电气工程与自动化毕业论文：基于单片机的智能电风扇控制系统设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计基于单片机的智能电风扇控制系统设计所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 II摘 要在我们的日常生活中，单片机由于它价格低廉，功能全面，体积小巧以及良好的可开发性，得到了越来越多的设计者的喜爱。以单片机为控制核心的控制体系也广泛的运用于人们的日常生活和工业生产中。电风扇是一种常见的小型家用电器。由于其价格便宜，体积小巧，使用方便，深得消费者的喜爱，在今后的一段时间内，还会是市场的热销产品之一。但是老式的电扇科技含量较低，不能很好的满足现代人的生活习惯。从人们口中得知，新一代的电扇应该是操作简单，功能强大，而且更加安全可靠，能

2、更加人性化的适应人们生活的需要一种家用电器。本次设计主要介绍了一种智能电风扇的设计方案。该方案基于目前被广泛运用的AT89C51 单片机系统，增加了能让电扇根据温度进行自我调节风速的功能，给用户提供更人性化的体验。这种智能风扇，用户有两种方式可以选择来控制电扇的调速方式，即智能调速方式和手动调速方式。当选择智能模式的时候，电风扇可以通过温度传感器来测量环境的温度，从而调节电扇的转速，达到更加人性化的效果。可通过用户设置高、低温度值，测得温度值在高低温度之间时打开风扇弱风档，当温度升高超过所设定的温度时自动切换到大风档，当温度小于所设定的温度时自动关闭风扇，控制状态随外界温度而定。所设高低温值保

3、存在温度传感器 DS18B20 内部 ROM 中，掉电后仍然能保存上次设定值，性能稳定,控制准确。当选择手动模式的时候，则功能和普通的电扇相同。关键词：AT89C51 单片机；温度传感器；智能电风扇IIIAbstractIn our daily life, the microcontroller is being favored by more and more designers because of its low cost, full function, small size and good developability. The control system of microcont

4、roller centered is also widely used in peoples daily life and industrial production.Electric fan is a common small-sized household appliance. Because of its low cost, small size, easy to use, electric fan won the favor of many consumers, and in the next period of time, it will also become one of bes

5、t-selling products. However, the old-fashioned low-tech electric fan does not cater to the modern lifestyle. Known from what people say about, the new generation of electric fan, which should have been simple operated, powerful functioned, will be much safer, more reliable, and be able to meet the n

6、eed for household, making human life more humanitarian.This design mainly introduces a program of intellectual electric fan. This program based on AT89C51 microcontroller system, along with a function of speed self-regulating according to the changeable temperature, providing with more humanitarian

7、experience. This kind of intellectual electric fan includes two types - intellectual speed regulation and manual speed regulation. When choose intelligent speed regulation ones, they can adjust speed according to the environment temperature sensor, achieving more humane effect. Through the user high

8、 Settings, low temperature, high temperature temperature measured in between weak wind shift, and open fan when temperatures exceed the set temperature automatically switch to winds files, when the temperature less than set temperature automatically shut off fan, control state varies with temperatur

9、e and decide. High and low temperature value set preserved in temperature sensor DS18B20 internal ROM, fell after power can still save the last time setting, stable performance, control accuracy. When choose intelligent speed regulation ones, they are just the same as regular ones.Key words: AT89C51

10、 microcontroller; temperature sensor; intellectual electric fan IV目 录第 1 章 绪论 .11.1 电风扇的介绍 .11.1.1 电扇的发展背景及其发展前景 .11.1.2 当前电扇的不足处和改进想法 .11.2 系统统设计方案 .11.3 方案论证 .21.3.1 温度传感器的选用 .21.3.2 控制核心的选择 .21.3.3 调速方式的选择 .31.3.4 控制执行部件的选择 .3第 2 章 硬件设计 .42.1 AT89C51 单片机介绍 .42.2 温度传感电路 .62.3 电源电路 .92.4 数码管显示电路 .1

11、02.5 声响、温度采集、温度设定以及复位电路 .102.6 温控自动电路 .112.7 无级调速电路 .12第 3 章 系统软件设计 .143.1 系统功能综述 .143.2 系统主流程图 .153.3 键盘扫描子程序流程图 .163.4 设置上下限动作温度值 TH,TL 子程序流程图 .183.5 温度显示子程序流程图 .193.6 DS18B20 复位与检测子程序流程 图 .20小结 .21致谢 .22V参考文献 .23附录 1 系统原理图 .24附录 2 程序 .251第 1 章 绪论1.1 电风扇的介绍在我们的生活中，我们经常用到一些能改变温度的设备，比如说电风扇。它是一种由电动机驱

12、动电扇叶子旋转在使空气加速流动的电器。电扇基本分为家用电风扇和工业排风扇。它的主要组成部分就是交流电机。交流电机把能量从电能转化成机械能，推动扇叶转动，进而使空气流动，产生气流。1.1.1 电扇的发展背景及其发展前景电扇是一种诞生很早的小型家用电器，在市场的检验下经历了很多年代，在空调产品的大力冲击下，一度被人们以为要成为淘汰品，从而退出历史舞台，但是 ，事实是不是如预测那样呢？根据市场的调查，近几年来，家用电风扇不但没有因为空调的普及而淡出市场，反正呈现出销量增长的趋势。并且，在相当长的一段时间里，电扇还会是市场的主角。这样状况的出现不乏下面的原因：电扇有自己的固定用户群体，一些体质较弱者还

13、有就是老年人和儿童等，这类人群更合适用风扇进行降温消暑。相对于空调等降温设备来说，电扇价格便宜，电扇具有绝对的价格优势。大部分家庭因为消费水平限制，电扇在将来相当长的一段时间里还会占领市场的一大块份额。电扇的体积小巧，几乎不占地方，可以适应很多种复杂的环境，安装和拆卸也十分方便，而且操作简单。1.1.2 当前电扇的不足处和改进想法随着人们生活水平和科技水平的不断提高，对于家电的要求也是精益求精，对于家电的款式、功能等提出了越来越高的要求。让家电朝着安全，健康，节能，功能繁多等发向发展成为了越来越多人的愿望。尽管电风扇有着其独有的市场优质，但是，传统的电扇在人们不断变化的要求中突显出很多不足之处

14、，让人觉得不够人性化。虽然可以换挡，但是需要手动进行，只有手动调速，功能单一，人睡着了就只能固定在某个档位了 ，风速不会随气温的改变而改变。还有就是定时功能，一般只能定时 1-2 个小时。当定时时间到了的时候，可能气温还是比较高，电扇就停了，会让人从睡梦中热醒，而当室温降低了很多，但是，电扇还是不停止或者按照原来的速度转动，可能会让人患上感冒。总结的说，产生这些问题是原因是电扇不能很好的对环境的变化相应的做出风速的变化。为了解决风扇的自动控温，让风扇能随温度的变化对风速做出灵活的处理，我们设计了这套风扇智能控制系统，解决上述问题。1.2 系统统设计方案本次设计以 AT89C51 单片机为控制中

15、心，主要通过温度传感器得到的温度以及内部定时器设定的时间的长短来控制电风扇的开关以及速度的大小。主要目的是使电扇的功能更加强大，操作更加简单，更加人性化。主要实现以下几个功能：温度控制功能：让电扇可以感知环境温度，以调节风扇风速的大小，达到更加良好的工作效果。当然，用户可以选择这种智能调速方式，也可以不选择这种方式而选择普通调节方式来控制电扇的转速。无级调速功能：通过 AT89C51 对双向可控硅的控制，可实现风速的无级调速。2定时工作功能，可以让用户根据自己的需要设定时间的长短，以提供更加人性化的服务。1.3 方案论证1.3.1 温度传感器的选用温度传感器可由以下几种方案可供选择：方案一：选

16、用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大由于温度变化引起热敏电阻电阻的变化、进而导至的输出电压变化的微弱电压变化信号，再用 AD 转换芯片ADC0809 将模拟信号转化为数字信号输入单片机处理。方案二：采用热电偶作为感测温度的核心元件，配合桥式电路，运算放大电路和 AD 转换电路，将温度变化信号送入单片机处理。方案三：采用数字式集成温度传感器 DS18B20 作为感测温度的核心元件，直接输出数字温度信号供单片机处理。对于方案一，采用热敏电阻有价格便宜、元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的 R-T关系的非

17、线性，其本身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路予以纠正，但不仅将使电路复杂稳定性降低，而且在人体所处温度环境温度变化中难以检测到小的温度变化。故该方案不适合本系统。对于方案二，采用热电偶和桥式测量电路相对于热敏电阻其对温度的敏感性和器件的非线性误差都有较大提高，其测温范围也非常宽，从-50 摄氏度到 1600 摄氏度均可测量。但是依然存在电路复杂，对温度敏感性达不到本系统要求的标准，故不采用该方案。对于方案三，由于数字式集成温度传感器 DS18B20 的高度集成化，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，温度误差很小，并且由于其感测温度的原理与上述两种方案的原理有着本质的不同，

18、使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该传感器采用先进的单总线技术（1-WRIE），与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。1.3.2 控制核心的选择方案一：采用电压比较电路作为控制部件。温度传感器采用热敏电阻或热电偶等，温度信号转为电信号并放大，由集成运放组成的比较电路判决控制风扇转速，当高于或低于某值时将风扇切换到相应档位。方案二：采用单片机作为控制核心。以软件编程的方法进行温度判断，并在端口输出控制信号。对于方案一，采用电压比较电路具有电路简单、易于实现，以及无需编写软件程序的特点，但控制方式过于单一，不能自由设置上下限动作温度，无法满足

19、不同用户以及不同环境下的多种动作温度要求，故不在本系统中采用。对于方案二，以单片机作为控制器，通过编写程序不但能将传感器感测到的温度通过显示电路显示出来，而且用户能通过键盘接口，自由设置上下限动作温度值，满足全方位的需求。并且通过程序判断温度具有极高的精准度，能精确把握环境温度的微小变化。故本系统采用方案二。31.3.3 调速方式的选择方案一：采用变压器调节方式，运用电磁感应原理将 220V 电压通过线圈降压到不同的电压，控制风扇电机接到不同电压值的线圈上可控制电机的转速，从而控制风扇风力大小。方案二：采用晶闸管构成无级调速电路。对于方案一，由于采用变压器改变电压调节，有风速级别限制，不能适应

20、人性化要求。且在变压过程中会有损耗发热，效率不高，发热有不安全因素。对于方案二，以电位器控制晶闸管的导通角大小，可实现由最大风速到关闭的无级别调速，可将风力调节在关闭无风到最大风之间的任意风力，实现“自由风” 。且在调速环节中基本无电力损耗。故本系统采用方案二。1.3.4 控制执行部件的选择方案一：采用数模转换芯片 AD0832 控制，由单片机根据当前温度值送出相应数字量到AD0832，由 AD0832 产生模拟信号控制晶闸管的导通角，从而配合无级调速电路实现温控时的自动无级风力调节。方案二：采用继电器，继电器的接有控制晶闸管导通角的电阻的接入电路与否由单片机控制，根据当前温度值在相应管脚送出

21、高/低电平，决定某个继电器的导通角控制电阻是否接入电路。对于方案一，该方案能够实现在风扇处于温控状态时也能无级调速，但是 D/A 转换芯片价格较高，与其温控状态下无级调速功能相比性价比不高。对于方案二，虽然在温控状态下只能实现弱/大风两级调速，但采用继电器价格便宜，控制可靠，且出于在温控状态时无级调速并不是特别需要的功能，综合考虑采用方案二。4第 2 章 硬件设计本设计是对智能风扇的控制，主要采用的是 AT89C51 单片机和温度传感器。2.1 AT89C51 单片机介绍单片机是集成在一个芯片上的计算机，由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，是单片微型计算机 SCMC（Single Ch

22、ip Micro-Computer）的简称，它最早是被用在工业控制领域。单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段，它也是计算机技术、控制技术和大规模集成电路技术的综合产物。单片机具有优良的硬件特性，它集成度高，系统结构简单，实现模块化，可靠性高，处理能力强，速度快。同时它的质量轻、体积小、价格便宜等优点也为学习和应用提供了便利条件。由于这些优点，单片机已经成为世界上数量最多的计算机，在我们的日常生活中随时都可以看见它的身影，我们所用的几乎每件机械和电子产品中都有单片机的存在。从我们现在用的手机、各种智能 IC 卡、全自动滚筒洗衣机等家用电器到仪器仪表、医

23、用设备及航空航天的智能化管理过程控制等领域都有着广泛的应用。目前得到广泛应用的单片机是 MCS-51 8 位系列高档单片机，它在 RAM 容量、系统扩展和 I/O 口功能等方面都比其它单片机有很大的提高，并且它具有兼容性强、品种齐全以及软硬件资源丰富等特点。今后，随着单片机深入的应用和开发，各种各样类型的芯片也会越来越多，它的发展不仅造就了计算机应用和智能化控制的科学家、工程师等一大批人才，也使当今社会获得了显著的经济效益和社会效益，我们的日常生活以及社会的稳定高速发展都离不开单片机的广泛应用。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能 CMOS8 位微处理

24、器，俗称单片机。该器件的特点是采用了比较先进的技术制造，即 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术，并且具与工业标准相兼容，如 MCS-51 指令集和输出管脚等。ATMEL 的AT89S51 是将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，是一种高效微控制器，因为这个原因，很多嵌入式控制系统拥有了另一种灵活性高且价廉的方案可供选择。AT89C51 的单片机管脚,如图 3.1 所示图 2.1 单片机管脚示意图5管脚说明：表 2.1 单片机管脚说明名称 管脚号 类型 功能Vss 20 I 地Vcc 40 I 电源提供掉电空闲正常工作电压P0.0-0.7 39-32 I/O P0： 口 P

25、0 口是开漏双向口可以写为 1 使其状态为悬浮用作高阻输入 P0 也可以在访问外部程序存储器时作地址的低字节在访问外部数据存储器时作数据总线此时通过内部强上拉输出 1P1.0-1.7 1-8 I/O P1 口P1 口是带内部上拉的双向I/O 口向P1 口写入1时P1 口会被内部上拉成高电平则可用作输入口；作为输入管脚时被外部拉低的P1 口会因内部上拉的存在而输出电流P1 口第2 功能T2【P1.0 】 ：定时/计数器2 的外部计数输入/ 时钟输出( 见可编程输出)T2EX【P1.1】 ：定时/计数器 2 重装载/ 捕捉/方向控制P2.0-2.7 21-28 I/O P2 口：P2 口是带内部上拉的双向 I/O 口向 P2 口写入 1 时 P2 口被内部上拉为高电平可用作输入口当作为输入脚时被外部拉低的 P2 口会因为内部上拉而输出电流，在访问外部 ROM 和外部数据时则分别当作地址高位字节与 16 位地址【MOVX DPTR】这时因为通过内部强上拉传送 1 当使用 8 位寻址方式【MOVRI】 访问外部 RAM 时,P2 口发送的则是 P2 特殊功能寄存器的内容。