1 緒   論

在現(xiàn)實(shí)生活中，我們要經(jīng)常使用一些降溫設(shè)備。雖然現(xiàn)在不少城市家庭都用空調(diào)設(shè)備作為降溫工具,但在大部分農(nóng)村家庭風(fēng)扇仍然是作為夏季降溫的主要工具。春夏或者夏秋交替季節(jié)，早晚溫差比較大，白天溫度很高，風(fēng)扇應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的比較快，這樣才能給人帶來(lái)涼爽。到了晚上，氣溫下降的很多，當(dāng)人們?nèi)胨�后，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)速度應(yīng)慢慢減下來(lái)，防止感冒。雖然現(xiàn)在的風(fēng)扇有不同的檔位可以調(diào)節(jié)，但都必須人工來(lái)?yè)Q擋，當(dāng)人們熟睡時(shí)就無(wú)能為力了。盡管現(xiàn)在普遍采用定時(shí)的方式解決這個(gè)問(wèn)題，但定時(shí)時(shí)間有限，一般最多只有兩個(gè)小時(shí)，在這兩個(gè)小時(shí)內(nèi)溫度并不一定就會(huì)下降的很多，風(fēng)扇關(guān)閉后，人們可能就會(huì)因?yàn)檠谉嵩俅涡褋?lái)開啟電扇，這樣會(huì)使人的睡眠質(zhì)量大大降低。從以上的分析可知，需要設(shè)計(jì)出一種很智能化的電風(fēng)扇來(lái)解決。本設(shè)計(jì)用單片機(jī)作為控制核心，用溫度傳感器采集當(dāng)前溫度，LED數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)溫度，并根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)到的溫度，輸出不同占空比的PWM脈沖信號(hào)，從而風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)了不同的轉(zhuǎn)速。

1.1 電風(fēng)扇的發(fā)展史

  電風(fēng)扇簡(jiǎn)稱電扇，香港稱為風(fēng)扇，日本及韓國(guó)稱為扇風(fēng)機(jī)，從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)經(jīng)過(guò)了一百多年，是炎熱夏季的寵物。電風(fēng)扇起源于1830年，是叫詹姆斯的一個(gè)美國(guó)人發(fā)明了一種用發(fā)條來(lái)驅(qū)動(dòng)的，可以固定在天花板上的電風(fēng)扇。1880年，一個(gè)叫舒樂(lè)的美國(guó)人第一次將葉片直接裝到電動(dòng)機(jī)上，再接上電源，葉片便很快速旋轉(zhuǎn)起來(lái)。1882年，一個(gè)叫休伊?斯卡茨?霍伊拉的紐約人最早發(fā)明了商品化的電風(fēng)扇。

   中國(guó)生產(chǎn)的第一臺(tái)風(fēng)扇起于1916年，直到1925年華生電器制造廠才正式生產(chǎn)電風(fēng)扇，并很快贏得市場(chǎng)好評(píng)。

   一開始電風(fēng)扇不能很好的控制時(shí)間，過(guò)了一段時(shí)間，便出現(xiàn)了一種可以設(shè)置風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，及可以根據(jù)設(shè)定的時(shí)間來(lái)開啟或者關(guān)閉的電風(fēng)扇，這種風(fēng)扇在當(dāng)時(shí)相當(dāng)受好評(píng)，也受到廣大人民的喜愛(ài)。電風(fēng)扇的操作方式從一原先的旋鈕，到按鍵，再到現(xiàn)在的觸摸式操作[1]。

1.2 電風(fēng)扇的工作原理

電風(fēng)扇的主要功能器件是交流電機(jī)，通電后線圈在磁場(chǎng)中因受力而轉(zhuǎn)動(dòng)，能量的轉(zhuǎn)化形式是這樣的：電能主要是轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，同時(shí)由于電阻問(wèn)題，電能還有一部分轉(zhuǎn)化成內(nèi)能。電風(fēng)扇工作時(shí)，因?yàn)橛须娏髁鬟^(guò)電風(fēng)扇的線圈，而線圈是有電阻的，所以會(huì)產(chǎn)生部分熱量向外擴(kuò)散，因此電風(fēng)扇的溫度會(huì)增高。但人們?yōu)槭裁磿?huì)感覺(jué)到?jīng)鏊�呢？因�(yàn)槿梭w的表面在夏天有大量的汗液，當(dāng)電風(fēng)扇工作后，室內(nèi)的空氣會(huì)隨著電風(fēng)扇流動(dòng)，所以就能夠蒸發(fā)人體表面的汗液，由物理學(xué)原理蒸發(fā)需要吸熱，故人們會(huì)感覺(jué)到非常涼爽[2] 。

1.3 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和內(nèi)容

    本設(shè)計(jì)是以AT8951單片機(jī)為主要控制核心，利用51單片機(jī)對(duì)溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且通過(guò)各種電子元器件對(duì)電風(fēng)扇各種工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而可以達(dá)到用戶的要求。

本次設(shè)計(jì)主要完成以下內(nèi)容：

(1) 能夠檢測(cè)當(dāng)前溫度并顯示，可根據(jù)預(yù)設(shè)溫度自動(dòng)開啟關(guān)閉，當(dāng)當(dāng)前溫度大于預(yù)設(shè)溫度，自動(dòng)開啟，小于預(yù)設(shè)溫度自動(dòng)關(guān)閉。

    (2) 預(yù)設(shè)溫度可通過(guò)按鍵增加或減少。

    (3) 可隨著外界溫度的增加風(fēng)扇可自行調(diào)速，主要分為五個(gè)檔位，溫度每升高五度風(fēng)扇自動(dòng)增加一檔。

    (4) 具有驅(qū)蚊功能。

2 方案論證

2.1 控制核心的選擇

方案一：采用單片機(jī)作為主要控制芯片。在本設(shè)計(jì)中采用AT89C51單片機(jī)，通過(guò)軟件編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)采集和控制，在其I/O口輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。單片機(jī)AT89C51工作電壓相對(duì)比較低，單片內(nèi)含有4k字節(jié)的ROM和256字節(jié)的RAM，并且價(jià)格也相對(duì)較便宜。

方案二：采用電壓比較電路作為控制執(zhí)行部件。將采集到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并經(jīng)放大電路放大，集成運(yùn)算放大器組成的比較電路來(lái)判斷決定電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

對(duì)于方案一，用單片機(jī)作為控制器件，通過(guò)簡(jiǎn)單的程序編寫可以將溫度傳感器DS18B20檢測(cè)的溫度通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)，而且可以通過(guò)按鍵掃描程序通過(guò)單片機(jī)的外部按鍵對(duì)預(yù)設(shè)的初值進(jìn)行增加或者減少，同時(shí)對(duì)于驅(qū)蚊功能采用單片機(jī)的軟件編程更易實(shí)現(xiàn)，成本低，故以單片機(jī)AT89C51為控制核心，適合本次設(shè)計(jì)。對(duì)于AT89C51的具體參數(shù)參見下面“硬件設(shè)計(jì)”中的各器件介紹。

對(duì)于方案二，采用電壓比較電路作為控制的核心，雖然電路比較簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但不能對(duì)預(yù)設(shè)溫度的值進(jìn)行更改，無(wú)法滿足不同用戶的需求，故本次設(shè)計(jì)不采用。

2.2 顯示電路的選擇

方案一 ：采用LCD液晶顯示器顯示。

方案二：采用數(shù)碼管做顯示器件，共陰極接法，動(dòng)態(tài)方式顯示[3]。

對(duì)于方案一，液晶顯示屏顯示的字符非常優(yōu)美，這一優(yōu)點(diǎn)LED數(shù)碼管是無(wú)法做到的，但是液晶顯示屏價(jià)格太過(guò)昂貴，驅(qū)動(dòng)程序編寫起來(lái)也是相當(dāng)復(fù)雜的，本次設(shè)計(jì)不采用。

對(duì)于方案二，用LED顯示，成本非常低，溫度顯示清晰可見，即使夜間也能看見，顯示程序的編寫也比較容易，因此這種顯示方式得到了廣泛的應(yīng)用。不足的地方是采用該方案可能會(huì)產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象，因?yàn)檫@種動(dòng)態(tài)掃描方式五個(gè)LED數(shù)碼管是逐個(gè)點(diǎn)亮的，但由于人眼有個(gè)視覺(jué)暫留效應(yīng)，為20MS，我們只要設(shè)定合適的掃面周期就可以避免閃爍現(xiàn)象，故這一方案可行。關(guān)于LED的詳細(xì)參數(shù)參看下面“硬件設(shè)計(jì)”中的各器件介紹。

2.3 調(diào)速方式的選擇

方案一：采用變壓器調(diào)節(jié)方式，運(yùn)用變壓器原理將市電220V交流電壓通過(guò)線圈降壓到不同的值，電風(fēng)扇電機(jī)接到不同電壓值的線圈上就可以來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

方案二：采用單片機(jī)的PWM軟件編程方式。PWM中文意思是脈沖寬度調(diào)制，英文意思是Pulse Width Modulation的簡(jiǎn)寫形式，它是一種按某種規(guī)律變化的脈沖方波，在PWM驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)當(dāng)中，最常用的是矩形PWM脈沖波信號(hào)，也是編寫程序最簡(jiǎn)單的。在對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制時(shí)，需要根據(jù)當(dāng)前溫度來(lái)輸出不同占空比的PWM脈沖。PWM脈沖的占空比是指高電平的時(shí)間在一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)的百分比，若全為低電平，占空比為零，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)；若全為高電平，占空比為100%時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大 [4]。用單片機(jī)輸出PWM脈沖信號(hào)時(shí)，有如下兩種方法：

(1) 利用軟件延時(shí)。可以利用單片機(jī)自帶的定時(shí)器編程實(shí)現(xiàn)不同占空比的PWM脈沖的輸出，利用中斷程序?qū)�單片機(jī)輸出的電平進(jìn)行高低轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的調(diào)速，本設(shè)計(jì)采用該方法。設(shè)計(jì)不同占空比的PWM脈沖的思路是：假設(shè)采用1S的周期方波，以50MS為基準(zhǔn)，則20個(gè)基準(zhǔn)便就是一個(gè)1S，那么當(dāng)其中4個(gè)連續(xù)的50MS的高電平脈沖，然后16連續(xù)的50MS低電平脈沖，便得到了占空比為20%的PWM方波信號(hào)。

(2) 利用單片機(jī)自帶的PWM功能。但本次設(shè)計(jì)所用得AT89C51單片機(jī)沒(méi)有這種功能，只有STC系列的才有，故不可行。

對(duì)于方案一，該方案可以對(duì)直流風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速，但調(diào)節(jié)不是很方便，而且采用變壓器來(lái)改變電壓，不能適應(yīng)人性化要求。

對(duì)于方案二，采用PWM 脈沖調(diào)制的純軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)速，具有很大的靈活性，而且可以更充分地發(fā)揮單片機(jī)的功能，綜合考慮選用方案二。

2.4 溫度傳感器的選擇

方案一：用熱電偶來(lái)作為檢測(cè)溫度的元器件，配合適當(dāng)?shù)耐鈬�電路，將檢測(cè)到的溫度信號(hào)送入單片機(jī)AT89C51處理。

方案二：用熱敏電阻作為檢測(cè)溫度的元器件，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大，由于溫度變化會(huì)引起熱敏電阻的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化、便可以得到輸出電壓變化的信號(hào)。

方案三：用高精度集成溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)溫度的元器件，直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)給單片機(jī)處理[5]。

對(duì)于方案一，采用熱電偶作為檢測(cè)元器件，其檢測(cè)的溫度范圍非常寬，可檢測(cè)-50攝氏度到1600攝氏度，但是電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，故本設(shè)計(jì)不采用該方案。

對(duì)于方案二，采用熱敏電阻價(jià)格相對(duì)便宜、元器件也很容易買到，但熱敏電阻對(duì)溫度的變化不是很敏感，在檢測(cè)溫度信號(hào)的時(shí)候，還有可能產(chǎn)生失真和誤差，故本設(shè)計(jì)不采用該方案。

對(duì)于方案三，由于溫度傳感器DS18B20的集成度很高，大大減少了外接電路，從而檢測(cè)誤差也會(huì)變小很多，DS18B20檢測(cè)溫度的原理與前面兩種方案的原理有著很大的不同。其檢測(cè)到的溫度值可以直接送入單片機(jī)處理，不用編寫更多的轉(zhuǎn)換程序，簡(jiǎn)化了程序的編寫，且只用一根線便可與單片機(jī)相連，接口相當(dāng)簡(jiǎn)單，本次設(shè)計(jì)采用該方案。關(guān)于DS18B20的詳細(xì)參數(shù)參看下面“硬件設(shè)計(jì)”中的器件介紹。

2.5 超聲波發(fā)射器的選擇

本設(shè)計(jì)的原理是根據(jù)蚊子的生理特性來(lái)的，主要靈感來(lái)源是現(xiàn)在的智能手機(jī)上帶有驅(qū)蚊的軟件。在夏天咬人的一般都是雌蚊，雄蚊幾乎是不咬人的，雌蚊在夏天大部分都是懷卵的且在懷卵期間又不喜歡與雄蚊接近，因此當(dāng)它們感覺(jué)到雄蚊發(fā)出頻率在22KHZ的超聲波信號(hào)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)離開，因此只需控制超聲波發(fā)射器發(fā)射出模擬雄蚊的超聲波就可達(dá)到驅(qū)蚊的目的。產(chǎn)生該頻率的超聲波有一下兩種方案：

方案一：可以通過(guò)軟件編寫，定時(shí)器T1產(chǎn)生頻率在22KHZ的方波信號(hào)，并通過(guò)并聯(lián)的反相器用來(lái)增大驅(qū)動(dòng)能力，然后接入超聲波發(fā)射器，使超聲波發(fā)射器發(fā)出模擬雄蚊的超聲波，從而驅(qū)逐雌蚊，進(jìn)而可以避免蚊子的叮咬。

方案二：用NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生可調(diào)頻率的方波，從而驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，使其發(fā)射我們需要的超聲波信號(hào)，達(dá)到驅(qū)蚊目的[6]。

對(duì)于方案一：AT89C51單片機(jī)定時(shí)器T1工作在方式1，可通過(guò)初值的設(shè)置，輸出22KHz的時(shí)鐘信號(hào)輸出，不用反復(fù)中斷，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

超聲波發(fā)射器選擇的是TCT40-16T ,為了增大驅(qū)動(dòng)能力，單片機(jī)P3.5口產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)并聯(lián)反相器后加在超聲波發(fā)射器的兩端，這樣超聲波發(fā)射器就可以發(fā)射22KHz的超聲波，本設(shè)計(jì)采用該方案。關(guān)于TCT40-16T的詳細(xì)參數(shù)參看下面“硬件設(shè)計(jì)”中的器件介紹。

對(duì)于方案二：由于NE555產(chǎn)生的超聲波頻率調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器實(shí)現(xiàn)的，不好可視化的調(diào)節(jié)頻率，不方便用戶使用。

3 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的思路：本次設(shè)計(jì)主要利用AT89C51單片機(jī)為控制核心，利用溫度傳感器DS18B20采集當(dāng)前溫度送入單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前溫度與預(yù)設(shè)溫度的比較決定是否開啟風(fēng)扇，并通過(guò)五段LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度和預(yù)設(shè)溫度。當(dāng)當(dāng)前溫度高于預(yù)設(shè)溫度，風(fēng)扇開啟，低預(yù)設(shè)溫度時(shí)風(fēng)扇關(guān)閉。單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前的溫度輸出相應(yīng)占空比的PWM脈沖，并通過(guò)ULN2803增大驅(qū)動(dòng)后，送入12V的直流電機(jī)，從而產(chǎn)生不同轉(zhuǎn)速。

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總框圖如圖3.1所示:

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

直流穩(wěn)壓電源作為直流能源的提供者，在電路中起到很關(guān)鍵的作用，因此對(duì)電源的要求比較高，尤其是對(duì)電源紋波系數(shù)和輸出電流能力的要求上，如果電源沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)所需電源的要求，將直接影響系統(tǒng)的正常工作。

常用的轉(zhuǎn)5V電源有線性型穩(wěn)壓芯片和開關(guān)型穩(wěn)壓芯片兩大類。線性型穩(wěn)壓芯片線性度高，紋波小，外圍電路簡(jiǎn)單。開關(guān)型穩(wěn)壓電路功耗小，轉(zhuǎn)換率高，但紋波大，受尖峰脈沖干擾嚴(yán)重。綜合考慮選用線性型三端穩(wěn)壓芯片LM7805。

本次設(shè)計(jì)需要兩個(gè)幅度不同的直流電壓5V和12V。其中5V電壓的產(chǎn)生是將市電~220V交流電經(jīng)過(guò)降壓器降壓，橋式整流濾波后送入穩(wěn)壓器件LM7805，輸出的電壓可能還含有紋波，在通過(guò)470uf帶極性的電容濾除低頻信號(hào)，0.1uf不帶極性的電容濾除高頻信號(hào)，進(jìn)而可以得到穩(wěn)定的5V電壓[7]。12V電壓只需將5V電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大即可得到，5V和12V電壓產(chǎn)生電路如圖3.2（a）和3.2（b）所示：

圖3.2(a) 5V電壓產(chǎn)生電路

圖3.2(b) 12V電壓產(chǎn)生電路

3.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.3.1 AT89C51簡(jiǎn)介

AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓?jiǎn)纹瑱C(jī)，其含有4K字節(jié)的ROM和256字節(jié)的RAM，兼容MCS-51指令。其中央處理器是8位的，且含有Flash存儲(chǔ)單元，功能非常強(qiáng)大。

AT89C51單片機(jī)具有以下標(biāo)準(zhǔn)的功能：一個(gè)8位CPU頻率范圍1.2-12MHZ，4K字節(jié)Flash閃存，256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM，4個(gè)8位并行I/O口，一個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)，片內(nèi)自帶振蕩器和時(shí)鐘電路。

AT89C51單片機(jī)管腳圖如3.3所示：

各管腳功能如下[8]:

VCC：40引腳接5V供電電壓。

GND：20引腳接地。

XTAL1：19引腳為單片機(jī)提供外部時(shí)鐘信號(hào)，外接石英晶體和微調(diào)電容。

XTAL2：18引腳為單片機(jī)提供外部時(shí)鐘信號(hào)，外接石英晶體和微調(diào)電容。

P0口：P0.7~P0.0，這組引腳共8條，其中P0.7為最高位，P0.0為最低位。是漏極開路的8位準(zhǔn)雙向I/O口，有兩種功能。第一:做通用I/O口，無(wú)片外內(nèi)存時(shí)，P0口可做通用I/O接口使用。第二：做地址/數(shù)據(jù)口，在訪問(wèn)外部?jī)?nèi)存時(shí)，用作地址總線的低8位和數(shù)據(jù)總線。

P1口：P1.7~P1.0,其中P1.7為最高位，P1.0為最低位，僅用作I/O口。

P2口：P2.7~P2.0，其中P2.7為最高位，P2.0為最低位。P2口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O接口，具有兩種功能。第一：做通用I/O口，無(wú)片外內(nèi)存時(shí)，P2口可用作通用I/O口。第二：做地址口，在訪問(wèn)外部?jī)?nèi)存時(shí)，用作地址總線的高8位。

P3 口：P3.7~P3.0，其中P3.7為最高位，P3.0為最低位。P3口是雙功能口。具有兩種功能。第一：用作通用I/O口。第二功能：P3.0RXD串行口輸入；P3.1TXD串行口輸出；P3.2INTO外部中斷0輸入；P3.3INT1外部中斷1輸入；P3.4T0定時(shí)計(jì)數(shù)器的脈沖輸入；P3.5T1定時(shí)計(jì)數(shù)器的脈沖輸入；P3.6WR片外RAM寫信號(hào)；P3.4RD片外RAM讀信號(hào)。

RST：9引腳復(fù)位輸入，高電平有效。

    ：29引腳外部程序內(nèi)存讀信號(hào)。當(dāng)訪問(wèn)外部程序內(nèi)存時(shí)，此腳定時(shí)輸出脈沖作為讀片外程序內(nèi)存的選通信號(hào)，通常接EPROM的OE端。端在每個(gè)機(jī)器周期中兩次有效，但當(dāng)訪問(wèn)外部RAM時(shí)，兩次負(fù)脈沖不出現(xiàn)。可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LS型TTL。

ALE/：30引腳地址鎖存允許/編程線，當(dāng)訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器時(shí)，在P0.7~P0.0引腳線上輸出片外存儲(chǔ)器低8位地址的同時(shí)還在ALE/線上輸出一個(gè)高電位脈沖，其下降沿用于把這個(gè)片外存儲(chǔ)器低8位地址鎖存到外部專用地址鎖存器。

/VPP：31引腳內(nèi)外部程序內(nèi)存選擇輸入端。=1，CPU訪問(wèn)片外ROM，并執(zhí)行其指令。當(dāng)PC>0FFFH時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外ROM。=0，不論片內(nèi)是否含有內(nèi)存，只執(zhí)行片外ROM的指令。

3.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

單片機(jī)工作時(shí)需要時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)通常可由外部方式或者單片機(jī)的內(nèi)部方式提供。本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的反相放大器，XTAL2為放大器的輸出端，XTAL1為放大器的輸入端，這兩個(gè)引腳外接石英晶體振蕩器和微電容，構(gòu)成可以自激的振蕩器。本設(shè)計(jì)在XTAL1和XTAL2外接了一個(gè)12MHZ的晶振，30pf的電容[9]。

復(fù)位是使單片機(jī)回復(fù)到初使的狀態(tài)，就跟計(jì)算機(jī)的重啟差不多，并從初始狀態(tài)從新工作。單片機(jī)是高電平復(fù)位，一般有兩種方式：按鍵復(fù)位和上電復(fù)位，兩種復(fù)位方式均可。本次設(shè)計(jì)采用按鍵復(fù)位，當(dāng)按下按鍵開關(guān)S1時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位一次，電阻R2、R3為10k。其時(shí)鐘電路與復(fù)位電路如圖3.4所示：

圖3.4最小系統(tǒng)電路

3.4 溫度采集電路設(shè)計(jì)

3.4.1 DS18B20簡(jiǎn)介

DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四個(gè)部分：64位的只讀程序存儲(chǔ)器ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。總共有三個(gè)管腳，包含DQ，GND，VDD。其中DQ為數(shù)字信號(hào)端，GND為電源地，VDD為電源輸入端。

DS18B20的主要性能特點(diǎn)如下：

(1) 僅可用一個(gè)端口便可以通信；

(2) 無(wú)須外部器件；

(3) DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能；

(4) 適應(yīng)電壓范圍廣，電壓范圍為3.0~5.5V；

(5) 待機(jī)功耗為零；

(6) 溫度以9位或12位數(shù)字；

(7) 具有報(bào)警命令識(shí)別功能；

(8) 具有負(fù)電壓特性，電源接反時(shí)，芯片不會(huì)燒壞；

DS18B20的管腳圖及部分溫度值與DS18B20輸出的數(shù)字量對(duì)照表見圖

3.5和表3-1所示：

3.4.3 溫度采集電路

DS18B20數(shù)字溫度傳感器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)溫度，將檢測(cè)到的溫度值送入AT89C51單片機(jī)的P1.0口，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后顯示此時(shí)溫度值，并與設(shè)定溫度值做比較，輸出相應(yīng)占空比的PWM脈沖信號(hào)。電路如圖3.6所示：

3.5 溫度顯示電路設(shè)計(jì)

3.5.1 LED數(shù)碼管簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)選用五個(gè)LED數(shù)碼管來(lái)進(jìn)行溫度顯示。LED又稱為數(shù)碼管，主要是由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)的。LED數(shù)碼管按結(jié)構(gòu)可以分為共陰極和共陽(yáng)極兩種結(jié)構(gòu)，如圖3.7所示：共陰極把8個(gè)發(fā)光二極管陰極連接在一起，共陽(yáng)極把8個(gè)發(fā)光二極管陽(yáng)極連接在一起。通過(guò)編程的方式使單片機(jī)的引腳輸出不同的高低電平，便可以得到相應(yīng)的數(shù)字，這種數(shù)碼管的顯示方式就被稱做段選碼[10]。

圖3.7 七段LED數(shù)碼管

表3-2 七段LED數(shù)碼管的段選碼

假如一個(gè)數(shù)碼管采用共陰極接法接入單片機(jī)中，想要顯示數(shù)字“5”須使a、c﹑d﹑f﹑g這5個(gè)二極管同時(shí)發(fā)光 （即這5個(gè)二極管接入高電平），而其他二極管不發(fā)光。只要P0口輸入01101101（6dH）即可。字形與段選碼的對(duì)照見表3-2。

3.5.2 溫度顯示電路

本次設(shè)計(jì)主要顯示當(dāng)前溫度值和預(yù)設(shè)溫度值，其中前三個(gè)LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前溫度值，可顯示0到99.9不同的溫度，后兩個(gè)LED數(shù)碼管顯示之前預(yù)設(shè)定的溫度值。數(shù)碼管顯示采用共陰極接法，其中a,b,c,d,e,f,g,dp分別與P0.0到P0.7相連，作為段選信號(hào)，又因?yàn)镻0口輸出的是低電平，所以在P0口接了10K的上拉電阻，P2.0到P2.5分別接到1,2,3,4，5,6引腳作為位選信號(hào)。顯示電路如圖3.8所示：

3.6 驅(qū)蚊電路設(shè)計(jì)

3.6.1 TCT40-16T超聲波發(fā)射器簡(jiǎn)介

TCT40-16T是一種較小的超聲波發(fā)射器，它能發(fā)射出不同頻率的超聲波，適用于家用電器及其他電子設(shè)備的超聲波遙控裝置。其器件外觀如圖3.9所示：

              圖3.9 超聲波發(fā)射器TCT40-16T

3.6.2 驅(qū)蚊電路

P3.5是單片機(jī)定時(shí)器T1的時(shí)鐘輸出端口，我們可以利用定時(shí)器T1輸出頻率為22KHZ的方波信號(hào)，并通過(guò)并聯(lián)反相器增大驅(qū)動(dòng)后送入超聲波發(fā)射器TCT40-16T來(lái)模擬雄蚊發(fā)出的超聲波，進(jìn)而達(dá)到驅(qū)蚊目的[11]。驅(qū)蚊電路如圖3.10所示：

3.7 驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路設(shè)計(jì)

3.7.1 達(dá)林頓反相器ULN2803簡(jiǎn)介

因?yàn)橹绷麟姍C(jī)工作時(shí)需要較大的電流，而單片機(jī)I/O口輸出的電流都在幾十毫安級(jí)別，無(wú)法滿足直流電機(jī)的工作電流，所以必須要外加驅(qū)動(dòng)電路。在本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路中，選用達(dá)林頓反向驅(qū)動(dòng)器ULN2803來(lái)驅(qū)動(dòng)直流風(fēng)扇電機(jī)。ULN2803在使用時(shí)接口非常簡(jiǎn)單，并且操作很容易，可為電機(jī)提供幾百毫安的驅(qū)動(dòng)電流，它實(shí)際上是一個(gè)集成芯片，單塊芯片可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8個(gè)直流電機(jī)。

ULN2803實(shí)際上是16個(gè)NPN晶體管組成，總共含有18個(gè)引腳。 ULN2803的管腳圖如下圖3.11所示：

各引腳簡(jiǎn)介如下：      

1-8引腳：8個(gè)輸入端口；

9引腳：接地端；

10引腳：為COM端，一般懸空或接電源，但與負(fù)載的電源共同接在一起，驅(qū)動(dòng)效果更好，本次設(shè)計(jì)接12電源。ULN2803可以輸出最大電流可達(dá)500毫安，最大電壓可達(dá)50V。本系統(tǒng)選用的電機(jī)為12V直流無(wú)刷電機(jī)，所需電流為300毫安左右，因此可用ULN2803來(lái)驅(qū)動(dòng)。

11-18引腳：8個(gè)輸出端口；

3.7.2 驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路

本次設(shè)計(jì)利用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)速，風(fēng)扇分為五檔，預(yù)設(shè)溫度t0為25度，溫度每增高5度，風(fēng)扇增加一檔。當(dāng)當(dāng)前溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，輸出占空比為0的PWM脈沖，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)。當(dāng)當(dāng)前溫度大于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以根據(jù)當(dāng)前溫度輸出相應(yīng)占空比的PWM脈沖，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇的自動(dòng)調(diào)速。

驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路如下圖3.12所示：直流風(fēng)扇電機(jī)與ULN2803的COM端供接12V電源，直流電機(jī)另一端接ULN2803的4C，單片機(jī)的P3.4口接4B，通過(guò)單片機(jī)的P3.4口輸出不同占空比的PWM脈沖信號(hào)，便可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，系統(tǒng)選用的電機(jī)為12V直流無(wú)刷電機(jī)。

         

3.8 獨(dú)立按鍵電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)需要兩個(gè)獨(dú)立按鍵S2和S3，主要是用來(lái)對(duì)預(yù)設(shè)溫度初值進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)S2每按下一次，預(yù)設(shè)初值自動(dòng)加一，S3每按下一次預(yù)設(shè)溫度初值自動(dòng)減一。加減采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，將S2與P3.2相連，S3與P3.3相連。當(dāng)有鍵按下立刻執(zhí)行中斷程序，低電平有效。獨(dú)立按鍵電路如下圖3.13所示：

                              

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)流程圖

初始化程序后，傳感器采集溫度送入單片機(jī)，通過(guò)LED顯示。當(dāng)有鍵按下時(shí)處理按鍵，無(wú)鍵按下，根據(jù)溫度得到不同的轉(zhuǎn)速，如圖4.1所示：

圖4.1 軟件總體設(shè)計(jì)流程圖

4.2 用Keil C51進(jìn)行程序編寫

Keil C51 軟件目的主要在于解決嵌入式軟件開發(fā)商面臨的問(wèn)題，當(dāng)有新項(xiàng)目的時(shí)候，只需要從設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)選擇使用的設(shè)備，uVision IDE 將設(shè)置好所有的編譯器，鏈接器和存儲(chǔ)器選項(xiàng)[12]。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司開發(fā)的51系列并且兼容單片機(jī)C語(yǔ)言的嵌入式開發(fā)軟件，與單片機(jī)匯編語(yǔ)言相比，C語(yǔ)言的靈活性更強(qiáng)一點(diǎn)，程序編寫相比于匯編也更簡(jiǎn)單，很容易學(xué)習(xí)和使用，且編寫的函數(shù)模塊可移植性強(qiáng)[13]。一般創(chuàng)建一個(gè)Keil C51應(yīng)用程序需要按照下面的步驟：

   (1) 創(chuàng)建一個(gè)工程項(xiàng)目文件；

  (2) 為工程項(xiàng)目選擇目標(biāo)器件；

   (3) 為工程項(xiàng)目設(shè)置軟硬件調(diào)試環(huán)境；

  (4) 創(chuàng)建源程序項(xiàng)目文件；

   (5) 保存創(chuàng)建的源程序項(xiàng)目文件；

  (6) 把源程序文件添加到項(xiàng)目中；

Keil C51使用界面如圖4.2：

5 系統(tǒng)調(diào)試與仿真

5.1 系統(tǒng)軟件調(diào)試

源程序通過(guò)編譯，只能說(shuō)明源程序的語(yǔ)法沒(méi)有問(wèn)題，但不能保證程序的邏輯功能和需要的邏輯功能一致，所以還必須對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。程序調(diào)試時(shí)可以采用單步執(zhí)行或者連續(xù)執(zhí)行，連續(xù)執(zhí)行速度快，但當(dāng)出錯(cuò)時(shí)不易查出錯(cuò)誤的地方。單步執(zhí)行簡(jiǎn)單方便，可以檢查每條指令的正確性，但比較繁瑣，消耗大量時(shí)間。因此可先連續(xù)調(diào)試，對(duì)有問(wèn)題的地方在單步調(diào)試[14]。

5.2 程序下載

程序調(diào)試好以后，就可以下載了，將經(jīng)過(guò)編譯后生成的.HEX文件下載到單片機(jī)上，下載在單片機(jī)上的程序?qū)⒃诔绦虼鎯?chǔ)器儲(chǔ)存起來(lái)，即使掉電后仍然保存，不會(huì)因此而丟失。本次設(shè)計(jì)的總程序清單見附錄2。

5.3 系統(tǒng)仿真

本次設(shè)計(jì)采用protues軟件進(jìn)行仿真，Proteus軟件是英國(guó)Labcenter electronics 公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。Proteus是世界上著名的EDA工具，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)[15]。Proteus  ISIS的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，其中包含標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對(duì)象選擇按鈕、預(yù)覽對(duì)象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對(duì)象選擇窗口、圖形編輯窗口。

(1) 本次設(shè)計(jì)的預(yù)設(shè)溫度值為25度，當(dāng)當(dāng)前溫度大于設(shè)定溫度時(shí)直流電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)當(dāng)前溫度為26度時(shí)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況如圖5.1所示：

(2) 當(dāng)當(dāng)前溫度值升高至31度時(shí)，其電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖5.2所示：顯然轉(zhuǎn)速較溫度為26的時(shí)候有了明顯的增加，表明單片機(jī)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

(3) 當(dāng)我們通過(guò)獨(dú)立按鍵S2將預(yù)設(shè)溫度增加到29大于當(dāng)前溫度26時(shí)，輸出占空比為零的脈沖，直流電機(jī)將停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖5.3所示：

6 結(jié)   論

本次設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51為主控芯片，硬件主要包含電源電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫度采集電路、溫度顯示電路、獨(dú)立按鍵電路、驅(qū)蚊電路、驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路。用DS18B20溫度傳感器采集當(dāng)前溫度送入單片機(jī)處理，LED數(shù)碼管能正常顯示當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度，并能根據(jù)當(dāng)前溫度和設(shè)定溫度的差值調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇的實(shí)時(shí)調(diào)速。獨(dú)立按鍵部分也能正常使用，可以調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)溫度t0的值。同時(shí)超聲波發(fā)射器也能正常工作，達(dá)到了驅(qū)蚊目的。

本次設(shè)計(jì)對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活具有積極的作用，可以用來(lái)作為降溫工具，環(huán)保且智能，能夠給人帶來(lái)很多方便，同時(shí)驅(qū)蚊的功能在夏季還是很有必要。

基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇設(shè)計(jì).doc (1.66 MB, 下載次數(shù): 128)

2018-12-7 09:18 上傳

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