基于51單片機(jī)的智能溫控風(fēng)扇設(shè)計(jì)

黃浚恒，李 冶，劉賓坤

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116000）

0 引 言

散熱風(fēng)扇在生活中是不可或缺的，但是只依靠人工手動(dòng)地開(kāi)啟與停止風(fēng)扇是比較繁瑣的，而且也不能精確地感知周?chē)臏囟?，所以加入單片機(jī)對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行控制是一種更有效和更方便的方法。現(xiàn)如今很多人利用單片機(jī)控制風(fēng)扇進(jìn)行散熱，比如在電腦機(jī)房里，考慮到線路問(wèn)題，室內(nèi)溫度不能太高，這種情況下為了保證電路的穩(wěn)定性和可靠性，就可以考慮采用單片機(jī)控制風(fēng)扇這種方式。為此，本文設(shè)計(jì)了一種智能溫度控制風(fēng)扇，此裝置通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)溫度并且用單片機(jī)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

1 溫控風(fēng)扇系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

溫控風(fēng)扇系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路、5 V電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LCD顯示、溫度采集電路、獨(dú)立按鍵電路、風(fēng)扇控制電路、蜂鳴器提示電路組成。

微處理器模塊：STC89C51單片機(jī)擁有32位雙向輸入輸出線、2個(gè)16位定時(shí)器、5個(gè)中斷源、1個(gè)全雙工的異步串行口，具有抗干擾能力強(qiáng)、寬電壓、不怕電源抖動(dòng)的特點(diǎn)。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源電路和STC89C51單片機(jī)組成。其中時(shí)鐘電路提供的時(shí)鐘信號(hào)為單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)；復(fù)位電路是為了使單片機(jī)回到原始狀態(tài)重新執(zhí)行程序；5 V電源主要為單片機(jī)供電以保證其正常工作。

顯示模塊：LCD顯示模塊可以只用D4～D7作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送，能節(jié)省I/O口資源；顯示屏能顯示32個(gè)字符，即2行16個(gè)字符；有8位數(shù)據(jù)總線和3個(gè)控制端口，可以調(diào)節(jié)對(duì)比度和背光。LCD1602是一種顯示字母、數(shù)字、符號(hào)的點(diǎn)陣型液晶模塊。顯示內(nèi)容分兩種：一種是常用字符，存儲(chǔ)在CGROM中，用戶可以直接調(diào)用；另一種是自定義的字符，同樣存儲(chǔ)在CGROM中。在LCD顯示模塊中，當(dāng)輸入的接口信號(hào)RS=0、RW=1時(shí)，引腳E輸出高電平，輸出的D0～D7為狀態(tài)字，此時(shí)為讀狀態(tài)模式；當(dāng)輸入的RS=1、RW=1時(shí)，E輸出高電平，輸出的D0～D7為數(shù)據(jù)，此時(shí)為讀數(shù)據(jù)模式；當(dāng)輸入的RS=0、RW=0時(shí)，E輸出低電平，此時(shí)為寫(xiě)命令模式；當(dāng)輸入的RS=1、RW=0時(shí)，E輸出低電平，此時(shí)為讀命令模式。

溫度采集模塊：系統(tǒng)采用的DS18B20溫度傳感器有64位ROM、溫度傳感器、溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL三個(gè)主要數(shù)字部件，具有非易失性用戶可編程上限的報(bào)警功能和較低的觸發(fā)點(diǎn)，只需要一根總線與微處理器進(jìn)行連接；還可以直接從數(shù)據(jù)線供電，無(wú)需外部電源。每個(gè)DS18B20溫度傳感器都許可多個(gè)DS18B20在同一總線上運(yùn)行，因此使用一個(gè)單片機(jī)就可以很簡(jiǎn)單地控制大面積的DS18B20，可以用在工業(yè)系統(tǒng)、熱敏系統(tǒng)、溫度監(jiān)控系統(tǒng)上。DS18B20在一條線的單個(gè)端口條件下要先建立一個(gè)協(xié)議，才可對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作處理；一條指令對(duì)DS18B20進(jìn)行一次溫度測(cè)量，將所測(cè)量的結(jié)果放到暫存器中，可以用一條讀指令把暫存器中的數(shù)據(jù)讀出。DS18B20通過(guò)一個(gè)振蕩器來(lái)確定一個(gè)門(mén)周期，計(jì)數(shù)器在周期內(nèi)對(duì)這個(gè)振蕩器所產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)得到相對(duì)應(yīng)的溫度值。

按鍵模塊：按鍵一端與單片機(jī)的I/O口相連接，另一端與地相連接。單片機(jī)的I/O在沒(méi)有作為輸出的情況下默認(rèn)高電平，當(dāng)按鍵按下后相當(dāng)于I/O口短接電源地，這種按鍵的接觸方式會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的情況，所以在程序中需要適當(dāng)?shù)丶由隙虝旱难訒r(shí)消抖。通過(guò)檢測(cè)I/O口是否會(huì)出現(xiàn)低電平并進(jìn)行消抖就可以判斷是否有按鍵按下，再執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能。設(shè)置鍵的作用是能在加值鍵和減值鍵之間進(jìn)行切換，方便控制溫度值的范圍。加值鍵能調(diào)整溫度的上限值，減值鍵能調(diào)整溫度的下限值。三個(gè)按鍵的功能如下：

（1）第一個(gè)位置的按鍵：按下后進(jìn)入上下限設(shè)置。

（2）第二個(gè)位置的按鍵：在所對(duì)應(yīng)的模式下，對(duì)應(yīng)參數(shù)加1。

（3）第三個(gè)位置的按鍵：在所對(duì)應(yīng)的模式下，對(duì)應(yīng)參數(shù)減1。

驅(qū)動(dòng)模塊：采用了L9110S電機(jī)驅(qū)動(dòng)，L9110是為控制電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)而設(shè)置的一個(gè)兩通道推挽式功率放大集成器件，其特點(diǎn)是：具有較低的飽和壓降；TTL/CMOS輸出電平可以直接連接CPU，并且具有比較好的抗干擾性；低靜態(tài)的工作電流；內(nèi)置的鉗位二極管能夠釋放出反向沖擊的電流，使其在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)時(shí)更安全可靠。兩個(gè)輸出的電平可以驅(qū)使電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，L9110的IA引腳接高電平，單片機(jī)的I/O口接IB引腳，所以單片機(jī)I/O口輸出低電平時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)I/O口輸出高電平時(shí)電機(jī)停止。

蜂鳴器模塊：蜂鳴器選用5 V的電磁式有源蜂鳴器，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致單片機(jī)的I/O口無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)，所以要利用三極管開(kāi)關(guān)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。本文選用的是8550三極管，它是一個(gè)PNP型的三極管。當(dāng)I/O口輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響起；當(dāng)I/O口輸出高電平時(shí)，三極管截止，蜂鳴器也停止響聲。

2 溫控風(fēng)扇系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器采集周?chē)h(huán)境的溫度，將采集到的溫度轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)，把溫度信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行加工處理并輸出到顯示屏中，在顯示屏上顯示出當(dāng)前的溫度數(shù)值，調(diào)用風(fēng)扇的控制函數(shù)，進(jìn)而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速大小。當(dāng)所測(cè)的溫度超出設(shè)定的溫度閾值時(shí)，風(fēng)扇為最高轉(zhuǎn)速，蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)所測(cè)的溫度處于設(shè)定的溫度閾值之間時(shí)，風(fēng)扇為正常轉(zhuǎn)速，蜂鳴器停止；當(dāng)所測(cè)的溫度值低于設(shè)定的溫度閾值時(shí)，風(fēng)扇停止，蜂鳴器停止。主程序流程如圖1所示。

圖1 主程序流程

3 電路仿真

使用Proteus制作出原理圖，選擇程序后運(yùn)行加載程序，得到的結(jié)果如圖2所示。當(dāng)前環(huán)境溫度為28.12 ℃，處于設(shè)置的溫度上限值和下限值之間，蜂鳴器停止，風(fēng)扇低速轉(zhuǎn)動(dòng)，LED燈亮，通過(guò)加值鍵和減值鍵調(diào)整溫度閾值來(lái)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。在仿真過(guò)程中添加一個(gè)上拉排阻，它的作用為：增強(qiáng)輸出引腳的驅(qū)動(dòng)能力，提高輸出電平；提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限，增強(qiáng)抗干擾能力，提高輸出的高電平值。

圖2 Proteus仿真圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的軟件方面通過(guò)Keil軟件進(jìn)行編寫(xiě)，將編寫(xiě)好的程序生成.HEX文件后通過(guò)下載器下載到單片機(jī)中。通過(guò)觀察整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，然后對(duì)程序進(jìn)行修改和調(diào)試，最終能夠獲到一個(gè)完整的程序。在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)按鍵按下抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生誤差，致使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，所以加入延時(shí)函數(shù)判斷按鍵按下與松開(kāi)的狀態(tài)，以此來(lái)消除因抖動(dòng)帶來(lái)的誤差。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)顯示屏的亮度很低，不便于觀察，因此加入電位器、旋轉(zhuǎn)電位器可以調(diào)整顯示屏的對(duì)比度，使顯示屏更加明亮。為了使風(fēng)扇的溫度閾值能夠在加減鍵之間進(jìn)行切換，所以添加了一個(gè)設(shè)置切換按鍵。

5 結(jié) 語(yǔ)

在如今信息飛速發(fā)展的時(shí)代，單片機(jī)在各行各業(yè)里都是不可缺少的，人們靈活地使用單片機(jī)能增加許多工作效率。本文將51單片機(jī)與風(fēng)扇結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)，主要基于51單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，監(jiān)測(cè)到的溫度值會(huì)被返還給單片機(jī)；單片機(jī)通過(guò)分析和比較接收到的溫度值來(lái)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度并針對(duì)溫度變化做出相應(yīng)的調(diào)整措施，解決了以前需要人工操作且效率低下的問(wèn)題，為社會(huì)生產(chǎn)和生活提供了便利。