基于PWM 調速技術的智能溫控風扇系統

【文章摘要】
由于絕大多數的風扇均采用純人工的操作方式，無法實現靈活操作，所以難以滿足人們日益多樣化的需求。在本設計中，綜合利用了紅外遙控技術、PWM 調速技術、單片機、LCD1602 液晶顯示模塊和DS18B20 溫度檢測模塊等，實現了對風扇運行狀態的遠程調控、溫度實時檢測和顯示及風扇轉速的自動調節等功能。
【關鍵詞】
單片機；紅外遙控；PWM 調速；溫度檢測；自動控制
中圖分類號：請查閱中國圖書館分類法（第四版） 文獻標識碼：A
在炎熱的夏季，風扇是人們很常見的祛暑工具，而目前絕大多數的風扇均采用純人工的操作方式，雖然可以實現很多操作，但是卻難以滿足人們日益多樣化的需求。如在夏季的夜晚，當環境溫度升高時， 如果風扇繼續以很小的風速運行則會使得人們不能很好地入睡；當環境溫度降低時，如果風扇繼續以很大的風速運行則很有可能使得人們患上感冒。本文設計的基于PWM 調速技術的智能溫控風扇系統便可以很好地解決這個問題。當環境溫度升高時，風扇的轉速會升高到相應的檔位； 當環境溫度降低時，風扇的轉速也便降低到相應的檔位，并且當溫度降低到某一臨界值時，風扇會停止轉動并進入待機狀態。該系統在融合了遠程操控風扇技術的基礎上，對當前環境溫度進行實時檢測并顯示， 再根據溫度的變化對風扇的轉速進行自動地調節，增強了風扇的智能化水平。
1 系統總體設計
本系統為基于PWM 調速技術的智能溫控風扇系統。其可以實現對風扇的遠程控制、風扇轉速的自動控制等功能。系統主要由MCU、溫度檢測模塊、紅外遙控器、液晶顯示模塊和直流電機模塊組成。主控芯片通過DS18B20 溫度檢測模塊對當前環境溫度進行實時檢測并將其通過LCD1602 液晶顯示模塊進行顯示。系統具備兩種工作模式，即手動調速模式和自動調速模式。用戶可以通過紅外遙控器來選擇系統的工作模式。在手動調速模式下， 風扇的調速通過紅外遙控器來實現，用戶可以選擇相應的檔位進行調速。在自動調速模式下，風扇的操作按照系統預先設定的程序來根據當前溫度的變化進行自動地控制，即當溫度升高到某一個區間時， 風扇的轉速便升高到相應的檔位，當溫度降低時到某一個區間時，風扇的轉速便也降低到相應的檔位，并且當溫度下降到臨界值時，風扇便停止轉動并進入待機狀態。用戶在使用紅外遙控器選擇系統相應的工作模式后，系統便執行相應的程序， 從而實現整個系統的正常運行。系統總體設計圖如圖1 所示。
2 系統硬件設計
2.1 主控芯片模塊
系統以AT89C52 單片機作為主控芯片。AT89C52 是Atmel 公司生產的一款低電壓、高性能CMOS 8 位單片機，其主要特性有：1）片內含8 k bytes 的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器（ROM）和256 bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM）；2） 器件采用高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51 指令系統；3）片內配置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元；4）器件具有32 個雙向I/O 口， 3 個16 位可編程定時/ 計數器中斷，2 個串行中斷，可編程UART 串行通道，2 個外部中斷源。總體上AT89C52 單片機具有接口簡單、方便使用、功能強大等優點，并且成本低，所以能為本系統提供高靈活、超高效的解決方案。
2.2 紅外遙控器模塊
本系統的紅外遙控器模塊采用HX1838 模塊。HX1838 紅外遙控器模塊具有適應電壓寬、低功耗、高靈敏度和抗干擾能力強等特點，工作電壓為5V。HX1838 模塊與微處理器的通訊方式為單口線通訊，可接收38K 頻率的任何遙控編碼數據，再以數字量進行輸出。本系統中紅外遙控器模塊的電路圖如圖2 所示。
2.3 溫度檢測模塊
本系統的溫度檢測模塊采用DS18B20 集成溫度檢測模塊。DS18B20 是一種常用的溫度傳感器，具有測溫系統簡單、體積小、測溫精度高、耐磨耐碰、連接方便、占用口線少、硬件開銷低和抗干擾能力強等特點。DS18B20 獨特的單線接口方式使得其在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現與微處理器之間的雙向通訊。其測溫范圍為-55℃～ +125℃，固有測溫誤差為1℃。DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件，其可用數據總線供電， 電壓范圍為3.0 V 至5.5 V 且無需備用電源。本系統中溫度檢測模塊的電路圖如圖3 所示。
圖3 溫度檢測模塊電路圖
2.4 直流電機驅動模塊
由于本系統采用PWM 調速技術對電機的速度進行控制，所以本系統的直流電機驅動模塊采用SA60 直流電機驅動模塊。SA60 是Apex 公司生產的一款面向中小型直流電機的全橋型功率輸出電路。SA60 是PWM 型功率輸出芯片，電路提供給電機的電源電壓最大可達80V，能陸續向負載提供10A 的電流，最大模擬輸入電壓為5V。SA60 具有模擬控制和數字控制兩種控制方式。本系統采用數字控制方式，所以直流電機驅動模塊的電路圖如圖4 所示。
圖4 直流電機驅動模塊電路圖
2.5 液晶顯示模塊
本系統的液晶顯示模塊采用LCD1602 液晶顯示模塊。LCD1602 液晶是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊，它由若干個5X7 或者5X11 等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。LCD1602 液晶具有微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧等特點。本系統中LCD1602 液晶顯示模塊的電路圖如圖5 所示。

3 系統軟件設計
本系統的軟件設計部分包括系統初始化、溫度檢測、紅外遙控、液晶顯示、電機控制等部分。電機控制部分采用PWM 技術。PWM 技術在控制電機轉速時，電源并非連續地向電機供電，而是在一個特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能， 不同占空比的方波信號能對電機起到調速作用，這是因為電機實際上是一個大電感，它有阻礙輸入電流和電壓突變的能力，因此脈沖輸入信號被平均分配到作用時間上，這樣便可以通過改變直流電機驅動的輸入端上的輸入方波的占空比來改變加在電機兩端的電壓大小，從而改變了轉速。輸入方波占空比的改變利用單片機中的定時器來實現。系統程序流程圖如圖6 所示。
4 結語
本系統綜合利用紅外遙控技術和PWM 調速技術等技術，使得風扇的風速既能夠受人為控制，還能夠隨溫度的變化自動地進行控制。經過實踐的檢驗顯示， 基于PWM 調速技術的智能溫控風扇系統具有較好的工作穩定性及較高的工作性能。同時，所設計的基于PWM 調速技術的智能溫控風扇系統具有設計成本低、可擴展性強、便于操作等優點。
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