基于PWM 调速技术的智能温控风扇系统
【文章摘要】
由于绝大多数的风扇均采用纯人工的操作方式，无法实现灵活操作，所以难以满足人们日益多样化的需求。在本设计中，综合利用了红外遥控技术、PWM 调速技术、单片机、LCD1602 液晶显示模块和DS18B20 温度检测模块等，实现了对风扇运行状态的远程调控、温度实时检测和显示及风扇转速的自动调节等功能。
【关键词】
单片机；红外遥控；PWM 调速；温度检测；自动控制
中图分类号：请查阅中国图书馆分类法（第四版） 文献标识码：A
在炎热的夏季，风扇是人们很常见的祛暑工具，而目前绝大多数的风扇均采用纯人工的操作方式，虽然可以实现很多操作，但是却难以满足人们日益多样化的需求。如在夏季的夜晚，当环境温度升高时， 如果风扇继续以很小的风速运行则会使得人们不能很好地入睡；当环境温度降低时，如果风扇继续以很大的风速运行则很有可能使得人们患上感冒。本文设计的基于PWM 调速技术的智能温控风扇系统便可以很好地解决这个问题。当环境温度升高时，风扇的转速会升高到相应的档位； 当环境温度降低时，风扇的转速也便降低到相应的档位，并且当温度降低到某一临界值时，风扇会停止转动并进入待机状态。该系统在融合了远程操控风扇技术的基础上，对当前环境温度进行实时检测并显示， 再根据温度的变化对风扇的转速进行自动地调节，增强了风扇的智能化水平。
1 系统总体设计
本系统为基于PWM 调速技术的智能温控风扇系统。其可以实现对风扇的远程控制、风扇转速的自动控制等功能。系统主要由MCU、温度检测模块、红外遥控器、液晶显示模块和直流电机模块组成。主控芯片通过DS18B20 温度检测模块对当前环境温度进行实时检测并将其通过LCD1602 液晶显示模块进行显示。系统具备两种工作模式，即手动调速模式和自动调速模式。用户可以通过红外遥控器来选择系统的工作模式。在手动调速模式下， 风扇的调速通过红外遥控器来实现，用户可以选择相应的档位进行调速。在自动调速模式下，风扇的操作按照系统预先设定的程序来根据当前温度的变化进行自动地控制，即当温度升高到某一个区间时， 风扇的转速便升高到相应的档位，当温度降低时到某一个区间时，风扇的转速便也降低到相应的档位，并且当温度下降到临界值时，风扇便停止转动并进入待机状态。用户在使用红外遥控器选择系统相应的工作模式后，系统便执行相应的程序， 从而实现整个系统的正常运行。系统总体设计图如图1 所示。
2 系统硬件设计
2.1 主控芯片模块
系统以AT89C52 单片机作为主控芯片。AT89C52 是Atmel 公司生产的一款低电压、高性能CMOS 8 位单片机，其主要特性有：1）片内含8 k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器（ROM）和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM）；2） 器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51 指令系统；3）片内配置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元；4）器件具有32 个双向I/O 口， 3 个16 位可编程定时/ 计数器中断，2 个串行中断，可编程UART 串行通道，2 个外部中断源。总体上AT89C52 单片机具有接口简单、方便使用、功能强大等优点，并且成本低，所以能为本系统提供高灵活、超高效的解决方案。
2.2 红外遥控器模块
本系统的红外遥控器模块采用HX1838 模块。HX1838 红外遥控器模块具有适应电压宽、低功耗、高灵敏度和抗干扰能力强等特点，工作电压为5V。HX1838 模块与微处理器的通讯方式为单口线通讯，可接收38K 频率的任何遥控编码数据，再以数字量进行输出。本系统中红外遥控器模块的电路图如图2 所示。
2.3 温度检测模块
本系统的温度检测模块采用DS18B20 集成温度检测模块。DS18B20 是一种常用的温度传感器，具有测温系统简单、体积小、测温精度高、耐磨耐碰、连接方便、占用口线少、硬件开销低和抗干扰能力强等特点。DS18B20 独特的单线接口方式使得其在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现与微处理器之间的双向通讯。其测温范围为-55℃～ +125℃，固有测温误差为1℃。DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，其可用数据总线供电， 电压范围为3.0 V 至5.5 V 且无需备用电源。本系统中温度检测模块的电路图如图3 所示。
图3 温度检测模块电路图
2.4 直流电机驱动模块
由于本系统采用PWM 调速技术对电机的速度进行控制，所以本系统的直流电机驱动模块采用SA60 直流电机驱动模块。SA60 是Apex 公司生产的一款面向中小型直流电机的全桥型功率输出电路。SA60 是PWM 型功率输出芯片，电路提供给电机的电源电压最大可达80V，能陆续向负载提供10A 的电流，最大模拟输入电压为5V。SA60 具有模拟控制和数字控制两种控制方式。本系统采用数字控制方式，所以直流电机驱动模块的电路图如图4 所示。
图4 直流电机驱动模块电路图
2.5 液晶显示模块
本系统的液晶显示模块采用LCD1602 液晶显示模块。LCD1602 液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它由若干个5X7 或者5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用。LCD1602 液晶具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点。本系统中LCD1602 液晶显示模块的电路图如图5 所示。
3 系统软件设计
本系统的软件设计部分包括系统初始化、温度检测、红外遥控、液晶显示、电机控制等部分。电机控制部分采用PWM 技术。PWM 技术在控制电机转速时，电源并非连续地向电机供电，而是在一个特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能， 不同占空比的方波信号能对电机起到调速作用，这是因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入电流和电压突变的能力，因此脉冲输入信号被平均分配到作用时间上，这样便可以通过改变直流电机驱动的输入端上的输入方波的占空比来改变加在电机两端的电压大小，从而改变了转速。输入方波占空比的改变利用单片机中的定时器来实现。系统程序流程图如图6 所示。
4 结语
本系统综合利用红外遥控技术和PWM 调速技术等技术，使得风扇的风速既能够受人为控制，还能够随温度的变化自动地进行控制。经过实践的检验显示， 基于PWM 调速技术的智能温控风扇系统具有较好的工作稳定性及较高的工作性能。同时，所设计的基于PWM 调速技术的智能温控风扇系统具有设计成本低、可扩展性强、便于操作等优点。
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