自動溫控制電風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計

I 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）本科畢業(yè)論文（設(shè)計） (2015(2015 屆屆) ) 自動溫控制電風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計 院 系 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 姓 名 尤元志 指導(dǎo)教師 申遠 副教授 2015 年 4 月 學(xué)號：1108441081 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） I 摘 要 炎炎夏日酷熱難耐，如今人們發(fā)明了空調(diào)降暑，但是空調(diào)吹出的涼爽并不是自然風(fēng)，無益于 人們的生活健康，而且空調(diào)比較耗電，并不經(jīng)濟。電風(fēng)扇作為傳統(tǒng)的降溫加電有其獨特的降溫優(yōu)點， 吹出的自然風(fēng)讓人心曠神怡，而且經(jīng)濟實惠。而且考慮到傳統(tǒng)的風(fēng)扇只分為幾個檔位的調(diào)速，只能在 一個檔位上以固定的速度轉(zhuǎn)動，無法根據(jù)外界的溫度來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，來送出給人們合適的風(fēng)速。根據(jù)以 上的情況，我們設(shè)計了自動溫度控制風(fēng)扇，此風(fēng)扇的主要核心是 AT89C51 單片機，至于外界的溫度探 測我們使用溫度傳感器 DS18B20。本次設(shè)計出的風(fēng)扇主要想達到的預(yù)期目標(biāo)功能為：首先我們設(shè)置了初 始溫度范圍，當(dāng)按下開關(guān)時，溫度就自動的設(shè)置在初始溫度 24 度29 度，如果外界溫度高于設(shè)定的溫 度電風(fēng)扇進行全速運轉(zhuǎn)，如果外界溫度在設(shè)定的低溫與高溫之間風(fēng)扇就會降速運轉(zhuǎn)，若外界溫度低于 初始設(shè)定的低溫時，風(fēng)扇則停止工作。至于如何能通過視覺直觀的看見外界的溫度則采用了數(shù)碼管顯 示外界的溫度，而且可以顯示出我們所設(shè)置的溫度范圍，同時加減鍵可以控制溫度設(shè)定溫度版塊的退 出。 本設(shè)計闡述了溫控風(fēng)扇的工作原理，硬件設(shè)計，軟件實現(xiàn)過程。本設(shè)計的原理比較簡單，采用 的元器件從功能的實現(xiàn)能力和經(jīng)濟出發(fā)，做到了經(jīng)濟實惠，而且簡單易操作。 關(guān)鍵詞:溫度傳感器 DS18B20，單片機，風(fēng)扇，直流電機 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） II Abstract Hot summer is unbearably, and now people invented air conditioning down summer, but the air conditioning was not naturally cool wind blowing, is not good to healthy peoples lives, and air conditioning more power, not economic. As a traditional cooling fan powered cooling has its unique advantages, natural wind blowing people feel good, and affordable. And taking into account traditional fans were divided into several stalls governor, only to fixed speed rotation in a stall, unable to adjust the speed according to the outside temperature, to send to the people the right wind. Based on the above, we designed an automatic temperature control fan, the main core of this fan is AT89C51 microcontroller, as we use the outside temperature probe temperature sensor DS18B20. The design of the fan mainly want to achieve the desired objectives functions: First, we set the initial temperature range, when the switch is pressed, the temperature is automatically set at an initial temperature of 24 degrees to 29 degrees, if the outside temperature is higher than the set The temperature of the fans were running at full speed, if the outside temperature is between the low and high temperature setting fan will slow down the operation, if the outside temperature is below the low initial setting, the fan dose not work. As to how to see the world through the intuitive visual temperature is adopted digital display outside temperature, and shows that we can set the temperature range, the temperature may be controlled while subtraction key set temperature area exit. This design describes the working principle of temperature-controlled fan, hardware, software . The principle of the design is relatively simple, using components from the ability to achieve and economic functions of departure, so that affordable, and easy to operate. Keywords: temperature sensor DS18B20, SCM, fan, DC motors 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） III 目 錄 摘摘 要要I ABSTRACTABSTRACT.II 目目 錄錄III 1 1 緒論緒論1 1.1 課題研究的背景 1 1.2 研究的主要內(nèi)容 1 1.3 應(yīng)解決的關(guān)鍵問題 2 2 2 方案論證方案論證 .2 2.1 溫度傳感器的選用 2 2.2 控制核心的選擇 3 2.3 顯示器的選擇 3 2.4 調(diào)速方式 3 2.5 控制執(zhí)行部件 4 2.6 總體方案選擇 4 3 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計5 3.1 硬件電路設(shè)計概述 5 3.2 單片機電路設(shè)計.5 3.3 復(fù)位電路的設(shè)計 6 3.4 時鐘電路設(shè)計 7 3.5 溫度檢測和顯示電路 7 3.6 電機調(diào)速 9 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） IV 4 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計.10 4.1 主程序模塊 .10 4.2 數(shù)字傳感器模塊和顯示子模塊 .11 4.3 電機調(diào)速與控制子模塊 .13 5 5 聯(lián)調(diào)與測試聯(lián)調(diào)與測試.14 5.15.1 仿真仿真 .14 5.25.2 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 .15 結(jié)論結(jié)論.18 參考文獻參考文獻.19 附錄附錄 A A：系統(tǒng)原理圖：系統(tǒng)原理圖 .20 錄錄錄錄 B B：系統(tǒng)仿真圖：系統(tǒng)仿真圖 .21 附錄附錄 C C：系統(tǒng)：系統(tǒng) PCBPCB 圖和實物圖圖和實物圖 .22 附錄附錄 D D：系統(tǒng)源程序：系統(tǒng)源程序 .24 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 1 1 緒論緒論 1.11.1 課題研究的背景課題研究的背景 隨著科技的發(fā)展，空調(diào)的性能越來越好，既能升溫又能制造涼爽，而且價格方面持續(xù)下降，因此空調(diào)越 來越受到人們的親睞，與空調(diào)相比同樣有制冷效果的電風(fēng)扇的人氣日趨下降。人們因此認(rèn)為電風(fēng)扇終將被空調(diào)所 取而代之，風(fēng)扇的產(chǎn)業(yè)終將不復(fù)存在。事實真的是這樣嗎，作為有些業(yè)內(nèi)有遠見的人士則認(rèn)為，家用的電風(fēng)扇并 不會因為空調(diào)性能價格的優(yōu)勢從市場上消失，反而最近幾年風(fēng)扇的銷量在穩(wěn)步上升。出現(xiàn)此種情況的主要原因是 空調(diào)雖然可以有很好的降溫效果，但是它的降溫制冷是迅速的降溫，對于孩子和老人來說，免疫力不是很好，溫 度的驟降更容易導(dǎo)致他們感冒，考慮如此他們更愿意選擇吹出自然風(fēng)的風(fēng)扇，因為風(fēng)扇吹出的風(fēng)更溫和舒適。而 且電風(fēng)扇在價格方面有絕對的優(yōu)勢，空調(diào)價格再低再降，也不會低于家用風(fēng)扇的價格。風(fēng)扇在耗電量上也是空調(diào) 所無法媲美的，總所周知，空調(diào)的耗電量相對來說還是比較大的，且風(fēng)扇的構(gòu)造簡單易操作易安裝。 隨著人們對對生活質(zhì)量的要求越來越高，傳統(tǒng)的電風(fēng)扇已經(jīng)無法滿足人們高質(zhì)量生活的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)代科技 逐步向智能化發(fā)展，人們更青睞于自動化的操作，因此由微特電機作為主控制的風(fēng)扇應(yīng)運而生。 生活中我們經(jīng)常會遇到很多設(shè)備都與溫度相關(guān)，現(xiàn)在人們的生活條件都上升了，越來越多的家庭用上了 空調(diào)，但是在中國這個發(fā)展中國家，絕大部分的中國農(nóng)村家庭還是使用著傳統(tǒng)的家庭風(fēng)扇來降溫避暑，風(fēng)扇占領(lǐng) 了市場的半壁江山，中國四季分明，春夏交替時節(jié)晝夜溫度的差別比較大，白天溫度很高，人們需要風(fēng)扇高速轉(zhuǎn) 動來降低溫度，但是到了晚上氣溫有所下降，此時的風(fēng)扇我們所希望的是它能降低轉(zhuǎn)速，防止高風(fēng)速使人著涼感 冒，但是晚上人們正在熟睡，無法控制風(fēng)扇的檔位，人們就考慮采用設(shè)置定時的裝置，來定時關(guān)閉風(fēng)扇，但是這 種做法時間有很大的限制，有時候夜幕溫度并沒有降低到人們舒適熟睡的溫度，風(fēng)扇就被定時裝置所關(guān)閉。人們 就會被迫起床去重新啟動風(fēng)扇，這樣影響了人們的睡眠質(zhì)量，也影響了人們的心情，而且再次起床重新定時有可 能這一次設(shè)置的時間比較長，當(dāng)夜幕溫度已經(jīng)降的比較低的時候，風(fēng)扇還在繼續(xù)吹，這樣比較容易使人感冒。考 慮到這些，為了給人們一個舒適的溫度環(huán)境和睡眠，我們設(shè)計了自動溫度控制風(fēng)扇，此種風(fēng)扇精度高動作迅速， 能根據(jù)外界的溫度做出不同的動作，當(dāng)外界溫度比較高時風(fēng)扇就會全速轉(zhuǎn)動，達到最高風(fēng)速，當(dāng)外界溫度在我們 設(shè)定的溫度范圍之間時，風(fēng)扇就會中速轉(zhuǎn)動，當(dāng)外界溫度低于我們設(shè)定的最低溫度時，風(fēng)扇就會自動關(guān)閉停止轉(zhuǎn) 動。此風(fēng)扇的靈魂系統(tǒng)則是單片機和溫度傳感器，同時此系統(tǒng)也集成了數(shù)碼顯示能顯示實時的外界溫度和所設(shè)定 的初始溫度范圍。 1.21.2 研究的主要內(nèi)容研究的主要內(nèi)容 本設(shè)計的核心靈魂器件是單片機 AT89C51，對于外界的溫度探測我們選用了溫度傳感器 DS18B20，從而設(shè)計構(gòu) 成了風(fēng)扇自動控制系統(tǒng)的主要框架，對外界溫度進行及時檢測，風(fēng)扇自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，輸送舒適風(fēng)。實現(xiàn)“溫度高、 風(fēng)力大、溫度低、風(fēng)力弱”的性能。另外，系統(tǒng)的各個模塊的關(guān)閉和啟動則由紅外接收和發(fā)射裝置來實現(xiàn)控制操 作和遙控。用戶可以設(shè)定一個溫度范圍最低工作溫度和最高溫度之間，在外界溫度低于設(shè)定的最低溫度時，風(fēng)扇 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 不工作，當(dāng)室內(nèi)溫度在所設(shè)定的溫度之間時候，風(fēng)扇中速轉(zhuǎn)動，當(dāng)室內(nèi)的溫度大雨我們最初設(shè)定的最高溫度上限 時，風(fēng)扇被輸入最大電壓，轉(zhuǎn)速最快，給人輸送最大風(fēng)力，及時降溫。 本設(shè)計主要內(nèi)容如下： (1)設(shè)定兩個檔次的風(fēng)速，由用戶通過鍵盤來設(shè)置 (2)當(dāng)室內(nèi)的溫度低于開始設(shè)定溫度溫度范圍的最低值的時候,風(fēng)扇自動斷電關(guān)閉停止工作。 (3)當(dāng)外界溫度探測到在所設(shè)定的工作溫度范圍內(nèi)的時候,風(fēng)扇以慢速轉(zhuǎn)動。 (4)當(dāng)外界的溫度比所設(shè)定的溫度上限高的時侯,風(fēng)扇以最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)輸送強勁風(fēng)力。 1.31.3 應(yīng)解決的關(guān)鍵問題應(yīng)解決的關(guān)鍵問題 1、對主要硬件電路設(shè)計焊接。 2、焊接技術(shù)的熟練要多練習(xí)，以防在實物焊接時候造成物件損壞帶來損失。 3、再者在電路板上電子元器件的合理排列。 2 2 方案論證方案論證 本設(shè)計要實現(xiàn)通過溫度的變化來改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動的速度，這樣它就需要有較高的精確度，較高的分辨率，能 夠在外界溫度變化時做出自己的動作。而且在風(fēng)扇換擋或停機時要安全可靠穩(wěn)定。同時考慮元器件的經(jīng)濟成本， 以最低的成本來達到設(shè)計的成功。 2 21 1 溫度傳感器的選用溫度傳感器的選用 選擇溫度傳感器的方案如下： 方案一：人們都知道熱敏電阻可感測溫度，因此方案一我們就用熱敏電阻來做核心元件來感測室溫，通過運 算放大器放大由于溫度變化引起熱敏電阻電阻的變化、進而導(dǎo)至的輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再通過模 數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)化變?yōu)閿?shù)字信號再輸入到我們的單片機進行處理。 方案二：還有一種感測溫度的方法就是用熱電偶來探測外界溫度，同時使用橋式電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和放大 電路，外界溫度細微的變化信號輸給單片機的內(nèi)部進行分析和處理。 方案三：方案三我們可以直接用溫度傳感器 DS18B20 來探測室溫，該器件的優(yōu)點就是它非常簡單，它直接就 通過數(shù)字的形式輸出溫度信號發(fā)送給單片機，接下來的信號處理就交給單片機。 對于方案一，在經(jīng)濟方面考慮熱敏電阻它比較便宜，而且它比較普遍很容易得到，但是對于溫度控制風(fēng)扇對 于溫度的精確性要求，它也有很多的致命性缺點，熱敏電阻的精確性不高，無法探測外界溫度的細微變化，在它 采集信號、把信號放大和轉(zhuǎn)換的時候會產(chǎn)生較大的誤差和失真，并且大家都知道熱敏電阻的 R-T 關(guān)系并不是線性 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 3 的而是非線性的，因而它本身的性質(zhì)對于溫度的變化就會產(chǎn)生各種誤差，雖然可以通過一定的電路方案來糾正靠 近準(zhǔn)確，但這種糾正畢竟是有限的，而且還會使電路系統(tǒng)更為復(fù)雜。故而我們排除了此種方案。 對于方案二，方案二為了提高器件對于溫度的敏感和器件的線性降低器件非線性的誤差，我們采用了熱電偶 配合橋式測量電路來測量溫度，它的測量溫度范圍很廣，測量范圍最低可以達到零下 50 攝氏度最高的溫度它可以 達到到 1600 攝氏度。但是它的電路也是比較復(fù)雜的，溫度的分辨率依然很低，遠遠達不到我們所設(shè)計溫度控制系 統(tǒng)的要求。因此我們也排出了此種方案的可能性。 對于方案三，方案三我們用到了溫度傳感器 DS18B20，它具有數(shù)字式高度集成的特點，大幅度的削減了轉(zhuǎn)換 電路和外界電路的誤差。它的探測溫度的原理與以上的方案都不同，有很大的質(zhì)的區(qū)別，它對溫度的高分辨率就 是它突出的的優(yōu)點。且此器件用了很先進的單總線技術(shù)，因此與單片機的接口簡單、簡潔、方便，同時提高了抗 干擾能力。DS18B20 的詳細參數(shù)介紹可以在下面“硬件設(shè)計”中的器件介紹中查看。 2 22 2 控制核心的選擇控制核心的選擇 方案一：方案一我們用電壓比較電路來控制。熱敏電阻或熱電偶作為溫度傳感器，把溫度的信號變化為電信 號再把電信號放大，再用集成運放組成比較電路判斷并且控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的速，根據(jù)探測到的外界溫度高低處于某 個時將把風(fēng)扇的檔位變化到不同的檔位，達到適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速轉(zhuǎn)動。 方案二：用單片機來實現(xiàn)控制。至于溫度的判斷可以通過軟件的編程來實現(xiàn)，并通過端口來輸出信號進行控 制。 對于方案一，方案一的電路設(shè)計并不復(fù)雜比較簡單采，很容易于實現(xiàn)設(shè)計要求，并且省去了編寫軟件程序的 復(fù)雜過程，但是方案一的設(shè)計太單一單調(diào)，無法實現(xiàn)自由易操作的設(shè)置所需要的上下限溫度范圍，對于不同環(huán)境 下用戶有不同的要求無法實現(xiàn)不同的溫度動作，因而此種方案并不理想。 對于方案二，此方案用單片機來控制，并且編寫程序，它能把傳感器探測到的外界溫度通過顯示電路來直觀 的顯示出來，給人直觀的感受，而且用戶對于不同的溫度要求可以通過接口鍵盤自由的設(shè)定，滿足用戶對自動化 智能化的全面需求。并且程序判斷溫度還有個明顯的優(yōu)點，那就是探測溫度的精確度有很大的提升，對周圍環(huán)境 細小的溫度變化都能精確的探測。所以我們采用方案二來實現(xiàn)設(shè)計。 2 23 3 顯示電路顯示電路的選擇的選擇 方案一：采用五位共陽數(shù)碼管顯示溫度，動態(tài)掃描顯示方式。 方案二：采用液晶顯示屏 LCD 顯示溫度 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 對于方案一，方案一最大的突出優(yōu)點就是成本低，而且溫度的顯示比較直觀，同時發(fā)光夜晚也可以較清晰地 看見，消耗電能很低，編寫顯示驅(qū)動的程序也是比較簡單。但是它也有一個小小的缺點，就是掃描顯示方式是使 五個 LED 順序點亮，故而它會閃爍顯示。但是我們可以根據(jù)人類眼睛視覺特點察覺，來增大數(shù)碼管的掃描周期， 消除閃爍影響。 對于方案二，方案二我們采用了液晶體顯示屏，它的優(yōu)點大家都不言而喻，它能顯示優(yōu)美的字符，而且最主 要它還能顯示圖形，這樣比較直。但是它的缺點就是我們不予考慮使用它的原因，那就是它的價格相對于數(shù)碼管 來說并不便宜，且驅(qū)動程序復(fù)雜。所以從經(jīng)濟、實惠、夠用的原則考慮，我們采用方案一。 2 24 4 調(diào)速方式調(diào)速方式 方案一：調(diào)速我們用變壓器來控制，通過變壓器將 220V 電壓降壓到不同層次的電壓，輸送給與風(fēng)扇葉相連 的電機，從而控制了電機的轉(zhuǎn)速，這樣就控制了風(fēng)扇風(fēng)力的大小。 方案二：采用晶閘管構(gòu)成無級調(diào)速電路。 對于方案一，調(diào)速我們可以控制給風(fēng)扇電機的電壓來控制電機轉(zhuǎn)動速度，于是我們就想到了變壓器，但是它 限制了風(fēng)速的級別，不能更好的為我們服務(wù)。并且變壓得過程中會有電損，造成浪費，且不怎么安全。 對于方案二，導(dǎo)通角大小通過點位器來控制，實現(xiàn)了由全風(fēng)速到風(fēng)扇停止運行的無級別調(diào)速，實現(xiàn)了自由變 化的風(fēng)速。且降低了經(jīng)濟成本的付。所以綜合考慮我們采用了方案二。 2 25 5 控制執(zhí)行部件控制執(zhí)行部件 方案一：我們采用模數(shù)轉(zhuǎn)換控制，通過單片機把溫度數(shù)值送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換出產(chǎn)生模擬 的信號來控制晶閘管的導(dǎo)通角大小，配合無級調(diào)速電路來控制風(fēng)扇風(fēng)速的大小。 方案二：方案二我們想到了我們學(xué)過的繼電器，通過單片機來控制繼電器接有晶閘管導(dǎo)通角的電阻的接入電 路與否，根據(jù)室內(nèi)溫度的高或低在相應(yīng)管腳送出高或低的電平，從而判定某個繼電器的導(dǎo)通角控制電阻是否導(dǎo)通。 （詳見 4.2.4） 對于方案一，該方案的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片價格比較高，性價比不高。 對于方案二，雖然此種方案只能實現(xiàn)在不同溫度下弱/大風(fēng)兩級調(diào)速，但是它的價格便宜，控制穩(wěn)定可靠，而 且考慮到此兩級的調(diào)速對于本風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)滿足要求，故而我們綜合考慮用方案二來設(shè)計。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 2.2.6 6 總體方案選擇總體方案選擇 本次設(shè)計我們的主要控制通過 AT89C51 單片機來實現(xiàn)，外界溫度的檢測我們用溫度傳感器 DS18B20。通過溫 度傳感器把采集到溫度信號通過轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺侔训寝D(zhuǎn)換的電信號比較微弱，因此我們通過放大器把電信 號放大，再把放大的電信號經(jīng)過經(jīng)過數(shù)字，輸送給單片機的內(nèi)部處理數(shù)據(jù)，并且用數(shù)碼顯示放在外圍來顯示外界 的實時溫度。 本次設(shè)計我把設(shè)計粗略的分為了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。硬件主要是用傳感器監(jiān)測溫度、采集溫度、 顯示實時溫度和電機的控制等。軟件部分主要負責(zé)了對探測的溫度處理和溫度顯示并且通過處理信號后進行控制 等方面的功能。如圖 2-1 總體結(jié)構(gòu)框圖 圖 2-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 3 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.13.1 硬件電路設(shè)計概述硬件電路設(shè)計概述 溫度控制系統(tǒng)中硬件設(shè)計的工作量比較大而且比較復(fù)雜，需要收集資料設(shè)計主體方案等。在設(shè)計過程中逐步 完善。但只要自己親自動手實踐準(zhǔn)備，硬件部分不會出現(xiàn)太大的問題。 硬件電路的設(shè)計方案應(yīng)注意幾個重點： 第一：整個系統(tǒng)的控制中心大家都知道那就是單片機。AT89C51 單片機的功能性比較強，大大的降低了設(shè)計 電路的復(fù)雜性。同時它的內(nèi)部空間足以滿足本次設(shè)計的要求。而且它的集成度很高，有良好的可靠性，同時還有 較強的控制能力，對功耗的控制也十分優(yōu)秀，以及擁有優(yōu)秀的擴展性，能在較低電壓下工作。 第二：單片機控制，溫度傳感器 DS18B20 探測實時溫度，而且傳感器電路并不復(fù)雜易于連接，軟件方面的設(shè) 計也比較簡單，完全符合本次設(shè)計要求。 第三：采用數(shù)碼管作為顯示模塊。雖然數(shù)碼管的顯示限制較大，但在本設(shè)計系統(tǒng)中能完全顯示溫度值，價格 也較便宜，比較經(jīng)濟，綜合考慮情況下，數(shù)碼管更適合智能溫控系統(tǒng)的設(shè)計。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 第四：考慮到 ATC89C51 芯片內(nèi)部的 RAM 空間不多我們可以在系統(tǒng)多預(yù)留 RAM 空間，如果系統(tǒng)增加了對 外部 RAM 空間的配置，則根據(jù)需要機多預(yù)留一點空間。若要進行大批量數(shù)據(jù)的處理，則應(yīng)預(yù)留足夠大的 RAM 空 間，以不時之需。 第五：在控制系統(tǒng)設(shè)計完畢后，進行最終試用時有可能會出現(xiàn)之前沒有預(yù)料到的情況。這時采用軟件設(shè)計改 進的方式往往無效。我們就要預(yù)留一些輸入輸出口，在需要的時候派上用場。 第六：為系統(tǒng)控制留后續(xù)設(shè)計余地。當(dāng)進行控制系統(tǒng)設(shè)計時，往往要多考慮預(yù)期會發(fā)生的情況，為后續(xù)改進 擴展留后路。這樣當(dāng)系統(tǒng)需要進行某方面調(diào)整時不用重新再設(shè)計。只需進行擴展設(shè)計即可。 3.23.2 單片機電路設(shè)計單片機電路設(shè)計 單片機在價格方面比較便宜而且功能性很好，因此應(yīng)用普遍，受到了人們的親睞。它有功能齊全，應(yīng)用可靠， 抗干擾能力強等諸多優(yōu)點。單片機有很多種類，例如 4 位、8 位、16 位、32 位、64 位單片機。但應(yīng)用的最為廣泛 的是 8 位。 Atmel 公司高密度非易失性存儲器的技術(shù)造就了單片機的高性能。單片機與工業(yè)方面的產(chǎn)品 80C51 系列產(chǎn)品 指令和引腳能夠完全兼容。使用方便，解決了很多繁雜手段。根據(jù)綜合考慮了本次的溫度控制風(fēng)扇的設(shè)計的要求， 本次設(shè)計我們就用 AT89C51。如圖 3-1 AT89C51 單片機。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 圖 3-1 AT89C51 單片機 3.33.3 復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位電路設(shè)計 復(fù)位就是指讓單片機在起始的狀態(tài)，并且從起始狀態(tài)開始啟動運行。RST 引腳是 AT89C51 的復(fù)位端，單片機 要想復(fù)位，就要使得這個引腳保持高電平至少兩個周期。內(nèi)部復(fù)位電路在每一個機器周期會對斯密特觸發(fā)器的輸 出端進行采樣。RST 引腳的會有噪聲干擾，解決這個問題就可以通過該觸發(fā)器來抑制。復(fù)位期間不會有 ALE 信號， 而且內(nèi)部 RAM 不要斷電，其中的數(shù)據(jù)信息會一直保存不會被丟失，換句話來說在復(fù)位之后，受到影響的只是 SFR 里內(nèi)容。內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)一點也不會受到影響。外部的復(fù)位分為上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。由于單片機運行過 程中，其本身的干擾或者來自外界的外界干擾會導(dǎo)致出現(xiàn)差錯。出現(xiàn)這種情況復(fù)位鍵重新開始就派上了用場。為 了本次運行調(diào)試操作的方便，我們的復(fù)位電路選擇了按鍵復(fù)位的形式。 自動溫度風(fēng)扇控制系統(tǒng)中復(fù)位電路由硬件復(fù)位電路和軟件復(fù)位組成。自動溫度控制風(fēng)扇系統(tǒng)中硬件上電復(fù)位 電路和手動電路由電容 C1、電阻 R1、R2 和按鈕組成。當(dāng)接通電源電路導(dǎo)通時，單片機會發(fā)生上電復(fù)位，即高電 平復(fù)位。此時電容在充電過程中，上電復(fù)位電路會暫時導(dǎo)通，并在電阻 R1 的兩端會產(chǎn)生一個電壓降，這時微控制 器單片機的復(fù)位腳上得到一個高電平，一段時間后電容會因為充滿電造成斷路，微控制器單片機的復(fù)位腳上的高 電平則會慢慢減小至零，此時為低電平狀態(tài)，這時微控制器單片機完成上電復(fù)位過程，程序開始執(zhí)行。本次設(shè)計 當(dāng)我們需要復(fù)位時直接按下復(fù)位鍵就可以進行復(fù)位。其電路圖如圖 3-2 所示。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 圖 3-2 復(fù)位電路 3.43.4 時鐘電路設(shè)計時鐘電路設(shè)計 大家都知道對于單片機來說時鐘電路就是它的心臟，單片機的工作的節(jié)奏都由時鐘電路來控制。51 單片機的 型號各不相同，因此他們允許的時鐘頻率也不相同。其中最為經(jīng)典的還是 12MHZ。在 AT89C51 的內(nèi)部有一個反 相的振蕩放大器，這個反向振蕩放大器的輸入和輸出端分別為 XTAL1 和 XTAL2。這個反向放大器可以在片內(nèi)配置 振蕩器。比較為我們所常見的有石晶振蕩和陶瓷振蕩，這兩種我們都可以采用。除了內(nèi)部的反向振蕩，51 系列的 單片機也還可以使用外部時鐘，但是使用的時候要注意在外部的時鐘必須從 XTAL1 輸入而且 XTAL2 要處于懸空 的狀態(tài)。本次溫控風(fēng)扇的設(shè)計我們采用的就是晶振頻率是 12MHZ 的。其時鐘電路如圖 3-3 所示。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 圖 3-3 時鐘電路 3.53.5 溫度檢測和顯示電路溫度檢測和顯示電路 通過上面的種種討論，別的方案需要多次試驗檢測，過程太繁瑣而且不能保證準(zhǔn)確性。所以我決定選用性 能和價格方面都比較好的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，它可以直接把模擬的溫度信號直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，這樣 就大大的簡化了電路的構(gòu)造，降低電路的復(fù)雜程度，大幅度提高了電路運行的穩(wěn)定性能。圖 3-4 為溫度采集電路。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 圖 3-4 溫度采集電路 溫度值/ 數(shù)字輸出（二進制） 數(shù)字輸出（十六進制） +125 0000 0111 1101 0000 07D0H +85 0000 0101 0101 0000 0550H +25.625 0000 0001 1001 0001 0191H +10.125 0000 0000 1010 0010 00A2H +0.5 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H -0.5 1111 1111 1111 1000 FFF8H -10.125 1111 1111 0110 1110 FF5EH -25.625 1111 1111 0110 1111 FF6FH -55 1111 1100 1001 0000 FC90H 表 1 部分溫度值與 DS18B20 輸出的數(shù)字量對照表 1DS18B20 溫度傳感器的主要特點： 第一：傳感器有其自身獨有的接口方法，與單片機通過簡單連接就能實現(xiàn)雙向連接。 第二：溫度傳感器接入系統(tǒng)不需額外的連接設(shè)備。 第三：有簡單的供電方式。溫度傳感器只需一個數(shù)據(jù)線就能實現(xiàn)供電。 第四：溫度傳感器的檢測溫度范圍較廣，能進行精確檢測。 第五：溫度傳感器的讀數(shù)方式能通過箱單片機錄入相關(guān)程序來控制。 第六：允許手動設(shè)置報警信息的上下限。 第七：安全性較大。即使接入電路方式錯誤，但不會發(fā)生損毀現(xiàn)象。 第八：多個溫度傳感器可使用多點檢測方式使溫度檢測更精準(zhǔn)。 2DS18B20 溫度傳感器的引腳介紹： DS18B20 引腳分為：IO 口為輸入輸出端口，數(shù)據(jù)輸出方式為漏極開路輸出，IO 口外接上拉電阻后在常態(tài)下 呈現(xiàn)高電平狀態(tài)。UDD 指代的是可選的外部電源端口，并且在它不使用的時候可把它直接接地。GND 是指接地，NC 是指空腳。 3.顯示電路 我們比較常用的顯示器件有兩種：發(fā)光二極管，簡稱 LED 和液晶顯示器，簡稱 LCD。兩者比較二極管比 較便宜，搭配比較活躍，且易于與單片機接口連接；液晶顯示器突出的優(yōu)點就是可以顯示圖形，但是它構(gòu)造比較 復(fù)雜，接口不方便，且購買成本較高，不經(jīng)濟實惠。本設(shè)計本著實用的原則，我們的系統(tǒng)顯示就采用發(fā)光二極管 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 作為顯示器件。圖 3-5 為發(fā)光二極管 圖 3-5 發(fā)光二極管 3.63.6 電機調(diào)速電機調(diào)速 除了系統(tǒng)的單片機是一個重要方面，整個系統(tǒng)還有另一個重要的控制核心，那就是電機調(diào)速。通過控制并且 改變?nèi)龢O翻出的導(dǎo)，這樣就改變了輸出端的電壓，繼而改變了輸送給風(fēng)扇電機的電壓值，不同的電壓值風(fēng)扇就有 不同轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了風(fēng)扇在不同檔位的無級調(diào)速。 雙向可控硅的導(dǎo)通條件如下： (1）陽-陰極間加正向電壓； (2）最為重要的就是在控制極和陰極之間要有正向的觸發(fā)電壓電壓； (3）可控硅的最小維持電流要小于陽極電流。 電機控制模塊設(shè)計電機控制模塊設(shè)計 電機控制模塊我們主要用雙向可控硅的光耦,它的重要組成部分有三個，分別是光電隔離、過零觸發(fā)、過零檢 測。設(shè)計的可控硅觸發(fā)電路原理圖如圖 3 所示。其中電機負載為 RL，它的工作原理是:用戶的參數(shù)設(shè)置通過單片 機來響應(yīng),我們可以在輸入輸出口輸出一個高電平，通過反向器來給予反向，送出一個低電平，這樣光電耦合器就 導(dǎo)通了。 同時觸發(fā)雙向可控硅, 使工作電路導(dǎo)通工作。給定時間內(nèi),負載得到的功率為: UI N n P 上式中:（P 負載得到的功率 kW）； n （給定時間內(nèi)可控硅導(dǎo)通的正弦波數(shù)）； N （給定時間內(nèi)交流正 弦波的總個數(shù)）；U（可控硅在一個電源周期全導(dǎo)通時所對應(yīng)的電壓有效值 V）； I（可控硅在一個電源周期全導(dǎo) 通時所對應(yīng)的電流有效值 A）。由上面公式可知當(dāng) U 、I、N 為定值時, 只要改變 n 值的大小即可控制功率的輸 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 出,從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。如圖 3-6 為電機控制圖。 圖 3-6 電機控制圖 4 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 本系統(tǒng)的運行程序采用 C 語言編寫，采用模塊化設(shè)計，整體程序由主程序和顯示、鍵盤掃描、紅外線接收以 及電機控制等子程序模塊組成。 4.14.1 主程序主程序 在主程序進行初始化后，開始反復(fù)檢測各模塊相關(guān)部分的緩沖區(qū)的標(biāo)志，如果緩沖區(qū)置位，說明相應(yīng)的數(shù)據(jù) 需要處理，然后主程序調(diào)用相應(yīng)的處理子模塊。如圖 4-1 所示。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 圖 4-1 主程序模塊流程圖 4.24.2 數(shù)字溫度傳感器模塊和顯示子模塊數(shù)字溫度傳感器模塊和顯示子模塊 如圖 4-2 所示，主機控制 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器完成溫度轉(zhuǎn)換工作必須經(jīng)過三個步驟：初始化、ROM 操 作指令、存儲器操作指令。單片機所用的系統(tǒng)頻率為 12MHz。 根據(jù) DS18B20 數(shù)字溫度傳感器進行初始化時序、讀時序和寫時序分別可編寫 3 個子程序：初始化子程序、寫 子程序、讀程序。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 圖 4-2 數(shù)字溫度傳感器模塊程序流程圖 DS18B20 芯片功能命令表如下： 命令 說明 協(xié)議 READ ROM 讀取激光 ROM64 位 33H MATCH ROM 匹配 ROM 55H SKIP ROM 跳過 ROM CCH SEARCH ROM 搜索 ROM F0H ALARM SEARCH 告警搜索 ECH WRITE SCRATCHPAD 把字節(jié)寫入暫存器的地址 2 和 3 4EH READ SCRATCHPAD 讀取暫存器和 CRC 字節(jié) BEH COPY SCRATCHPAD 把暫存器內(nèi)容拷貝到非易失性存儲器中 48H CONVERT T 開始溫度轉(zhuǎn)換 44H RECALL E2 把非易失性存儲器中的值召回暫存器 B8H READ POWER SUPPLY 讀電源供電方式：0 為寄生電源，1 為外電源 B4H 表 2 DS18B20 功能命令表 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 4.34.3 電機調(diào)速與控制子模塊電機調(diào)速與控制子模塊 本模塊采用雙向可控硅過零觸發(fā)方式，由單片機控制雙向可控硅的通斷，通過改變每個控制周期內(nèi)可控硅導(dǎo) 通和關(guān)斷交流完整全波信號的個數(shù)來調(diào)節(jié)負載功率，進而達到調(diào)速的目的。 因為 INT0 信號反映工頻電壓過零時刻，所以只要在外中斷 0 的中斷服務(wù)程序中完成控制門的開啟與關(guān)閉， 并利用中斷服務(wù)次數(shù)對控制量 n 進行計數(shù)和判斷，即每中斷一次，對 n 進行減 1 計數(shù)，如果 n 不等于 0，保持控 制電平為“1”，繼續(xù)打開控制門；如 n=0，則使控制電平復(fù)位為“0”，關(guān)閉控制門，使可控硅過零觸發(fā)脈沖不 再通過。這樣就可以按照控制處理得到的控制量的要求，實現(xiàn)可控硅的過零控制，從而達到按控制量控制的效果， 實現(xiàn)速度可調(diào)。 （1）中斷服務(wù)程序：執(zhí)行中斷服務(wù)程序時，首先保護現(xiàn)場，INT0 中斷標(biāo)志置位，禁止主程序修改工作參數(shù)， 然后開始減 1 計數(shù)，判斷是否關(guān)斷可控硅，最后 INT0 中斷標(biāo)志位清零，還原初始化數(shù)據(jù)，恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回。 （設(shè) 1 秒鐘通過波形數(shù) N=100） （2）回路控制執(zhí)行程序：主回路控制執(zhí)行程序的任務(wù)是初始化數(shù)據(jù)存儲單元，確定 電機工作參數(shù) nmin/nmax，并將其換算成“有效過零脈沖”的個數(shù)；確定中斷優(yōu)先級、開 中斷，為了保證正弦波的完整，工頻過零同步中斷 INT0 確定為高一級的中斷源。圖 4-3 為電機控制模塊中 斷響應(yīng)流程圖 圖 4-3 電機控制模塊中斷響應(yīng)流程圖 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 5 5 聯(lián)調(diào)與測試聯(lián)調(diào)與測試 5.1 仿真 Proteus 軟件給我們提供了一個非常實用的仿真平臺，運用它我們可以模擬真實電路進行操作，檢查操作實 物時候可能存在的問題，仿真就是實物的根基，有了仿真就可以判定實物制造的可行性。此次實驗實現(xiàn)了很明顯 的仿真效果。圖5-1和5-2分別是此次的仿真圖。 圖 5-1 仿真初始圖 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 圖 5-2 仿真效果圖 5.25.2 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 我利用四個按鍵和一個開關(guān)來控制整個系統(tǒng)的運行，中間黑色的按鍵是復(fù)位鍵，下面一排的三個鍵 是用來設(shè)定溫度范圍的。當(dāng)接通電路的時候，溫度范圍會復(fù)位在最初設(shè)定的 24 攝氏度到 29 攝氏度之間。顯示屏 會顯示當(dāng)前室內(nèi)的溫度。根據(jù)需要可以按下面一排三個按鈕最右邊的黑色鍵來設(shè)定最高或最低溫度值，左邊的兩 個鍵是用來控制溫度的加減。運行圖如 5-3 所示。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 18 5-3 風(fēng)扇系統(tǒng)運行圖 背面焊接的時候要特別小心，否則容易導(dǎo)致焊接失敗，此次焊接由于版面比較小，不得不用一些導(dǎo)線來連接 雖然有點影響美觀，但是最終還是成功的。背面焊接如圖 5-2 所示。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 19 圖 5-4 背面焊接圖 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 20 結(jié)論結(jié)論 經(jīng)過這段時間的學(xué)習(xí)和努力，我的畢業(yè)設(shè)計終于告一段落了。雖然只是一些平凡的事情，但我感覺通過此次 設(shè)計我學(xué)到了很多東西，尤其是做事的態(tài)度。無論做任何事情都要有一定的耐心和毅力，態(tài)度端正了，事情也就 成功一半了，不能因為遇到一點困難就想著放棄，而是要堅持找到問題所在并想辦法解決問題，另外在學(xué)習(xí)過程 中要虛心請教，學(xué)會與人交流合作，認(rèn)真聽取老師和同學(xué)們的意見。 我此次所設(shè)計的溫控系統(tǒng)，主要是以單片機為核心的控制，溫度傳感器主要負責(zé)對外界溫度的探測和收集溫 度信號，再經(jīng)過處理把它輸送給單片機處理，至于顯示顯示我采用了數(shù)碼顯示；用 protel99se 軟件繪制了我的電 路原理圖和 PCB 電路印刷板圖，完成這些之后我又用 Proteus 軟件進行了我的仿真和測試，然后選用了用 MCS-51 C 語言進行了編制。 運行程序該系統(tǒng)的主要特點是: （1)此次設(shè)計的主要特點就是適用性比較強，用戶只需要通過四個按鍵就可以簡單地對所需要的溫度范圍進 行設(shè)定，而且所設(shè)定的溫度可以通過數(shù)碼進行直觀顯示，而且溫度傳感器可以對室內(nèi)的溫度進行實時的監(jiān)控。 （2)此次的操作界面的擴展性比較的強，我們只需要只要稍微對其加以改變，就可以增加其他按鍵的使用功 能。 此次的設(shè)計溫度實時監(jiān)測就直接采用了溫度傳感器?？煽毓杈椭苯哟?lián)在電源和負載的電風(fēng)扇之間，借改變 定周期內(nèi)可控硅的導(dǎo)通與截止時間之比來實現(xiàn)調(diào)速功能。 此款風(fēng)扇的設(shè)計有很多突出的有點，首先它的造價比較的低而且它的且穩(wěn)定性能非常的高、性能優(yōu)越、耗電 量把很少，簡單易于操作，人們在夜間休息時無需再起床定時。 通過此次設(shè)計，我所收獲的不僅僅只是在做事的態(tài)度上有所感悟，相關(guān)知識也重新學(xué)習(xí)和鞏固了一下，通過 畢業(yè)設(shè)計對之前在書本上那些似懂非懂的專業(yè)知識加深了理解，真正體驗了理論與實際相結(jié)合的重要性，只有自 己親自動手操作，才能體會其中的奇妙與不易。從最開始的似懂非懂到對電路設(shè)計的大致了解，再到自己親自動 手完成簡單的電路設(shè)計、制板及調(diào)試等一系列過程，很好地鍛煉了自己的動手操作能力，也讓自己深刻的體會到 了紙上讀來終覺淺，絕知此事要躬行的道理。 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 21 參考文獻參考文獻 1 曹巧媛.單片機原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2002.2 2 王倫.電風(fēng)扇原理與維修技術(shù)M.北京：新時代出版社，1999 3 張毅剛.新編 MCS-51 單片機應(yīng)用設(shè)計.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006,10 4 梁廷貴、王裕琛.可控硅觸發(fā)電路語音電路分冊M.北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社，2003 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 22 附錄附錄 A A：系統(tǒng)原理圖：系統(tǒng)原理圖 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 23 附錄附錄 B:B:仿真圖仿真圖 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 24 附錄附錄 C C：系統(tǒng)：系統(tǒng) PCBPCB 圖和實物圖圖和實物圖 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 25 合肥師范學(xué)院 2015 屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 26 附錄附錄 D D：系統(tǒng)源程序：系統(tǒng)源程序 數(shù)字溫度傳感器模塊和顯示子模塊程序: #include /調(diào)用 單片機頭文件 #define uchar unsigned char /無 符號字符型 宏定義 變量范圍 0255 #define uint unsigned int /無 符號整型 宏定義變量范圍 065535 #include “eeprom52.h“ /數(shù)碼管段選定義 0 1 2 3 4 56 7 8 9 uchar code smg_du=0x28,0xee,0x42,0x52,0xe5,0x a8,0x41,0xe7,0x20,0xa0, 0x60,0x25,0x39,0x26,0x31,0x71,0xff; /斷碼 /數(shù)碼管位選定義 uchar code smg_we=0xef,0xdf,0xbf,0x7f; uchar dis_smg8 = 0x28,0xee,0x32,0xa2,0xe4,0x92,0x82,0 xf8; uchar smg_i = 3; /顯示數(shù)碼管的 個位數(shù) sbit dq = P24; /18b20 IO 口的 定義 bit flag_lj_en; /按鍵連加 使能 bit flag_lj_3_en; /按鍵連 3 次連 加后使能 加的數(shù)就越大了 uchar key_time,key_value; / 用做連加的中間變量 bit key_500ms ; sbit pwm = P23; uchar f_pwm_l ; /越小越暗 uint temperature ; / bit flag_300ms ; uchar menu_1; /菜單設(shè)計的變 量 uint t_high = 300,t_low = 100; /溫度上下限報警值 /*1ms 延時函 數(shù)*/ void delay_1ms(uint q) uint i,j; for(i=0;i= smg_i) i = 0; P1 = 0xff; /消隱 P3 = smg_wei; /位選 P1 = dis_smgi; /段選 /*把數(shù)據(jù)保存到單 片機內(nèi)部 eepom 中*/ void write_eeprom() SectorErase(0x2000); byte_write(0x2000, t_high % 256); byte_write(0x2001, t_high / 256); byte_write(0x2002, t_low % 256); byte_write(0x2003, t_low / 256); byte_writ