基于單片機的智能風扇研究

張仕寬，莫坤，羅旭，蘇婷，段明明

（興義民族師范學院，貴州黔西，562400）

0 引言

風扇是人們在夏天降溫避暑的利器，因其具有價格便宜和使用方便的優點而深受人們的喜愛。但是由于傳統風扇的控制是通過按鍵旋鈕控制這一特點，所以出現當人們在熟睡的時候，忘記關閉風扇的現象，溫度降低之后風扇還在轉動，導致人們因為吹風扇而感冒和電能的浪費。因此，針對上述的問題，設計一款以溫度為控制信號的智能風扇，該風扇具有室內溫度和擋位顯示、溫度可調和自動開啟功能。

1 硬件系統設計

■1.1 硬件系統結構及其功能

硬件系統由6 部分組成，它們分別是單片機及其最小系統部分、電源部分、溫度采集部分、按鍵輸入部分、數據顯示部分和電機部分。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

（1）單片機及其最小系統部分

本次設計使用的單片機為STC89C52R 單片機作為核心控制部件，通過其數據處理和IO口輸入輸出功能來實現智能風扇的控制。單片機及其最小系統是保證單片機能夠正常工作的系統組成，它們分別是單片機供電電源、單片機、時鐘及其復位電路和程序下載口。

（2）電源部分

電源部分采用USB 轉TTL 電路供電，給電路系統提供所需的電能。

（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行采集，能夠將采集的溫度模擬信號轉化為數字信號，方便單片機進行數據處理。其溫度測試范圍為-55℃~+125℃，測溫誤差為1℃。

（4）按鍵輸入部分

按鍵輸入部分使用的是獨立按鍵。獨立按鍵具有按鍵恢復功能，當按鍵按下時，按鍵導通，當按鍵松開時，按鍵斷開。

（5）數據顯示部分

數據顯示部分使用的是LCD1602 液晶顯示器。LCD1602 能夠顯示32個字符，其內部自帶有字符庫，能夠顯示英文字母、阿拉伯數字、日文假名和一遍特殊符號，通過編程可以控制其需要顯示的字符和字符顯示的位置。

（6）電機及其驅動部分

電機的轉動是通過單片機輸出的PWM 波進行控制，由于單片機的輸出電流不能夠直接驅動電機轉動，所以采用了PNP 提供驅動電流來驅動電機轉動。

■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 給單片機提供了時鐘信號，電阻R1 和電解電容C3 構成了單片機的復位電路。

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

在圖2 中，單片機的P0.1~P0.7 引腳分別與LCD1602的D0~D7 引腳進行連接，用于數據傳輸，在P0口和LCD1602的D口之間增加了一個排阻，因為單片機的P0口內部沒有接上拉電阻，所以外部接入了排阻作為上拉電阻使用，LCD1602的RS 引腳與單片機的P2.5 引腳進行連接，用于LCD1602的寄存器選擇操作，LCD1602的RW 引腳與單片機的P2.6 引腳進行連接，用于LCD1602的讀寫操作，LCD1602的E 引腳與單片機的P2.7 引腳進行連接，用于使能控制，LCD1602的VSS、VEE、VDD 接入一個滑動變阻器，用于調節背光使用。

在圖2 中，獨立按鍵溫度設置鍵、溫度加鍵和溫度減鍵分別與單片機的P3.2、P3.3、P3.4 引腳進行連接，另一端接低電平。

在圖2 中，電機通過一個限流電阻和NPN 管與單片機的P3.7 引腳進行連接，通過P3.7端口控制電機工作狀態，由于單片機的輸出電流不能夠直接驅動電機進行工作，所以外接了一個NPN 管作為驅動管使用。

1.2.2 工作原理

使用獨立按鍵進行鍵值輸入，設定自己所需的溫度閾值，可以通過LCD1602 看到當前自己設置的溫度閾值。DS18B20 會對周圍溫度進行采集，并將采集的溫度通過串口傳遞給單片機，單片機在接收到DS18B20 采集的溫度之后，將接受到的溫度值進行處理之后與溫度閾值進行比較，控制電機的工作狀態，選擇合適的擋位進行轉動，并且控制LCD1602 顯示器顯示當前的溫度和擋位。

2 軟件系統設計

■2.1 溫度采集程序設計

2.1.1 初始化時序

初始化目的是為了讓單片機檢測總線上的DS18B20是否能夠正常通信，為通信做準備。開始時,單片機將總線的電平拉低，持續時間為480μs，接著單片機釋放總線，由于上拉電阻的存在，會將總線電平拉高，持續時間是50~60μs，接著單片機檢測總線是否被DS18B20 拉低，持續時間60~240μs，初始化時序圖見圖3所示。

圖3 初始化時序圖

2.1.2 寫時序

寫時序是向DS18B20 內部寫入命令，寫時序可分為寫“0”時序和寫“1”時序，不管是寫“0”時序還是“1”時序，都需要維持至少60uS的時間，兩次寫操作之間要間隔至少1μs的時間。在進行寫操作之前，單片機將總線拉低在15μs 內必須釋放總線。寫時序圖如圖4所示。

圖4 寫時序圖

2.1.3 讀時序

讀時序是單片機在總線上讀取DS18B20 在總線上傳遞的命令，分為讀“0”時序和讀“1”時序。這兩個時序讀取的時間都要維持至少60μs的時間，其中包括1μs的恢復時間，在單片機拉低總線15μs 內必須釋放總線。讀時序圖如圖5所示。

圖5 讀時序圖

2.1.4 操作順序

初始化——>寫相應的控制指令（用寫數據函數完成）——>讀取DS18B20 所采集到的數據（用讀數據函數完成）— —>把采集的數據轉化成實際的溫度。

■2.2 LCD1602 顯示程序

液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示LCD 此時不忙，這時才能寫指令和數據，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址（寫指令），也就是告訴模塊在，哪里顯示字符，然后再寫入需要顯示的字符（寫數據），才能夠正常顯示字符。

當我們要寫指令的時候，RS 置為低電平，RW 置為低電平，EN 置為低電平，然后將指令數據送到數據口D0~D7， 延 時tsp1， 讓1602準備接收數據，這時候將EN 拉高，產生一個上升沿，這時候指令就開始寫入LCD，延時一段時間，將EN 置低電平。

當我們要寫數據的時候，RS 置為高電平，RW 置為低電平，EN 置為低電平，然后將指令數據送到數據口D0~D7，延時tsp1，讓1602 準備接收數據，這時候將EN 拉高，產生一個上升沿，這時候數據就開始寫入LCD，延時一段時間，將EN置低電平。讀時序操作圖如圖6所示，寫時序操作圖如圖7所示。

圖6 讀時序操作

圖7 寫時序操作圖

■2.3 主程序設計

首先進行溫度讀取，將讀取的溫度通過顯示器顯示，然后再將讀取溫度與設置的溫度進行比較，判斷是否開啟風扇。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

3 仿真調試

根據圖8 主程序流程圖，使用Keil 軟件進行程序編寫，將寫好的程序生成HEX 文件。使用Proteus 軟件和Keil 軟件的聯合調試功能，進行電路仿真。

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℃，說明系統的溫度采集和溫度顯示沒有問題；通過LCD1602 顯示屏我們可以清楚地看到TH的默認值為40℃，而此時的采集溫度高于40℃，所以此時的擋位P 為2，設計概念符合，而TL的默認值為10℃，如圖10所示，當溫度低于40℃而高于或者等于10℃的時候，擋位P 為1，也符合設計的概念。接下來進行按鍵設置測試。

圖9 TH 擋位測試圖

圖10 TL 擋位測試圖

如圖11所示，當按下設置按鍵時，LCD1602 顯示TH設置界面，通過加減按鍵可以進行TH 值的設定，此時的TH 值為48℃。如圖12所示，當再次按下設置按鍵時，會進入TL 值的設置界面，通過加減按鍵，可以進行TL 值的設定，此時TL 值顯示為13℃。

圖12 TL 設置圖

如圖13所示，當再次按下設置按鍵時，就會退出設置界面，進入顯示界面，此時的TH 為48℃,TL 為13℃，與設置界面設置的值相符合。

圖13 設置退出界面圖

4 結束語

利用溫度傳感器DS18C20 和單片機的控制技術，可以實現風扇的智能化設計，其智能體現在能夠隨著外界的溫度變化自動調節風扇的啟動。隨著科技的發展，家用電器的智能化將在我們生活中越來越常見，基于物聯網的技術將會使得風扇更加智能。