基于單片機(jī)的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳俊妍 肖祖文

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

1 概述

隨著科技的不斷發(fā)展，生活中的傳統(tǒng)家電也逐漸向著智能化變遷。電扇作為生活中必不可少的家電，人們也早已不滿足于傳統(tǒng)電扇溫度調(diào)節(jié)的固定模式，逐漸趨向于能夠通過(guò)溫度變化監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)智能化溫度調(diào)節(jié)控制的模式。傳統(tǒng)電扇雖然也推出了睡眠模式等，但是睡眠模式的溫度變化控制遵循的是固定溫度控制曲線，并不是根據(jù)實(shí)際室溫變化而進(jìn)行溫度控制。[1]對(duì)于生活生活水平、生活質(zhì)量不斷提高的用戶來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)電扇根本無(wú)法滿足人們對(duì)舒適感的最高要求。為適應(yīng)人們的需求，智能控制電風(fēng)扇也應(yīng)運(yùn)而生，我們已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的家用電風(fēng)扇系統(tǒng)做出了改進(jìn)，大大改善了傳統(tǒng)家用電風(fēng)扇無(wú)法隨著氣溫的變動(dòng)而調(diào)整風(fēng)速高低的問(wèn)題，并增加遠(yuǎn)程遙控功能，讓用戶能夠在不靠近風(fēng)扇的情況下進(jìn)行溫度設(shè)置。該智能溫控風(fēng)扇具有環(huán)保、智能、安全高效、方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)，將為人們的生活帶來(lái)便利。[2]

本設(shè)計(jì)以STC89C51 單片機(jī)為控制核心的智能控制風(fēng)扇，利用DS18B20 檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度，并傳送回主控單片機(jī)內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理。DS18B20 獲得的溫度控制數(shù)據(jù)之后通過(guò)PWM 驅(qū)動(dòng)原理，使溫度控制感應(yīng)器將所收集環(huán)境溫度與控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)的環(huán)境溫度相互比較。根據(jù)比較后結(jié)論，通過(guò)程序編程改變其占空比來(lái)確定風(fēng)速的大小以及運(yùn)行狀態(tài)。與此同時(shí)，該設(shè)計(jì)可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度，使用戶能夠清晰了解當(dāng)前溫度狀態(tài)，若溫度設(shè)置不符合用戶要求，可及時(shí)采用紅外遙控進(jìn)行溫度設(shè)置，并調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)力大小。本文中所設(shè)計(jì)的溫控風(fēng)扇改變了傳統(tǒng)風(fēng)扇性能簡(jiǎn)單，但智能性卻較差的弊端，可以大大提高人類的生活品質(zhì)以及對(duì)舒適度的高需求。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

考慮到智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用范圍，本次智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足以下幾個(gè)方面的因數(shù)：（1）性價(jià)比高；（2）可靠性高；（3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。為達(dá)到高性價(jià)比的特點(diǎn)，本產(chǎn)品設(shè)計(jì)主控芯片選用了性價(jià)比最高的單片機(jī)STC89C51，該芯片在能夠適應(yīng)系統(tǒng)的基本產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，還具備了各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。[3]

系統(tǒng)使用了STC89C51 單片機(jī)控制器為核心控制器，并通過(guò)DS18B20 作為溫度測(cè)量單元，以電機(jī)為主要執(zhí)行單元，同時(shí)還能夠通過(guò)LED 數(shù)碼管顯示器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度顯示。本系統(tǒng)的基本控制思想是：利用DS18B20 實(shí)時(shí)測(cè)量使用環(huán)境的當(dāng)前溫度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，利用PWM方式調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，能夠讓家用電風(fēng)扇隨周圍環(huán)境氣溫的改變而自行調(diào)整檔位，從而達(dá)到“溫度高、風(fēng)力大、氣溫低、風(fēng)力弱”的特性。當(dāng)所監(jiān)測(cè)到周圍環(huán)境氣溫小于其所設(shè)置的實(shí)際工作溫度控制時(shí)，家用電風(fēng)扇也將自行關(guān)掉，當(dāng)氣溫超過(guò)此實(shí)際工作溫度控制時(shí)家用電風(fēng)扇也將重新啟動(dòng)。此外，通過(guò)使用紅外線遙控裝置和按鈕均能夠完成所有功能的開啟、關(guān)閉和設(shè)置。智能控制電風(fēng)扇系統(tǒng)的總體構(gòu)成框圖，如圖1 所顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

系統(tǒng)核心控制模塊用來(lái)控制系統(tǒng)各模塊的正常工作，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其控制系統(tǒng)主要由單一微機(jī)及最小系統(tǒng)電路所組成。STC89C51 是系統(tǒng)可編程芯片，片內(nèi)含4K Bytes 的可重復(fù)擦寫一千次的Flash 只讀程序內(nèi)存，晶片內(nèi)整合了通用八位中央處理器和ISP Flash 內(nèi)存模塊，提供在系統(tǒng)可編程(ISP)特性。STC89C51 具備的低效率、抗干擾、低電流、高性能、超高的處理能力以及性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，給許多嵌入式系統(tǒng)提出了一個(gè)既靈活性大又廉價(jià)的方法。[4]

3.2 溫度檢測(cè)模塊

溫度采集模塊主要由溫度傳感器及其相關(guān)電路組成，用于讀取和發(fā)送室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。為實(shí)時(shí)精確無(wú)誤地獲取溫度參數(shù)，系統(tǒng)選擇DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，并及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片，隨后傳輸至LED 進(jìn)行顯示。DS18B20 溫度傳感器在測(cè)量室內(nèi)空氣溫度分布網(wǎng)絡(luò)中十分適用，提供了方便的組網(wǎng)功能，適合本系統(tǒng)的使用場(chǎng)合[5]。

DS18B20 是一款改進(jìn)型智能式溫度感應(yīng)器，和傳統(tǒng)的熱敏電阻一樣，它能夠?qū)崟r(shí)讀出被測(cè)溫度，D1S8B20的溫度檢測(cè)區(qū)域?yàn)?55℃～+125℃。而且由于DS18B20是單線接口讀寫模塊，溫度轉(zhuǎn)換功率直接來(lái)自于數(shù)據(jù)總線，而總線本身也能夠進(jìn)行給所連接的DS18B20 設(shè)備供電，并沒(méi)有額外供電，所以直接使用DS18B20 設(shè)備會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)便，且安全可靠[6]。

3.3 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊主要是由直流電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路所構(gòu)成的。電機(jī)的控制是采用PWM 波信號(hào)，由單片機(jī)改變PWM 占空比，從而控制三極管通斷，可完成從最大風(fēng)力調(diào)整到關(guān)閉的控制，并將最大風(fēng)力調(diào)整到從關(guān)閉無(wú)風(fēng)力至最大風(fēng)力之間的自由風(fēng)力，從而實(shí)現(xiàn)了“自由風(fēng)”。

當(dāng)STC89C51 接受到由數(shù)字溫度傳感器DS18B20 所測(cè)出的最高溫信息后，并進(jìn)行了相應(yīng)的運(yùn)算，當(dāng)測(cè)設(shè)環(huán)境溫度超過(guò)所設(shè)定的最高環(huán)境溫度后，發(fā)電機(jī)全速工作；當(dāng)被測(cè)量的環(huán)境溫度在所設(shè)最高環(huán)境溫度與所設(shè)最低溫度之間時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著溫度的升高而加；當(dāng)所測(cè)溫度低于所設(shè)最低溫度時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，若之后仍然溫度回升，電機(jī)再次緩慢運(yùn)行，開始轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用程序的方式來(lái)對(duì)PWM 信息的占空比進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而改善電機(jī)的速度。利用改變直流電機(jī)電樞上電流的“占空比”來(lái)實(shí)現(xiàn)了改變有效電流大小的目的，并以此來(lái)調(diào)整電機(jī)的速度，從而完成了對(duì)風(fēng)扇速度的調(diào)整[2]。

3.4 紅外遙控模塊

紅外遙控是一個(gè)無(wú)線、非接觸式的控制[7]，具備了抗干擾功能強(qiáng)，信號(hào)傳遞安全，耗電量少，成本低，易于實(shí)現(xiàn)等突出優(yōu)勢(shì)的，已被多種電子產(chǎn)品尤其是家電普遍使用，并越來(lái)越多的運(yùn)用在個(gè)人電腦和手機(jī)控制系統(tǒng)中。[8]本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上使用了紅外線的遙控控制，十分方便和人性化。

3.5 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

如圖2 為系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)，主要分為5 個(gè)模塊：主控模塊、溫度檢測(cè)模塊、電機(jī)控制模塊、紅外遙控模塊和顯示模塊。

圖2 系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序模塊為整個(gè)電路運(yùn)行主要思路和邏輯，其設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。首先完成系統(tǒng)的初始化，以保證系統(tǒng)各硬件和軟件模塊能正常運(yùn)行，隨后針對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)用并最終實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)功能。

圖3 主程序流程圖

溫度采集模塊初始化主要是完成對(duì)所讀取數(shù)據(jù)清零，以免出現(xiàn)讀取的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或者系統(tǒng)溫度采集失敗的現(xiàn)象。顯示子程序的初始化是對(duì)顯示參數(shù)值清零，便于用戶實(shí)時(shí)觀察溫度變化情況。

當(dāng)溫度采集模塊采集到室溫?cái)?shù)據(jù)后，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和處理，單片機(jī)處理分析之后再將數(shù)據(jù)信號(hào)輸出至電機(jī)程序模塊和顯示程序模塊。每一次讀取和處理數(shù)據(jù)之后，先將數(shù)據(jù)傳輸至顯示程序模塊，并由顯示程序模塊處理為數(shù)碼管顯示指令和語(yǔ)句，從而實(shí)現(xiàn)溫度值的顯示。因?yàn)殡娚葢?yīng)用場(chǎng)景中，室溫一般在10-50℃以內(nèi)，因此選用四位數(shù)碼管實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示溫度亦能夠滿足需求。與此同時(shí)，系統(tǒng)將設(shè)置的溫度上下限和接收的數(shù)據(jù)在單片機(jī)進(jìn)行分析判斷，若溫度超過(guò)上限，風(fēng)扇電機(jī)將全速運(yùn)轉(zhuǎn)，若溫度處于上下限之間，則電機(jī)緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，否則電機(jī)停轉(zhuǎn)。主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能不斷循環(huán)反復(fù)，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇速度的控制和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

5 實(shí)物測(cè)試

本系統(tǒng)我們采用Proteus 進(jìn)行模擬仿真，隨后進(jìn)行實(shí)物測(cè)試。實(shí)物測(cè)試前，在中央控制系統(tǒng)中利用在程序中預(yù)設(shè)上下限溫度，分別為15℃和32℃。剛開始起動(dòng)之時(shí)，對(duì)當(dāng)前的溫度進(jìn)行采集，然后將溫度信號(hào)送到單片機(jī)，并由數(shù)碼管屏幕顯示實(shí)際溫度數(shù)值。由實(shí)物明顯可以看見(jiàn)，當(dāng)溫度還未超過(guò)所設(shè)定的工作溫度下限時(shí)，電動(dòng)機(jī)是停止不轉(zhuǎn)的；如果溫度達(dá)到了溫度下限，電機(jī)這時(shí)自動(dòng)開始啟動(dòng)、緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著溫度逐漸升高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)越轉(zhuǎn)越快；當(dāng)實(shí)時(shí)溫度超過(guò)了溫度限制值時(shí)，這時(shí)電機(jī)開始全速運(yùn)轉(zhuǎn)，其實(shí)物測(cè)試效果如圖4。

圖4 實(shí)物效果圖

6 結(jié)論

為適應(yīng)現(xiàn)代人在炎炎夏日中對(duì)舒適度的高需求，并根據(jù)現(xiàn)代家居生活需求更偏向于的方便、環(huán)保、安全等特點(diǎn)，本文作者設(shè)計(jì)出了一個(gè)能夠隨著周圍溫度變化而自動(dòng)控制速度的風(fēng)扇系統(tǒng)，將智能控制與環(huán)保節(jié)能相結(jié)合，更加符合現(xiàn)代科技發(fā)展的大方向。該設(shè)計(jì)以單片機(jī)控制器STC89C51 為核心，使用了DS18B20 和數(shù)碼管的溫度采集與顯示方案，并同時(shí)應(yīng)用了PWM 電機(jī)調(diào)制原理和紅外無(wú)線遙控技術(shù)，具有控制功能齊備、耗電少、造價(jià)低、自動(dòng)化程度較高、原理和程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等的特點(diǎn)。