智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧集威，賀沅瑋

（1.武岡市技工學(xué)校，湖南邵陽，422400；2.湖南交通工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖南衡陽，421001）

0 引言

“在各行各業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，特別是工業(yè)和民用上，電風(fēng)扇是一種很重要且應(yīng)廣泛地散熱裝置[1~3]”。主要用于工作環(huán)境相對密閉空間，為了加強(qiáng)空氣流動，從而達(dá)到改善空氣質(zhì)量的目的，如商場、超市、車站等[4~5]。

隨著人工智能市場需求與日俱增，傳動電風(fēng)扇結(jié)合單片機(jī)設(shè)計(jì)主動調(diào)節(jié)風(fēng)速的控制系統(tǒng)；自動控制風(fēng)扇控制系統(tǒng)需要三部分：單片機(jī)最小系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、單片機(jī)與電扇接口的電路設(shè)計(jì)、電風(fēng)扇與液晶屏的外圍電路設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中采用了高性價比的STC89C52 單片機(jī)，對傳統(tǒng)的風(fēng)扇加入了更多的人性化功能，使得傳統(tǒng)的電風(fēng)扇更具有智能化，實(shí)現(xiàn)“溫度高，轉(zhuǎn)速快，風(fēng)力大”的功能[9~11]。使用者可一個擋位鍵設(shè)置所需要的定時時間，每當(dāng)溫度上升2℃的時候，風(fēng)力風(fēng)速主動上升擋位，同樣的，每當(dāng)溫度減少2℃，風(fēng)力風(fēng)速主動降低一個檔位，系統(tǒng)默認(rèn)6 個階級的風(fēng)力風(fēng)速檔位，還可以讓使用者自己設(shè)置多個階級檔位，也可以設(shè)置最低溫度，當(dāng)周圍氣溫下降到臨界溫度時，風(fēng)扇自動關(guān)閉，非常人性，能滿足，種用戶的使用要求[12~13]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動控制系統(tǒng)主要由STC89S52單片機(jī)為控制核心；溫度傳感器DS18B20,高度集成化，大大降低A/D轉(zhuǎn)換引起的誤差，同時達(dá)到簡化程序設(shè)計(jì)的效果；液晶顯示屏LCD 采用型號為12864，可以實(shí)現(xiàn)人性化的顯示，應(yīng)用廣泛；最終風(fēng)扇啟停、風(fēng)力變化都是依靠電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，控制電機(jī)方式就尤為重要，本設(shè)計(jì)采用H 型橋式PWM 電路，是由三極管組成的，此種電路飽和模式工作具較高的效率，并且可以簡便的控制電機(jī)的啟動、停止、正反轉(zhuǎn)，電子開關(guān)的穩(wěn)定性較好，靈敏度高，PWM 是調(diào)速技術(shù)的一種普遍方法，PWM 速度控制具有良好的特性，靈活的控制，寬范圍速度控制和高過載能力的特性[4~6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 控制芯片

本文采用的單片機(jī)型號是STC89S52，控制電路如圖2 所示。

圖2 控制電路

圖3 溫度傳感器DS18B20 硬件設(shè)計(jì)原理圖

圖4 按鍵的原理設(shè)計(jì)圖

圖5 LCD12864 液晶硬件原理圖設(shè)計(jì)

圖6 電機(jī)調(diào)速模塊流程圖

圖7 主程序流程圖

圖8 最低溫度鍵盤模塊程序流程圖

圖9 風(fēng)速檔位選擇鍵盤模塊程序流程圖

1.2 實(shí)時溫度采集

溫度傳感器采用溫度傳感器DS18B20，是因?yàn)镈S18B20 溫度傳感器特有精度更高、體積更小、適用于更寬電壓等特點(diǎn)，在實(shí)踐運(yùn)用中獲得了優(yōu)秀的測溫成效。DS18B20 溫度傳感器能夠收集溫度和改變數(shù)字輸出的溫度，然后經(jīng)過2.8 端口數(shù)據(jù)將它傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)把溫度接收并實(shí)行存儲，DS18B20 有2種封裝格式，分別是SOSI 和PR-35。本次采用的是作用主要實(shí)現(xiàn)檢查在環(huán)境的溫度一下降/上升2℃以后風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檔位自動下降/上升1 個檔位的作用。

1.3 鍵盤與顯示模塊

鍵盤與顯示是單片機(jī)接口中的重要部分，本系統(tǒng)中用了6 個按鍵（K1~K6）中的三個按鍵，其中一個鍵是用戶可用于設(shè)定電風(fēng)扇檔位選擇設(shè)置，可供選擇自動和手動兩個檔位；其次二個鍵是用戶鍵盤手動設(shè)定風(fēng)速的9 個檔位。

因?yàn)楸镜匕存I數(shù)量較少，因此需要使用STC89C52 單片機(jī)的I/O 口相連和獨(dú)立鍵盤接法，分別與P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5 相連，它的另外一端和低電平相接。

本次設(shè)計(jì)顯示模塊采用12864 液晶顯示屏和發(fā)光二極管顯示組成，這個系統(tǒng)當(dāng)中用到了兩個發(fā)光二極管和一個12864 液晶顯示屏。12864 液晶顯示屏與51 單片機(jī)的P1 I/O 相連，目的是顯示環(huán)境溫度、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和檔位。兩個發(fā)光二極管分別作為電源指示燈和風(fēng)扇、單片機(jī)工作開啟模式指示燈。

1.4 電機(jī)模塊

PWM 方式（脈沖寬度調(diào)制）用于調(diào)節(jié)時控制電動機(jī)提供功率不總是流動到發(fā)動機(jī)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，這是一個方波信號，其占空比也不同。因此，脈沖輸入信號均勻地分布到了作用時間，由于波輸入到初始能量終端PD5 和PE2 正方形的占空比的變化，改變通過電機(jī)施加的電壓的大小，最終請適當(dāng)?shù)馗淖兊剿鲭妱訖C(jī)的速度。PWM 高性能單芯片微機(jī)51主要使用一個計(jì)時器T1 控制占空比，T0 的計(jì)時器來控制頻率,所以在編程的思維上是：這個T1 是IO 口輸出的低電平，故而改變初始值。T0 定時器中止是讓I0 端口輸出高電平,定時器T0 中止運(yùn)行定時器T1,使用計(jì)時器T0 可以改變頻率,而改變固定頻率和改變占空比可以由時間裝置T1 的初始值改變。達(dá)林頓陣列系列產(chǎn)品ULN2003 優(yōu)點(diǎn)是能承受較高的電壓和大電流，因此采用ULN2003 驅(qū)動直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

2 程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化模塊、鍵盤識別模塊、溫度傳感器和電機(jī)調(diào)速模塊的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)編程部分工作采用C 語言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，與各子程序作為實(shí)現(xiàn)各部分功能和過程的入口，完成鍵盤輸入、按鍵識別和功能、PWM脈寬控制和數(shù)碼管顯示等部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)初始化模塊在主程序入口處開始運(yùn)行，主要完成對系統(tǒng)振蕩頻率初始化、系統(tǒng)全局變量初始化、LED 顯示和指示燈I/O 口初始化、TMR0 定時1ms 初始化和INT0 中斷等。

PWM 脈寬控制：本設(shè)計(jì)中采用軟件延時方式對脈沖寬度進(jìn)行控制，延時程序函數(shù)如下：

鍵盤中斷處理子程序：采用中斷方式，按下鍵，完成延時去抖動、鍵碼識別、按鍵功能執(zhí)行。要實(shí)現(xiàn)按住加/減速鍵不放時恒加或恒減速直到放開停止，就需在判斷是否松開該按鍵時，每進(jìn)行一次增加/減少一定的占空比。顯示子程序：利用數(shù)組方式定義顯示緩存區(qū)，緩存區(qū)有8 位，分別存放各個數(shù)碼管要顯示的值。

定時中斷處理程序：采用定時方式1，因?yàn)閱纹瑱C(jī)使用12MHz 晶振，可產(chǎn)生最高約為65.5ms 的延時。對定時器置初值B1E0H 可定時20ms，即系統(tǒng)時鐘精度可達(dá)0.02s。當(dāng)20ms 定時時間到，定時器溢出則響應(yīng)該定時中斷處理程序，完成對定時器的再次賦值，并對全局變量time 加1，這樣，通過變量time 可計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時間。

對于電機(jī)的啟停，在PWM 控制上使用漸變的脈寬調(diào)整，即開啟后由停止勻加速到默認(rèn)速度，停止則由于當(dāng)前速度逐漸降至零。這樣有利于保護(hù)電機(jī)。鍵盤處理上采用中斷方式，不必使程序?qū)︽I盤反復(fù)掃描，提高了程序的效率。

電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速通過設(shè)定檔位最低溫度來控制，設(shè)置25℃為最低初始溫度。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)溫度的測量是通過DS18B20 溫度傳感器來獲得，通過程序控制在LCD12864上顯示。通過獲得的即時溫度來判斷設(shè)定的初始檔位，檔位的加減可以使用鍵盤上的P0.0 和P0.1 來控制，其中P0.0是增加溫度檔位的，P0.1 是減小檔位，可以從LCD 上顯示出來，通過顯示的溫度和檔位來設(shè)定初始值。風(fēng)速檔位的可以通過芯片的P0.4 和0.5 來控制，其中前者是來增加風(fēng)速，后者是降低的。風(fēng)速檔位是來控制電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的快慢，對于不同溫度下要求的風(fēng)速快慢不同，也可以反過來溫度過高通過風(fēng)速來改變溫度。風(fēng)速的主要作用在DS18B20 溫度傳感器，通過其感應(yīng)周圍溫度的變化來顯示即時情況。溫度每升高2℃，電風(fēng)扇加速。

風(fēng)速檔位的可以通過P0.4 和P0.5 來控制，其中前者是來增加風(fēng)速，后者是降低的。

3 結(jié)論

本文以傳統(tǒng)風(fēng)扇為研究對象，采用單片機(jī)STC89S52為控制芯片，結(jié)合溫度測量模塊，電機(jī)控制模塊，鍵盤與顯示模塊，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇風(fēng)力風(fēng)速隨溫度變化而變化功能，為人們的生活帶來便捷。