智能电风扇设计特点分析

航空制造工程学院

创新能力综合训练

研究报告

题目：智能电风扇设计___________

所属课题：智能电风扇系统硬件设计_____

学院：_________________

专业名称：_______________

班级学号：_______________________

学生姓名：_________________________

合作者：

指导教师：__________________________

二O一三年十一月

智能电风扇系统硬件设计研究

学生姓名:班级:

指导老师:

摘要：采用单片机作为控制器，基于单片机最小系统下运用温度传感器DS18B20

作为温度采集元件，同步还运用风速传感器WFST采集室内空气流速，并根据采

集到。勺温度和WFS-1输出口勺电压信号与系统设定日勺温度和风速值口勺比较实现风扇

电机口勺自动启动和停止，并能根温度和室内空气流速的变化自动变化风扇电机口勺

转速，用LCD显示检测到口勺温度、风速。研究了有关芯片如AT89c51、8255、AD0808

等的功能、接线方式鼠及工作方式，同步，还研究了有关元件如DS18B20、LCD

等接口功能等，成果表明，通过Proteus硬件仿真软件的仿真可是在LCD上观测到

两传感器对环境温度和风速的及时持续的稳定显示。

关键词：单片机、DS18B20,WFS-1、风扇、温控、风控

重要创新点

基于单片机最小系统下控制电风扇，运用温度传感器DS18B20和风速传感器

WFS-1对室内温度、风速等进行检测，从而根据其检测信号对电风扇工作状态进

行变化，到达使人体最舒适的工作状态，同步用LCD显示检测到日勺温度、风速。

从而实现更人性化、智能化的控制。

目录

1引言.................................................4

2研究措施..............................................5

3研究成果及分析........................................6

3.1系统整体设计.......................................6

3.2温度模块硬件设计..................................6

3.2.1、DS18B20数字温度传感器简介....................6

RDS18B20的外形和内部构造........................6

2、DS18B20日勺重要特性................................7

3.2.2、温度传感器的接线方式...........................8

3.2.3、基于Proteus温度模块仿真..........................9

3.3风速模块硬件设计.....................................10

3.3.k风速传感器WFS-1简介............................11

1.WFS-1型风速传感器的重要技术参数...................12

2.安装使用.........................................12

3.注意事项........................................12

3.3.2、风速传感器日勺接线方式...........................13

3.3.3、基于Proteus风速模块仿真.......................14

4结论..................................................16

5参照文献..............................................17

6指导教师评语和成绩评估................................18

1引言

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目前笔记本电脑上广泛

使用的智能CPU风扇等。而伴随温度控制技术的发展，为了减少风扇运转时的

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口勺成效，可以使风扇根据环境温度I为变化进行自

动无级调速，当温度升高到•定期能自动启动风扇，当温度降到•定期能自动

停止风扇日勺转动，实现智能控制。

伴随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。它使风扇根据环境温度的变化实

现自动启停，使风扇转速伴随环境温度H勺变化而变化，实现了风扇口勺智能控制。

它的设计为现代社会人们H勺生活以及生产带来了者多便利，在提高人们的生活

质量、生产效率日勺同步还能节省风扇运转所需日勺能量。

本文采用单片机作为控制器，运用温度传感器DS18B20作为温度采集元件,

同步还运用风速传感器WFS-1采集室内空气流速，并根据WFS-1输出的电压信

号和采集到H勺温度与系统设定的温度和风速的比较实现风扇电机日勺自动启动和

停止，并能根温度和室内空气流速的变化自动变化风扇电机的转速，用LCD显

示检测到的温度、风速。

2研究措施

在老式电风扇构造和控制H勺基础上，加入单片机控制，采用遥控器控制风

扇的启动/停止，再加入温度控制环节和风速控制环节，实现房间的风速和人体

舒适性的自动调整。整体工作状况是：

1）用按键设定风速，温度，定期启动和定期时间等信息；

2）启动风扇工作；

3）风速、温度传感器实时检测房间H勺温度和风速信息；

4）单片机控制根据设定信息和枪测信息，控制电机转速，实现自动、智能化、

更舒适欧I控制。

开始

电机驱动流程图

3研究成果及分析

3.1系统整体设计

本设计日勺整体思绪是：运用温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出

H勺数字温度信号和风速传感器WFS-1检测环境风速并输出电压信号通过AD0808

转换成数字信号传给单片机AT89C51进行处理，在LCD上显示目前环境参数值

以及预设参数值。其中预设环境值只能为整数形式，检测到欧I目前环境温度和

风速可精确到小数点后两位，同步采用PWM脉宽调制方式来变化直流风扇电机

H勺转速。系统构造框图如下：

系统构造框图

3.2温度模块硬件设计

3.2.1、DS18B20数字温度传感器简介

1、DS18B20的外形和内部构造

DS18B20内部构造重要由4部分构成：64位ROM、温度传感器、非挥

发日勺温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

PU

(1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好H勺，它可以看作是该

DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型

标号，接着的48位是该DS18B20自身日勺序列号，最终8位是前面56位H勺循环

冗余校验码(CRC-X8+X5+X4+1)0光刻ROM的作用是使每一种DS18B20都各不相

似，这样就可以实现一根总线上挂接多种DS18B20的目的。

(2)DS18B20中的温度传感器可完毕对温度的测量，以12位转化为例：用

16位符号扩展日勺二进制补码读数形式提供，以0.0625C/LSB形式体现，其中S

为符号位。

2、DS18B20的重要特性

(1)适应电压范围更宽，电压范围：3.0〜5.5V,在寄生电源方式下可由数据

线供电

(2)温范围一55℃〜十125℃,在-10〜+85℃时精度为±0.5℃

(3)独特H勺单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可

实现微处理器与DS18B20H勺双向通讯

(4)DS18B20支持多点组网功能，多种DS18B20可以并联在唯一的三线上，

实现组网多点测温。

（5）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，所有传感元件及转换电路集成

在形如一只三极管的集成电路内可编程日勺辨别率为9〜12位,对应的可辨别

温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温在9位辨

别率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位辨别率时最多在750ms内把

温度值转换为数字，速度更快测量成果直接输出数字温度信号，以〃一线总线〃

串行传送给CPU,同步可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力负压特

性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表

温度值/℃数字输出（二进制）数字输出（十六进制）

+85℃0000010101010000055011

+25.625℃00000001100100010191H

+10,125℃000000001010001000A2H

+0.5℃00000000000010000008H

0℃00000000000000000000H

-0.5℃1111111111111000FFF8H

-10.125℃1111111101101110FF5EH

-25.625℃1111111101101111FF6FH

-55℃1111110010010000FC90H

上表是DS18B20温度采集转化后得到口勺12位数据，存储在DS18B20的两个8

比特H勺RAV中，二进制中的前面5位是符号位，假如测得日勺温度不小于或等于0,

这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；假如温度不不小

于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

温度转换计算措施举例:

例如：当DS18B20采集到+85℃日勺实际温度后，输出为0550H,则：

实际温度=055011X0.0625=1360X0.0625=85℃o

例如：当DS18B20采集到-55C的实际温度后,输出为FC90H,则应先将11位数

据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），贝I」：

实际温度二370Hx0.0625=880X0.0625二55℃。

3.2.2.温度传感器的接线方式

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℃相对应的一种基权值。假如广数

器计数到0时，高温度系数振荡周期尚未结束，则表达测量欧I温度值高于-55C,

被预置在-55℃日勺温度寄存器中日勺值就增长1℃,然后这个过程不停反复，直到

高温度系数振荡周期结束为止。此时温度寄存器中日勺值即为被测温度值，这个

值以16位二进制形式寄存在存储器中，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赔偿。

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T/0线可挂接多种DS18B20,

就可实现单点或多点温度检测。在本设计中将DS18B20接在P1.0口实现温度的

采集。其与单片机的连接如下图

C1

U1

30pF.1939ADO

,XTAL1P0.0/AD0

<TEXT>38AD1

P0.1/AD1

37AD2

P0.2/AD2

C21R36AD3

XTAL2P0.3/AD3

35AD4

P0.4/AD4

34AD5

P0.5/AD5

33AD6

Pnfi/ADR

32AD/

——[RSTP0.7/AD7

21

P2.0/A8

e22*国

P2.1/A9

23A好:

P2.2/A10

24

PSEN-P2.3/A11

25

ALEP2.4/A12

泰____3126AC

EAP2.5/A13

27

P2.6/A14

28

P27/A15

P1.0P3.0JRXD1Q

P1.1P3.1/TXD11

PI2P32JINTff12

13

R2U3PI.3P3加而T

PI.4P3.4/T0_1£

•10k•■VCCPI.5P3.57T1工

16而

2DQP1.6P3.6恒

1

GND•・PI.7P3.7W-LZ_____.

DS18B20AT89C51

<TEXT><TEXT>

温度传感器接线图

3.2.3.基于Proteus温度模块仿真

首先启动Proteus软件并建立一工程，然后根据原理图调出对应的原件，

再根据规定变化各原件的属性并把各个原件按原理图连接起来。在原理图绘制

连接好后再把编译好日勺程序加载到其中，并进行仿真。

当把温度传感器DS18B20温度设置为25摄氏度。点击开始按钮，系统开始

仿真，待一段时间稳定后，观测到此时LCD显示的数值，如图下所示。

LC01

XTAL1用8M

PO1CAD1

P0ZAD2

XTAL2poaa

P0.4MD4

附刎5

RSTP07W7

P2CUA8

P21AA9

P22J'A1O

P23AM1

P24AM2

P2*13

P2AAi4

P27/A1S

PIO黑函D

?11P31TO)

P12P3晒^

M3P33fnT

P1.4P34no

PISP3.5AL

P16安心

PI7

温度模块仿真效果图

通过以上仿真可以看出，当温度传感器DS18B20采集到温度信号能及时的、

精确无误日勺通过LCD显示出来，可知温度模块硬件设计对的。当然温度传感潜

上显示日勺温度由于软件中元件日勺缺陷只能整数变化，小数位总是0,而现实生

活中日勺温度不也许总为整数。

3.3风速模块硬件设计

3.3.1、风速传感器WFS-1简介

WFST风速传感器日勺风杯由高耐候性、高强度工程塑料制造，传感器壳体使

用ABS工程塑料成形，上下壳体由橡胶0型圈密封。内部电路均通过喷涂三防

漆处理，整个传感器具有很好H勺耐恶劣环境的适应性。风速传感器输出为频率

信号。

工作原理：风速传感器日勺感应元件是三杯风组件，由三

个风杯和杯架构成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当

风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光

耦中H勺转动，输出频率的信号。

1.WFST型风速传感器的重要技术参数

1、测量范围：1.0〜60m/s

2、精确度:<30m/s±(0.5+0.05v)230m/s±5%

3、辨别率：0.lm/s

4、起动风速：<0.7n/s实物图片

5、工作环境：-30c〜+60℃

6、底座安装内孔：&0slash;68

WFST型风速传感器的输出方式：

0-5V输出(型号为WFS-1-3)

特点：量程大、线性好、抗雷击能力强、观测以便、稳定

可靠等长处。

2.安装使用风杯底座安装孔

1、风速传感器应垂直口勺安装在相距1米以上的横臂上。

2、传感器壳体下部直经为①40,120o均匀分有三个M5的螺纹为安装部位。

3、测风传感器应每年给轴承注油一次，注油时应拆下风速架或风向帽，将仪表

油从传感器的上轴承处注入。

4、传感器风速帽上不动的制动螺钉均用软质密封胶密封，不要随便拆卸，

拆卸后再装配时最佳重新涂上胶密封。

5、传感器电线插头必须按阐明书图接线。

6、风向传感器从包装箱内取出后组装，注意点是：风标杆沿箭头方向插入;风

向标前后重量应调平衡、前后两翼板应与旋转轴线在同一平面内；指北杆与指北

线应在同一方向。

7、传感器组件由风速传感器、风向传感器、传感器支架构成。组装时传感器应

分别先连接各自日勺插件、再套装在支架套筒上，旋紧螺钉。

8、传感器工作电压一股为直流5伏，由于内装防雷器件，实际工作电压不得高

于6伏。

3.注意事项

两个严禁：

1、严禁在可燃性气体环境中使用风速传感器。

2、严禁将风速传感器探头置于可燃性气体中。

七个不要:

1、不要拆卸或改装风速传感器;

2、不要将探头和风速计本体暴露在雨中；

3、不要触摸探头内部传感器部位；

4、不要将风速计放置在高温、高湿、多尘和阳光直射的地方；

5、不要用挥发性液体来擦拭风速传感器；

6、不要摔落或重压风速传感器；

7、不要在风速计带电的状况下触摸探头的传感器部位。

三个务必：

1.务必按照使用阐明|W、J规定对的使用风速传感器;在使用中，如遇风速传感器

散发出异常气味、声音或冒烟，或有液体流入风速计内部。

2.务必立即关机取出电池;风速传感冷长期不使用时。

3.务必取出内部日勺电池。

附表：

风力等级表

相称风速

风力等级名称陆地地面物体征象

1km/hm/s

0无风静，烟直上不不小于10〜0.2

1轻风烟能表达风向1-50.3〜1.5

2轻风人面感觉有风，树叶微动6〜111.6〜3.3

3微风树叶及微枝摇动不息12〜193.4~5.4

4和风能吹起地面灰尘和纸张20〜285.5~7.9

5劲风小树摇摆，水面有小波29〜388.0-10.7

6强风大树枝摇动，举伞困难39〜4910.8-13.8

7疾风全树动摇，步行感觉不便50〜6113.9-17.1

8大风微枝折毁，前行阻力甚大62〜7417.2〜20.7

3.3.2、风速传感器的I接线方式

在单片机最小系统下通过扩展芯片8255来连接WFS-1,但由于Proteus软

件中没有这一元器件，故根据风速传感器日勺输出信号为（0〜5）V的|电压信号，

从而采用一回路中滑动变阻器H勺某部分电阻电压道替代，通过滑动滑动变阻器

来变化输出电压，模仿风速传感器采集到的风速发生变化时输出电压信号日勺变

化过程。

由于风速传感器输出口勺电压信号是模拟信号要通过A/D转换器转换成数字

信号，再传播给芯片AT89c51处理后，通过LCD显示此时风速值。

风速传感器接线图

3.3.3＞基于Proteus风速模块仿真

在Proteus软件把各个所需原件按原理图连接起来。在原理图绘制连接好后

再把编译好日勺程序加载到其中，并进行仿真。

当把风速传感器WFS-1的J输出电压设置为4.9V时。点击开始按钮，系统

开始仿真，待一段时间稳定后，观测到此时LCD显示的数值，如图下所示。

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如如

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RM，B

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PMH

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