智能电风扇控制系统的设计

1、智能电风扇控制系统的设计摘要：本文设计了一款智能电风扇控制系统，使用STC89C51作为主控制芯片，通过DS18B20检测环境温度并将温度信号发送给单片机。电机是否启动，以及电机的转速由系统设定温度值与检测温度值的比较结果控制。同时用LED1602显示检测到的温度和系统设定温度。关键词：电风扇；STC89C51；液晶显示器1602；目录1 引言22 方案设计32.1 系统整体设计3图1整体系统结构图32.2 方案论证33硬件设计43.1器件的选择43.1.1 温度传感器的选择43.1.2 控制核心的选择53.1.3 显示器件的选择53.1.4 调速方式的选择53.1.5 驱动方式选择63.2

2、各部分电路设计63.2.1 开关复位与晶振电路63.2.2 独立控制键盘电路7图6按键电路73.2.3 LCD显示电路8图7LCD连接电路83.2.4温度采集电路83.2.5 风扇驱动电路9图9直流电机连接电路103.2.6 电路总图114 软件设计11图11主程序流程图12图12液晶显示程序流程图13图13DS18B20程序流程图134.3.2 温度处理程序13图14温度处理子程序流程图14表116参考文献：19致谢211 引言风扇的结构简单，并且方便使用，是一种常见的降温工具。虽然现在空调已经走进人们的生活，但是风扇作为一种节约能源，并且环保的降温工具，很多家庭都在使用。随着科技的发展，温

3、控技术的不断进步，为了使电风扇更加节能方便，智能电风扇收到了越来越多的关注。因为单片机具有操作简单，便宜易购得，智能化程度高，抗干扰能力强，控制精度高的优点，所以单片机在很多的智能化产品中得到了应用。现阶段，智能电风扇的设计已经取得了一定的成果，可以通过人体检测来控制电扇的自动开启关闭，并能根据温度的不同控制风扇风速的大小。实现智能控制。1本文设计了由单片机STC89C51作为控制核心的智能电风扇。采用温度传感器DS18B20检测环境温度后发送给单片机，通过单片机将温度信息显示在LCD1602上。通过PWM驱动风扇电机的转动。风扇能根据传感器检测到的温度与系统设定温度的比较结果完成转速的自动调

4、节，并能根据人体检测结果控制电机自动开启关闭。2 方案设计2.1 系统整体设计本系统的工作流程为;DS18B20将检测到的温度信号发送给51单片机，通过显示器1602将检测到的温度显示出来，单片机根据检测到的温度信号进行风速控制，同时风速信息也显示在其此显示器上。8系统有两个设定温度，TH和TL，其中TH为风速档位切换温度界限，TL为风扇启动最小温度。设置按键有三个，K1、K2和K3。调节TH还是调节TL由其中一个按键K1控制，另外两个按键K2、K3分别对温度进行调高和降低，温度信息后有一位小数。当按下K1时可调节TH,再次按下K1可调节TL。按下K2加一度，按下K3减一度。为了达到风扇自动开

5、启关闭的目的，本系统还设置了一个红外探头，来检测是否有人员，如果超过一定时间没有检测到人员则其会自动关闭。为了对风扇转速进行调节，同时还利用了PWM脉宽调制来对电机进行控制。本系统的总体结构见图1。红外探头单片机晶振L298NLCD1602DS18B20复位独立键盘直流电机图1整体系统结构图2.2 方案论证本系统的主要控制目标就是风扇的转速可以根据温度信号的变化而改变，如果检测到室温低于设定值，则风扇会停止运行，且温度的设定值可以用独立按键改变。在风扇吹风区持续一段时间无人之后可以自动关闭。同时要求系统的温度分辨率达到较高的要求，电机工作可靠性较高。3硬件设计3.1器件的选择3.1.1 温度传

6、感器的选择在本设计中，有以下两种方案可供选择：方案一：采用热敏电阻。随着环境温度的改变，热敏电阻也会随之改变，然后产生输出电压变化的微弱电压变化信号。经过转化芯片将电压变化信号转化为数字信号，并发送给单片机，通过单片机对风速进行调节。方案二：数字式集成温度传感器DS18B20。此种芯片属于一类应用广泛的温度传感器，其集成化程度较高，可以实现精确的温度信号测量目的，DS18B20输出的温度信号可以直接发送到单片机控制单元。这以上两种方案各有一定的优点和缺点，对第一种方案而言，它的优点在于价格便宜，容易购得。不过其也存在明显的缺点，热敏电阻灵敏性不高，无法反映出细微的温度差别。并且在信号进行放大和

7、转换时容易产生失真情况，此外其电阻和温度的变化关系也较复杂，对不同的热敏电阻可能需要专门确定出相应的温度曲线，在这些因素的影响下，相应电路复杂性就显著的提高。此外其对一些小的温度变化难以检测出来。据此可以看出此方案并不适合本系统。对于方案二，数字式集成温度传感器DS18B20具有高度集成化的特点，可以大大降低外界放大转化以及其他电路的误差因数，温度误差变得很小。它的温度检测原理和热敏电阻的检测原理有本质的区别，使它的温度分辨力极高。温度值可以在器件内部转化成数字量直接输出，简化了系统程序的设计，又由于该传感器采用先进的单总线技术（1-WRIE），与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。综合考

8、虑这些因素本系统采用这个方案。图2温度传感器DS18B203.1.2 控制核心的选择本文设计时选择了STC89C51单片机作为控制核心，其可以通过编程来对温度信号进行控制，并将信号处理后通过输入输出接口发送到电机，并据此来对电机的转速进行控制。此种单片机的优点表现为工作电压低，可以达到很高的性能要求，同时稳定性高，工作耗能小，其中的存储器RAM空间较大，可以方便的和MCS-51兼容，此外其成本也不高，因而可以很好的满足本系统要求。图3 STC89C513.1.3 显示器件的选择方案一：LED共阴极数码显示管。方案二：LCD液晶显示屏1602。第一种方案的主要优点在于成本低，功耗小，且在光线很暗

9、情况下也可以很清晰的显示信号，此外温度计控制也相对简单，因而此种模式在很多显示领域得到应用。不过其也有一定缺陷，具体表现为，其通过动态扫描模式显示的，这样在工作过程中会产生闪烁，如果闪烁的频率较高，则数据显示会出现问题，导致一些数字无法准确的展示出来，因而综合考虑不选择这种方案。第二种方案的优点在于可以很清晰的显示，且对一些符号也可以方便的显示出，有很高的显示性能，且不会出现闪烁。而本系统需要同时显示出温度，风速和红外状态等信息，因而综合考虑，选择这种显示方式。图4LCD16023.1.4 调速方式的选择方案一：利用芯片DAC0832进行控制，也就是单片机根据接收到的温度信号来对电机转速进控制

10、，此芯片可以对单片机转换后的信号发送到无级调速电路，并据此来对电机转速进行调节。方案二：通过软件模拟PWM来对电机转速进行调节，此种调速方式主要是利用占空比对脉冲序列的宽度进行调节，从而得到所需要波形的调节模式。在此种占空比调节模式中，矩形波PWM信号的应用频率较高。14占空比也就是一个周期时间内高电平所占的百分比，如果此数值越大则相应的电机转速就越越高，如果其比例达到了100%，则转速也达到了最高水平。3通过输入输出接口来输出PWM信号时，可以选择如下几种模式：（1）利用软件延时。在此种方式中，如果高电平延时结束，则输入输出的电平变为反向，接着继续延时一定时间，相反情况下如果低电平延时到时则

11、也对相应的电平取反，不断的重复进行此项操作就可以得到相应的占空比信号，根据这一特点，本系统设计时也选择了这种模式。（2）利用定时器。此种方法和上一种有一定的类似处，主要区别在于这种方法需要通过定时器来进行电平的转变，这样也可以实现相应的调速目的，不过会导致编程相对复杂，因而其使用频率不高。（3）利用单片机自带的PWM控制器。此种类型的单片机中自带了一些PWM控制器，不过本文选择的系统不带有，因而并选择这种模式。根据对比可以看出，第一种方案可以满足相应的无级调速要求，且有较高的灵敏度，不过模数转换器的成本较高，因而不适用本系统。第二种方案主要是通过软件模拟占空比并进行调速的，其优点表现为有很高的

12、灵活性，且成本也低，可以较好的满足系统控制要求，因而综合考虑相关因而而选择这种方式的。3.1.5 驱动方式选择方案一：达林顿反向驱动器ULN2803。方案二：电桥驱动电路L298N。第一种方案主要是利用反向驱动器来进行驱动的，此种器件的驱动性能较高，且很容易控制，不过其在控制电机转速方面的效果不佳，可能会在最高档出现断档的情况，对其硬件电路进行修改之后，也没有有效的恢复，因而驱动力存在较大的欠缺，相应的应用频率也较低。第二种方案的优点在于驱动控制简单，很容易上手，且相应的驱动能力也很强，变速效果明显，因而综合考虑而选择此方案。3.2 各部分电路设计本系统的硬件组成并不复杂，主要包括单片机，传感

13、器，显示器，和驱动模块以及风扇，此外还包括有相应的电阻、晶振、电源等辅助性的元件。43.2.1 开关复位与晶振电路 晶振电路和开关复位电路是本系统的主要电路，前者主要是通过产生谐振来系统提供时钟信号，可以为系统的精确工作提供依据，10而后者则用于为各个口电路提供复位服务，复位电路是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间由电容的充电时间决定。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。晶振是给电路提供工作信号脉冲的，采用12M的晶振，单片机的工作速度为每秒12M。晶振与单片机的

14、XTAL1和XTAL2构成的震荡电路中会产生谐波，为了电路的稳定性，在晶振的引脚处接入两个30pf的电容接地来减弱谐波对电路稳定性的影响。此系统的电路图如图5所示。图5晶振电路与复位电路根据以上电路可以看出，其中的引脚XTAL1可以和晶振连接起来，并实现相应的反馈电路功能。其中电容C1、C2为30pF，C3为10uF，电阻R1为10k，晶振为12MHz。3.2.2 独立控制键盘电路本设计中设置了三个独立按键，K1、K2、K3。11其连接电路图如下图6所示：图6按键电路K1、K2和K3是三个保持独立的按键，分别和单片机I/O端口P1.5、P1.6、P1.7和大地连接，当按下按键后由高电平变为低电

15、平，电路接通。在工作过程中，单片机扫描按键子程序，之后就可以对温度进行设置，K1是控制调节TH还是TL, K2和K3两个键可以分别实现温度的加减，按下之后相应的显示信息就会增加或减少一度。3.2.3 LCD显示电路本文设计时选择了LCD1602来显示温度信息，此电路和单片机的连接情况具体见图7，此显示器的第一行可以显示系统检测到的温度与档位，而温度信号可以精确到小数点后第一位，设定温度则可以在第二行显示。其中T表示检测到的温度，P表示档位，TH为档位切换的温度界限，TL为电机启动所要达到的温度。5图7LCD连接电路3.2.4温度采集电路本系统控制器和温度传感器之间主要是通过DS18B20连接起

16、来，此电路在工作过程中，低温系数振荡器所发送出的时间信号可以被振荡器计数，系统事先设置了一个基权值，其和-55保持对应关系，在工作过程中，如果计数器计数已经变为0，而振荡周期没有停止，则可以认为测量的温度值超出了-55，相应的温度寄存器数值会增加1，继续重复这个过程，一直到振荡周期结束为止在此情况下寄存的值就是被测温度值，它是以二进制模式存储的，可以通过读命令信号确定出此温度值。12在工作过程中，由于温度振荡器具有非线性特征，因而在进行计算时，需要进行补偿。7此电路可以直接输出数字信号，并发送给单片机，不过需要通过上拉电阻来连接，此电路的连接情况见图8：图8DS18B20连接电路3.2.5 风

17、扇驱动电路本系统主要是通过模拟占空比来对电机进行控制的，将这种信号通过I/O端口发送到驱动模块，并利用其驱动电机工作，据此来实现调节转速的目的。利用键盘事先设置温度值，然后红外探测搜的温度信号和其对比，根据所得比较结果来确定相应的输出脉冲信号，并通过其对电机进行驱动，以此来达到控制专转速的目的。13在环境温度变化情况下，相应的电机转速也会依据程序设定情况进行改变，且温度和转速之间存在正相关关系，温度高则转速随之增加，而如果温度低于一定范围，则系统会停止工作，此外如果红外检测到无人，也会停止工作，在有人出现，且实际测量温度高出预设值情况下，电机会开启，且风扇也会工作，具体情况见图9：图9直流电机

18、连接电路3.2.6 电路总图图10 总电路图4 软件设计本系统在编程时主要用到C语言，也可以选择汇编语言，二者都有一定的优缺点和适用范围，具体比较情况如下。2C语言的主要优点在于很方便编程，且很容易学会，编写的程序也很容易修改，且可以很方便的找出错误，并修订。而汇编语言则属于一类机器语言，其程序代码和硬件密切相关，因而处理起来很麻烦，也不容易理解学习，其优点在于程序写好后含义很清晰，且执行效率也显著高于C语言的，因而在一些特殊领域应用较广。9综合各种因素，本文在设计时选择C语言进程序编写，其可以满足本系统的编程需要。4.1 主程序流程图图11主程序流程图4.2 液晶显示子程序在处理此程序时需要

19、用到时序图，为了准确的显示出信息，需要先对此种显示器初始化处理，之后需要确定出相应的字符位置，以及相应的处理函数，程序的起始行为40H4FH，确定出字符的位置后，才可以将其正确的显示出来，其显示的具体情况如下图。其流程图12所示：图12液晶显示程序流程图4.3 DS18B20温度传感器子程序4.3.1 温度读取程序此程序的主要作用就是对传感器测量得到的温度数据进行转换处理，使其转变为数字模式的，之后存储为系统控制提供依据，其对应的流程如下图所示。其流程图13所示：图13DS18B20程序流程图4.3.2 温度处理程序此程序主要是对前一步骤所得的温度值进行转换处理，并变为可以直接读取显示的数字，

20、然后在显示器上显示。其流程图14所示：图14温度处理子程序流程图4.7 软件设计中的问题与分析4.7.1 LCD显示程序的问题此系统的显示器单元需要显示环境温度、系统设定温度和风扇档位，为了更较好的进行显示，需要对输出顺序进行安排，输出顺序合理可以说明系统设置的更合理。之类数据输出后多存在一定的延时，以便更清晰的显示在液晶界面上。在对程序进行调试时，发现数值并没有显示出来，检查原因是没有调用子函数，之后修改处理而消除故障，各类数据都正确的显示出来-。4.7.2 DS18B20的显示程序问题DS18B20的显示数据是本系统最主要的数据，其和其他数据有一定的相关性，因而其改变之后其余的也会产生相应

21、的改变，也使得风速出现变化。在进行程序调试时，单片机上电好，显示器上的温度并没有正常显示，而是出现了85字样，而在复位后不会出现。出现此信息之后，其余的信息也产生了相应的改变。风扇有所转动，但转动的时间很短暂。这种错误较为严重，分继续此种显示器的数据手册可知，在上电之后其中暂存的数值为85，之后需要进行数据的转换，且存在一个间期，在此期间内就显示出85。这和硬件有一定关系。因而考虑到从软件方面进调节，也就是循环程序开始之前，读数之后给一个1s的延时，在转换结束之后，开始显示，据此就可以解决问题。5 硬件调试硬件电路的调试相对来说比较简单。此项调试主要是针对按键电路、温度采集电路、红外感应电路、

22、电机电路等进行调试的。5.1 按键电路的调试此电路和温度的设置有关，在按键按下之后温度会增减，此项调试相对简单，也就是查看按键后温度是否出现变化。经调试按键电路可正常使用。当按下K1时，可调节TH,按下K2键TH加1，按下K3键TH减1。再次按下K1键可调节TL, 按下K2键TL加1，按下K3键TL减1。如图所示。图15 TH的调节图16 TL的调节5.2 温度传感器电路的调试将DS18B20芯片接在单片机对应的P1.6口，通过插针在对应单片机的右下侧即为对应的VCC、P1.6和GND，可将芯片直接插在上面，因此极为方便。系统调试中为检验DS18B20是否能在单片机上工作，给芯片加热，即可发现

23、LED显示的前两位温度也迅速升高，证实了DS18B20可以在系统板上工作。由于DS18B20有3个引脚，因此在调试过程中应该注意每个引脚的对应位置，避免其接反而使芯片不能正常工作甚至导致芯片烧毁。经调试温度传感器可以准确检测出环境的温度。5.3 电机电路的调试在进行此项调试时，改变温度设定值，然后观察电机转速也就是电机档位是否变化，根据观察结果表明，电机电路达到预期的效果。其中TH为一档二挡切换温度界限，T为系统检测温度，TL为电机启动温度。当T大于TH则为二挡，否则为一档。当T大于TL,电机启动，T小于TL,电机停止。调试数据如下表。根据观察结果表明，电机电路达到预期的效果。TTLTHP26

24、.52728029030031024252262271281181922022622712025226227127.8282903003102526227228120242262281301表15.4 红外感应电路的调试此项调试结果表明，在前方无人情况下，风扇停止运行，在有人出现情况下，电机开始转动。5.5 硬件调试遇到的问题本文研究中电机的驱动问题一直没有处理好，这是硬件调试时遇到的主要问题。在开始时驱动电机选择的是ULN2803反向驱动器，不过测试发现在软硬件都正常情况下，电机变速效果并不好且出现了停转的现象。随后对电路和软件硬件都进行了检查，故障没有排除，接着选择了桥式驱动电路L298N

25、，这样UAN的问题得到处理，且驱动力可以较好的满足要求，在最高档情况下，也正常转动。5.6系统功能5.6.1系统实现的功能本系统可以实现通过检测到的环境温度的改变，从而改变电机的转速，使风扇可在不同温度区域间对应不同的风速。系统的设定温度可通过独立的按键来设定温度，再通过检测到的环境温度与系统设定温度的比较结果来控制电机的转速。在系统检测到周围有人员的情况下，当系统检测到的环境温度比系统设置温度低时，则电机停止转动。当系统检测到的温度比系统设定温度高时，电机开始启动。本系统还可以显示出当前检测到的温度信息、风扇转动的档位和设定温度，并能通过按键调节系统的设置温度。5.6.2 系统功能分析系统总

26、体上由五部分组成，开关复位与晶振电路、独立控制键盘电路、LCD显示电路、温度采集电路、风扇驱动电路。温度采集电路整个系统的首要部分，首先要检测环境温度的温度，系统才能判断温度的高低，然后通过单片机控制直电机的转速；其次是风扇驱动电路，该部分需要使用外围电路将单片机输出的PWM信号转化为平均电压输出，根据不同的PWM波形得到不同的平均电压，从而控制电机的转速，再次是LCD1602的动态显示电路，该部分可实现环境温度以及系统设定温度的显示。其中DS18B20采集环境温度，可通过按键来实现设置温度的调整，实现了对环境温度和设置温度的及时连续显示。6 结论本文主要是设计和实现了一套智能控制电扇系统，实

27、现了“基于51单片机的智能温控电扇设计”的设计和开发。该系统单片机为控制核心，以温度传感器DS18B20检测环境温度，实现了根据环境温度变化调节不同的风扇电机转速，在一定范围内能实现转速的自动调节，并能通过独立按键调节预设温度。实现了基于单片机的智能风扇的设计。对开发的系统进行测试，在发现问题，并排除相关故障之后，系统实现了预期的功能，在设计出几个模块之后，进行了仿真测试，并最终实现了系统开发目标。本系统设计也可以应用到其他电机的控制系统中，实现电机转速的自动调节。该系统在社会生产和生活中具有重要地位。通过这次设计，我学习到了很多系统开发的知识，且对书本上关于单片机，传感器和温度计等的认识更深

28、刻，对所学的知识进行了充分的利用，比如对绘制电路图，编程以及硬件布局等等。相应的处理和解决问题的能力也显著的提高。虽然在开发中也遇到了一些问题，但最终都在反复实践，摸索基础上，得到顺利解决。这次的设计对我有多方面的意义，检测我以往的知识掌握情况，同时也给了我一次实践的机会，使我意识到如何利用课本上学习的知识去解决实际问题，也使得自己明白了自身的缺陷和不足，相应思考能力得到了很多锻炼，这些对我以后的学习和工作也有重要的意义。参考文献：1 李学龙.使用单片机控制的智能遥控电风扇控制器J.电子电路制作.2003.9:13-15.2 郭天祥.新概念51单片机C语言教程M.北京:电子工业出版社.2009

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31、10(10):71.Design of Intelligent Electric Fan Control SystemZhang yi(Class 1 Gread 2015,agricultural electrification,School of Mathematics and Physics,Weinan Normal University)Abstract:In this paper, an intelligent electric fan system is designed with AT89C52 as the main control chip, and the temperature signal is detected and sent by DS18B20 sensor. The motor is started and stopped according to the detected temperature and the temper