基于51单片机的智能温控风扇设计

颜雨珊

（南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211200）

0 引 言

基于51单片机设计的智能温控风扇是利用单片机系统、温度传感器和液晶显示器等组成的控制系统，主要是通过智能温控器来实现对温度的控制。温控器的特点是可以输出温度数据和相关的温度控制量，在硬件的基础上通过软件来实现测试控制的功能。而且用户可以通过智能温控技术实现便捷地控制风扇转速，同时可以利用遥控器和按键控制风扇，从而解决了用户无法远程操控风扇的问题。

1 系统总体设计

系统输入端主要包括红外信号检测控制模块、实时控制时钟模块、温度自动检测控制器模块和红外遥控模块等共同组成。通过采集计算机外部输入环境数据信息和计算机外部的输入状态数据，把单片机智能电机控制原理应用于现代家用电器调速的过程控制装置中，将一台电风扇内的风扇电机转速作为一个被调节控制变量，由单片机实时分析传感器采集测量到的相应数字温度信号，控制系统再通过可控制单片机对其风扇电机参数进行实时调速，从而真正达到无须人为控制便可实现自动调节风速等级的理想效果。系统整体框图如图1所示。

图1 系统总体框架

2 DS18B20的温度处理

DS18B20型水温感应器，是按照国家DALLAS半导体公司系列单片微式计算机最新技术标准，研发并推出的另一个改进型智能水质感应器，和传统的热敏电阻仪表以及其他被动智能检测的水温类仪表元件产品一样，可直接快速地读出仪表所测温度。DS18B20数字温度传感器可以定期或持续收集所检测到的现场最大温度值，以及经过持续检测后所接收检测到的实际温度数值，自动返回发送到一个装在AT89C51单片机控制器模块上的P2.4口，在通过单片机程序运算处理工作并进行计算后，可以直接表示出现场的当前最高温度值，并据此差值与现场原始设计的当前最高实时温度值间对应的原始设计的实际上下温度限值间值作对比，如果此比值仍高于现场所设计实际温度的上限值，接近或其预测值远远小于原来所设定值的实际下限值时，将会自动地监控步进电机的速度并自动进行实时地调节。

3 51单片机

51单片机作为测温自动控制的系统核心，以一种纯单片机软件编程和控制的简单方法来自动地进行动作温度值的判断，并自动地在各个端口范围内输出各种测温及控制动作温度记号。通过此软件所编写成的打印程序既不显得复杂，用户也能方便快速地将在温度传感器表面上所感测到的各种动作温度数值信息通过温度仪表显示及打印显示出来，而且也使用户每天都可以同时通过两个键盘接口，自由地选择要设置打印的各种上下限动作温度值，满足其全方位的控制管理的需求。并且通过温度测序方法判断的温度微小变化也具有高度可靠性和精准度，能迅速、精确地把握环境温度曲线上出现的某一个微小的温度变化。

4 液晶显示模块

LCD1602点阵字符型点阵显示液晶模组是指一种可由专门厂家制造的、用来直接显示各种字母、数字、符号图形等内容的点阵型液晶模块。产品外形设计原理是利用LCD1602数码来分别表示出空调房间的实际温度范围和电风扇的预设温度档位，其主要引脚作用如下：第3脚叫VO是液晶显示屏对比度的调整输出端子，第5脚R/W是读写信号线，高电平读写操作，低电平读写操作。P2.5、P2.6分别接LCD1602的RS、RW端。LCD工作状态如表1所示。

表1 LCD工作状态

5 红外遥控模块

5.1 红外遥控原理

可见光按照红外线波段范围划分，由短至长的顺序排列分别为赤红橙黄绿青蓝紫，其中红光的红外波段范围一般约为0.62 μm～0.76 μm，比红光波段长一些的称为远红外线。远红外线的无线遥控系统利用在0.76 μm～1.5 μm范围内的远红外光束实现远程信号的传送与接收。常用的远距离红外信号控制系统一般分为发射与控制两个重要部分。红外遥控系统的信号发射与接收电路一般由二极管、三极管以及硅太阳能电池片构成，该电路把红外线光电信号转化为光伏发电信息，再送到增益放大器，从而完成红外后续检测电路参数、视频放大和译码信息转换处理等电路的运算。

5.2 红外发射端

发射端设备控制系统一般由发射命令按键、指令编码系统、经调制与放大的信号电路、驱动器电路、发射功率放大系统电路等主要的几部分共同构成，在收到发射器按下的发射命令按键时，指令编码电路会对产生接收发射机输出功率所需的特定频段信息的放大调制为指令编码信号，然后调制系统对收到的射频信息载体功率值进行放大和调节，利用大功率驱动电路控制输出功率，最后发射系统向外发送信号。

（1）技术参数。遥控距离：10 m～18 m（直线无障碍距离）；发射管红外波长：940 nm；晶振：振荡频率455 kHz；红外载波频率：38 kHz。（2）指令码。指令码与遥控板按键是一一相对的数字。每一串红外鼠标命令码代表保存着的其中一种鼠标编号数据信息，接着红外计算机系统又将该编号数据信息按自动方法调节，并传递到下一次的红外接收端载波受理机上，再经过最后一次的红外发射端接受机时再反复地传递出去。鼠标命令码如表2所示。

表2 遥控按键指令码对应表

接收端信号的放大系统一般在架构上可概括为信号源接收与输出的变换电路、放大与滤波电路、调制信号输入转换电路、指令译码电路、驱动控制电路、执行和输入变换电路单元系统等主要电路块系统。由于一般大功率红外脉冲发光的放大二极管发出的红外发射脉冲功率值通常都比较小，所以使用普通大功率红外脉冲接收二极管时所接收的发光脉冲信号也往往比较微弱。调制还原电路把信号进行调制还原，得到解码指令信息后在信号机上传送，并将其保存。解码指令信息二次运算或放大后传送至信号解调电路。解调器电 路把指令编码信息重新进行解调，并全部还原被调制的编码信息。指令译码机把被解码指令信息全部重新解码并进行指令译码，最后再转送到驱动芯片和指令电路，实现对单片机控制系统内所有未解码指令信息统一指令操作的控制系统。

（1）技术参数。工作电压：3 V～5 V；接收距离：10 m～20 m。（2）封装及其电路。MYS-1838型的收音头使用铁皮屏蔽。技术参数基本设置参数中三只供电接脚的区别是3脚：开关电源的输入正流压力值（VDD）的和，2脚：开关电源的输出负压力值（GND）之和，1脚：数据的输出压力（VOUT）。

6 PWM脉冲

工作原理是，在单片机中使用一个1 kΩ电阻的R4来对充气三极管输入与输出电平范围做出一种限定，只有在一台单片机给予电机极高电平信号输入的时刻（8050是高电平导通）或者8050以上的时刻，三极管电路才会被导通。这种时候接VCC电压和GND电压已经直接被导通，所以10 kΩ的电压在此处也只能用来上拉（只要不接VCC电压，那么直接导通8050就没法实现限制），8550电阻此时只能用来完成一些正常的管理工作，仍需要我们使用编程来完成其他的管理，在这段时间范围内只可以使用功能编程所限制的8050高电平脉冲，从而限制了驱使M1运行管理工作扩大电压的频次（8550是扩大电压，驱使M1运行管理工作，实际限制也只是8050在规定时限内使用高电平的频次）。风扇控制电路如图2所示。

图2 风扇控制电路

7 系统软件程序的编译与仿真

使用Keil公司的uvision软件对程序文档进行编辑，启动软件后，首先选择文档编辑设置中的目标工程，并分别选定目标工程选项，然后点击Build命令或target命令等来实现对源程序的文档进行编辑。一旦该程序中发生任何一个警告错误或出错，就表明编译器需要及时检查和调整，代码才能使编译为该程序的文件显得更加合理，直到文件完全编译完成。程序文档的编译界面如图3所示。

图3 程序编译界面

使用Proteus软件对智能温控风扇进行仿真，首先打开Proteus软件绘制仿真图，然后将Keiluvision软件中的程序导入到仿真图中的51单片机中，然后模拟运行，若无法正常运行，则需要检查电路是否连接正确、程序是否编写错误，直至可以正常运行。软件的仿真图如图4所示。

图4 软件仿真图

8 综合调试

系统硬件焊接安装工作制作完毕，系统软件焊接调试和安装调试工作完成后，将烧录的文档保存在单片机硬盘文件夹中，系统硬盘自动从上掉下一次电并自动正常开始系统工作，操作时状态指示灯会点亮；遥控板孔内均键入到一定位置的遥控命令信息，而接收端在收到遥控命令信息后，蜂鸣器内立即响应发射了遥控命令的信息提示音，此系统能更加准确和迅速便捷的地读出所要进行任务的全部遥控命令操作和结果。

系统控制器被手动设置为自动感温模块，在遥控的定时工作结束之后，开机控制风扇，风扇电机首先会进入PWM脉冲的控制风扇输出信号，接着会以一个固态继电器信号来进行驱动所控制的风扇转动，并能以与其温度对应转速等级改变的控制风扇转速信息进行控制转动，系统控制器就完全能达到自动实时的监控效率，并具有安全可靠性。用图5的曲线方法，来模拟感应风扇温度的变化，而随之形成的就是PWM的脉宽电流的改变，以及风扇速度等级的改变。当感应风扇温度的剧烈改变，PWM的变化频率和占空比都将逐渐提高，如图6所示，而风扇速度级别也变得越来越高；而同样，当风扇温度的急剧改变频率越来越快，PWM占空比变换的频率改变也会越快；而速度级别的变换，使得速度改变也会越快，如图7所示。

图5 温度的变化

图6 PWM波形

图7 风扇速度

9 结 论

本阶段论文着重对电风扇技术做了全面的分析介绍，利用以STC89C51单片机模块为主要功能的风扇控制件，结合PWM单片机控制和固态继电器可实现风扇同步调速功能和遥控信号发射与接收控制功能，温度、实时和时钟显示功能的友好简洁的人机信息交互操作界面，成功可靠地实现控制实现了电风扇额定启动电压等级为直流220 V、额定消耗功率等级为直流电45 W、风扇系统的定时自动启停系统及风扇自动同步调速控制等；特别是在软件开发设计实践中，采用了C语言和编程控制的技术用于解决人们生产、生活应用中面临的很多实际编程问题，大大方便了人们的生活。