单片机温控风扇设计论文

ID:255686 · 发表于 2017-11-30 14:50

1 系统概述
1.1 STC89C52单片机简介

STC89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内4bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。STC89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

STC89C52单片机提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时、计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，STC89C52单片机可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时、计数器，串行通行口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

1. 2  本设计任务和主要内容
本文以STC89C52单片机为核心，通过数字温度传感器对外界环境温度进行数据采集，从而建立一个控制系统，使电风扇随温度的变化而自动调节档位，实现“温度高、风力大、温度低、风力弱”的性能。另外，通过红外发射和接收装置及按键实现各种功能的启动与关闭，并且可对各种功能实现遥控，用户可以在一定范围内设置电风扇的最低工作温度，当温度低于所设置温度时，电风扇将自动关闭，当高于此温度时电风扇又将重新启动。
本设计主要内容如下：
(1)风速设为从低到高共2个档位，可由用户通过键盘设定。
(2)每当温度低于下限值时,则电风扇风速关闭。
(3)每当温度在下限和上限之间时,则电风扇转速缓慢。
(4))每当温度高于上限值时,则电风扇风速全速运转。

2 方案论证
本系统实现风扇的温度控制，需要有较高的温度变化分辨率和稳定可靠的换档停机控制部件。

2．1 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，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。关于DS18B20的详细参数参看下面“硬件设计”中的器件介绍。

2．2  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。

2．3显示电路
方案一：采用五位共阳数码管显示温度，动态扫描显示方式。
方案二：采用液晶显示屏LCD显示温度
对于方案一，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。不足的地方是扫描显示方式是使五个LED逐个点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为20MS，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼将感觉不到闪烁，因此可以通过增大扫描频率来消除闪烁感。
对于方案二，液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，这是LED数码管无法比拟的。但是液晶显示模块价格昂贵，驱动程序复杂，从简单实用的原则考虑，本系统采用方案一。

2．4调速方式
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。

2．5控制执行部件
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。（详见4.2.4）
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。

3 系统原理
3.1  系统总体设计


	file:///C:/Users/17361/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.png

取n1=875r/min。则可得出五个档位的转速值：

n1=875r/min，n2=980r/min，n3=1063r/min，n4=1150 r/min，n5=1250r/min
又由于负载上电压的有效值

u0=u1 （2）

式（2）中，u1为输入交流电压的有效值，α为控制角。解得：

(3)

式中:P 为负载得到的功率（kW）; n 为给定时间内可控硅导通的正弦波个数;N 为给定时间内交流正弦波的总个数; U为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电压有效值（V）; I 为可控硅在一个电源周期全导通时所对应的电流有效值（A）。由式(3) 可知,当U , I ,N 为定值时, 只要改变n 值的大小即可控制功率的输出,从而达到调
节电机转速的目的。图9 电机控制模块中断响应流程图

结束语

本系统以STC89C52单片机为核心，单片机主要完成对外界环境温度信号的采集、处理、显示等功能;用Altium Designer 6软件绘制电路原理图和PCB电路印刷板图，由Protues软件进行访真测试，利用MCS-51 C语言编制。
运行程序该系统的主要特点是:
（1)适用性强，用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同用户对最适合温度的要求，实现对最适温度的实时监控。
（2)随时可以根据软件编写新的功能加入产品。操作界面可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他按键的使用功能。
本系统温度控制采用DS18B20数字温度传感器作为感温元件。可控硅串接在电源与负载电风扇，借改变定周期内可控硅的导通与截止时间之比来实现调速功能，其设计完使用方便就，适应人们睡办公等不同场合的使用。
基于STC89C52单片机所设计与研制的电风扇智能调速系统，造价低且具有稳定性高、性能优越、节约电能等优点，在夜间无需定时，同样能给人们带来更多的方便。
本设计在模拟检测中运行较好，但采样据不太稳定。功能上的缺憾是对于两个档之间的临界温度处理不好，并且档位太少,还有待改进。

参考文献

[1] 曹巧媛.单片机原理及应用.北京：电子工业出版社，2002.2
[2] 王伦.电风扇原理与维修技术[M].北京：新时代出版社，1999
[3] 张毅刚.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨工业大学出版社，2006,10
[4] 梁廷贵、王裕琛.可控硅触发电路语音电路分册[M].北京：科学技术文献出版社，2003

附录一

数字温度传感器模块和显示子模块程序:
#include <reg52.h> //调用单片机头文件

#define uchar unsigned char //无符号字符型宏定义变量范围0~255

#define uint unsignedint //无符号整型宏定义变量范围0~65535

#include "eeprom52.h"

//数码管段选定义 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

uchar codesmg_du[]={0x28,0xee,0x42,0x52,0xe5,0xa8,0x41,0xe7,0x20,0xa0,

               0x60,0x25,0x39,0x26,0x31,0x71,0xff}; //断码
//数码管位选定义
uchar code smg_we[]={0xef,0xdf,0xbf,0x7f};
uchar dis_smg[8] = {0x28,0xee,0x32,0xa2,0xe4,0x92,0x82,0xf8};
uchar smg_i = 3; //显示数码管的个位数
sbit dq = P2^4; //18b20 IO口的定义

bit flag_lj_en;       //按键连加使能
bit flag_lj_3_en;  //按键连3次连加后使能  加的数就越大了

uchar key_time,key_value; //用做连加的中间变量

bit key_500ms  ;
sbit pwm = P2^3;
uchar f_pwm_l ;    //越小越暗

uint temperature ;  //
bit flag_300ms ;
uchar menu_1;    //菜单设计的变量
uint t_high = 300,t_low = 100;    //温度上下限报警值

/***********************1ms延时函数*****************************/
void delay_1ms(uint q)
{
uint i,j;
for(i=0;i<q;i++)
   for(j=0;j<120;j++);
}

/***********************小延时函数*****************************/
void delay_uint(uint q)
{
while(q--);
}

/***********************数码显示函数*****************************/
void display()
{
static uchar i;
i++;
if(i >= smg_i)
   i = 0;
P1 = 0xff;       //消隐
P3 = smg_we;          //位选

P1 = dis_smg;    //段选

}

/******************把数据保存到单片机内部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_write(0x2055, a_a);
}

/******************把数据从单片机内部eepom中读出来*****************/
void read_eeprom()
{
t_high  = byte_read(0x2001);
t_high <<= 8;
t_high  |= byte_read(0x2000);
t_low = byte_read(0x2003);
t_low <<= 8;
t_low |= byte_read(0x2002);
a_a    = byte_read(0x2055);
}

/**************开机初始化保存的数据*****************/
void init_eeprom()
{
read_eeprom();       //先读
if(a_a != 22)    //新的单片机初始单片机内问eeprom
{
   t_high = 320;
   t_low  = 280;
   a_a = 22;
   write_eeprom();    //保存数据
}
}

/***********************18b20初始化函数*****************************/
void init_18b20()
{
bit q;
dq = 1;             //把总线拿高
delay_uint(1);       //15us
dq = 0;             //给复位脉冲
delay_uint(80);    //750us
dq = 1;             //把总线拿高等待
delay_uint(10);    //110us
q = dq;             //读取18b20初始化信号
delay_uint(20);    //200us
dq = 1;             //把总线拿高释放总线
}

/*************写18b20内的数据***************/
void write_18b20(uchar dat)
{
uchar i;
for(i=0;i<8;i++)
{                   //写数据是低位开始
   dq = 0;          //把总线拿低写时间隙开始
   dq = dat & 0x01; //向18b20总线写数据了
   delay_uint(5);    // 60us
   dq = 1;          //释放总线
   dat >>= 1;
}
}

/*************读取18b20内的数据***************/
uchar read_18b20()
{
uchar i,value;
for(i=0;i<8;i++)
{
   dq = 0;          //把总线拿低读时间隙开始
   value >>= 1; //读数据是低位开始
   dq = 1;          //释放总线
   if(dq == 1)       //开始读写数据
      value |= 0x80;
   delay_uint(5);    //60us 读一个时间隙最少要保持60us的时间
}
return value;    //返回数据
}

/*************读取温度的值读出来的是小数***************/
uint read_temp()
{
uint value;
uchar low;          //在读取温度的时候如果中断的太频繁了，就应该把中断给关了，否则会影响到18b20的时序
init_18b20();       //初始化18b20
EA = 0;
write_18b20(0xcc);    //跳过64位ROM
write_18b20(0x44);    //启动一次温度转换命令
EA = 1;
delay_uint(50);       //500us

init_18b20();       //初始化18b20

EA = 0;
write_18b20(0xcc);    //跳过64位ROM
write_18b20(0xbe);    //发出读取暂存器命令

low = read_18b20();    //读温度低字节

value =read_18b20();  //读温度高字节
EA = 1;
value <<= 8;       //把温度的高位左移8位
value |= low;       //把读出的温度低位放到value的低八位中

value *= 0.625;       //转换到温度值小数
return value;       //返回读出的温度带小数
}

/*************定时器0初始化程序***************/
void time_init()
{
EA = 1;       //开总中断
TMOD = 0X11; //定时器0、定时器1工作方式1

ET0  = 1;       //开定时器0中断
TR0  = 1;       //允许定时器0定时

ET1  = 1;       //开定时器0中断
TR1  = 0;       //允许定时器0定时
}

/********************独立按键程序*****************/
uchar key_can;  //按键值

void key()  //独立按键程序
{
static uchar key_new;
key_can = 20;                //按键值还原
P2 |= 0x07;

if((P2 & 0x07) !=0x07)    //按键按下
{
   if(key_500ms == 1) //连加
   {
      key_500ms = 0;
      key_new = 1;
   }
   delay_1ms(1);       //按键消抖动
   if(((P2 & 0x07) != 0x07) && (key_new == 1))
   {                      //确认是按键按下
      key_new = 0;
      switch(P2 & 0x07)
      {
         case 0x06: key_can = 3; break;    //得到k2键值
         case 0x05: key_can = 2; break;    //得到k3键值
         case 0x03: key_can = 1; break;    //得到k4键值
      }
      flag_lj_en = 1; //连加使能
   }
}
else
{
   if(key_new == 0)
   {
      key_new = 1;
      write_eeprom();    //保存数据
      flag_lj_en = 0;    //关闭连加使能
      flag_lj_3_en = 0; //关闭3秒后使能
      key_value = 0;       //清零
      key_time = 0;
      key_500ms = 0;
   }
}
}

/****************按键处理数码管显示函数***************/
void key_with()
{
if(key_can == 1) //设置键
{
   f_pwm_l = 30;
   menu_1 ++;
   if(menu_1 >= 3)
   {
      menu_1 = 0;
      smg_i = 3;    //数码管显示3位
   }
}
if(menu_1 == 1)          //设置高温报警
{
   smg_i = 4;    //数码管显示4位
   if(key_can == 2)
   {
      if(flag_lj_3_en == 0)
         t_high ++ ;    //按键按下未松开自动加三次
      else
         t_high += 10; //按键按下未松开自动加三次之后每次自动加10
      if(t_high > 990)
         t_high = 990;
   }
   if(key_can == 3)
   {
      if(flag_lj_3_en == 0)
         t_high -- ;    //按键按下未松开自动减三次
      else
         t_high -= 10; //按键按下未松开自动减三次之后每次自动减10
      if(t_high <= t_low)
         t_high = t_low + 1;
   }
   dis_smg[0] = smg_du[t_high % 10];          //取小数显示
   dis_smg[1] = smg_du[t_high / 10 % 10] & 0xdf;  //取个位显示
   dis_smg[2] = smg_du[t_high / 100 % 10] ;    //取十位显示
   dis_smg[3] = 0x64; //H
}
if(menu_1 == 2)          //设置低温报警
{
   smg_i = 4;    //数码管显示4位
   if(key_can == 2)
   {
      if(flag_lj_3_en == 0)
         t_low ++ ;       //按键按下未松开自动加三次
      else
         t_low += 10;    //按键按下未松开自动加三次之后每次自动加10
      if(t_low >= t_high)
         t_low = t_high - 1;
   }
   if(key_can == 3)
   {
      if(flag_lj_3_en == 0)
         t_low -- ;       //按键按下未松开自动减三次
      else
         t_low -= 10;    //按键按下未松开自动加三次之后每次自动加10
      if(t_low <= 10)
         t_low = 10;
   }
   dis_smg[0] = smg_du[t_low % 10];             //取小数显示
   dis_smg[1] = smg_du[t_low / 10 % 10] & 0xdf; //取个位显示
   dis_smg[2] = smg_du[t_low / 100 % 10] ;       //取十位显示
   dis_smg[3] = 0x3D;    //L
}
}

/****************风扇控制函数***************/
void fengshan_kz()
{
//  static uchar value;

if(temperature >=t_high) //风扇全开
{
   TR1 = 1;
   pwm = 0;
}

else if((temperature <t_high)  && (temperature >=t_low))       //风扇缓慢
{
   f_pwm_l = 60;
   TR1 = 1;
}

else if(temperature <t_low)    //关闭风扇
{
   TR1 = 0;
   pwm = 1;
}
}


/****************主函数***************/
void main()
{
time_init();                   //初始化定时器

temperature =read_temp();    //先读出温度的值
init_eeprom();  //开始初始化保存的数据
delay_1ms(650);

temperature =read_temp();             //先读出温度的值
dis_smg[0] =smg_du[temperature % 10];  //取温度的小数显示
dis_smg[1] =smg_du[temperature / 10 % 10] & 0xdf; //取温度的个位显示
dis_smg[2] =smg_du[temperature / 100 % 10] ; //取温度的十位显示
f_pwm_l = 50;
while(1)
{
   key();                //按键程序
   if(key_can < 10)
   {
      key_with();          //设置报警温度
   }
   if(flag_300ms == 1)    //300ms 处理一次温度程序
   {
      flag_300ms = 0;

      temperature =read_temp();  //先读出温度的值
      if(menu_1 == 0)
      {
         smg_i = 3;
         dis_smg[0] = smg_du[temperature % 10];  //取温度的小数显示
         dis_smg[1] = smg_du[temperature / 10 % 10] & 0xdf; //取温度的个位显示
         dis_smg[2] = smg_du[temperature / 100 % 10] ; //取温度的十位显示
      }
   }
   fengshan_kz();       //风扇控制函数
}
}

/*************定时器0中断服务程序***************/
void time0_int() interrupt 1
{
static uchar value;          //定时2ms中断一次
TH0 = 0xf8;
TL0 = 0x30;    //2ms
display();    //数码管显示函数
value++;
if(value >= 150)
{
   value = 0;
   flag_300ms = 1;
}
if(flag_lj_en == 1)    //按下按键使能
{
   key_time ++;
   if(key_time >= 250) //500ms
   {
      key_time = 0;
      key_500ms = 1; //500ms
      key_value ++;
      if(key_value > 3)
      {
         key_value = 10;
         flag_lj_3_en = 1; //3次后1.5秒连加大些
      }
   }
}
}

/*******************定时器1用做单片机模拟PWM 调节***********************/

void Timer1() interrupt 3 //调用定时器1
{
static uchar value_l;
TH1=0xfe; // 定时10ms中断一次
TL1=0x0c; //500us
if(pwm==1)
{
   value_l+=3;

   if(value_l > f_pwm_l)  //高电平
   {
      value_l=0;
      if(f_pwm_l != 0)
         pwm=0;
   }
}
else
{
   value_l+=3;

   if(value_l  > 100 -f_pwm_l)       //低电平
   {
      value_l=0;
      pwm=1;
   }
}
}

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