刘成伟]基于单片机的自动温控电风扇设计

刘成伟]基于单片机的自动温控电风扇设计内容摘要：

方而的考虑，我们需要设计一种智能电风扇控制系统来解决这些问题。 课题的设计目的和意义 在许多场台，风扇仍是主要的散热降温设备，很多场台都希望风扇的转速具有智能性，能够随着温度的变化自动控制。 为解决这一问题。 本文 提 出了一种采用温 度传感器测温，利用单片机控制，自动在相应的温度时作出风扇起停及超出范围报警等动作的系 统。 该系统动作准确，精确度高，能取得良好的节能效果。 本文设计了一种基干 AT89S51 单片机的风扇智能控制系统，根据温度的变化，通过继电器实现风扇的自动控制。 分析子硬件电路与软件设计，并通过实验证明了该系统可靠性高，反应灵敏，具有较高的实用价值 ，更具有人性化。 基于单片机的自动温控电风扇设计 4 2 系统主要硬件电路设计 系统整体设计框图 本系统 由 单片机 、 温度传感器、继电器、按键电 路 、 数码管、 蜂鸣器及其他一些外围器件组成，系统结构框图如图 1 所示。 在系统中，单片机通过检 测温度传感采集来的温度并在数码和上显示出来，然后 作出相应的处理 ， 当温度高于 20℃ 时，单片机的 引脚输出低电平，继电器线圈得电，其对应的常开触电闭合 ， 电风扇电路导逋 ，电风扇开始转动：当温度低于 20℃ 时，单片机的 引脚输出高电平，继电器线圈失电，其对应的常开触电打开，电风扇电路断开，电风扇停止转动同时在单片机的 引脚连一十蜂鸣器，当温度高于 敲定的 高温度限 或低于 设定的 低温限 时 ， 蜂鸣器报警。 在系统运行过程中，因 干扰或其他意外造成死机时 ，可用复位电路 进行复位，以保证系统可以安全正常运行。 图 1 系统 结构 框图 AT89S51 介绍及说明 根据设计要求设定 AT89S51 为中央处理器，它是一种低功耗、高性能的处理器。 作为整个控制系统的核心， AT89S51 内部已包含了定时器、程序存储器、数据存储器等硬件，其硬件能符合整控制系统的要求，不需要外接其他存储器芯片和定时器件，方便地构成一个最小系统 [12]。 整个系统结构紧凑，抗干扰能力强，性价比高 ， 是比较合适的方案。 AT89S51 主要特性及引脚说明 AT89S51 是一个低功耗高性能单片机，如 图 2 所示 ，它共有 40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出 (I/O)端口， 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器， 2 个全双工串行通信口， AT89S51[3]可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 AT89S51 按键输入 温度采集 DS18B20 时钟电路 复位电路 风扇执行 数码管显示 继电器控制 蜂鸣器报警 基于单片机的自动温控电风扇设计 5 图 2 AT89S51 引脚图 资料来源： 陈忠半，哇仁武 .单片机基础与最小系统实践 [M] 北京航空航天大学出版社， 2020 管脚说明 [10]： VCC： 供电电 压。 GND： 接地。 PO 口： PO 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P1口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 PO 能够用于外部程序数据存 储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。 Pl 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， Pl 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部 上拉的缘故。 在 FLASH 编程和 校验时， P1 口作为第八位地址接收。 P2 口 : P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4个 TTL 门电流，当 P2口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部， 卜拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。 当 P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入， 基于单片机的自动温控电风扇设计 6 由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流 (ILL)这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为AT89S51 的一些特殊功能口，如下表所示： P3 口管脚 备选功能 RXD（串行输入口） TXD（串行输出口） /INTO（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） /RD（外部数据存储器读选通） P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输 入。 当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 /PSEN:外部程序存储器的选通信号。 在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP:当 IEA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 ( OOOOHFFFFH)，不管是否有内部程序存储器。 注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /EA 端保持高电平时，此问内部程序存储 器。 XTALl： 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2： 来自反向振荡器的输出。 电源电路 电路主要分为：变压、整流、滤波、稳压四个部分。 电流进入电路，通过一个 220V变 15V 的电源变压器把 220V 的交流电压变为 15V 的交流电压，变胜器次级线圈输出的15V 交流电压经过全桥进行全波整流， C1 滤波， 7805 稳压后，输出稳定的 +5v 直流工作电压。 系统电源电路如图 3： 图 3 电源电路图 基于单片机的自动温控电风扇设计 7 单片机的复位电 路和时钟电路 复位电路 通过某种方式 , 使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 如图 4所示 ， 在本 电路 中， AT89S51 单片机在时钟电路工作以后 , 在 RST 端持续给出 2 个机器周期 (24 个时钟周期 )的高电平就可以完成复位操作 [7]。 图 4 单片机 复位电路 时钟电路 单片机的时钟信号用来提供单片机内部各种操作的时间基准，时钟电路用来 产生单片机工作所需要的时钟信号。 单片机内部有一个高增益的反向放大器，其输入端 X1和 X2 用于外接晶体和电容，以构成自激振荡器 [7]，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。 单片机时钟电路如图 5 所示 ： 图 5 单片机时钟电路 基于单片机的自动温控电风扇设计 8 数字温度传感器模块设计 在选定单片机类型后，通常还要对一些严重影响系统性能指标的器件，如传感器进行选择。 有时一个设计合理的 温控 系统往往因为传感器的限制而达不到应有的效果。 该电路的根本任务是温度的实时测量。 因此，选用一块好的温度传感器是本设计的关键。 典型的温度 温控系统 是由模拟温 度传感器、 A、 D 转换电路和单片机组成。 但是由于模拟温度传感器输出为模拟信号，必须经过 A/D 转换环节获得数字信号后才能与单片机等微处理器接口，使得硬件电路结构复杂，成本较高。 近年来，由于以 DS18B20[5]为代表的新型单总线数字式温度传感器的突出优点使得它得到充分利。 DS18B20 介绍 DS18B20 内部结构土要由四部分组成 [5]： 64 位光刻 ROM、温度传感器非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。 DS18B20 的测量温度范围是 55～ +125℃。 该温度传感器的输出温度数 据可与摄氏度校准，使用查找表或转换规则就可计算温度值。 它采用单根信号线，既传输时钟，又传输数据，而且数据传输是双向的，因此具有节省 I /O 口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点 [2,5]。 它可以直接将模拟温度信号转化为数字信号，降低了电路的复杂程度，提高了电路的运行质量。 DS18B20 的封装方式 DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装或 8 脚 SOIC 封装，本设计采用的是 3 脚 PR35 封装 [2]。 其结构图如图 6 所示 ： DS18B20 引脚定义： (1)DQ 为数字信号输入 /输出端； (2)GND 为电源地； (3)VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接 线方式时接地）。 DS18B20 1 2 3 GND DQ VDD 图 6 PR35封装 资料来源： 周育才 ,饶洪德 .基于 DS18820 分组方式测温系统设计 [M].计算机信息 出版社 ,2020： 127 基于单片机的自动温控电风扇设计 9 DS18B20 的功能及使用说明 DS18B20 数字温度传感器可以完成如下的功能 [2,5,9]： (1) 采用采用 AT89S51 单片机和 DS18B20 温度传感器通信，控制温度的采集过程和进行数据通信； (2) 提供 DS18B20 的使用外围电路温度显示 LED 电路以及 DS18B20 和单片机的通信接口电路； (3) 利用发光二极管指示系统的 工作状态， DS18B20 温度传感器内置温度上下限； (4) 编写程序，完成单片机对温度数据的采集过程以及与 DS18B20 数据传输过程的控制。 图 7 DS18B20 温度传感器接线图 如图 7 DS18B20 温度传感器接线图 ： 主机（单片机）控制 DS18B20 完成温度转换必须经过三个步骤 [9]：每一次读写之前都要对 DS18B20 进行复位操作，复位成功后发送一条 R01 指令，最后发送 RAM 指令，这样才能对 DS18B20 进行预定的操作。 复位要求丰 CPU 将数据线下拉 500 微秒，然后释放，当 DS18B20 收到信号后等待 16～ 60 微秒左右 [2,5]，后发出 60～ 240 微秒的存在低脉冲，主 CPU 收到此信号表示复位成功。 部分温度值与 DS18B20[9]输出的数字量对照表如下 表 1： 表 1 DS18B20数字量对照表 温度 ℃ 温度输出（二进制） 温度输出（十六进制） +85℃ 0000 0101 0101 0000 0550H +℃ 0000 0001 1001 0001 0191H +℃ 0000 0000 1010 0010 00A2H +℃ 0000 0000 0000 1000 0008H +0℃ 0000 0000 0000 0000 0000H ℃ 1111 1111 1111 1000 FFF8H ℃ 1111 1111 0110 1110 FF5EH ℃ 1111 1111 0110 1111 FF6FH 55℃ 1111 1100 1001 0000 FC90H 资料来源： 马云蜂 .单片机与数字温度传感器 DS18B20的接口设计 [M].计算机测量与控制 基于单片机的自动温控电风扇设计 10 键盘输入模块 键盘的选择与原理 键盘的基本工作原理： 键盘是单片机应用系统中不可缺 少的 设备，人们通过它往计算机中传递信息。 常用的键盘电路有两种： 独立式键盘和矩阵式键盘。 本设计采用的是 独立式键盘 独立式键盘： 最简单的键盘为独立式键盘 [6]，每个键对应 I/O 端口的一位，没有键闭合时， I/O 湍口各位均处于高电 平。 当有一个键被按下时，就使对应位接地成为低电平。 而其他位仍为高电平。 这样，只要 CPU 检测到 T/O 端口的某一位为“ 0”，便可以辨别出对应键已经被按下。 键盘电路 根据所需按键个数、 I/O 引脚输出级电路结构以及可以利用的 I/O 引脚数量，确定键盘电路 [7]形式。 本方案有 3 个按键，又考虑 到 I/O 口的数量，采用独立式键盘电路。 3 个按键分别定义如下：设定键 (S2)：按下时，温度显示设定温度，并可改变设定温度； +按键 (S3)：改变设定温度使设定温度增加 ； 按键 (S4)：改变设定温度使设定温度减小 ； 如图 8 所示 ： 图 8 键盘电路 继电器控制电路 继电器简介及工作原理 单片机是弱电器件 [9]，风扇的工作电压为 220V。 因此单片机不能直接控制风扇，这就需要继电器，使得强电与弱电隔离，实现弱电控制强电。 继电器采用 JZC33F[3]，动作电压为 5v。 它有一组常开触点，一组常闭触点，这里我们只需要用一组常开触点即可。 工作原理：这里的继电器由 PNP 型三极管驱动。 当温度高于温度上限时，单片机P21 输出 0，三极管导通，继电器线圈得电，触点闭台，电风扇电路接通，风扇开始转动。 温度低于设定值下限时， P21 输出 1，三极管截止，继电器中没有电流，触点保持 基于单片机的自动温控电风扇设计 11 断开，风扇电路断开，风扇停转。 继电器线圈两端反相并联着一个二极管，起到吸收反相电动势的功能，保护三及管。 继电器作用 实现弱电控制强电，单片机是弱电器件，一般情况下它的 工作电压为 5 V，电风扇工作所需电压为 220 V，属于强电，强电不能和弱电有任何电器接触，防止强电进入到单片机内，继电器起到隔离作用 [9,12]。 由于单片机是一个弱电器件，它的工作电压是 5 V，驱动电流在 mA 级以下，而现在要把它用于一些大功率场合，控制电风扇，显然是不行的。 所以，就要有一个环节来衔接，这个环节就是所谓的“功率驱动”，继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节 [3]。 继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口，起到控制作用，三极管起到放大作用。 这里继电器由相应的三极管来驱动，当温度高 于 20℃ 时，给单片机一个命令 P21，单片机 P21 引脚输出 低 电平，三极管导通，继电器线圈得电有电流经过，常开触点闭合，电风扇电路接通，电风扇开始转动。 温度低于 20℃ 时，执行 CLR P21，单片机 P21引脚输出 高 电平，三极管截至，继电器线圈中没有电流经过，常开触点保持原断开状态，电风扇电路断路，电风扇不能转动。 继电器线圈两端反相并联的二极管起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管 ， 实现自动控制时先把开关 PLY1 闭合。 继电器控制电路如图 9 所示： 图 9 继电器 自动 控制电路 蜂鸣器报警电路 在单片机的 P37 引脚连接一个蜂鸣器报警器，可以实现当温度过高或过低时，蜂鸣器发出声音报警提醒人们注意避暑或防止受凉。 蜂鸣器工作原理 [12]简介：当控制端口通以不同频率及不同占空比的信号时蜂鸣器将发出不同强度及不同频率的声音。 由于其具有比传统的喇叭体积小，价格低等优点，所以此次提示音电路选用蜂鸣器。 如图 10 所示： 基于单片机的自动温控电风扇设计 12 图 10 蜂鸣器报警电路 温度显示与控制模块 在单片机控制系统中，常用 LED 显示器 [10]来 显示各种数字和符号。 这种显示器显示清晰，亮度高，接口方便，广泛用于各种控制系统中。 LED 显示灯介绍 LED 显示器在电路连接上有两种。