基于單片機(jī)的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)

摘 ?要： 本設(shè)計(jì)是由STC89C51單片機(jī)控制，采用DS18B20溫度傳感器、人體紅外傳感器模塊和數(shù)碼管設(shè)計(jì)而成的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過脈沖寬度調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇系統(tǒng)在有人的情況下依據(jù)當(dāng)前溫度區(qū)間自動(dòng)啟停以及調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等功能。該設(shè)計(jì)具有功耗低，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： STC89C51;智能控制;溫度控制;人體感應(yīng)

中圖分類號(hào)： TP368.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.032

本文著錄格式：梁娟. 基于單片機(jī)的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)[J]. 軟件，2019，40（12）：146149

An Intelligent Temperature Control Fan System Based on the Microcontroller

LIANG Juan

（East fujian agriculture and forestry university college of computer science Fuzhou 350715）

【Abstract】： This designs an intelligent temperature control fan system which is controlled by STC89C51 single-chip microcomputer， DS18B20 temperature sensor， human infrared sensor module and digital tube. This system through pulse width modulation， the functions of automatic starting and stopping of fan system according to the set temperature range and adjusting speed are realized. The design has the characteristics of low power consumption and strong practicability.

【Key words】： STC89C51; Intelligent control; Temperature control; Human induction

0 ?引言

現(xiàn)代生活中，電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，因各種電子設(shè)備在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生熱量，從而影響到電子機(jī)械的生產(chǎn)以及人們的日常生活，所以單片機(jī)的溫度控制等功能就顯得尤其重要。目前，基于單片機(jī)控制的系統(tǒng)種類繁多，在單片機(jī)的使用過程中，為達(dá)到精準(zhǔn)控制判斷的效果，需要對(duì)溫度實(shí)時(shí)采樣的測(cè)量功能進(jìn)行不斷改善。

本文設(shè)計(jì)的溫控風(fēng)扇系統(tǒng)，主要采用型號(hào)為STC89C51的單片機(jī)作為控制器。在溫度采集模塊，選用了型號(hào)為DS18B20的集成溫度傳感器，并使用LED八段數(shù)碼管顯示溫度和風(fēng)扇的檔位。首先將溫度傳感器采集的環(huán)境溫度發(fā)送給單片機(jī)系統(tǒng)，其次采用人體紅外傳感器探測(cè)環(huán)境周圍是否有人活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)或停止，并且風(fēng)扇電機(jī)的速度可以根據(jù)單片機(jī)所確定的溫度區(qū)間而自動(dòng)

改變風(fēng)速[1]。該設(shè)計(jì)主要是根據(jù)環(huán)境溫度在不同的溫度區(qū)間時(shí)，單片機(jī)輸出不同的PWM脈寬的方式來控制風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)了智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，為現(xiàn)代社會(huì)人們的生活和生產(chǎn)帶來了更多便利，符合當(dāng)代節(jié)能減排的社會(huì)要求[2]。

1 ?系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)在對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量和采集方面，選用型號(hào)DS18B20的集成溫度傳感器，能夠以數(shù)字信號(hào)的格式輸出給單片機(jī)處理。溫度和風(fēng)扇檔位用LED八段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并通過PWM速度調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度的下限時(shí)，電機(jī)停止工作;當(dāng)溫度在上限和下限之間時(shí)，電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)溫度高于上限時(shí)，電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。并在預(yù)設(shè)溫度范圍的前提下，添加HC-SR501人體紅外傳感器模塊判斷周圍是否有人在活動(dòng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電路的通斷。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)框圖

Fig.1 ?The system block diagram

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)核心控制模塊、溫度傳感模塊、人體感應(yīng)模塊、獨(dú)立按鍵模塊、顯示模塊等幾個(gè)部分。

2.1 ?單片機(jī)最小系統(tǒng)

電源、晶振電路和復(fù)位電路是單片機(jī)的最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)復(fù)位與晶振電路

Fig.2 ?System reset and crystal oscillator circuit

本設(shè)計(jì)所選用的AT89C51單片機(jī)需要5V的供電系統(tǒng)，可以使用USB口輸出的5V直流直接供電。供電電路在40引腳和20引腳位置上。

XTAL1和XTAL2用于連接石英晶體和微調(diào)電容[3]。電容器C1為10 μF，C2和C3為30 pF，電阻器R6為10 k，晶體振蕩器為12 MHz。當(dāng)按下按鈕開關(guān)S1時(shí)，將重置系統(tǒng)。

2.2 ?溫度采集電路

溫度測(cè)量功能是通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部計(jì)數(shù)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)的，溫度寄存器中16位二進(jìn)制形式的值就是被測(cè)的溫度值。通過主機(jī)發(fā)送存儲(chǔ)器讀命令先讀取低位，再讀取高位。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內(nèi)用斜率累加器進(jìn)行補(bǔ)償[4]。在本系統(tǒng)中將DS18B20與單片機(jī)的P3.5口進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)溫度的采集。其與單片機(jī)的連接如圖3所示。

圖3 ?溫度采集電路

Fig.3 ?Temperature acquisition circuit

2.3 ?溫度設(shè)置按鍵電路

本系統(tǒng)設(shè)有3個(gè)獨(dú)立按鍵：S1、S2和S3，一端連接SCM的P1.0、P1.1、P1.2，另一端引腳接地，在按鍵按下時(shí)，產(chǎn)生低電平，使P1口作出反應(yīng)，完成溫度的設(shè)定，等系統(tǒng)上電后，以查詢的方式確定各按鍵狀態(tài)，進(jìn)行設(shè)置。其接線圖如圖4所示。

圖4 ?溫度設(shè)置按鍵電路

Fig.4 ?Temperature setting key circuit

2.4 ?數(shù)碼管顯示電路

本系統(tǒng)溫度顯示模塊選用了共陰極4位數(shù)碼管，其中LED顯示的第一位實(shí)現(xiàn)了設(shè)定溫度“H”“L”以及當(dāng)前風(fēng)扇檔位“0”“1”“2”的顯示;LED顯示的第二位固定顯示“—”;LED顯示的第三第四位，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定溫度與實(shí)時(shí)溫度的顯示[5]。在 ? 設(shè)計(jì)時(shí)，為使單片機(jī)的P0口能夠輸出高低電平， ?P0口需接一個(gè)1K的上拉電阻。數(shù)碼管的位選引 ?腳為S1～S4，它們與單片機(jī)的P2.1～P2.4相連接，只要單片機(jī)引腳輸出低電平，就能選中與引腳對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管位。顯示電路與單片機(jī)引腳的連接圖如圖5所示。

圖5 ?數(shù)碼管顯示電路

Fig.5 ?Display circuit of LED

2.5 ?風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路

本系統(tǒng)中風(fēng)扇電機(jī)的速度是根據(jù)單片機(jī)輸出的PWM脈沖控制實(shí)現(xiàn)的[6]。按鍵控制設(shè)置溫度范圍，由單片機(jī)通過P2.7口輸出的PWM脈沖控制中速、高速兩檔轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與啟停的自動(dòng)控制。風(fēng)扇電機(jī)的一端接PNP三極管集電極，另一端接地。電機(jī)驅(qū)動(dòng)及調(diào)速電路圖如圖6所示。

圖6 ?風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路

Fig.6 ?Fan motor drive and speed control circuit

2.6 ?人體紅外感應(yīng)電路

在本系統(tǒng)中，人體紅外感應(yīng)模塊OUT腳接單片機(jī)P3.5引腳，風(fēng)扇的啟動(dòng)和停止由其高低電平輸出控制[7]。采用重復(fù)觸發(fā)方式，從人體出現(xiàn)并保持活動(dòng)，到離開前期間，感應(yīng)模塊一直輸出高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖絒8]。人體紅外感應(yīng)電路如圖7所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序需要實(shí)現(xiàn)的函數(shù)功能有系統(tǒng)初始化、各子模塊初始化、溫度讀取及溫度顯示功能，按鍵掃描功能，溫度處理判斷功能和風(fēng)扇電機(jī)控制功能。

本程序的流程圖如圖8所示。

圖7 ?人體紅外感應(yīng)電路

Fig.7 ?Infrared induction circuit of human body

圖8 ?主程序流程圖

Fig.8 ?The main program flow chart

4 ?系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

本系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行編寫，在KeiluVision5環(huán)境下對(duì)程序進(jìn)行編譯，調(diào)試。KeilC51是美國KeilSoftware公司開發(fā)的51系列兼容單片機(jī)C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)，它擁有豐富的庫函數(shù)，提供了強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以大大提高程序編輯調(diào)試的效率，高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)在大型軟件的開發(fā)中尤為突出[9]。

仿真工具采用Proteus ISIS。Proteus有4個(gè)功能模塊：智能原理圖設(shè)計(jì)、完善的電路仿真功能、實(shí)用的PCB設(shè)計(jì)平臺(tái)以及獨(dú)特的單片機(jī)協(xié)同仿真功能。它不僅能實(shí)現(xiàn)各種類型電路（模電、數(shù)電、模數(shù)混合）的設(shè)計(jì)與仿真，而且能為SCM應(yīng)用系統(tǒng)提供方便的軟、硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)操作的虛擬仿真[10]。

連接好原理圖后，將編譯好的程序加載進(jìn)去。通過設(shè)置最低溫度20℃，最高溫度30℃，最后根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分步仿真。

將溫度傳感器的溫度調(diào)節(jié)到19℃，單擊開始按鈕，觸發(fā)人體感應(yīng)按鈕，系統(tǒng)開始模擬，可觀察到風(fēng)扇并未轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖9所示。

圖9 ?溫度為19℃時(shí)仿真效果圖

Fig.9 ?Simulation effect diagram at 19℃

當(dāng)溫度傳感器的溫度調(diào)節(jié)到25℃時(shí)，單擊開始按鈕，觸發(fā)人體感應(yīng)按鈕，系統(tǒng)開始模擬，待一段時(shí)間穩(wěn)定后，觀察到風(fēng)扇在慢速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖10所示。

圖10 ?溫度為25℃時(shí)仿真效果圖

Fig.10 ?Simulation effect diagram at 25℃

當(dāng)溫度傳感器的溫度設(shè)置為32℃時(shí)，單擊開始按鈕，觸發(fā)人體感應(yīng)按鈕，系統(tǒng)開始模擬，觀察到此時(shí)風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖11所示。

圖11 ?溫度為32℃時(shí)仿真效果圖

Fig.11 ?Simulation effect diagram at 32℃

在仿真環(huán)境中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨溫度的增大而加快。本設(shè)計(jì)設(shè)置了3個(gè)工作溫度區(qū)間，當(dāng)環(huán)境溫度<下限溫度時(shí)，風(fēng)扇未啟動(dòng);當(dāng)下限溫度<環(huán)境溫度<上限溫度時(shí)，風(fēng)扇慢速轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)環(huán)境溫度>上限溫度時(shí)，風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動(dòng)。

5 ?結(jié)論

本系統(tǒng)的控制核心為STC89C51單片機(jī)，DS18B20集成數(shù)字溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，并根據(jù)環(huán)境溫度的變化實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的不同轉(zhuǎn)速。通過LED數(shù)碼管連續(xù)顯示設(shè)定數(shù)據(jù)和系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)可以擴(kuò)展到各種系統(tǒng)的電機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)速度調(diào)節(jié)。在生產(chǎn)和生活中，該系統(tǒng)既可用于日常的風(fēng)扇控制，為生活帶來便利，也可以用于工業(yè)生產(chǎn)中，從而實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)控制。總之，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和生活可提供便利。

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