《基于单片机的电风扇温度控制系统设计》7400字

第1章绪论1.1设计的目的及意义随着近些年我国不断地发展，当今社会对于产品质量的要求也已经变得越来越高，这就决定了各行各业都必须要求拥有精良高效、可靠性的装备和技术才能满足它们的要求，电风扇这类老式的家电在近些年来，曾经一度被人误解为会逐渐成为互联网时代的一种淘汰品，会在新能源空调等相关产品受到冲击后退出市场；但是电风扇却因为它的价格低廉、体积轻巧以及便于摆放的优势而存活了下去。然而我国大多数家庭由于长期以来养成的家居消费观念，使得电风扇在我国农村或者贫困地区，甚至还有一些中小城市在将来很长一段时间里还会继续占据很大的一部分市场份额。但老式家用电风扇的结构和功能太过简单，并且无法完全满足现代人对于家电日益智能化的应用要求，所以，为了进一步地增强家用电风扇的国际市场竞争力，使得电风扇在相关技术含量上得到了提高，并且极大地增加了电风扇的安全性和使用的可靠性，让得电风扇更多的人信赖，智能家用电风扇的概念就已经被更多的人提了出来。但是，传统的电风扇却仍然具有着很多的不足，比如:传统的电风扇只能通过人们手动调节档位来改变风速，并不能自动地调节风速，尤其是在一些年轻人们正处于熟睡中的时候，电风扇仍然保持着高转速，使得温度降到适宜温度后仍然在继续运行，这不仅会增加用电消耗，还可能让人患上感冒等病症，尤其是对于那些到晚上就降温很严重的地方来说，这无疑是一个很大的缺点，会导致电风扇损失非常大一部分市场份额；第二就是传统家用电风扇在开启定时模式的时候一般都会有一阵阵的嗡嗡声，会导致使一部分喜静的年轻人心生烦闷，在夜间甚至可能会严重影响到人们的正常睡眠和工作质量，并且由于传统家用电风扇的定时模式适应的范围有限，并不能完全满足现代人的需要，这使传统电风扇的市场份额进一步缩小。考虑到以上所说的种种弊端，我就设计了这款智能温控风扇。1.2国内外研究现状

在目前我国农村和一些贫困地区及一些中小城市，电风扇还是有着很广阔的市场前景，所以在当今我国关于风扇产品的智能化这方面还是非常积极的。智能型电风扇己经在我们中小企业开始逐步地投入到市场，目前在我国的智能型电风扇这个领域的应用技术己经算得比较成熟。接下来一个阶段的研发重点将会在于如何使得电风扇更加人性化和智能化，并且可以更好地适应不同年龄层的人们。 相对于我国来说，国外对于智能电风扇这一技术应用方面的相关探索和应用研究虽然并不是那么积极，但国外在对于智能化家用电器这一技术应用方面的相关探索和应用研究却比我国更进一步。"打造智能化家用电器"这一技术概念主要应该包含以下三个基本技术层次:一是一个智能化的家用电器相关元件，还有就是一个智能化的电力开关柜以及一个智能化的电力供配电控制系统。一个非常智能化的电源开关柜不仅可以同时容纳多台电源断路器，并且对整个供电控制系统的短路控制和其他用电保护装置之间也是有着非常紧密的相互联系。而这两个不同层次上的配电服务系统管理智能化网络建设管理工作的主要任务目标其实就是:进一步不断完善配电系统网络的管理功能，以及尽可能多地逐步提高配电管理系统以及其他各类用电管理装置的智能自动化管理程度。1.3课题研究的内容

本设计的智能风扇是通过采集外部的环境温度，然后将其转化为电信号传送到主控芯片，让主控芯片检查数值是否超过之前设置好的阈值，如果超过就发出报警信号并且调整风扇的转速，没有的话就照常运转。这次设计的主要内容包括硬件和软件部分的设计和最后的系统的综合调试。在硬件部分主要就是计划好想要实现什么功能，打算选择什么器件来实现这些功能，和完成这些功能的模块之间的电路的设计。软件部分就是对选用的器件的控制程序进行编写，保证这些器件能够实现它们的功能。最后制作出来的作品进行检测，检查它是否能够实现之前目标的功能，根据检查的结果进行调整，最后达到设计需求。1.4本章小结

本章主要讨论了电风扇这种商品的现状、国内外对它的研发与市场以及智能温控电风扇的发展趋势及批量生产的可能性，对本篇文章进行整体的概述，并简单描述了本设计的内容。

第2章系统硬件选择2.1硬件的选择2.1.1主控芯片的选择在选择主控控制器件时，考虑到STC89C51单片机的开发简单、在线编程下载、费用少、价格便宜等诸多优点，在最后我还是决定了使用STC89C51单片机。在这之前我还考虑过MSP430单片机和PIC16F877A单片机，但是这两种的单片机的成本都比较高，而且开发难度大，所以就没选择这两种。2.1.2显示器件的选择在选择显示元件时，有三种可供选择，分别为采用LED数码管进行动态扫描显示、采用LCD1602液晶显示屏和采用LCD12864液晶显示屏，但考虑到设计过程中的性价比要求等因素，我最后决定了采用性价比更高的LCD1602。2.1.3温度传感器的选择在选择温度传感器时，首先设想到的是考虑使用模拟温度传感器AD590来作为温度传感器，但是考虑到它成本高，并且在使用过程中需要对电流电压转换和A/D转换相对麻烦，同时这两个过程中也可能会对温度产生一定的误差，就没选择它REF_Ref30560\r\h[1]。后来又联想到了使用热敏电阻，但由于其成本高，并且热敏电阻的感温曲线不是严格的线性曲线如果用热敏电阻作为温度传感器的话可能会有很大的误差；后来我想到了数字温度传感器DS18B20，这种模拟温度传感器在设计上使用相对比较方便，而且使用这种传感器的成本比较低，电路也比较简单，同时它具有测量精度高，测量范围广等特性REF_Ref30752\r\h[2]。因此最后就是选择了一个数字化的DS18B20来作为进行温度信号采集的芯片。2.1.4数据存储芯片的选择由于在这次设计中所选择使用软件得到的整个数据库实时存储软件空间比较小，所以我们就能够选择直接使用一个位于单片机内部的软件EEPROM来直接进行整个数据库的实时存储，这样既不仅能够大大节省外围集成电路的大量安装，又而且能够大大降低设计成本。2.2系统总体方案本次设计我是在STC89C51单片机的基础上，使用了DS18B20来检测当前的室内温度，而后把检测到的当前室内温度的数值显示到液晶显示屏上。并且又另外添加几个按键，使得我们可以直接通过一个按键来自己设置想要设置的温度的最大值或是最小值，并且把所有的数据都保存到了单片机EEPROM中，从而达到了掉电数据存储的目标。当温度传感器检测得到的周围环境温度已经超过了设置的最高温度上限时，风扇就会进行全速旋转，LED灯打开，蜂鸣器就会自动报警；当监视到的环境气温低于设置的最高下限值时，跟超过上限一样蜂鸣器自动开始报警、LED灯打开，但是风扇不再运转；当环境温度处于设置的最高上下限范围内时，蜂鸣器停止报警、LED灯关闭，风扇保持中等速度旋转。设计的具体系统方案如图2.1所示。复位电路STC89C51主控芯片风扇控制电路复位电路STC89C51主控芯片风扇控制电路晶振电路蜂鸣器/LED提示电路晶振电路蜂鸣器/LED提示电路电源电路LCD1602显示电路电源电路LCD1602显示电路DS18B20温度采集电路DS18B20温度采集电路独立按键电路独立按键电路图2.1系统方案2.3本章小结本章在每个模块的器件都选择了多种，经过对比之后，选择出了最适合本次设计的器件，并且简单的描述了一下系统预定的要达成的设计目标。

第3章硬件的设计与实现3.1系统整体设计图3.1系统电路原理图图3.2PCB图智能温控制风扇的系统主要功能就是通过对单片机的分析温度传感器检测得到的当前环境中的温度信号来改变风扇转速，达到自己所想要的温度控制效果。该系统大致可以划分为:单片机最小系统、电源器件控制、温度信号采集、显示器控制、风扇驱动器控制电路、蜂鸣器电路、独立按键电路REF_Ref30860\r\h[3]。系统的电路原理框图及PCB结构框图如图3.1及图3.2所示。3.2系统硬件模块3.2.1单片机最小系统简单来说，单片机最小系统指的就是用最少的元器件组成的能够运行起来的单片机系统REF_Ref1629\r\h[4]。本设计所用的单片机为STC89C51单片机。它的封装图如图3.3所示。图3.3STC89C51单片机DIP封装图单片机中的晶振电路如图3.4所示。图3.4晶振电路第三就是复位电路，复位电路分为:上电自动复位和开关复位。图3.5中所示的复位电路就包括了这两种复位方式REF_Ref1776\r\h[5]。图3.5复位电路完整的单片机的电路图如图3.5所示。图3.6单片机最小系统3.2.2液晶显示电路设计LCD1602是工业字符型结晶，能够同时显示16*2个字符。控制LCD1602液晶显示器只需会对LCD1602进行读状态操作、写指令操作、读数据操作、写数据操作即可REF_Ref1916\r\h[6]。具体LCD1602电路图如图3.7所示。

图3.7LCD1602电路图3.2.3温度传感器的设计在本次的设计中，我使用了DS18B20温度传感器来检测当前的室内温度，它能够把检测到的温度数值在短时间内转化为数字信号REF_Ref2037\r\h[7]。DS18B20具有一种低负压的放电特性，也就是说当它的两个电源端的极接反时，它不会因为电池的过度发热而被放电烧毁，只是它不能按照正常模式工作，比较安全REF_Ref2158\r\h[8]REF_Ref30560\r\h。当使用DS18B20时，其I/O引脚与10k上拉电阻器相连REF_Ref2253\r\h[9]。具体的电路图如图3.8所示。图3.8DS18B20电路图表3.1DS18B20引脚说明引脚功能GNDDQVDD接地数据输入/输出引脚可选的VDD引脚按照它的的通讯协议，想要完成目标的操作需要先把它复位，完成后发送ROM指令，最后就可以发送RAM指令REF_Ref2360\r\h[10]。3.2.4风扇驱动电路的设计本设计中使用了小型风扇来模拟现实中的实际风扇，选择使用L9110S来带动发电机和风扇的转动。L9110S有着两个输入端和两个输出端，输出端就是连接到驱动电机，输入端连接到单片机上的IO接口，单片机只要在两个控制端同时输入两个相反的信号，就可以直接使得驱动电机正转或者反转REF_Ref22729\r\h[11]。当输入两个一样的信号时，电机将会自动保持电机处于暂时态或停止。它有着很强的电流驱动能力。它的引脚的特性如图3.9。图3.9L9110S引脚输入输出特性本设计的驱动电路图如图3.10所示，由于控制器的IB引脚是连接到一个低电平，所以想要电机开始运转的话就要在单片机的IO口输出高电平；而想要电机停止运转的话，就要输出低电平REF_Ref2556\r\h[12]。3.10驱动电路3.2.5蜂鸣器电路的设计在本次的设计中我选择了5V电磁式的有源电流蜂鸣器来实现报警功能，由于这种蜂鸣器的工作时的电流相对与平常的蜂鸣器来说要大一些，所以导致目前单片机的I/O口没有办法把它给进行直接驱动，因此我选择了使用三极管来对它进行间接驱动REF_Ref2661\r\h[13]。在本次设计中我使用了8550三极管。在基极上有一串联1k的直流电阻，这样就将其与一个单片的主机I/O口直接相连REF_Ref2791\r\h[14]。蜂鸣器的硬件集成电路硬件结构框图如下3.11所示。图3.11蜂鸣器电路3.2.6按键电路的设计本系统在整体设计中分别配备了一个同时带有按键交互控制电路，通过多个自动独立式控制按键之间合并进行了人机交互REF_Ref2919\r\h[15]。按键经一点与一个单片机I/O端口直接相连，再经一点与主机电源地一端相连REF_Ref3059\r\h[16]。三个按键当中第一个按键的功能是能够开始设置温度的上下限，按一次后是设置上限，按两次是设置下限；第二个按键和第三个按键的功能分别是在进入设置模式后，按下后是数值加一和减一。具体电路如图3.12所示。图3.12独立按键电路3.3本章小结本章简单介绍了这套智能温控风扇的硬件部分及其各个模块是如何实现和连接的，并阐述了总体硬件设计理念。并且介绍了各个模块所需要的器件以及能够实现的功能。

第4章系统软件部分设计4.1系统重要函数的设计4.1.1主函数的设计只要是作为一个完整的应用程序，那么在其中就必须包含着主函数voidmain()这个输入函数REF_Ref2556\r\h[12]。在对于主程序的函数编写和程序设计中我们经常需要特别注意的一点就是主程序函数中我们应当尽量避免和释放过多的函数代码，具体来说编写好的代码一般都可以认为是直接的先采用一个函数方式来对其代码进行一次封装之后再对整个主程序函数进行做出一次调用，这样也就变得可以更加方便我们随时阅读和进行修改。详细的任务流程框图见图4.1所示。图4.1主函数流程图4.1.2显示函数的设计LCD1602的液晶显示要先通过命令把需要显示地方的地址写入，在依次按照顺序吧这些数据写入进去。功能流程图如图4.2所示。图4.2显示子函数流程图4.1.3温度采集函数的设计温度传感器先将检测到的环境温度转换成电信号进行输出，单片机把接收到的数据计算之后，把计算的结果在液晶显示器显示出来REF_Ref3229\r\h[18]。数字温度测温模块首先初始化，而后读其序列号，发送跳过RAM信号，之后进行温度转换，转换完后对DS18B20数字温度测温模块进行复位，若无中断，则读取数据，若有中断，则继续回归到复位操作REF_Ref3333\r\h[19]。具体的流程框图如图4.3所示。图4.3DS18B20温度采集流程图4.2系统开发软件系统中的编程开发软件是采用了KeilC51软件，这个软件开发系统是完全兼容c语言的，而且c语言相对于汇编语言来说，它的编写语句更加简单灵活，编写的编程函数和软件模块的应用功能更加可以化和移植性强，因此c语言比它更加易学习和易用REF_Ref3392\r\h[20]。随着我国现如今通用单片机的研究开发和设计技术的不停进步，从目前普通人日常使用的高级汇编语言不断发展到使用中级编程语言的快速发展，单片机的钻研和设计应用编程软件正在不断地进步提高，而Keil软件是现在针对世界上用于使用人群最多，范围最广泛的51系列通用单片机所进行研究和设计的应用软件。系统使用界面如图4.4所示。图4.4Keil使用界面图4.3本章小结本章所讲的主要内容是这套智能温控风扇系统的整体软件设计以及液晶显示屏的显示函数的程序设计与温度采集模块的函数的设计的主要内容及流程图等。

第5章焊接与测试5.1智能风扇的制作5.1.1硬件实物图首先我们要对硬件电路中的电源元件、传感器和驱动元件等部分进行调试，在测量它们的电源元件时候最重要的一点就是检查它们的输入和电压能够满足要求；检查电机能够正常运转；以及LCD1602是否存在显示的不正常，若存在一个显示的不正常，就可能需要改变或者更换一个可以调整对比度的电阻。最后制作的硬件实物图如图5.1、图5.2所示。

图5.1硬件实物图（正）图5.2硬件实物图（反）5.1.2数据测试结果经过了多次的安装和调试，并且仔细地检查了各个硬件和电路是否完整，已经基本达到了系统的设计要求，达到了对温度的检测和控制范围。并且能够通过手动改变设置的温度值的上下限。硬件实测图如图5.3、图5.4和图5.5所示。图5.3硬件实测图（正常运转）图5.4硬件实测图（超上限）图5.5硬件实测图（超下限）5.2智能风扇测试在设计的各个部位焊接完成后，第一步要进行的就是检查电路存不存在没焊接上的位置或者有没有虚焊的地方，然后检查有方向要求的元器件在方向上有没有弄错。如果存在元器件方向错误或者是焊接错误就通过对比之前画好的PCB图把电路板检查一遍，检查各个漏焊元件和引脚都在真正的图片实物上看看是否真实存在。若发现没焊或者其他补焊缺位对不上则必须一定要及时地对其进行重新补焊对照以便及时确定自己是否漏焊了并应该及时对其进行重新补焊。通过温度计对室内的温度进行检测，然后与温度传感器检测出的结果进行比对，确认温度传感器是否准确。对比的结果如表5.1所示。实际温度检测温度误差值2323.250.251920.131.132121.570.571717.360.36通过以上的数据对比可以得到，误差值得范围在允许范围之内。器件连接检测没有问题后，上电运行设计，然后通过设置的按键调节设置好的上下限，确认是否能够按照