基于单片机的智能温控风扇系统设计

设计与研发基于单片机的智能温控风扇系统设计

张少康，尹睿，鲍琦，吴子鑫，高钊

(西京学院，陕西西安，7101：23)

摘要：本文以STC89C52单片机作为主控制器，应用温度传感器、红外传感器、LCD1602显示模块等，对常用的电风扇加

以改进，设计了一种智能温控风扇系统。实现当用户在风扇前一定距离、且温度达到预设值时自动启动，在用户离开时自 动关闭；随着环境温度的变化自动调节转速；对风扇运行的当前温度和预设的上下限温度进行实时显示等功能,具有一 定的实际应用价值与可观的市场前景。

关键词：STC89C52单片机；温度传感器；红外传感器；智能控制

The Design of Intelligent Temperature Control Fan System Basedon the Microcontroller

Zhang Shaokang, Yin Rui, Bao Qi, Wu Zixin, Gao Zhao

(Xijing University, Xi/ an Shaanxi , 710123)

AbstractrThis paper uses STC89C52single-chip microcomputer as the main controller, applies temperature

sensor, infrared sensor, LCD 1602 display module, etc” improves the commonly used electric fan, and

designs the intelligent temperature control fan system. It is automatically started when the user is at a certain distance in front of the fan and the temperature reaches the preset value, turned off when the user leaves, adjusted the speed as the ambient temperature changes, displayed the relevant operating parameters of the fan in real time, which has a certain practical value and considerable market prospects. Keywords:STC89C52;Temperature Sensor;Infrared Sensor;Intelligent Control

〇引言

随着电子信息技术、自动控制技术的不断发展，以及人 们生活水平的不断提高，将各种传感器与处理器结合，嵌入 家用电器，使其能够随着环境变化自动做出响应，以提高用 户居住舒适度、便利性和智能性的“智能家居”已成为一种趋 势。由于空调的出现，电风扇曾一度被认为会在空调产品的 冲击下逐渐被淘汰。但电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积 轻巧等特点，在中小城市以及乡村地区，未来一段时间仍然 是家家户户必备的降温电器。传统电风扇功能简单、智能性 较差，不能随着环境温度变化自动调节风速,且定时范围有 限,不能满足人们的需求。智能温控风扇随之被提出,但目前 发展还不够成熟，功能并不完善,智能性、人性化有待提高。 因此，本文对家用电风扇进行改进设计，实现当用户距离风 扇一定距离且温度达到设定值时自动启动，随环境温度的变 化自动调节转速，并在用户离开时自动关闭的功能，具有一 定的实际应用价值与可观的市场前景。

图1所示。

图1总体结构框图

2系统硬件谢十 2.1单片机主控电路

单片机主控电路如图2所示，XTAL1与XTAL2端口之间 外接一个12MHz的晶振，起辅助起振的作用。RST为单片机 的复位端口，在RST端口外接一个上拉电阻，再连接到一个按 钮上,就可以通过手动方式使单片机复位，有效的防止意外 发生，并对排除某些故障起到关键作用。电源接口只需要注 意正负极，单片机的I/O 口外接所要控制的硬件或是检测元 件即可。

1系统总体结构

本系统将单片机作为主控制器，采用温度传感器测量周 围环境温度，利用闭环PID控制算法，通过定时器产生不同占 空比的PWM脉冲，同时，结合红外传感器、LCD1602液晶显示 屏，实现自动启动、关闭、调速、显示等功能，总体结构框图如

2.2温度传感器电路

本系统选用DS18B20作为系统的温度检测元件，因其

基金项目：2018年陕西省大学生创新创业训练计划项目（201839006)。

田画a 』

设计与研发本身不具有输出高电平的能力，故单片机读取的高电平“1” 信号必须通过其他方式给出，典型的就是外接上拉电阻。有 些单片机的端口具有准双向口模式，可以不用上拉电阻， 如P89LPC932A1 ;有些单片机的端口具有内置上拉电阻，如 ATMEL168,在开漏模式下打开内部上拉电阻也可以不用外接 上拉电阻；其他的均必须接上拉电阻，否则温度传感器无法 正常工作。因此该部分接口电路中需要接10K的上拉电阻，而 数据接口只需直接接到单片机的I/O 口，本系统中连接到单 片机的P15端口，如图3所示。

<(R(TX(DXDMD)P3.0 EA/VI

T)0P3.1 ALE/PRO (INT1))PP33..23 KE (T0)P3.4 (T(W1)P3.5 XRR)P3.6 XTD)P3.7 GND

TAALL21 图2单片机主控电路图

2.3人体红夕M

专感器电路

选用DYP-ME003作为人体感应模块，用以检测智能风 扇附近是否有人。具体是以高电平和低电平的方式来发送数 据，当有信号时为高电平“1”，当无信号输入时为低电平“0”。 因此，接口电路很简单，只需接上电源，另外将信号端口 2直 接接到单片机的I/O 口，这里接到单片机的P13端口，无需 A/D转换,单片机可直接识别高低电平“0”和“ 1 ”信号源，如图 4所示。

图3 DS18B20接口电路图

图4人体红外传感器接口电路图

2.4显示电路

图5 LCD1602显示屏接口电路图

本系统选用LCD1602作为显示模块,其接口电路中V0 与GND必须直接接电阻来提供偏压，否则1602显示屏无法正

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常工作，其他的端口只需按照要求，接到电源端口或者相应 的I/O 口即可。在程序编写时只需要与相对应的I/O 口进行 声明，便可以实现相应端口的功能，如显示温度预设值，显示 温度上下限，显示风扇的挡位，显示周围是否有人等。具体连 接如下图5所示。

3系纖件设计

系统程序采用c语言编写，采用模块化设计，整体程序 由主程序和人体红外检测模块、温度采集模块、电机控制模 块以及LCD1602显示模块等子程序组成。在Keil uVision4 环境中对程序进行编译、调试，结合一些函数来实现各个模 块对应的功能。系统程序总流程图如图6所示。

图6系统程序总流程图

4结论

本文介绍并设计了一种以STC89C52单片机为控制核 心的智能温控风扇系统,在传统风扇的基础上进行改进和创

新，利用DS18B20温度传感器和DYP-ME003人体红外传感器 采集外界数据，并通过调节占空比，使其具有自动启动、关 闭、随环境温度变化自动调速的功能。同时，应用LCD1602显 示屏，对风扇相关运行参数，如当前运行温度、上下限的设定 值进行实时显示。满足智能化、人性化的需求，具有一定的实 际应用价值与可观的市场前景。

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(下转第32页)

ELECTRON IC TEST

设计与研发率器件驱动模块相邻功率器件放置，芯片的最上方位置放置 功率器件。

2.1.2管脚布局设计

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若C。采用较大的值时，LED上的电流波状相对比较平稳，然 而对系统调光较难操作，反之，电容C。取值较小时，系统调光 比较容易，但是LED上的电流纹波会略微变大。

从图4中可以看出调光控制信号、LED电流波形、电感 电流和输入电压的关系。当PWM调光控制信号Vadj从逻辑\"0” 变为时，LED上的电流和电感L同步由0变大到额定值， 由此可以得出，要实现调光，只需变动PWM调光控制信号号 Vadj占空比。从图4还可以发现一个问题，即LED上的电流和 电感L在输入电压VIN增大时略微变大，我们在电路中增加 两个电阻和一个高压器件NLDM0S解决此问题，见图5，即可 保证输入电压VIN的变化不会影响到LED上的电流。

本芯片设计八个管脚，其中输入脚VIN、电源脚vee、接地 脚vss和开关脚SW是重要的管脚。在实际操作中，电源脚vcc 和开关脚SW需通过一个电容连接，因此两者应放置在相邻的 位置。另外接地线布局在芯片外围，因此接地脚vss应和电源 脚Vcc相邻，其它管脚在保证芯片面积尽量小前提下自由布置。

2_1.3实际版图布局设计

结合上述版图布局设计规范，最终确定版图面积为 1680um X 1210um。如图2所示,在版图通过了 LVS和DRC查 验后，将GDS数据输入到VIS以制造MPW流片。

图4输入电压、调光控制信号、以及电感L和LED的电流波形（改

图2芯片的整体版图

2.2

进前的芯片）

电路电脑仿真结果分析

图5芯片内部结构改进图

图3总体电路应用仿真连接图

总体电路应用仿真连接图如图3所示。为了让模拟结 果更接近实际状况，在进行控制芯片模拟分析时，我们将 InH寄生电感和20MQ的寄生电阻加入到芯片的每个脚管和 相关的连接线上。选取如下参数进行模拟分析：Cto(rt=10nF、 L=47 u H、Cld()=220nF、R〇N=100K 〇。电容 C。是放置在 LED 附近， 两者是并联的关系，该数值大小与LED的电流波状密切相关，

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