基于STC89C52单片机的智能风扇控制系统

李晓赫，郭庆强

(1.北京交通大学交通运输学院，北京 100044；2.山东大学控制科学与工程学院， 山东 济南 250061)

0 引言

随着科学技术的创新和人民消费需求的提高，风扇正逐渐被空调取代。但是风扇因其自身的便携性及较低的价格，在可预见的未来，尚有存在的价值。针对传统风扇转速单一、无法实现人体感知及自动启停的问题，设计了一套完善的智能自控系统，以改善传统风扇的这些不足。

1 系统设计方案

智能风扇控制系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

智能风扇自控系统采用STC89C52单片机作为系统马达微控制单元(microcontroller unit,MCU)，通过单总线温度传感器DS18B20采集实时温度值。根据周边环境温度的变化，风扇转速档位可通过PWM占空比自动调节[1-2]，并且风扇转速档位和环境温度室正相关。通过按键可设不同档位对应的温度阈值。系统将对用户设定值进行EEPROM存储。此外，该系统还采用红外传感器进行人体感知，并可根据感知信号自动启停。

2 系统硬件设计

系统硬件包括单片机最小系统(包括单片机、复位电路、晶振时钟电路以及电源)、人体感知单元、测温单元、LCD单元、EEPROM存储器、电风扇驱动单元、独立按键等。系统采用型号为24C02的外部ROM存储器完成上下限温度设定值的断电保存。

2.1 单片机最小系统

单片机最小系统以STC89C52为核心，并由复位、晶振和电源这三部分电路共同构成，其具体设计如图2所示。系统采用“按键设计，手动复位”的模式进行复位操作，复位电阻R=10 kΩ，外部时钟源晶振的震荡频率f=12 MHz，且震荡电容C2=C3=20 pF，整个系统电源为5 V[3]。

图2 单片机最小系统Fig.2 Minimum system of singlechip

2.2 人体感知单元

人体感应单元的核心器件由红外传感器和集成芯片BISS0001共同构成。本设计所选用的热释电型红外传感器(passive infra red,PIR)具有响应灵敏、检测精度高的特点，应用广泛。该器件可通过感知获得人体红外信号，将其转换成电压信号输入单片机，以控制相应的外围器件。在无人或人体无位移的状态下，传感器两电极所带电荷正负平衡，所以器件无电压输出。当人体发生位移时，器件两极电荷受人体红外影响，导致电荷平衡被破坏，从而产生电流，进而产生输出电压[4-6]。

红外传感器因其自身特性，只能检测移动人体。人体红外辐射经传感器头部的菲涅尔透镜进入器件内部，然后进行检测变换，最终转换为电压信号，并将人体感知信号输入单片机。其工作原理及结构如图3所示。

图3 红外传感器工作原理及结构示意图Fig.3 Operational principle and structure of infrared sensor

红外信号处理单元是一款应用广泛的数模混合专用集成电路，集成芯片BISS0001由运放、电压比较器、状态控制器、延时器件及锁存器等多个模块组成。该芯片通过外接红外传感器和相关电路，可完成人体红外信号的感知处理。

2.3 采温电路

采温功能可由热敏电阻或者DS18B20数字温度传感器完成。如果选用热敏电阻作为采温器件，则需设计相应的运放电路并进行温度信号的A/D转换，设计繁琐且温度感知灵敏度低，检测误差较大。如果选用DS18B20作为采温器件，可在-55～+125℃的范围内进行温度检测，采温范围宽，且器件内部可自动完成温度量由模拟信号向数字信号的转换，直接以数字信号的形式输出，大大简化了外围电路的相关设计。DS18B20传感器为单总线通信器件，内含64位ROM。单片机的单端口可同时挂接多个DS18B20，进行多路测温。此外，该类器件还具有检测精度高、灵敏性好等诸多优点[7-10]，适用于风扇控制系统。因此，经综合比较，系统最终采用DS18B20数字温度传感器作为温度传感器系统的主要元件。

2.4 LCD1602液晶显示系统

本设计采用的LCD1602液晶显示器可进行双行显示，每行可以显示16列字符(包括简单汉字、数字、字母、符号等)，具有功耗低、对比度可调、耐用、易操作等特点。屏显对比度可由滑动变阻器进行相应的调节。

2.5 风扇驱动电路

电机调速是风扇驱动电路设计的关键。MOC3041M是电机调速的核心器件：其本质是一种特殊的光电耦合器。MOC3041M具有过零双向可控特性，其工作原理是:当有相应信号触发时，MCU的对应输出引脚电平置1，由反相器进行处理，进而输出一个反相信号，从而使MOC3041M导通，控制外围电路工作。负载功率计算公式如式(1)所示：

(1)

式中:n为MOC3041M导通的正弦波数量;N为相同时间内交流正弦波数量;U为一个工作周期的等效电压;I为一个工作周期的等效电流。

由式(1)可知，在等效电压、等效电流和交流正弦波数量固定不变时，功率只与n成正比。因此，调节n就可改变风扇转速。

2.6 独立按键电路

为实现温度上下限的范围可调，采用按键来输入信号，系统设有功能不相同的4个按键。独立按键电路如图4所示。初次按下S2键，可设温度阈值上限；再次按下S2键，可设温度阈值下限；第三次按下S2键，设置结束。S3、S4两键设置具体温度阈值，S3具有阈值加1功能，S4具有阈值减1功能。加值键S3按下一次增加1℃，按住不放3 s后,每秒增加1℃；减值键S4按下一次减少1℃，按住不放3 s后，每秒减少1 ℃。S5的作用是调节散热电风扇的转速。对于各个按键的数据，采用按键引脚轮循扫描的形式进行读取。

图4 独立按钮电路图Fig.4 The circuit of independent buttons

3 软件设计

系统软件设计语言选用C语言。依据不同功能，可整体划分为信号接收、逻辑处理和输出驱动3个功能模块。其中，信号接收程序负责接收各传感器的数据采集以及按键的二值信号；逻辑处理程序负责依照传感器采集的信息进行相应的逻辑判断操作，并调用相应的输出驱动；输出驱动程序负责外围电路的具体驱动。

3.1 风扇自控系统主程序

系统开机后，程序初始化，DS18B20进行实时温度检测并将所检测到的数字量数据发送至MCU。当人体探测模块检测到人体红外线时，控制器进行逻辑判断，以辨别所测温度在按键设置温度阈值的哪个区间，进而控制相应输出端口的脉冲信号占空比，调节风扇转速。如果半分钟内没有感知到人体信号，风扇则停转。当外部采温低于预设阈值下限时，则控制风扇停转；当外部采温处于预设阈值内时，则控制风扇以适中的速度转动；当外部采温高于预设阈值上限时，则控制风扇高速运转。同时，系统通过延时程序，将采集的环境温度、温度上下限值、电机转速档位、是否检测到人体红外线等信息每间隔一定时间显示在LCD1602液晶显示屏上，并根据环境温度及时调整风扇运行状态。系统主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Flowchart of main program

3.2 采温单元

选用DS18B20作为采温单元核心测温器件。该器件进行采温时，首先上电进行初始化，然后控制器向该器件发送温度读命令。该器件接收读命令后，向控制器返回一个当前温度值，控制器接收该返回值并写入对应缓存区，以供控制器进行后续逻辑处理。如一个控制器端口只挂接一个DS18B20，则无需下发该采温器件的64位ID；否则，需下发对应当前器件的ID号。

4 结束语

基于STC89C52单片机的智能电风扇控制系统具有探测人体红外线的功能，能在无人环境下自动关停风扇。该智能风扇自控系统还具有温度自检功能，可根据所采温度进行相应的逻辑判断，从而对风扇进行不同档位的自动调速。该系统通过对风扇系统传统模式进行改良，具备了温度自检和人体感知功能。其智控启停功能避免了传统模式下的繁琐操作，提升了用户体验和操作友好度。与普通级别空调相比，本文所设计的智能风扇控制系统具有价低、便携、智能自控、节能等诸多优点。因此，该产品具有一定的现实意义和较好的应用前景。

参考文献:

[1] 宰文姣,汪华章.基于步进电动机的智能电风扇设计与实现[J].微特电机,2014,42(11):88-92.

[2] 梁凯甲,彭振华,曾丽.基于单片机的智能电风扇控制系统设计[J].自动化应用,2016，16(8):62-63.

[3] 金琦淳,李寒霜,陈炜炜.基于单片机的智能温控散热器设计[J].现代电子技术,2016,39(10):113-115.

[4] BENET G,BLANES F,SIMJ E,et al. Using infrared sensors for distance measurement in mobile robots[J]. Robotics and Autonomous Systems,2002,40(4):255-266.

[5] 易金桥,黄勇,廖红华,等.热释电红外传感器及其在人员计数系统中的应用[J].红外与激光工程,2015,4(4):1186-1192.

[6] YANG B,WEI Q,ZHANG M.Multiple human location in a distributed binary pyroelectric infrared sensor network[J]. Infrared Physics and Technology,2017,85(9):216-224.

[7] ZHI M X,PENG L,XIN Y C.Space measurement system design and space environment adaptation experiment of commercial sensor DS18B20[J].Applied Mechanics and Materials,2014,635-637:760-767.

[8] 汤锴杰,栗灿,王迪,等.基于DS18B20的数字式温度采集报警系统设计[J].传感器与微系统,2014,33(3):99-102.

[9] 王建勋,周青云.基于DS18B20和LabVIEW的温度监测系统[J].实验室研究与探索,2012,31(3):47-50.

[10] LIU Z J.Multi point temperature measurement system based on DS 18B20[J].Advanced Materials Research,2013,756-759:556-559.