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1、毕业论文(设计)题 目 基于51单片机的智能温控电扇设计学生姓名 学 号 院 系 专 业 指导教师 年 月 日目 录1 引言12 方案设计22.1 系统整体设计22.2 方案论证22.2.1 温度传感器的选择22.2.2 红外探测的选择32.2.3 控制核心的选择32.2.4 显示器件的选择32.2.5 调速方式的选择42.2.6 驱动方式选择43 硬件设计43.1系统各器件简介53.1.1 单线程数字温度传感器DS18B2053.1.2 AT89S51单片机简介53.1.3 桥式驱动电路L298N简介63.1.4 LCD1602简介73.1.5对射式光电开关简介73.2 各部分电路设计83.
2、2.1 开关复位与晶振电路83.2.2 独立控制键盘电路83.2.3 LCD显示电路93.2.4 红外探测电路93.2.5 温度采集电路103.2.6 风扇驱动电路104 软件设计114.1 主程序流程图114.2 液晶显示子程序134.3 DS18B20温度传感器子程序144.3.1 温度读取程序144.3.2 温度处理程序174.4 键盘扫描子程序184.5 温度比较处理子程序194.6 电机控制程序（包含红外探测）214.7 软件设计中的问题与分析234.7.1 LCD显示程序的问题234.7.2 DS18B20的显示程序问题235 硬件调试235.1 按键电路的调试245.2 温度传感
3、器电路的调试245.3 电机电路的调试245.4 红外感应电路的调试245.5 硬件调试遇到的问题246 结论24参考文献：26基于51单片机的智能温控电扇设计摘要：风扇是人们日常生活中必不可缺的工具，尤其是在夏天，作为一种使用频率很高的电器，备受人们喜爱。本文将以AT89S51为主控芯片，辅以DS18B20温度传感器，结合红外探测装置，来实现一种智能温控电扇的设计。此风扇通过液晶显示器来显示温度和风速，配备2个温度设定按键，由DS18B20读取外界温度，红外探头探测是否有人，通过设定的温度配合程序来调节风速，最后通过L298N来驱动电机。经过调试，风扇可以按照温度智能变速，无人自动关闭，实现
4、了智能温控的目标。关键词：DS18B20；AT89S51；红外探头；液晶显示器1602；L298N1 引言电扇是人们日常生活中常用的降温工具，从开始的吊扇到现在的USB风扇，无处不见电扇的踪迹。虽然如今空调已经走进千家万户，但是电扇的低位还是无可取代，作为一种节能环保，并且廉价简单的降温工具，电扇还在很多人家发挥着自己独特的作用。顺应时代潮流，各种多功能的风扇逐渐在取代传统风扇。单片机作为一种智能化程度高，控制精度高，操作简单，廉价易得，抗干扰能力强等特点，越来越多的应用于智能化产品之中。市场上智能风扇产品相继问世，制作方法也多种多样，功能也逐渐完善，普遍都具有了手动变速和定时关闭等功能，相对
5、而言，具备人性化，智能化的风扇还是很少，使用也并不广泛，而且在电子工艺高度发展的今天，智能化的步伐也越来越快，尤其是中国这个高速发展的国家，电扇的智能化也该向前迈进一个步伐。在中国市场上风扇还是有一定的市场份额的，几乎每个家庭都有风扇，具备价格便宜，摆放轻便，体积灵巧等特点，使得风扇在中小城市以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额，为提高风扇的市场竞争力，使之在技术含量上有所提高，满足智能化的要求，智能风扇很具竞争力。大学四年即将结束，为了检验自己的学习情况，我决定使用之前所学习到的硬件只是结合相关的软件基础来制作一个基于单片机的智能温控风扇。基于对人性化与智能化相结合的考虑，同时基
6、于对价格的考虑，本设计决定制作一个基于51单片机的智能温控风扇，该风扇具有随温度自动调节风速的功能，并且在无人时可以自动关闭，而且可以根据每个人的不同情况来设定基准温度，从而实现了人性化与智能化的双重目标。2 方案设计2.1 系统整体设计本设计的整体思路是：利用温度传感器DS18B20来检测环境温度，并直接输出数字温度给51单片机进行处理，并将实时温度、设置温度、风速显示在液晶1602上。设置温度辅以2个可调按键，一个提高设置温度，一个降低设置温度，设置温度只能是整数型式，检测到的环境温度可以精确到小数点后一位。本系统还配备一个红外探头，探测出风范围内是否有人，若无人则自动关闭风扇。同时采用单
7、片机模拟PWM脉宽调制方式来改变直流电扇电机的转速。系统整体结构框图1所示：AT89S51晶振L298NLCD1602DS18B20复位红外探头独立键盘直流电机图1整体系统结构图2.2 方案论证本设计要求实现在温度变化的情况下风扇直流电机转速随之改变，并且能够在无人的情况和温度低于设定温度的时候自行停止，需要比较高的温度分辨率和稳定的探测工具以及可靠的电机控制部件。2.2.1 温度传感器的选择在本设计中，温度传感器的方案有以下两种：方案一：采用热敏电阻。热敏电阻的特性就是阻值可以随温度的变化而变化，采用热敏电阻作为检测温度的核心部件，然后通过放大电路放大信号，经过AD0809数模转换讲放大的微
8、弱电压变化信号转化了数字信号输入单片机处理。方案二：单总线数字温度计DS18B20。作为一款优秀的数字集成温度传感器，DS18B20可以直接检测并输出数字信号给单片机进行处理。对于方案一，如若采用热敏电阻作为温度检测元件，则价格方面比较便宜，元件易得，但是热敏电阻的缺点显而易见，对于温度细微变化反应不敏感，而且在后续的放大和转换电路中还会造成失真和误差，并且热敏电阻的变化曲线非线性，每个热敏电阻都不同，还需要单独测试描绘出曲线，虽然可以通过软件来实现误差的修正，但是这会使得电路的复杂性增加，并且在人体所在实际环境中难以检测到小的温度变化。所以这个方案在本设计中难以胜任。对于方案二，DS18B2
9、0测量范围从-55到+125，增量值为0.5，人体所处的环境温度包括其中，分辨率较高，所获取的温度误差小，并且对温度变化反应灵敏。DS18B20最具优势的是其温度值在器件内部直接转化成数字信号输出，简化了系统设计，又由于该温度传感器采用了单总线技术，使得其接口与单片机接口变得非常简洁，抗干扰能力也得到了提高，所以本系统采用这个方案。2.2.2 红外探测的选择方案一：热释电红外探测模块。作为一款应用很广的红外探测模块，具有灵敏度高，可靠性高，低电压工作模式等特点，被广泛的应用与各种场合中。但是与本设计却有一个冲突，该模块使用环境应尽量避免流动的风，流动的风也会对感应器造成干扰。所以方案一不适用。
10、方案二：对射式光电开关。对射式光电开关是一款有红外线发射管跟红外线接收管配对使用的光电开关。对射式光电开关在电路中起到了通过光来传播电路，当有物体阻挡着红外线发射管跟接受管时，电路会停止工作。使用这个特性，我们就能判断是否有人，外界干扰就没有了，非常适合这个系统，所以就采用这种方案。2.2.3 控制核心的选择本设计采用AT89S51单片机作为控制核心，通过软件编程的方法进行温度的实时检测与判断，并在I/O口上输出控制信号，控制电机工作。AT89S51具有较大的存储空间，工作电压低，性能高，片内含4K字节的只读程序存储器ROM和128字节的随即数据存储器RAM，兼容标准MCS-51指令系统，价格
11、便宜，与本系统的设计相符合。2.2.4 显示器件的选择方案一：LED共阴极数码显示管。方案二：LCD液晶显示屏1602。对于方案一，成本相对低廉，功耗也低，在黑暗空间也可以看的清楚，可视距离较远，同时显示温度的程序也相对而言简单，所以这种显示方式也得到了广泛应用。但是它采用的显示方式是动态扫描，各个LED逐个点亮，会产生闪烁，在这个温度实时变化的环境中闪烁可能太快，数据可能不能很好的展示出来，故此方案不采用。对于方案二，液晶显示屏显示字符清晰，自带背光，还能显示符号，并且不会不断闪烁，显示性能一流，并且考虑到此设计不只是要显示温度，还要显示电机和红外的状态，所以从设计完善的角度来考虑，选择此方
12、案更有优势。2.2.5 调速方式的选择方案一：采用数模转化芯片DAC0832来控制，有单片机根据当前环境温度输出数值到DAC0832中，再由DAC0832产生相应的模拟信号控制晶闸管的导通脚，从而采用无级调速电路实现电扇电机转速的调节。方案二：采用单片机软件模拟PWM调速的方法。PWM是一种按照一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调节方式，在PWM驱动控制的调节系统中，最常用的是矩形波PWM信号，在控制时调节PWM波的占空比。占空比是指高电平在一个周期时间内的百分比。在控制电机的转速时，占空比越大，转速就越快，若全为高电平时占空比为100%，此时转速达到最大。用单片机的I
13、/O口输出PWM信号时，有如下三种方法：（1）利用软件延时。当高电平延时时间到时，对I/O口电平取反，使其变成低电平，再延时一定时间，反之在低电平延时到时，对I/O口电平取反，如此循环即可得到PWM信号。本设计就是采用了这种方法。（2）利用定时器。控制方法与（1）相同，只是在该方法中利用单片机的定时器来进行高低电平的转变，而不是利用软件的延时。应用此方法时编程相对复杂，故不予以采用。（3）利用单片机自带的PWM控制器。STC系列单片机自带PWM控制器，但本系统使用的AT89系列单片机没有此功能，所以不能使用。对于方案一，该方案能实现对直流电机的无级调速，速度变化灵敏，但是D/A转换芯片价格较高
14、，性价比不高，不采用。对于方案二，相对于其他方案来说，采用软件模拟PWM实现调速的过程，具有个高的性价比与灵活性，充分的发挥了单片机自身的性能，对本系统的实现又提供了一条有效的途径。所以综合考虑还是选择方案二的第一种。2.2.6 驱动方式选择方案一：达林顿反向驱动器ULN2803。方案二：电桥驱动电路L298N。对于方案一，作为一款反向驱动器，ULN2803应用广泛，驱动效果也很好，与TTL信号兼容性很好，但是在后续的硬件电路中表现不佳，风扇转速改变不明显，而且在最高档出现断档的情况，风扇不转，在修改硬件电路，修改程序后依旧效果不佳，驱动力明显不足，故方案一中途停用。对于方案二，由于之前已经有
15、使用过，对L298N这个桥式驱动模块的应用上手快速，驱动能力也比ULN2803好很多，驱动风扇5档变速的实际效果明显，故采用方案二。3 硬件设计系统主要器件包括温度传感器DS18B20、AT89S51单片机、液晶显示屏LCD1602、桥式驱动模块L298N、对射式光电开关开关和风扇。辅助元件包括电容电阻、晶振、电源、按键、变压器等。3.1系统各器件简介3.1.1 单线程数字温度传感器DS18B20此温度传感器是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进型智能温度传感器DS18B20。作为新一带数字检测元件，DS1820是世界上第一片支持 一线总线接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。一线总线
