基于單片機的學生用智能電風扇控制系統的設計

李盛林

（廣東理工職業學院 廣東省廣州市 510091）

隨著生活水平的提高，人們對電子產品的需求向著智能化、可便攜的方向發展。本文設計的主要面向學生等群體的可遠程控制、智能調速的電風扇控制系統是一個以直流供電可遠程調控的系統，該系統能方便的在宿舍或者攜帶到教室、自修室等場所使用，很適合學生或者工作場所不固定的用戶群體，其需求量大，具有廣闊的市場。該系統還具有自動調速動作準確、平穩等優點。

1 系統設計

該智能風扇控制系統是一個閉環反饋控制系統，整個系統的設計包括硬件電路設計和軟件設計兩部分。

1.1 硬件電路設計

硬件電路的設計思路是：利用溫度傳感器檢測環境溫度并將該溫度信號傳遞給單片機，單片機把該溫度信號和用戶設置的溫度進行比較處理，根據處理的結果產生控制信號給PWM 電機驅動電路從而控制風扇電機。如果環境溫度比用戶設置的溫度高時，電機轉動，并且環境溫度越高，轉速越快；如果環境溫度低于或者等于設置溫度時，風扇電機就不轉動。該系統還能顯示溫度值和用戶設置時的狀態。

藍牙接收模塊把接收到的移動設備終端的藍牙通信信號傳遞給單片機，單片機根據該信號所設置的系統溫度與環境溫度產生相應的電機控制指令。

該系統還設計了復位按鍵、功能選擇按鍵、確定鍵、加按鍵、減按鍵等五個獨立按鍵用于系統的調控。為了實現通過使用便攜式移動設備終端的遠程控制，采用了藍牙通信的方式。

因此，該系統的硬件部分主要有：MCU、時鐘電路、溫度數據采集電路、顯示電路、PWM 驅動電路、直流電機等電路模塊。其系統框圖如圖1所示。

1.1.1 電源電路

考慮到為了能方便的在不同的環境中使用，并且所選用的電機的額定電壓為12V，所以該系統通過蓄電池或者外電源提供12V 直流電壓供電，然后利用LM7805 三端穩壓器進行降壓，得到+5V的直流電壓。同時，為了能夠使輸出電壓的精度與穩定度提高，避免由于負載變化等原因導致+5V 的輸出電壓出現改變，該電路在LM7805 的輸入、輸出端接有濾波電容器。其電源電路圖如圖2所示。

1.1.2 單片機（MCU）最小系統

圖1：系統結構框圖

圖2：電源電路

圖3：單片機最小系統圖

圖4：溫度傳感器電路

圖5：LCD 顯示屏的接口電路

圖6：直流電機及驅動電路

在本系統中的單片機（MCU）的功能是：用戶設置溫度，并把該溫度和溫度傳感器所采集的溫度進行比較從而產生對風扇電機的調控指令。同時還具有接收藍牙通信數據、定時和驅動顯示模塊的功能。因此，該系統的單片機所進行的是相對簡單的數據處理，對運算速度的要求不太高，所以綜合成本、使用方便等方面考慮，該系統選擇AT89C52 單片機作為控制器。因AT89C52 單片機工作電壓低，性能高，片內含8k 字節的只讀程序存儲器ROM 和256字節的隨機數據存儲器RAM，它兼容標準的MCS-51 指令系統，單片價格便宜。

圖7：藍牙通信模塊接口電路

圖8：時鐘電路

圖9：鍵盤電路

單片機的控制過程：是上電復位后，讀取溫度傳感器所采集到的環境溫度信息，并通過驅動顯示模塊電路將該溫度值在液晶顯示屏上顯示，以及把該環境溫度值和用戶設置的溫度值進行比較運算，根據運算的結果產生電機的驅動的PWM 信號，從而調節風扇電機的運動狀態。當用戶進行系統設置時，單片機讀取鍵盤接口電路的數據，并把該數據存儲起來，以便用于調控風扇電機工作的狀態，同時單片機還負責驅動顯示電路顯示用戶系統設置時的時間、溫度等即時數據。單片機還與時鐘芯片構成數字定時電路。單片機的最小系統圖如圖3所示。

1.1.3 溫度傳感器電路

溫度傳感器的作用是用于檢測該系統所處的環境溫度信息。溫度檢測可以使用熱敏電阻，但是如果可采用熱敏電阻作為檢測溫度的核心元件，并通過運算放大器放大，再經模數轉換芯片將模擬的溫度信號轉化為數字信號輸入單片機處理，則該電路會變得相對復雜，并且檢測的溫度精度不高。所以綜合考慮，選擇數字溫度傳感器。

數字溫度傳感器精度高，而且其輸出的是數字信號，可以直接將檢測出的溫度信號傳遞給單片機，所以其電路結構簡單。而DS18B20 是使用非常普遍且方便的數字溫度傳感器，并且還具有溫度分辨力很高優點，它和單片機控制器的通信是通過一根數據線以串行通信方式進行，外接電路結構簡單，很適合本系統的要求。因此在該系統中的溫度傳感器選擇DS18B20，將其DQ 腳和單片機P2.0 口連接，把采集到的環境溫度數據直接傳遞給單片機。由于接口電路簡單，所以其抗干擾能力強。溫度傳感器電路圖如圖4所示。

1.1.4 LCD 顯示電路

該系統顯示電路模塊的功能是：當風扇正常運行時，顯示環境溫度和定時所剩時間；當用戶進行功能設置時，顯示定時、溫度設置的即時數據。因此，該系統選擇LCD1602 作為顯示屏，分兩行顯示，第一行顯示環境溫度，第二行顯示定時所剩時間，溫度的精度為0.1℃，時間的精度為1 分鐘。LCD1602 顯示的接口電路如圖5所示。

1.1.5 電機驅動電路及直流電機

本設計選用的風扇電機為12V 直流無刷電機，電機的驅動電路為ULN2803 芯片。由單片機根據系統所設置的溫度和環境溫度的情況，從它的P2.5 口輸出PWM 脈沖控制信號傳遞給NPN 達林頓管驅動的ULN2803 驅動芯片，實現直流電機的調速。因該ULN2803 芯片適用于低邏輯電平數字電路，與標準TTL 系列兼容，所以該芯片的外電路結構簡單；并且其工作電壓高，可承受50V，工作電流也大，其灌電流可達500mA，因此，可將其輸出直接接到風扇的12V 直流電機，從而控制風扇的轉速等工作狀態。

直流電機采用PWM（Pulse Width Modulation）方式調速，其原理就是通過改變直流電機兩端的矩形脈沖的占空比，從而改變其兩端的平均電壓，實現直流電機的調速，平均電壓越高，其轉速越快。在本控制系統中，利用了單片機的定時器的功能來實現輸出矩形波，并調整矩形波的占空比。直流電機及其驅動電路如圖6所示。

1.1.6 藍牙通信模塊電路

為了能方便的通過平板電腦、智能手機等終端設備對風扇的遠距離調控，本系統的遙控電路采用藍牙通信模塊。藍牙電路模塊市場有很多型號，本系統選用HC-02 藍牙串口模塊。因為該藍牙串口模塊是基于藍牙 2.0 +BLE4.0 研發的，工業級的藍牙數據傳輸模塊。具有超低功耗，高穩定性等優點，能方便地和各種單片機、平板電腦、手機等設備連接進行通信。藍牙通信模塊接口電路如圖7所示。

1.1.7 時鐘電路模塊

為了實現精確定時，避免機械定時器所產生的誤差，該系統通過時鐘電路模塊實現電子定時功能。時鐘電路模塊主要由DS1302時鐘芯片構成。DS1302 是一種帶RAM 的實時時鐘電路，它具有高性能、低功耗等優點，其內部具有31×8 的RAM 寄存器，用于臨時性存放數據。時鐘電路模塊電路如圖8所示。

1.1.8 鍵盤電路

圖10：主控制程序設計流程圖

為了方便用戶對風扇系統的系統參數進行設置，該系統在風扇面板上還設計了鍵盤電路。該電路是由四個獨立的按鍵構成，分別為“功能”鍵、“確認”鍵、“+”鍵、“-”鍵。它們分別接在單片機的AT89C52 的P1.7-P1.4 口。鍵盤電路如圖9所示。

2 風扇控制系統的主控制程序設計

該系統主控制程序設計的思路是：

（1）溫度設置。本系統每次開機時，系統默認的初始用戶溫度為25℃，當用戶需要通過更改系統溫度進行風扇調速時，可通過按鍵盤上的功能選擇鍵選擇“溫度”，然后按“+”或“-”鍵更改，最后按“確認”鍵確認，則溫度設置完成，如果沒按“確認”鍵，則3 秒后系統返到溫度設置的開始狀態。該系統也可通過藍牙配對已成功的手機等移動設備終端以相同的方式進行用戶溫度設置。用戶在溫度設置時，系統以1℃的步進改變溫度值，當環境溫度減去用戶設置的溫度的差值大于0 時，其差取最大的整數，并把該差值除以2，所得到的商值（取最大整數）作為風扇風速的檔位數。風速最高的檔位數為5 檔，當大于5 檔時，保持以5 檔的速度運行。當環境溫度低于用戶設置的溫度，或者在啟用了定時工作狀態且以達到了定時所規定的時長時，則風扇不轉動。單片機實時讀取環境溫度數據，并發出PWM 信號調節電機轉速。

（2）定時時長設置。本系統默認的初始狀態是沒啟用定時功能，如果需要定時，則只需按功能鍵選擇“定時”，然后按“+”鍵或者“-”鍵設置定時時長，最后按“確認”鍵完成定時設置。如果沒按“確認”鍵，則3 秒后系統返到定時設置的開始狀態。該系統也可通過藍牙配對已成功的手機等移動設備終端以相同的方式進行系統定時的啟動及設置。該系統的定時時長以分鐘為單位整數顯示，最長時長為240 分鐘，進行定時時長設置時，以30 分鐘的步進增加或減少。

（3）系統復位。該系統具有上電復位和按鍵復位的功能，在任何時刻只需按下復位鍵，系統就能回到初始化狀態。

該系統的主控制程序設計流程圖如圖10所示。

3 系統測試

通過對該系統分別在單片機開發板上以及用實物制作而成的系統上進行測試，得出以下結論：

（1）系統能夠實現通過鍵盤電路、手機等移動設備終端的藍牙通信功能實現定時和用戶溫度設置；藍牙控制的有效距離大約能達到8 米。

（2）系統分別在用戶設置狀態和風扇電機正常運轉工作狀態時，均能正常顯示環境溫度和定時所剩時間。

（3）當用戶溫度設置好后，通過使用電烙鐵、白熾燈泡等熱源靠近DS18B20 溫度傳感時，風扇電機的轉速會平穩的加快；當熱源遠離溫度傳感器時，電機的轉速會降低。能實現風扇電機轉速自動調節的功能。

4 結論

該設計的電風扇智能控制系統基本實現了風扇電機的轉速能根據環境溫度的變化自動平穩地調節，以及通過藍牙遠程控制的功能；其成本低，工作狀態穩定，很適合學生等群體使用。并且還能方便的在該系統的基礎上更充分的利用單片機資源，對風扇控制系統開展后續的功能擴展設計，使其更加智能化。