基于单片机的智能温控风扇设计

　　本设计为智能温控风扇系统，该系统可以实现风扇随实时环境温度而智能变速功能。

　　系统主要选用STC89C52单片机作为控制中心，DS18B20数字温度传感器采集实时温度，再经单片机处理后通过三极管放大信号后驱动直流风扇的电机。用户可以预设上限、下限温度值，当测得环境温度值在预设上下限值区间中时，此时风扇以半速转动；当温度升高并大于预设上限温度值时，风扇会自动调速，以全速转动；当温度降低并低于预设的下限温度值时，这时风扇电机自动停止转动。全程实现风扇转速随外界温度而智能自变。

　　1、系统整体设计框图

　　温度传感器的选用

　　温度传感器主要有以下两种方案可供选用：方案一：选用热敏电阻作为温度传感器的核心元件。由于热敏电阻的电阻会跟着温度的变化而变化，如此就会产生模拟信号，随后再将模拟信号转换成数字信号，最终发送给单片机IN-0口进行处理。具体热敏温度采集电路如图2-2所示：

　　热敏温度采集电路

　　方案二：选用温度传感器DS18B20作为温度传感器的核心元件。通过其传感温度，然后直接输出数字温度信号并传给单片机处理。具体DS18B20采集电路如图2-3所示：

　　图2-3DS18B20温度采集电路

　　对于方案一，热敏电阻的最大特点就是它的价廉而且很多市场上都有这种元件，但热敏电阻对温度并不敏感，在温度采集时很容易产生误差。虽然这种误差可以通过减小，但并不会避免。故本方案不适合本系统。

　　对于方案二，因为DS18B20是单总线，且其集成度极高，所以该传感器可以大幅度降低外部误差。其次由于其感测温度与热敏电阻的方法并不一样，使其具有较强的温度识别能力。所测到的温度直接就可以转换成具体数字值并发送给单片机。因此，本方案比较适合该系统。

　　2、主控机的选用

　　方案一：选用凌阳系列单片机来控制系统，这类单片机可以实现不同的复杂逻辑功能，它将所有元器件都集成在一块芯片上，集成度十分高，提高了稳定性。凌阳单片机的系统处理速度很快，适合用于大规模实时系统的控制。

　　方案二：采用ST89C52单片机控制整个系统的运行。主要通过编程的方式对测得的温度进行判断，然后输出对应的控制信号。进而实现对系统实时控制。

　　由于ST89C52单片机要比凌阳系列单片机的价格低得多，且本设计不需要很高的处理速度，从经济和方便使用角度考虑，本设计更倾向于选择了方案二。其次，通过单片机可以直接将测得温度在显示器上显示出来。综合来看，本系统更适合采用方案二。

　　2.2.3 显示电路的选用

　　方案一：采用数码管作为系统的显示器。尽管数码管显示的内容有限，但是对于本设计，只要显示一些基本的数字和字母就已经足够了。并且价格低廉。

　　方案二：采用液晶字符式显示屏作为系统的显示器。能够用软件达到很好的控制，元件器简单。

　　对于方案一，该方案具有成本低，功耗低的特点，显示驱动程序编写是比较简单的，唯一不足之处是其采用的是动态扫描显示方式，因此在这过程中会有短暂的闪烁，但我们可以通过增加扫描频率来避免闪烁。

　　对于方案二，液晶显示屏不仅可以显示字符，甚至还能够显示图形，这是LED数码管远远做不到的。但也正是因为它强大的显示功能，使得液晶显示屏的驱动程序复杂，价格相对而言比较昂贵。从实用以及价格多角度来看，方案一更适合该系统。

　　2.2.4 调速方式的选用

　　方案一：采用变压器调节方式，运用电磁感应原理进行变压，当风扇电机接到不同电压值的线圈上，电机的转速也会转变，如此就可控制风扇风力大小。

　　方案二：采用三极管驱动PWM控制。

　　对于方案一，变压器主要是调节电压，那么在变压过程中就会不可避免的存在损耗，效率不高。还有可能会发热过度起火，带来一些不必要的麻烦。

　　对于方案二，三极管PWM的最大长处便是无需数模转换，从处理器到被控系统信号一概都是数字形式的。而数字信号正可以在极大程度上降低噪声影响。PWM的第二大特点是它相对于模拟控制有更高的抗干扰能力，正因为如此，在特定情况下亦可以将其用于通信。当模拟信号转向PWM时会延长通讯的距离。故本系统采用方案二。

　3、系统硬件原理图

　　本系统主要由温度传感器DS18B20、STC89C52单片机、LED共阴数码管、三极管驱动电路及一些其他外围器件电阻、电容、晶振、电源、按键、开关和风扇组成。系统硬件原理图如下图3-1所示：

　　主控芯片介绍

　　3.2.1 STC89C52简介

　　STC89C52单片机是美国STC公司生产的高性能COMOS 8位单片机。STC89C52使用经典的MCS-51内核片，但做了大量的改进，加入了51系列不具备的诸多功能。正因为如此，两种单片机的指令集和输出管脚都相兼容。STC89C52单片机引脚图如下图3-2所示

　　STC89C52主要性能参数：参考下表

　　STC89C52单片机引脚说明：如下表所示

　　STC89C52单片机结构主要包含4个组成部分，即晶振电路、复位电路、电源电路和/EA脚电路。

　　DS18B20温度采集电路

　　DS18B20是美国DALLAS公司生产的一线式高精度数字式温度传感器。其采用单根信号线，可以传输时钟也能够传输数据，并且数据传输是双向的，其优点是结构简单、廉价、便于总线的扩展和维护等。

　　DS18B20引脚功能介绍

　　DS18B20主要性能参数：如下表所示

　　DS18B20的工作原理及时序

　　64位ROM的结构如图3-7所示，开始一部分的8位是工厂代码；中间一部分的是每个器件唯一的48位序列号；最后一部分的是8位CRC检验码，这也是多个DS18B20为什么可采用单线进行通信的原故。

　　在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码（CRC）。主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并与存入DS18B20的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否准确。

　　DS18B20的工作电路

　　数码管显示电路

　　本系统的显示模块主要由一个4位一体的7段LED数码管构成。可以显示感测到的温度和当前风扇的档位。它是一个共阴极的数码管，每一位数码管的a，b，c，d，e，f，g和dp端都各自连接在一起，用于接收单片机的P0口产生的显示段码。S1，S2，S3，S4引脚端为其位选端，用于接收单片机的P2口产生的位选码。具体原理图如图3-9所示

　　风扇驱动电路

　　风扇的驱动采用的是两个三极管直接与风扇连接，因为三极管具有放大性，所以可以通过三级管来放大信号，然后直接传输到风扇，下图3-10就是该模块电路：

　　三极管是一个电流放大器，具有三个电极，如图3-11所示，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。

　　4、主程序流程图

　　对于本设计温控风扇，如果要实现它的理想功能：根据实时环境温度来控制风扇的转速，就必须在运作时进行不断地进行程序判断，当超过设定温度值的上下限时，相应的子程序会及时控制风扇，实时的切换关闭、弱风、大风三个状态。

　　显示驱动程序以查七段码取得各数码管应显数字，逐位扫描显示。主程序流程图如图4-1所示：

　　DS18B20子程序流程图

　　DS18B20的每一步操作都要按照它的工作时序执行。即首先要对元件复位，再进行ROM命令，最后才能对存储器和数据操作。如主机控制DS18B20完成温度转换这一过程就必须遵循这一规则，具体流程图如下图4-2所示：