TH和TL可通过软件写入用于用户报警的温度上、下限值。 4.在使用过程中可以不接任何外围元件。5. 多个DS18B20可以同时并联在唯一的三线上，实现多点测温。不过，数量也不能过多，因为如果数量过多，会使供电电源电压过低。 3.23 DS18B20的工作原理：DS18B20测温原理如图3.3和3.4所示。 图3.3 图3.3 下表3.4列出了DS18B20温度转换后所得到的16位转换结果的典型值，存储在DS18B20的两个8位RAM单元中。表3.4 DS18B20温度数据表3.34 DS18B20的命令 命令的功能命令代码启动温度转换0x44读取存储器内容0xbe读DS18B20的序列号0x33跳过读序列的操作0xcc将数据写入暂存器的第2、3字节中0x4e匹配ROM0x55搜索ROM0xf0报警搜索 0xec读电源供电方式，0为寄生电源，1为外部电源0xb43.4 ULN2803ULN2803芯片的引脚说明：18脚：输入端。1118脚：输出端。10脚：电源端。ULN2803引脚如图3.5所示。图3.5 ULN2803名为达林顿驱动管，是由8路NPN达林顿连接晶体管组成的，它可以输出较高的电流或电压。其适用于低逻辑点评数字电路和较高的电流或电压要求之间的借口。 ULN2803的引脚原理图如图3.6所示。 图3.6 3.4 独立按键键盘是由若干按键按照一定的规则组成，每一个按键实质上是一个按键开关。独立式键盘的特点是各键相互分立的，每个按键都是各自接一条I/O口线，然后通过检测I/O输入线的电平的高低，这样就比较容易判断出是哪一个按键被按下。当某一个按键按下时，对应的I/O口线输出的电平就变成了低电平，而与其它按键相连的I/O口线输出的电平就仍为高电平。独立式键盘不仅其电路简单，各条检测线独立，而且识别按键的软件程序编写简单。由于按键按下时的机械动作，在按键被按下或松开的瞬间，其输出电压会产生波动，称为键的抖动（如图3.7）。为确保每按一次按键单片机只进行一次处理，使键盘可靠地工作，所以必须消除按键抖动,如果不采取措施消除按键抖动的话，那么在程序中就会出现一个按键被重复按下的结果。 图3.7 通常采用软件消抖法即是采用延长按下时间的消抖方法，以避开按键的抖动，即在按键已稳定地闭合或断开时才读出其状态。第四章 硬件设计4.1 电路设计框图 如图4.1所基于AT89S52单片机的智能风扇温控系统的设计是由五个模块组成，分别是复位电路模块、时钟电路模块、显示模块、键盘输入模块、风扇驱动电路模块以及报警模块。 图4.1 电路框图 4.2 复位电路 复位是单片机的初始化操作，只需要给AT89S52单片机的复位引脚RST加上大于2个机器周期的高电平就可使AT89S52单片机复位。AT89S52单片机的复位是由外部的复位电路实现的。上电时的自动复位时通过VCC电源给电容C充电加给RST引脚一个短暂的高电平信号，则RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C充电时间。因此，为保证系统能可靠地复位，RST引脚上的高电平必须大于复位所要求的高电平时间。除了上电复位外，有时还需要人工按键复位。因为人的动作再快也会使按键保持按通达数十秒，所以完全能满足复位的时间要求。 复位电路如图4.2所示。 图4.2 复位电路4.3 时钟电路任何工作都是按时间顺序的，时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。时钟电路产生像时钟一样准确的振荡电路。AT89S52内部有一个反向振荡放大器，XTAL1和XTAL2分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。XTAL1和XTAL2即单片机的两个时钟引脚。由于单片机内有振荡电路，但要形成时钟，故只需在XTAL1和XTAL2间外接石英晶体和电容组成的并联振荡电路。石英晶体振荡器的频率范围一般在1.22.4MHZ之间，当然不同的机型略有不同。电容C1和C2的主要作用是帮祝振荡器起振，其值的大小对振荡器频率有少许影响，时钟频率为12MHZ的典型值通常选择30pf。时钟电路如图4.3所示。 图4.3 时钟电路4.4 键盘输入电路 在本设计中，使用的是独立键盘输入，5个按键分别接到单片基的P3.2P3.6引脚上。每个按键都有自己独特的功能和作用。在P3.2引脚上连接的按键的作用是设置环境温度的上限值；在P3.3引脚上连接的按键的作用是设置环境温度的下限值；在P3.4引脚上连接的按键的作用是进行数位选择，因为显示的温度有个、十、百位。当用户对温度的上、下限进行设置时，用户可以分别对温度的个、十、百位进行设置。这个按键的功能满足了温度设置的灵活性。在P3.5引脚上连接的按键的作用是进行参数调整，即是在第三个数为调整键按下后就可以对开始所设置的温度的上、下限的进行调整。在P3.6引脚上连接的按键的作用是保存参数调整后所设置的温度上、下限的参数。该按键功能的设置的优点是满足了用户自身对温度的需求，而不是系统本身所设置的，具有可改性和灵活性。 键盘输入电路如图4.4所示。 图4.4 键盘输入电路4.5 显示电路 在本设计中，用LED数码管动态显示电路。LED数码管既可以显示DS18B20温度传感器所测得的环境温度，也可以显示用户所设置的温度上、下限。在电路中，把4位7段数码管连接在AT89S52芯片的P0口的8个引脚上，而且还接了一个Respack-8排阻。排阻即很多个电阻连载在一起。由于通常P0口内部没有上拉电阻，那么就不能输出高电平，故接一个排阻代替，这样就可以输出高电平，使数码管显示温度。 显示电路如图4.5所示。 图4.5 显示电路4.6 风扇驱动电路 由于风扇驱动起来需要很大的电流，因此在本设计中，在P1.引脚上直接连接上了了UNL2803达林顿驱动器和7403非门六反相器还有风扇，目的都是为了可以使电风扇获得较大的电流，增加风扇的驱动能力，使风扇被驱动起来。当电风扇被驱动起来后，风扇的转速就是依据环境的温度决定的。如果环境的温度低于用户所设置的温度下限的话，那么风扇就不会转动，这样就起到了节能的效果；如果环境的温度高于用户所设置的温度上限的话，那么风扇就会全速的转动；如果环境的温度介于所设置的温度上、下限之间时，那么风扇的转速就会随着环境的温度缓慢的变化。风扇驱动电路如图4.6所示。 4.6 风扇驱动电路4.7 报警电路本设计中加入了报警电路的设计，该电路的目的是为了提醒用户一些突发的事件，给用户发出报警的信号。在该设计中报警电路实现了当环境温度高于事先所设置的温度上、下限时，蜂鸣器就会相应的发出警报。在P1.6引脚上连接了一个限报警灯，即当环境的温度高于所设置的温度下限时，下限报警等就会亮。当环境温度高于温度上限时，P1.7引脚上连接的上限报警灯会亮起来，与次同时蜂鸣器也会发出响声警报。这个设计可以给用户很大的方便，可以使用户很好的掌握环境温度的变化。报警电路如图4.7所示。 图 4.74.8 主电路图设计整个电路设计图4.8所示。 图4.8完整电路图第五章 软件设计5.1 设计规划本设计程序用C语言进行设计，程序分为五个部分，主模块程序、键盘模块程序、DS18B20温度测量及显示模块程序、风扇驱动模块程序。主模块程序主要是对DS18B20进行初始化的，对键盘进行扫描，温度对比还有电机调速。主模块程序如图5.1所示。 图5.1 5.2 温度测量及显示模块程序在使用DS18B20温度传感器时，要先对DS18B20进行初始化，然后通过按键设置温度的上、下限参数。启动DS18B20进行测温，如果内部判断正常，那么就调用读子程序。当读子程序结束后，DS18B20测得的温度由数码管显示出来。温度测量及显示模块程序如下图5.2所示。图 5.2 温度测量及显示模块程序的代码： bit int_DS18B20(void)unsigned char x=0; DQ = 1; / delay(8); / DQ = 0; / delay(80); / DQ = 1; / delay(14); x=DQ; delay(20);return x;5.3 风扇驱动模块程序 void PWM Adjust(cha tmp) /char diff = High Alarm Temperature - Low Alarm Temperature;/if(tmpLow Alarm Temperature)&(tmp(Low Alarm Temperature+diff/3)&(tmp(Low Alarm Temperature+diff*2/3)&(tmpHigh Alarm Temperature/fan On Count=4;/fan Off Count=0;/5.3 键盘模块程序 uchar _bai,_shi,_ge; unsigned int delay Counter for Turn on=INTERVAL;unsigned int delay Counter for Turn off=INTERVAL;unsigned int delay Counter for Change Pos=BIGINTERVAL;/用于数位选择键KEY3的去抖动处理延迟计数enum Position Change Pos=Ge_Pos; /Bai_Pos,Shi_Pos,Ge_Posbit Change State=1;/用于标记闪烁位当前的状态：0表示不亮，1表示亮 bit Adjust Flag=0;/用于数值调整键KEY4的去抖动处理:0表示未检测到按键，1表示检测到键被按了下去bitPos Flag=0;/用于数位选择键KEY3的去抖动处理 :0表示未检测到按键，1表示检测到键被按了下去Bit SavPara Flag=0;/用于参数保存键KEY5的去抖动处理 :0表示未检测到按键，1表示检测到键被按了下去_ge=Get Ge Value(Low Alarm Temperature);_shi=Get Shi Value(Low Alarm Temperature);_bai=Get Bai Value(Low Alarm Temperature);/bai只能三种状态值之中，0、1或负号，1和符号在后面的函数中都要对应显示，0在设置方式下可 5.4 主流程图主流程图如下图5.4所示： 图5.4第6章 仿真与调试 在本次设计中用了keiluvision4 编写程序，并且用proteus7软件进行仿真和调试。6.1 keiluvision4 keiluvision4是一个集成开发环境，它的集成程度高，应用方便，这个开发环境不仅主要是用来开发单片机C语言程序的，而且也可以开发汇编语言程序，能够进行程序的仿真调试。甚至，它还可以和一些硬件仿真器相连接，直接对目标板进行调试，功能非常大。 keiluvision4的操作步骤： 1.打开主界面，执行Project或New Project命令，然后选择所用的单片机即可。 2.选择好单片机后，建立一个新的文件，并保存为后缀为“.c”的文件。 3.然后在新建的文件中添加头文件。 4.接下来在工程中添加文件。 5.然后再依次加入相应的文件，头文件等就构成了一个开发工程。 6.当所有的编程工作完成后，选择工具栏的编译按钮即可对工程进行编译，然后选择“Create HEX File”.6.2 proteus7的操作 Protues7能够对模拟电路还有数字电路进行仿真，并且有强大的电路原理图绘制功能，支持各种主流单片基的仿真也可以直接对单片基的各种外围电路进行仿真。 Protues7的 虚拟仿真不需要用户硬件样机，就可以直接在PC机上进行虚拟设计与调试。 Protues7的虚拟设计与仿真操作步骤： 1.首先在proteus ISIS环境下完成一个单片基应用系统的电路原理图设计，包括选择各种元器件、外围借口芯片、电路连接等。 2.在 keiluvision4平台上进行源程序的输入