自动电风扇控制.doc

淮南师范学院电气工程学院2013届自动化专业课程设计报告

成绩

课程设计报告

题 目： 自动风扇控制器

学生姓名：程 俊
学生学号： 0808220104
系 别：电气信息工程学院
专 业：自 动 化
届 别： 2013 届
指导教师：廖 晓 纬

电气信息工程学院制

课程设计题目：自动风扇控制器
学生：程俊
指导教师：廖晓纬
电气信息工程

1、课程设计的任务与要求
1.1课程设计的任务
本文设计了基于单片机的自动风扇控制，采用单片机作为控制器，利用温度传感器DS18B20作为温度采集元件，并根据采集到的温度，通过一个达林顿反向驱动器ULN2803驱动风扇电机。根据检测到的温度与系统设定的温度的比较实现风扇电机的自动启动和停止，并能根据温度的变化自动改变风扇电机转 速，同时用LED数码管显示检测到的温度与设定的温度。
1.2课程设计的要求
系统采用单片机控制风扇转动，采用单片机，利用温度传感器根据温度的改变来自动控制电风扇转动，从而达到自动控制的效果。
1.3课程设计的研究基础
在现代社会中，风扇被广泛的应用，发挥着举足轻重的作用，如夏天人们用的散热风扇、工业生产中大型机械中的散热风扇以及现在笔记本电脑上广泛使用的智能CPU风扇等。而随着温度控制技术的发展，为了降低风扇运转时的噪音以及节省能源等，温控风扇越来越受到重视并被广泛的应用。在现阶段，温控风扇的设计已经有了一定的成效，可以使风扇根据环境温度的变化进行自动无级调速，当温度升高到一定时能自动启动风扇，当温度降到一定时能自动停止风扇的转动，实现智能控制。
随着单片机在各个领域的广泛应用，许多用单片机作控制的温度控制系统也应运而生，如基于单片机的温控风扇系统。它使风扇根据环境温度的变化实现自动启停，使风扇转速随着环境温度的变化而变化，实现了风扇的智能控制。它的设计为现代社会人们的生活以及生产带来了诸多便利，在提高人们的生活质量、生产效率的同时还能节省风扇运转所需的能量。
2、自动风扇控制系统方案制定
设计的整体思路是：利用温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出数字温度信号给单片机AT89C52进行处理，在LED数码管上显示当前环境温度值以及预设温度值。其中预设温度值只能为整数形式，检测到的当前环境温度可精确到小数点后一位。同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速。并通过两个按键改变预设温度值，一个提高预设温度，另一个降低预设温度值。系统结构框图如下：
AT89C52
复位
电源
温度显示
晶振
DS18B20
独立键盘
直流电机
PWM驱动

（系统构成框图）
本系统要实现风扇直流电机的温度控制，使风扇电机能根据环境温度的变化自动启停及改变转速，需要比较高的温度变化分辨率以及稳定可靠的换挡停机控制部件。
3、系统方案设计
3.1各单元功能介绍及电路设计

系统复位与晶振电路）
在单片机应用系统中，除单片机本身需要复位以外，外部扩展I/O接口电路也需要复位，因此需要一个包括上电和按钮复位在内的系统同步复位电路。单片机上的XTAL1和XTAL2用来外接石英晶体和微调电容，即用来连接单片机片内OSC的定时反馈回路。本设计中开关复位与晶振电路如下图所示，当按下按键开关S1时，系统复位一次。其中电容C1、C2为20pF，C3为10uF，电阻R2、R3为10k，晶振为11.0592MHz。

（数码管显示电路）
本系统选用5位共阴极数码管作为显示模块，其中前3位数码管用于显示温度传感器实时检测采集到的温度，可精确到0.1度，显示范围为0-99.9度；后2位数码管用于显示系统设置的初值温度，只能显示整数的温度值，显示范围为0-99度。5位数码管的段选a、b、c、d、e、f、g、dp线分别与单片机的P0.0-P0.7口连接，其中P0口需接一10K的上拉电阻，以使单片机的P0口能够输出高低电平。5位数码管的位选W1-W5分别与单片机的P2.0-P2.4口相连接，只要P2.0-P2.4中任一位中输出低电平，则选中与该位相连的数码管。

（温度采集电路）
DS18B20数字温度传感器通过其内部计数时钟周期来的作用，实现了特有的温度测量功能。低温系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数，计数器预先置有与-55度相对应的基权值。如果计数器计数到0时，高温度系数振荡周期还未结束，则表示测量的温度值高于-55度，被预置在-55度的温度寄存器中的值就增加1度，然后这个过程不断重复，直到高温度系数振荡周期结束为止。此时温度寄存器中的值即为被测温度值，这个值以16位二进制形式存放在存储器中，通过主机发送命令可读出此温度值，读取时低位在前，高位在后，依次进行。由于温度振荡器的抛物线特性的影响，用斜率累加器进行补偿。

（风扇电机调速）
本系统中由单片机的I/O口输出PWM脉冲，通过一个达林顿反向驱动器ULN2803驱动12V直流无刷风扇电机以及实现风扇电机速度的调节。
键盘控制设置温度，通过软件向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.7口输出与转速相应的PWM脉冲，经过ULN2803驱动风扇直流电机控制电路，实现电机转速与启停的自动控制。当环境温度升高时，直流电机的转速会相应按照设定的等级有所提高；当环境温度下降时，电机的转速会相应的下降；当环境温度低于设置温度时，电机停止转动，而环境温度又高于预设温度时，电机重新启动。风扇电机的一端接12V电源，另一端接ULN2803的OUT7引脚，ULN2803的IN7引脚与单片机的P3.1引脚相连，通过控制单片机的P3.1引脚输出PWM信号，由此控制风扇直流电机的速度与启停。
3、2元器件的选择
温度显示器件的选择：
方案：采用数字式的集成温度传感器DS18B20作为温度检测的核心元件，由其检测并直接输出数字温度信号给单片机进行处理。
对于方案1，采用热敏电阻作为温度检测元件，有价格便宜，元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不太敏感，在信号采集、放大以及转换的过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的R-T关系的非线性，其自身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路来修正，但这不仅将使电路变得更加复杂，而且在人体所处环境温度变化过程中难以检测到小的温度变化。故该方案不适合本系统。
对于方案，由于数字式集成温度传感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大转化等电路的误差因数，温度误差变得很小，并且由于其检测温度的原理与热敏电阻检测的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该温度传感器采用先进的单总线技术，与单片机的接口变得非常简洁，抗干扰能力强，因此该方案适用于本系统。
调速方式的选择：
方案：采用单片机软件编程实现PWM（脉冲宽度调制）调速的方法。PWM是英文Pulse Width Modulation的缩写，它是按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，在控制时需要调节PWM波占空比。占空比是指高电平持续时间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，占空比为100%时，转速达到最大。用单片机I/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，然后再延时一定时间；当低电平延时时间到时，再对该I/O口电平取反，如此循环即可得到PWM信号。在本设计中应用了此方法。
(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定时进行高低电平的转变，而不是用软件延时。应用此方法时编程相对复杂。
(3) 利用单片机自带的PWM控制器。在STC12系列单片机中自身带有PWM控制器，但本系统所用到得AT89系列单片机无此功能。
对于方案1，该方案能够实现对直流风扇电机的无级调速，速度变化灵敏，但是D/A转换芯片的价格较高，与其温控状态下无级调速功能相比性价比不高。
对于方案，相对于其他用硬件或者软硬件相结合的方法实现对电机进行调速而言，采用PWM 用纯软件的方法来实现调速过程，具有更大的灵活性，并可大大降低成本，能够充分发挥单片机的功能，对于简单速度控制系统的实现提供了一种有效的途径。综合考虑选用方案2。
4、系统仿真调试
4．1PROTEUS软件介绍
Proteus软件是由英国Lab Center Electronics公司开发的EDA工具软件。从1989年问世至今有近20年历史，在全球得到广泛的使用。Proteus软件除具有和其他EDA工具软件一样的原理编辑、印制电路板制作外，还具有交互式的仿真功能。更是目前世界上最先进最完整的多种型号微处理器系统的设计与仿真平台，真正实现了在计算机中完成电路原理图设计、电路分析与仿真、微处理器程序设计与仿真、系统测试与功能验证到形式印制电路板的完整电子设计、研发过程。
4.2系统仿真
首先启动Proteus软件并建立工程，然后根据原理图调出相应的原件，再根据要求改变各原件的属性并把各个原件按原理图连接起来。在原理图绘制连接好后再把编译好的程序加载到其中。最后根据系统要实现的功能分步进行仿真。
把温度传感器DS18B20温度设置为26度，用键盘调节系统预设的温度为20度。点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时风扇直流电机的转速为+23.5r/s，如图所示。

(Proteus仿真效果图)

（温度采集）

（风扇的电机转速）
当把温度传感器DS18B20温度设置为高出系统设定温度很高时，调节系统预设的温度为20度。点击开始按钮，系统开始仿真，待一段时间稳定后，观察到此时直流风扇电机的转速就会增加会产生大的风速，从而达到凉爽的效果。当外界的温度变化从而电机的转速也不停变化，风扇产生的风速也在变化，当温度低于系统设定的20度时，风扇就开始从转动慢慢的停止电机就显示没有转动，达到温度控制的效果。
本系统能够实现单片机系统检测环境温度的变化，然后根据环境温度变化来控制风扇直流电机输入占空比的变化，从而产生不同的转动速度，亦可根据键盘调节不同的设置温度，再由环境温度与设置温度的差值来控制电机。当环境温度低于设置温度时，电机停止转动；当环境温度高于设置温度时，单片机对应输出口输出不同占空比的PWM信号，控制电机开始转动，并随着环境温度与设置温度的差值的增加电机的转速逐渐升高。 系统还能动态的显示当前温度和设置温度，并能通过键盘调节当前的设置温度。
4.3系统功能分析
系统总体上由五部分来组成，既按键与复位电路、数码管显示电路、温度检测电路、电机驱动电路。首先是温度检测电路，该部分是整个系统的首要部分，首先要检测到环境温度，才能用单片机来判断温度的高低，然后通过单片机控制直流风扇电机的转速；其次是电机驱动电路，该部分需要使用外围电路将单片机输出的PWM信号转化为平均电压输出，根据不同的PWM波形得到不同的平均电压，从而控制电机的转速，电路的设计中采用了达林顿反向驱动ULN2803，实现较好的控制效果；再次是数码管的动态显示电路，该部分的功能实现对环境温度和设置温度的显示，其中DS18B20采集环境温度，按键实现不同设置温度的调整，实现了对环境温度和设置温度的及时连续显示
5、总结
5.1设计小结
本次设计的系统以单片机为控制核心，以温度传感器DS18B20检测环境温度，实现了根据环境温度变化调节不同的风扇电机转速，在一定范围能能实现转速的连续调节，LED数码管能连续稳定的显示环境温度和设置温度，并能通过两个独立按键调节不同的设置温度，从而改变环境温度与设置温度的差值，进而改变电机转速。实现了基于单片机的温控风扇的设计。
本系统设计可推广到各种电动机的控制系统中，实现电动机的转速调节。在生产生活中，本系统可用于简单的日常风扇的智能控制，为生活带来便利；在工业生产中，可以改变不同的输入信号，实现对不同信号输入控制电机的转速，进而实现生产自动化，如在电力系统中可以根据不同的负荷达到不同的电压信号，再由电压信号调节不同的发电机转速，进而调节发电量，实现电力系统的自动化调节。综上所述，该系统的设计和研究在社会生产和生活中具有重要地位。
5.2收获体会
本次课题是自动风扇控制器，主要是由传感器采集信号通过单片机的处理来控制风扇的转速，主要应用protues画出电路原理图，keil3编译程序以及protues进行连接仿真。
通过查阅资料，教材以及相应的软件，不但温习了课本上的知识，而且还扩展了自己的知识面，从设计到编程到仿真，从理论到实践，不仅增强了自己的动手能力，也对以后的就业选择有了明确的方向。
本次课程设计耗时四月之久，有足够的时间选读文献，可以根据个人的兴趣爱好做出相应的设计，从而为以后就业奠定了基础。能够运用自己的所学来运用到实践，是一种新的突破，以后也将面临新的挑战，不过我有信心，面对各类挑战，不断地突破自己，创造一片属于自己的天地。
6、参考文献
李学龙.使用单片机控制的智能遥控电风扇控制器[J].电子电路制作，.
蓝厚荣.单片机的PWM控制技术[J].工业控制计算机
郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社.
胡汉才.单片机原理及其接口技术[M]（第2版）.北京：清华大学出版社.
侯玉宝，基于Proteus的51系列单片机设计与仿真。
7附录

（电路总图）

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