基于单片机的智能风扇设计

本科毕业论文（设计）题目：基于单片机的智能风扇设计

姓名：

学号：

专业：电子信息工程

院系：电子通信工程学院

指导老师：

职称学历：助教／硕士

完成时间： 2014年5月

安徽新华学院本科毕业论文（设计）独创承诺书

本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。

毕业论文（设计）作者签名：

日期：

基于单片机的智能风扇设计

摘要

电风扇是夏天给人们降温的非常好的家用电器,智能风扇就是能根据温度的改变，风扇转速随之改变,现在的风扇很难做到这一点，只有人为的几档调速。夏夜温度下降后人们容易因熟睡而受凉，当温度升高时，它又不能根据温度的变化改变转速。

本设计智能风扇采用单片机AT89C51作为控制系统的核心，使用温度传感器DS18B20进行当前的温度采集，利用PWM脉冲宽度调制技术进行实时调速,并通过LED数码管显示当前温度。同时本次设计还有一个比较创新的地方，本系统具有驱蚊功能。

关键词：单片机；温度传感器；风扇；超声波驱蚊

Design of Smart Fan Based on Single Chip Microcomputer

Abstract

Fan is very good for people cooling appliances in the summer. Smart Fan is according to changes in temperature, and fan speed changes. Now the fan is difficult to do this, only a few artificial stall speed.

The design of the fan control system uses AT89C51 microcontroller , the indoor temperature sensor DS18B20 temperature acquisition, use PWM pulse width modulation technology for real-time control, and displays the current temperature through the LED digital tube. The same innovative design as well as a comparison where the system has a repellent function.

Key Words: Microcontroller；Temperature Sensors；Fan；Ultrasonic Insect Repellen

目录

1绪论 (1)

1.1智能风扇发展史 (1)

1.2 智能风扇的工作原理 (2)

1.3本次设计的主要任务和内容 (2)

2 方案论证 (3)

2.1控制核心的选择 (3)

2.2 显示电路的选择 (3)

2.3调速方式的选择 (4)

2.4温度传感器的选择 (5)

2.5超声波发生器的选择 (5)

3 系统主要硬件电路设计 (7)

3.1系统总体设计 (7)

3.2 电源电路设计 (7)

3.3 单片机最小系统电路设计 (8)

3.3.1 AT89C51单片机简介 (8)

3.3.2单片机最小系统电路 (10)

3.4 温度采集电路设计 (11)

3.4.1 DS18B20温度传感器简介 (11)

3.4.2 温度采集电路 (13)

3.5 温度显示电路设计 (14)

3.5.1 LED数码管简介 (14)

3.5.2 温度显示电路 (15)

3.6 驱蚊电路设计 (15)

3.6.1 TCT40-16T超声波发射器简介 (15)

3.6.2 驱蚊电路 (16)

3.7 驱动与调速电路设计 (17)

3.7.1 达林顿反相器ULN2803简介 (17)

3.7.2 驱动与调速电路 (18)

3.8 独立按键电路设计 (18)

4软件设计 (20)

4.1系统总体软件设计流程图 (20)

4.2用Keil C51进行程序编辑 (21)

5系统调试与仿真 (22)

5.1 系统软件调试 (22)

5.2程序下载 (22)

5.3系统仿真 (22)

6结论 (26)

致谢 (27)

参考文献 (28)

附录 (29)

1绪论

在现实生活中，我们要经常使用一些降温设备。虽然现在不少城市家庭都用空调设备作为降温工具,但在大部分农村家庭风扇仍然是作为夏季降温的主要工具。春夏或者夏秋交替季节，早晚温差比较大，白天温度很高，风扇应该转动的比较快，这样才能给人带来凉爽。到了晚上，气温下降的很多，当人们入睡后，风扇的转动速度应慢慢减下来，防止感冒。虽然现在的风扇有不同的档位可以调节，但都必须人工来换挡，当人们熟睡时就无能为力了。尽管现在普遍采用定时的方式解决这个问题，但定时时间有限，一般最多只有两个小时，在这两个小时内温度并不一定就会下降的很多，风扇关闭后，人们可能就会因为炎热再次醒来开启电扇，这样会使人的睡眠质量大大降低。从以上的分析可知，需要设计出一种很智能化的电风扇来解决。本设计用单片机作为控制核心，用温度传感器采集当前温度，LED数码管显示实时温度，并根据当前检测到的温度，输出不同占空比的PWM脉冲信号，从而风扇实现了不同的转速。

1.1电风扇的发展史

电风扇简称电扇，香港称为风扇，日本及韩国称为扇风机，从发明到现在已经经过了一百多年，是炎热夏季的宠物。电风扇起源于1830年，是叫詹姆斯的一个美国人发明了一种用发条来驱动的，可以固定在天花板上的电风扇。1880年，一个叫舒乐的美国人第一次将叶片直接装到电动机上，再接上电源，叶片便很快速旋转起来。1882年，一个叫休伊?斯卡茨?霍伊拉的纽约人最早发明了商品化的电风扇。

中国生产的第一台风扇起于1916年，直到1925年华生电器制造厂才正式生产电风扇，并很快赢得市场好评。

一开始电风扇不能很好的控制时间，过了一段时间，便出现了一种可以设置风扇转动时间，及可以根据设定的时间来开启或者关闭的电风扇，这种风扇在当时相当受好评，也受到广大人民的喜爱。电风扇的操作方式从一原先的旋钮，到

按键，再到现在的触摸式操作[1]。

1.2电风扇的工作原理

电风扇的主要功能器件是交流电机，通电后线圈在磁场中因受力而转动，能量的转化形式是这样的：电能主要是转化为机械能，同时由于电阻问题，电能还有一部分转化成内能。电风扇工作时，因为有电流流过电风扇的线圈，而线圈是有电阻的，所以会产生部分热量向外扩散，因此电风扇的温度会增高。但人们为什么会感觉到凉爽呢？因为人体的表面在夏天有大量的汗液，当电风扇工作后，室内的空气会随着电风扇流动，所以就能够蒸发人体表面的汗液，由物理学原理蒸发需要吸热，故人们会感觉到非常凉爽[2]。

1.3本次设计的主要任务和内容

本设计是以AT8951单片机为主要控制核心，利用51单片机对温度传感器采集到的数据进行处理，并且通过各种电子元器件对电风扇各种工作状态进行实时控制，从而可以达到用户的要求。

本次设计主要完成以下内容：

(1)能够检测当前温度并显示，可根据预设温度自动开启关闭，当当前温度大于预设温度，自动开启，小于预设温度自动关闭。

(2)预设温度可通过按键增加或减少。

(3)可随着外界温度的增加风扇可自行调速，主要分为五个档位，温度每升高五度风扇自动增加一档。

(4) 具有驱蚊功能。

2方案论证

2.1控制核心的选择

方案一：采用单片机作为主要控制芯片。在本设计中采用AT89C51单片机，通过软件编程的方法来实现对温度的实时采集和控制，在其I/O口输出相应的控制信号。单片机AT89C51工作电压相对比较低，单片内含有4k字节的ROM和256字节的RAM，并且价格也相对较便宜。

方案二：采用电压比较电路作为控制执行部件。将采集到的温度信号转换为电信号并经放大电路放大，集成运算放大器组成的比较电路来判断决定电风扇的转动速度。

对于方案一，用单片机作为控制器件，通过简单的程序编写可以将温度传感器DS18B20检测的温度通过LED数码管显示出来，而且可以通过按键扫描程序通过单片机的外部按键对预设的初值进行增加或者减少，同时对于驱蚊功能采用单片机的软件编程更易实现，成本低，故以单片机AT89C51为控制核心，适合本次设计。对于AT89C51的具体参数参见下面“硬件设计”中的各器件介绍。

对于方案二，采用电压比较电路作为控制的核心，虽然电路比较简单、容易实现，但不能对预设温度的值进行更改，无法满足不同用户的需求，故本次设计不采用。

2.2显示电路的选择

方案一：采用LCD液晶显示器显示。

方案二：采用数码管做显示器件，共阴极接法，动态方式显示[3]。

对于方案一，液晶显示屏显示的字符非常优美，这一优点LED数码管是无法做到的，但是液晶显示屏价格太过昂贵，驱动程序编写起来也是相当复杂的，本次设计不采用。

对于方案二，用LED显示，成本非常低，温度显示清晰可见，即使夜间也

能看见，显示程序的编写也比较容易，因此这种显示方式得到了广泛的应用。不足的地方是采用该方案可能会产生闪烁现象，因为这种动态扫描方式五个LED 数码管是逐个点亮的，但由于人眼有个视觉暂留效应，为20MS，我们只要设定合适的扫面周期就可以避免闪烁现象，故这一方案可行。关于LED的详细参数参看下面“硬件设计”中的各器件介绍。

2.3 调速方式的选择

方案一：采用变压器调节方式，运用变压器原理将市电220V交流电压通过线圈降压到不同的值，电风扇电机接到不同电压值的线圈上就可以来控制直流电机的转速。

方案二：采用单片机的PWM软件编程方式。PWM中文意思是脉冲宽度调制，英文意思是Pulse Width Modulation的简写形式，它是一种按某种规律变化的脉冲方波，在PWM驱动直流电机的调节控制系统当中，最常用的是矩形PWM 脉冲波信号，也是编写程序最简单的。在对直流电机的转速进行控制时，需要根据当前温度来输出不同占空比的PWM脉冲。PWM脉冲的占空比是指高电平的时间在一个周期时间内的百分比，若全为低电平，占空比为零，风扇不转；若全为高电平，占空比为100%时，转速达到最大[4]。用单片机输出PWM脉冲信号时，有如下两种方法：

(1) 利用软件延时。可以利用单片机自带的定时器编程实现不同占空比的PWM脉冲的输出，利用中断程序对单片机输出的电平进行高低转换，从而实现风扇的调速，本设计采用该方法。设计不同占空比的PWM脉冲的思路是：假设采用1S的周期方波，以50MS为基准，则20个基准便就是一个1S，那么当其中4个连续的50MS的高电平脉冲，然后16连续的50MS低电平脉冲，便得到了占空比为20%的PWM方波信号。

(2) 利用单片机自带的PWM功能。但本次设计所用得AT89C51单片机没有这种功能，只有STC系列的才有，故不可行。

对于方案一，该方案可以对直流风扇进行调速，但调节不是很方便，而且采用变压器来改变电压，不能适应人性化要求。