智能风扇控制系统设计

本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） (2015(2015 届届) ) 智能风扇控制系统设计 院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 朱仁斌 指导教师 陈晓婷 助教 2015 年 4 月 学号：1108441095 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） - I - 摘摘 要要 由于当今信息技术的高速发展，温度的测量与控制系统在工业和农业以及人们的日 常活动中充当着一个日趋重要的角色，它对我们的日常生活具有诸多的影响，因此温度 的采集以及其控制系统的开发与研究有十分重要的意义。所以温度控制现在的社会中的 生产制造对风扇的运用以及人们的生活和活动中都有应用和涉及，比如在大量的工业生 产制造中生产机械的散热所需要用到风扇、又例如我们日常用的笔记本电脑上的 CPU 风 扇、家庭日常生活中用的风扇等等。伴随着我们的生活与活动中对温度需要精确控制的 要求不断的增加，风扇的智能控制的应用也越发广泛，因此一件可以通过自身系统智能 的对温度变化做出相应控制的智能风扇控制系统越来越成为发展的需要。因此从此目的 出发，我该篇论文介绍的主要是一类基于 AT89C51 单片机基础上的风扇根据温度智能调 控速度的设计，本设计项目以 AT89C51 单片机为核心点，运用到能及时并且精确的采集 环境温度的温度传感器电路，同时采用了双向晶闸管对电动机加以无级调速，通过将风 扇的控制中加以智能控制技术，利用周围生活或者生产的环境中的温度对风扇进行温度 控制。并且可以通过收集到的外部温度，通过达林顿反向驱动装置来驱动风扇电机转动。 利用检测到的外界温度与人们一开始系统中设定温度来对风扇电机的启动和停止进行智 能化得控制，同时能够根据环境温度的改变智能的改变风扇的转速，以实现对温度的控 制要求。同时我们还运用到 LED 数码管对检测到的温度与设定的温度进行显示，更有利 于度温度控制的掌控，以实现对环境温度的智能控制，并做出相应的措施来控制温度变 化。 关键词关键词： 单片机； DS18B20温度传感器； 温控风扇； 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） - II - Abstract Due to the rapid development of modern information technology today, the temperature measurement and control system in industry and agriculture and Peoples Daily activities plays an increasingly important role, it has many effects on our daily life, so the temperature acquisition and control system of its research and development has the very vital significance. So the temperature control fan in todays society in the production and life activities of each people all have a wide range of applications and involve, for example, in most of the industrial production of large production machinery of the cooling fan, and in the system such as everyones laptop on the application of intelligent CPU fan, family daily life with the fan, and so on. Along with our life and activity of requires precise temperature control requirements unceasing increase, the application of intelligent control fan more widely, so one can through to its own system of intelligent control of temperature change accordingly more and more become the needs of the development of smart fan control system. Purpose so from now on, I this paper introduces the main is a kind of based on AT89C51 single chip microcomputer based on fan according to the design of the temperature intelligent control speed, the design project is AT89C51 single chip processor as the emphasis, use the timely and accurate collection and the temperature of the ambient temperature sensor circuit, and adopts the bidirectional thyristor stepless speed regulation of motor, by rotating fan control in intelligent control technology, using life or production around the environment temperature for temperature control fan. And can be collected by the environment temperature, after the darlington reverse drive to drive the rotation of the motor. Detected using the environment temperature and the people at the request of the system set the temperature of the fan motor to automatically start and stop the intelligent control, can also according to the ambient temperature changes of intelligent fan speed, in order to realize the control of the temperature requirements. At the same time we also applied to the LED digital tube to detect temperature and setting temperature shows that better control of temperature control, in order to realize intelligent control of the environment temperature, and make corresponding measures to control the temperature change. Keywords: Microcontrollers; Temperature transducer; Temperature control fan; 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） - III - 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACTABSTRACT.II 目目 录录III 1 1 绪论绪论1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 研究目的与意义 1 1.4 本章小结 2 2 2 系统总体设计系统总体设计2 2.1 设计要求 2 2.2 系统方案规划 2 2.2.1 硬件设计.3 2.2.2 软件设计.3 2.3 本章小结 4 3 3 系统硬件设计系统硬件设计4 3.1 系统器件简介.4 3.1.1 DS18B20 单线数字温度传感器 .4 3.1.2 达林顿电路 .4 3.1.3 AT89C52 单片机概况 .5 3.1.4 LED 数码管简介 .6 3.2 各部分电路设计 6 3.2.1 开关复位与晶振电路 .6 3.2.2 独立键盘控制原理 .7 3.2.3 数码管显示电路 .7 3.2.4 温度采集电路 .8 3.2.5 风扇电机驱动和与之相应的调速电路 .9 3.3 本章小结 9 4 4 系统软件设计系统软件设计9 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） - IV - 4.1 程序设置.9 4.2 温度传感器模块10 4.3 电机调速与控制子模块12 5 5 系统软件调试系统软件调试.13 5.1 用 KEIL C51 编写程序 .13 5.2 用 PROTEUS进行仿真 .14 4.5.1 PROTEUS软件的使用14 4.5.1 本实物在 PROTEUS上的仿真 .15 5.3 本章小结 20 6 6 系统硬件调试系统硬件调试.20 6.1 实物的整体结构20 6.2 实物接入电源调试20 6.3 实物设定预设值调试21 6.4 实物运行工作调试22 6.5 本章小结23 结论与展望结论与展望.23 致谢致谢.24 参考文献参考文献.25 附录附录 A A：系统原理图：系统原理图 .26 附录附录 B B：系统：系统 PCBPCB 图图 .27 附录附录 C C：系统源程序：系统源程序 .28 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 研究背景研究背景状况状况 在现如今的社会生活中，风扇的应用是十分广泛的，它在日常的生活和生产中有着 十分重要的作用，例如在工业生产制造中的生产机械里的散热系统中对风扇的运用、又 比如每个人的笔记本电脑上的散热风扇、家庭日常生活中用来降温的电风扇等。而在温 度控制方面的不断进步和控制的精准，所以我们可以将已经反向指向通过温度控制以达 到更精准的控制技术来降低风扇工作刚才中的噪音和相应的无用功带来的电力资源的浪 费，温度控制的风扇随着研究的深入以及科研究所的进步，这项技术的优越性将会被展 示出来，可以适用在诸多场合和不同的环境中，给人们带来便捷。在现在的研究成果中， 温控风扇的研究水平研究达到了很高的程度了，风扇已经可以实现根据自身通过周围环 境温度的改变进而智能的进行无级调速，这是该系统设计要实现的一个重要要求，简单 来说就是在外界温度升到一风扇系统设定的最高值是它将自动启动风扇运转，同样的当 外界温度降到相应的设定最低值时则自动停止风扇的转动，以此来实现通过温度对风扇 智能化控制。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 目前风扇的发展趋势是节能、功能多样化，在外观和功能上追求个性化，像电脑控 制、自然风、睡眠风、负离子功能这些本属于空调的功能，也被众多的风扇所使用，甚 至还有增加照明、驱蚊等更多实用的功能。温控风扇的研究使用很早就开始了，工业控 制中最为普遍，笔记本中也使用的是温控小风扇。目前的温控风扇研究最多的以单片机 或基于FPGA/CPLD为控制核心，由于其运行速度快、性能稳定、数字化程度高、精度高、 适应性强等特点，对电器的自动控制具有重要的意义和价值，除此以外还添加了一些其 他的技术功能，使得风扇更加人性化，对风扇行业的发展大有裨益。 1.3 研究目的与意义研究目的与意义 近几年，伴随人们日常的生活以及科技水平的提高，家庭使用的电器化产品无论是 在功能、样式等方面不断完善，并且都向着安全、实用、节能、健康、多功能等方面进 行发展和研究。同时电风扇因为其低廉的价格、低耗的用电量，以及其安装和使用中便 利，所以中国农村的大部分地区以及一些校园里的教师办公室和宿舍中依旧将电风扇作 为降温的工具。但是现如今市场上的电风扇大多数采用的都是全硬件电路的风扇，其电 路十分复杂而起且功能非常单一。并且因为现在市场上的电风扇，大部分都是手动控制 机械旋钮来调节转速和定时，经常会发生没有人时风扇依然工作运转，温度已经很低了 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 2 仍然在工作。因此，我们目的在于开发，设计一个新型的具有人体红外和温度传感系统 来检测室内有无人员以及室内温度。然后通过程序，与传感器来自动控制电风扇工作与 停止，以及工作时转速的大小。从而达到我们所预期的智能控制和节能环保的目的。 1.4 本章小结本章小结 由于单片机的便捷，智能，高效，操作简便，使得其更容易被人们接受使用，所以 就有许多以单片机作为核心控制来实现温度控制的系统也随之产生，例如通过单片机为 核心实现的通过温度控制电机的系统。该系统控制电机的自动启动和停止是通过对外界 温度改变感应到的信号来实现控制的，并且可以使得风扇的转速根据环境温度的变化而 进行相应的调整，这样就可以实现通过温度对风扇的智能化控制。该研究和开发可以为 人们的生活以及生产带来了更多便捷之处，使得我们不仅可以提高人们的生活品质、生 产效益的同时还能为节能减排保护环境做出贡献。 2 2 系统总体设计系统总体设计 2.12.1 设计要求设计要求 本实物的设计采用了 AT89C52 单片机作为智能风扇的控制器，利用 DS18B20 温度传 感器作为该设计的温度采集元件，同时利用达林顿反向驱动器 ULN2803 来驱使风扇电机 的转动。同时我们检测到的外界温度以及根据我们所需要而设定的温度都可以直接显示 在数码管上。系统通过检测到外界温度与系统预设温度的差别，来达到对电机的启动停 止以及转速大小的智能控制。 2.22.2 系统方案规划系统方案规划 本实物的总体方案和规划是：通过 DS18B20 温度传感器对环境温度进行检测并且将 相应的温度信息转化为数字温度信号传输给 AT89C52 单片机进行温度间差别的比对，同 时也将外界温度和设定温度显示在数码管上。其中设定的温度数值大小是以整数形式显 示出来的，实时外界温度的温度大小显示上精确到一位小数。并且该设计产品通过 PWM 脉宽调制方式来实现对直流风扇电机的转速加以控制。系统结构框图如下： 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 3 温度显示DS18B20 复位电路晶振电路 达林顿驱动电 路 直流电机AT89C52 图 2.1 系统构成框图 2.2.1 硬件设计 本设计实物需要使用到的器件有 AT89C52 单片机、DS18B20 温度传感器、LED 共阴数 码管、达林顿反向驱动器、直流电机。其他小的元器件有：电源，晶振，按键，拨码开 关，电阻和电容等。 2.2.2 软件设计 软件的程序设计主要包涵：主程序设计，DS18B20 的初始化函数和温度转换函数以 及温度读取函数，还有键盘扫描的函数，数码管显示数据函数和温度处理函数以及对电 机控制的函数。DS18B20 初始化函数的作用是对温度传感器做出初始化的实现； DS18B20 温度转换函数是实现对环境温度数据的实时采集；温度读取函数是主机对温度 传感器传输的数据的读取以及换算，键盘扫描函数则是实现对初值的加减设定；温度处 理函数对检测到的实时温度进行分析处理解析，给电机转速的变化提供信息；风扇电机 控制函数则是通过温度数值对电机转速和启停的进行控制。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 4 2.32.3 本章小结本章小结 本研究产品是要达到实现风扇直流电机的温度控制的要求，将风扇电机改造成能够 根据环境温度的实时变化情况去实现启停及改变转速的自动控制，因此我们需要让这样 的风扇达到一个较高的温度变化分辨率和稳定可靠的风扇换挡以及停机控制器件。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 系统器件简介系统器件简介 3.1.1 DS18B20 数字温度传感器 我们该设计中用到的温度传感器是我们日常生活中经常使用的 DS18B20 温度传感器， 该拥有体积小，器件成本低，抗干扰能力强，精度高，接线方便，封装成后可应用于多 种场合等优势，因此被选作作为这次温控风扇的温度传感器，并且也十分适合运用到产 品的设计中。 DS18B20 主要特征有：第一：其适用的电压范围非常广泛，电压的范围在： 3.05.5V，并且在寄生电源方式下可由数据线供电。第二：其有着独特的接口方式，该 温度传感器在与微处理器连接时只需要一条线即可完成微处理器与其的双向通讯。第三： 它可以支持多点组网功能，因此可以实现多个温度传感器并联在唯一的三线上，实现组 网多点测温。第四：它在使用中不需要其他外围元件，全部传感元件及转换电路集成在 一个三极管的集成电路内。第五：其温度测量范围在55+125，在-10+85时 精度为0.5可见范围非常广泛。第六：它可编程的分辨率为 912 位，相对应的可分 辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，因此可以实现温度的高精度测量。 第七：它在 9 位分辨率时最久在 93.75ms 内就可以把相应的温度信号转换为数字信号， 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字信号，速度非常迅速。第八：测量结 果直接输出数字温度信号，并且以“一 线总线“串行传送给 CPU 控制中心，同时它还可以 传递 CRC 校验码，使其具有很强的抗干扰和纠错能力。第九：电源极性接反时，芯片并 不会因为发热而烧毁，但不能正常工作，这样也避免了因为操作不当造成的器件损坏。 3.1.2 达林顿电路 本设计实物是以单片机来实现对直流电机进行控制，因为单片机的 I/O 口上拉电流 很微弱，灌电流也不过 510mA，远不能胜任驱动风扇的功能故需要加驱动电路，为直流 电机提供足够大的驱动电流。传统的功率输出方式是使用继电器和晶体管。在本系统驱 动电路中，因为输出需要通过快速通断电来改变驱动功率，而继电器的反应速度相比电 信号的变化显示过慢。所以选用达林顿驱动器来驱动风扇直流电机。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 5 3.1.3 AT89C52 单片机概况 AT89S52 单片机是一种低电压高性能的 8 位 CMOS 微型控制器，拥有 8K 字节可在线编 程的 flash 存储区。它运用 Atmel 高密度非易失性的存储技术，可以兼容 80C51 的指令 集和管脚。该单片机上的 flash 支持 ISP 并且传统的 flash 编程器也可以对其进行重新 编写程序。通用的 8 位 CPU 以及可在线编程，使得其可以为我们提供了一个灵活、高效 的嵌入式应用解决方案。 该类单片机主要特征：第一：兼容 MCS-51 指令，使其使用面更广，兼容性更高。第 二：8K 字节支持在线编程的 Flash 储存区，可以进行多次擦写，使其编程起来更为便捷。 第三：工作电压在 4.0V-5.5V，范围还是相当大。第四：256*8bit 的片内 RAM，空间比较 充裕。第五：它有三个 16Bit 计数器和定时器。第六：该单片机中有 8 个中断源。第七： 它拥有全双工 UART 串行通道。第八：该单片机可以在低电压模式和电源睡眠模式两种模 式下工作。第九：其在电源睡眠模式下时，中断触发将返回原状态。第十：其拥有两个 数据指针 DP。第十一：该单片机可以采用 Fast Programming Time 快速编程。第十二： 其拥有着特有的电源关闭标志，并且该单片机是绿色包装，无铅和卤化物。下图片为 AT89C51 封装实物图： 图 3.1 AT89C51 单片机封装实物图 3. 1. 4 LED 数码管简介 我的这个设计实物选取的 LED 数码管是一个 7 段两位带小数点 10 引脚的 LED 数码管， 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 6 并且其引脚定义每一个笔划都是相对应一个字母并且表示 DP 是小数点。它可以通过分时 以达到轮流控制每个 LED 数码管的 COM 端，就可以使各个数码管依次轮流受控显示，这 样就是动态驱动原理。每个数码管的点亮时间为 1ms2ms，但是因为人的视觉暂留现象 以及发光二极体具有的余辉效应，虽然实际上每位数码管并不是同时亮，但是只要其扫 描的速度足够快，给人的现象就是一组稳定的显示数据，而且并不会有闪烁感，如此看 来动态显示的效果和静态显示是相同的，这样就能够节省很多的 I/O 口，并且这样数码 管的功耗更低。下表是数码管的选码表： 表 2.1.1 7 段 LED 的段选码表 显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极段码 03fHC0H87fH80H 106HF9H96fH90H 25bHA4HA77H88H 34fHB0HB7fH83H 466H99HC39HC6H 56dH92HD3fHA1H 67dH82HE79H86H 707HF8HF71H8EH 3.23.2 各部分电路设计各部分电路设计 3.2.1 开关复位与晶振电路 在一个完整的单片机控制系统中我们必须要设计出相应的开关复位和晶振电路。因 为单片机自身需要复位，同时外部扩展的 I/O 接口电路也需要相应的复位开关，因此需 要为该控制系统设计出一个同时拥有上电和复位按钮的系统同步复位电路。在单片机上 有 XTAL1 和 XTAL2 主要用于连接单片机内部的 OSC 定时反馈回路的 。 该实物中的复位开关和晶振电路如下图所示： 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 7 R9 1K C3 10uF V CC S1 SW-DPDT V CC DS 1 2 3 J1 PWR2.5 C1 470uF/25V +12 V inV out GND V R17805 C2 470uF/25V 1 23 4 Key4 4*4 图 2.2.1 系统复位与晶振电路 3.2.2 独立键盘的控制原理 键盘中有 2 个独立按键，其中一端是和单片机的 P1.3 和 P1.4 两个端口相连，另外 一个端口接地。在将系统通上电源后，独立键盘开始扫描子程序，并以查询为方式去确 认各按键，并且完成对初值温度的设定。其中按键与单片机相连的为加按键，每按一次 就是对初始设定值进行一次加一，接地的按键为减按键，每按一次就是对初始设定值进 行一减一。其接线图如下： 1 23 4 Ke y1 4*4 1 23 4 Ke y2 4*4 1 23 4 Ke y3 4*4 设定 加 减 图 2.2.2 独立键盘连接电路 3.2.3 数码管显示电路 本实物设计中的数码显示器主要用于对温度传感器检测到的实时温度进行检测和显 示的作用，它的精确程度达到 0.1 摄氏度，并且数码管的温度显示范围从 0 到 99 摄氏度； 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 8 数码管的后 2 位是用来显示系统设定出的初始温度值，并且其显示的温度值只能是整数， 范围也不能超过 0 到 99 摄氏度。 e 1 d 2 pb 3 c 4 g 5 4 6 b 7 3 8 2 9 f 10 a 11 1 12 LED1 LG5641BH V CC R10 1K R11 1K R12 1K R13 1K 220*8 Q1 8550 Q2 8550 Q3 8550 Q4 8550 图 2.2.3 数码管显示电路 3.2.4 温度采集电路 DS18B20 数字温度传感器的工作原理主要是通过它内部计数时钟周期来的效果，用 来完成对温度测量功能。它一方面可以将检测到的温度信号转化成数字信号传到单片机 中与初始的设定值进行比对和处理，另一方面则是将检测到的温度信号转化成数字信号 传递到数码显示管处，对实时温度进行准确的显示。以下是其与单片机的图： GND 1 DS 2 V cc 3 U2 DS18B20 V CC DS 图 2.2.4 温度采集电路 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 9 3.2.5 风扇电机驱动和与之相应的调速电路 该实物设计中里首先从单片机的 I/O 口输出一个 PWM 的脉冲信号。再利用达林顿反 向驱动装置来带动直流风扇电机的转动同时实现对风扇转速的控制和调节。利用键盘去 设置温度值，再通过软件去编写单片机相应的控制程序，然后通过单片机输出的 PWM 脉 冲信号，再通过三极管来驱动电机电路，以用来实现电机的启动停止和转速的控制。当 温度升高或者下降电机都会通过相应的信号和设定的等级比对做出转速提高或是下降的 反应。如果当环境的温度低于相应的设定温度时，电机就停止转动，但当温度又达到预 设温度是，电机又会重新开始工作。下图是电机驱动和调速电路的电路连接图： Q5 8550 Q7 8050 R14 1K A - + B1 动动动动 V CC OUT 动动 动动 动动 动 D1 Diode 1N4007 +12 图 2.2.5 风扇电机驱动与调速电路 3.33.3 本章小结本章小结 系统的硬件设计主要是单片机为处理中心，温度传感器为检测中心实现对外部环境 温度的实时检测并传递到相应控制部门，数码显示管做为显示中心主要用于对测量得到 的外界实时温度以及系统本身设定的初始温度进行直观的显示，最后再通过这些作用到 相应的驱动电路和调速电路中去，则即可实现风扇的智能控制的效果。 4 4 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 程序设置程序设置 该实物的软件方面的设计主要含有以下几个方面：单片机上的主程序的编辑，温度 传感器上需要设计的初始化函数，温度转换函数，其中温度传感器的初始化函数对其进 行初始化的作用，温度转换函数用来实现将检测到的温度信号转换成数字信号的作用。 键盘中的键盘扫描函数是用于对初始值的加减的设定。温度处理函数主要是用于单片机 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 10 核心对采集到的温度信号进行分析处理，以用来对电机转速进行控制。风扇电机的控制 函数则是通过处理过的温度数值对电机的启停和调速进行控制。主程序流程图如下图所 示： 主程序开始 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 调用键盘扫描 函数 调用数码管显 示函数 调用温度处理 函数 调用风扇电机 控制函数 结束 4.1.1 主程序流程图 4.24.2 温度传感器模块温度传感器模块 如下图 4.2 所示，初始化，ROM 的操作指令以及存储器的操作指令组成了 DS18B20 温度传感器的温度转换工作，通过这三步来实现温度传感器的温度检测，传递等一系列 功能。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 11 开始 系统初始化 进行测温设置参数 初始化DS18B20 启动DS18B20测 温 内部判断 调用读子程序 输出显示 调用相应的键 值处理程序 调用相应的控 制程序 调用写子程序 结束 异常 正常 图 4.2 温度传感器模块程序流程图 DS18B20 芯片功能命令表如表 2 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 12 表 2 DS18B20 功能命令表 命令说明协议 READ ROM读取激光 ROM64 位33H MATCH ROM匹配 ROM55H SKIP ROM跳过 ROMCCH SEARCH ROM搜索 ROMFOH ALARM SEARCH告警搜索ECH WRITE SCRATCHPAD把字节写入暂存器地址 2 和 34EH READ SCRATCHPAD读取暂存器和 CRC 字节BEH COPY SCRATCHPAD把暂存器内容拷贝到非易失性存储器中48H CONVERT T开始温度转换44H RECALL E把非易性存储器中的值召回存储器B8H READ POWER SUPPL Y读电源供电方式：0 为寄生电源，1 为外 电源 B4H 4.3 电机调速与控制子模块电机调速与控制子模块 该单片机控制系统中调速的方式采用的是双向可控硅过零触发方式来实现对速度的 调控，因为该调控方式中分级明确，控制精度高，所以适合用于智能风扇控制系统中， 下图是电机控制模块中断响应流程图如图 4.3 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 13 EX0中断 温度大于等于 下限值并且小 于上限值 控制可控硅截 止 设置T0参数 启动定时 中断返回 T0中断 控制可控硅导 通 停止T0定时 中断返回 图 4.3 电机控制模块中断响应流程图 5.5.软件调试软件调试 5.15.1 用用 Keil C51 编写程序编写程序 Keil C51 是一款主要用于 51 系列的单片机 C 语言的软件开发系统。相比较单片 机的汇编语言来说的话， C 语言有其特有的便捷之处更适合 51 系列单片机的系统编 写，因为它在语句简单便捷的同时，它的编写模块的可移植性更强了，所以跟容易被 大众接受和学习，使用起来效率更高。目前来说Keil 是使用比较多的 51 系列单片 机的开发软件。 下图是 Keil C51 的使用界面，如图 4.2.1。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 14 5.25.2 用用 Proteus 软件进行仿真工作软件进行仿真工作 5.2.1 Proteus 软件的使用 如下图是 Proteus 软件打开使用时的主界面，如图 4.3.1。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 15 图 4.3.1 Proteus 使用主界面 5.2.2 本实物在 Proteus 上的仿真 第一先启动 Proteus 软件然后创建一个新工程，然后通过原理图导出相应的元器件， 再通过需要的要求对各原件的属性进行修改然后再按照原理图的连接方式再相应把各原 件连接起来。在根据原理图连接好再把编程好的程序加载到其中去。最后根据系统要实 现的功能一步步进行仿真。 第一：将温度传感器上的检测到的温度设为 26.4 摄氏度，然后再用键盘将系统预设 的温度调节为 22 摄氏度。随后打开开始按钮，系统就开始进行仿真，等一段时间过后等 系统稳定以后，可以观察到此时风扇电机的转速是+14.2r/s，如下图 4.3.2 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 16 图 4.3.2 Proteus 仿真效果图一 第二：再将温度传感器检测到的外部环境的实时温度设为 28.4 摄氏度，再用键盘将 系统的预设温度调成 22 摄氏度。打开开始仿真按钮，系统开始进行仿真，等过一段时间 后系统稳定后，可以观察到此刻风扇电机的转速为+23.3 r/s，如下图 4.3.3 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 17 图 4.3.3 Proteus 仿真效果图二 第三：再将温度传感器检测到的外部环境的实时温度设为 33.4 摄氏度，再用键盘将 系统的预设温度调成 22 摄氏度。打开开始仿真按钮，系统开始进行仿真，等过一段时间 后系统稳定后，可以观察到此刻风扇电机的转速为+32.0 r/s，如下图 4.3.4 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 18 图 4.3.4 Proteus 仿真效果图三 基于上一步的仿真基础上，再用键盘将系统预设温度调节至 34 摄氏度，此时可知系 统预设温度值已经大于温度传感器检测到的外部环境的温度，这时候我们可以观察到电 机的转速主见变慢，最好转速降到了 0，显而可见可以符合系统设计时需要满足的要求。 如下图 4.3.5 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 19 图 4.3.5 Proteus 仿真效果图四 经过以上多步的仿真结果我们可以知道，在我们设定的系统温度一定时，当外部环 境温度不断升高时风扇的转速也不断加快，当我们测的外界环境温度不断降低时电机转 速逐渐减慢，当外界温度一旦低于预设温度值时，电机的转速将降到零，所以该系统还 是实现了设计处的设计要求了。然而缺陷也是有的，该系统并没有实现无级调速，只能 在大的等级范围内进行调速，通过上面的仿真我们可以看出该设计只能在四个等级里面 进行速度变化。如果环境温度的变化范围非常小的话风扇电机转速是不变的，所以只有 当超过了某个设定界限以后转速才有变化的设定的，这点上面还有待我们改善和提高的。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 20 5.35.3 本章小结本章小结 由上述对软件功能和在系统中起到作用的介绍，向我们展示了该系统中所需要掌握 的软件操作和设计。不仅要做到对软件的充分了解和掌握，还要会利用个软件间的联系， 将它们为了实现该系统的功能而充分联系成一个整体，这样才能充分发挥其功能所在。 6 6 硬件调试硬件调试 6.16.1 实物的整体结构实物的整体结构 如下图是智能风扇控制系统的整体样貌图，如图 5.1 所示： 6.26.2 实物接入电源调试实物接入电源调试 当接通电源以后，打开实物上的电源按钮后，数码管就开始工作了，此时显示的示 数为此时外部环境的温度。如下图 5.2 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 21 6.36.3 实物设定预设值调试实物设定预设值调试 通过键盘对系统预设值进行设置，通过开始接通电源时数码管显示的外部温度环境 我们可以知道现在外部的大概温度，于是我将预设温度设成 12 摄氏度，如下图 5.3 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 22 6.46.4 实物运行工作调试实物运行工作调试 当我们将设定值调节到 12 摄氏度，并且确认以后，系统自动检测到外度温度高于预 设温度，所以风扇开始工作转动，且当我再不断调低设定值以后，风扇的的转速还会不 断的加快，如下图 5.4 所示。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 23 6.56.5 本章小结本章小结 通过以上的各方面分析、计算、运行、调试等已经基本上实现了该系统的设计初衷，实 现了温度控制风扇开关和转速的功能，大体的框架和可能已经实现。不过仍有部分瑕疵 和不足的存在，有待日后的慢慢发现与改进。如此才能不断完善和进步，这样该系统才 能越来越稳定和满足人们需求，日后才能为更多采用和提供便捷。 结论与展望结论与展望 本次实物设计中巧妙的运用了单片机作为该系统的核心控制，同时利用了 DS18B20 温度传感器来对外部环境温度进行检测，通过这两个主要结构加以与其他器件的系统的 组合，设计出了可以根据环境中温度的变化而进行智能调节的智能风扇，该风扇可以在 一定的范围内进行智能调节转速，同时可以通过数码管对实时的外部环境温度和设定温 度进行显示。并且通过以上的仿真和实物的调试我们可以知道电机的转速可以根据外部 温度与设定温差的大小，进行相应的变化。所以说该设计基本实现了智能风扇控制系统 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 24 的要求。但是电机对于温度小范围调节不够敏捷仍有缺陷，需要日后再次不断的研究和 完善，才能使其控制系统更为完善。 既然该设计的功能要求上的通过温度智能控制风扇转速的要求也达到了。但是我们 不能光局限在风扇这个方面，这个设计理念同样适用于其他许多方面，我们要跟广泛的 将它运用起来，才能创造更多价值。例如我们可以发散一下思维将温度信号转化为不同 的输入信号，根据不同的输入信号对电机转速进行控制，这样我们就可以将其投入工业 生产中，进而可以实现工业生产上的自动化，大大提高生产效率和安全性。又比如我们 可以将这个也运用到电力系统中去，根据不同的负荷代表着不同的信号，通过这些不同 的信号对发动机进行实时控制，以此来控制发电量，这样将大大节约了电力能源的，优 化了电力系统的自动化调节。所以通过以后例子和想法，该系统在社会生活和生产中的 开发和运用前景还是非常好的，同时也具有很重要的影响力。 致谢致谢 在此毕业设计圆满完成毕业论文也即将完成的最后我想非常真诚并且发自肺腑的感 谢一下我的导师陈晓婷老师以及在我对我毕业创作制作实物时给予我帮助和点拨的王俊 杰老师，谢谢你们在我对课题迷茫，不知所措时给予了我帮助，给我点明了方向，我才 得以完成这样的毕业设计，非常谢谢你们。本论文以及实物的制作和设计工作都是在陈 老师的耐心指导下才能如此圆满的完成了。不论是从毕业论文开始时的题目选择、或是 之后对毕业设计实物的研究计划，路线的选择，然后再到系统的研究和设计，每个方面 都有陈老师热情的帮助和耐心的教导。是她对学生的教育态度，认真负责的工作作风， 深深地影响着我，激励着我，成为我坚持下去的动力，一次次给我指明方向，鼓励我继 续努力继续前进。同时我也必须要感谢在这次论文的创作过程中陪伴在左右的朋友和同 学，正是因为他们一直的陪伴才给我提供了源源不断的动力和帮助，最终才能顺利的完 成该篇的设计。 最后感慨一番：四年的大学生涯即将在这篇论文结束之后画上句号了，可以说这篇 论文汇聚我大学思念所学到的浓缩与汇聚，也算是大学生涯的一个缩影。可能它不是一 篇非常出色的论文，但的确是我努力换来的成果，在我这里它是完美的。最后在此我也 要感谢我的大学同窗的同学们，谢谢你们的陪伴，或许大学生活正因为有了你们才显的 更加有魅力，或许和你们在一起的时光才是大学最大的收获，或许最后最让我不舍的就 是在大学中认识的你们，谢谢可以认识你们。四年的大学时光给我留下了无数美好的回 忆，而它也将成为我今后人生旅途中新的起点。 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 25 最后，感谢我的爸爸妈妈，谢谢你们对我倾尽全部的奉献和关心爱护，真的无以回 报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 参考文献参考文献 1 李学龙.使用单片机控制的智能遥控电风扇控制器J.电子电路制作，2003,9:1315. 2 蓝厚荣.单片机的 PWM 控制技术J.工业控制计算机.2010,23(3):9798 合肥师范学院 2015 届本科毕业论文（设计） 26 3 郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程M.北京：电子工业出版社.2009.342344 4 胡汉才.单片机原理及其接口技术M（第 2 版）.北京：清华大学出版社.2004.4977. 5 胡全. 51 单片机的数码管动态显示技术J .信息技术，2009,13:2526 6 李钢，赵彦峰.1-Wire 总线数字温度传感器 DSI8B20 原理及应用J.现代电子技术，2005,28(21): 7779. 7 马云峰.单片机与数字温度传感器 DS18B20 的接口设计J.计算机测量与控制,2007,10(4)：278 280. 8 王会明，侯加林.智能电风扇控制器的研制J.电子与自动化,1998,5(4):2526. 9 谭浩强.C 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Proteus 软件在设计电子电路中的应用J.仪表技术，2009，8:7475 11 楼俊军.基于 Proteus 和 Keil 的单片机演奏乐曲的实现J .科技信息，2010,23:第 50 页 12 王文海，周欢喜.用 Proteus 实现 51 单片机的动态仿真调试J.IT 技术，2006,20:1011 13 丁建军，陈定方，周国柱. 基于 AT89C51 的智能电风扇控制系统J.湖北工学院学报， 2003,18(2):6063. 14 王会明，侯加林. 智能电风扇控制器的研制J. 电子与自动化，1998,5(4)：2526. 15 刘进山. 基于 MCS-51 电风扇智能调速器的设计J. 广州：电子质量，2004,10(10)：71. 16 YU Qihao,CHENG Guodong,NIU Fujun. The application of auto-temperature-controlled ventilation embankment in Qinghai-Tibet Railway J. Science in China SerD Earth Sciences，2004,1(47)： 168176. 17 YLai，Y，Wang. Threedimensional nonlinear analysis for temperature characteristic of ventilated embankment in permafrost regions J. Cold Regions Science and Technology，2004,38(2)：165184. 18 Cheng Guodong. Linearity engineering in permafrost areas J. 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