原標(biāo)題：基于51單片機(jī)的DS18B20溫控風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案(原理圖+源碼+仿真+教程)

基于51單片機(jī)的DS18B20溫控風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案

一、設(shè)計(jì)背景與需求分析

在現(xiàn)代電子設(shè)備及工業(yè)控制領(lǐng)域，溫度管理是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)風(fēng)扇控制多依賴機(jī)械式溫控開關(guān)，存在精度低、響應(yīng)慢、無(wú)法智能化調(diào)節(jié)等缺陷。基于51單片機(jī)的DS18B20溫控風(fēng)扇系統(tǒng)通過(guò)集成高精度數(shù)字溫度傳感器與微控制器，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，具有低成本、高可靠性、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)適用于智能家居散熱、工業(yè)設(shè)備溫控、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境調(diào)節(jié)等場(chǎng)景，可有效提升能源利用效率并延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

二、核心元器件選型與功能解析

1. 主控芯片：STC89C52單片機(jī)

• 型號(hào)選擇：STC89C52作為增強(qiáng)型51內(nèi)核單片機(jī)，兼容傳統(tǒng)AT89C52指令集，但具備ISP在線編程功能，支持USB轉(zhuǎn)串口下載，無(wú)需專用編程器。其8KB Flash存儲(chǔ)空間可滿足基礎(chǔ)溫控程序需求，32個(gè)I/O口資源豐富，便于連接外設(shè)。

• 核心優(yōu)勢(shì)：

• 抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)工業(yè)環(huán)境。

• 低功耗設(shè)計(jì)，工作電壓范圍3.3V-5.5V，支持電池供電場(chǎng)景。

• 內(nèi)置看門狗定時(shí)器，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2. 溫度傳感器：DS18B20

• 型號(hào)選擇：DS18B20為一線制數(shù)字溫度傳感器，采用TO-92封裝，支持-55℃至+125℃寬溫域測(cè)量，精度±0.5℃。其單總線協(xié)議僅需1根數(shù)據(jù)線即可完成通信，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。

• 核心功能：

• 內(nèi)部集成12位ADC，直接輸出數(shù)字信號(hào)，無(wú)需外接ADC芯片。

• 支持寄生電源模式，可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，減少布線復(fù)雜度。

• 每個(gè)器件具備唯一64位ROM編碼，支持多傳感器級(jí)聯(lián)。

3. 驅(qū)動(dòng)模塊：ULN2803達(dá)林頓管陣列

• 型號(hào)選擇：ULN2803為8通道NPN達(dá)林頓晶體管陣列，單路驅(qū)動(dòng)電流500mA，耐壓50V，可承受瞬間反向電動(dòng)勢(shì)。其內(nèi)部集成續(xù)流二極管，適合驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如直流電機(jī)）。

• 核心作用：

• 隔離單片機(jī)I/O口與電機(jī)，防止反向電流損壞芯片。

• 提供足夠驅(qū)動(dòng)能力，支持12V直流風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

4. 顯示模塊：共陽(yáng)極四位數(shù)碼管

• 型號(hào)選擇：采用5641AH四位共陽(yáng)極數(shù)碼管，段碼電流10mA，位碼電流5mA，亮度適中。其共陽(yáng)極設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)三極管（如9012）實(shí)現(xiàn)位選控制。

• 核心功能：

• 實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫度與設(shè)定閾值，分辨率0.1℃。

• 支持動(dòng)態(tài)掃描顯示，降低I/O口占用。

5. 按鍵模塊：輕觸開關(guān)

• 型號(hào)選擇：采用6mm×6mm貼片輕觸開關(guān)，行程1.5mm，觸點(diǎn)壽命≥10萬(wàn)次。其低功耗特性與長(zhǎng)壽命適合嵌入式系統(tǒng)。

• 核心作用：

• 提供“設(shè)置”“加”“減”三個(gè)按鍵，實(shí)現(xiàn)溫度閾值的手動(dòng)調(diào)整。

• 結(jié)合軟件消抖算法，避免機(jī)械抖動(dòng)誤觸發(fā)。

三、硬件電路設(shè)計(jì)

1. 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)由STC89C52最小系統(tǒng)、DS18B20測(cè)溫電路、ULN2803驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)碼管顯示電路、按鍵輸入電路及電源模塊構(gòu)成。核心信號(hào)流為：DS18B20采集溫度→單片機(jī)處理→PWM輸出→ULN2803驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇→數(shù)碼管顯示狀態(tài)。

2. 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

（1）DS18B20接口電路

• 接線方式：DS18B20的DQ引腳通過(guò)4.7kΩ上拉電阻接至單片機(jī)P1.0口，VDD接5V，GND接地。

• 設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

• 單總線協(xié)議需嚴(yán)格遵循時(shí)序要求，復(fù)位脈沖寬度≥480μs，響應(yīng)脈沖≥60μs。

• 多傳感器級(jí)聯(lián)時(shí)，需通過(guò)ROM命令匹配目標(biāo)器件。

（2）ULN2803驅(qū)動(dòng)電路

• 接線方式：ULN2803的1-8輸入引腳接單片機(jī)P2.0-P2.7，輸出引腳接風(fēng)扇正極，COM端接12V電源。

• 設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

• 風(fēng)扇負(fù)極直接接地，通過(guò)控制輸入引腳電平實(shí)現(xiàn)啟停。

• PWM信號(hào)通過(guò)定時(shí)器中斷生成，占空比0%-100%可調(diào)。

（3）數(shù)碼管顯示電路

• 接線方式：段碼a-g、dp接P0口，位選1-4通過(guò)9012三極管接P1.4-P1.7。

• 設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

• 采用動(dòng)態(tài)掃描方式，每位顯示時(shí)間1-5ms，避免肉眼可見(jiàn)閃爍。

• 限流電阻220Ω，防止段碼電流過(guò)大損壞LED。

四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 主程序流程

系統(tǒng)上電后，初始化定時(shí)器、中斷、DS18B20及數(shù)碼管。主循環(huán)中執(zhí)行以下任務(wù)：

• 讀取DS18B20溫度值，轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度（公式：T=(TH*256+TL)/16）。

• 掃描按鍵狀態(tài)，調(diào)整溫度閾值（上限THigh、下限TLow）。

• 根據(jù)溫度與閾值比較結(jié)果，控制PWM占空比：

• T<TLow：風(fēng)扇停止（占空比0%）。

• TLow≤T<THigh：低速運(yùn)轉(zhuǎn)（占空比50%）。

• T≥THigh：全速運(yùn)轉(zhuǎn)（占空比100%）。

• 更新數(shù)碼管顯示內(nèi)容，格式為“XX.X℃”。

2. 關(guān)鍵子程序?qū)崿F(xiàn)

（1）DS18B20驅(qū)動(dòng)代碼

#include <intrins.h>

sbit DQ = P1^0;



void DS18B20_Reset(void) {

DQ = 0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); // 拉低480us

DQ = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); // 釋放15us

}



bit DS18B20_Check(void) {

bit flag;

DQ = 0; _nop_(); _nop_(); DQ = 1;

_nop_(); _nop_(); flag = DQ;

_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();

return flag;

}



float Read_Temperature(void) {

unsigned char temp_l, temp_h;

int temp;

DS18B20_Reset();

DS18B20_Check();

Write_Byte(0xCC); // 跳過(guò)ROM

Write_Byte(0x44); // 啟動(dòng)轉(zhuǎn)換

Delay_ms(750);    // 等待轉(zhuǎn)換完成

DS18B20_Reset();

DS18B20_Check();

Write_Byte(0xCC);

Write_Byte(0xBE); // 讀取寄存器

temp_l = Read_Byte();

temp_h = Read_Byte();

temp = (temp_h<<8) | temp_l;

return temp * 0.0625; // 轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度

}

（2）PWM生成代碼

#include <reg52.h>

sbit Fan = P2^0;

unsigned char PWM_Duty = 0;



void Timer0_Init(void) {

TMOD |= 0x01;

TH0 = 0xFF;

TL0 = 0x9C; // 50μs中斷一次

ET0 = 1;

EA = 1;

TR0 = 1;

}



void Timer0_ISR(void) interrupt 1 {

static unsigned char count = 0;

TH0 = 0xFF;

TL0 = 0x9C;

count++;

if (count >= 100) count = 0; // 100級(jí)調(diào)速

if (count < PWM_Duty) Fan = 1;

else Fan = 0;

}

（3）數(shù)碼管顯示代碼

unsigned char code Seg_Table[] = {

0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F, 0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07,

0x7F, 0x6F, 0x77, 0x7C, 0x39, 0x5E, 0x79, 0x71

};



void Display_Temp(float temp) {

unsigned char buf[4];

buf[0] = (unsigned char)temp / 10;    // 十位

buf[1] = (unsigned char)temp % 10;    // 個(gè)位

buf[2] = (unsigned char)(temp * 10) % 10; // 小數(shù)位

buf[3] = 0x40; // 顯示“℃”符號(hào)



for (unsigned char i = 0; i < 4; i++) {

P1 = ~(0x01 << i); // 位選

P0 = Seg_Table[buf[i]]; // 段選

Delay_ms(2);

}

}

五、Proteus仿真驗(yàn)證

1. 仿真電路搭建

• 添加STC89C52、DS18B20、ULN2803、四位數(shù)碼管、按鍵、電阻、電容等元件。

• DS18B20的DQ引腳連接虛擬終端，便于觀察通信數(shù)據(jù)。

• 風(fēng)扇用直流電機(jī)模型替代，通過(guò)電壓表監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速。

2. 仿真結(jié)果分析

• 初始狀態(tài)：數(shù)碼管顯示“25.0℃”，風(fēng)扇停止。

• 模擬升溫：通過(guò)DS18B20虛擬終端輸入溫度值30℃，風(fēng)扇以50%轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

• 模擬高溫：輸入40℃，風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

• 閾值調(diào)整：按下“設(shè)置”鍵進(jìn)入閾值調(diào)整模式，通過(guò)“加”“減”鍵修改THigh/TLow，系統(tǒng)響應(yīng)新閾值。

六、硬件制作與調(diào)試

1. PCB設(shè)計(jì)要點(diǎn)

• 采用雙層板設(shè)計(jì)，電源層與地層分開，減少干擾。

• DS18B20數(shù)據(jù)線加粗至20mil，降低阻抗。

• 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)部分增加散熱焊盤，防止ULN2803過(guò)熱。

2. 調(diào)試步驟

• 電源測(cè)試：檢查5V、12V供電是否正常，無(wú)短路。

• 單片機(jī)最小系統(tǒng)測(cè)試：通過(guò)LED閃爍驗(yàn)證程序運(yùn)行。

• DS18B20通信測(cè)試：用邏輯分析儀捕獲單總線時(shí)序，確認(rèn)數(shù)據(jù)正確性。

• 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)測(cè)試：逐步增加PWM占空比，觀察轉(zhuǎn)速變化。

• 整體聯(lián)調(diào)：模擬不同溫度場(chǎng)景，驗(yàn)證系統(tǒng)響應(yīng)。

七、優(yōu)化方向與應(yīng)用擴(kuò)展

1. 性能優(yōu)化

• 增加溫度歷史記錄功能，通過(guò)EEPROM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

• 引入PID算法，提升溫控精度與響應(yīng)速度。

• 優(yōu)化數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)代碼，降低CPU占用率。

2. 應(yīng)用擴(kuò)展

• 增加WiFi模塊（如ESP8266），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。

• 添加蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)溫度超限時(shí)發(fā)出提示音。

• 設(shè)計(jì)多路風(fēng)扇控制，適用于大型設(shè)備散熱。

八、總結(jié)

本設(shè)計(jì)通過(guò)51單片機(jī)與DS18B20傳感器的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度的溫控風(fēng)扇系統(tǒng)。硬件選型兼顧性能與成本，軟件算法優(yōu)化了響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。Proteus仿真與實(shí)物調(diào)試驗(yàn)證了系統(tǒng)可行性，具備實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)可進(jìn)一步集成物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動(dòng)智能家居與工業(yè)4.0的發(fā)展。