基于单片机的智能温控风扇系统设计

陈俊妍 肖祖文

（湖北汽车工业学院机械工程学院，湖北 十堰 442002）

1 概述

随着科技的不断发展，生活中的传统家电也逐渐向着智能化变迁。电扇作为生活中必不可少的家电，人们也早已不满足于传统电扇温度调节的固定模式，逐渐趋向于能够通过温度变化监控，从而实现智能化温度调节控制的模式。传统电扇虽然也推出了睡眠模式等，但是睡眠模式的温度变化控制遵循的是固定温度控制曲线，并不是根据实际室温变化而进行温度控制。[1]对于生活生活水平、生活质量不断提高的用户来说，传统电扇根本无法满足人们对舒适感的最高要求。为适应人们的需求，智能控制电风扇也应运而生，我们已经对传统的家用电风扇系统做出了改进，大大改善了传统家用电风扇无法随着气温的变动而调整风速高低的问题，并增加远程遥控功能，让用户能够在不靠近风扇的情况下进行温度设置。该智能温控风扇具有环保、智能、安全高效、方便、性价比高等特点，将为人们的生活带来便利。[2]

本设计以STC89C51 单片机为控制核心的智能控制风扇，利用DS18B20 检测当前环境温度，并传送回主控单片机内完成数据处理。DS18B20 获得的温度控制数据之后通过PWM 驱动原理，使温度控制感应器将所收集环境温度与控制系统预设的环境温度相互比较。根据比较后结论，通过程序编程改变其占空比来确定风速的大小以及运行状态。与此同时，该设计可以实时显示当前温度，使用户能够清晰了解当前温度状态，若温度设置不符合用户要求，可及时采用红外遥控进行温度设置，并调节风扇风力大小。本文中所设计的温控风扇改变了传统风扇性能简单，但智能性却较差的弊端，可以大大提高人类的生活品质以及对舒适度的高需求。

2 系统方案设计

考虑到智能温控风扇系统应用对象和应用范围，本次智能温控风扇系统设计需要在实现系统设计的同时满足以下几个方面的因数：（1）性价比高；（2）可靠性高；（3）结构简单。为达到高性价比的特点，本产品设计主控芯片选用了性价比最高的单片机STC89C51，该芯片在能够适应系统的基本产品设计要求的同时，还具备了各项优点。[3]

系统使用了STC89C51 单片机控制器为核心控制器，并通过DS18B20 作为温度测量单元，以电机为主要执行单元，同时还能够通过LED 数码管显示器来实现温度显示。本系统的基本控制思想是：利用DS18B20 实时测量使用环境的当前温度，经过数据处理后，利用PWM方式调节电机的转速，能够让家用电风扇随周围环境气温的改变而自行调整档位，从而达到“温度高、风力大、气温低、风力弱”的特性。当所监测到周围环境气温小于其所设置的实际工作温度控制时，家用电风扇也将自行关掉，当气温超过此实际工作温度控制时家用电风扇也将重新启动。此外，通过使用红外线遥控装置和按钮均能够完成所有功能的开启、关闭和设置。智能控制电风扇系统的总体构成框图，如图1 所显示。

图1 系统总体结构框图

3 系统硬件电路设计

3.1 主控模块

系统核心控制模块用来控制系统各模块的正常工作，是系统的关键部分。其控制系统主要由单一微机及最小系统电路所组成。STC89C51 是系统可编程芯片，片内含4K Bytes 的可重复擦写一千次的Flash 只读程序内存，晶片内整合了通用八位中央处理器和ISP Flash 内存模块，提供在系统可编程(ISP)特性。STC89C51 具备的低效率、抗干扰、低电流、高性能、超高的处理能力以及性价比等优点，给许多嵌入式系统提出了一个既灵活性大又廉价的方法。[4]

3.2 温度检测模块

温度采集模块主要由温度传感器及其相关电路组成，用于读取和发送室内温度数据。为实时精确无误地获取温度参数，系统选择DS18B20 数字温度传感器，并及时将数据传输至主控芯片，随后传输至LED 进行显示。DS18B20 温度传感器在测量室内空气温度分布网络中十分适用，提供了方便的组网功能，适合本系统的使用场合[5]。

DS18B20 是一款改进型智能式温度感应器，和传统的热敏电阻一样，它能够实时读出被测温度，D1S8B20的温度检测区域为-55℃～+125℃。而且由于DS18B20是单线接口读写模块，温度转换功率直接来自于数据总线，而总线本身也能够进行给所连接的DS18B20 设备供电，并没有额外供电，所以直接使用DS18B20 设备会导致整个系统的结构更趋简便，且安全可靠[6]。

3.3 电机控制模块

电机控制模块主要是由直流电机以及电机驱动电路所构成的。电机的控制是采用PWM 波信号，由单片机改变PWM 占空比，从而控制三极管通断，可完成从最大风力调整到关闭的控制，并将最大风力调整到从关闭无风力至最大风力之间的自由风力，从而实现了“自由风”。

当STC89C51 接受到由数字温度传感器DS18B20 所测出的最高温信息后，并进行了相应的运算，当测设环境温度超过所设定的最高环境温度后，发电机全速工作；当被测量的环境温度在所设最高环境温度与所设最低温度之间时，电机转速随着温度的升高而加；当所测温度低于所设最低温度时，电机停止转动，若之后仍然温度回升，电机再次缓慢运行，开始转动。本设计采用程序的方式来对PWM 信息的占空比进行调整，进而改善电机的速度。利用改变直流电机电枢上电流的“占空比”来实现了改变有效电流大小的目的，并以此来调整电机的速度，从而完成了对风扇速度的调整[2]。

3.4 红外遥控模块

红外遥控是一个无线、非接触式的控制[7]，具备了抗干扰功能强，信号传递安全，耗电量少，成本低，易于实现等突出优势的，已被多种电子产品尤其是家电普遍使用，并越来越多的运用在个人电脑和手机控制系统中。[8]本系统硬件设计上使用了红外线的遥控控制，十分方便和人性化。

3.5 系统总体硬件设计

如图2 为系统总体硬件电路设计，主要分为5 个模块：主控模块、温度检测模块、电机控制模块、红外遥控模块和显示模块。

图2 系统总体硬件电路设计

4 系统软件设计

主程序模块为整个电路运行主要思路和逻辑，其设计流程图如图3 所示。首先完成系统的初始化，以保证系统各硬件和软件模块能正常运行，随后针对各模块进行调用并最终实现该设计功能。

图3 主程序流程图

温度采集模块初始化主要是完成对所读取数据清零，以免出现读取的数据不准确或者系统温度采集失败的现象。显示子程序的初始化是对显示参数值清零，便于用户实时观察温度变化情况。

当温度采集模块采集到室温数据后，由单片机进行数据读取和处理，单片机处理分析之后再将数据信号输出至电机程序模块和显示程序模块。每一次读取和处理数据之后，先将数据传输至显示程序模块，并由显示程序模块处理为数码管显示指令和语句，从而实现温度值的显示。因为电扇应用场景中，室温一般在10-50℃以内，因此选用四位数码管实时动态显示温度亦能够满足需求。与此同时，系统将设置的温度上下限和接收的数据在单片机进行分析判断，若温度超过上限，风扇电机将全速运转，若温度处于上下限之间，则电机缓慢运转，否则电机停转。主程序模块根据系统的设计功能不断循环反复，由此来实现风扇速度的控制和电机驱动。

5 实物测试

本系统我们采用Proteus 进行模拟仿真，随后进行实物测试。实物测试前，在中央控制系统中利用在程序中预设上下限温度，分别为15℃和32℃。刚开始起动之时，对当前的温度进行采集，然后将温度信号送到单片机，并由数码管屏幕显示实际温度数值。由实物明显可以看见，当温度还未超过所设定的工作温度下限时，电动机是停止不转的；如果温度达到了温度下限，电机这时自动开始启动、缓慢运转，随着温度逐渐升高，电机的转速也会越转越快；当实时温度超过了温度限制值时，这时电机开始全速运转，其实物测试效果如图4。

图4 实物效果图

6 结论

为适应现代人在炎炎夏日中对舒适度的高需求，并根据现代家居生活需求更偏向于的方便、环保、安全等特点，本文作者设计出了一个能够随着周围温度变化而自动控制速度的风扇系统，将智能控制与环保节能相结合，更加符合现代科技发展的大方向。该设计以单片机控制器STC89C51 为核心，使用了DS18B20 和数码管的温度采集与显示方案，并同时应用了PWM 电机调制原理和红外无线遥控技术，具有控制功能齐备、耗电少、造价低、自动化程度较高、原理和程序设计简单等的特点。