基于STC89C52型單片機溫控風扇調速系統設計研究①

喬學增

(安徽醫學高等?？茖W校,安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著科技的發展,人們生活水平的提高,家電產品價格更為親民的情況下,空調逐漸成為人們夏季的必備品,就目前來說空調雖然基本上已普及,但是風扇基本上還是每家都有,人們利用風扇降溫在夏季生活中還是普遍存在的,相較與空調,不論從降溫方式還是價格優勢等,風扇都有著空調不可替代的優勢,在天氣不是很熱的情況下,不論從節省能源還是舒適程度來說大部分人還是會選擇風扇,人們還是喜歡使用風扇,在夏天天氣特別熱時,開空調如果同時開著風扇,特別是利用風扇配合空調使用效果更有優勢,能夠使得室內空氣流動更好,溫度會更加舒適,例如:在學校的機房和教室,學生們很喜歡開空調同時開著風扇,但是目前控制風扇的啟用和停止基本都采用機械式或遙控式[1-2],相對來說不便捷,也存在浪費,如果采用環境溫度對風扇進行控制的話,將會使風扇的使用變得更加便捷,實際生活中利用溫度控制風扇在有的儀器設備中是存在的,在儀器使用過程中它會根據溫度情況去啟用風扇或關閉風扇,根據溫度自動調節電機轉速來達到調節風的大小,這樣也能很好的節約用電,同時也方便使用,具有簡捷化[3]。溫控風扇在工農業生產上的應用也十分廣泛,例如:工業上使用的大型機械設備的散熱系統[4],電腦上用來給電腦CPU降溫的風扇等,根據需要有些風扇是能夠根據儀器或儀器中部分部件對溫度的要求來實現全自動開和關,并根據儀器或儀器中部分部件對溫度的要求實現電機轉速的開、關及快慢的調節,在現實生活中的用途也是十分廣泛,因此進行溫控風扇調速系統設計研究,具有相當的應用價值,因此用溫度傳感器測溫,用單片機進行整體控制,設計一款可以根據當前環境溫度對風扇進行控制一種裝置,利用此裝置不但能夠控制風扇,還能對當前環境的溫度進行檢測并顯示,實現風扇使用的自動控制,具有使用起來更便捷、更有效、更節能。

1 系統整體設計

溫控風扇調速系統選用的是對溫度較為敏感的DS18B20型傳感器,該傳感器測溫準確且為數字式。DS18B20能夠將檢測到的溫度信號進行模/數轉化,實現模擬信號和數字信號之間的轉化,這樣單片機接收到的是經DS18B20轉化后的數字信號,再由單片機對輸入的信號分析后進行處理,單片機根據DS18B20提供的溫度信號,同時利用PWM技術對風扇轉速進行控制,溫度值高于或等于已設置好的上限[5],風扇轉速最大;溫度值比已設置好的下限值低,風扇停轉;溫度值比已設置好的上限值低而且比已設置好的下限值高,風扇轉動變慢,上限和下限溫度值設計可以根據需要通過按鍵完成,如果有需要還可以進行功能拓展。如圖1所示為溫控風扇系統設計結構框圖。

圖1 溫控風扇調速系統設計

2 系統硬件

2.1 溫度傳感器DS18B20

首先需要選擇合適感測溫度的器件,該器件能夠準確測出環境溫度并轉換成數字信號,并以數字式及時傳送給單片機,這樣單片機才能夠及時處理。在目前已知的器件中,能夠感測溫度可供選擇器件有三種,第一種可以選擇熱敏電阻,該器件的優點是易購買、價格低,但也有不足,例如如果環境溫度變化很小,該器件是檢測不到,也即該器件檢測不到溫度的微小變化,熱敏電阻首先進行溫度信號采集,之后還需要進行放大和模/數轉換,完成上述過程中會產生誤差,還會發生失真,因此單片機難以及時獲得較為準確的環境溫度值;第二種可以選擇熱電偶,該器件與熱敏電阻相比好了很多,但其感測的溫度信號需要經過橋式電路、運放電路和AD電路處理,然后才能送給單片機處理,因此電路復雜,經過流程過多,這樣就會大大降低溫度敏感性,同時也會產生較大誤差,熱電偶電路相對復雜敏感性不夠高不說誤差還是很大,因此也不是好的選項。第三種選擇是選用DS18B20溫度傳感器,這種器件具有以下優點:集成化度很高,自身就可以通過數據線獲得足夠的電能滿足自身的讀寫及溫度轉換,實現零功耗待機,不需要外部電源,基本不需要單獨外接電路,因此可以放置在很多地方[6],基本不受外接電路因素干擾,抗干擾能力極強,同時其自身特性與上面兩種感測器件相比其測溫準確,既能夠感測到環境溫度的極小變化,且過程也相對簡單的多,其自身就可以直接把模擬信號直接轉化為數字信號送給單片機,電路也很簡單,該器件與單片機之間只需一條線就能夠完成雙向信息聯通,實現單片機與溫度檢測器件之間無障礙互通,因此選擇DS18B20。

2.2 單片機模塊

本設計中使用的單片機為STC89C52型單片機,要使單片機能正常工作需要滿足三點,分別是供電電源、復位電路和晶振電路。供電電源部分是提供給單片機工作的電源電路,任何一個電子設備都需要由電源供電進行工作,本設計中為STC89C52型單片機供電的是電壓為5伏的電源,在本設計中整個電路使用電源與單片機使用的電源是相同的,電源從P2處輸入,SW1為本設計總電源控制開關,主要用作系統電源的通和斷;單機在正常運行程序的過程當中,如果說突然掉電了,掉電之后單片機內部的程序就全部丟掉,如果遇到這種情況怎么辦呢?接下來怎么讓單片機去運行程序呢?這種情況下可以通過上電復位電路,它能使單片機從一個初始的狀態來繼續進行工作,單片機要正常運行,復位電路必不可少。復位電路能產生一個瞬時高電平給單片機,隨后就變成低電平,這樣一個瞬時高電平就能使單片機產生信號實現復位,也就是所說的上電復位,除此之外要想復位也可采用按鍵實現;單片機是數字電路[7],對于數字芯片來說,要想使其能夠正常工作,有一項是不可缺少的,那就是時鐘基準,那時鐘基準是誰來提供呢?時鐘基準主要是通過外部的時鐘晶振來提供,時鐘晶振也就叫晶體震蕩器。時鐘晶振和兩個電容共同構成一個晶振電路,這兩個電容的作用主要是一個是來輔助這個晶振來進行起振,另外一個就是維持這個晶振正常穩定地工作產生一個穩定的時鐘信號,晶振所產生的時鐘信號就是給單片機做為時鐘基準的。如果做單片機的話首先要做的就是要實現一個最小系統,這個最小系統除了含單片機主體外,還應包含以下三部分,分別是供電電源、復位電路和晶振電路,有了這個最小系統之后單片機就可以正常運行和執行程序,人們就可以把寫好的程序下載到單片機里面至于它外圍,什么都干不了,因為他沒有外圍電路在,它只能是一個裸機,這樣它只能簡單的跑程序,這是它運行最基本的條件,滿足這個條件,就可以去工作了,相當于是一個標配一樣。

2.3 電機控制

脈沖寬度調制是一種技術,英文簡寫是PWM,用它可以控制模擬電路,該技術很強大,雖然提的很早,但受制于電力與電子器件的技術水平限制,直到上世紀80年代才真正得到應用,目前該技術從測量到功率控制等眾多領域內都有廣泛應用。隨著技術發展已擴展了很多種類的PWM技術,例如:脈寬PWM、隨機PWM、SPWM法等等。模擬電壓和電流的值是能連續變化,因此不但其時間分辨率可以不受限制,幅度分辨率也可以不受限制,電壓和電流是隨時間變化的,在其范圍內可以取任意實數值[8],因此可以直接進行控制。一般情況下感覺模擬控制似乎簡單明了且直觀,但事實并不是這樣,因為模擬控制隨著時間的推移模擬電路極容易發生漂移[9],且調節難度大。除了解決漂移問題難度較大外,還有電路發熱嚴重等問題。如果不用模擬控制而是采用數字控制,對模擬電路來說既可降低功耗也能降低成本。就目前來說很多芯片上已含有PWM控制器,這樣讓數字控制變得更簡單。本設計中三極管均用9012管,且型號為PNP,集電極通過電機接地,基極與P3口連通由單片機掌控,這樣一來單片機就可以間接控制集電極實現對電機控制。溫度傳感器感測到的溫度信號傳導至單片機,單片機使用PWM控制方式來控制PNP型9012三極管的基極實現三極管導通和截止來控制電機電路導通和截止,以及流過電機的電流大小實現對電機的控制。當環境變化時,溫度傳感器會及時把當前溫度信號送入單片機,單片機根據收到的溫度信號調整輸入基極電流的占空比來控制集電極電流占空比[10],溫度高電流占空比變大,電機轉速加快,溫度低電流占空比變小,電機轉速減慢,如果當前溫度值大于或等于已設定最高值時,占空比最大,電機就會全速轉動,當前溫度值小于已設定最低值時,占空比最小,電機停止轉動。

2.4 溫度顯示模塊

本設計中溫度顯示使用的是數碼管,四個PNP型9012三極管的作用是讓數碼管工作,集電極、數碼管和P1口串接,當三極管基極是低電平時,該電路導通,單片機通過選中數碼管位,采用動態掃描方式掃描數碼管實現數字顯示。

3 軟件設計

溫控風扇調速系統軟件流程圖如圖2所示。Keil軟件支持C語言編寫[11],代碼是使用Keil編寫而成,完成編寫后還需要進行調試。經調試沒有錯誤后再成hex文件,之后在單片機中加入hex程序文件。如果把C語言與匯編語言相比較,首先C語言相比于匯編語言掌握開發變得更容易,其次在功能、使用等方面優勢也十分明顯,利用Keil軟件進行C語言編寫可以說最好的選擇。即使由于其他種種原因使用者不用C語言編寫,而是用其他語言,如果他使用的是Keil軟件,Keil軟件所擁有的的優點也會讓使用者的任務會完成的更好。

圖2 溫控風扇軟件系統流程圖

4 仿真效果:

用Keil軟件寫好的程序,在完成電路的設計及軟件設計調試后,Proteus是用于仿真的軟件,該軟件適用于單片機,安裝并打開Proteus,在Proteus中繪制出已設計產品的電路圖,把帶有hex程序的文件加載入已繪好電路圖的單片機中,點擊軟件運行圖標軟件會自動進行仿真,得到仿真結果如圖 3 所示。數碼管顯示當前環境溫度為 28.2 ℃,風扇處于設置的溫度上限之上,風扇全速轉動。如果想改變風扇轉速可以通過設置鍵、溫度增加鍵和溫度減小鍵調整溫度值上限和下限以實現風扇開啟、關閉及轉速控制。

5 實際物品制作及設置

根據設計的要求購買元器件,經過制作最終獲得實物,經調試效果良好。溫控風扇設計分為軟件部分和硬件部分,軟件主要是編寫程序和寫好程序后的調試工作,硬件主要是電路板的設計、制作和相關器件焊接。完成程序的編寫及調試后,購買模塊各配件及萬能板來進行焊接制作,需要用到以下焊接工具:烙鐵、焊絲、焊錫膏等,為了降低焊接過程出錯率,需要用到萬用表來檢驗焊接過程中的焊點是否導通。

圖3 溫控風扇調速系統仿真圖

具體風扇調速系統的設置方法如下:溫控風扇調速系統共有四個按鍵,一個電源開關另外三個分別為設置鍵(SET)、溫度增加鍵(ADD)和溫度減小鍵(DEC),溫度增加鍵和溫度減小鍵以下簡稱加鍵和減鍵,首先按一下設置鍵,如果數碼管顯示H+數字即為顯示當前已設置好的最高溫度值,如果覺得最高溫度不夠高可以連續按加鍵,H不變但顯示數字會增大,直到達到想要的最高溫度值停止按加鍵,相反如果覺得已設置溫度過高,可以連續按減鍵,直到達到想要的最低溫度值,再次按一下設置鍵會顯示L+數字,這也即是當前已設置好的最低溫度值,同設置最高溫度值方法相同來設置最低溫度值,L+數字達到想要的數值時再次按一下設置鍵,此時數碼管只顯示數字即完成設置。溫控風扇調速系統實物圖如圖4所示。

圖4 溫控風扇調速系統實物圖

6 結 語

本系統以STC89C52型單片機為系統整體控制的核心,以DS18B20用作感測溫度核心元器件,DS18B20負責對外界采集環境溫度,進行模/數轉化等初步處理,處理完畢后再送入單片機進行進一步處理和運用[12],該調速系統雖然簡單但具有很強的普遍適用性,使用者只需利用設置鍵、加鍵和減鍵進行溫度設定即可讓使用者得到在不同溫度下使用風扇的要求,并且能夠實時知道環境溫度。本設計可用于便攜式充電小風扇以及一些電子產品降溫風扇,具有節能功能。如果用于家庭可以稍作改動加入晶閘管即可適用于220伏高壓普通電扇,這樣可適用于教室及實驗室等公共場所的使用,如有需要還可加入紅外遙感進行非接觸開關電源適用于家庭。本設計使用PWM技術實現風扇調速功能,其具有設計相對完美使且用方便,只要事先設置好基本能實現無需手動控制,另外從性價比考慮使用STC89C52單片機所設計的溫控風扇調速系統,具有如下優點:造價低、節能、穩定性好等,同時只需事先設置好無需其他操作,能給使用者帶來方便。本設產品在模擬仿真中運行效果較好,制作出的成品使用效果良好。當然也有不足,主要是在上限和下限之間風扇轉速與溫度之間關系沒能細化,最好還是風扇的轉速與每一攝氏度的溫度相對應,可能效果會更好,因此在實現溫度與轉速對應細化還有待改進。