《基于單片機的電風扇溫度控制系統(tǒng)設計》7400字

第1章緒論1.1設計的目的及意義隨著近些年我國不斷地發(fā)展，當今社會對于產(chǎn)品質(zhì)量的要求也已經(jīng)變得越來越高，這就決定了各行各業(yè)都必須要求擁有精良高效、可靠性的裝備和技術才能滿足它們的要求，電風扇這類老式的家電在近些年來，曾經(jīng)一度被人誤解為會逐漸成為互聯(lián)網(wǎng)時代的一種淘汰品，會在新能源空調(diào)等相關產(chǎn)品受到?jīng)_擊后退出市場；但是電風扇卻因為它的價格低廉、體積輕巧以及便于擺放的優(yōu)勢而存活了下去。然而我國大多數(shù)家庭由于長期以來養(yǎng)成的家居消費觀念，使得電風扇在我國農(nóng)村或者貧困地區(qū)，甚至還有一些中小城市在將來很長一段時間里還會繼續(xù)占據(jù)很大的一部分市場份額。但老式家用電風扇的結(jié)構(gòu)和功能太過簡單，并且無法完全滿足現(xiàn)代人對于家電日益智能化的應用要求，所以，為了進一步地增強家用電風扇的國際市場競爭力，使得電風扇在相關技術含量上得到了提高，并且極大地增加了電風扇的安全性和使用的可靠性，讓得電風扇更多的人信賴，智能家用電風扇的概念就已經(jīng)被更多的人提了出來。但是，傳統(tǒng)的電風扇卻仍然具有著很多的不足，比如:傳統(tǒng)的電風扇只能通過人們手動調(diào)節(jié)檔位來改變風速，并不能自動地調(diào)節(jié)風速，尤其是在一些年輕人們正處于熟睡中的時候，電風扇仍然保持著高轉(zhuǎn)速，使得溫度降到適宜溫度后仍然在繼續(xù)運行，這不僅會增加用電消耗，還可能讓人患上感冒等病癥，尤其是對于那些到晚上就降溫很嚴重的地方來說，這無疑是一個很大的缺點，會導致電風扇損失非常大一部分市場份額；第二就是傳統(tǒng)家用電風扇在開啟定時模式的時候一般都會有一陣陣的嗡嗡聲，會導致使一部分喜靜的年輕人心生煩悶，在夜間甚至可能會嚴重影響到人們的正常睡眠和工作質(zhì)量，并且由于傳統(tǒng)家用電風扇的定時模式適應的范圍有限，并不能完全滿足現(xiàn)代人的需要，這使傳統(tǒng)電風扇的市場份額進一步縮小。考慮到以上所說的種種弊端，我就設計了這款智能溫控風扇。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在目前我國農(nóng)村和一些貧困地區(qū)及一些中小城市，電風扇還是有著很廣闊的市場前景，所以在當今我國關于風扇產(chǎn)品的智能化這方面還是非常積極的。智能型電風扇己經(jīng)在我們中小企業(yè)開始逐步地投入到市場，目前在我國的智能型電風扇這個領域的應用技術己經(jīng)算得比較成熟。接下來一個階段的研發(fā)重點將會在于如何使得電風扇更加人性化和智能化，并且可以更好地適應不同年齡層的人們。 相對于我國來說，國外對于智能電風扇這一技術應用方面的相關探索和應用研究雖然并不是那么積極，但國外在對于智能化家用電器這一技術應用方面的相關探索和應用研究卻比我國更進一步。"打造智能化家用電器"這一技術概念主要應該包含以下三個基本技術層次:一是一個智能化的家用電器相關元件，還有就是一個智能化的電力開關柜以及一個智能化的電力供配電控制系統(tǒng)。一個非常智能化的電源開關柜不僅可以同時容納多臺電源斷路器，并且對整個供電控制系統(tǒng)的短路控制和其他用電保護裝置之間也是有著非常緊密的相互聯(lián)系。而這兩個不同層次上的配電服務系統(tǒng)管理智能化網(wǎng)絡建設管理工作的主要任務目標其實就是:進一步不斷完善配電系統(tǒng)網(wǎng)絡的管理功能，以及盡可能多地逐步提高配電管理系統(tǒng)以及其他各類用電管理裝置的智能自動化管理程度。1.3課題研究的內(nèi)容

本設計的智能風扇是通過采集外部的環(huán)境溫度，然后將其轉(zhuǎn)化為電信號傳送到主控芯片，讓主控芯片檢查數(shù)值是否超過之前設置好的閾值，如果超過就發(fā)出報警信號并且調(diào)整風扇的轉(zhuǎn)速，沒有的話就照常運轉(zhuǎn)。這次設計的主要內(nèi)容包括硬件和軟件部分的設計和最后的系統(tǒng)的綜合調(diào)試。在硬件部分主要就是計劃好想要實現(xiàn)什么功能，打算選擇什么器件來實現(xiàn)這些功能，和完成這些功能的模塊之間的電路的設計。軟件部分就是對選用的器件的控制程序進行編寫，保證這些器件能夠?qū)崿F(xiàn)它們的功能。最后制作出來的作品進行檢測，檢查它是否能夠?qū)崿F(xiàn)之前目標的功能，根據(jù)檢查的結(jié)果進行調(diào)整，最后達到設計需求。1.4本章小結(jié)

本章主要討論了電風扇這種商品的現(xiàn)狀、國內(nèi)外對它的研發(fā)與市場以及智能溫控電風扇的發(fā)展趨勢及批量生產(chǎn)的可能性，對本篇文章進行整體的概述，并簡單描述了本設計的內(nèi)容。

第2章系統(tǒng)硬件選擇2.1硬件的選擇2.1.1主控芯片的選擇在選擇主控控制器件時，考慮到STC89C51單片機的開發(fā)簡單、在線編程下載、費用少、價格便宜等諸多優(yōu)點，在最后我還是決定了使用STC89C51單片機。在這之前我還考慮過MSP430單片機和PIC16F877A單片機，但是這兩種的單片機的成本都比較高，而且開發(fā)難度大，所以就沒選擇這兩種。2.1.2顯示器件的選擇在選擇顯示元件時，有三種可供選擇，分別為采用LED數(shù)碼管進行動態(tài)掃描顯示、采用LCD1602液晶顯示屏和采用LCD12864液晶顯示屏，但考慮到設計過程中的性價比要求等因素，我最后決定了采用性價比更高的LCD1602。2.1.3溫度傳感器的選擇在選擇溫度傳感器時，首先設想到的是考慮使用模擬溫度傳感器AD590來作為溫度傳感器，但是考慮到它成本高，并且在使用過程中需要對電流電壓轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換相對麻煩，同時這兩個過程中也可能會對溫度產(chǎn)生一定的誤差，就沒選擇它REF_Ref30560\r\h[1]。后來又聯(lián)想到了使用熱敏電阻，但由于其成本高，并且熱敏電阻的感溫曲線不是嚴格的線性曲線如果用熱敏電阻作為溫度傳感器的話可能會有很大的誤差；后來我想到了數(shù)字溫度傳感器DS18B20，這種模擬溫度傳感器在設計上使用相對比較方便，而且使用這種傳感器的成本比較低，電路也比較簡單，同時它具有測量精度高，測量范圍廣等特性REF_Ref30752\r\h[2]。因此最后就是選擇了一個數(shù)字化的DS18B20來作為進行溫度信號采集的芯片。2.1.4數(shù)據(jù)存儲芯片的選擇由于在這次設計中所選擇使用軟件得到的整個數(shù)據(jù)庫實時存儲軟件空間比較小，所以我們就能夠選擇直接使用一個位于單片機內(nèi)部的軟件EEPROM來直接進行整個數(shù)據(jù)庫的實時存儲，這樣既不僅能夠大大節(jié)省外圍集成電路的大量安裝，又而且能夠大大降低設計成本。2.2系統(tǒng)總體方案本次設計我是在STC89C51單片機的基礎上，使用了DS18B20來檢測當前的室內(nèi)溫度，而后把檢測到的當前室內(nèi)溫度的數(shù)值顯示到液晶顯示屏上。并且又另外添加幾個按鍵，使得我們可以直接通過一個按鍵來自己設置想要設置的溫度的最大值或是最小值，并且把所有的數(shù)據(jù)都保存到了單片機EEPROM中，從而達到了掉電數(shù)據(jù)存儲的目標。當溫度傳感器檢測得到的周圍環(huán)境溫度已經(jīng)超過了設置的最高溫度上限時，風扇就會進行全速旋轉(zhuǎn)，LED燈打開，蜂鳴器就會自動報警；當監(jiān)視到的環(huán)境氣溫低于設置的最高下限值時，跟超過上限一樣蜂鳴器自動開始報警、LED燈打開，但是風扇不再運轉(zhuǎn)；當環(huán)境溫度處于設置的最高上下限范圍內(nèi)時，蜂鳴器停止報警、LED燈關閉，風扇保持中等速度旋轉(zhuǎn)。設計的具體系統(tǒng)方案如圖2.1所示。復位電路STC89C51主控芯片風扇控制電路復位電路STC89C51主控芯片風扇控制電路晶振電路蜂鳴器/LED提示電路晶振電路蜂鳴器/LED提示電路電源電路LCD1602顯示電路電源電路LCD1602顯示電路DS18B20溫度采集電路DS18B20溫度采集電路獨立按鍵電路獨立按鍵電路圖2.1系統(tǒng)方案2.3本章小結(jié)本章在每個模塊的器件都選擇了多種，經(jīng)過對比之后，選擇出了最適合本次設計的器件，并且簡單的描述了一下系統(tǒng)預定的要達成的設計目標。

第3章硬件的設計與實現(xiàn)3.1系統(tǒng)整體設計圖3.1系統(tǒng)電路原理圖圖3.2PCB圖智能溫控制風扇的系統(tǒng)主要功能就是通過對單片機的分析溫度傳感器檢測得到的當前環(huán)境中的溫度信號來改變風扇轉(zhuǎn)速，達到自己所想要的溫度控制效果。該系統(tǒng)大致可以劃分為:單片機最小系統(tǒng)、電源器件控制、溫度信號采集、顯示器控制、風扇驅(qū)動器控制電路、蜂鳴器電路、獨立按鍵電路REF_Ref30860\r\h[3]。系統(tǒng)的電路原理框圖及PCB結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1及圖3.2所示。3.2系統(tǒng)硬件模塊3.2.1單片機最小系統(tǒng)簡單來說，單片機最小系統(tǒng)指的就是用最少的元器件組成的能夠運行起來的單片機系統(tǒng)REF_Ref1629\r\h[4]。本設計所用的單片機為STC89C51單片機。它的封裝圖如圖3.3所示。圖3.3STC89C51單片機DIP封裝圖單片機中的晶振電路如圖3.4所示。圖3.4晶振電路第三就是復位電路，復位電路分為:上電自動復位和開關復位。圖3.5中所示的復位電路就包括了這兩種復位方式REF_Ref1776\r\h[5]。圖3.5復位電路完整的單片機的電路圖如圖3.5所示。圖3.6單片機最小系統(tǒng)3.2.2液晶顯示電路設計LCD1602是工業(yè)字符型結(jié)晶，能夠同時顯示16*2個字符?？刂芁CD1602液晶顯示器只需會對LCD1602進行讀狀態(tài)操作、寫指令操作、讀數(shù)據(jù)操作、寫數(shù)據(jù)操作即可REF_Ref1916\r\h[6]。具體LCD1602電路圖如圖3.7所示。

圖3.7LCD1602電路圖3.2.3溫度傳感器的設計在本次的設計中，我使用了DS18B20溫度傳感器來檢測當前的室內(nèi)溫度，它能夠把檢測到的溫度數(shù)值在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號REF_Ref2037\r\h[7]。DS18B20具有一種低負壓的放電特性，也就是說當它的兩個電源端的極接反時，它不會因為電池的過度發(fā)熱而被放電燒毀，只是它不能按照正常模式工作，比較安全REF_Ref2158\r\h[8]REF_Ref30560\r\h。當使用DS18B20時，其I/O引腳與10k上拉電阻器相連REF_Ref2253\r\h[9]。具體的電路圖如圖3.8所示。圖3.8DS18B20電路圖表3.1DS18B20引腳說明引腳功能GNDDQVDD接地數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳可選的VDD引腳按照它的的通訊協(xié)議，想要完成目標的操作需要先把它復位，完成后發(fā)送ROM指令，最后就可以發(fā)送RAM指令REF_Ref2360\r\h[10]。3.2.4風扇驅(qū)動電路的設計本設計中使用了小型風扇來模擬現(xiàn)實中的實際風扇，選擇使用L9110S來帶動發(fā)電機和風扇的轉(zhuǎn)動。L9110S有著兩個輸入端和兩個輸出端，輸出端就是連接到驅(qū)動電機，輸入端連接到單片機上的IO接口，單片機只要在兩個控制端同時輸入兩個相反的信號，就可以直接使得驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)REF_Ref22729\r\h[11]。當輸入兩個一樣的信號時，電機將會自動保持電機處于暫時態(tài)或停止。它有著很強的電流驅(qū)動能力。它的引腳的特性如圖3.9。圖3.9L9110S引腳輸入輸出特性本設計的驅(qū)動電路圖如圖3.10所示，由于控制器的IB引腳是連接到一個低電平，所以想要電機開始運轉(zhuǎn)的話就要在單片機的IO口輸出高電平；而想要電機停止運轉(zhuǎn)的話，就要輸出低電平REF_Ref2556\r\h[12]。3.10驅(qū)動電路3.2.5蜂鳴器電路的設計在本次的設計中我選擇了5V電磁式的有源電流蜂鳴器來實現(xiàn)報警功能，由于這種蜂鳴器的工作時的電流相對與平常的蜂鳴器來說要大一些，所以導致目前單片機的I/O口沒有辦法把它給進行直接驅(qū)動，因此我選擇了使用三極管來對它進行間接驅(qū)動REF_Ref2661\r\h[13]。在本次設計中我使用了8550三極管。在基極上有一串聯(lián)1k的直流電阻，這樣就將其與一個單片的主機I/O口直接相連REF_Ref2791\r\h[14]。蜂鳴器的硬件集成電路硬件結(jié)構(gòu)框圖如下3.11所示。圖3.11蜂鳴器電路3.2.6按鍵電路的設計本系統(tǒng)在整體設計中分別配備了一個同時帶有按鍵交互控制電路，通過多個自動獨立式控制按鍵之間合并進行了人機交互REF_Ref2919\r\h[15]。按鍵經(jīng)一點與一個單片機I/O端口直接相連，再經(jīng)一點與主機電源地一端相連REF_Ref3059\r\h[16]。三個按鍵當中第一個按鍵的功能是能夠開始設置溫度的上下限，按一次后是設置上限，按兩次是設置下限；第二個按鍵和第三個按鍵的功能分別是在進入設置模式后，按下后是數(shù)值加一和減一。具體電路如圖3.12所示。圖3.12獨立按鍵電路3.3本章小結(jié)本章簡單介紹了這套智能溫控風扇的硬件部分及其各個模塊是如何實現(xiàn)和連接的，并闡述了總體硬件設計理念。并且介紹了各個模塊所需要的器件以及能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。

第4章系統(tǒng)軟件部分設計4.1系統(tǒng)重要函數(shù)的設計4.1.1主函數(shù)的設計只要是作為一個完整的應用程序，那么在其中就必須包含著主函數(shù)voidmain()這個輸入函數(shù)REF_Ref2556\r\h[12]。在對于主程序的函數(shù)編寫和程序設計中我們經(jīng)常需要特別注意的一點就是主程序函數(shù)中我們應當盡量避免和釋放過多的函數(shù)代碼，具體來說編寫好的代碼一般都可以認為是直接的先采用一個函數(shù)方式來對其代碼進行一次封裝之后再對整個主程序函數(shù)進行做出一次調(diào)用，這樣也就變得可以更加方便我們隨時閱讀和進行修改。詳細的任務流程框圖見圖4.1所示。圖4.1主函數(shù)流程圖4.1.2顯示函數(shù)的設計LCD1602的液晶顯示要先通過命令把需要顯示地方的地址寫入，在依次按照順序吧這些數(shù)據(jù)寫入進去。功能流程圖如圖4.2所示。圖4.2顯示子函數(shù)流程圖4.1.3溫度采集函數(shù)的設計溫度傳感器先將檢測到的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成電信號進行輸出，單片機把接收到的數(shù)據(jù)計算之后，把計算的結(jié)果在液晶顯示器顯示出來REF_Ref3229\r\h[18]。數(shù)字溫度測溫模塊首先初始化，而后讀其序列號，發(fā)送跳過RAM信號，之后進行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完后對DS18B20數(shù)字溫度測溫模塊進行復位，若無中斷，則讀取數(shù)據(jù)，若有中斷，則繼續(xù)回歸到復位操作REF_Ref3333\r\h[19]。具體的流程框圖如圖4.3所示。圖4.3DS18B20溫度采集流程圖4.2系統(tǒng)開發(fā)軟件系統(tǒng)中的編程開發(fā)軟件是采用了KeilC51軟件，這個軟件開發(fā)系統(tǒng)是完全兼容c語言的，而且c語言相對于匯編語言來說，它的編寫語句更加簡單靈活，編寫的編程函數(shù)和軟件模塊的應用功能更加可以化和移植性強，因此c語言比它更加易學習和易用REF_Ref3392\r\h[20]。隨著我國現(xiàn)如今通用單片機的研究開發(fā)和設計技術的不停進步，從目前普通人日常使用的高級匯編語言不斷發(fā)展到使用中級編程語言的快速發(fā)展，單片機的鉆研和設計應用編程軟件正在不斷地進步提高，而Keil軟件是現(xiàn)在針對世界上用于使用人群最多，范圍最廣泛的51系列通用單片機所進行研究和設計的應用軟件。系統(tǒng)使用界面如圖4.4所示。圖4.4Keil使用界面圖4.3本章小結(jié)本章所講的主要內(nèi)容是這套智能溫控風扇系統(tǒng)的整體軟件設計以及液晶顯示屏的顯示函數(shù)的程序設計與溫度采集模塊的函數(shù)的設計的主要內(nèi)容及流程圖等。

第5章焊接與測試5.1智能風扇的制作5.1.1硬件實物圖首先我們要對硬件電路中的電源元件、傳感器和驅(qū)動元件等部分進行調(diào)試，在測量它們的電源元件時候最重要的一點就是檢查它們的輸入和電壓能夠滿足要求；檢查電機能夠正常運轉(zhuǎn)；以及LCD1602是否存在顯示的不正常，若存在一個顯示的不正常，就可能需要改變或者更換一個可以調(diào)整對比度的電阻。最后制作的硬件實物圖如圖5.1、圖5.2所示。

圖5.1硬件實物圖（正）圖5.2硬件實物圖（反）5.1.2數(shù)據(jù)測試結(jié)果經(jīng)過了多次的安裝和調(diào)試，并且仔細地檢查了各個硬件和電路是否完整，已經(jīng)基本達到了系統(tǒng)的設計要求，達到了對溫度的檢測和控制范圍。并且能夠通過手動改變設置的溫度值的上下限。硬件實測圖如圖5.3、圖5.4和圖5.5所示。圖5.3硬件實測圖（正常運轉(zhuǎn)）圖5.4硬件實測圖（超上限）圖5.5硬件實測圖（超下限）5.2智能風扇測試在設計的各個部位焊接完成后，第一步要進行的就是檢查電路存不存在沒焊接上的位置或者有沒有虛焊的地方，然后檢查有方向要求的元器件在方向上有沒有弄錯。如果存在元器件方向錯誤或者是焊接錯誤就通過對比之前畫好的PCB圖把電路板檢查一遍，檢查各個漏焊元件和引腳都在真正的圖片實物上看看是否真實存在。若發(fā)現(xiàn)沒焊或者其他補焊缺位對不上則必須一定要及時地對其進行重新補焊對照以便及時確定自己是否漏焊了并應該及時對其進行重新補焊。通過溫度計對室內(nèi)的溫度進行檢測，然后與溫度傳感器檢測出的結(jié)果進行比對，確認溫度傳感器是否準確。對比的結(jié)果如表5.1所示。實際溫度檢測溫度誤差值2323.250.251920.131.132121.570.571717.360.36通過以上的數(shù)據(jù)對比可以得到，誤差值得范圍在允許范圍之內(nèi)。器件連接檢測沒有問題后，上電運行設計，然后通過設置的按鍵調(diào)節(jié)設置好的上下限，確認是否能夠按照