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电子信息技术论文 智能温控风扇

2018-12-16 16:51:00来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘 要

  本系统是一种以当代智能家居为设计理念的温控风扇,与传统的电风扇相比此温控风扇的不同之处是加入温度传感器和数码管,因此能够感测不同的环境温度并且显示温度。本设计的创新之处就是自动感应环境温度并自动改变电机转速,极其智能化。系统的主体核心是单片机部分即STC89C52单片机,该单片机的主要作用是实现了对风扇转速的控制。本设计在显示电路部分是利用数码管来显示温度的,温度能够精确到小数点。采用的是PWM调速原理来实现风扇三种状态的变化。用户可以通过按键电路部分的设置键和加减键来设置温度的上下限值。用户设置理想中温度的上下限值,温度传感器自动感应出当前环境温度,然后根据感应出的温度自动改变风扇的转动状态以此带来更好的用户体验,温度高了风扇就转的快,温度处于中间值时风扇转的就稍微慢一点,温度低了,人会感觉冷,那么风扇就不转了。设计非常人性化,系统功能比较稳定,控制也很精确。无需人工调节电风扇的档位,电机能够根据室温自动变化,不仅解决了传统风扇各档风速差别大的缺点,还能节省能源。同时这样的方案设计也体现出了智能家居的便捷与优越性。

  关键词:单片机,温度传感器,智能家居

  1 绪论

  时代在发展,社会在进步,科学技术在日渐成熟,为了更加便捷的生活,智能家居的使用越来越普及。如今生活条件好了很多人家都装上了空调,但是空调耗能较高,使用空调必定使电费快速上升,并且空调的价格也比电风扇贵很多。待在空调间久了也容易感冒,如果不是盛夏季节温度没那么高,大家也更愿意使用电风扇,不管怎么说电风扇依然是家家户户必备的家电。从节能减排以及健康省钱的角度来考虑,电风扇很受欢迎也很有市场。

  传统意义上的电风扇确实有缺点,噪音比较大,档位之间风力相差也不小,用户很难找到适合的风力,总体来说使用起来体验并不十分好。所以设计一款方便简洁的智能风扇是很有必要的,本毕业设计就是跟智能家居有关的一款智能温控风扇,本设计也十分符合当代绿色生活节能减排的主题。

  日常生活中,电器自动感测环境温度这一技术的使用也屡见不鲜。空调如今使用也挺普及,但是它价格贵、耗能高。春秋季节的气候特点就是白天温度高早晚温度变低。使用电风扇时白天需要高档位风速才能达到舒适的体感,而晚上入睡时必须降低要档位来减小风速,否则容易感冒。传统的老式风扇,需要人们半夜起床手动调档,这不仅影响了睡眠,也会因为档位之间风速相差过大而引起纠结。如果将风扇设置成定时关闭的话,也许风扇关闭时室内温度依然较高,人们说不定会在睡梦中被热醒。由此可见,改善传统风扇势在必行。随着智能家居的普及,风扇的发展也日益进步。本系统就是利用单片机来控制电机电路部分风扇的转速,结合温度传感器做出来的一款智能温控风扇。单片机和温度传感器是本设计的主要元件。也许看起来是一个比较复杂的设计,但是智能家居的一大特点就是使用方便,所以本设计使用起来其实十分方便。首先用户能够在数码管上清楚看出当前环境温度,然后用户只需设置理想中的温度最高值和最低值。温度传感器时刻感应环境温度,单片机控制风扇转的速度,如果环境温度比用户设置的最高值高那么风扇全速转动,环境温度居于中间的时候风扇半速转动,环境温度比最低值小的时候风扇自动关闭。这一设计无需人为控制都是风扇自身做出的一系列变化,不仅能更好的服务用户,给用户带来优越的体感,而且噪音较小,并不影响人们的睡眠质量。更重要的是这一设计十分节能,而且精确度高,充分体现了智能家居的优越性。

  1.1、课题研究目的和意义

  如今,智能家居的使用越来越广泛,它优化了人们的生活节奏,更重要的是还能够节省能源,符合当今社会绿色生活的主题。智能温控风扇的设计,解决了传统风扇的各种缺点。目的是为了让人们享受更加优质的生活,它不需要人们手动调节风扇档位还能根据具体环境和不同的温度气候自动变化转速,十分方便简洁。使用智能化的家用电器不仅能带来优越的用户体验而且还能优化生活节奏。这款智能温控风扇的设计意义深刻,它耗能低而且造价便宜,能够适应不同的温度环境,温度传感器反应灵敏能够实时感应当前温度,数码管显示到小数点后一位的精确温度值,用户也能清晰读出。智能温控风扇的设计与当今热门话题智能家居紧密相连,有着十分重要的意义。

  1.2、本设计任务和主要内容

  本设计的任务是做出一个无需手动调节的智能温控风扇。风扇一共有三种状态即全速、半速和静止,本设计的主要任务就是实现这三种状态的自由切换,且在这一过程中做到没有人为因素的添加。在用户设置好了理想温度高低值后,如果环境温度高于用户设置的最高值,那么风扇要处于全速转动的状态;如果环境温度处于用户设置的高低值之间,那么风扇处于半速状态;如果环境温度低于用户设置的最低值,那么风扇要处于静止状态。虽然功能简单,但如果要实现理想中的状态还需要各个电路的密切配合。另外此款智能温控风扇在后期也可以加入红外遥控、手机蓝牙app、太阳能供电、蜂鸣器报警等功能。此款智能温控风扇由单片机电路、温度传感器电路、按键电路、显示电路以及风扇电路等几个部分组成。单片机是采用的STC89C52单片机,用来采集温度信号然后调节电风扇的转速。温度传感器是采用的DS18B20温度传感器,用来准确感应当前环境温度。按键电路共有三个按键即设置键和加减键,用户就是通过这三个按键来设置理想中温度的高低值的。显示电路主要是一块数码管,用来显示当前环境温度和用户设置的温度高低值。风扇电路即本设计的电机也就是转动的风扇。软件部分是采用C语言程序编写系统的代码,分为几个不同的模块来编写,各模块之间相互配合实现了本系统中的各种功能。

  2 系统实施方案

  2.1、主控机的选用

  本系统的选择了STC89C52单片机作为主要控制部分来实现对电机转速的控制,以单片机作为主控机,将程序代码输入单片机,端口输出控制信号。因此系统能够通过程序准确灵敏的反映出温度变化,即使温度变化微小也能够判断出。这个实施方案与电压比较电路相比的优点是用户能够随便设置温度的上下限值。这样系统的使用范围就更广了,满足了不同地区不同环境下用户的需求。更加充分地体现了智能家居的人性化、智能化,与本设计智能的主题相符合,所以选择STC89C52单片机作为本系统的主控机更加适宜。

  2.2、温度传感器的选用

  本系统利用数字式集成温度传感器DS18B20来感测环境温度,此温度传感器能够将感测到的环境温度直接传输显示在数码管上,用户可以一眼看出当前的环境温度。DS18B20温度传感器的性能十分优越,能够高度集成化是它的一大优点,即感测的温度与实际环境温度差别非常小。另外,温度能够直接转化成数值在数码管上显示出来这一特点使得整个系统的设计变得更加简洁优化。温度感测元件选择DS18B20温度传感器与选择热点敏电阻和热电偶相比更加便捷。若以热电敏电阻为感测元件的话,温度从感测到输出过程涉及到了温度采集、放大、转换,这一过程中容易出现失真和误差,所以从感测到的温度的真实可靠性来说,以热电敏电阻为感测元件并不合适。若以热电偶为感测元件的话,虽然感测的温度误差有所减小,但是电路会变得十分复杂。所以从感测的环境温度的真实性和系统电路的简化两个方面来说,选用DS18B20温度传感器作为本系统的感测元件十分合理。

  2.3、显示器的选用

  本系统采用四位共阳数码管作为显示电路部分的主要元件来显示温度,数码管的应用十分广泛且价格便宜,在夜间也能清晰读出上面的字符,从实用性以及造价成本方面来考虑,四位共阳数码管作为显示电路部分的主要元件来显示温度更加合理。对于显示器的选用方面,液晶显示屏LCD比数码管显示的字符更加美观,但是使用液晶显示屏的成本较高,并且会使电路部分的设计变得复杂,因此从造价成本和方便简洁两个方面考虑,选用数码管作为显示器较为合适。

  3 系统硬件概述

  3.1、系统总体设计

  本系统由单片机、DS18B20温度传感器、数码显示管以及一些外围电路组成,系统的主要核心部分是STC89C52单片机。系统总体结构图如下:

  键盘输入

  温度显示

  单片机系统

  电机控制模块

  数字温度传感模块

  图3-1 系统总体结构框图

  3.2、STC89C52单片机介绍

  STC89C52单片机在本系统中主要是充当主控机,它的低电压以及高性能使得在整个系统中能够灵活地根据室温的改变来使风扇的状态做出改变。同时此款单片机具有强大的记忆功能,用户设置的理想温度高低值能够被保存在单片机芯片中,即使是下一次使用依然能够显示出来。另外STC89C52单片机也可用于各类别的控制电路中,不管在什么控制电路中都能够起到控制电机的作用。总的来说是一款功能十分强大的单片机。下图3-2是STC89C52单片机的引脚图。

  图3-2 STC89C52引脚图

  3.3、DS18B20温度传感器介绍

  DS18B20是一种性能非常优越且感测灵敏的智能温度传感器。温度能够直接转化成数值在数码管上显示出来这一特点使得整个系统的设计变得更加简洁优化。温度感测元件选择DS18B20温度传感器与选择热点敏电阻和热电偶相比更加便捷。若以热电敏电阻为感测元件的话,温度从感测到输出过程涉及到了温度采集、放大、转换,这一过程中容易出现失真和误差,所以从感测到的温度的真实可靠性来说,以热电敏电阻为感测元件并不合适。若以热电偶为感测元件的话,虽然感测的温度误差有所减小,但是电路会变得十分复杂。

  图3-3 DS18B20温度计原理图

  表3-1部分温度值与DS18B20输出的数字量对照表

  温度值/℃ 数字输出(二进制) 数字输出(十六进制) +125 0000 0111 1101 0000 07D0H

  +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

  3.4、温度显示电路

  本设计的显示模块是由一个四位共阳的数码管组成的。数码管能够显示当前环境温度以及用户设置的温度上下限值,即使是在夜间,数码管上的字符也清晰可见。另外该数码管成本便宜,也很省电。下图是数码管的实物图和引脚图。

  图3-4 数码管实物图

  图3-5 数码管引脚图

  3.5、风扇电路

  本设计电机部分电路即风扇电路原理图如下,这一部分的电路采用的是可控硅型光耦MOC3041M。MOC3041M的功能十分强大,在部分电路中起着至关重要的作用。它能够进行光电隔离,简化输出通道的电路驱动结构,使电路在设计的时候没那么复杂。它还有过零检测和过零触发等功能,采用MOC3041M的另外一个优点就是输入输出通道不在同一时间触发双向可控硅。

  图3-6 电机控制原理图

  图3-7 系统原理图

  4 系统软件概述

  本设计的软件部分程序是采用C语音代码编写的,整体程序是由几个子模块程序组成的,几个子模块的程序语句各自实现不同的功能,这几个子模块分别是温度传感模块、显示模块以及按键模块。

  4.1、主程序

  主程序需要根据不同的环境温度时刻做出判断,控制风扇实现转速的变化,即能够根据环境温度随时切换全速、半速、静止这三个状态。这需要各个子程序模块的配合,首先程序初始化,检测各个子程序模块的缓冲区标志是否存在置位,主程序以此来调动处理。

  图4-1主程序模块流程图

  4.2、温度传感器模块和显示模块

  温度传感器模块和显示模块是密切联系的,温度传感器准确感测出当前环境温度,系统的主控机即单片机控制DS18B20温度传感器准确将温度传输到显示模块上供用户查看。为了使温度准确传输到显示电路中需要经过一系列的步骤,首先对DS18B20温度传感器进行初始化,然后实施ROM操作指令,最后是对存储器和数据进行操作。

  图4-2 温度传感器模块程序流程图

  4.3、按键模块

  本系统按键模块主要有三个按键即设置键和加减键。使用者是通过按键电路部分的三个按键来设置温度的上下限值的。当用户第一次按下设置键时是设置温度的上限值,然后按加减键来调整温度上限值的高低。当用户第二次按下设置键时是设置温度的下限值,同样通过加减键来调整温度下限值的高低。加减键具有非常便捷的连加、连减功能,用户在设置温度上下限值时按着按键不动就可以实现连加连减的功能。温度测量范围是0--99.9度。

  图4-3 按键模块程序流程图

  5 系统调试

  5.1、硬件调试

  本设计的硬件调试主要是验证DS18B20温度传感器能否正常工作。调试方法是:将电路板通电,手捏住温度传感器,发现数码管上展示出的环境温度数值迅速上升。这也证明了温度传感器能够正常工作。过一会发现显示器上的温度值稳定在了17.7度不变化了,自己设置一组温度的上下限值即25度和10度,此时温度在上下限温度值之间,风扇转速为全速转动的一半。同样的方法用手捏住温度传感器使温度上升到30度,此时的温度是高于最高值的,风扇变成了全速转动的状态。再次设置一组温度最高值为60度,最低值为40度,此时环境温度30度是低于最低值的,风扇变成了静止不动的状态。由此可见,设置不同的温度上下限值,风扇的转速符合设计任务里所要求的。调试结果证明此设计符合所需实现的功能。如图5-1是系统调试图。

  5.2、系统功能分析

  本设计的主要功能是温度传感器准确感测当前环境温度。温度传感器感测出当前环境温度后,温度高了风扇就转的快,温度处于中间值时风扇转的就稍微慢一点,温度低了,人会感觉冷,那么风扇就不转了。该功能的实现与否需要系统按键电路、数码管驱动显示电路、温度感测电路、风扇驱动电路这四个部分的配合。温度传感器部分电路需要准确感应当前环境温度,用户通过外围电路部分的按键电路上面的设置键和加减键来设置温度上下限值,当前环境温度和用户上下限值通过数码管显示出来供用户查看。

  图5-1 电路调试图

  6 结论

  本设计是一个以智能家居为设计理念的智能温控风扇系统,主体是单片机,这也是大学里的一门必修课。以STC89C52单片机为本系统的核心部分,以DS18B20数字温度传感器作为感测环境温度的元件。本系统涉及到单片机控制电路的设计,温度检测电路的设计,C语言程序代码的编写,显示与电源电路的设计以及驱动控制电路的设计。利用数码管显示温度,温度精确到小数点。掌握了这次设计的主体内容,以后涉及到单片机和温度传感器以及控制部分的设计也会熟练很多。

  本设计充分展现了当代科技发展下智能家居的便捷,具有很强的实用性,给人们的生活带来了非常大的便捷。无需人工调节电风扇的档位,电机能够根据室温自动变化,不仅解决了传统风扇各档风速差别大的缺点,还能节省能源。智能家居不仅更加便捷,还提高了人们的生活质量,优化了生活节奏,更重要的是还能够节省能源。一切都是为了更加优质的生活,因此智能家居的研究在如今信息化社会中有着十分重要的意义。

  本设计的运行程序的也是十分方便,用户通过按键电路设置温度的上下限值后,系统通过温度传感器对环境温度进行实时监控。如果需要别的功能只要编写新的程序代码就可以实现。本系统的设计也可以推广到其他电机控制系统中,主要核心就是实现对电机转速的自动调节。本设计不仅是信息化时代的产物,也是智能家居运用的一种体验。

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