基于单片机的智能风扇控制系统设计.doc

基于单片机的智能风扇控制系统设计摘要：介绍了一种基于单片机的智能风扇控制系统的设 计，目的在于解决电扇在实际生活中不合理的使用的现状和 在已有电扇上的一些小创新，在设计过程中通过硬件电路的 实际焊接，基本实现了想要实现的功能，通过对该系统的设 计，证明该系统的实际可行性，有助于在以后可以开发出此 类产品，提高人们生活质量，节约能源。关键词：单片机；DS18B20;直流电机；风扇；人体红 外； LCD1602基金项目：湖北师范学院教学研究项目资金。引言：在我国大学校园里，教室里面安装电扇很普及， 电扇相比较空调而言，节约成本，便于安装，但是通过在大 学里的观察和研究发现，电扇的使用存在很多不合理的现象， 经常会出现人走了电扇还开着，或者电扇档位无法根据气温 自动调节的现象，电扇在我国的使用范围十分广泛，除了大 学校园，很多地方都用到了电扇。单片机便宜，功耗低，便 于控制，基于此在现有电扇的基础上开发了智能风扇系统， 并制作出了硬件，实现了预期的效果，证实了该系统的实际 可行性，如果可以得到大量使用，对于目前电扇存在的不合 理问题是一个很好的解决方法。一、系统整体设计 基于单片机的智能风扇控制系统包含温度感应和显示、 外部按键设置功能、人体红外感应模块、直流电机 PWM 调 速、蜂鸣器报警、LCD风速等级显示模块，首先在显示功能 上使用了数码管和 LCD1602分别显示出当前温度和风速等级， 显示功能的目的在于增加产品的直观性和合理操作性，便于 人们在使用时有可以调节的依据。外部按键实现了设置温度 上下限、复位、加减温度的功能，使电扇在没有人为操作的 情况下可以按照温度上下限和外部实际温度做出合理的响 应，蜂鸣器的作用是为了提醒使用者当前温度高于温度上限 或者低于温度下限，直流电机 PWM 调速实现了风速级别的 调节，通过温度传感器得到的温度， 对电机的速度分级调节， 以最合理的方式调节电扇的使用，从而达到智能、合理、高 效的目的。这些功能使用到的存储、中断、显示、调速都可 以用单片机实现，因此选用 51 单片机作为控制芯片。二、硬件电路设计1 、最小系统在设计硬件的时候使用 11.0592MHZ 的晶振作复位电路， 这样便于在做后面的定时器功能时可以精确定时， 12MHZ 的 晶振在长时间工作下由于初始值不是精确值容易累积误差， 产生错误的结果。单片机最小系统的搭建是做硬件的第一步， 时钟电路、复位电路和电源，复位电路在设计时需要满足t=RC>2us,保证复位的时间在两个机器周期以上，复位的实 质是在于给STC89C52的9脚输入一个高电平。2、温度采集、显示和设置系统使用DS18B20采集外部温度，然后将采集到的温度 利用数码管显示出来，使用FM24C02存储设置的温度上下限 值和外部按键改变后的值，保证温度的上下限值在掉电的情 况下依然可以存储，在温度显示模块上使用四个独立按键， 分别实现：设置、复位、加、减四个功能，使电扇不仅可以 根据温度自动调节风速，也可以实现手动调节，增加电扇调 节的灵活性，在温度采集和显示模块上利用蜂鸣器的声音在 低于温度下限和高于温度上限时发出报警声音，同时在温度 低于下限和高于上限时红灯会点亮，正常情况下绿灯常亮， 以此提醒使用者根据实际情况改变当前的使用。3、人体红外模块 采用人体红外传感器智能控制电扇的开闭，人体红外传感器会在有人的时候输出一个高电平，在写 1 操作后用单片 机读取，并根据外围电路的实际情况，用单片机的 I/O 口输 出高低电平控制电机，从而达到利用红外开闭电扇达到节能 的目的，红外传感器灵敏度受外界环境和安装条件限制较大， 在安装时应尽量避免盲区，人体红外感应范围：4、PWM调速和LCD显示系统使用直流电机提供动力，在硬件模型制作时选用L298N 作为直流电机的驱动，PWM( Pulse Width Modulation ) 控制脉冲宽度调制技术， PWM 调制的原理：把恒定的 直流电源电压调节成频率一定、宽度可调的脉冲序列电压， 实现调节占空比改变输出电压的大小，进而调解电机转速。 电机两端得到的平均电压： U d=(t/T) U s=p Us式中p = t/T 为 PWM 波形的占空比(占空比：就是输出的 PWM 中，高 电平保持的时间与该 PWM 的时钟周期的时间之比)改变 p(0< p <1)即可调节电机的转速。在系统设计中通过定时 器和温度传感器的温度值，取定不同的占空比即可得到不同 的风速档位，实现在不同温度下风速可调的问题，利用LCD1602显示当前的风速等级。51单片机只有32个I/O 口可 以使用，在使用过程中会出现 I/O 口不够用的情况，在实际 制作中使用锁存器扩展 I/O ，功能实现正常，但是需要注意 延时和定时器的定时问题。三、软件设计 在程序设计中涉及到外部中断的使用和定时器的使用，STC89C52单片机的中断系统有 5个中断请求源，具有两个中 断优先级，按键接 P3A2 口，作为外部中断0的输入，程序 运行到死循环处等待中断的发生。设置定时器，循环检测按 键的状态，检测到按键按下并释放后执行相关的中断行为， 中断执行完后再返回中断开始的地方继续执行程序，软件的 核心在于温度的采集和利用，该系统使用DS18B20作为温度 采集装置，采集到的温度用四位共阴数码管显示，分别用单 片机的P0 口控制段选，P1 口控制位选，在软件设计时默认 温度上限时 45 度，下限是 20 度，写入 FM24C02 中，后面配 合按键功能动态调整温度的最大值和最小值，存储到FM24C02中，这样掉电之后温度的上下限值可以保存，在显 示温度值之后，判断温度的范围，在蜂鸣器的接入端加一个PNP型的三极管，放大电流，以驱动蜂鸣器做出反应，同时 温度的区间也和风速的转速相关，更具设定好的 PWM 调速 区间对应每个温度等级，在相应区间LCD显示等级，电机调整转速，人体红外模块的功能相当于一个开关，当检测到有 人时，向单片机的一个 I/O 口输入一个高电平（P1 口，P2 口，P3 口是3个8位准双向的I/O 口，各口线在片内均有固 定的上拉电阻，当这三个准双向 I/O 口作输入口使用时，要 向该口先写 1），在写 1 输入之后，用单片机的另一个 I/O 口 输出高电平控制电机的开启，无人时，输出低电平，单片机 对应 I/O 口输出低电平断开电机，从而达到电扇智能检测有 无人状态自动开闭的功能。软件设计时需要注意的问题是在 中断程序中需要执行的指令应尽可能少，把需要执行的指令 放在主函数中，防止函数在中断程序中运行时间过长，以至 于下次中断开始的时候，上一次的中断还没有结束，从而造 成程序紊乱，出现不可预料的错误。四、结束语整个系统的设计是在原有电扇系统上的改进，系统的设 计是为了解决实际问题而做，针对实际生活中出现的现象都 给出了相应的解决方法，同时原材料的选取也尽可能便宜、 容易操作，在成本最低的基础上保证功能最完善，具有很高 的实用价值，符合大多数人的需求，在硬件制作上选用单片 机控制， 用 32 个 I/O 口尽可能多的实现更多的功能， 在设计 之中也尝试并实现了 I/O 扩展、电压转换、电流放大、外观 设计等很多方面，有趣易学，便于二次开发，适合硬件学习 者研究和制作，具有一定的实用价值的同时也有一定的研究 价值。参考文献1 郭天祥.51单片机C语言教程M.北京：电子工业出 版社， 2012.2 谭春和 . 一种红外遥控及人体感测控制电风扇的系统P. 深圳：深圳市科吉华烽知识产权事务所， 2013.3 蓝厚荣 . 单片机的 PWM 控制技术 J. 江苏：工业控制 计算， 2010.4 周一恒，严家明 . 基于单片机控制的液晶显示原理与设计 J. 广东：机电工程技术， 2008.