温控风扇专业系统设计.docx

自动化系统创意设计大赛作品说明书作品名称：温控风扇系统设计 队 员 ： 4月目录1、引言32、背景33、意义和应用34、原理介绍45、方案设计46、STC12C5A60S2单片机56.1介绍56.2 PWM寄存器设置56.3 PWM占空比计算方法56.4 I/O工作方法设置67、LCD液晶显示器68、温度传感器DS18B2088.1初始化98.2写操作108.3读操作109、风扇10拓展1：10拓展2：1110、硬件电路设计1210.1原理图和部分电路PCB图1210.2 电机驱动电路1311、软件设计1411.1主函数步骤图1411.2 温度控制风扇程序步骤图1511.3 按键控制风扇程序步骤图1611.4 按键设定温度程序步骤图1712、结语18参考文件:18附录：实物硬件图18附录：程序18摘要：本设计是基于STC12C5A60S2单片机技术和温度传感器测量外界温度设计原理，进行了不一样设计方案比较，给出了设计硬件电路，同时对多种关键硬件进行较具体介绍，而且以步骤图方法对系统设计作出介绍。系统关键经过温度传感器控制不一样PWM占空比输出来控制风扇档位。而出于方便、可选择性考虑，系统也添加了辅助功效，就是直接手动控制风扇档位。 关键词：STC12C5A60S2单片机，DS18B20温度传感器，PWM1、引言温控风扇在节能环境保护方面含有一定作用，其工作原理除了一般手动档位调整，关键是经过温度传感器感应外界温度，并自主地进行档位调整，这么在风扇开着情况下，不需进行手动就能够依据不一样外界温度进行自主调整风力大小，达成节能目标。2、背景伴随空调机在日常生活中普遍应用，很轻易想到电风扇会成为空调社会淘汰品，其实经过市场考验和证实，真实并不是这么,在空调产品冲击下，电风扇产品仍然含有很强大生命力，电风扇在市场考验中并没有淡出市场，反而销售在不停复苏中，含有强大发展空间。据市场调查，电风扇不停复苏关键在以下原因：一,是电风扇即使没有空调机强大制冷功效，但电风扇是直接取风，风力愈加温和，比较适合老年人、儿童和体质虚弱人使用。二,是电风扇经过多年市场使用，较符合大家使用习惯，而且结构简单、操作方便、安装简易。三,是电风扇比起空调产品而言，其价格低廉，相对省电，更易进入老百姓家庭。在现在空调还没有普及，而且并不是全部情况下空调全部适合使用情况下，智能风扇适合人体对温度要求，智能风扇还有含有相看成用。3、意义和应用1、一般电风扇现实状况及存在隐患：大部分只有手动调速，功效单一。长时间在高负荷工作轻易损坏电器，而且造成电量损失。2、作品可利用在家庭中，风扇风力随温度而调整，即能够避免人因温度低吹到冷风而着凉，也可达成节能目标，可见温控风扇更含有优越性。3、其次将此系统装在产热多，急需排热设备上，能够帮助它立即散掉大量热。比如电脑散热器等。4、原理介绍1、电源开关，控制系统处于工作还是停止状态。2、当系统上电以后，经过单片机读取外界温度，然后在液晶显示器上显示出来。经过判定温度范围，控制风扇停止和转不一样速度。同时LED给出档位指示。温度控制范围能够经过按键进行设置。3、另外，当不需要温度控制时，能够经过模式切换开关，让系统工作于手动控制模式。经过按键进行调整风扇停止，和不一样转速。5、方案设计方案一：采取两片STC89C516RD单片机、液晶1602和ds18b20，进行设计，让单片机1进行温度读取操作，另外单片机2经过定时器，产生占空比不一样PWM。两单片机经过串口进行通信，这么单片机1能够经过读取外界温度，然后对单片机2进行控制。这么就能在不一样温度区间内，单片机2控制直流5v小风扇不一样转速,从而实现温度自动控制风扇。方案二：采取STC12C5A60S2单片机、液晶1602和ds18b20。这也是一款51单片机，不过它性能比STC89C516RD单片机更强大，而且有独立双路PWM输出。这么，采取一片STC12C5A60S2单片机就能实现温度读取和直流5v小风扇转速控制。方案三：采取stm8s105系列单片机、液晶1602和ds18b20，一样能够实现温度读取和直流5v小风扇转速控制方案比较：方案一需要花费更多硬件资源。所以我们直接排除方案一。方案三，假如采取44脚贴片封装stm8s105单片，能够在很小覆铜板上把硬件做出来，这么能够节省部分硬件资源。不过，因为温度传感器ds18b20读取是经过单一I/O口读取，stm8s105I/O操作需要设置，让其是处于输入或输出方法。操作很麻烦。方案二需要硬件资源相对较少，而且其I/O口兼容8051单片机，能够实现I/O口准双向操作，这么编程相对简单。总而言之，我们选择方案二。6、STC12C5A60S2单片机6.1介绍我们采取单片机为STC12C5A60S2,STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产单时钟/机器周期(1T)单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S)针对电机控制，强干扰场所。其引脚和一般8051单片机基础相同。6.2 PWM寄存器设置STC12C5A60S2单片机内置两路独立PWM输出，经过设置对应寄存器，能够让占空比改变。PWM0输出口在P1.3，而PWM1输出口在P1.4相关设置例子以下面程序所表示：CCON = 0; /初始化 PCA控制寄存器 /PCA计数器停止运行 /清除CF标志位 /清除全部中止标志位CL = 0; /重置PCA16位计数器CH = 0;CMOD = 0x02; /设置 PCA 计数器时钟源为 Fosc/2 /严禁PCA 计数器溢出中止 CCAP0H = CCAP0L = 0xff; /PWM0 口输出 0%占空比CCAP1H = CCAP1L = 1x00; /PWM1 口输出 100%占空比CCAPM0 = 0x42; /PCA模块0工作在8位PWM模式而且没有PCA中止CR = 1; /开始计数当寄存器CL值小于 EPCnL, CAPPnL 时，输出为低电平；当寄存器CL值等于或大于 EPCnL, CAPPnL 时，输出为高电平；当寄存器CL值由FF变为00溢出时， EPCnH CAPPnH内容被装载到 EPCnL, CAPPnL 中。这么，就能够实现无干扰地实现PWM更新。6.3 PWM占空比计算方法输出占空比乘以256后，转换为十六进制，然后进行取反，再同时赋值给寄存器CCAPxH 和CCAPxL。6.4 I/O工作方法设置其I/O口工作方法有准双向/弱上拉输出，强推挽输出，高阻输入（电流不能流入也不能流出），开漏输出（若外加上拉也能够读取）等。缺省状态下，I/O工作方法为准双向/弱上拉。本设计中，对于温度传感器读写操作，需要I/O工作在准双向工作状态。而PWM输出端口，LED驱动输出，端口我们将I/O口工作方法设置分强推挽输出，输出拉电流达成20mA，能愈加好驱动负载。设置方法，经过配置对应寄存器PxM1和PxM0，以下表1所表示：PxM1 7:0PxM0 7:0I/O口模式00准双向口01强推挽输出10高阻输入11开漏表17、LCD液晶显示器 时钟显示器选择1602字符液晶。1602是指显示内容为16*2，即能够同时显示两行，每行16个字符。常见1602字符液晶有两种，一个显示是绿色背光黑色字体，另一个显示蓝色背光白色字体，现在市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片，控制原理是完全相同。本设计所用1602液晶模块，显示器是蓝色背光白色字体。图1为1602字符液晶引脚图图1 1602字符液晶引脚图 各引脚功效为： 第1脚：GND为地电源。 第2脚：VCC接5V正电源。 第3脚：VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生重影，使用一个1K电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块实施命令。 第714脚：DB0DB7为8位双向数据线。第1516脚：背光灯电源。基础操作时序：读状态 输入RS=L，R/W=H，E=H 输出D0D7=状态字写指令 输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出无读数据 输入RS=H，R/W=H，E=H 输出D0D7=数据写数据 输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出无RAM地址映射图：图2所表示：图2 RAM地址映射图当我们在00-0F、40-4F,地址中任意地写入显示数据时，液晶全部能够显示，当写入10-27或50-67地址处时，必需经过移屏指令将它们移入可显示区域。读、写操作时序：图3所表示：因为本设计程序中只包含到液晶写操作，所以下面简单介绍写操作过程，以下：（1）经过RS确定是写数据还是写命令。（2）读写控制端设置为写模式。（3）将数据或命令送达数据线上。（4）给E一个高脉冲将数据送到液晶控制器，完成写操作。 图3 读写操作时序图初始化设置：（1）显示模式设置，图4：图4 显示模式设置图（2）显示开/关及光标设置，图5：图5显示开/关及光标设置图8、温度传感器DS18B20用于检测目前温度，DS18B20测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”数字方法传输，大大提升了系统抗干扰性。适合于恶劣环境现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。产品支持3V5.5V电压范围，使系统设计更灵活、方便。DS18B20引脚图如图6所表示。引脚1：地；引脚2：数字输入输出；引脚3：可选5V电源；图 6 DS18B20引脚图DS18B20内部结构关键由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20控制方法（DS18B20有六条控制命令）：温度转换44H开启DS18B20进行温度转换读暂存器BEH读暂存器9位二进制数字写暂存器4EH将数据写入暂存器TH、TL字节复制暂存器48H把暂存器TH、TL字节写到E2RAM中重新调E2RAMB8H把E2RAM中TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节读电源供电方法B4H开启DS18B20发送电源供电方法信号给主CPU8.1初始化（1）先将数据线置高电平“1”。（2）延时（该时间要求不是很严格，不过尽可能短一点）（3）数据线拉到低电平“0”。（4）延时750微秒（该时间时间范围能够从480到960微秒）。（5）数据线拉到高电平“1”。（6）延时等候（假如初始化成功则在15到60微妙时间之内产生一个由DS18B20所返回低电平“0”。据该状态能够来确定它存在，不过应注意不能无限进行等候，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。（7）若CPU读到了数据线上低电平“0”后，还要做延时，其延时时间从发出高电平算起（第（5）步时间算起）最少要480微秒。（8）将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。8.2写操作（1）数据线先置低电平“0”。（2）延时确定时间为15微秒。（3）按从低位到高位次序发送字节（一次只发送一位）。（4）延时时间为45微秒。（5）将数据线拉到高电平。（6）反复上（1）到（6）操作直到全部字节全部发送完为止。（7）最终将数据线拉高。8.3读操作（1）将数据线拉高“1”。（2）延时2微秒。（3）将数据线拉低“0”。（4）延时3微秒。（5）将数据线拉高“1”。（6）延时5微秒。（7）读数据线状态得到1个状态位，并进行数据处理。（8）延时60微秒。9、风扇本设计采取是由5V直流供电小型风扇。在设计当中，我们只预置了两档速度相差显著档位，一档PWM占空比为30%，二档占空比为90%。这么设计目标关键是考虑到在档位切换时，能够看到速度有很显著改变，让试验现象愈加直观。拓展1：在关键考虑实用性方面原因，我们还能够将控制档位细化，做成5个档位，甚至10个档位，等等。不一样速度是经过调整不一样占空比来实现。下面我们给出温度控制风扇转5个速度不一样档位部分关键程序示例：void control (void) if(a*100+b*10+c) tem_1) CCAP0H = CCAP0L = 0xFF; /PWM0 口输出 0%占空比 else if (tem_1 = (a*100+b*10+c)&(a*100+b*10+c)tem_2 ) CCAP0H = CCAP0L = 0xB3; /PWM0 口输出30%占空比 else if (tem_1 = (a*100+b*10+c)&(a*100+b*10+c)tem_2 ) CCAP0H = CCAP0L = 0x08; /PWM0 口输出50%占空比 else if (tem_1 = (a*100+b*10+c)&(a*100+b*10+c)tem_2 ) CCAP0H = CCAP0L = 0x4D; /PWM0 口输出70%占空比 else if (tem_2 = (a*100+b*10+c) CCAP0H = CCAP0L = 0x1A; /PWM0 口输出90%占空比 拓展2：在本设计验证成功而且可靠基础上，我们能够继续延伸，给出温度控制交流220V供电风扇设计方案，比如宿舍风扇： 用一般单片机，经过温度传感器，读取外界温度，进而控制继电器吸合和断开。假设设置4个档位，能够用单片机接三个继电器来实现：当外界温度较低时，此时全部继电器处于断开状态，风扇不转；当温度升高到一定程度时，单片机使继电器1吸合，继电器2、3断开，让风扇转一档，即较慢速度；当温度继续升高，单片机使继电器2吸合，继电器1、3断开，风扇转二档，即较快速度。当温度再升高时，单片机使继电器3吸合，继电器1、2断开，风扇转三档，即最快速度。10、硬件电路设计10.1原理图和部分电路PCB图图7 原理图工作原理：经过P3.7端口处所接电路SW2闭合或断开选择温控或键控。当SW2=1时，选择温控，经过DS18B20温度传感器获取外界温度，经过LCD显示目前温度，而且显示设定温度控制一档和二档值，比如设定25和30摄氏度作为控制值。外界温度较低时，比如小于25摄氏度，处于0档时，风扇不转，LED1、2不亮。当温度较高，等于或大于25且小于30摄氏度时，处于一档，风扇转动，LED1亮、LED2灭。当温度高于30摄氏度时，处于二档，风扇高速转动，LED1、2全部亮。当SW2=0；选择键控，经过P2.0处所接独立键盘进行档位选择。缺省状态下为空挡，液晶屏显示DW=0，LED1、2不亮，风扇不转。按一次key1，档位加一，此时为一档，液晶屏上显示DW=1，LED1亮、LED2灭，风扇转动较慢。再按一次key1键，档位加1，此时液晶屏上显示DW=2，LED1、2 亮，风扇高速转动。再按一次key1，档位归零。图8 PCB图10.2 电机驱动电路L298N 关键特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，连续工作电流为2A；额定功率25W。采取标准逻辑电平信号控制；含有两个使能控制端，在不受输入信号影响情况下许可或严禁器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；能够外接检测电阻，将改变量反馈给控制电路。使用L298N 芯片驱动电机，该芯片能够驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也能够驱动两台直流电机。用L298 控制直流电机很轻易。用单片机端口高低就能够控制开始、停止、正反转，利用EN1,EN2 控制使能就能控制转速。其原理图，图9：图9 L298N原理图11、软件设计11.1主函数步骤图开始初始化温度控制风扇模式按键控制风扇模式Key_sw=1？是否图10 主函数步骤图11.2 温度控制风扇程序步骤图开始读取环境温度达成设定温度 ？风扇不转LED1、2不亮达成设定温度风扇转一档LED1亮LED2不亮风扇转二档LED1、LED2亮液晶显示目前温度显示设定温度、值是否是否图11 温度控制风扇程序步骤图11.3 按键控制风扇程序步骤图开始液晶显示档位0LED1、2不亮num=0num=1？num=2？液晶显示档位1LED1亮LED2灭液晶显示档位2LED1 、LED2亮是否是否图12按键控制风扇程序步骤图11.4 按键设定温度程序步骤图开始读取I/O电平改变是否有按键被按下延时10ms否是档位加1Key1=0？Key2=0？Key3=0？档位=2？档位归0Tem1=31？Tem2=44？Tem1=17Tem1+Tem2=23Tem2+是是是是是是否否否备注：本设计只设置两档风扇不一样转速Tem1为温控档位温度下限Ten2 为温控档位温度上限结束图13按键设定温度程序步骤图12、结语本设计结合生活中实际情况，利用单片机技术设计并制作了温控风扇系统，完全达成了设计要求，其次经过独立键盘和温度传感器能够实现对应操作，使操作愈加方便灵活，所选择单片机含有较高抗干扰能力，也符合这个设计稳定性要求。我们队伍各组员在整个设计制作过程中，相互配合，相互检验，但又进行了分工，大大提升了工作效率。参考文件:1郭天祥 新概念51单片机C语言教程入门、提升、开发、拓展全攻略 电子工业大学出版社 2李广弟, 朱月秀, 等. 单片机基础M. 北京航空航天大学出版社, .3模拟电子技术基础M. 高等教育出版社, .4数字电子技术基础M. 高等教育出版社, .附录：实物硬件图图14实物硬件图附录：程序#include#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define LCD1602_DATAPINS P0sfr PCAPWM0 = 0xf2; /定义寄存器PCAPWM0sfr PCAPWM1 = 0xf3; /定义寄存器PCAPWM1sbit LCD1602_E=P12; /定义lcd1602使能端sbit LCD1602_RW=P11;/定义lcd1602写操作端sbit LCD1602_RS=P10;/定义lcd1602发送命令端sbit DSPORT=P27; /温度传感器读写端sbit LED0 = P23;sbit LED1 = P24;sbit jia_key=P20;/加速按钮sbit key1 = P21; /控制温度调整按键1、2sbit key2 = P22;sbit key_sw = P37;/温控和键控切换开关 uint a=0; uint b=0; uint c=0; uint tem_1=27; uint tem_2=30; uchar num=0; /* 函 数 名 : Delay1ms* 函数功效 : 延时函数*/void Delay1ms(uint y) /粗略延时1msuint x;for( ; y0; y-)for(x=440; x0; x-);void delay1ms(void) /误差 0us unsigned char a,b; for(b=129;b0;b-) for(a=45;a0;a-);void delay1us(uint x) /误差 0us unsigned char a,b; for(b=x;b0;b-) for(a=3;a0;a-);/* 函 数 名 : Ds18b20Init* 函数功效 : 初始化* 输 入 : 无* 输 出 : 初始化成功返回1，失败返回0*/ void LcdWriteCom(uchar com) /写入命令LCD1602_E = 0; /使能LCD1602_RS = 0; /选择发送命令LCD1602_RW = 0; /选择写入LCD1602_DATAPINS = com; /放入命令Delay1ms(1);/等候数据稳定LCD1602_E = 1; /写入时序Delay1ms(5); /保持时间LCD1602_E = 0;void LcdWriteData(uchar dat)/写入数据LCD1602_E = 0;/使能清零LCD1602_RS = 1;/选择输入数据LCD1602_RW = 0;/选择写入LCD1602_DATAPINS = dat; /写入数据Delay1ms(1);LCD1602_E = 1; /写入时序Delay1ms(5); /保持时间LCD1602_E = 0;void LcdInit() /LCD初始化子程序 LcdWriteCom(0x38); /开显示LcdWriteCom(0x0c); /开显示不显示光标LcdWriteCom(0x06); /写一个指针加1LcdWriteCom(0x01); /清屏LcdWriteCom(0x80); /设置数据指针起点uchar Ds18b20Init()uchar i;DSPORT = 0; /将总线拉低480us960usdelay1us(642);/延时642usDSPORT = 1;/然后拉高总线，假如DS18B20做出反应会将在15us60us后总线拉低i = 0;while(DSPORT)/等候DS18B20拉低总线i+;if(i5)/等候5MSreturn 0;/初始化失败delay1ms( );return 1;/初始化成功/* 函 数 名 : Ds18b20WriteByte* 函数功效 : 向18B20写入一个字节*/void Ds18b20WriteByte(uchar dat)uint j;for(j=0; j= 1;/* 函 数 名 : Ds18b20ReadByte* 函数功效 : 读取一个字节*/uchar Ds18b20ReadByte()uchar byte, bi;uint j;for(j=8; j0; j-)DSPORT = 0;/先将总线拉低1us delay1us(1); DSPORT = 1;/然后释放总线delay1us(6); /延时6us等候数据稳定bi = DSPORT; /读取数据，从最低位开始读取/*将byte左移一位，然后和上右移7位后bi，注意移动以后移掉那位补0。*/byte = (byte 1) | (bi 7); delay1us(45);return byte;/* 函 数 名 : Ds18b20ChangTemp* 函数功效 : 让18b20开始转换温度*/void Ds18b20ChangTemp()Ds18b20Init();delay1ms( );Ds18b20WriteByte(0xcc);/跳过ROM操作命令 Ds18b20WriteByte(0x44); /温度转换命令 /* 函 数 名 : Ds18b20ReadTempCom* 函数功效 : 发送读取温度命令*/void Ds18b20ReadTempCom()Ds18b20Init();delay1ms( );Ds18b20WriteByte(0xcc); /跳过ROM操作命令Ds18b20WriteByte(0xbe); /发送读取温度命令/* 函 数 名 : Ds18b20ReadTemp* 函数功效 : 读取温度*/int Ds18b20ReadTemp()int temp = 0;uchar tmh, tml;Ds18b20ChangTemp(); /先写入转换命令Ds18b20ReadTempCom();/然后等候转换完后发送读取温度命令tml = Ds18b20ReadByte();/读取温度值共16位，先读低字节tmh = Ds18b20ReadByte();/再读高字节temp = tmh;temp = 8;temp |= tml;return temp;/* 函数名 : LcdDisplay()* 函数功效 : LCD显示读取到温度*/void LcdDisplay(int temp) /lcd显示 unsigned char datas = 0, 0, 0, 0, 0; /定义数组 float tp; if(temp 0)/当温度值为负数 LcdWriteCom(0x80);/写地址 80表示初始地址 LcdWriteData(-); /显示负/因为读取温度是实际温度补码，所以减1，再取反求出原码temp=temp-1; temp=temp;tp=temp;temp=tp*0.0625*100+0.5;/留两个小数点就*100，+0.5是四舍五入，因为C语言浮点数转换为整型时候把小数点/后面数自动去掉，不管是否大于0.5，而+0.5以后大于0.5就是进1了，小于0.5就/算加上0.5，还是在小数点后面。 else LcdWriteCom(0x80);/写地址 80表示初始地址 LcdWriteData(+); /显示正tp=temp;/因为数据处理有小数点所以将温度赋给一个浮点型变量/假如温度是正那么，那么正数原码就是补码它本身temp=tp*0.0625*100+0.5;/留两个小数点就*100，+0.5是四舍五入，因为C语言浮点数转换为整型时候把小数点/后面数自动去掉，不管是否大于0.5，而+0.5以后大于0.5就是进1了，小于0.5就/算加上0.5，还是在小数点后面。datas0 = temp / 10000;datas1 = temp % 10000 / 1000;datas2 = temp % 1000 / 100;datas3 = temp % 100 / 10;datas4 = temp % 10; a = datas0;/a,b,c作用是取温度整数，进行温控b = datas1;c = datas2;LcdWriteCom(0x82); /写地址 LcdWriteData(0+datas0); /百位 LcdWriteCom(0x83); /写地址 LcdWriteData(0+datas1); /十位LcdWriteCom(0x84);/写地址 LcdWriteData(0+datas2); /个位 LcdWriteCom(0x85);/写地址 LcdWriteData(.); /显示 .LcdWriteCom(0x86); /写地址 LcdWriteData(0+datas3); /显示小数点 LcdWriteCom(0x87); /