對(duì)MCU溫控智能風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭錦紅

摘 要：本文介紹一種基于單片機(jī)溫控風(fēng)扇的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。巧妙地利用單片機(jī)技術(shù)，可控硅技術(shù)，溫度傳感器技術(shù)，軟件技術(shù)， 達(dá)成設(shè)計(jì)目標(biāo)。硬件系統(tǒng)采用臺(tái)灣松翰科技生產(chǎn)的SN8P2722作為微處理器，利用高精度熱敏傳感器對(duì)室內(nèi)溫度的探測(cè)并適時(shí)顯示當(dāng)前溫度值，通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電風(fēng)扇進(jìn)行溫度調(diào)速控制。軟件系統(tǒng)則采用模塊設(shè)計(jì)即主程序，定時(shí)程序，溫度顯示程序，電機(jī)調(diào)速等程序。著重討論溫控相關(guān)程序的設(shè)計(jì)并給出流程圖和相關(guān)程序，該系統(tǒng)把智能自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)用于家用電器的控制中，系統(tǒng)利用軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)速調(diào)級(jí)和關(guān)機(jī)控制，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：SN8P2722 時(shí)序 自動(dòng)控制

一、 課題設(shè)計(jì)意義

目前也有溫控風(fēng)扇，但普遍地風(fēng)扇的溫控優(yōu)點(diǎn)依然沒(méi)有，甚至其控制效果不明顯，仍僅限于關(guān)掉風(fēng)扇電機(jī)，所以沒(méi)有得到足夠的市場(chǎng)反映，這是因?yàn)槠洚a(chǎn)品大多直接采用普通熱敏電阻作為溫控元件，電路溫控范圍窄、風(fēng)扇啟動(dòng)頻繁。不能由人自由設(shè)定溫度上下限，不能從容地自動(dòng)控制電扇電機(jī)的起?；蜣D(zhuǎn)速的快慢。本設(shè)計(jì)則采用高精度熱敏傳感器對(duì)溫度采樣并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，強(qiáng)大的八位單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理裝置，用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速或起停，從而實(shí)現(xiàn)電扇的智能化溫控。

二、系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)功能概述

本設(shè)計(jì)以精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)SN8P2722為核心，通過(guò)高精度NTC傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用單片機(jī)處理，從而建立一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。使電風(fēng)扇隨溫度的變化而自動(dòng)變換檔位，實(shí)現(xiàn)“溫度較低，風(fēng)力較弱，溫度較高，風(fēng)力較大”的功能。另外，用戶也可以通過(guò)鍵盤控制面板，設(shè)定電風(fēng)扇在一定范圍內(nèi)的最低工作溫度，當(dāng)溫度低于所設(shè)置最低溫度時(shí)，電風(fēng)扇將自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)高于此溫度上限時(shí)電風(fēng)扇又將重新啟動(dòng)。

（二）系統(tǒng)原理

硬件系統(tǒng)采用模塊設(shè)計(jì)思想，該電路由溫度傳感電路、電機(jī)控制電電路、電源時(shí)鐘、顯示電路、看門狗電路等組成。而軟件系統(tǒng)則先進(jìn)行系統(tǒng)功能分析，后采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，采取模塊設(shè)計(jì)。

三、總體硬件設(shè)計(jì)

（一）總體硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)要求，選用臺(tái)灣SONIX（松翰）公司的SN8P2722作為中央處理器，具有2K*16bits程序ROM、128*8bits內(nèi)存RAM、內(nèi)部包含有16MHz RC振蕩電路和復(fù)位電路、WDT看門狗定時(shí)器、8bits時(shí)鐘定時(shí)器、5通道12bits ADC，18個(gè)雙向可編程I/O，輸入I/O可編程設(shè)置弱上拉電阻。其硬件能符合整個(gè)控制系統(tǒng)的要求，不需要外接其他存儲(chǔ)器芯片復(fù)位電路和定時(shí)器件，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。

該硬件電路由阻容降壓電源電路、紅外遙控接收電路、溫度傳感電路、數(shù)碼顯示和鍵盤掃描電路，電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)電路等組成。

1.阻容降壓電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)是小電流控制系統(tǒng)，另外出于成本考慮，選用阻容降壓式電源給系統(tǒng)供電（如右圖所示）。由于阻容降壓式電源是浮地的，全波整流雖然可以獲得稍大的電流，但是穩(wěn)定性和安全性要比半波整流更差。

2.紅處遙控接收電路設(shè)計(jì)

紅外遙控器是利用紅外線發(fā)射一連串的二進(jìn)制脈沖碼進(jìn)行傳遞信息，是一種無(wú)線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)，編碼及解碼容易，信息傳輸可靠，對(duì)環(huán)境影響小，成本低優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用NEC協(xié)議的遙控器。

3.溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

風(fēng)扇使用環(huán)境溫度一般在16℃～45℃ ，溫度范圍窄，選用高精度的熱敏傳感器，并經(jīng)過(guò)SN8P2722內(nèi)部進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換，得到12位分辨率的二進(jìn)制數(shù)值，再由MCU計(jì)算處理，得到精度達(dá)到0.1℃的溫度值。

4.溫度顯示與控制模塊設(shè)計(jì)

顯示面板選用3位8段共陰極LED數(shù)碼管，為節(jié)省MCU的有限資源，與鍵盤組成矩陣形式共享IO端口，通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描輸出顯示內(nèi)容和動(dòng)態(tài)掃描輸入讀取鍵盤的鍵值。

（二）系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)利用高精度NTC傳感器感應(yīng)到室內(nèi)環(huán)境溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，濾波后直接輸入到MCU單片機(jī)IO端口，經(jīng)過(guò)MCU內(nèi)部ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)處理溫度數(shù)字信號(hào)，顯示在LED數(shù)碼管面板上，在溫控模式下通過(guò)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行自動(dòng)控制。

當(dāng)掃描到有按鍵按下或接收遙控信號(hào)，則對(duì)按鍵或遙控做出響度應(yīng)和處理，可以開(kāi)啟或關(guān)閉電風(fēng)扇；開(kāi)啟或關(guān)閉導(dǎo)風(fēng)輪；工作模式設(shè)置，可選擇正常模式、自然風(fēng)模式、睡眠模式和溫控自動(dòng)模式；定時(shí)關(guān)機(jī)設(shè)置，可定時(shí)0～9小時(shí)；風(fēng)速檔位設(shè)置，正常模式下有高、中、低三檔風(fēng)速調(diào)節(jié)。

溫控模式下，風(fēng)扇的三檔物理調(diào)速通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)0～7檔調(diào)速。當(dāng)設(shè)定為溫控模式時(shí)進(jìn)入溫度自動(dòng)控制，MCU集到當(dāng)前實(shí)時(shí)環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)的檔位溫度值比較，并選擇相對(duì)應(yīng)檔位，單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始工作。

四、主程序摸塊

根據(jù)風(fēng)扇系統(tǒng)各種功能相對(duì)獨(dú)立的特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的總體思想由于整個(gè)系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性很高，因此系統(tǒng)必須快速響應(yīng)輸入，執(zhí)行相應(yīng)功能。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，按其功能分為不同級(jí)別的程序模塊，采用中斷方式和分時(shí)掃描方式，滿足快速響應(yīng)的要求。

（一）系統(tǒng)軟件主程序匯編代碼如下

Startup：

call SystemInitialize // 調(diào)用系統(tǒng)初始化程序

call ClearRam // 調(diào)用內(nèi)存清空程序

call TimeDelay200 // 調(diào)用延時(shí)200ms程序

MainLoop：

call KeypadScan // 調(diào)用按鍵掃描程序

call RemoterScan // 調(diào)用遙控掃描程序

call TemperatrueCheck // 調(diào)用溫度轉(zhuǎn)換程序

call WorkRoutine // 調(diào)用工作模式程序

jmp MainLoop

（二）溫度控制程序設(shè)計(jì)

溫度控制程序是在溫控自動(dòng)模式下執(zhí)行的工作程序。依據(jù)采集到環(huán)境溫度的高低，控制風(fēng)扇的自動(dòng)運(yùn)行、暫停、關(guān)機(jī)和轉(zhuǎn)速調(diào)整，來(lái)改變風(fēng)量的有無(wú)或強(qiáng)度，以適合人的生理需求。

（三）溫度轉(zhuǎn)換和處理程序設(shè)計(jì)

溫度測(cè)量通過(guò)硬件電路把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)，由MCU內(nèi)置ADC電路采樣、量化和編碼，轉(zhuǎn)換成12-bits的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)溫度傳感器溫度與電阻的關(guān)系列表，查表獲得當(dāng)前溫度。程序由溫度轉(zhuǎn)換處理程序和溫度查表程序組成，通過(guò)連續(xù)讀取32次溫度采樣數(shù)值，求和后計(jì)算平均值，通過(guò)平均值的軟件濾波方法，減少采樣過(guò)程中的瞬時(shí)干擾，影響溫度采集的準(zhǔn)確性。

（四）溫度比較

風(fēng)扇控制由采集到的實(shí)時(shí)環(huán)境溫度值，與預(yù)設(shè)的溫度值比較，處于相應(yīng)溫度區(qū)間，速度索引設(shè)置相應(yīng)的檔位值。

五、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)硬件電路比較簡(jiǎn)單，很多功能都是由軟件完成，抗干擾性較強(qiáng)，只是溫控程序處理模塊在處理溫度輸入時(shí)，由于SN8P2722單片機(jī)內(nèi)存資源有限，沒(méi)有對(duì)32組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序并去掉最大值和最小值后，再進(jìn)行平均值計(jì)算，導(dǎo)致不能濾掉尖峰脈沖對(duì)溫度檢測(cè)的干擾，對(duì)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性有一定的影響。但是因?yàn)樵跍囟葯z測(cè)電路加入了∏型濾波硬件電路，所以尖峰脈沖對(duì)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性影響可以忽略。

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