基于多傳感器的智能溫控風扇調速控制器設計

摘要：文中設計了一個基于多傳感器的自動識別溫控調速風扇控制器，解決風扇因晝夜不同、溫度不同時的自動控制問題。文中從系統總體設計、溫控調速的硬件設計、智能溫控的軟件設計等方面闡述了基于多傳感器的單片機智能控制風扇系統。經實驗運行證明，所實現的多模式智能風扇控制器設計合理、節能環保，有較好的應用前景。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271647.htm

關鍵詞：自動識別；多傳感器；溫控調速

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.012

基金項目：河南省重點科技攻關項目（142102210225）；平頂山學院青年科研基金資助項目

李圣普（1983-），男，碩士，講師，研究方向：物聯網技術及應用。王小輝（1980-），女，碩士，講師，研究方向：人工智能及應用。

1 智能溫控風扇系統的總體設計

智能溫控風扇系統采用如圖1所示的結構，該系統綜合應用了人體紅外檢測模塊、STC12C5A60S2處理芯片、光敏傳感器模塊、空氣溫度檢測模塊、LCD1602液晶顯示模塊和風扇轉速調整模塊六個基本功能模塊。下面介紹幾個主要模塊的設計。

1.1 人體紅外檢測模塊設計

本設計的一個重點是自動感應是否有人在風扇附近，進而決定采用何種工作狀態，因此人體感應是系統核心設計環節，對整個系統影響很大。本文采用了HC-SR501模塊，它可以快速準確的檢測到人體正常溫度釋放的紅外線，并且反應比較快，有較好的可靠度，在控制系統中應用比較廣泛。當有人體進入其感應范圍（前方7m以內，120°椎角空間）后，經過一段時間（o.3秒到18秒）的延時，它就會輸出一個高電平，并將一直保持這個狀態，當檢測范圍內沒有人體時，它的輸出變為低電平。這樣它會給繼電器控制提供控制信號，并進啟動或判斷處理芯片的電源。

1.2 溫度檢測模塊設計

當智能溫控風扇系統的系統檢測到有人靠近以后還要判斷當前環境溫度，以確定工作狀態，因此還需要檢測環境溫度。在這里采用了常用的DS18820傳感器來檢測環境溫度。該傳感器工作性能比較好，采用單總線傳輸數據，可以節省接口，反應比較快捷，工作范圍廣泛，溫度轉換僅需要750ms，完全能夠滿足系統需求，并且價格比較便宜。它的工作原理如圖2所示。圖2中所示的斜率累加器可以用來修正并補償測溫過程中的非線性，它的輸出數據可以用于對計數器1的預置值進行修正。

1.3 風扇調速模塊設計

智能溫控風扇系統的風扇調速利用了STC12C5A60S2這款單片機處理芯片的PCA模塊，對單片機進行軟件程序編程，控制PCA模塊工作狀態，使其在8位PWM模式下工作。通過改變PWM脈沖的占空比，可以調節控制電機轉速。由單片機P1.3作為PWM脈沖輸出端口，輸入到L298N的其中一個輸入端口ENA。電機的轉動可以給系統帶來相關干擾，在設計中在其兩端加合適的電容，這樣可以把干擾雜波有效地過濾掉。

為了去除電機接轉動給系統程序帶來的干擾，在電機的兩端接上電容濾去雜波。

2 溫控調速的硬件設計

2.1 控制系統

為了充分發揮單片機自身具有的功能，減少成本，簡化電路，利用單片機自帶的AD轉換器。以及具有PWM功能的引腳作為風扇的速度控制，風扇控制系統原理圖設計如圖3所示、PCB設計如圖4所示。

系統的控制核心是STC12C5A60S2單片機，它內部帶有8路10位的AD轉換器。其中PlO-P17均可通過控制字設置為AD轉換器。這里采用其中的一路P14引腳作為溫度模擬量的信號輸入端：P13引腳設置為PWM輸出方式。

2.2 PWM風扇調速系統

脈寬調制（PWM，Pulse WidthModulation）是一種可以通關軟件編程來控制輸出波形的占空比，也可以通過軟件編程控制輸出波形的周期以及相位波形的方法，這個技術在三個相位的電動機的驅動等場合應用得比較多。STC公司生產的STC12C5A60S2系列微處理芯片的PCA模塊可以通過軟件編程，讓它以8位PWM工作。PWM模塊的結構如圖5所示。

單片機P13腳輸出脈沖信號，將P13腳信號的值存在CCAPOL寄存器里，與寄存器CL里的值進行比較，當寄存器CL的值小于[EPCnL，CCAPnL]時，輸出為低；當CL特殊寄存器CL的值等于或大于[EPCnL，CCAPnL]時，輸出信號是高電平。如果CL的值由最大的FF變成最小oo時，[EPCnH，CCAPnH]裝的內容轉移到[EPCnL，CCAPnL]里面。采用這樣的方法來實現無干擾的更新PWM。當應用到PWM工作模式時，寄存器CCAPMn的ECOMn和PWMn位要置位。

STC公司生產的STC12C5A60S2系列微處理芯片采用八位PWM，它的頻率計算可采用PCA時鐘輸入源頻率比上256。

2.3 AD轉換器的結構

STC公司生產的STC12C5A60AD/S2系列單片機具有A/D轉換能力，在設計中可以將普通Pl口通過相關寄存器修改設置為A/D轉換口，開啟芯片的A/D轉換功能。這時可以將其視為一個8路A/D轉換器，它的轉換速度比較高，可以達到250KHz。當然，該系列的單片機的Pl口在上電復位時為弱上拉型普通I/O口，用戶可以依據系統的實際需要，將8路中的任何一個或多個口設置為A/D轉換，其它未開啟A/D轉換功能的端口仍然作為I/O口使用。AD轉換器的結構如圖6所示。

3 智能溫控的軟件設計 軟件的作用是要完成智能溫控的目標。智能溫控的軟件設計主要分為五大部分：溫度檢測與讀寫程序、PWM脈寬調制程序、LCD1602顯示程序、光敏檢測光線程序、AD采集DS18820輸入/輸出端的電壓。系統工作流程圖如圖7所示。

如果人體感應模塊檢測到人體后通過繼電器啟動單片機電源開關，系統將自動檢測環境溫度，并在LCD1602上顯示溫度信息和DS18820輸入/輸出端的電壓。光敏傳感器通過檢測光線是否達到設定值，判定環境是處于白天還是夜晚，然后單片機將根據環境的溫度來判別風扇的轉速和轉動的模式。

4 結語

基于多傳感器的自動識別溫控風扇設計合理、系統完善、體積小、重量輕、成本低廉、節能環保，經實驗運行良好，有較好的應用前景。