温控风扇参考论文

任务书 温控自动风扇系统

摘要：

本设计为一种温控风扇系统，具有灵敏的温度感测和显示功能，系统AT89S52 单片机作为控制平台对风扇转速进行控制。可由用户设置高、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。

引言

生活中，我们经常会使用一些与温度有关的设备。比如，现在虽然不少城市家庭用上了空调，但在占中国大部分人口的农村地区依旧使用电风扇作为降温防暑设备，春夏（夏秋）交替时节，白天温度依旧很高，电风扇应高转速、大风量，使人感到清凉；到了晚上，气温降低，当人入睡后，应该逐步减小转速，以免使人感冒。虽然电风扇都有调节不同档位的功能，但必须要人手动换档，睡着了就无能为力了，而普遍采用的定时器关闭的做法，一方面是定时时间长短有限制，一般是一两个小时；另一方面可能在一两个小时后气温依旧没有降低很多，而风扇就关闭了，使人在睡梦中热醒而不得不起床重新打开风扇，增加定时器时间，非常麻烦，而且可能多次定时后最后一次定时时间太长，在温度降低以后风扇依旧继续吹风，使人感冒；第三方面是只有简单的到了定时时间就关闭风扇电源的单一功能，不能满足气温变化对风扇风速大小的不同要求。又比如在较大功率的电子产品散热方面，现在绝大多数都采用了风冷系统，利用风扇引起空气流动，带走热量，使电子产品不至于发热烧坏。要使电子产品保持较低的温度，必须用大功率、高转速、大风量的风扇，而风扇的噪音与其功率成正比。如果要低噪音，则要减小风扇转速，又会引起电子设备温度上升，不能两全其美。为解决上述问题，我们设计了这套温控自动风扇系统。本系统采用高精度集成温度传感器，用单片机控制，能显示实时温度，并根据使用者设定的温度自动在相应温度时作出小风、大风、停机动作，精确度高，动作准确。

1、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。

1．1 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。

1．2 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。

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1．3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PWM波调速。

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，PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，故本系统采用方案二。

2 系统硬件设计

2.1 MCU的选择与AT89S52简介

目前在单片机系统中，应用比较广泛的微处理器芯片主要为8XC5X系列的单片机，该系列单片机均采用标准MCS-51内核，硬件资源相互兼容，品类齐全、性能稳定、体积小、价格底、货源充足、调试和编程方便，所以应用较为广泛。

例如AT89S52单片机是一款低功耗、低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB（可经受1000次擦写周期）的FLASH可编程可反复擦写的只读程序存储器（EPROM），器件采用CMOS工艺和ATMEL公司的高密度，非易失性存储器（NURAM）技术制造，其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容，片内的FLASH存储器允许在系统内可改编程序或用常规的非易失性存储编程器来编程。因此，AT89S52是一种功能强，灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用在各个控制领域[1]。

AT89S52具有以下主要性能： 1.8KB可改编程序FLASH存储器； 2.全表态工作 ：0～24HZ； 3.256X8字节内部RAM；

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4.32个外部双向输入，输出（I、O）口； 引脚说明如图2-2。

图2-2 AT89S52引脚说明

引脚功能说明如下[2]： VCC：电源电压。 GND：地。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据线复用口。作为输出口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端。

在访问外部数据储存器或程序储存器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。FLASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。FLASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

P2口：P2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序储存器或16位

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地址的外部数据储存器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据储存器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。

P3口：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作为输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

P3除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，具体功能说明如表2-1。

P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校的控制信号。 RST:复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

表2-1 P3口的第二功能表

端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD(穿行输出口) TXD(穿行输入口) INT0（外部中断0） INT1（外部中断1） T0(定时/计数器0) T1(定时/计数器0) WR(外部数据写选通) RD(外部数据读选通) 即使不访问外部存储器，ALE仍以是时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此他可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

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如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT80C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序储存器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（Vcc端），CPU则执行内部程序储存器中的指令。

FLASH储存器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压。

XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 2.2 DS18B20简介

DS18B20是DALLAS公司生产的单线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

每一个 DSl820 包括一个唯一的 64 位长的序号 该序号值存放在DSl820 内部的 ROM(只读存贮器)中 开始8 位是产品类型编码(DSl820 编码均为 10H) 接着的 48位是每个器件唯一的序号 最后 8 位是前面 56 位的CRC(循环冗余校验)码 DSl820 中还有用于贮存测得的温度值的两个 8 位存贮器 RAM 编号为 0 号和 1号 1 号存贮器存放温度值的符号 如果温度为负则 1 号存贮器 8 位全为 1 否则全为 0 。0 号存贮器用于存放温度值的补码 LSB(最低位)的 1 表示 0.5贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以 2 就得到被测温度值。具体引脚说

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明如图2-6，功能如表2-5。

图2-6 DS18B20引脚与封装

表2-5 DS18B20引脚说明

序号 1 2 3

DS18B20控制字和读写时序说明

DS18B20是1--wire单线器件，它在一根数据线上实现数据的双向传输，这就需要一定的协议来对读写数据提出严格的时序要求，AT89S52单片机并不支持单线传输。因此，必须采用软件的方法来模拟单线的协议时序。主机操作单线器件DS18B20必须遵循下面的顺序[8]。 1.初始化

单线总线上的所有操作均从初始化开始，初始化过程如下。主机通过拉低单线480us以上，产生复位脉冲，然后释放该线，进入RX接收模式。主机释放总线时，会产生一个上升沿。单线器件DS18B20检测到该上升沿后，延时15-60us，通过拉低总线60-24us来产生应答脉冲，主机接收到从机的应答脉冲后，说明有单线器件在线。

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名称 GND 接地 DQ 引脚功能 数据输入/输出引脚：开漏单总线接口引脚；当被用到寄生电源下，也可向器件提供电源 VDD 可选择的VDD引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地

2.ROM操作命令

一旦总线主机检测对应答脉冲，便可以发起ROM操作命令。共有5位ROM操作命令。详细说明如下表2-6。

表2-6 ROM操作命令与说明

命令类型 命令字节 33H 功能说明 此命令读取激光ROM的64位，只能用于总线上单个DS18B20的情况下，多挂则会发生冲突 此命令后跟64位ROM序列号，寻址多挂总线上的DS18B20。只Match rom（匹配rom） 55H 有序列号完全匹配的DS18B20才能响应后面的内存操作命令，其他不匹配的将等待复位脉冲。此命令可用于单挂或多挂接总线。 Skip rom（跳过rom） Scarch rom（搜索rom） Alarm rom（警报rom） 此命令用于单挂接总线系统时，可以无需提供64位ROM序列号CCH 皆可运行内存操作命令。如果总线上挂多挂DS18B20,并且在此命令后执行读命令，将会发生数据冲突。 F0H 主机调用此命令，通过一个排除法过程，可以识别出总线上所有器件的ROM序列号。 此命令流程图和scarch rom命令相同，但是DS18B20只有在最近的一次温度测量时满足了告警触发条件，才会响应此命令。 Read rom ECH 3.内存操作命令

在成功执行了ROM操作命令之后，才可以使用内存操作命令。主机可以提供6种内存操作命令，如表2-7。 4.数据处理

DS18B20要求有严格的时序来保证数据的完整。在单线DQ上，存在复位脉冲、应答脉冲、写“1”、写“0”、读“1”、读“0”几种信号类型。其中，除了应答脉冲之外，均由主机产生。而数据位读写则是通过使用读、写时隙实现的。

首先了解写时隙。当主机将数据线从高平拉至低电平时，产生2种类型的写时隙：写“1”和“0”。所有写时隙必须在60μs以上（即由高拉低后持续60μs以上），各个写时隙之间必须保证最短1us的恢复时间。DS18B20在DQ线变低后的15μs～60μs的端口对DQ进行采样，如果为高电平，就为写“1”；如果为低电平，

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就为写“0”。对于主机产生写“1”时隙的情况，数据线必须先被拉低，然后释放，在写时隙开始后的15μs，允许DQ线拉至高电平。对于主机写“0”时隙的情况，DQ线必须被拉至低电平至少保持低电平60μs。

再来了解一下读时隙。当主机从DS18B20读数据时，把数据线从高电平拉至低电平，产生读时隙。数据线DQ必须保持低电平至少1μs，来自DS18B20的输出数据在读时隙下降沿之后15μs内有效。因此，在此15μs内，主机必须停止将DQ引脚置低。在读时隙结束时，DQ引脚通过外部上拉电阻拉回高电平。所有的读时隙最短必须持续60μs，各个读时隙之间必须保证最短1μs的恢复时间。

表2-7 内存操作命令与说明

命令类型 Write Scratchpad（写暂存器） Rrad Scratchpad（读暂存器） 命令字节 4EH 功能说明 此命令写暂存器中地址2~4的3个字节（TH、TL和配置寄存器）在发起复位脉冲之前，3个字节都必须要写。 此命令读取暂存器内容，从字节0~一直读取到字节8。主机可以随时发起复位脉冲以停止此操作。 此命令将暂存器中的内容复制进E2RAM，以便将温度告Copy Scratchpad（复制暂存器） 48H 警触发字节存入非易失内存。如果在此命令后产生读时隙，那么只要器件在进行复制就会输出0，复制完成后，再输出1。 Convenrt T（温度转换） 此命令开始温度转换操作。如果在此命令后主机产生读44H 时隙，那么只要器件在进行温度转换就会输出0，转换完成后在输出1。 将存储在E2RAM中的温度告警触发值和配置寄存器值重B8H 新拷贝到暂存器中，此重调操作在DS18B20加电时自动产生。 主机发起此命令后每个读数据时隙内，DS1820发信号通B4H 知它的供电方式：0为寄生电源方式，1为外部供电方式。 BEH Recall E2（重调E2存储器） Read Power Supply（读供电方式） 所有的读写时隙至少需要60μs，且每个独立的时隙之间至少需要1μs的恢复时间。在写时序中，主机将在拉低总线15μs内释放总线，并向DS18B20写“1”。

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若主机拉低总线后能保持60μs的低电平，则向单总线器件写“0”。DS18B20仅在主机发出读数据命令后，必须马上产生读时隙，以便DS18B20能传输数据。

特别需要注意的是，与DS18B20配套使用的是频率为11.0592Mhz单片机晶振，这决定了指令运行时间，在软件设计将根据指令运行时间编写各种延时程序。

四、 温度采集电路与单片机的连接

本设计中使用DS18B20温度传感器进行环境温度采集和转化，其与单片机的连接图如图2-7所示[4]。

图2-7 单片机与DS18B20连接图

AT89S52单片机的P3.4脚接DS18B20的I/O脚，作为数据的读入和写出。电阻R11作为DS18B20的I/O口的上拉电阻，在读时隙结束时，I/O引脚将通过此上拉电阻拉回到高电平。

要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，电路采用5V电源供电，根据I=U/R=5/4700=1.06mA，所以根据这个原理，可以选用小一点的电阻，只要保证DS18B20的工作电流，当然也可以直接接在电源上，但是为了使信号稳定，一般在电路设计中加上拉电阻。我们选用4.7KΩ。 2.3时钟电路设计

时钟电路是用来产生AT89S52单片机工作时所必须的时钟信号，AT89S52本身

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工和机械的结合，使得设计更加有挑战性和先进性。更能增加和提高我们的设计能力。

本设计中的温控自动控制风扇可以根据季节、温度的变化自动开启和调节室内的温度和空气流通。对其的使用方便，单片的控制和电路的改造使其在普通风扇上大大增加优势，而且外形体积也没有增大或改变。在市场不断要求产品的功能多元化和使用方便、人性化中，经过这样改进和更具有潜力的产品无疑是风和要求的。

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附件一： 总体原理图：

附件二： 总体PCB图

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附件3 总体程序 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define PWM_T 100 sbit ds=P3^4; sbit dula=P2^6; sbit beep=P1^0; uint temp,t,w; uchar flag;

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//52系列头文件

//定义蜂鸣器 //定义整型的温度数据

float f_temp; //定义浮点型的温度数据

uint high,low,PWM_t,time_count; sbit led1=P1^1; sbit led2=P1^2; sbit s1=P3^5; sbit s2=P3^6; sbit s3=P3^7; sbit PWM=P1^6;

//控制发光二极管 //控制发光二极管

uchar flag1,flag2,flag3,flag4,s1num,qian,bai,shi,ge; uchar code table[]= {

0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99, 0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xc6 }; //共阳数码管段码表 uchar code table1[]= {0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,

0x12,0x02,0x78,0x00,0x10};//带小数点的编码 void delay(uchar z) {

uchar a,b; for(a=z;a>0;a--) for(b=100;b>0;b--); } void init() { EA=1; ET1=1; ET0=1; TR1=1;

//延时函数

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TR0=1; TMOD=0x12;

TH1=(65536-4000)/256; TL1=(65536-4000)%6;

TH0=0x216; //保证定时时长为0.1ms TL0=0x216; flag=0; low=200; high=300; }

void hdidi() { beep=0; led1=0; delay(500); beep=1; led1=1; delay(500); }

void ldidi() { beep=0; led2=0; delay(50); beep=1; led2=1; delay(50); }

void dsreset(void)

//DS18b20复位， 初始化函数

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