基于单片机的学生用智能电风扇控制系统的设计

2020-02-02李盛林

电子技术与软件工程 2020年18期

李盛林

（广东理工职业学院广东省广州市 510091）

随着生活水平的提高，人们对电子产品的需求向着智能化、可便携的方向发展。本文设计的主要面向学生等群体的可远程控制、智能调速的电风扇控制系统是一个以直流供电可远程调控的系统，该系统能方便的在宿舍或者携带到教室、自修室等场所使用，很适合学生或者工作场所不固定的用户群体，其需求量大，具有广阔的市场。该系统还具有自动调速动作准确、平稳等优点。

1 系统设计

该智能风扇控制系统是一个闭环反馈控制系统，整个系统的设计包括硬件电路设计和软件设计两部分。

1.1 硬件电路设计

硬件电路的设计思路是：利用温度传感器检测环境温度并将该温度信号传递给单片机，单片机把该温度信号和用户设置的温度进行比较处理，根据处理的结果产生控制信号给PWM 电机驱动电路从而控制风扇电机。如果环境温度比用户设置的温度高时，电机转动，并且环境温度越高，转速越快；如果环境温度低于或者等于设置温度时，风扇电机就不转动。该系统还能显示温度值和用户设置时的状态。

蓝牙接收模块把接收到的移动设备终端的蓝牙通信信号传递给单片机，单片机根据该信号所设置的系统温度与环境温度产生相应的电机控制指令。

该系统还设计了复位按键、功能选择按键、确定键、加按键、减按键等五个独立按键用于系统的调控。为了实现通过使用便携式移动设备终端的远程控制，采用了蓝牙通信的方式。

因此，该系统的硬件部分主要有：MCU、时钟电路、温度数据采集电路、显示电路、PWM 驱动电路、直流电机等电路模块。其系统框图如图1所示。

1.1.1 电源电路

考虑到为了能方便的在不同的环境中使用，并且所选用的电机的额定电压为12V，所以该系统通过蓄电池或者外电源提供12V 直流电压供电，然后利用LM7805 三端稳压器进行降压，得到+5V的直流电压。同时，为了能够使输出电压的精度与稳定度提高，避免由于负载变化等原因导致+5V 的输出电压出现改变，该电路在LM7805 的输入、输出端接有滤波电容器。其电源电路图如图2所示。

1.1.2 单片机（MCU）最小系统

图1：系统结构框图

图2：电源电路

图3：单片机最小系统图

图4：温度传感器电路

图5：LCD 显示屏的接口电路

图6：直流电机及驱动电路

在本系统中的单片机（MCU）的功能是：用户设置温度，并把该温度和温度传感器所采集的温度进行比较从而产生对风扇电机的调控指令。同时还具有接收蓝牙通信数据、定时和驱动显示模块的功能。因此，该系统的单片机所进行的是相对简单的数据处理，对运算速度的要求不太高，所以综合成本、使用方便等方面考虑，该系统选择AT89C52 单片机作为控制器。因AT89C52 单片机工作电压低，性能高，片内含8k 字节的只读程序存储器ROM 和256字节的随机数据存储器RAM，它兼容标准的MCS-51 指令系统，单片价格便宜。

图7：蓝牙通信模块接口电路

图8：时钟电路

图9：键盘电路

单片机的控制过程：是上电复位后，读取温度传感器所采集到的环境温度信息，并通过驱动显示模块电路将该温度值在液晶显示屏上显示，以及把该环境温度值和用户设置的温度值进行比较运算，根据运算的结果产生电机的驱动的PWM 信号，从而调节风扇电机的运动状态。当用户进行系统设置时，单片机读取键盘接口电路的数据，并把该数据存储起来，以便用于调控风扇电机工作的状态，同时单片机还负责驱动显示电路显示用户系统设置时的时间、温度等即时数据。单片机还与时钟芯片构成数字定时电路。单片机的最小系统图如图3所示。

1.1.3 温度传感器电路

温度传感器的作用是用于检测该系统所处的环境温度信息。温度检测可以使用热敏电阻，但是如果可采用热敏电阻作为检测温度的核心元件，并通过运算放大器放大，再经模数转换芯片将模拟的温度信号转化为数字信号输入单片机处理，则该电路会变得相对复杂，并且检测的温度精度不高。所以综合考虑，选择数字温度传感器。

数字温度传感器精度高，而且其输出的是数字信号，可以直接将检测出的温度信号传递给单片机，所以其电路结构简单。而DS18B20 是使用非常普遍且方便的数字温度传感器，并且还具有温度分辨力很高优点，它和单片机控制器的通信是通过一根数据线以串行通信方式进行，外接电路结构简单，很适合本系统的要求。因此在该系统中的温度传感器选择DS18B20，将其DQ 脚和单片机P2.0 口连接，把采集到的环境温度数据直接传递给单片机。由于接口电路简单，所以其抗干扰能力强。温度传感器电路图如图4所示。

1.1.4 LCD 显示电路

该系统显示电路模块的功能是：当风扇正常运行时，显示环境温度和定时所剩时间；当用户进行功能设置时，显示定时、温度设置的即时数据。因此，该系统选择LCD1602 作为显示屏，分两行显示，第一行显示环境温度，第二行显示定时所剩时间，温度的精度为0.1℃，时间的精度为1 分钟。LCD1602 显示的接口电路如图5所示。

1.1.5 电机驱动电路及直流电机

本设计选用的风扇电机为12V 直流无刷电机，电机的驱动电路为ULN2803 芯片。由单片机根据系统所设置的温度和环境温度的情况，从它的P2.5 口输出PWM 脉冲控制信号传递给NPN 达林顿管驱动的ULN2803 驱动芯片，实现直流电机的调速。因该ULN2803 芯片适用于低逻辑电平数字电路，与标准TTL 系列兼容，所以该芯片的外电路结构简单；并且其工作电压高，可承受50V，工作电流也大，其灌电流可达500mA，因此，可将其输出直接接到风扇的12V 直流电机，从而控制风扇的转速等工作状态。

直流电机采用PWM（Pulse Width Modulation）方式调速，其原理就是通过改变直流电机两端的矩形脉冲的占空比，从而改变其两端的平均电压，实现直流电机的调速，平均电压越高，其转速越快。在本控制系统中，利用了单片机的定时器的功能来实现输出矩形波，并调整矩形波的占空比。直流电机及其驱动电路如图6所示。

1.1.6 蓝牙通信模块电路

为了能方便的通过平板电脑、智能手机等终端设备对风扇的远距离调控，本系统的遥控电路采用蓝牙通信模块。蓝牙电路模块市场有很多型号，本系统选用HC-02 蓝牙串口模块。因为该蓝牙串口模块是基于蓝牙 2.0 +BLE4.0 研发的，工业级的蓝牙数据传输模块。具有超低功耗，高稳定性等优点，能方便地和各种单片机、平板电脑、手机等设备连接进行通信。蓝牙通信模块接口电路如图7所示。

1.1.7 时钟电路模块

为了实现精确定时，避免机械定时器所产生的误差，该系统通过时钟电路模块实现电子定时功能。时钟电路模块主要由DS1302时钟芯片构成。DS1302 是一种带RAM 的实时时钟电路，它具有高性能、低功耗等优点，其内部具有31×8 的RAM 寄存器，用于临时性存放数据。时钟电路模块电路如图8所示。

1.1.8 键盘电路

图10：主控制程序设计流程图

为了方便用户对风扇系统的系统参数进行设置，该系统在风扇面板上还设计了键盘电路。该电路是由四个独立的按键构成，分别为“功能”键、“确认”键、“+”键、“-”键。它们分别接在单片机的AT89C52 的P1.7-P1.4 口。键盘电路如图9所示。

2 风扇控制系统的主控制程序设计

该系统主控制程序设计的思路是：

（1）温度设置。本系统每次开机时，系统默认的初始用户温度为25℃，当用户需要通过更改系统温度进行风扇调速时，可通过按键盘上的功能选择键选择“温度”，然后按“+”或“-”键更改，最后按“确认”键确认，则温度设置完成，如果没按“确认”键，则3 秒后系统返到温度设置的开始状态。该系统也可通过蓝牙配对已成功的手机等移动设备终端以相同的方式进行用户温度设置。用户在温度设置时，系统以1℃的步进改变温度值，当环境温度减去用户设置的温度的差值大于0 时，其差取最大的整数，并把该差值除以2，所得到的商值（取最大整数）作为风扇风速的档位数。风速最高的档位数为5 档，当大于5 档时，保持以5 档的速度运行。当环境温度低于用户设置的温度，或者在启用了定时工作状态且以达到了定时所规定的时长时，则风扇不转动。单片机实时读取环境温度数据，并发出PWM 信号调节电机转速。

（2）定时时长设置。本系统默认的初始状态是没启用定时功能，如果需要定时，则只需按功能键选择“定时”，然后按“+”键或者“-”键设置定时时长，最后按“确认”键完成定时设置。如果没按“确认”键，则3 秒后系统返到定时设置的开始状态。该系统也可通过蓝牙配对已成功的手机等移动设备终端以相同的方式进行系统定时的启动及设置。该系统的定时时长以分钟为单位整数显示，最长时长为240 分钟，进行定时时长设置时，以30 分钟的步进增加或减少。

（3）系统复位。该系统具有上电复位和按键复位的功能，在任何时刻只需按下复位键，系统就能回到初始化状态。

该系统的主控制程序设计流程图如图10所示。