原标题：基于51单片机的DS18B20温控风扇设计方案(原理图+源码+仿真+教程)

基于51单片机的DS18B20温控风扇设计方案

一、设计背景与需求分析

在现代电子设备及工业控制领域，温度管理是保障系统稳定运行的关键环节。传统风扇控制多依赖机械式温控开关，存在精度低、响应慢、无法智能化调节等缺陷。基于51单片机的DS18B20温控风扇系统通过集成高精度数字温度传感器与微控制器，实现了环境温度的实时监测与风扇转速的动态调节，具有低成本、高可靠性、易扩展等优势。本设计适用于智能家居散热、工业设备温控、实验室环境调节等场景，可有效提升能源利用效率并延长设备寿命。

二、核心元器件选型与功能解析

1. 主控芯片：STC89C52单片机

• 型号选择：STC89C52作为增强型51内核单片机，兼容传统AT89C52指令集，但具备ISP在线编程功能，支持USB转串口下载，无需专用编程器。其8KB Flash存储空间可满足基础温控程序需求，32个I/O口资源丰富，便于连接外设。

• 核心优势：

• 抗干扰能力强，适应工业环境。

• 低功耗设计，工作电压范围3.3V-5.5V，支持电池供电场景。

• 内置看门狗定时器，提升系统稳定性。

2. 温度传感器：DS18B20

• 型号选择：DS18B20为一线制数字温度传感器，采用TO-92封装，支持-55℃至+125℃宽温域测量，精度±0.5℃。其单总线协议仅需1根数据线即可完成通信，简化硬件设计。

• 核心功能：

• 内部集成12位ADC，直接输出数字信号，无需外接ADC芯片。

• 支持寄生电源模式，可通过数据线供电，减少布线复杂度。

• 每个器件具备唯一64位ROM编码，支持多传感器级联。

3. 驱动模块：ULN2803达林顿管阵列

• 型号选择：ULN2803为8通道NPN达林顿晶体管阵列，单路驱动电流500mA，耐压50V，可承受瞬间反向电动势。其内部集成续流二极管，适合驱动感性负载（如直流电机）。

• 核心作用：

• 隔离单片机I/O口与电机，防止反向电流损坏芯片。

• 提供足够驱动能力，支持12V直流风扇全速运转。

4. 显示模块：共阳极四位数码管

• 型号选择：采用5641AH四位共阳极数码管，段码电流10mA，位码电流5mA，亮度适中。其共阳极设计简化驱动电路，通过三极管（如9012）实现位选控制。

• 核心功能：

• 实时显示环境温度与设定阈值，分辨率0.1℃。

• 支持动态扫描显示，降低I/O口占用。

5. 按键模块：轻触开关

• 型号选择：采用6mm×6mm贴片轻触开关，行程1.5mm，触点寿命≥10万次。其低功耗特性与长寿命适合嵌入式系统。

• 核心作用：

• 提供“设置”“加”“减”三个按键，实现温度阈值的手动调整。

• 结合软件消抖算法，避免机械抖动误触发。

三、硬件电路设计

1. 系统架构图

系统由STC89C52最小系统、DS18B20测温电路、ULN2803驱动电路、数码管显示电路、按键输入电路及电源模块构成。核心信号流为：DS18B20采集温度→单片机处理→PWM输出→ULN2803驱动风扇→数码管显示状态。

2. 关键电路设计

（1）DS18B20接口电路

• 接线方式：DS18B20的DQ引脚通过4.7kΩ上拉电阻接至单片机P1.0口，VDD接5V，GND接地。

• 设计要点：

• 单总线协议需严格遵循时序要求，复位脉冲宽度≥480μs，响应脉冲≥60μs。

• 多传感器级联时，需通过ROM命令匹配目标器件。

（2）ULN2803驱动电路

• 接线方式：ULN2803的1-8输入引脚接单片机P2.0-P2.7，输出引脚接风扇正极，COM端接12V电源。

• 设计要点：

• 风扇负极直接接地，通过控制输入引脚电平实现启停。

• PWM信号通过定时器中断生成，占空比0%-100%可调。

（3）数码管显示电路

• 接线方式：段码a-g、dp接P0口，位选1-4通过9012三极管接P1.4-P1.7。

• 设计要点：

• 采用动态扫描方式，每位显示时间1-5ms，避免肉眼可见闪烁。

• 限流电阻220Ω，防止段码电流过大损坏LED。

四、软件系统设计

1. 主程序流程

系统上电后，初始化定时器、中断、DS18B20及数码管。主循环中执行以下任务：

• 读取DS18B20温度值，转换为实际温度（公式：T=(TH*256+TL)/16）。

• 扫描按键状态，调整温度阈值（上限THigh、下限TLow）。

• 根据温度与阈值比较结果，控制PWM占空比：

• T<TLow：风扇停止（占空比0%）。

• TLow≤T<THigh：低速运转（占空比50%）。

• T≥THigh：全速运转（占空比100%）。

• 更新数码管显示内容，格式为“XX.X℃”。

2. 关键子程序实现

（1）DS18B20驱动代码

#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_(); // 释放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); // 跳过ROM

Write_Byte(0x44); // 启动转换

Delay_ms(750);    // 等待转换完成

DS18B20_Reset();

DS18B20_Check();

Write_Byte(0xCC);

Write_Byte(0xBE); // 读取寄存器

temp_l = Read_Byte();

temp_h = Read_Byte();

temp = (temp_h<<8) | temp_l;

return temp * 0.0625; // 转换为实际温度

}

（2）PWM生成代码

#include <reg52.h>

sbit Fan = P2^0;

unsigned char PWM_Duty = 0;



void Timer0_Init(void) {

TMOD |= 0x01;

TH0 = 0xFF;

TL0 = 0x9C; // 50μs中断一次

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级调速

if (count < PWM_Duty) Fan = 1;

else Fan = 0;

}

（3）数码管显示代码

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;    // 个位

buf[2] = (unsigned char)(temp * 10) % 10; // 小数位

buf[3] = 0x40; // 显示“℃”符号



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

P1 = ~(0x01 << i); // 位选

P0 = Seg_Table[buf[i]]; // 段选

Delay_ms(2);

}

}

五、Proteus仿真验证

1. 仿真电路搭建

• 添加STC89C52、DS18B20、ULN2803、四位数码管、按键、电阻、电容等元件。

• DS18B20的DQ引脚连接虚拟终端，便于观察通信数据。

• 风扇用直流电机模型替代，通过电压表监测转速。

2. 仿真结果分析

• 初始状态：数码管显示“25.0℃”，风扇停止。

• 模拟升温：通过DS18B20虚拟终端输入温度值30℃，风扇以50%转速运转。

• 模拟高温：输入40℃，风扇全速运转。

• 阈值调整：按下“设置”键进入阈值调整模式，通过“加”“减”键修改THigh/TLow，系统响应新阈值。

六、硬件制作与调试

1. PCB设计要点

• 采用双层板设计，电源层与地层分开，减少干扰。

• DS18B20数据线加粗至20mil，降低阻抗。

• 风扇驱动部分增加散热焊盘，防止ULN2803过热。

2. 调试步骤

• 电源测试：检查5V、12V供电是否正常，无短路。

• 单片机最小系统测试：通过LED闪烁验证程序运行。

• DS18B20通信测试：用逻辑分析仪捕获单总线时序，确认数据正确性。

• 风扇驱动测试：逐步增加PWM占空比，观察转速变化。

• 整体联调：模拟不同温度场景，验证系统响应。

七、优化方向与应用扩展

1. 性能优化

• 增加温度历史记录功能，通过EEPROM存储数据。

• 引入PID算法，提升温控精度与响应速度。

• 优化数码管驱动代码，降低CPU占用率。

2. 应用扩展

• 增加WiFi模块（如ESP8266），实现远程监控与控制。

• 添加蜂鸣器报警，当温度超限时发出提示音。

• 设计多路风扇控制，适用于大型设备散热。

八、总结

本设计通过51单片机与DS18B20传感器的结合，实现了低成本、高精度的温控风扇系统。硬件选型兼顾性能与成本，软件算法优化了响应速度与稳定性。Proteus仿真与实物调试验证了系统可行性，具备实际应用价值。未来可进一步集成物联网技术，推动智能家居与工业4.0的发展。