智能风扇控制系统设计

2023-07-09邓集威贺沅玮

电子制作 2023年10期

邓集威，贺沅玮

（1.武冈市技工学校，湖南邵阳，422400；2.湖南交通工程学院机电工程学院，湖南衡阳，421001）

0 引言

“在各行各业领域当中，特别是工业和民用上，电风扇是一种很重要且应广泛地散热装置[1~3]”。主要用于工作环境相对密闭空间，为了加强空气流动，从而达到改善空气质量的目的，如商场、超市、车站等[4~5]。

随着人工智能市场需求与日俱增，传动电风扇结合单片机设计主动调节风速的控制系统；自动控制风扇控制系统需要三部分：单片机最小系统的软硬件设计、单片机与电扇接口的电路设计、电风扇与液晶屏的外围电路设计。在本设计中采用了高性价比的STC89C52 单片机，对传统的风扇加入了更多的人性化功能，使得传统的电风扇更具有智能化，实现“温度高，转速快，风力大”的功能[9~11]。使用者可一个挡位键设置所需要的定时时间，每当温度上升2℃的时候，风力风速主动上升挡位，同样的，每当温度减少2℃，风力风速主动降低一个档位，系统默认6 个阶级的风力风速档位，还可以让使用者自己设置多个阶级档位，也可以设置最低温度，当周围气温下降到临界温度时，风扇自动关闭，非常人性，能满足，种用户的使用要求[12~13]。

1 系统设计

自动控制系统主要由STC89S52单片机为控制核心；温度传感器DS18B20,高度集成化，大大降低A/D转换引起的误差，同时达到简化程序设计的效果；液晶显示屏LCD 采用型号为12864，可以实现人性化的显示，应用广泛；最终风扇启停、风力变化都是依靠电机驱动实现，控制电机方式就尤为重要，本设计采用H 型桥式PWM 电路，是由三极管组成的，此种电路饱和模式工作具较高的效率，并且可以简便的控制电机的启动、停止、正反转，电子开关的稳定性较好，灵敏度高，PWM 是调速技术的一种普遍方法，PWM 速度控制具有良好的特性，灵活的控制，宽范围速度控制和高过载能力的特性[4~6]。

图1 系统结构框图

1.1 控制芯片

本文采用的单片机型号是STC89S52，控制电路如图2 所示。

图2 控制电路

图3 温度传感器DS18B20 硬件设计原理图

图4 按键的原理设计图

图5 LCD12864 液晶硬件原理图设计

图6 电机调速模块流程图

图7 主程序流程图

图8 最低温度键盘模块程序流程图

图9 风速档位选择键盘模块程序流程图

1.2 实时温度采集

温度传感器采用温度传感器DS18B20，是因为DS18B20 温度传感器特有精度更高、体积更小、适用于更宽电压等特点，在实践运用中获得了优秀的测温成效。DS18B20 温度传感器能够收集温度和改变数字输出的温度，然后经过2.8 端口数据将它传递给单片机。单片机把温度接收并实行存储，DS18B20 有2种封装格式，分别是SOSI 和PR-35。本次采用的是作用主要实现检查在环境的温度一下降/上升2℃以后风扇转速档位自动下降/上升1 个档位的作用。

1.3 键盘与显示模块

键盘与显示是单片机接口中的重要部分，本系统中用了6 个按键（K1~K6）中的三个按键，其中一个键是用户可用于设定电风扇档位选择设置，可供选择自动和手动两个档位；其次二个键是用户键盘手动设定风速的9 个档位。

因为本地按键数量较少，因此需要使用STC89C52 单片机的I/O 口相连和独立键盘接法，分别与P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5 相连，它的另外一端和低电平相接。

本次设计显示模块采用12864 液晶显示屏和发光二极管显示组成，这个系统当中用到了两个发光二极管和一个12864 液晶显示屏。12864 液晶显示屏与51 单片机的P1 I/O 相连，目的是显示环境温度、风扇的转速和档位。两个发光二极管分别作为电源指示灯和风扇、单片机工作开启模式指示灯。

1.4 电机模块

PWM 方式（脉冲宽度调制）用于调节时控制电动机提供功率不总是流动到发动机的发动机转速，这是一个方波信号，其占空比也不同。因此，脉冲输入信号均匀地分布到了作用时间，由于波输入到初始能量终端PD5 和PE2 正方形的占空比的变化，改变通过电机施加的电压的大小，最终请适当地改变到所述电动机的速度。PWM 高性能单芯片微机51主要使用一个计时器T1 控制占空比，T0 的计时器来控制频率,所以在编程的思维上是：这个T1 是IO 口输出的低电平，故而改变初始值。T0 定时器中止是让I0 端口输出高电平,定时器T0 中止运行定时器T1,使用计时器T0 可以改变频率,而改变固定频率和改变占空比可以由时间装置T1 的初始值改变。达林顿阵列系列产品ULN2003 优点是能承受较高的电压和大电流，因此采用ULN2003 驱动直流电机正反转。

2 程序设计

系统软件部分主要包括系统初始化模块、键盘识别模块、温度传感器和电机调速模块的设计。本系统编程部分工作采用C 语言完成，采用模块化的设计方法，与各子程序作为实现各部分功能和过程的入口，完成键盘输入、按键识别和功能、PWM脉宽控制和数码管显示等部分的设计。系统初始化模块在主程序入口处开始运行，主要完成对系统振荡频率初始化、系统全局变量初始化、LED 显示和指示灯I/O 口初始化、TMR0 定时1ms 初始化和INT0 中断等。

PWM 脉宽控制：本设计中采用软件延时方式对脉冲宽度进行控制，延时程序函数如下：

键盘中断处理子程序：采用中断方式，按下键，完成延时去抖动、键码识别、按键功能执行。要实现按住加/减速键不放时恒加或恒减速直到放开停止，就需在判断是否松开该按键时，每进行一次增加/减少一定的占空比。显示子程序：利用数组方式定义显示缓存区，缓存区有8 位，分别存放各个数码管要显示的值。

定时中断处理程序：采用定时方式1，因为单片机使用12MHz 晶振，可产生最高约为65.5ms 的延时。对定时器置初值B1E0H 可定时20ms，即系统时钟精度可达0.02s。当20ms 定时时间到，定时器溢出则响应该定时中断处理程序，完成对定时器的再次赋值，并对全局变量time 加1，这样，通过变量time 可计算出系统的运行时间。

对于电机的启停，在PWM 控制上使用渐变的脉宽调整，即开启后由停止匀加速到默认速度，停止则由于当前速度逐渐降至零。这样有利于保护电机。键盘处理上采用中断方式，不必使程序对键盘反复扫描，提高了程序的效率。

电风扇的转速通过设定档位最低温度来控制，设置25℃为最低初始温度。本设计系统温度的测量是通过DS18B20 温度传感器来获得，通过程序控制在LCD12864上显示。通过获得的即时温度来判断设定的初始档位，档位的加减可以使用键盘上的P0.0 和P0.1 来控制，其中P0.0是增加温度档位的，P0.1 是减小档位，可以从LCD 上显示出来，通过显示的温度和档位来设定初始值。风速档位的可以通过芯片的P0.4 和0.5 来控制，其中前者是来增加风速，后者是降低的。风速档位是来控制电风扇转速的快慢，对于不同温度下要求的风速快慢不同，也可以反过来温度过高通过风速来改变温度。风速的主要作用在DS18B20 温度传感器，通过其感应周围温度的变化来显示即时情况。温度每升高2℃，电风扇加速。

风速档位的可以通过P0.4 和P0.5 来控制，其中前者是来增加风速，后者是降低的。