基于單片機的智能溫控風扇系統設計

陳俊妍 肖祖文

（湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442002）

1 概述

隨著科技的不斷發展，生活中的傳統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電扇溫度調節的固定模式，逐漸趨向于能夠通過溫度變化監控，從而實現智能化溫度調節控制的模式。傳統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，并不是根據實際室溫變化而進行溫度控制。[1]對于生活生活水平、生活質量不斷提高的用戶來說，傳統電扇根本無法滿足人們對舒適感的最高要求。為適應人們的需求，智能控制電風扇也應運而生，我們已經對傳統的家用電風扇系統做出了改進，大大改善了傳統家用電風扇無法隨著氣溫的變動而調整風速高低的問題，并增加遠程遙控功能，讓用戶能夠在不靠近風扇的情況下進行溫度設置。該智能溫控風扇具有環保、智能、安全高效、方便、性價比高等特點，將為人們的生活帶來便利。[2]

本設計以STC89C51 單片機為控制核心的智能控制風扇，利用DS18B20 檢測當前環境溫度，并傳送回主控單片機內完成數據處理。DS18B20 獲得的溫度控制數據之后通過PWM 驅動原理，使溫度控制感應器將所收集環境溫度與控制系統預設的環境溫度相互比較。根據比較后結論，通過程序編程改變其占空比來確定風速的大小以及運行狀態。與此同時，該設計可以實時顯示當前溫度，使用戶能夠清晰了解當前溫度狀態，若溫度設置不符合用戶要求，可及時采用紅外遙控進行溫度設置，并調節風扇風力大小。本文中所設計的溫控風扇改變了傳統風扇性能簡單，但智能性卻較差的弊端，可以大大提高人類的生活品質以及對舒適度的高需求。

2 系統方案設計

考慮到智能溫控風扇系統應用對象和應用范圍，本次智能溫控風扇系統設計需要在實現系統設計的同時滿足以下幾個方面的因數：（1）性價比高；（2）可靠性高；（3）結構簡單。為達到高性價比的特點，本產品設計主控芯片選用了性價比最高的單片機STC89C51，該芯片在能夠適應系統的基本產品設計要求的同時，還具備了各項優點。[3]

系統使用了STC89C51 單片機控制器為核心控制器，并通過DS18B20 作為溫度測量單元，以電機為主要執行單元，同時還能夠通過LED 數碼管顯示器來實現溫度顯示。本系統的基本控制思想是：利用DS18B20 實時測量使用環境的當前溫度，經過數據處理后，利用PWM方式調節電機的轉速，能夠讓家用電風扇隨周圍環境氣溫的改變而自行調整檔位，從而達到“溫度高、風力大、氣溫低、風力弱”的特性。當所監測到周圍環境氣溫小于其所設置的實際工作溫度控制時，家用電風扇也將自行關掉，當氣溫超過此實際工作溫度控制時家用電風扇也將重新啟動。此外，通過使用紅外線遙控裝置和按鈕均能夠完成所有功能的開啟、關閉和設置。智能控制電風扇系統的總體構成框圖，如圖1 所顯示。

圖1 系統總體結構框圖

3 系統硬件電路設計

3.1 主控模塊

系統核心控制模塊用來控制系統各模塊的正常工作，是系統的關鍵部分。其控制系統主要由單一微機及最小系統電路所組成。STC89C51 是系統可編程芯片，片內含4K Bytes 的可重復擦寫一千次的Flash 只讀程序內存，晶片內整合了通用八位中央處理器和ISP Flash 內存模塊，提供在系統可編程(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比等優點，給許多嵌入式系統提出了一個既靈活性大又廉價的方法。[4]

3.2 溫度檢測模塊

溫度采集模塊主要由溫度傳感器及其相關電路組成，用于讀取和發送室內溫度數據。為實時精確無誤地獲取溫度參數，系統選擇DS18B20 數字溫度傳感器，并及時將數據傳輸至主控芯片，隨后傳輸至LED 進行顯示。DS18B20 溫度傳感器在測量室內空氣溫度分布網絡中十分適用，提供了方便的組網功能，適合本系統的使用場合[5]。

DS18B20 是一款改進型智能式溫度感應器，和傳統的熱敏電阻一樣，它能夠實時讀出被測溫度，D1S8B20的溫度檢測區域為-55℃～+125℃。而且由于DS18B20是單線接口讀寫模塊，溫度轉換功率直接來自于數據總線，而總線本身也能夠進行給所連接的DS18B20 設備供電，并沒有額外供電，所以直接使用DS18B20 設備會導致整個系統的結構更趨簡便，且安全可靠[6]。

3.3 電機控制模塊

電機控制模塊主要是由直流電機以及電機驅動電路所構成的。電機的控制是采用PWM 波信號，由單片機改變PWM 占空比，從而控制三極管通斷，可完成從最大風力調整到關閉的控制，并將最大風力調整到從關閉無風力至最大風力之間的自由風力，從而實現了“自由風”。

當STC89C51 接受到由數字溫度傳感器DS18B20 所測出的最高溫信息后，并進行了相應的運算，當測設環境溫度超過所設定的最高環境溫度后，發電機全速工作；當被測量的環境溫度在所設最高環境溫度與所設最低溫度之間時，電機轉速隨著溫度的升高而加；當所測溫度低于所設最低溫度時，電機停止轉動，若之后仍然溫度回升，電機再次緩慢運行，開始轉動。本設計采用程序的方式來對PWM 信息的占空比進行調整，進而改善電機的速度。利用改變直流電機電樞上電流的“占空比”來實現了改變有效電流大小的目的，并以此來調整電機的速度，從而完成了對風扇速度的調整[2]。

3.4 紅外遙控模塊

紅外遙控是一個無線、非接觸式的控制[7]，具備了抗干擾功能強，信號傳遞安全，耗電量少，成本低，易于實現等突出優勢的，已被多種電子產品尤其是家電普遍使用，并越來越多的運用在個人電腦和手機控制系統中。[8]本系統硬件設計上使用了紅外線的遙控控制，十分方便和人性化。

3.5 系統總體硬件設計

如圖2 為系統總體硬件電路設計，主要分為5 個模塊：主控模塊、溫度檢測模塊、電機控制模塊、紅外遙控模塊和顯示模塊。

圖2 系統總體硬件電路設計

4 系統軟件設計

主程序模塊為整個電路運行主要思路和邏輯，其設計流程圖如圖3 所示。首先完成系統的初始化，以保證系統各硬件和軟件模塊能正常運行，隨后針對各模塊進行調用并最終實現該設計功能。

圖3 主程序流程圖

溫度采集模塊初始化主要是完成對所讀取數據清零，以免出現讀取的數據不準確或者系統溫度采集失敗的現象。顯示子程序的初始化是對顯示參數值清零，便于用戶實時觀察溫度變化情況。

當溫度采集模塊采集到室溫數據后，由單片機進行數據讀取和處理，單片機處理分析之后再將數據信號輸出至電機程序模塊和顯示程序模塊。每一次讀取和處理數據之后，先將數據傳輸至顯示程序模塊，并由顯示程序模塊處理為數碼管顯示指令和語句，從而實現溫度值的顯示。因為電扇應用場景中，室溫一般在10-50℃以內，因此選用四位數碼管實時動態顯示溫度亦能夠滿足需求。與此同時，系統將設置的溫度上下限和接收的數據在單片機進行分析判斷，若溫度超過上限，風扇電機將全速運轉，若溫度處于上下限之間，則電機緩慢運轉，否則電機停轉。主程序模塊根據系統的設計功能不斷循環反復，由此來實現風扇速度的控制和電機驅動。

5 實物測試

本系統我們采用Proteus 進行模擬仿真，隨后進行實物測試。實物測試前，在中央控制系統中利用在程序中預設上下限溫度，分別為15℃和32℃。剛開始起動之時，對當前的溫度進行采集，然后將溫度信號送到單片機，并由數碼管屏幕顯示實際溫度數值。由實物明顯可以看見，當溫度還未超過所設定的工作溫度下限時，電動機是停止不轉的；如果溫度達到了溫度下限，電機這時自動開始啟動、緩慢運轉，隨著溫度逐漸升高，電機的轉速也會越轉越快；當實時溫度超過了溫度限制值時，這時電機開始全速運轉，其實物測試效果如圖4。

圖4 實物效果圖

6 結論

為適應現代人在炎炎夏日中對舒適度的高需求，并根據現代家居生活需求更偏向于的方便、環保、安全等特點，本文作者設計出了一個能夠隨著周圍溫度變化而自動控制速度的風扇系統，將智能控制與環保節能相結合，更加符合現代科技發展的大方向。該設計以單片機控制器STC89C51 為核心，使用了DS18B20 和數碼管的溫度采集與顯示方案，并同時應用了PWM 電機調制原理和紅外無線遙控技術，具有控制功能齊備、耗電少、造價低、自動化程度較高、原理和程序設計簡單等的特點。