摘 ?要： 本設(shè)計是由STC89C51單片機控制，采用DS18B20溫度傳感器、人體紅外傳感器模塊和數(shù)碼管設(shè)計而成的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過脈沖寬度調(diào)制，實現(xiàn)了風(fēng)扇系統(tǒng)在有人的情況下依據(jù)當前溫度區(qū)間自動啟停以及調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等功能。該設(shè)計具有功耗低，實用性強等特點。

關(guān)鍵詞： STC89C51;智能控制;溫度控制;人體感應(yīng)

中圖分類號： TP368.1 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.032

本文著錄格式：梁娟. 基于單片機的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)[J]. 軟件，2019，40（12）：146149

An Intelligent Temperature Control Fan System Based on the Microcontroller

LIANG Juan

（East fujian agriculture and forestry university college of computer science Fuzhou 350715）

【Abstract】： This designs an intelligent temperature control fan system which is controlled by STC89C51 single-chip microcomputer， DS18B20 temperature sensor， human infrared sensor module and digital tube. This system through pulse width modulation， the functions of automatic starting and stopping of fan system according to the set temperature range and adjusting speed are realized. The design has the characteristics of low power consumption and strong practicability.

【Key words】： STC89C51; Intelligent control; Temperature control; Human induction

0 ?引言

現(xiàn)代生活中，電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，因各種電子設(shè)備在工作時都會產(chǎn)生熱量，從而影響到電子機械的生產(chǎn)以及人們的日常生活，所以單片機的溫度控制等功能就顯得尤其重要。目前，基于單片機控制的系統(tǒng)種類繁多，在單片機的使用過程中，為達到精準控制判斷的效果，需要對溫度實時采樣的測量功能進行不斷改善。

本文設(shè)計的溫控風(fēng)扇系統(tǒng)，主要采用型號為STC89C51的單片機作為控制器。在溫度采集模塊，選用了型號為DS18B20的集成溫度傳感器，并使用LED八段數(shù)碼管顯示溫度和風(fēng)扇的檔位。首先將溫度傳感器采集的環(huán)境溫度發(fā)送給單片機系統(tǒng)，其次采用人體紅外傳感器探測環(huán)境周圍是否有人活動，從而實現(xiàn)風(fēng)扇電機的自動啟動或停止，并且風(fēng)扇電機的速度可以根據(jù)單片機所確定的溫度區(qū)間而自動

改變風(fēng)速[1]。該設(shè)計主要是根據(jù)環(huán)境溫度在不同的溫度區(qū)間時，單片機輸出不同的PWM脈寬的方式來控制風(fēng)扇電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)了智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計，為現(xiàn)代社會人們的生活和生產(chǎn)帶來了更多便利，符合當代節(jié)能減排的社會要求[2]。

1 ?系統(tǒng)整體設(shè)計方案

該系統(tǒng)在對環(huán)境溫度的測量和采集方面，選用型號DS18B20的集成溫度傳感器，能夠以數(shù)字信號的格式輸出給單片機處理。溫度和風(fēng)扇檔位用LED八段數(shù)碼管進行顯示，并通過PWM速度調(diào)節(jié)，當溫度低于設(shè)定溫度的下限時，電機停止工作;當溫度在上限和下限之間時，電動機低速運轉(zhuǎn);當溫度高于上限時，電機全速運轉(zhuǎn)。并在預(yù)設(shè)溫度范圍的前提下，添加HC-SR501人體紅外傳感器模塊判斷周圍是否有人在活動，自動實現(xiàn)電路的通斷。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)框圖

Fig.1 ?The system block diagram

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要包括單片機核心控制模塊、溫度傳感模塊、人體感應(yīng)模塊、獨立按鍵模塊、顯示模塊等幾個部分。

2.1 ?單片機最小系統(tǒng)

電源、晶振電路和復(fù)位電路是單片機的最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)復(fù)位與晶振電路

Fig.2 ?System reset and crystal oscillator circuit

本設(shè)計所選用的AT89C51單片機需要5V的供電系統(tǒng)，可以使用USB口輸出的5V直流直接供電。供電電路在40引腳和20引腳位置上。

XTAL1和XTAL2用于連接石英晶體和微調(diào)電容[3]。電容器C1為10 μF，C2和C3為30 pF，電阻器R6為10 k，晶體振蕩器為12 MHz。當按下按鈕開關(guān)S1時，將重置系統(tǒng)。

2.2 ?溫度采集電路

溫度測量功能是通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器內(nèi)部計數(shù)時鐘實現(xiàn)的，溫度寄存器中16位二進制形式的值就是被測的溫度值。通過主機發(fā)送存儲器讀命令先讀取低位，再讀取高位。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內(nèi)用斜率累加器進行補償[4]。在本系統(tǒng)中將DS18B20與單片機的P3.5口進行連接實現(xiàn)溫度的采集。其與單片機的連接如圖3所示。

圖3 ?溫度采集電路

Fig.3 ?Temperature acquisition circuit

2.3 ?溫度設(shè)置按鍵電路

本系統(tǒng)設(shè)有3個獨立按鍵：S1、S2和S3，一端連接SCM的P1.0、P1.1、P1.2，另一端引腳接地，在按鍵按下時，產(chǎn)生低電平，使P1口作出反應(yīng)，完成溫度的設(shè)定，等系統(tǒng)上電后，以查詢的方式確定各按鍵狀態(tài)，進行設(shè)置。其接線圖如圖4所示。

圖4 ?溫度設(shè)置按鍵電路

Fig.4 ?Temperature setting key circuit

2.4 ?數(shù)碼管顯示電路

本系統(tǒng)溫度顯示模塊選用了共陰極4位數(shù)碼管，其中LED顯示的第一位實現(xiàn)了設(shè)定溫度“H”“L”以及當前風(fēng)扇檔位“0”“1”“2”的顯示;LED顯示的第二位固定顯示“—”;LED顯示的第三第四位，實現(xiàn)了設(shè)定溫度與實時溫度的顯示[5]。在 ? 設(shè)計時，為使單片機的P0口能夠輸出高低電平， ?P0口需接一個1K的上拉電阻。數(shù)碼管的位選引 ?腳為S1～S4，它們與單片機的P2.1～P2.4相連接，只要單片機引腳輸出低電平，就能選中與引腳對應(yīng)的數(shù)碼管位。顯示電路與單片機引腳的連接圖如圖5所示。

圖5 ?數(shù)碼管顯示電路

Fig.5 ?Display circuit of LED

2.5 ?風(fēng)扇電機驅(qū)動與調(diào)速電路

本系統(tǒng)中風(fēng)扇電機的速度是根據(jù)單片機輸出的PWM脈沖控制實現(xiàn)的[6]。按鍵控制設(shè)置溫度范圍，由單片機通過P2.7口輸出的PWM脈沖控制中速、高速兩檔轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速與啟停的自動控制。風(fēng)扇電機的一端接PNP三極管集電極，另一端接地。電機驅(qū)動及調(diào)速電路圖如圖6所示。

圖6 ?風(fēng)扇電機驅(qū)動與調(diào)速電路

Fig.6 ?Fan motor drive and speed control circuit

2.6 ?人體紅外感應(yīng)電路

在本系統(tǒng)中，人體紅外感應(yīng)模塊OUT腳接單片機P3.5引腳，風(fēng)扇的啟動和停止由其高低電平輸出控制[7]。采用重復(fù)觸發(fā)方式，從人體出現(xiàn)并保持活動，到離開前期間，感應(yīng)模塊一直輸出高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖絒8]。人體紅外感應(yīng)電路如圖7所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序需要實現(xiàn)的函數(shù)功能有系統(tǒng)初始化、各子模塊初始化、溫度讀取及溫度顯示功能，按鍵掃描功能，溫度處理判斷功能和風(fēng)扇電機控制功能。

本程序的流程圖如圖8所示。

圖7 ?人體紅外感應(yīng)電路

Fig.7 ?Infrared induction circuit of human body

圖8 ?主程序流程圖

Fig.8 ?The main program flow chart

4 ?系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

本系統(tǒng)采用C語言進行編寫，在KeiluVision5環(huán)境下對程序進行編譯，調(diào)試。KeilC51是美國KeilSoftware公司開發(fā)的51系列兼容單片機C語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)，它擁有豐富的庫函數(shù)，提供了強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以大大提高程序編輯調(diào)試的效率，高級語言的優(yōu)勢在大型軟件的開發(fā)中尤為突出[9]。

仿真工具采用Proteus ISIS。Proteus有4個功能模塊：智能原理圖設(shè)計、完善的電路仿真功能、實用的PCB設(shè)計平臺以及獨特的單片機協(xié)同仿真功能。它不僅能實現(xiàn)各種類型電路（模電、數(shù)電、模數(shù)混合）的設(shè)計與仿真，而且能為SCM應(yīng)用系統(tǒng)提供方便的軟、硬件設(shè)計和系統(tǒng)操作的虛擬仿真[10]。

連接好原理圖后，將編譯好的程序加載進去。通過設(shè)置最低溫度20℃，最高溫度30℃，最后根據(jù)系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能進行分步仿真。

將溫度傳感器的溫度調(diào)節(jié)到19℃，單擊開始按鈕，觸發(fā)人體感應(yīng)按鈕，系統(tǒng)開始模擬，可觀察到風(fēng)扇并未轉(zhuǎn)動，如圖9所示。

圖9 ?溫度為19℃時仿真效果圖

Fig.9 ?Simulation effect diagram at 19℃

當溫度傳感器的溫度調(diào)節(jié)到25℃時，單擊開始按鈕，觸發(fā)人體感應(yīng)按鈕，系統(tǒng)開始模擬，待一段時間穩(wěn)定后，觀察到風(fēng)扇在慢速轉(zhuǎn)動，如圖10所示。

圖10 ?溫度為25℃時仿真效果圖

Fig.10 ?Simulation effect diagram at 25℃

當溫度傳感器的溫度設(shè)置為32℃時，單擊開始按鈕，觸發(fā)人體感應(yīng)按鈕，系統(tǒng)開始模擬，觀察到此時風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動，如圖11所示。

圖11 ?溫度為32℃時仿真效果圖

Fig.11 ?Simulation effect diagram at 32℃

在仿真環(huán)境中，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨溫度的增大而加快。本設(shè)計設(shè)置了3個工作溫度區(qū)間，當環(huán)境溫度<下限溫度時，風(fēng)扇未啟動;當下限溫度<環(huán)境溫度<上限溫度時，風(fēng)扇慢速轉(zhuǎn)動;當環(huán)境溫度>上限溫度時，風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動。

5 ?結(jié)論

本系統(tǒng)的控制核心為STC89C51單片機，DS18B20集成數(shù)字溫度傳感器用于監(jiān)測環(huán)境溫度，并根據(jù)環(huán)境溫度的變化實現(xiàn)風(fēng)扇的不同轉(zhuǎn)速。通過LED數(shù)碼管連續(xù)顯示設(shè)定數(shù)據(jù)和系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了基于單片機的智能溫控風(fēng)扇的設(shè)計。

本系統(tǒng)可以擴展到各種系統(tǒng)的電機控制，可實現(xiàn)不同的電機速度調(diào)節(jié)。在生產(chǎn)和生活中，該系統(tǒng)既可用于日常的風(fēng)扇控制，為生活帶來便利，也可以用于工業(yè)生產(chǎn)中，從而實現(xiàn)智能化自動控制?？傊?，該系統(tǒng)的設(shè)計和研究對社會生產(chǎn)和生活可提供便利。

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