智能電風(fēng)扇創(chuàng)新設(shè)計(jì)說明書分析.doc

航空制造工程學(xué)院創(chuàng)新能力綜合訓(xùn)練研 究 報(bào) 告題 目： 智能電風(fēng)扇設(shè)計(jì) 所屬課題： 智能電風(fēng)扇系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 專業(yè)名稱： 班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 合 作 者： 指導(dǎo)教師： 二O一三年 十一月 智能電風(fēng)扇系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)研究學(xué)生姓名： 班級(jí)：指導(dǎo)老師：摘要：采用單片機(jī)作為控制器，基于單片機(jī)最小系統(tǒng)下利用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集元件，同時(shí)還利用風(fēng)速傳感器WFS-1采集室內(nèi)空氣流速，并根據(jù)采集到的溫度和WFS-1輸出的電壓信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定的溫度和風(fēng)速值的比較實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)和停止，并能根溫度和室內(nèi)空氣流速的變化自動(dòng)改變風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用LCD顯示檢測(cè)到的溫度、風(fēng)速。研究了相關(guān)芯片如AT89C51、8255、AD0808等的功能、接線方式以及工作方式，同時(shí)，還研究了相關(guān)元件如DS18B20、LCD等接口功能等，結(jié)果表明，通過Proteus硬件仿真軟件的仿真可是在LCD上觀察到兩傳感器對(duì)環(huán)境溫度和風(fēng)速的及時(shí)連續(xù)的穩(wěn)定顯示。關(guān)鍵詞: 單片機(jī)、DS18B20、WFS-1、風(fēng)扇、溫控、風(fēng)控 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 基于單片機(jī)最小系統(tǒng)下控制電風(fēng)扇，利用溫度傳感器DS18B20和風(fēng)速傳感器WFS-1對(duì)室內(nèi)溫度、風(fēng)速等進(jìn)行檢測(cè)，從而根據(jù)其檢測(cè)信號(hào)對(duì)電風(fēng)扇工作狀態(tài)進(jìn)行改變，達(dá)到使人體最舒適的工作狀態(tài)，同時(shí)用LCD顯示檢測(cè)到的溫度、風(fēng)速。從而實(shí)現(xiàn)更人性化、智能化的控制。 目 錄1 引言 .4 2 研究方法.53 研究結(jié)果及分析.6 3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì). .6 3.2 溫度模塊硬件設(shè)計(jì).6 3.2.1、DS18B20數(shù)字溫度傳感器簡(jiǎn)介.6 1、DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu).6 2、DS18B20的主要特性.7 3.2.2、溫度傳感器的接線方式.83.2.3、基于Proteus溫度模塊仿真.93.3風(fēng)速模塊硬件設(shè)計(jì).10 3.3.1、風(fēng)速傳感器WFS-1簡(jiǎn)介.111.WFS-1型風(fēng)速傳感器的主要技術(shù)參數(shù).122.安裝使用.123.注意事項(xiàng) .12 3.3.2、風(fēng)速傳感器的接線方式.13 3.3.3、基于Proteus風(fēng)速模塊仿真.144 結(jié)論.165 參考文獻(xiàn).17 6指導(dǎo)教師評(píng)語和成績(jī)?cè)u(píng)定.181 引言 在現(xiàn)代社會(huì)中，風(fēng)扇被廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮著舉足輕重的作用，如夏天人們用的散熱風(fēng)扇、工業(yè)生產(chǎn)中大型機(jī)械中的散熱風(fēng)扇以及現(xiàn)在筆記本電腦上廣泛使用的智能CPU風(fēng)扇等。而隨著溫度控制技術(shù)的發(fā)展，為了降低風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪音以及節(jié)省能源等，溫控風(fēng)扇越來越受到重視并被廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)階段，溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一定的成效，可以使風(fēng)扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行自動(dòng)無級(jí)調(diào)速，當(dāng)溫度升高到一定時(shí)能自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)扇，當(dāng)溫度降到一定時(shí)能自動(dòng)停止風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能控制。隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，許多用單片機(jī)作控制的溫度控制系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，如基于單片機(jī)的溫控風(fēng)扇系統(tǒng)。它使風(fēng)扇根據(jù)環(huán)境溫度的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟停，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇的智能控制。它的設(shè)計(jì)為現(xiàn)代社會(huì)人們的生活以及生產(chǎn)帶來了諸多便利，在提高人們的生活質(zhì)量、生產(chǎn)效率的同時(shí)還能節(jié)省風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量。 本文采用單片機(jī)作為控制器，利用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集元件，同時(shí)還利用風(fēng)速傳感器WFS-1采集室內(nèi)空氣流速，并根據(jù)WFS-1輸出的電壓信號(hào)和采集到的溫度與系統(tǒng)設(shè)定的溫度和風(fēng)速的比較實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)和停止，并能根溫度和室內(nèi)空氣流速的變化自動(dòng)改變風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用LCD顯示檢測(cè)到的溫度、風(fēng)速。 2 研究方法 在傳統(tǒng)電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和控制的基礎(chǔ)上，加入單片機(jī)控制，采用遙控器控制風(fēng)扇的啟動(dòng)/停止，再加入溫度控制環(huán)節(jié)和風(fēng)速控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)房間的風(fēng)速和人體舒適性的自動(dòng)調(diào)節(jié)。整體工作情況是：1）用按鍵設(shè)定風(fēng)速，溫度，定時(shí)啟動(dòng)和定時(shí)時(shí)間等信息;2）啟動(dòng)風(fēng)扇工作；3）風(fēng)速、溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)房間的溫度和風(fēng)速信息；4）單片機(jī)控制根據(jù)設(shè)定信息和檢測(cè)信息，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、智能化、 更舒適的控制。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖3 研究結(jié)果及分析3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的整體思路是：利用溫度傳感器DS18B20檢測(cè)環(huán)境溫度并直接輸出的數(shù)字溫度信號(hào)和風(fēng)速傳感器WFS-1檢測(cè)環(huán)境風(fēng)速并輸出電壓信號(hào)通過AD0808轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)AT89C51進(jìn)行處理，在LCD上顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)值以及預(yù)設(shè)參數(shù)值。其中預(yù)設(shè)環(huán)境值只能為整數(shù)形式，檢測(cè)到的當(dāng)前環(huán)境溫度和風(fēng)速可精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，同時(shí)采用PWM脈寬調(diào)制方式來改變直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：DS18B20溫度、風(fēng)速顯示顯示W(wǎng)FS-1獨(dú)立鍵盤AT89C51直流電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路晶振復(fù)位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2 溫度模塊硬件設(shè)計(jì)3.2.1、DS18B20數(shù)字溫度傳感器簡(jiǎn)介 1、DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu) DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。（1）光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。 2、DS18B20的主要特性（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電（2）溫范圍55125，在-10+85時(shí)精度為0.5 （3）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可 實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊 ( 4 ) DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 ( 5 ) DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在 形如一只三極管的集成電路內(nèi)可編程的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 部分溫度值與DS18B20輸出的數(shù)字量對(duì)照表 溫度值/ 數(shù)字輸出（二進(jìn)制） 數(shù)字輸出（十六進(jìn)制） +85 0000 0101 0101 0000 0550H +25.625 0000 0001 1001 0001 0191H +10.125 0000 0000 1010 0010 00A2H+0.5 0000 0000 0000 1000 0008H 0 0000 0000 0000 0000 0000H-0.5 1111 1111 1111 1000 FFF8H -10.125 1111 1111 0110 1110 FF5EH -25.625 1111 1111 0110 1111 FF6FH -55 1111 1100 1001 0000 FC90H 上表是DS18B20溫度采集轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在DS18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于或等于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。溫度轉(zhuǎn)換計(jì)算方法舉例：例如：當(dāng)DS18B20采集到+85的實(shí)際溫度后，輸出為0550H，則： 實(shí)際溫度=0550H0.0625=13600.0625=85。例如：當(dāng)DS18B20采集到-55的實(shí)際溫度后，輸出為FC90H，則應(yīng)先將11位數(shù)據(jù)位取反加1得370H（符號(hào)位不變，也不作為計(jì)算），則： 實(shí)際溫度=370H0.0625=8800.0625=55。3.2.2、溫度傳感器的接線方式DS18B20數(shù)字溫度傳感器通過其內(nèi)部計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來的作用，實(shí)現(xiàn)了特有的溫度測(cè)量功能。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時(shí)鐘信號(hào)通過由高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期而被計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器預(yù)先置有與-55相對(duì)應(yīng)的一個(gè)基權(quán)值。如果計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到0時(shí)，高溫度系數(shù)振蕩周期還未結(jié)束，則表示測(cè)量的溫度值高于-55，被預(yù)置在-55的溫度寄存器中的值就增加1，然后這個(gè)過程不斷重復(fù)，直到高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束為止。此時(shí)溫度寄存器中的值即為被測(cè)溫度值，這個(gè)值以16位二進(jìn)制形式存放在存儲(chǔ)器中，通過主機(jī)發(fā)送存儲(chǔ)器讀命令可讀出此溫度值，讀取時(shí)低位在前，高位在后，依次進(jìn)行。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內(nèi)用斜率累加器進(jìn)行補(bǔ)償 。DS18B20在使用時(shí)，一般都采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只須將DS18B20信號(hào)線與單片機(jī)1位I/O線相連，且單片機(jī)的1位I/O線可掛接多個(gè)DS18B20，就可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度檢測(cè)。在本設(shè)計(jì)中將DS18B20接在P1.0口實(shí)現(xiàn)溫度的采集。其與單片機(jī)的連接如下圖溫度傳感器接線圖3.2.3、基于Proteus溫度模塊仿真 首先啟動(dòng)Proteus軟件并建立一工程，然后根據(jù)原理圖調(diào)出相應(yīng)的原件，再根據(jù)要求改變各原件的屬性并把各個(gè)原件按原理圖連接起來。在原理圖繪制連接好后再把編譯好的程序加載到其中，并進(jìn)行仿真。當(dāng)把溫度傳感器DS18B20溫度設(shè)置為25攝氏度。點(diǎn)擊開始按鈕，系統(tǒng)開始仿真，待一段時(shí)間穩(wěn)定后，觀察到此時(shí)LCD顯示的數(shù)值，如圖下所示。 溫度模塊仿真效果圖通過以上仿真可以看出，當(dāng)溫度傳感器DS18B20采集到溫度信號(hào)能及時(shí)的、準(zhǔn)確無誤的通過LCD顯示出來，可知溫度模塊硬件設(shè)計(jì)正確。當(dāng)然溫度傳感器上顯示的溫度由于軟件中元件的缺陷只能整數(shù)改變，小數(shù)位總是0，而現(xiàn)實(shí)生活中的溫度不可能總為整數(shù)。3.3風(fēng)速模塊硬件設(shè)計(jì)3.3.1、風(fēng)速傳感器WFS-1簡(jiǎn)介WFS-1風(fēng)速傳感器的風(fēng)杯由高耐候性、高強(qiáng)度工程塑料制造，傳感器殼體使用ABS工程塑料成形，上下殼體由橡膠型圈密封。內(nèi)部電路均經(jīng)過噴涂三防漆處理，整個(gè)傳感器具有很好的耐惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。風(fēng)速傳感器輸出為頻率信號(hào)。 工作原理：風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件是三杯風(fēng)組件，由三個(gè)風(fēng)杯和杯架組成。轉(zhuǎn)換器為多齒轉(zhuǎn)杯和狹縫光耦。當(dāng)風(fēng)杯受水平風(fēng)力作用而旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出頻率的信號(hào)。1.WFS-1型風(fēng)速傳感器的主要技術(shù)參數(shù) 1、測(cè)量范圍：1.060m/s 2、準(zhǔn)確度：30m/s(0.5+0.05v) 30m/s5% 3、分辨率：0.1m/s 4、起動(dòng)風(fēng)速：0.7m/s 實(shí)物圖片 5、工作環(huán)境：30+606、底座安裝內(nèi)孔：Ø68 WFS-1型風(fēng)速傳感器的輸出方式：0-5V輸出（型號(hào)為WFS-1-3）特點(diǎn)： 量程大、線性好、抗雷擊能力強(qiáng)、觀測(cè)方便、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。2.安裝使用 風(fēng)杯底座安裝孔 1、風(fēng)速傳感器應(yīng)垂直的安裝在相距1米以上的橫臂上。 2、傳感器殼體下部直徑為40，120o均勻分有三個(gè)M5的螺紋為安裝部位。 3、測(cè)風(fēng)傳感器應(yīng)每年給軸承注油一次，注油時(shí)應(yīng)拆下風(fēng)速架或風(fēng)向帽，將儀表 油從傳感器的上軸承處注入。4、傳感器風(fēng)速帽上不動(dòng)的制動(dòng)螺釘均用軟質(zhì)密封膠密封，不要隨便拆卸， 拆卸后再裝配時(shí)最好重新涂上膠密封。 5、 傳感器電線插頭必須按說明書圖接線。6、 風(fēng)向傳感器從包裝箱內(nèi)取出后組裝，注意點(diǎn)是：風(fēng)標(biāo)桿沿箭頭方向插入;風(fēng)向標(biāo)前后重量應(yīng)調(diào)平衡、前后兩翼板應(yīng)與旋轉(zhuǎn)軸線在同一平面內(nèi);指北桿與指北線應(yīng)在同一方向。7、 傳感器組件由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、傳感器支架組成。組裝時(shí)傳感器應(yīng)分別先連接各自的插件、再套裝在支架套筒上，旋緊螺釘。8、 傳感器工作電壓通常為直流5伏，由于內(nèi)裝防雷器件，實(shí)際工作電壓不得高于6伏。3.注意事項(xiàng) 兩個(gè)禁止：1、 禁止在可燃性氣體環(huán)境中使用風(fēng)速傳感器。2、禁止將風(fēng)速傳感器探頭置于可燃性氣體中。七個(gè)不要：1、不要拆卸或改裝風(fēng)速傳感器; 2、不要將探頭和風(fēng)速計(jì)本體暴露在雨中;3、 不要觸摸探頭內(nèi)部傳感器部位;4、不要將風(fēng)速計(jì)放置在高溫、高濕、多塵和陽光直射的地方;5、不要用揮發(fā)性液體來擦拭風(fēng)速傳感器; 6、不要摔落或重壓風(fēng)速傳感器;7、不要在風(fēng)速計(jì)帶電的情況下觸摸探頭的傳感器部位。三個(gè)務(wù)必：1. 務(wù)必按照使用說明書的要求正確使用風(fēng)速傳感器;在使用中，如遇風(fēng)速傳感器散發(fā)出異常氣味、聲音或冒煙，或有液體流入風(fēng)速計(jì)內(nèi)部。2. 務(wù)必立即關(guān)機(jī)取出電池;風(fēng)速傳感器長(zhǎng)期不使用時(shí)。3. 務(wù)必取出內(nèi)部的電池。附表： 風(fēng)力等級(jí)表風(fēng)力等級(jí)名稱陸地地面物體征象相當(dāng)風(fēng)速km/hm/s0無風(fēng)靜，煙直上小于10 0.21輕風(fēng)煙能表示風(fēng)向150.31.52輕風(fēng)人面感覺有風(fēng)，樹葉微動(dòng)6111.63.33微風(fēng)樹葉及微枝搖動(dòng)不息12193.45.44和風(fēng)能吹起地面灰塵和紙張20285.57.95勁風(fēng)小樹搖擺，水面有小波29388.010.76強(qiáng)風(fēng)大樹枝搖動(dòng)，舉傘困難394910.813.87疾風(fēng)全樹動(dòng)搖，步行感覺不便506113.917.l8大風(fēng)微枝折毀，前行阻力甚大627417.220.73.3.2、風(fēng)速傳感器的接線方式在單片機(jī)最小系統(tǒng)下通過擴(kuò)展芯片8255來連接WFS-1，但由于Proteus軟件中沒有這一元器件，故根據(jù)風(fēng)速傳感器的輸出信號(hào)為（05)V的電壓信號(hào)，從而采用一回路中滑動(dòng)變阻器的某部分電阻電壓值代替，通過滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器來改變輸出電壓，模仿風(fēng)速傳感器采集到的風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)輸出電壓信號(hào)的變化過程。由于風(fēng)速傳感器輸出的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳輸給芯片AT89C51處理后，通過LCD顯示此時(shí)風(fēng)速值。 風(fēng)速傳感器接線圖3.3.3、基于Proteus風(fēng)速模塊仿真 在Proteus軟件把各個(gè)所需原件按原理圖連接起來。在原理圖繪制連接好后再把編譯好的程序加載到其中，并進(jìn)行仿真。當(dāng)把風(fēng)速傳感器WFS-1的輸出電壓設(shè)置為4.9V時(shí)。點(diǎn)擊開始按鈕，系統(tǒng)開始仿真，待一段時(shí)間穩(wěn)定后，觀察到此時(shí)LCD顯示的數(shù)值，如圖下所示。 風(fēng)速模塊仿真效果圖（1） 根據(jù)WFS-1-3型風(fēng)速傳感器的測(cè)量范圍（160）m/s和輸出電壓信號(hào)為（05）V之間成線性關(guān)系的特性可得知測(cè)得風(fēng)速與輸出電壓之間的函數(shù)關(guān)系式為：y=59/5x+1,可計(jì)算出當(dāng)輸出電壓x=4.9V時(shí)，測(cè)得風(fēng)速y=58.82m/s,對(duì)比LCD上顯示的數(shù)值可知正確無誤。 風(fēng)速模塊仿真效果圖（2） 在上一步仿真的基礎(chǔ)上(風(fēng)速傳感器的輸出電壓值為4.9V)，將風(fēng)速傳感器的輸出電壓值調(diào)整為2.85V，觀察LCD上顯示的風(fēng)速值為34.54m/s，經(jīng)公式y(tǒng)=59/5x+1可計(jì)算出實(shí)際風(fēng)速值為34.63m/s。綜上兩次仿真可知風(fēng)速模塊的硬件設(shè)計(jì)電路圖正確。4 結(jié)論 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，以溫度傳感器DS18B20和風(fēng)速傳感器WFS-1，檢測(cè)環(huán)境溫度和風(fēng)速，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境溫度變化