摘 要

传统风扇只能依靠手动调节控制风速，夏夜入眠后，过大的风速极易导致受凉感冒，此时设计一款根据实时温度自动调节风速的风扇，既能为生活带来便利又有助于节能环保。

本设计是一款基于STC89C51单片机的小型智能温控系统，采用高精度温度传感器DS18B20进行环境温度测试。通过LCD1602显示温度值，系统设置3个按钮，用户可以通过其中一个按钮进入设置模式，另两个按钮的作用是调整温度的上限值和下限值。通过将数据存储在单片机中的EEPROM中实现断电存储。

当实时温度低于下限时，蜂鸣器鸣响起，LED灯亮起，风扇停止。当采集的温度在上限和下限温度之间时，蜂鸣器和LED灯停止工作，并且风扇进入小风力模式。当实时温度高于设置温度上限，蜂鸣器响起，LED灯亮起，风扇进入大风模式。

关键词：实时温度；STC89C51；风扇

Abstract

Fan can only rely on traditional manual regulation control wind, summer night to sleep, too easily lead to catch cold catch cold catch a cold, the wind speed at this point design according to the real-time temperature automatically adjust the wind speed of the fan, both can bring convenience for life and contribute to energy conservation and environmental protection.

This design is a small intelligent temperature control system based on STC89C51 single chip microcomputer. It adopts the high-precision temperature sensor DS18B20 for environmental temperature testing. LCD1602 shows the temperature value, and the system sets three buttons. The user can enter the setting mode through one of them. The other two buttons are used to adjust the upper and lower temperature limits. The data is stored in the EEPROM in the MCU to realize the storage of power off.

When the real-time temperature is lower than the lower limit, the buzzer rings, the LED lights are on, and the fan stops running. When the collected temperature is between the upper and lower limits, the buzzer and LED lights stop working, and the fan enters the small wind mode. When the real-time temperature is higher than the set temperature ceiling, the buzzer rings, the LED lights are on, and the fan enters the large wind mode.

Key Words：Real time temperature; STC89C51; fan

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 设计的目的及意义  1

1.2 国内外研究现状  1

1.3本文的研究内容和组织结构 1

第2章 温控风扇整体方案设计 3

2.1系统整体结构 3

2.2硬件选型 3

2.2.1 主控芯片的选择 3

2.2.2 显示器件的选择 4

2.2.3 温度传感器的选择 5

2.2.4 调速方式的选择 5

2.3 系统总体方案 6

第3章 温控风扇单元电路设计 7

3.1 单片机最小系统电路 7

3.1.1 STC89C51单片机 7

3.1.2 STC89C51 单片机最小系统设计原理 8

3.2 温度采集电路的设计 9

3.2.1 温度传感器 DS18B20 9

3.2.2 温度传感器的工作原理 10

3.3 液晶显示电路的设计 11

3.3.1 LCD1602液晶显示器 11

3.3.2 液晶显示器工作原理 11

3.4 风扇驱动电路的设计 12

3.4.1 驱动芯片 L9110S 12

3.4.2驱动电路工作原理 12

3.5 蜂鸣器电路的设计 13

3.6 独立按键电路的设计 13

第4章 智能风扇软件设计 15

4.1 软件开发环境 15

4.2 智能风扇函数设计 15

4.2.1 主函数设计 15

4.2.2 LCD1602显示函数的设计 17

4.2.3 DS18B20温度采集的函数设计 18

4.2.4 驱动电机模块的函数设计 20

4.3 软件调试 22

4.3.1 LCD1602液晶显示部分调试 22

4.3.2掉电存储部分调试 22

第5章 智能风扇系统仿真与实物测试 23

5.1 系统功能仿真 23

5.2 实物测试 25

5.2.1 系统硬件实物 25

5.2.1 按键显示部分测试 25

5.2.2 温度采集部分测试 26

5.2.3 驱动电机部分测试 27

5.3 系统功能 28

5.3.1 系统实现的功能 28

5.3.2 系统功能分析 28

第6章 总结与展望 29

6.1 本文工作总结 29

6.2下一步的工作展望 29

参考文献 30

致　　谢 31

第1章 绪论

1.1 设计的目的及意义 

随着人们对环境资源越来越重视，各种各样的制冷系统所带来的环境污染问题引起了广泛的关注，相比较而言，风扇作为一种低功耗、成本低廉、体积轻巧、摆放方便的制冷家电，受到人们的青睐。除此之外，对于大部分中低收入家庭而言，风扇依然是家庭制冷的主要方式。传统风扇功能单一且耗电量大，定时范围有限而且工作噪音大。传统风扇的突出缺点是不能按照实时温度，根据需要改变风速，对于一些日照充足，夜晚凉爽的温差过大的地域，及其不便，会导致老年人和小孩着凉感冒。随着科技的进步，人类步入了电子信息化时代，智能控制应用广泛，对大部分领域有着突出贡献，本设计旨在将智能控制与生活实际相结合，真正将科技的进步应用到现实生活中，切实为生活带来便利。本设计是一款满足不同需求，节能安全，成本低廉，工作噪音小的智能风扇，对于帮助风扇提高其市场竞争力，带来可观的经济效益，具有实际意义。

1.2 国内外研究现状 

虽然空调、排风机等先进的制冷设备掀起了新一波市场潮流，受时代背景的影响和经济条件的约束，电风扇在中国市场仍占有很大比重，中国市场依然是风扇销售的主要市场，市场需求推动了产业发展，使得中国制造商对风扇的研究更深入，甚至领先于发达国家的制造商。许多知名风机制造商如美的、格力等国产制造商，以其出色的产品质量，丰富的产品功能在风扇市场获得一席之地。对于风扇的研究前景，下一个目标是让其更加智能化，更全面地满足不同现代人追求个性化和多功能的需求。目前温控风扇的设计已经取得了一些效果，当前阶段的风扇已经能够实现自动无级调速，能够根据温度高低自动启停风扇。

受全球能源危机和经济低迷的影响，许多工业生产国家和高生活水平的国家的电扇销售量相当可观。尤其对于一些生活水平较低的家庭而言，他们通常选择使用价格较低的换气扇或风扇代替空调，减少家庭开支。如今，风扇已经具有了风扇的体温调节效果，这种功能受到老年人和体弱者的欢迎。虽然国外对电扇的研究不够活跃，但对智能电器的研究远远领先于国内，智能家电的概念风靡全球，目前国外已经研究出了能够根据气候、地区、天气自动调节的制冷系统，可见，在将来，温控系统将会进一步发展，更智能，全方位满足不同需求。

1.3本文的研究内容和组织结构

本设计的重点是将单片机原理与电机驱动结合起来，实现智能温控。本设计采用STC89C51为主要的微处理器，结合数字温度传感器DS18B20和液晶显示器LCD1602，完成对温度的实时监控，并且能够通过预设温度与实际温度的比较，判断该温控系统控制的风扇需要进入的工作状态。本设计能够手动调节预设温度，并且断电后能保存上一次设置的温度值。

论文的总体框架如下：

第一章为绪论，介绍了温控风扇设计的背景，并对国内外的研究现状做出了阐述。

第二章为整体方案设计，对每个模块的硬件选型进行了论证，选出了最符合设计初衷的方案。

第三章为单元模块电路设计。介绍了单元模块电路的设计原理，说明了每个模块电路在设计中的作用。

第四章为软件设计。主要从软件设计方面，利用流程图说明了主程序和各个子程序的设计思想，并对部分代码做了具体介绍。

第五章为系统调试，从软件和硬件两个方面，对实物进行了测试，并解决了存在的问题。

第六章为总结与展望。总结了本论文的研究过程和研究的内容，并展望了智能温控风扇的下一步研究方向。

第2章 温控风扇整体方案设计

2.1系统整体结构

本设计为智能温控风扇，分为单片机模块、测温模块、温度显示模块、驱动电机模块、按键输入模块共5个模块，如下图2.1系统整体模块

图2.1系统整体模块

如图2.1所示，单片机为核心元件，首先温度测量模块将实时温度送入单片机进行处理，单片机模块处理后分别交由温度显示模块和驱动电机模块。通过按键输入模块，可改变单片机对温度显示和电机控制的输出，从而改变风速。

2.2硬件选型

2.2.1 主控芯片的选择

主控芯片的选型有以下几种方案：

（1）主控芯片采用STC89C51单片机。STC89C51是一种由宏晶科技公司制作的低功耗、高性能的8位CMOS单片机^【1】。具有8千字节的片上闪存，可以重新擦除1000次，器件兼容标准 MCS-51制令系统。该芯片比起许多传统51单片机而言，有了许多改进，例如，该芯片包含4 K带电可擦可编程只读存储器 ，这种存储器的优点是，当出现断电的情况，数据不会丢失，会被保留下来，因此当断了电，STC系列的单片机可以使用自身存储器保存数据，不需要特地外接存储器。

（2）采用PIC16F87A单片机作为主控芯片。PIC16F87是美国微芯科技公司开发的新产品，属于PIC单片机系列。具有Flash程序程序记忆功能，可重复程序，适合教学，开发新产品;内置的ICD（In Circuit Debug）功能允许用户直接访问单片机电路或产品^【2】。能够执行诸如暂停执行微处理器，查看缓冲器的内容等，允许用户快速执行程序调试和开发。PIC运行速度快，但开发成本高，比较困难。

（3）主控芯片采用AT89C52单片机。AT89C52单片机是一种低功耗、高性能的八位微控制器，具有8K字节可编程闪存、双数据指针、3位16位定时计数器、6级二级中断源结构和断电模式下的自动保存功能^【3】。软件编程灵活，自由度大。

对比方案（1）、方案（2）和方案（3），方案（2）的开发成本比方案（1）和方案（3）高，所以不采用方案（2）。而方案（1）与方案（3）均为51系列单片机，51单片机具有价格便宜，功能完备的优点，区别在于生产公司不同，STC系列生产的单片机相比于AT系列而言，增加了EERPOM,在掉电存储时，可直接使用内部的EERPOM，不用增加外部存储芯片，因此采用STC89C51芯片节约了成本，简化了设计方案，因此最终采用宏晶科技的STC89C51单片机作为主要的控制处理器。

2.2.2 显示器件的选择

显示器件的选择有以下三种方案：

（1）采用LED数码管。选择LED数码管可节约成本，而且数码管的特性决定其方便数字或简单字母的显示。但是，当使用LED数码管连接单片机时，单片机I/O口输出的电流太小，不能直接驱动数码管运作，需要增加电路来保证数码管正常运行。此驱动电路放大电流进而控制数码管的工作状态而且因为采用动态扫描的方式，占用 CPU的 I/ O口数目较多，在进行较大量的内容显示时，在实际焊接时需要连接许多线路，不利于实际操作，容易发生焊接错误。

（2）采用LCD1602液晶显示屏。1602指显示屏可显示每行16个字符，一共两行的内容。LCD1602可采用并行或者串行两种数据传输方式来进行基本控制。LCD1602的优点很多，虽然显示屏小巧，但是清晰度高，包含许多字符，可以完成多种类型画面的显示。而且该显示屏还可以节能，因为它工作的耗能比较低。

（3）采用LCD12864液晶显示屏。LCD12864液晶显示屏是一种能应用于复杂图形界面的点阵型液晶显示器，它的显示范围广，包含字符类型多，还包含了汉字库的显示。LCD显示包含多种接口模式：并行或串行。LCD12864的突出优点是工作效率高、耗能低、工作电压低。LCD12864显示屏可显示大范围页面，比较适合复杂设计页面的显示，而且价格昂贵。

结合多种因素，最后考虑到实际操作难易程度、显示空间合理利用和成本，采用LCD1602液晶显示器。

2.2.3 温度传感器的选择

温度传感器的选择有以下三种方案：

（1）热敏电阻用作传感器。随着温度的变化，热敏电阻的电阻值也会发生变化，并用这一原理来测量温度。热敏电阻两端微弱电压变化值由运算放大器放大，然后模数转化输入单片机。该设计方案将模拟变化量转化为数字变化量，这一过程用到了A / D转换电路，在硬件设计阶段，增加了一个数模转换环节，变得更复杂。并且热敏电阻的阻值不仅受温度影响，还受其他因素的制约，因此热敏电阻阻值的变化与温度变化的关系不符合线性关系，并且热敏电阻自身对弱温变化感知能力较弱，在信号处理中的每个阶段都有失真的可能，本方案出现测量错误的可能性较大。

（2）采用模拟温度传感器AD590。模拟温度传感器AD590的特点是其输出电流可以随温度的变化而变化。因此设计思路是先将电流的变化转换成电压的变化，通过模数转换将模拟量变成数字量，将此数字量输入单片机进行数据处理。然而，使用这种设计，将增加两个转换电路，即电流转换为电压，模拟量转换为数字量，将增加设计复杂性。除此之外，该设计在两个关键转换过程中都可能发生失真，对结果的影响较大。由于在转换过程中可能会产生失真，而且设计较为复杂，本设计不采用此方案。

（3）采用数字式温度传感器DS18B20。DS18B20传输数据的方式非常简单。它只需要一根数据线来完成。而且这种传感器最大的优点就是在内部就已经完成了数据转换，输出的值已经是数字量，相比方案二而言，简化了设计步骤，降低了转换过程中出错的可能性。对比方案一，该数字温度传感器的精度高，且十分可靠，不可控因素少，得到的结果与实际值相差小。因此该系统采用数字DS18B20作为温度采集芯片。

2.2.4 调速方式的选择

调速方式的选择有以下三种方案：

（1）单片机将实时温度的数字信号发送到DAC0832 D/A芯片。此芯片将数字信号转换为模拟信号，模拟信号可以控制驱动电路模块中各部件的状态，实现电机转速的调节。

（2）利用单片机编程实现PWM（脉宽调制）调速，利用矩形信号的占空比（用“1”表示高电平，用“0”表示低电平），改变单位时间内“1”的输出范围，从而改变电机运行的速度。在软件编程中，若单位时间内输出全是“1”，此时电机全速运行，当利用编程控制单位时间内“1”的输出，则可以达到控制电机运转速度的目的。在使用单片机I/O端口时，通常用三种方式来控制PWM速度：

①利用软件延时。分别利用软件编程对“1”的输出和“0”的输出设置相对应的延时时间，当达到其对应的延时时间时，对当前状态取与之相对应的相反状态，循环往复，即得到PWM信号。

②利用定时器。利用单片机的定时器，输出“1”和输出“0”，交替往复，输出PWM信号。方法②主要用到了单片机的定时器，软件编程时比起方法①而言复杂一些。

③部分系列单片机自身带有PWM，用软件编程便可实现控制且程序简洁。

因为数模转换芯片的价格偏高，并且纯软件方法控制更灵活，便于修改，对于实物制作阶段而言大大降低了难度，出于成本考虑，选择方案（2）。并且由于STC系列自身带有PWM控制器，应当充分发挥单片机的功能，方案（2）中的方法③对于PWM信号控制最容易，出于软件编程难度的考虑，因此选择此方法。

2.3 系统总体方案

本设计的思想是利用高精度温度传感器DS18B20进行实时环境温度检测，将数据发送到STC89C51单片机，并通过LCD1602显示温度值。系统设置3个按钮，用户可以通过其中一个按钮进入设定模式，选择和调整温度的上限和下限。本设计可以根据实时温度自动调节风扇运转的风速，并且能够在断电后保存上次设置的温度上下限值，也可以通过改变温度上下限达到改变风扇转速的目的。加入了蜂鸣器和LED电路组成的声光电路，起到对风扇工作状态的提示作用，实时温度与预设温度上下限值作比较。当温度低于预设下限，声光电路工作，风扇停止。当高于设置的上限温度时，声光电路工作，风扇进入全速模式。具体的系统方案如下图2.2所示:

图2.2系统方案

第3章 温控风扇单元电路设计

3.1 单片机最小系统电路

3.1.1 STC89C51单片机

STC89C5是51系列微控制器的型号，是STC公司生产的新型51核，低功耗，高性能CMOS 8位微控制器。具有8 K在系统可编程 Flash存储器^【4】。STC89C51的功能完全兼容普通51单片机的功能，并做了很多改进使芯片增加了传统51单片机所没有的功能。掉电中断后唤醒（在掉电保护模式下， RAM的内容被保存，振荡器被冻结，一切都由微控制器停止，直到下一个中断或硬件复位）。

单片机的主要性能参数如下表3.1所示：

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