智能电风扇控制系统的设计论文Word文件下载.docx

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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。

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。

综合考虑这些因素本系统采用这个方案。

图2　温度传感器DS18B20

3.1.2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3STC89C51

3.1.3显示器件的选择

LED共阴极数码显示管。

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4　LCD1602

3.1.4调速方式的选择

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，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。

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

达林顿反向驱动器ULN2803。

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。

[4]

3.2.1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。

3.2.3LCD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7　LCD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8　DS18B20连接电路

3.2.5风扇驱动电路

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。

[2]

C语