【基于单片机的智能风扇控制系统设计8700字（论文）】

PAGEPAGE30基于单片机的智能风扇控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u31641第1章绪论 1252431.1课题应用前景及现状 1311711.2理论意义 2120181.3本设计任务主要要求 316865第2章系统设计总体方案 490592.1温度传感器的选择 4244002.2主控机的选择 6151782.3显示电路 619952.4调速方式 74585第3章系统硬件设计 8127653.1主控芯片介绍 8121743.2复位电路 952493.3时钟电路 10101163.4DS18B20温度采集电路 10217793.5数码管驱动显示电路 11215193.6风扇驱动电路 12199243.7按键模块 124938第4章系统软件设计 1496724.1主程序流程图 1451474.2DS18B20子程序流程图 14113714.3数码管显示子程序流程图 15316344.4按键子程序流程图 1616388第5章系统调试 18118865.1系统功能 18316505.2系统分析 1810142总结 19第1章绪论1.1课题应用前景及现状近些年来，随着我们国家的经济的发展，人们希望过更舒适的生活，空调的普及让人们的生活越来越舒适，在加上价格的不断下调，电风扇行业正在面临着非常严重的危机REF_Ref15485\r\h[1]。空调强大的功能是人们能够快速接受其价格的重要原因，但是空调的功能是取决于能耗和封闭空间，所以这是其不能够完全取代电风扇的重要原因。而随着我们国家提倡保护生态环境，提出“绿水青山就是金山银山”的理念的时候，空调的高耗电量、破坏臭氧层的缺点就开始成为人们选择电风扇的重要原因。电风扇曾经是人们生活中不可缺少的一种家电，近些年来，随着空调的普及逐渐的淡出了人们的生活，变成了人们口中的老式家电。但是风扇真的被淘汰掉了吗？并没有，电风扇依然有着广泛的市场，其价格便宜、功耗更低、摆放方便的优势使其依然受到很多人的喜爱REF_Ref19314\r\h[2]。中国人民对于电风扇的热情依然未曾消退，在资料的收集过程中能够看到大量有关于风扇优化的研究。智能化电风扇在当前已经开始进入市场了，而且有一些家电企业为了满足不同人群的需求，对风扇采用了不同的设计，实现了不同风扇的功能，比如美的推出的学生扇就是典型代表。随着各项科学技术的进步和发展，智能风扇的发展方向逐渐的朝着低噪音、低能耗、更智能方向发展，智能温控风扇在未来的应用将会越来越广泛，研究也会越来越深入。在日常生活中的传统电风扇采用的是机械控制的方式，在使用的时候，连接电源，然后按下开关，风扇进入到工作状态，扇叶开始旋转，想要调整风扇的转速需要通过手动按下调速开关进行调整REF_Ref19333\r\h[3]。这种传统的电风扇功能相对比较单一，还存在一定的隐患，当人们在打开风扇之后，睡着了或是离开的时候，忘记了关闭风扇的话，不仅会造成电力资源的浪费，还有可能会出现电路故障甚至是引起火灾，而且电风扇处于长时间的工作状态中也会降低使用寿命。在炎热的夏天，人们因为天气的原因在晚上通常无法入睡，所以很多时候都会选择开风扇睡觉，可是人们在睡觉之前往往都会忘记关闭电风扇，对于一些昼夜温差较大的地区人们很有可能会因此感冒。虽然传统的电风扇在此基础上进行了改进，有了机械定时器，但是定时范围有限，无法满足人们的需求。为了解决以上传统电风扇的不足，于是便设计了温控自动风扇系统。重要的是可以将使用者规定好的温度自动进行风速、风量的调整，精度更加的高。而且经过调查，本次设计能够在人们的生活中进行广泛的应用，具有经济实用性。在当前阶段，温控风扇设计在一定程度上已经取得了很多的成果，比如在风扇电机自动无极调速方面，温度传感器进行温度数据采集工作之后，系统进行判定，当温度高于设定状态的时候，就会自动启动风扇，温度升高后风扇转速同时升高，当传感器采集到的温度低于所设定范围时，风扇转速逐渐减慢，直到自动停止。这种控制方式解放了人的操作，使得人只需要设定好温度即可，剩下的完全都有系统进行自动控制。智能控制使得电风扇更加的人性化是未来的发展趋势，应用领域也会随着逐渐增加，同时产生更高的经济效益。1.2理论意义在庞大的市场需求面前，电风扇如果止步不前的话就会逐渐的失去市场份额，最终退出市场。所以电风扇必须要不断的提高自身的技术含量，提高自己在市场上的竞争力，推出更多的高质量、低能耗的产品REF_Ref7081\r\h[4]。在大学的课程学习中，我逐渐的明白了之前一些不能理解的知识，比如单片机方面的知识，在经过《单片微机原理及其应用》的学习之后，对于一些原理开始逐渐的掌握，通过实操课程逐渐的掌握了一些设计技能，这些课程都是我本次设计的基础，当然还有非常多的课程内容对于本次设计都有着非常大的帮助。也正是对这些知识的掌握和学习，才能在智能温控风扇的设计中添加更多人性化的功能。人有大量的时间都是在室内度过的，对温度、湿度、光线都提出了不同的要求，而且室内环境对于人的身心健康的影响也非常大，当环境舒适的时候，人们的生理和心理都会处于一个健康的水平，同样的人们舒适感的增加，也会使得他们在工作中的效率有所提升REF_Ref19369\r\h[5]。在异常炎热的夏天，人们都喜欢打开风扇或是空调，在室内惬意的工作或是休息，而相对于空调来说，电风扇更加的节能、实惠，适用的范围更加的广泛一些，比如风扇可以在室外使用，对于一些身体素质较差的老人和小孩来说，他们更加的喜欢电风扇吹出来的自然风。但是传统的风扇智能化的程度相对来说比较低，随着温度的变化需要通过手动进行档位的调整，一旦忘记关闭电扇还会造成电力资源的浪费，同时有可能因为长时间吹风扇导致感冒。所以本次选择了与人们生活息息相关的智能温控风扇设计，能够检测人体的体温、环境温度和环境湿度，同时根据实际检测到的数据调整风扇的转速，给予人们一个更加舒适的环境。同时在本次设计中还增加了节能模式，当人设置好了节能模式之后，风扇会自动检测所处环境中有没有人，如果没有的话将会自动停止，减少电力资源的浪费，使得电风扇具有了节能性。电风扇在当前仍然能够占据一定市场份额的重要原因就是其性能有所改进，电风扇吹出来的是模拟自然风，是一些空调所不能比拟的，还有就是电风扇价格的比较低，能耗小。而且随着人们生活水平的明显提高，居住条件也有了非常大的改善，人们通常会选择将空调机安装在主要活动的地方，对于其它地方还是选择使用风扇进行降温。虽然需求还是很大，但是明显市场上的电风扇的供给量大于实际的需求量，电风扇之间的竞争非常的激励，想要在激励的市场竞争中占据一定的地位，还是需要依靠风扇的品质和性能。智能温控风扇的出现使得电风扇在原本的基础上提高了风扇的节能性，同时也增加舒适性REF_Ref7835\r\h[6]。而且智能温控风扇系统不仅能够应用人们的生活中，还能够应用于工业生产之中，在一些需要保持低温的车间中，使用空调的费用非常的高，而使用智能温控风扇系统之后，不仅不需要人工进行温度的控制，还降低了成本费用。同时在笔记本电脑上也可以进行应用，通过智能温控风扇进行降温，可以极大的节约电能，延长笔记本电脑的使用寿命。所以智能温控风扇系统的设计在现实生活中可以应用到多个领域中，研究这一内容有着现实意义。1.3本设计任务主要要求本次设计是以STC89C51单片机作为系统核心，通过温度传感器进行温度数据的收集，然后将其数据传输到单片机中，单片机进行处理将数据传输到控制单元，实现风扇的转速根据温度的变化而逐渐的调整。本次设计中，风扇的转速应该具有三个档位，由小风、大风、停机组成，可以通过手动进行调整也可以系统自动控制。当传感器所采集的温度数据比所设定的下限值低时，电风扇停止转动，处于关闭状态，当采集的温度数据处于设定范围内的时候，电风扇的转速处于怠速状态，当采集的温度数据比所设定的上限值高时，风扇开始全速的运转。第2章系统设计总体方案本次设计以单片机为核心，外接复位电路，晶振电路，和温度采集电路，实现系统工作复位功能以及根据温度控制风速的功能，单片机输出端为显示功能和风扇驱动功能，实时监测温度与风速，系统总体框图2-1如下：数码管驱动电路风扇驱动电路风扇复位电路温度采集电路单片机晶振电路按键设置电路数码管数码管驱动电路风扇驱动电路风扇复位电路温度采集电路单片机晶振电路按键设置电路数码管显示图2-1系统框图2.1温度传感器的选择方案一：使用热敏电阻作为温度数据的测量器件，当热敏电阻所处室温有所改变时，电压会相应改变，从而给单片机输出一个很小电压变化信号，单片机在接收到数据信号的时候开始进行处理和运算，得出相应的结果传输到显示端口。具体方案如图2-2所示。图2-2热敏温度采集电路方案二：将热电偶作为温度数据的测量器件，这种方式需要搭接大量的电路才能够完成温度的检测和数据的传输，基本原理和方案一基本一致，都是需要通过模数转换来将相应的温度信号传输给单片机，同时由于需要连接大量的电路使得整体相对来说更加的复杂一下，但是也有优点，那就是好监测温度的范围更加的广泛。方案三：通过使用数字式温度传感器进行温度数据的测量。从方案一的实际应用角度来看，热敏电阻在之前有过大量的应用实例，相对来说比较成熟，能够为设计提供一定的借鉴意义。而且热敏电阻相对来说价格比较便宜，如果设计经费不足的情况下可以考虑这一方案，但是同时也需要考虑到热敏电阻对于温度的细微变化不够敏感的情况，这有可能会导致温度检测的精度不够，可靠性不满足要求REF_Ref8240\r\h[7]。所以应该放弃该方案。从方案二的实际应角度来看，这种方式的测温范围非常的广泛，从-50摄氏度到1600摄氏度均可测量REF_Ref18058\r\h[8]。如此广泛的测温范围能够让设计者无须过分担心温度检测范围，但是却需要设计者考虑电路设计问题，电路设计工作变得繁琐，不符合设计简便的要求，同时也不能够达到对温度变化较为敏感的要求，所以应该放弃该方案。 从方案三的实际应用角度来看，采用DS18B20不用进行模数转换，简化了外接电路，降低了外接电路会造成误差的可能。同时该方案的温度分辨率非常的高。再加上其与单片机的接线简便，所以其受干扰的影响并不大。2.2主控机的选择方案一：电压比较电路作为控制核心。这种控制方式的核心内容就是在温度传感器将温度信号传输过来的时候，将信号转变成电信号，经过一系列的处理之后，进入到的电压比较电路中进行比较，利用比较结果进行相应的控制动作。方案二：单片机作为控制核心，单片机相对于比较电路，主要是通过编程来实现各种控制功能的，而且单片机作为控制核心能够较少外接电路，使得设计更加的方便和简单。对方案一进行了分析和调查，发现这种方式并不适合在本设计中应用，主要是因为控制的方式太单一了，除了被动的接受比较之外，不能够通过设置改变上下限的温度值实现控制。同时方案一不够灵活不能够满足不同人群的不同需求，所以，即使其电路设计起来更加的简单，在本此设计中将不会采用方案一。同样的，对方案二也进行了分析和调查。单片机作为控制的核心所在，能够使用编程来实现多种功能，对于功能的扩展有着非常重要的意义，同时在本次设计中，用户也可以通过键盘对于系统的上下限温度值进行重新的设定，这些都是方案一所不具备的。同时通过程序判断的温度结果有着更高的精准度，多以本次设计选用方案二REF_Ref9191\r\h[9]。2.3显示电路方案一：使用数码管显示实时室温数据。这种方式的缺点就是能够显示的数据非常少，只能够直观看到数字和少量英文字母，优势就是价格便宜。方案二：使用液晶显示屏LCD显示实时室温数据。这种方案效果最好，降低了设计的复杂程度，简化了设计流程，能够通过简单的软件编程完成控制任务。但是缺点就是价格昂贵。针对于方案一进行了实际应用中的探讨和模拟。这种方式虽然显示的内容相对较少，但是在本次设计中，无需更多的字符的显示，数字和一部英文字母足够了，同时功耗也相对较低，显示出来的温度信息也更加的醒目，能够在相对复杂的环境中清晰的显示，同时驱动程序的编写也相对简单一些，符合本次设计的水平。不足之处就在于因为数码管是逐个点亮的，所以需要做到数码管扫描周期尽可能的低于人眼的视觉暂留时间，这样一来才有可能消除闪烁感REF_Ref8854\r\h[10]。同样的对于方案二，液晶显示也进行了讨论，虽然其优势非常之大，显示的字符数非常之多，但是考虑到设计经费和实用性的原则，在本次设计中选择的是相对价格较低的方案一。2.4调速方式方案一：使用变压器调节方法。该种方式的主要内容就是在实际中设置不同的电压线圈，当控制单元想要控制风扇电机转速变化的时候，只需要接入不同的线圈就可以了，这个种方式的原理理解起来非常的简单，但是设计过程非常的复杂。方案二：使用三极管驱动PWM控制方式。这种方式和占空比有着一定的关系，当占空比较大的时候，转速相应的就更快一些，相反则慢。而这种控制原理主要通过改变脉冲序列的宽度来完成输出量的调节REF_Ref9928\r\h[11]。经过系统的分析和研究，在使用方案一进行了实际的模拟，发现这种方式虽然能够调节风扇电机的转速，但是还存在着一些缺点和不足，比如变压的过程中将会产生损耗，效率较低，这不符合设计的初衷，同时在变压的过程中还会发热，不符合设计安全的原则。对方案二也进行实际的模拟和分析，发现这种方式符合设计的初衷，且PWM信号都是以数字形式出现的，更加方便了相互之间的信息传输，不需要在进行相应的转换。最为关键的一点就是降低了噪声，这也符合智能温控风扇的设计要求。而且通信距离的延长能够使得系统的远距离控制成为了现实，使得控制变得更加的灵活。所以在本次设计中选择了方案二。第3章系统硬件设计本系统的硬件主要是由STC89C51单片机、三极管驱动电路、数字式温度传感器、四位数码管等组成。其中将STC89C51单片机作为控制的核心，在后期的升级的过程中能够通过修改程序完成相应的目标，操作更加简单和方便。3.1主控芯片介绍3.1.1STC89C51简介STC89C51单片机所使用的是8051核的ISP系统可编程芯片，这使得其具有了非常广泛的应用范围，而且其还具有4K只读程序存储器。由于芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，省去了购买通用编程器，且速度更快。STC89C51单片机的优势在于其性能更高、运行速度更快、而功耗却较低，再加上当前流水线生产，使得其具有了一定的广泛应用，在多数应用例子中，该单片机都能够完成相应的设计任务，所以这也是本设计选择该单片机的一个重要原因。3.1.2STC89C51单片机引脚如图3-1为STC89C51引脚图引脚分为4类：电源、时钟、控制和I/0引脚1.电源：VCC接+5V；VSS接地端2.时钟：XTAL1、XTAL2外接晶振引脚3.控制线：ALE/PROG；PSEN；RST/VPD；EA/Vpp4.I/0线：P0、P1、P2、P3口图3-1STC89C51单片机引脚图3.1.3STC89C51单片机最小系统单片机最小系统作为应用系统的核心部分，可以对其进行扩展，使得其具备一些特殊的功能，从而让单片机能够实现更多的控制功能。电源、晶振等电路都是单片机运行的根本条件REF_Ref9961\r\h[12]。STC89C51单片机的最小系统只需要外接晶振就是行了，从下图3-2中可以看出其是最小系统的构成原理图。时钟电路复位电路时钟电路复位电路STC89C51口3.2复位电路复位功能对单片机运行来说是不可或缺的，当系统运行出现错误时，系统将会处于锁死状态，此时仅通过其它方式的控制不能够恢复，想要解决这一问题，就需要按下复位键进行重新启动，使得系统重新进入到初始化状态中。如果单片机的复位电路没有做好设计的话，在实际的应用中，很有可能会因为操作失误，而导致整个系统处于锁死状态，无法退出，使系统可靠性降低。STC89C51单片机的RESET引脚是复位信号的输入端，复位电路则是连接到这一引脚上面，复位信号高电平有效，同时在上文曾提到过本设计中时钟信号的晶振频率为12MHz，因此，相应复位信号的持续时间应大于2µs以完成复位REF_Ref19178\r\h[13]。图3-4为自动复位电路。图3-4AT89C51复位电路3.3时钟电路STC89C51有一个振荡电路，首先将晶体振荡器与引脚连接，形成自激振荡器，在单片机中产生时钟脉冲信号。通过下图能够清晰的看到图中有两个电容，这两个电容连接的目的是为了更好的稳定频率，电容选择为30pF，在下图中有标注，同样，晶振的频率也在下方图片中进行了标注。如原理图3-3所示。图3-3时钟电路3.4DS18B20温度采集电路3.4.1DS18B20介绍DS18B20是在温度测量领域作为主流的一款数字式温度传感器。这种传感器由于是单总线的设计，使得设计起来和连接非常的简单，这也是被设计选择这一传感器的重要原因。同时其精度更加的高、具备一定的可靠性，由于其采集温度数据的时候直接输出的就是数字信号，无需进行转换。而且读写只需要通过一根口线来完成，同时总线能够向DS18B20供电，极大的简化了电路，使得在设计的时候更加的简便，由于没有过多的接线，可靠性也相对更高一些REF_Ref10225\r\h[14]。在实际的应用中，其测温的精度、传输的距离相对于之前的产品来说较高一些，设计者在使用该传感器的时候能够取得更好的设计。3.4.2DS18B20工作原理DS18B20数字温度传感器的主要作用就是采集现场的环境温度，收集完成之后将相应的温度数据传输到单片机中，单片机负责接下来的操作，如此循环。实际上DS18B20所采集到的环境温度数据将会通过转换传输到AT89C51单片机的P1.6口，单片机对数据进行处理和运算，然后转换成相应的信号传输给风扇电机，控制其转速。如图3-5所示。图3-5DS18B20温度采集电路3.5数码管驱动显示电路通过显示模块可读取环境温度和风速档位。如果处理器从输入和输出字段发送源代码，则所有数字管接收相同的源代码，但开放式数字管取决于连接REF_Ref10268\r\h[15]。数码管的显示采用动态扫描的方式，这种方式的优点就是能够节约大量的电能。具体原理图如图3-6所示。图3-6数码管显示电路3.6风扇驱动电路风扇的驱动电路为两个三极管所组成的放大电路，驱动电路将信号放大后在传输到风扇。如图3-7所示。图3-7风扇驱动模块3.7按键模块按照程序中的相关内容，保持三个按键的I/O口处于高电平状态，当按下按键的时候，所对应的I/O口就会处于低电平的状态，并保持，如此循环，实现按键功能。当松开按键之后，则是恢复到高电平状态REF_Ref10421\r\h[16]。为了防止因为按键抖动而出现错误控制的情况，本次设计中采用了软件延时的方式来进行消抖。如图3-8所示。图3-8按键模块电路图第4章系统软件设计4.1主程序流程图想要实现根据实时环境温度控制风扇转速，需要程序能够对环境温度数据和设定温度有一个判断，并能够进行相应的运算。在单片机执行程序的过程中，需要不断地对上述内容进行判断和运算，然后调用对应的子程序使风扇进入到相应的状态中，实时的控制风扇的转速。主程序流程图如图4-1所示。开始程序初始化开始程序初始化调用DS18B20初始化函数调用DS18B20温度转换函数调用温度读取函数调用按键扫描函数调用数码管显示函数调用温度处理函数调用风扇控制函数结束4.2DS18B20子程序流程图程序运行时首先是将数字温度传感器进行初始化，再进行后续操作。通过下面的流程图能够清晰的看出，在进行温度转换的时候，都需要先发送复位命令，然后在进行接下来的操作，完成相应的目标任务。图4-2DS18B20程序流程图4.3数码管显示子程序流程图该程序主要是为了将实时温度数据显示在四位数码管中。通过采用动态扫描的方式，进行段选信号的处理，再行进位选信号的处理，然后是一个短延时。流程图如图4-3所示。第一位送位选给低第一位送形第一位送位选给低第一位送形延时10ms显示第二位送位选给低第三位送位选给低第四位送位选给低第二位送形第三位送形第四位送形延时10ms显示延时10ms显示延时10ms显示结束4.4按键子程序流程图本系统的按键模块分别由三个按键K1、K2、K3所构成。其中K1按键的温度范围是10-20℃，也就是说，当按下这个按键的时候，温度设定范围是10-20℃，相应的K2的温度范围是20-30℃，K3是30-100℃。当按下K1按键的时候，就开始进入到了上限温度设置程序中，按下K2按键执行温度值+1，按下K3为-1。退出这一状态按下K2按键的时候，进入的是下限温度设置程序中，在这一状态中K2和K3按键的功能同K1。退出设置状态只需要在设置好之后长按K3按键即可。通过对K1、K2、K3的温度值范围的总结可以知道温度值的设置范围为10-100℃，这基本上满足了当前大部分的使用需求了。判断设置键是否按下判断设置键是否按下设置按键按下延时去抖判断当前设置模式设置上限设置下限退出设置判断加、减键是否按下修改设置的阀值结束NYYN第5章系统调试5.1系统功能5.1.1硬件调试在硬件调试中需要先对DS18B20能否正常工作进行测试，最简单的测试方法是用手攥住芯片，然后观看LED显示的数值是否快速上涨，如果数值正在快速上涨，应该松开芯片，当LED显示的数值正在逐渐的下降，就证明DS18B20在系统板上能够正常工作和运行REF_Ref20305\r\h[17]。本智能调温系统可实现：根据温度传感器所测量的数据和所设定得标准值的差值来控制电机转轴转速的快慢。环境温度高于设定温度，就说明需要电风扇展开工作，电机的转速应该根据温度的升高逐渐的开始提高；相反则是停止或是低速转动。5.1.2系统实现的功能本系统实现的功能是单片机根据环境温度的变化实现自动控制风扇电机转速，从而改变风扇转速，保证舒适性的功能。通过对温度的设定和实际环境温度的差值的计算决定风扇电