標題: 基于51單片機的溫控風扇設計論文下載 [打印本頁]
作者: 51hei團團 時間: 2018-7-24 01:54
標題: 基于51單片機的溫控風扇設計論文下載
基于51單片機的溫控風扇設計
摘要
在炎熱的夏天人們用電風扇來降溫；在工業生產中，大型機械用電風扇來散熱等。隨著溫度控制的技術不斷發展，應運而生的溫控電風扇也逐漸走進了人們的生活中。溫控電風扇可以根據環境溫度自動調節電風扇啟停與轉速，在實際生活的使用中，溫控風扇不僅可節省寶貴的電資源，也大大方便了人們的生活和生產。
本設計為一種溫控風扇系統，具有靈敏的溫度感測和顯示功能，系統采用STC89C51 單片機作為控制平臺對風扇轉速進行控制。利用DS18B20數字溫度傳感器采集實時溫度，經單片機處理后通過三極管驅動直流風扇的電機。根據采集的實時溫度，實現了風扇的自起自停。可由用戶設置高、低溫度值，測得溫度值在高低溫度之間時打開風扇弱風檔，當溫度升高超過所設定的溫度時自動切換到大風檔，當溫度小于所設定的溫度時自動關閉風扇，控制狀態隨外界溫度而定。
目錄
前 言
第1章 緒論
1.1 研究本課題的目的和意義
1.2 發展現狀
第2章 整體方案選擇
2.1 溫度傳感器的選用
2.2 主控機的選擇
2.3顯示電路
2.4調速方式
第3章 系統硬件組成
3.1 系統結構
3.2 主控芯片介紹
3.2.1 STC89C51簡介
3.2.2 STC89C51主要功能和性能參數
3.2.3 STC89C51單片機引腳說明
3.2.4 STC89C51單片機最小系統
3.2.5 STC89C51中斷技術概述
3.3 DS18B20溫度采集電路
3.3.1 DS18B20 的特點及內部構造
3.3.3 DS18B20的工作原理
3.3.3 DS18B20的工作時序
3.4 數碼管驅動顯示電路
3.4.1 數碼管驅動電路
3.4.2 數碼管顯示電路
3.5 風扇驅動電路
3.6 按鍵模塊
第4章 系統軟件設計
4.1 軟件介紹
4.1.1 Keil C51
4.1.2 Protel99SE
4.1.3 Proteus
4.2 主程序流程圖
4.3 DS18B20子程序流程圖
4.4 數碼管顯示子程序流程圖
4.5 按鍵子程序流程圖
第5章 系統調試
5.1 軟硬件調試
5.1.1 按鍵顯示部分的調試
5.1.2 傳感器DS18B20溫度采集部分調試
5.1.3 風扇調速電路部分調試
5.2 系統功能
5.2.1 系統實現的功能
5.2.2 系統功能分析
結 論
謝 辭
參考文獻
附 錄
附錄1：protel原理圖
附錄2：proteus仿真圖
附錄3：源程序
外文資料譯文
前 言
在現代社會中，風扇被廣泛的應用，發揮著舉足輕重的作用，如夏天人們用的散熱風扇、工業生產中大型機械中的散熱風扇以及現在筆記本電腦上廣泛使用的智能CPU風扇等。而隨著溫度控制技術的發展，為了降低風扇運轉時的噪音以及節省能源等，溫控風扇越來越受到重視并被廣泛的應用。
隨著單片機在各個領域的廣泛應用，許多用單片機作控制的溫度控制系統也應運而生，如基于單片機的溫控風扇系統。它使風扇根據環境溫度的變化實現自動啟停，使風扇轉速隨著環境溫度的變化而變化，實現了風扇的智能控制。它的設計為現代社會人們的生活以及生產帶來了諸多便利，在提高人們的生活質量、生產效率的同時還能節省風扇運轉所需的能量。
本文設計了基于單片機的溫控風扇系統，用單片機為控制器，利用溫度傳感器DS18B20作為溫度采集元件，并根據采集到的溫度，通過兩個三極管驅動風扇電機。根據檢測到的溫度與系統設定的溫度比較實現風扇電機的自動啟動和停止，并能根據溫度的變化自動改變風扇電機的轉速檔位，同時用LED八段數碼管顯示檢測到的溫度與當前檔位。系統的預設溫度的設置是通過三個獨立按鍵來實現的，一個是設置按鍵，一個是增大預設溫度，一個是減小預設溫度。
第1章 緒論
1.1 研究本課題的目的和意義
生活中，我們經常會使用一些與溫度有關的設備。比如，現在雖然不少城市家庭用上了空調，但在占中國大部分人口的農村地區依舊使用電風扇作為降溫防暑設備，春夏（夏秋）交替時節，白天溫度依舊很高，電風扇應高轉速、大風量，使人感到清涼；到了晚上，氣溫降低，當人入睡后，應該逐步減小轉速，以免使人感冒。雖然風扇都有調節不同檔位的功能，但必須要人手動換檔，睡著了就無能為力了，而普遍采用的定時器關閉的做法，一方面是定時時間長短有限制，一般是一兩個小時；另一方面可能在一兩個小時后氣溫依舊沒有降低很多，而風扇就關閉了，使人在睡夢中熱醒而不得不起床重新打開風扇，增加定時器時間，非常麻煩，而且可能多次定時后最后一次定時時間太長，在溫度降低以后風扇依舊繼續吹風，使人感冒；第三方面是只有簡單的到了定時時間就關閉風扇電源的單一功能，不能滿足氣溫變化對風扇風速大小的不同要求。又比如在較大功率的電子產品散熱方面，現在絕大多數都采用了風冷系統，利用風扇引起空氣流動，帶走熱量，使電子產品不至于發熱燒壞。要使電子產品保持較低的溫度，必須用大功率、高轉速、大風量的風扇，而風扇的噪音與其功率成正比。如果要低噪音，則要減小風扇轉速，又會引起電子設備溫度上升，不能兩全其美。為解決上述問題，我們設計了這套溫控風扇系統。本系統采用高精度集成溫度傳感器，用單片機控制，能顯示實時溫度，并根據使用者設定的溫度自動在相應溫度時作出小風、大風、停機動作，精確度高，動作準確。
1.2 發展現狀
當今社會已經完全進入了電子信息化，溫度控制器在各行各業中已經得到了充分的利用。具有對溫度進行實時監控的功能，以保證工業儀器，測量工具，農業種植的正常運作，它的最大特點是能實時監控周圍溫度的高低，并能同時控制電機運作來改變溫度。它的廣泛應用和普及給人們的日常生活帶來了方便。
溫控風扇是用單片機系統來完成的一個小型的控制系統�，F階段運用與國內大部分家庭，系統效率越來越高，成本也越來越低。其發展趨勢可以根據其性質進行相應的改進可以運用與不同場合的溫度監測控制，并帶來大量的經濟效益。
第2章 整體方案選擇
2.1 溫度傳感器的選用
溫度傳感器可由以下幾種方案可供選擇：
方案一：選用熱敏電阻作為感測溫度的核心元件，通過運算放大器放大由于溫度變化引起熱敏電阻電阻的變化、進而導至的輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再用AD轉換芯片ADC0809將模擬信號轉化為數字信號輸入單片機處理。具體方案如果2-1
圖2-1 熱敏溫度采集電路
方案二：采用熱電偶作為感測溫度的核心元件，配合橋式電路，運算放大電路和AD轉換電路，將溫度變化信號送入單片機處理。此方案原理和方案一的原理大同小異，AD轉換電路一樣，就是模擬量輸入的處理方式不一樣，熱電偶的還需要配合橋式電路，整體更加復雜點，但是此方案的測溫范圍更廣。
方案三：采用數字式集成溫度傳感器DS18B20作為感測溫度的核心元件，直接輸出數字溫度信號供單片機處理。
圖2-2 DS18B20溫度采電路
對于方案一，采用熱敏電阻有價格便宜、元件易購的優點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不敏感，AD0809也只有8位，所以顯示溫度也只能顯示到度，不能顯示到小數。在信號采集、放大、轉換過程中還會產生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的R-T關系的非線性，其本身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路予以糾正，但不僅將使電路復雜穩定性降低，而且在人體所處溫度環境溫度變化中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統。
對于方案二，采用熱電偶和橋式測量電路相對于熱敏電阻其對溫度的敏感性和器件的非線性誤差都有較大提高，其測溫范圍也非常寬，從-50攝氏度到1600攝氏度均可測量。但是依然存在電路復雜，對溫度敏感性達不到本系統要求的標準，故不采用該方案。
對于方案三，由于數字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉換等電路的誤差因素，溫度誤差很小，并且由于其感測溫度的原理與上述兩種方案的原理有著本質的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內部轉換成數字量直接輸出，簡化了系統程序設計，又由于該傳感器采用先進的單總線技術（1-WRIE），與單片機的接口變的非常簡潔，抗干擾能力強。關于DS18B20的詳細參數參看下面“硬件設計”中的器件介紹。
2.2 主控機的選擇
方案一：采用凌陽系列單片機作為系統的控制器，凌陽系列單片機可以實現各種復雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩定性。凌陽系列單片機提高了系統的處理速度，適合作為大規模實時系統的控制核心。
方案二：采用單片機作為控制核心。以軟件編程的方法進行溫度判斷，并在端口輸出控制信號。
因51單片機價格比凌陽系列低得多，且本設計不需要很高的處理速度，從經濟和方便使用角度考慮，本設計選擇了方案二。對于方案二，以單片機作為控制器，通過編寫程序不但能將傳感器感測到的溫度通過顯示電路顯示出來，而且用戶能通過鍵盤接口，自由設置上下限動作溫度值，滿足全方位的需求。并且通過程序判斷溫度具有極高的精準度，能精確把握環境溫度的微小變化。故本系統采用方案二。
2.3顯示電路
方案一：采用數碼管顯示溫度，動態掃描顯示方式。采用LED數碼管這種方案。雖然顯示的內容有限，但是也可以顯示數字和幾個英文字母，在這個設計中已經足夠了，并且價格比液晶字符式要低的多，為了控制設計制作的成本，在此設計中選用LED數碼管顯示。
方案二：采用液晶顯示屏LCD顯示溫度。顯示用液晶字符式，可以用軟件達到很好的控制，硬件不復雜，液晶字符顯示器可以顯示很豐富的內容，但是液晶字符式價格昂貴。
對于方案一，該方案成本低廉，顯示溫度明確醒目，在夜間也能看見，功耗極低，顯示驅動程序的編寫也相對簡單，這種顯示方式得到廣泛應用。不足的地方是掃描顯示方式是使數碼管逐個點亮，因此會有閃爍，但是人眼的視覺暫留時間為20MS，當數碼管掃描周期小于這個時間時人眼將感覺不到閃爍，因此可以通過增大掃描頻率來消除閃爍感。
對于方案二，液晶體顯示屏具有顯示字符優美，不但能顯示數字還能顯示字符甚至圖形的優點，這是LED數碼管無法比擬的。但是液晶顯示模塊價格昂貴，驅動程序復雜，從簡單實用的原則考慮，本系統采用方案一。
2.4調速方式
方案一：采用變壓器調節方式，運用電磁感應原理將220V電壓通過線圈降壓到不同的電壓，控制風扇電機接到不同電壓值的線圈上可控制電機的轉速，從而控制風扇風力大小。
方案二：采用三極管驅動PWM進行控制。
對于方案一，由于采用變壓器改變電壓調節，有風速級別限制，不能適應人性化要求。且在變壓過程中會有損耗發熱，效率不高，發熱有不安全因素。
對于方案二，PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數字信號產生影響。對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。故本系統采用方案二。
第3章 系統硬件組成
3.1 系統結構
本系統由集成溫度傳感器、單片機、LED數碼管、三極管驅動電路及一些其他外圍器件組成。使用具有價廉易購的STC89C51單片機編程控制，通過修改程序可方便實現系統升級。系統的框圖結構如下：（見附件）
3.2.4 STC89C51單片機最小系統
最小系統包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統作為應用系統的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、A/D擴展等，使單片機完成較復雜的功能。
STC89C51是片內有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構成的最小系統簡單﹑可靠。用STC89C52單片機構成最小應用系統時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，結構如圖2-3所示，由于集成度的限制，最小應用系統只能用作一些小型的控制單元。
圖3-3 單片機最小系統原理框圖
1. 時鐘電路
STC89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產生：一是內部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內部時鐘方式如圖2-4所示。在STC89C51單片機內部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1(18)和XTAL2(19)引腳外接石英晶體(簡稱晶振)，就構成了自激振蕩器并在單片機內部產生時鐘脈沖信號。圖中電容C1和C2的作用是穩定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2~12MHz間選擇，典型值為12MHz和6MHz。
圖3-4 STC89C51內部時鐘電路
2. 復位電路
當在STC89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內部就執行復位操作(若該引腳持續保持高電平，單片機就處于循環復位狀態)。
復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。
最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充放電來實現的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現自動上電復位。
除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復位是通過RST(9)端與電源Vcc接通而實現的。按鍵手動復位電路見圖2-5。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10uF,R取10kΩ。
圖3-5 STC89C51復位電路
3.2.5 STC89C51中斷技術概述
中斷技術主要用于實時監測與控制，要求單片機能及時地響應中斷請求源提出的服務請求，并作出快速響應、及時處理。這是由片內的中斷系統來實現的。當中斷請求源發出中斷請求時，如果中斷請求被允許，單片機暫時中止當前正在執行的主程序，轉到中斷服務處理程序處理中斷服務請求。中斷服務處理程序處理完中斷服務請求后，再回到原來被中止的程序之處（斷點），繼續執行被中斷的主程序。
圖3-6為整個中斷響應和處理過程。
圖3-6 中斷響應和處理過程
如果單片機沒有中斷系統，單片機的大量時間可能會浪費在查詢是否有服務請求發生的定時查詢操作上。采用中斷技術完全消除了單片機在查詢方式中的等待現象，大大地提高了單片機的工作效率和實時性。
3.3 DS18B20溫度采集電路 DS18B20是美國DALLAS半導體器件公司推出的單總線數字化智能集成溫度傳感器。單總線(1-Wire)是DALLAS公司的一項專有技術,它采用單根信號線,既傳輸時鐘又傳輸數據,而且數據傳輸是雙向的,具有節省I/O口線資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優點。
3.3.1 DS18B20 的特點及內部構造
特點如下：
（1）采用獨特的單總線接口方式，即只有一根信號線與控制器相連，實現數據的雙向通信，不需要外部元件；
（2）測量結果直接輸出數字溫度信號，以單總線串行傳送給控制器，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；
（3）支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三根線上，實現組網多點測量；
（4）適應電壓范圍寬3.0-5.5V，不需要備份電源、可用數據線供電，溫度測量范圍為-55℃~125℃，-10℃~85℃時測量精度為±0.5℃；
（5）通過編程可實現9~12位的數字值讀數方式，對應的可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃，0.0625℃，實現高精度測溫；
（6）負壓特性。電源極性接反時，芯片不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。
封裝圖及內部構造，如下圖3-7和3-8所示
圖3-7 DS18B20外部結構框圖
3.3.2引腳功能介紹
NC:空引腳,懸空不使用;
VDD:可選電源腳,電源電壓范圍3~5.5V。工作于寄生電源時,此引腳應接地;
I/O:數據輸入/輸出腳,漏極開路,常態下高電平。
DS18B20采用3腳TO-92封裝或8腳SOIC及CSP封裝方式。圖2-8所示為DS18B20的內部結構框圖，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位光刻ROM及單總線接口、存放中間數據的高速暫存器（內含便箋式RAM）、存儲與控制邏輯、用于存儲用戶設定的溫度上下限值的TH和TL觸發器、結構寄存器、8位循環冗余校驗碼（CRC）發生器等八部分。
圖3-9 DS18B20的封裝
3.3.3 DS18B20的工作原理
64位ROM的結構如圖3-10所示，開始8位是產品類型的編號；接著是每個器件唯一的序號，共48位；最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可采用單線進行通信的原因。非易失性溫度報警觸發器TH、TL，可以通過編程寫入用戶報警上下線數據。
DS18B20溫度傳感器的內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPROM。
高速暫存RAM的結構位9字節的存儲器，結構如圖2-12所示。前兩個字節包括測得溫度的信息。3、4字節是TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5字節為配置寄存器，其內容用于確定溫度值的數字轉換頻率，DS18B20工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換成相應精度的數值。該字節各位的定義如圖2-13，其低5位一直為1；TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在檢測模式，在DS18B20出廠時，該位被設置為0，用戶不要去改動；R1和R2決定溫度轉換的精度位數，即用來設置分辨率，
單片機可以通過單線接口讀出該數據。的數據時低位在前，高位在后，數據格式以0.0625℃/LSB形式表示。
表3-1是部分溫度值對應的二進制溫度表示數據。
表3-1 DS18B20溫度與表示值對應表
DS18B20完成溫度轉換后，就把測得的溫度值與RAM中的TH、TL字節內容對照，若T>TH或T<TL，則將該器件內的報警標志位置位，并對主機發出的報警搜索命令做出響應。因此，可以用多個DS18B20同時測得溫度并進行報警搜索。
在64位ROM的最高有效字節中存儲有循環冗余檢驗碼（CRC）。主機根據ROM的前56位來計算CRC值，并與存入DS18B20的CRC值作比較，以判斷主機收到的ROM數據是否正確。
關于DS18B20的工作原理這里就不再多說，有感興趣的可以查閱相關手冊。
DS18B20的編程指令
DS18B20的指令有：讀ROM（33H），匹配ROM（55H），跳過ROM（CCH），搜索ROM（F0H），報警搜索（ECH），穩定轉換（44H），度暫存器（BEH），寫暫存器（4EH），復制暫存器（48H），重調E2PROM（B8H），讀供電方式（B4H）。關于這些指令，這里也不再一一介紹，只把本設計用到的用法說一下。
CCH-跳過ROM指令。忽略64位ROM地址，直接向DS18B20發溫度變換命令，適用于一個從機工作。
44H-溫度轉換指令。啟動DS18B20進行溫度轉換，12位轉換時最長為750ms（9位93.75ms）。結果存入內部9字節的RAM中。
BEH-讀暫存器指令。讀內部RAM中9字節的溫度數據。
如圖2-14所示，是DS18B20在電路中的接發，本設計采用的是單獨電源供電方式，下面將介紹其工作時序，有工作時序圖可以很清楚的知道該這樣控制DS18B20。
圖3-11 DS18B20的工作電路
3.3.3 DS18B20的工作時序
初始化時序，當主機將單總線P30從邏輯高拉到邏輯低時，即啟動一個寫時隙，所有的寫時隙必須在60~120us完成，且在每個循環之間至少需要1us的恢復時間。寫0和寫1時隙如圖所示。在寫0時隙期間，微控制器在整個時隙中將總線拉低；而寫1時隙期間，微控制器將總線拉低，然后在時隙起始后15us之釋放總線。時序圖如圖3-15所示。
圖3-15 初始化時序圖
具體步驟如下：
（1）將數據線置高電平1。
（2）延時（時間應盡量短些）。
（3）數據線拉到低電平0。
（4）延時750 μs(該范圍可以在480～960μs)。
（5）數據線拉置高電平1。
（6）延時等待。如果初始化成功則在15～60ms內產生一個由DS18B20返回的低電平0，據該狀態可以確定它的存在。但是應注意，不能無限地等待，不然會使程序進入死循環，所以要進行超時判斷。若CPU讀到數據線上的低電平0后，還要進行延時，其延時的時間從發出高電平算起（第5）步的時間算起）最少要480μs。
（7）將數據線再次拉置高電平1后結束。
1.數據時序
當主機將單總線P30從邏輯高拉到邏輯低時，即啟動一個寫時隙，所有的寫時隙必須在60~120us完成，且在每個循環之間至少需要1us的恢復時間。寫0和寫1時隙如圖所示。在寫0時隙期間，微控制器在整個時隙中將總線拉低；而寫1時隙期間，微控制器將總線拉低，然后在時隙起始后15us之釋放總線。時序圖見圖3-16所示。
圖3-16 寫數據時序圖
具體步驟如下：
（1）數據線先置低電平0。
（2）延時確定時間為15μs。按從低位到高位的順序發送數據（一次只發送一位）。
（3）延時時間為45μs。
（4）將數據線拉到高電平1。
（5）重復（1）～（5）步驟，直到發送完整個字節。
（6）最后將數據線拉高到1。
2.讀數據時序
DS18B20器件僅在主機發出讀時隙時，才向主機傳輸數據。所以在主機發出讀數據命令后，必須馬上產生讀時隙，以便DS18B20能夠傳輸數據。所有的讀時隙至少需要60us，且在兩次獨立的讀時隙之間，至少需要1us的恢復時間。每個讀時隙都由主機發起，至少拉低總線1us。在主機發起讀時隙之后，DS18B20器件才開始在總線上發送0或1，若DS18B20發送1，則保持總線為高電平。若發送為0，則拉低總線當發送0時，DS18B20在該時隙結束后，釋放總線，由上拉電阻將總線拉回至高電平狀態。DS18B20發出的數據，在起始時隙之后保持有效時間為15us。因而主機在讀時隙期間，必須釋放總線。并且在時隙起始后的15us之內采樣總線的狀態。時序圖見圖3-17所示。
圖3-17 讀數據時序圖
具體步驟如下:
（1）將數據線拉高到1。
（2）延時2μs。
（3）將數據線拉低到0。
（4）延時6μs。
（5）將數據線拉高到1。
（6）延時4μs。
（7）讀數據線的狀態得到一個狀態位，并進行數據處理。
（8）延時6μs。
（9）重復（1）～（7）步驟，直到讀取完一個數據。
3.4 數碼管驅動顯示電路
3.4.1 數碼管驅動電路
本電路的顯示驅動模塊是由74HC573芯片來完成的，74HC573包含八路D 型透明鎖存器，每個鎖存器具有獨立的D 型輸入，以及適用于面向總線的應用的三態輸出。所有鎖存器共用一個鎖存使能（LE）端和一個輸出使能（OE）端。
當LE為高時，數據從Dn輸入到鎖存器，在此條件下，鎖存器進入透明模式，也就是說，鎖存器的輸出狀態將會隨著對應的D輸入每次的變化而改變。當LE為低時，鎖存器將存儲D輸入上的信息一段就緒時間，直到LE的下降沿來臨。
當OE為低時，8個鎖存器的內容可被正常輸出；當OE為高時，輸出進入高阻態。OE端的操作不會影響鎖存器的狀態。
74HC573特性：
（1）輸入輸出分布在芯片封裝的兩側，為微處理器提供簡便的接口
（2）用于微控制器和微型計算機的輸入輸出口
（3）三態正相輸出，用于面向總線的應用
（4）共用三態輸出使能端
（5）邏輯功能與74HC563、74HC373相同
（6）遵循JEDEC標準no.7A
（7）ESD保護
3.4.2 數碼管顯示電路
本電路的顯示模塊主要由一個4位一體的7段LED數碼管構成，用于顯示測量到的溫度及當前的檔位。它是一個共陰極的數碼管，每一位數碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自連接在一起，用于接收單片機的P0口產生的顯示段碼。S1，S2，S3，S4引腳端為其位選端，用于接收單片機的P2口產生的位選碼。本系統采用動態掃描方式。掃描方式是用其接口電路把所有數碼管的8個比劃段a~g和dp同名端連在一起，而每一個數碼管的公共極COM各自獨立地受I/O線控制。CUP從字段輸出口送出字型碼時，所有數碼管接收到相同的字型碼，但究竟是哪個數碼管亮，則取決于COM端。COM端與單片機的I/O接口相連接，由單片機輸出位位選碼到I/O接口，控制何時哪一位數碼管被點亮。在輪流點亮數碼管的位掃描過程中，每位數碼管的點亮時間極為短暫。但由于人的視覺暫留現象，給人的印象就是一組穩定顯示的數碼。動態方式的優點是十分明顯的，即耗電省，在動態掃描過程中，任何時刻只有一個數碼管是處于工作狀態的。具體原理圖如圖3-18所示
圖3-18 數碼管顯示電路
3.5 風扇驅動電路 風扇的驅動采用的是兩個三極管，三級管將信號放大，然后傳輸到風扇下圖是該模塊電路：
圖3-19 風扇驅動模塊
三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。
（1）電流放大
下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個電流的方向都是流出發射極的，所以發射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系：集電極電流的變化量是基極電流變 化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極管的放大倍數（β一般遠大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發射 極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據電壓計算公式 U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。
（2）偏置電路
三極管在實際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管BE結的非線性（相當于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓 大到一定程度后才能產生（對于硅管，常取0.7V）。當基極與發射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認為是0。但實際中要放大的信號往往遠比 0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因為小于0.7V時，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一 個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小 信號就會導致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的 信號放大，而對減小的信號無效（因為沒有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當輸入的基極電流變小時，集電極 電流就可以減小；當輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。
（3）開關作用
下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因為受到電阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當基極電流的增大，不能使集電極電流繼續增大 時，三極管就進入了飽和狀態。一般判斷三極管是否飽和的準則是：Ib*β〉Ic。進入飽和狀態之后，三極管的集電極跟發射極之間的電壓將很小，可以理解為 一個開關閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當作開關使用：當基極電流為0時，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當于開關斷開；當基極電流很 大，以至于三極管飽和時，相當于開關閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關管。
圖3-20 三極管引腳介紹
3.6 按鍵模塊 單片機鍵盤有獨立鍵盤和矩陣式鍵盤兩種：獨立鍵盤每一個I/O 口上只接一個按鍵，按鍵的另一端接電源或接地（一般接地），這種接法程序比較簡單且系統更加穩定；而矩陣式鍵盤式接法程序比較復雜，但是占用的I/O少。根據本設計的需要這里選用了獨立式鍵盤接法。
獨立式鍵盤的實現方法是利用單片機I/O口讀取口的電平高低來判斷是否有鍵按下。將常開按鍵的一端接地，另一端接一個I/O 口，程序開始時將此I/O口置于高電平，平時無鍵按下時I/O口保護高電平。當有鍵按下時，此I/O 口與地短路迫使I/O 口為低電平。按鍵釋放后，單片機內部的上拉電阻使I/O口仍然保持高電平。我們所要做的就是在程序中查尋此I/O口的電平狀態就可以了解我們是否有按鍵動作了。
在用單片機對鍵盤處理的時候涉及到了一個重要的過程，那就是鍵盤的去抖動。這里說的抖動是機械的抖動，是當鍵盤在未按到按下的臨界區產生的電平不穩定正�，F象，并不是我們在按鍵時通過注意可以避免的。這種抖動一般10~200毫秒之間，這種不穩定電平的抖動時間對于人來說太快了，而對于時鐘是微秒的單片機而言則是慢長的。硬件去抖動就是用部分電路對抖動部分加之處理，軟件去抖動不是去掉抖動，而是避抖動部分的時間，等鍵盤穩定了再對其處理。所以這里選擇了軟件去抖動，實現法是先查尋按鍵當有低電平出現時立即延時10~200毫秒以避開抖動（經典值為20毫秒），延時結束后再讀一次I/O 口的值，這一次的值如果為1 表示低電平的時間不到10~200 毫秒，視為干擾信號。當讀出的值是0時則表示有按鍵按下，調用相應的處理程序。硬件電路如圖3-21所示：
圖3-21 按鍵模塊電路圖
第4章 系統軟件設計
4.1 軟件介紹
4.1.1 Keil C51
Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發，體會更加深刻。 Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。下面詳細介紹Keil C51開發系統各部分功能和使用。 Keil_c軟件界面如圖4-1所示
圖4-1 Keil_c軟件界面
4.1.2 Protel99SE
Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以網設計，具有很強的數據交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源--地層和16個機加工層。
Protel99SE軟件的特點：
(1) 可生成30多種格式的電氣連接網絡表；
(2) 強大的全局編輯功能；
(3) 在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；
(4) 同時運行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網絡
(5) 既可以進行正向注釋元器件標號（由原理圖到PCB），也可以進行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設計上的一致性；
(6) 滿足國際化設計要求（包括國標標題欄輸出，GB4728國標庫）； * 方便易用的數�；旌戏抡妫嫒軸PICE 3f5）；
(7) 支持用CUPL語言和原理圖設計PLD，生成標準的JED下載文件； * PCB可設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層；
(8) 強大的“規則驅動”設計環境，符合在線的和批處理的設計規則檢查；
(9) 智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；
(10)提供大量的工業化標準電路板做為設計模版； Protel99SE的工作界面是一種標準的Windows界面，如圖所示，包括：標題欄、主菜單、標準工具欄、繪圖工具欄、狀態欄、對象選擇按鈕、預覽對象方位控制按鈕、仿真進程控制按鈕、預覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。
圖4-2 Prtel99SE軟件界面
4.1.3 Proteus
Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，可以仿真51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外圍電路（如LCD，RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，AD/DA，部分SPI 器件，部分IIC 器件）
Proteus 與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU 的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執行時單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節的矛盾和現象。
運行proteus 的ISIS 程序后，進入該仿真軟件的主界面。在工作前，要設置view 菜單下的捕捉對齊和system下的顏色、圖形界面大小等項目。通過工具欄中的p(從庫中選擇元件命令)命令，在pick devices 窗口中選擇電路所需的元件，放置元件并調整其相對位置，元件參數設置，元器件間連線，編寫程序；在source 菜單的Definecode generation tools 菜單命令下，選擇程序編譯的工具、路徑、擴展名等項目；在source 菜單的Add/removesource files 命令下，加入單片機硬件電路的對應程序；通過debug 菜單的相應命令仿真程序和電路的運行情況。
- Proteus 軟件所提供的元件資源Proteus 軟件所提供了30 多個元件庫，數千種元件。元件涉及到數字和模擬、交流和直流等。
- Proteus 軟件所提供的儀表資源
對于一個仿真軟件或實驗室，測試的儀器儀表的數量、類型和質量，是衡量實驗室是否合格的一個關鍵因素。在Proteus 軟件包中，不存在同類儀表使用數量的問題。Proteus 還提供了一個圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號，以圖形的方式實時地顯示出來，其作用與示波器相似但功能更多。
Proteus 提供了比較豐富的測試信號用于電路的測試。這些測試信號包括模擬信號和數字信號。對于單片機硬件電路和軟件的調試，Proteus 提供了兩種方法：一種是系統總體執行效果，一種是對軟件的分步調試以看具體的執行情況。
對于總體執行效果的調試方法，只需要執行debug 菜單下的execute 菜單項或F12 快捷鍵啟動執行，用debug菜單下的pause animation 菜單項或pause 鍵暫停系統的運行；或用debug 菜單下的stop animation 菜單項或shift-break 組合鍵停止系統的運行。其運行方式也可以選擇工具欄中的相應工具進行。
對于軟件的分步調試，應先執行debug 菜單下的start/restart debugging 菜單項命令，此時可以選擇stepover 、step into 和 step out 命令執行程序(可以用快捷鍵F10、F11 和ctrl+F11)，執行的效果是單句執行、進入子程序執行和跳出子程序執行。在執行了start / restart debuging 命令后，在debug 菜單的下面要出現仿真中所涉及到的軟件列表和單片機的系統資源等，可供調試時分析和查看。
圖4-3 proteus軟件界面
4.2 主程序流程圖
要實現根據當前溫度實時的控制風扇的狀態，需要在程序中不時的判斷當前溫度值是否超過設定的動作溫度值范圍。由于單片機的工作頻率高達12MHz，在執行程序時不斷將當前溫度和設定動作溫度進行比較判斷，當超過設定溫度值范圍時及時的轉去執行超溫處理和欠溫處理子程序，控制風扇實時的切換到關閉、弱風、大風三個狀態。
顯示驅動程序以查七段碼取得各數碼管應顯數字，逐位掃描顯示。主程序流程圖如圖4-4所示。
圖4-4 主程序流程圖
4.3 DS18B20子程序流程圖
先對DS18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數據操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協議。如主機控制DS18B20完成溫度轉換這一過程，根據DS18B20的通訊協議，須經三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。
圖4-5 DS18B20程序流程圖
4.4 數碼管顯示子程序流程圖
程序實現的功能是將從DS18B20讀取的二進制溫度值轉換為七段碼在LED上顯示出來。顯示方式采用的是動態掃描的方式，先給位選信號，再給段選信號，然后延時一下。具體流程圖如圖4-6
4.5 按鍵子程序流程圖
硬件設計上為通過3個按鍵，由按鍵掃描子程序KEYSCAN子程序提供軟件支持。按下一次設置鍵K1，進入溫度上限設置，此時按下“加”鍵K2，加一，按下“減”鍵K3，減1。再按一次設置鍵K2，進入溫度下限設置狀態，此時按下“加”鍵K2，加一，按下“減”鍵K3，減1。下限動作溫度值TL和上限動作溫度值的設置范圍為10-100攝氏度，滿足一般使用要求。再按一次設置鍵K3退出上下限溫度設置狀態。
第5章 系統調試
5.1 軟硬件調試
5.1.1 按鍵顯示部分的調試
起初根據設計編寫的系統程序：程序的鍵盤接口采用P3口，數碼管顯示采用P0口控制LED的斷碼，P2口控制LED的位碼，從而實現鍵盤功能及數碼管的顯示。經過編譯沒有出錯，但在仿真調試時，數碼管顯示的只是亂碼，沒有正確的顯示溫度，按鍵功能也不靈，當按下鍵時，顯示會變化很多次。
經過查找分析，發現鍵盤掃描程序沒有沒有按鍵消抖部分，按鍵在按下與松手時，都會有一定程度的抖動，從而可能使單片機做出錯誤的判斷，導致按鍵條件預設溫度時失靈，甚至根本不能正常工作。因此必須在按鍵掃描程序中加入消抖部分，即在按鍵按下與松手時加入延時判斷，以檢測鍵盤是否真的按下或已完全松手。
數碼管不能正確的顯示，主要是因為所以數碼管的段碼都由P0口傳送，而數碼管顯示又采用了動態掃描的方式，但在程序中卻沒有設置顯示段碼的暫存器，導致當P0口傳送段碼時發生混亂，不能正確識別段碼。應在系統中加入鎖存器，或是在程序中設定存儲段碼的空間。
在鍵盤加入了消抖程序，數碼管顯示程序中加入了段碼的存儲空間后，數碼管能夠正常的顯示，按鍵也能夠工作，達到了較好的效果。
5.1.2 傳感器DS18B20溫度采集部分調試
由于數字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，為軟件的設計和調試帶來了極大的簡便，小體積、低功耗、高精度為控制電機的精度和穩定提供了可能。軟件設計采用P1.6口為數字溫度輸入口，但是需要對輸入的數字信號進行處理后才能顯示，從而多了溫度轉換程序。通過軟件設計，實現了對環境溫度的連續檢測，由于硬件LED個數的限制，只顯示了預設溫度的整數部分。
在溫度轉換程序中，為了能夠正確的檢測并顯示溫度的小數位，程序中把檢測的溫度與10相乘后，再按一個三位的整數來處理。如把24.5變為245來處理，這樣為程序的編寫帶來了方便。
系統調試中為驗證DS18B20是否能在系統板上工作，將手心靠攏或者捏住芯片，即可發現LED顯示的前兩位溫度也迅速升高，驗證了DS18B20能在系統板上工作。由于DS18B20為3個引腳，因此在調試過程中因注意其各個引腳的對應位置，以免將其接反而是芯片不能工作甚至燒毀芯片。
5.1.3 風扇調速電路部分調試
在本設計中，采用了三極管驅動直流電機，軟件設置了P1.0口輸出不同的PWM波形，通過三極管的放大作用驅動直流電機轉動，通過軟件中程序設定，根據不同溫度輸出不同的PWM波，從而得到不同的占空比控制風扇直流電機。程序實現了P1.0口的PWM波形輸出，當外界溫度低于設置溫度時，電機不轉動或自動停止轉動；當外界溫度高于設置溫度時，電機的轉速升高或是自動開始轉動。
在本系統中風扇電機的轉速可實現兩級調速。通過溫度傳感器檢測的溫度與系統預設溫度值的比較，實現轉速變換。
5.2 系統功能
5.2.1 系統實現的功能
本系統能夠實現單片機系統檢測環境溫度的變化，然后根據環境溫度和設置的閥值來控制風扇直流電機輸入占空比的變化，從而產生不同的轉動速度，亦可根據鍵盤調節不同的設置溫度，再由環境溫度與設置溫度的差值來控制電機。當環境溫度低于設置溫度時，電機停止轉動；當環境溫度高于設置溫度時，單片機對應輸出口輸出不同占空比的PWM信號，控制電機開始轉動，系統還能動態的顯示當前溫度和當前的檔位，并能通過鍵盤調節當前的設置溫度。
5.2.2 系統功能分析
系統總體上由四部分來組成，既按鍵電路、數碼管驅動顯示電路、溫度檢測電路、風扇驅動電路。首先考濾的是溫度檢測電路，該部分是整個系統的首要部分，首先要檢測到環境溫度，才能用單片機來判斷溫度的高低，然后通過單片機控制直流風扇電機的轉速；其次是電機驅動電路，該部分需要使用外圍電路將單片機輸出的PWM信號轉化為平均電壓輸出，根據不同的PWM波形得到不同的平均電壓，從而控制電機的轉速，電路的設計中采用了兩個三極管組成復合管驅動，實現較好的控制效果；再次是數碼管的動態顯示電路，該部分的功能實現對環境溫度和檔位的顯示，其中DS18B20采集環境溫度，按鍵實現不同設置溫度的調整，實現了對環境溫度和檔位的及時連續顯示。
結 論
本次設計的系統以單片機為控制核心，以溫度傳感器DS18B20檢測環境溫度，實現了根據環境溫度變化調節不同的風扇電機轉速，LED數碼管能連續穩定的顯示環境溫度和檔位，并能通過三個獨立按鍵調節不同的設置溫度，從而改變環境溫度與設置溫度的差值，進而改變電機轉速。實現了基于單片機的溫控風扇的設計。
本系統設計可推廣到各種電動機的控制系統中，實現電動機的轉速調節。在生產生活中，本系統可用于簡單的日常風扇的智能控制，為生活帶來便利；在工業生產中，可以改變不同的輸入信號，實現對不同信號輸入控制電機的轉速，進而實現生產自動化，如在電力系統中可以根據不同的負荷達到不同的電壓信號，再由電壓信號調節不同的發電機轉速，進而調節發電量，實現電力系統的自動化調節。綜上所述，該系統的設計和研究在社會生產和生活中具有重要地位。
謝 辭
畢業設計結束了，在這里，首先要衷心地感謝李志先老師一直以來對我們的指導和幫助。正是在他淵博的專業知識、嚴謹的科研作風的帶動下，我們才能順利地完成這次畢業設計的任務。在論文階段，從選題到后來課件制作和論文撰寫階段，老師幫我耐心分析及細心的指導，時刻關心我畢業設計工作的進展，幫助我把握研究方向和解決研究中遇到的許多問題。使我能夠順利的完成論文工作，把自己的工作總結提煉出來。
在這次畢業設計中，這四年學得的大部分知識得到了充分的應用，以前沒有完全掌握的難點得到了解決。同時，將理論和實踐更好地結合起來，培養了我們實事求是的科學態度和嚴謹的作風，進一步提高了自己的自學能力。這對即將完全踏入社會的我們來說，是一個很大的收獲。
最后，我要感謝洛陽理工學院，在這里，我們不但學到了豐富的專業知識和多方面的能力，更學到了如何做人處事。這將是我人生中一筆巨大的財富。在此，我向學校的每一位老師致以最真誠的謝意！并祝愿洛陽理工學院的明天更加的輝煌！
附 錄
附錄1：protel原理圖
附錄2：proteus仿真圖
完整的Word格式文檔51黑下載地址（含源碼）：
作者: xiehua 時間: 2019-6-12 23:01
你好，按鍵路程圖為什么沒有呢？
方便從新上傳一下嗎？
也可以直接回復我
謝謝！
作者: contactdeshine 時間: 2019-6-13 02:26
這個好，不用定時了，直接一直開著風扇就好了，謝謝
作者: strelizia 時間: 2019-11-25 16:29
感謝分享，學習一下。黑色的是什么元件
作者: nzhdpyh 時間: 2020-2-24 11:30
不錯的資源 要是帶全套仿真就更好了
作者: jhjnjkju 時間: 2020-4-14 17:35
感謝樓主
作者: qq974282228 時間: 2020-4-27 11:55
謝謝樓主分享�。�！
作者: 2905676651 時間: 2020-5-26 10:41
沒有程序圖就很難了
| 歡迎光臨 (http://www.raoushi.com/bbs/) |
Powered by Discuz! X3.1 |
圖4-6 數碼管顯示程序流程圖
圖4-7 按鍵程序流程圖
