張仕寬，莫坤，羅旭，蘇婷，段明明

（興義民族師范學(xué)院，貴州黔西，562400）

0 引言

風(fēng)扇是人們?cè)谙奶旖禍乇苁畹睦?，因其具有價(jià)格便宜和使用方便的優(yōu)點(diǎn)而深受人們的喜愛(ài)。但是由于傳統(tǒng)風(fēng)扇的控制是通過(guò)按鍵旋鈕控制這一特點(diǎn)，所以出現(xiàn)當(dāng)人們?cè)谑焖臅r(shí)候，忘記關(guān)閉風(fēng)扇的現(xiàn)象，溫度降低之后風(fēng)扇還在轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致人們因?yàn)榇碉L(fēng)扇而感冒和電能的浪費(fèi)。因此，針對(duì)上述的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款以溫度為控制信號(hào)的智能風(fēng)扇，該風(fēng)扇具有室內(nèi)溫度和擋位顯示、溫度可調(diào)和自動(dòng)開(kāi)啟功能。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能

硬件系統(tǒng)由6 部分組成，它們分別是單片機(jī)及其最小系統(tǒng)部分、電源部分、溫度采集部分、按鍵輸入部分、數(shù)據(jù)顯示部分和電機(jī)部分。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

（1）單片機(jī)及其最小系統(tǒng)部分

本次設(shè)計(jì)使用的單片機(jī)為STC89C52R 單片機(jī)作為核心控制部件，通過(guò)其數(shù)據(jù)處理和IO口輸入輸出功能來(lái)實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)扇的控制。單片機(jī)及其最小系統(tǒng)是保證單片機(jī)能夠正常工作的系統(tǒng)組成，它們分別是單片機(jī)供電電源、單片機(jī)、時(shí)鐘及其復(fù)位電路和程序下載口。

（2）電源部分

電源部分采用USB 轉(zhuǎn)TTL 電路供電，給電路系統(tǒng)提供所需的電能。

（3）溫度采集部分

溫度采集部分使用的傳感器是DS18B20，DS18B20 能夠精確地將外界的溫度進(jìn)行采集，能夠?qū)⒉杉臏囟饶M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，方便單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其溫度測(cè)試范圍為-55℃~+125℃，測(cè)溫誤差為1℃。

（4）按鍵輸入部分

按鍵輸入部分使用的是獨(dú)立按鍵。獨(dú)立按鍵具有按鍵恢復(fù)功能，當(dāng)按鍵按下時(shí)，按鍵導(dǎo)通，當(dāng)按鍵松開(kāi)時(shí)，按鍵斷開(kāi)。

（5）數(shù)據(jù)顯示部分

數(shù)據(jù)顯示部分使用的是LCD1602 液晶顯示器。LCD1602 能夠顯示32個(gè)字符，其內(nèi)部自帶有字符庫(kù)，能夠顯示英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字、日文假名和一遍特殊符號(hào)，通過(guò)編程可以控制其需要顯示的字符和字符顯示的位置。

（6）電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)部分

電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是通過(guò)單片機(jī)輸出的PWM 波進(jìn)行控制，由于單片機(jī)的輸出電流不能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以采用了PNP 提供驅(qū)動(dòng)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

■1.2 電路搭建及其工作原理

1.2.1 電路搭建

使用Proteus 軟件進(jìn)行電路搭建，電路原理圖如圖2所示。

圖2 電路原理

在圖2 中，晶振與電容C1、C2 給單片機(jī)提供了時(shí)鐘信號(hào)，電阻R1 和電解電容C3 構(gòu)成了單片機(jī)的復(fù)位電路。

在 圖2 中，單 片 機(jī) 的P1.0 引 腳 與DS18B20的DQ 引腳進(jìn)行連接，用于數(shù)據(jù)傳輸，在DS18B20的VCC 上接入5V 電壓，并且在DQ 與VCC 之間接入一個(gè)大電阻作為上拉電阻使用。GVD端接地。

在圖2 中，單片機(jī)的P0.1~P0.7 引腳分別與LCD1602的D0~D7 引腳進(jìn)行連接，用于數(shù)據(jù)傳輸，在P0口和LCD1602的D口之間增加了一個(gè)排阻，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P0口內(nèi)部沒(méi)有接上拉電阻，所以外部接入了排阻作為上拉電阻使用，LCD1602的RS 引腳與單片機(jī)的P2.5 引腳進(jìn)行連接，用于LCD1602的寄存器選擇操作，LCD1602的RW 引腳與單片機(jī)的P2.6 引腳進(jìn)行連接，用于LCD1602的讀寫(xiě)操作，LCD1602的E 引腳與單片機(jī)的P2.7 引腳進(jìn)行連接，用于使能控制，LCD1602的VSS、VEE、VDD 接入一個(gè)滑動(dòng)變阻器，用于調(diào)節(jié)背光使用。

在圖2 中，獨(dú)立按鍵溫度設(shè)置鍵、溫度加鍵和溫度減鍵分別與單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.4 引腳進(jìn)行連接，另一端接低電平。

在圖2 中，電機(jī)通過(guò)一個(gè)限流電阻和NPN 管與單片機(jī)的P3.7 引腳進(jìn)行連接，通過(guò)P3.7端口控制電機(jī)工作狀態(tài)，由于單片機(jī)的輸出電流不能夠直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行工作，所以外接了一個(gè)NPN 管作為驅(qū)動(dòng)管使用。

1.2.2 工作原理

使用獨(dú)立按鍵進(jìn)行鍵值輸入，設(shè)定自己所需的溫度閾值，可以通過(guò)LCD1602 看到當(dāng)前自己設(shè)置的溫度閾值。DS18B20 會(huì)對(duì)周?chē)鷾囟冗M(jìn)行采集，并將采集的溫度通過(guò)串口傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)在接收到DS18B20 采集的溫度之后，將接受到的溫度值進(jìn)行處理之后與溫度閾值進(jìn)行比較，控制電機(jī)的工作狀態(tài)，選擇合適的擋位進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并且控制LCD1602 顯示器顯示當(dāng)前的溫度和擋位。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 溫度采集程序設(shè)計(jì)

2.1.1 初始化時(shí)序

初始化目的是為了讓單片機(jī)檢測(cè)總線上的DS18B20是否能夠正常通信，為通信做準(zhǔn)備。開(kāi)始時(shí),單片機(jī)將總線的電平拉低，持續(xù)時(shí)間為480μs，接著單片機(jī)釋放總線，由于上拉電阻的存在，會(huì)將總線電平拉高，持續(xù)時(shí)間是50~60μs，接著單片機(jī)檢測(cè)總線是否被DS18B20 拉低，持續(xù)時(shí)間60~240μs，初始化時(shí)序圖見(jiàn)圖3所示。

圖3 初始化時(shí)序圖

2.1.2 寫(xiě)時(shí)序

寫(xiě)時(shí)序是向DS18B20 內(nèi)部寫(xiě)入命令，寫(xiě)時(shí)序可分為寫(xiě)“0”時(shí)序和寫(xiě)“1”時(shí)序，不管是寫(xiě)“0”時(shí)序還是“1”時(shí)序，都需要維持至少60uS的時(shí)間，兩次寫(xiě)操作之間要間隔至少1μs的時(shí)間。在進(jìn)行寫(xiě)操作之前，單片機(jī)將總線拉低在15μs 內(nèi)必須釋放總線。寫(xiě)時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 寫(xiě)時(shí)序圖

2.1.3 讀時(shí)序

讀時(shí)序是單片機(jī)在總線上讀取DS18B20 在總線上傳遞的命令，分為讀“0”時(shí)序和讀“1”時(shí)序。這兩個(gè)時(shí)序讀取的時(shí)間都要維持至少60μs的時(shí)間，其中包括1μs的恢復(fù)時(shí)間，在單片機(jī)拉低總線15μs 內(nèi)必須釋放總線。讀時(shí)序圖如圖5所示。

圖5 讀時(shí)序圖

2.1.4 操作順序

初始化——>寫(xiě)相應(yīng)的控制指令（用寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)完成）——>讀取DS18B20 所采集到的數(shù)據(jù)（用讀數(shù)據(jù)函數(shù)完成）— —>把采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成實(shí)際的溫度。

■2.2 LCD1602 顯示程序

液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示LCD 此時(shí)不忙，這時(shí)才能寫(xiě)指令和數(shù)據(jù)，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址（寫(xiě)指令），也就是告訴模塊在，哪里顯示字符，然后再寫(xiě)入需要顯示的字符（寫(xiě)數(shù)據(jù)），才能夠正常顯示字符。

當(dāng)我們要寫(xiě)指令的時(shí)候，RS 置為低電平，RW 置為低電平，EN 置為低電平，然后將指令數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口D0~D7， 延 時(shí)tsp1， 讓1602準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，這時(shí)候?qū)N 拉高，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，這時(shí)候指令就開(kāi)始寫(xiě)入LCD，延時(shí)一段時(shí)間，將EN 置低電平。

當(dāng)我們要寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)候，RS 置為高電平，RW 置為低電平，EN 置為低電平，然后將指令數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)口D0~D7，延時(shí)tsp1，讓1602 準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，這時(shí)候?qū)N 拉高，產(chǎn)生一個(gè)上升沿，這時(shí)候數(shù)據(jù)就開(kāi)始寫(xiě)入LCD，延時(shí)一段時(shí)間，將EN置低電平。讀時(shí)序操作圖如圖6所示，寫(xiě)時(shí)序操作圖如圖7所示。

圖6 讀時(shí)序操作

圖7 寫(xiě)時(shí)序操作圖

■2.3 主程序設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行溫度讀取，將讀取的溫度通過(guò)顯示器顯示，然后再將讀取溫度與設(shè)置的溫度進(jìn)行比較，判斷是否開(kāi)啟風(fēng)扇。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

3 仿真調(diào)試

根據(jù)圖8 主程序流程圖，使用Keil 軟件進(jìn)行程序編寫(xiě)，將寫(xiě)好的程序生成HEX 文件。使用Proteus 軟件和Keil 軟件的聯(lián)合調(diào)試功能，進(jìn)行電路仿真。

如圖9所示，溫度傳感器DS18B20 采集的溫度為44℃，LCD1602 上顯示的溫度值也為44℃，說(shuō)明系統(tǒng)的溫度采集和溫度顯示沒(méi)有問(wèn)題；通過(guò)LCD1602 顯示屏我們可以清楚地看到TH的默認(rèn)值為40℃，而此時(shí)的采集溫度高于40℃，所以此時(shí)的擋位P 為2，設(shè)計(jì)概念符合，而TL的默認(rèn)值為10℃，如圖10所示，當(dāng)溫度低于40℃而高于或者等于10℃的時(shí)候，擋位P 為1，也符合設(shè)計(jì)的概念。接下來(lái)進(jìn)行按鍵設(shè)置測(cè)試。

圖9 TH 擋位測(cè)試圖

圖10 TL 擋位測(cè)試圖

如圖11所示，當(dāng)按下設(shè)置按鍵時(shí)，LCD1602 顯示TH設(shè)置界面，通過(guò)加減按鍵可以進(jìn)行TH 值的設(shè)定，此時(shí)的TH 值為48℃。如圖12所示，當(dāng)再次按下設(shè)置按鍵時(shí)，會(huì)進(jìn)入TL 值的設(shè)置界面，通過(guò)加減按鍵，可以進(jìn)行TL 值的設(shè)定，此時(shí)TL 值顯示為13℃。

圖12 TL 設(shè)置圖

如圖13所示，當(dāng)再次按下設(shè)置按鍵時(shí)，就會(huì)退出設(shè)置界面，進(jìn)入顯示界面，此時(shí)的TH 為48℃,TL 為13℃，與設(shè)置界面設(shè)置的值相符合。

圖13 設(shè)置退出界面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

利用溫度傳感器DS18C20 和單片機(jī)的控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的智能化設(shè)計(jì)，其智能體現(xiàn)在能夠隨著外界的溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的啟動(dòng)。隨著科技的發(fā)展，家用電器的智能化將在我們生活中越來(lái)越常見(jiàn)，基于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)將會(huì)使得風(fēng)扇更加智能。