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1航空制造工程学院创新能力综合训练研究报告题目：智能电风扇设计所属课题：智能电风扇系统硬件设计学院：专业名称：班级学号：学生姓名：合作者：指导教师：二O一三年十一月2智能电风扇系统硬件设计研究学生姓名：班级：指导老师：摘要：采用单片机作为控制器，基于单片机最小系统下利用温度传感器DS18B20作为温度采集元件，同时还利用风速传感器WFS-1采集室内空气流速，并根据采集到的温度和WFS-1输出的电压信号与系统设定的温度和风速值的比较实现风扇电机的自动启动和停止，并能根温度和室内空气流速的变化自动改变风扇电机的转速，用LCD显示检测到的温度、风速。研究了相关芯片如AT89C51、8255、AD0808等的功能、接线方式以及工作方式，同时，还研究了相关元件如DS18B20、LCD等接口功能等，结果表明，通过Proteus硬件仿真软件的仿真可是在LCD上观察到两传感器对环境温度和风速的及时连续的稳定显示。关键词:单片机、DS18B20、WFS-1、风扇、温控、风控主要创新点基于单片机最小系统下控制电风扇，利用温度传感器DS18B20和风速传感器WFS-1对室内温度、风速等进行检测，从而根据其检测信号对电风扇工作状态进行改变，达到使人体最舒适的工作状态，同时用LCD显示检测到的温度、风速。从而实现更人性化、智能化的控制。3目录1引言..................................................42研究方法...............................................53研究结果及分析.........................................63.1系统整体设计......................................63.2温度模块硬件设计...................................63.2.1、DS18B20数字温度传感器简介.....................61、DS18B20的外形和内部结构.......................62、DS18B20的主要特性................................73.2.2、温度传感器的接线方式............................83.2.3、基于Proteus温度模块仿真...........................93.3风速模块硬件设计.....................................103.3.1、风速传感器WFS-1简介............................111.WFS-1型风速传感器的主要技术参数...................122.安装使用..........................................123.注意事项.........................................123.3.2、风速传感器的接线方式............................133.3.3、基于Proteus风速模块仿真........................144结论..................................................165参考文献..............................................176指导教师评语和成绩评定................................1841引言在现代社会中，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。本文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，同时还利用风速传感器WFS-1采集室内空气流速，并根据WFS-1输出的电压信号和采集到的温度与系统设定的温度和风速的比较实现风扇电机的自动启动和停止，并能根温度和室内空气流速的变化自动改变风扇电机的转速，用LCD显示检测到的温度、风速。52研究方法在传统电风扇结构和控制的基础上，加入单片机控制，采用遥控器控制风扇的启动/停止，再加入温度控制环节和风速控制环节，实现房间的风速和人体舒适性的自动调节。整体工作情况是：1）用按键设定风速，温度，定时启动和定时时间等信息;2）启动风扇工作；3）风速、温度传感器实时检测房间的温度和风速信息；4）单片机控制根据设定信息和检测信息，控制电机转速，实现自动、智能化、更舒适的控制。检测风速风速满足要求吗？启动定时了吗？YN启动定时NY调节电机转速温度满足要求吗？NY调节电机转速检测温度开始电机驱动流程图63研究结果及分析3.1系统整体设计本设计的整体思路是：利用温度传感器DS18B20检测环境温度并直接输出的数字温度信号和风速传感器WFS-1检测环境风速并输出电压信号通过AD0808转换成数字信号传给单片机AT89C51进行处理，在LCD上显示当前环境参数值以及预设参数值。其中预设环境值只能为整数形式，检测到的当前环境温度和风速可精确到小数点后两位，同时采用PWM脉宽调制方式来改变直流风扇电机的转速。系统结构框图如下：系统结构框图3.2温度模块硬件设计3.2.1、DS18B20数字温度传感器简介1、DS18B20的外形和内部结构DS18B20内部结构主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。温度、风速显示显示DS18B20AT89C51复位晶振独立键盘PWM驱动电路直流电机WFS-17（1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。2、DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电（2）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃（3）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯(4)DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。(5)DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。8部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表上表是DS18B20温度采集转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于或等于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。温度转换计算方法举例：例如：当DS18B20采集到+85℃的实际温度后，输出为0550H，则：实际温度=0550H╳0.0625=1360╳0.0625=85℃。例如：当DS18B20采集到-55℃的实际温度后，输出为FC90H，则应先将11位数据位取反加1得370H（符号位不变，也不作为计算），则：实际温度=370H╳0.0625=880╳0.0625=55℃。3.2.2、温度传感器的接线方式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℃相对应的一个基权值。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℃，被预置在-55℃的温度寄存器中的值就增加1℃，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，通过主机发送存储器读命令可读出此温温度值/℃数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+85℃00000101010100000550H+25.625℃00000001100100010191H+10.125℃000000001010001000A2H+0.5℃00000000000010000008H0℃00000000000000000000H-0.5℃1111111111111000FFF8H-10.125℃1111111101101110FF5EH-25.625℃1111111101101111FF6FH-55℃1111110010010000FC90H9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，其内用斜率累加器进行补偿。DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只须将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。在本设计中将DS18B20接在P1.0口实现温度的采集。其与单片机的连接如下图温度传感器接线图3.2.3、基于Proteus温度模块仿真首先启动Proteus软件并建立一工程，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，并进行仿真。10当把温度传感器DS18B20温度设置为25摄氏度。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LCD显示的数值，如图下所示。温度模块仿真效果图通过以上仿真可以看出，当温度传感器DS18B20采集到温度信号能及时的、准确无误的通过LCD显示出来，可知温度模块硬件设计正确。当然温度传感器上显示的温度由于软件中元件的缺陷只能整数改变，小数位总是0，而现实生活中的温度不可能总为整数。113.3风速模块硬件设计3.3.1、风速传感器WFS-1简介WFS-1风速传感器的风杯由高耐候性、高强度工程塑料制造，传感器壳体使用ABS工程塑料成形，上下壳体由橡胶Ｏ型圈密封。内部电路均经过喷涂三防漆处理，整个传感器具有很好的耐恶劣环境的适应性。风速传感器输出为频率信号。工作原理：风速传感器的感应元件是三杯风组件，由三个风杯和杯架组成。转换器为多齿转杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯