基于單片機的多功能遙控智能溫控風(fēng)扇設(shè)計

羅政球

（瀏陽市職業(yè)中專，湖南瀏陽，410300）

一到夏天，出現(xiàn)吹電風(fēng)扇使人感冒，引起頭疼、膝蓋疼、身體不舒服等情況時有發(fā)生，大多都是由于晚上風(fēng)太大，時間長，直對著吹引起的。如網(wǎng)上報道的， 14歲的小云（化名）是一名初中生，她開著電扇上床睡覺，當她醒來時，她發(fā)現(xiàn)自己總是流口水。她仔細地看著自己的臉，發(fā)現(xiàn)嘴角有點歪。她很快把這件事告訴了她的父母。最后，醫(yī)生診斷小云患有輕度面癱。傳統(tǒng)電風(fēng)扇最突出的缺點是不能根據(jù)溫度變化及時調(diào)節(jié)風(fēng)力。早上溫度下降時，電風(fēng)扇仍在高速運轉(zhuǎn)，但是由于已經(jīng)睡著根本無法察覺，這時不僅僅浪費了電力資源，還很容易由此引起感冒等疾病。在此背景下，設(shè)計了這款遙控智能溫控風(fēng)扇?！案鎰e因吹電風(fēng)扇使人感冒，引起頭疼、膝蓋疼、身體不舒服等疾病”的設(shè)計理念。

1 總體設(shè)計

本項目由熱釋電紅外傳感器、溫度傳感器、51單片機、數(shù)碼管、紅外接收、搖控等器件組成。使用AT89C51單片機通過編程控制，該系列單片機價格便宜又容易購買，以后可以輕松完成項目升級改造。設(shè)計方案如圖1如示。

圖1 設(shè)計方案

2 硬件電路設(shè)計

本項目的硬件電路圖如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

2.1 單片機控制電路

本項目的控制核心是AT89C51單片機，該單片機由美國的Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機，包含了數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、FLash存儲器，具備40個引腳。

2.2 DS18B20溫度采集電路

本項目采用DS18B20 可編程單總線溫度傳感器來實現(xiàn)對溫度的采集和轉(zhuǎn)換，直接數(shù)字量輸出，可以直接和單片機進行通訊，DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9~12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫,單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625C /LSB形式表示。溫度值格式中“S”為標志位，對應(yīng)的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當S=1 時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。DSI8B20 完成溫度轉(zhuǎn)換后，就把測得的溫度值與TH 做比較，若T>TH或T

圖3 DS18B20測溫電路

2.3 數(shù)碼管顯示電路

本項目的顯示模塊主要由一個7段集成數(shù)碼管組成，用于顯示測量的溫度和當前檔位，是一個普通陰極數(shù)碼管。本項目采用動態(tài)掃描方式，各數(shù)碼管的A、B、C、D、F、G、DP端都連在一起，接收單片機P0口產(chǎn)生的顯示部分段碼。P24、P25、P26和P27是它們的位選擇端，接收來自AT89C51單片機 P2端口的位選擇代碼。

2.4 人體感應(yīng)探測電路

在本項目中采用熱釋電紅外傳感器作為人體感應(yīng)模塊，實現(xiàn)在探測范圍內(nèi)對運動人體輻射出的紅外能量的檢測。在檢測過程中以檢測非接觸形式人體輻射的紅外能量的變化，將這種變化的能量轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。紅外傳感器加電壓比較器等外部元件構(gòu)成人體感應(yīng)探測電路，當人處在檢測區(qū)域范圍內(nèi)的時候電壓比較器輸出高電平送到單片機P2.0口，當人離開檢測區(qū)域范圍內(nèi)的時候電壓比較器輸出低電平送到單片機P2.0口。在檢測到?jīng)]有人的情況下關(guān)閉風(fēng)扇電源，當有人進入檢測區(qū)時，接通風(fēng)扇電源，以達到智能控制及節(jié)能的目的。熱釋電紅外傳感器如圖4所示。

圖4 熱釋電紅外傳感器

2.5 按鍵電路

單片機平常采用的鍵盤類型主要有獨立鍵盤和矩陣鍵盤兩種；獨立鍵盤特點是單片機一個I/O端口僅連接一個獨立鍵盤按鍵，按鍵的另一端連接電源或接地，這種連接方案比較簡單，系統(tǒng)比較穩(wěn)定；雖然矩陣鍵盤連接程序比較復(fù)雜，但占用的I/O較少一點。根據(jù)本項目的需要，這里選擇了獨立的鍵盤連接方式。

2.6 風(fēng)扇驅(qū)動電路

本項目設(shè)計中由單片機的P3.6口輸出PWM脈沖，通過三極管驅(qū)動控制風(fēng)扇電機以實現(xiàn)對風(fēng)扇電機速度的調(diào)節(jié)。在單元控制系統(tǒng)電路中，單片機P3.6口輸出的PWM矩形波信號用來調(diào)整控制三級管工作期間的控制波的占空比。占空比是指高電平的持續(xù)時間在時間周期內(nèi)的百分比。單片機在控制電動機轉(zhuǎn)速的時候，占空比越大轉(zhuǎn)速越快，占空比越小轉(zhuǎn)速越慢。如果單片機輸出的波形占空比是100%，即單片機輸出信號都是高電平，這時電機速度達到最大值轉(zhuǎn)速最快。當周圍環(huán)境溫度升高時，單片機輸出的波形占空比增大，電機轉(zhuǎn)速將根據(jù)用戶設(shè)定的溫度等級升高達到快速降溫；當周圍環(huán)境溫度下降時，單片機輸出的波形占空比減小，電機轉(zhuǎn)速將根據(jù)用戶設(shè)定的溫度等級作相應(yīng)降低；當周圍環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度值時，電機停止轉(zhuǎn)動，當周圍環(huán)境溫度高于設(shè)定溫度值時，電機重新起動運轉(zhuǎn)。

2.7 紅外接收電路

紅外接收頭采用hx1838集成接收器，解調(diào)頻率為38kHz。hx1838接收到紅外脈沖信號38kHz時輸出為低電平，否則輸出為高電平。它封裝了光電探測器和前置放大器，以接收脈沖編碼信號的紅外光信號。當系統(tǒng)工作時，hx1838對接收到的脈沖編碼信號進行解調(diào)，并將解調(diào)后的信號輸入P3.3口。

系統(tǒng)開機初始化后，P3.3端口進行檢測，高電平時，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。當為低電平時，中斷服務(wù)程序?qū)⒈粏右越邮諗?shù)據(jù)幀。請注意，數(shù)據(jù)幀是通過中斷模式接收的，芯片在中斷1模式下工作。當接收到數(shù)據(jù)時，將驗證接收到的前三位數(shù)據(jù)的代碼寬度。前三個代碼的代碼寬度分別為4ms、2ms和4ms，如果任何位的代碼寬度不符合要求，將被視為錯誤代碼。當系統(tǒng)接收到的高電平脈沖寬度大于5ms時，脈沖將結(jié)束接受。然后系統(tǒng)將檢查接收到的最后兩個脈沖寬度，分別為2ms和4ms，否則將作為錯誤代碼。最后，根據(jù)累積a中的脈沖數(shù)，系統(tǒng)在MCU的相應(yīng)引腳上執(zhí)行控制信號，并在端口中執(zhí)行相應(yīng)的二進制數(shù)據(jù)。此時，數(shù)據(jù)的接收和處理已完成。hrm5700b接收到8個代碼時的輸出波形信號如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

為了根據(jù)當前溫度實時控制風(fēng)扇的狀況，需要檢測當前溫度值是否超過程序中設(shè)制的動作溫度值。由于單片機的工作頻率高達12MHz，程序運行時不斷比較和檢測當前溫度和調(diào)整后的動作溫度。當超過設(shè)定溫度值范圍時，轉(zhuǎn)去執(zhí)行溫度處理子程序，并在溫度處理下，實時控制風(fēng)機停機、低風(fēng)、強風(fēng)狀態(tài)。顯示驅(qū)動程序檢查七段代碼，以獲得每個數(shù)碼管中應(yīng)顯示的數(shù)字，并逐位掃描和顯示。主程序流程圖如圖6所示。

圖 5 hx1838接收8個編碼時的輸出波形圖

圖6 主程序流程圖

3.2 DS18B20子程序設(shè)計

首先初始化DS18B20，然后運行ROM操作命令，最后操作內(nèi)存和數(shù)據(jù)。操作DS18B20的每個步驟遵循通信協(xié)議和工作時序。如果控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換過程，則必須根據(jù)DS18B20通信協(xié)議進行以下三個步驟：在每次讀寫之前重新啟動DS18B20。復(fù)位成功后，發(fā)送ROM指令，最后發(fā)送RAM指令只有這樣才可能在DS18B20上執(zhí)行預(yù)定操作。DS18B20程序流程圖如圖7所示。

圖7 DS18B20程序流程圖

3.3 顯示子程序流程圖

程序?qū)崿F(xiàn)的功能是從DS18B20讀取的溫度二進制數(shù)轉(zhuǎn)換在數(shù)碼管上顯示出來。顯示方式采用的是動態(tài)掃描的方式，先給位選信號，再給段選信號，然后延時一下。顯示程序流程圖如圖8所示。

圖8 顯示程序流程圖

3.4 按鍵子程序設(shè)計

硬件設(shè)計通過三個按鍵，掃描子程序提供軟件支持。第一次按下K1鍵，進入溫度控制模式設(shè)置溫度上限值，按“加號”鍵K2加一，然后按“減號”鍵K3減1。再次按K1調(diào)整鍵，進入溫度下限設(shè)定狀態(tài)，按“加號”K2鍵加一，按“減號”K3鍵減一。最低作用溫度值和最高作用溫度值的調(diào)節(jié)范圍為10-100度滿足一般使用要求，再次按K3調(diào)整鍵退出上下限設(shè)置溫度狀態(tài)。按鍵程序流程圖如圖9所示。

圖9 按鍵程序流程圖

4 實物調(diào)試

4.1 電路制作

對電路進行焊接，對硬件和軟件進行聯(lián)合調(diào)試，并對主要功能進行驗證，搭建完成電路，電路如圖10所示。

圖10 硬件電路

4.2 實物制作測試

電路測試完成后，搭建實物作品，進行功能測試，達到預(yù)期目標。實物如圖11所示。

圖11 組態(tài)監(jiān)控界面圖

圖11 實物作品

5 結(jié)語

本文設(shè)計的這種多功能遙控智能溫控風(fēng)扇；當風(fēng)扇前面沒有人時，感應(yīng)自動關(guān)閉，當風(fēng)扇前面有人時，它可以調(diào)整到上限和下限啟動和停止風(fēng)扇的溫度。如果溫度低于設(shè)定的最低限值，則風(fēng)扇不工作，溫度高于上限，風(fēng)扇全速工作，在上限和下限之間以50%的速度運行，并有自然風(fēng)模式，帶遙控操作。多功能遙控智能溫控風(fēng)扇的出現(xiàn)給現(xiàn)代社會人們的生活帶來了很多的便利，不僅提高了人們的生活質(zhì)量而且還節(jié)約了能源。