基于51單片機的智能溫控風(fēng)扇設(shè)計

顏雨珊

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211200）

0 引 言

基于51單片機設(shè)計的智能溫控風(fēng)扇是利用單片機系統(tǒng)、溫度傳感器和液晶顯示器等組成的控制系統(tǒng)，主要是通過智能溫控器來實現(xiàn)對溫度的控制。溫控器的特點是可以輸出溫度數(shù)據(jù)和相關(guān)的溫度控制量，在硬件的基礎(chǔ)上通過軟件來實現(xiàn)測試控制的功能。而且用戶可以通過智能溫控技術(shù)實現(xiàn)便捷地控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，同時可以利用遙控器和按鍵控制風(fēng)扇，從而解決了用戶無法遠(yuǎn)程操控風(fēng)扇的問題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)輸入端主要包括紅外信號檢測控制模塊、實時控制時鐘模塊、溫度自動檢測控制器模塊和紅外遙控模塊等共同組成。通過采集計算機外部輸入環(huán)境數(shù)據(jù)信息和計算機外部的輸入狀態(tài)數(shù)據(jù)，把單片機智能電機控制原理應(yīng)用于現(xiàn)代家用電器調(diào)速的過程控制裝置中，將一臺電風(fēng)扇內(nèi)的風(fēng)扇電機轉(zhuǎn)速作為一個被調(diào)節(jié)控制變量，由單片機實時分析傳感器采集測量到的相應(yīng)數(shù)字溫度信號，控制系統(tǒng)再通過可控制單片機對其風(fēng)扇電機參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)速，從而真正達(dá)到無須人為控制便可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)風(fēng)速等級的理想效果。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 DS18B20的溫度處理

DS18B20型水溫感應(yīng)器，是按照國家DALLAS半導(dǎo)體公司系列單片微式計算機最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)并推出的另一個改進(jìn)型智能水質(zhì)感應(yīng)器，和傳統(tǒng)的熱敏電阻儀表以及其他被動智能檢測的水溫類儀表元件產(chǎn)品一樣，可直接快速地讀出儀表所測溫度。DS18B20數(shù)字溫度傳感器可以定期或持續(xù)收集所檢測到的現(xiàn)場最大溫度值，以及經(jīng)過持續(xù)檢測后所接收檢測到的實際溫度數(shù)值，自動返回發(fā)送到一個裝在AT89C51單片機控制器模塊上的P2.4口，在通過單片機程序運算處理工作并進(jìn)行計算后，可以直接表示出現(xiàn)場的當(dāng)前最高溫度值，并據(jù)此差值與現(xiàn)場原始設(shè)計的當(dāng)前最高實時溫度值間對應(yīng)的原始設(shè)計的實際上下溫度限值間值作對比，如果此比值仍高于現(xiàn)場所設(shè)計實際溫度的上限值，接近或其預(yù)測值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原來所設(shè)定值的實際下限值時，將會自動地監(jiān)控步進(jìn)電機的速度并自動進(jìn)行實時地調(diào)節(jié)。

3 51單片機

51單片機作為測溫自動控制的系統(tǒng)核心，以一種純單片機軟件編程和控制的簡單方法來自動地進(jìn)行動作溫度值的判斷，并自動地在各個端口范圍內(nèi)輸出各種測溫及控制動作溫度記號。通過此軟件所編寫成的打印程序既不顯得復(fù)雜，用戶也能方便快速地將在溫度傳感器表面上所感測到的各種動作溫度數(shù)值信息通過溫度儀表顯示及打印顯示出來，而且也使用戶每天都可以同時通過兩個鍵盤接口，自由地選擇要設(shè)置打印的各種上下限動作溫度值，滿足其全方位的控制管理的需求。并且通過溫度測序方法判斷的溫度微小變化也具有高度可靠性和精準(zhǔn)度，能迅速、精確地把握環(huán)境溫度曲線上出現(xiàn)的某一個微小的溫度變化。

4 液晶顯示模塊

LCD1602點陣字符型點陣顯示液晶模組是指一種可由專門廠家制造的、用來直接顯示各種字母、數(shù)字、符號圖形等內(nèi)容的點陣型液晶模塊。產(chǎn)品外形設(shè)計原理是利用LCD1602數(shù)碼來分別表示出空調(diào)房間的實際溫度范圍和電風(fēng)扇的預(yù)設(shè)溫度檔位，其主要引腳作用如下：第3腳叫VO是液晶顯示屏對比度的調(diào)整輸出端子，第5腳R/W是讀寫信號線，高電平讀寫操作，低電平讀寫操作。P2.5、P2.6分別接LCD1602的RS、RW端。LCD工作狀態(tài)如表1所示。

表1 LCD工作狀態(tài)

5 紅外遙控模塊

5.1 紅外遙控原理

可見光按照紅外線波段范圍劃分，由短至長的順序排列分別為赤紅橙黃綠青藍(lán)紫，其中紅光的紅外波段范圍一般約為0.62 μm～0.76 μm，比紅光波段長一些的稱為遠(yuǎn)紅外線。遠(yuǎn)紅外線的無線遙控系統(tǒng)利用在0.76 μm～1.5 μm范圍內(nèi)的遠(yuǎn)紅外光束實現(xiàn)遠(yuǎn)程信號的傳送與接收。常用的遠(yuǎn)距離紅外信號控制系統(tǒng)一般分為發(fā)射與控制兩個重要部分。紅外遙控系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收電路一般由二極管、三極管以及硅太陽能電池片構(gòu)成，該電路把紅外線光電信號轉(zhuǎn)化為光伏發(fā)電信息，再送到增益放大器，從而完成紅外后續(xù)檢測電路參數(shù)、視頻放大和譯碼信息轉(zhuǎn)換處理等電路的運算。

5.2 紅外發(fā)射端

發(fā)射端設(shè)備控制系統(tǒng)一般由發(fā)射命令按鍵、指令編碼系統(tǒng)、經(jīng)調(diào)制與放大的信號電路、驅(qū)動器電路、發(fā)射功率放大系統(tǒng)電路等主要的幾部分共同構(gòu)成，在收到發(fā)射器按下的發(fā)射命令按鍵時，指令編碼電路會對產(chǎn)生接收發(fā)射機輸出功率所需的特定頻段信息的放大調(diào)制為指令編碼信號，然后調(diào)制系統(tǒng)對收到的射頻信息載體功率值進(jìn)行放大和調(diào)節(jié)，利用大功率驅(qū)動電路控制輸出功率，最后發(fā)射系統(tǒng)向外發(fā)送信號。

（1）技術(shù)參數(shù)。遙控距離：10 m～18 m（直線無障礙距離）；發(fā)射管紅外波長：940 nm；晶振：振蕩頻率455 kHz；紅外載波頻率：38 kHz。（2）指令碼。指令碼與遙控板按鍵是一一相對的數(shù)字。每一串紅外鼠標(biāo)命令碼代表保存著的其中一種鼠標(biāo)編號數(shù)據(jù)信息，接著紅外計算機系統(tǒng)又將該編號數(shù)據(jù)信息按自動方法調(diào)節(jié)，并傳遞到下一次的紅外接收端載波受理機上，再經(jīng)過最后一次的紅外發(fā)射端接受機時再反復(fù)地傳遞出去。鼠標(biāo)命令碼如表2所示。

表2 遙控按鍵指令碼對應(yīng)表

接收端信號的放大系統(tǒng)一般在架構(gòu)上可概括為信號源接收與輸出的變換電路、放大與濾波電路、調(diào)制信號輸入轉(zhuǎn)換電路、指令譯碼電路、驅(qū)動控制電路、執(zhí)行和輸入變換電路單元系統(tǒng)等主要電路塊系統(tǒng)。由于一般大功率紅外脈沖發(fā)光的放大二極管發(fā)出的紅外發(fā)射脈沖功率值通常都比較小，所以使用普通大功率紅外脈沖接收二極管時所接收的發(fā)光脈沖信號也往往比較微弱。調(diào)制還原電路把信號進(jìn)行調(diào)制還原，得到解碼指令信息后在信號機上傳送，并將其保存。解碼指令信息二次運算或放大后傳送至信號解調(diào)電路。解調(diào)器電 路把指令編碼信息重新進(jìn)行解調(diào)，并全部還原被調(diào)制的編碼信息。指令譯碼機把被解碼指令信息全部重新解碼并進(jìn)行指令譯碼，最后再轉(zhuǎn)送到驅(qū)動芯片和指令電路，實現(xiàn)對單片機控制系統(tǒng)內(nèi)所有未解碼指令信息統(tǒng)一指令操作的控制系統(tǒng)。

（1）技術(shù)參數(shù)。工作電壓：3 V～5 V；接收距離：10 m～20 m。（2）封裝及其電路。MYS-1838型的收音頭使用鐵皮屏蔽。技術(shù)參數(shù)基本設(shè)置參數(shù)中三只供電接腳的區(qū)別是3腳：開關(guān)電源的輸入正流壓力值（VDD）的和，2腳：開關(guān)電源的輸出負(fù)壓力值（GND）之和，1腳：數(shù)據(jù)的輸出壓力（VOUT）。

6 PWM脈沖

工作原理是，在單片機中使用一個1 kΩ電阻的R4來對充氣三極管輸入與輸出電平范圍做出一種限定，只有在一臺單片機給予電機極高電平信號輸入的時刻（8050是高電平導(dǎo)通）或者8050以上的時刻，三極管電路才會被導(dǎo)通。這種時候接VCC電壓和GND電壓已經(jīng)直接被導(dǎo)通，所以10 kΩ的電壓在此處也只能用來上拉（只要不接VCC電壓，那么直接導(dǎo)通8050就沒法實現(xiàn)限制），8550電阻此時只能用來完成一些正常的管理工作，仍需要我們使用編程來完成其他的管理，在這段時間范圍內(nèi)只可以使用功能編程所限制的8050高電平脈沖，從而限制了驅(qū)使M1運行管理工作擴(kuò)大電壓的頻次（8550是擴(kuò)大電壓，驅(qū)使M1運行管理工作，實際限制也只是8050在規(guī)定時限內(nèi)使用高電平的頻次）。風(fēng)扇控制電路如圖2所示。

圖2 風(fēng)扇控制電路

7 系統(tǒng)軟件程序的編譯與仿真

使用Keil公司的uvision軟件對程序文檔進(jìn)行編輯，啟動軟件后，首先選擇文檔編輯設(shè)置中的目標(biāo)工程，并分別選定目標(biāo)工程選項，然后點擊Build命令或target命令等來實現(xiàn)對源程序的文檔進(jìn)行編輯。一旦該程序中發(fā)生任何一個警告錯誤或出錯，就表明編譯器需要及時檢查和調(diào)整，代碼才能使編譯為該程序的文件顯得更加合理，直到文件完全編譯完成。程序文檔的編譯界面如圖3所示。

圖3 程序編譯界面

使用Proteus軟件對智能溫控風(fēng)扇進(jìn)行仿真，首先打開Proteus軟件繪制仿真圖，然后將Keiluvision軟件中的程序?qū)氲椒抡鎴D中的51單片機中，然后模擬運行，若無法正常運行，則需要檢查電路是否連接正確、程序是否編寫錯誤，直至可以正常運行。軟件的仿真圖如圖4所示。

圖4 軟件仿真圖

8 綜合調(diào)試

系統(tǒng)硬件焊接安裝工作制作完畢，系統(tǒng)軟件焊接調(diào)試和安裝調(diào)試工作完成后，將燒錄的文檔保存在單片機硬盤文件夾中，系統(tǒng)硬盤自動從上掉下一次電并自動正常開始系統(tǒng)工作，操作時狀態(tài)指示燈會點亮；遙控板孔內(nèi)均鍵入到一定位置的遙控命令信息，而接收端在收到遙控命令信息后，蜂鳴器內(nèi)立即響應(yīng)發(fā)射了遙控命令的信息提示音，此系統(tǒng)能更加準(zhǔn)確和迅速便捷的地讀出所要進(jìn)行任務(wù)的全部遙控命令操作和結(jié)果。

系統(tǒng)控制器被手動設(shè)置為自動感溫模塊，在遙控的定時工作結(jié)束之后，開機控制風(fēng)扇，風(fēng)扇電機首先會進(jìn)入PWM脈沖的控制風(fēng)扇輸出信號，接著會以一個固態(tài)繼電器信號來進(jìn)行驅(qū)動所控制的風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，并能以與其溫度對應(yīng)轉(zhuǎn)速等級改變的控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行控制轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)控制器就完全能達(dá)到自動實時的監(jiān)控效率，并具有安全可靠性。用圖5的曲線方法，來模擬感應(yīng)風(fēng)扇溫度的變化，而隨之形成的就是PWM的脈寬電流的改變，以及風(fēng)扇速度等級的改變。當(dāng)感應(yīng)風(fēng)扇溫度的劇烈改變，PWM的變化頻率和占空比都將逐漸提高，如圖6所示，而風(fēng)扇速度級別也變得越來越高；而同樣，當(dāng)風(fēng)扇溫度的急劇改變頻率越來越快，PWM占空比變換的頻率改變也會越快；而速度級別的變換，使得速度改變也會越快，如圖7所示。

圖5 溫度的變化

圖6 PWM波形

圖7 風(fēng)扇速度

9 結(jié) 論

本階段論文著重對電風(fēng)扇技術(shù)做了全面的分析介紹，利用以STC89C51單片機模塊為主要功能的風(fēng)扇控制件，結(jié)合PWM單片機控制和固態(tài)繼電器可實現(xiàn)風(fēng)扇同步調(diào)速功能和遙控信號發(fā)射與接收控制功能，溫度、實時和時鐘顯示功能的友好簡潔的人機信息交互操作界面，成功可靠地實現(xiàn)控制實現(xiàn)了電風(fēng)扇額定啟動電壓等級為直流220 V、額定消耗功率等級為直流電45 W、風(fēng)扇系統(tǒng)的定時自動啟停系統(tǒng)及風(fēng)扇自動同步調(diào)速控制等；特別是在軟件開發(fā)設(shè)計實踐中，采用了C語言和編程控制的技術(shù)用于解決人們生產(chǎn)、生活應(yīng)用中面臨的很多實際編程問題，大大方便了人們的生活。