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：                 

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班级学号：                       

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合 作 者：                   

指导教师：                          

二O一三年 十一月 

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ATC51、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。

                    目   录

1 引言 ..................................................4   

2 研究方法...............................................5

3 研究结果及分析.........................................6

  3.1 系统整体设计. .....................................6

  3.2 温度模块硬件设计...................................6

    3.2.1、DS18B20数字温度传感器简介.....................6

      1、DS18B20的外形和内部结构.......................6

      2、DS18B20的主要特性................................7　　

   3.2.2、温度传感器的接线方式............................8

3.2.3、基于Proteus温度模块仿真...........................9

3.3风速模块硬件设计.....................................10

  3.3.1、风速传感器WFS-1简介............................11

1.WFS-1型风速传感器的主要技术参数...................12

2.安装使用..........................................12

3.注意事项 .........................................12

  3.3.2、风速传感器的接线方式............................13

  3.3.3、基于Proteus风速模块仿真........................14

4 结论..................................................16

5 参考文献..............................................17

 6指导教师评语和成绩评定................................18

1 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。  

2 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。

电机驱动流程图

3 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ATC51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：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。

（1）光刻ROM中的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。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。 

   部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表 

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。

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。

3.3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，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出频率的信号。

1.WFS-1型风速传感器的主要技术参数          

1、测量范围：　1.0～60m/s                    

2、准确度：<30m/s±(0.5+0.05v) ≥30m/s±5% 

3、分辨率：　0.1m/s                                      

4、起动风速：　<0.7m/s                                   实物图片  

5、工作环境：　－30℃～+60℃

6、底座安装内孔：Ø68                              

WFS-1型风速传感器的输出方式：

0-5V输出（型号为WFS-1-3）

特点： 量程大、线性好、抗雷击能力强、观测方便、稳定可靠等优点。

2.安装使用                                     风杯底座安装孔                               

1、风速传感器应垂直的安装在相距1米以上的横臂上。     

2、传感器壳体下部直径为Φ40，120o均匀分有三个M5的螺纹为安装部位。                                       

3、测风传感器应每年给轴承注油一次，注油时应拆下风速架或风向帽，将仪表   油从传感器的上轴承处注入。

4、传感器风速帽上不动的制动螺钉均用软质密封胶密封，不要随便拆卸，                                                                            拆卸后再装配时最好重新涂上胶密封。                           

5、传感器电线插头必须按说明书图接线。

6、风向传感器从包装箱内取出后组装，注意点是：风标杆沿箭头方向插入;风向标前后重量应调平衡、前后两翼板应与旋转轴线在同一平面内;指北杆与指北线应在同一方向。

7、传感器组件由风速传感器、风向传感器、传感器支架组成。组装时传感器应分别先连接各自的插件、再套装在支架套筒上，旋紧螺钉。

8、传感器工作电压通常为直流5伏，由于内装防雷器件，实际工作电压不得高于6伏。

3.注意事项                                         

两个禁止：

1、禁止在可燃性气体环境中使用风速传感器。

2、禁止将风速传感器探头置于可燃性气体中。

七个不要：

1、不要拆卸或改装风速传感器;      

2、不要将探头和风速计本体暴露在雨中;

3、不要触摸探头内部传感器部位;

4、不要将风速计放置在高温、高湿、多尘和阳光直射的地方;

5、不要用挥发性液体来擦拭风速传感器;    

6、不要摔落或重压风速传感器;

7、不要在风速计带电的情况下触摸探头的传感器部位。

三个务必：

1.务必按照使用说明书的要求正确使用风速传感器;在使用中，如遇风速传感器散发出异常气味、声音或冒烟，或有液体流入风速计内部。

2.务必立即关机取出电池;风速传感器长期不使用时。

3.务必取出内部的电池。

附表：                    

   风力等级表

在单片机最小系统下通过扩展芯片8255来连接WFS-1，但由于Proteus软件中没有这一元器件，故根据风速传感器的输出信号为（0～5)V的电压信号，从而采用一回路中滑动变阻器的某部分电阻电压值代替，通过滑动滑动变阻器来改变输出电压，模仿风速传感器采集到的风速发生变化时输出电压信号的变化过程。

由于风速传感器输出的电压信号是模拟信号要经过    A/D转换器转换成数字信号，再传输给芯片ATC51处理后，通过LCD显示此时风速值。

                        风速传感器接线图

3.3.3、基于Proteus风速模块仿真

   在Proteus软件把各个所需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。

当把风速传感器WFS-1的输出电压设置为4.9V时。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。

                               风速模块仿真效果图（1）        

       根据WFS-1-3型风速传感器的测量范围（1～60）m/s和输出电压信号为（0～5）V之间成线性关系的特性可得知测得风速与输出电压之间的函数关系式为：y=59/5x+1,可计算出当输出电压x=4.9V时，测得风速y=58.82m/s,对比LCD上显示的数值可知正确无误。

                           风速模块仿真效果图（2）

    在上一步仿真的基础上(风速传感器的输出电压值为4.9V)，将风速传感器的输出电压值调整为2.85V，观察LCD上显示的风速值为34.54m/s，经公式y=59/5x+1可计算出实际风速值为34.63m/s。

综上两次仿真可知风速模块的硬件设计电路图正确。

4 结论

     本次设计的系统以单片机为控制核心，以温度传感器DS18B20和风速传感器WFS-1，检测环境温度和风速，实现了根据环境温度变化调节不同的风扇电机转速，在一定范围能能实现转速的连续调节，LCD能连续稳定的显示环境温度和风速。

本系统设计可推广到各种家电的控制系统中，实现家电的智能化。在生产生活中，本系统可用于简单的日常风扇的智能控制，为生活带来便利；在工业生产中，可以改变不同的输入信号，实现对不同信号输入控制电机的转速，进而实现生产自动化，如在电力系统中可以根据不同的负荷达到不同的电压信号，再由电压信号调节不同的发电机转速，进而调节发电量，实现电力系统的自动化调节。综上所述，该系统的设计和研究在社会生产和生活中具有重要地位。

5 参考文献

[1] Chen H B, Wang Y C. Stress Rate Integral Equations on Elastoplastieity [J]. Acta Mechanica Sinica，1996, 12(1): 36-39.

[2] 张澜庭, 毛大立. 吴建生. 金属间化合物在工业中的应用[J]. 上海金属, 1999, 21(2): 11-14.

[3] 孙岩, 刘瑞岩, 张俊善, 等. NiAl基金属间化合物的研究进展[J]. 材料导报, 2003, 17(7): 10-13.

[4] 李虎田, 郭建亭, 叶恒强. NiAl及金属间化合物结构材料改善室温塑韧性及制备工艺的研究进展[J]. 稀有金属材料与工程, 2006, 35(7): 1162-1166.

[5] 姜肃猛, 齐义辉. NiAl金属间化合物的制备技术[J]. 辽宁工学院学报, 2004, 24(5): 43-48.

[6] 陈国良, 林均品. 有序金属间化合物结构材料物理金属学基础[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1999.下载本文