一种新型智能温控风扇系统的设计

一种新型智能温控风扇系统的设计

楼俊君

上海电力大学自动化工程学院    

[摘要]本文通过单片机实现了风扇的智能温控功能。系统通过手自动切换按键选择模式，并设计有加减按键调节设定值。手动模式下风扇以最大功率运行，确保快速降温；自动模式下通过PID算法计算并控制PWM调节占空比来调节风扇功率，从而使其达到自动调节的目的。仿真实验证明这套智能温控风扇系统的设计方案较好地解决了目前风扇档位调节单调等不足之处，有一定的实用价值。

[关键词]单片机；PID调节；PWM；温控风扇

前言

在日常生活中，我们常常会用到温度相关的仪器设备，例如电风扇。尽管很多城市的居民已经安装了空调，但对于中国大多地区的乡村和老城区的居民而言，电风扇依然是主要的降温方式。目前市面上销售的电风扇有明显的不足之处：第一，档位调节单调，大部分只有三个档位，不能满足用户所有需求；第二，定时功能单一，通常只有两个小时的定时时长选择；第三，高挡位近乎于大噪音，凉快的代价是耳边一直有嗡嗡声。如何去平衡这些问题，就需要设计一套智能温控风扇系统，该系统尽量使用高精度集成式温度传感器，通过单片机控制，能显示实时温度，并根据用户设定的温度自动进行风速控制、自启停动作，准确度高。

一、总体方案设计

系统采用DS18B20温度传感器对周围环境进行测量，将其转化为数字信号，并将其传送到AT89C51的内部。51单片机收到信号后与手动输入的设定值一起输出至LCD1602液晶显示电路，方便人们直观的了解情况。通过按键控制人们可以选择智能风扇的工作方式和设定温度值。按键可实现切换手自动切换：手动模式下风扇以最大功率运转，但在环境温度低于设定值时，蜂鸣报警器会持续报警并且单片机对风扇发出停止指令；在自动模式下，计算环境温度和设定温度差值，作为反馈输入至PID调节，输出信号通过PWM调节占空比来调节风扇功率，达到自动调节。

二、主要元器件选择

2.1 AT89C51单片机

AT89C51是成熟的大众化的入门级单片机，由于其低电压，高性能，可编程，可擦除等性能，且作为单芯片微型计算机，它具有高度的灵活性和低成本，适合于许多嵌入式系统。

2.2 温度传感器

设计采用DS18B20作为温度传感器，其输出为数字信号，方便存入单片机内部；同时它还具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点；且其遵循onewire总线协议，即只需一根线即可与单片机进行通讯。 DS18B20测温范围从-55℃~+125℃，固有温差只有1℃，满足生活中绝大多数场合的运用，DS18B20温度传感器工作所需电压为3.0V至5.5V，可以选择与单片机同一空间或者外接，极其方便。

2.3 LCD液晶显示器

显示模块选择字符型液晶LCD1602，它可以显示16*2个字符。LCD1602是根据液晶的物理特性，通过软件编程对它进行控制，有十余条清屏、移位等相关指令。

三、软件设计

3.1 PID与PWM联调

设计通过PID控制算法来进行风扇转速的调节。以温度差值作为输入，通过PID算法生成控制信号，由PWM调制成不同占空比控制电机功率，达到对温度的准确控制。在完成转速的调节之后10s，在环境温度变化之后，重复进行温度信号的检测，再进行温度差值的比对，生成调节量并进一步调节风扇转速，实现温度的智能调节功能。

3.2 系统主程序

本次设计的智能风扇控制系统首先对温度传感器和LCD液晶显示器初始化，并读取AT89C51内部存储的温度设定数据，进而利用LCD1602对温度传感器所检测到的环境温度和按键设定的温度等信息进行显示。系统主程序进行按键中断的处理，分析是否存在操作各个按键的指令，并进行温度数据的读取和判断，根据设定的温度数据通过PID计算后用PWM调制成占空比不同的方波来自动调节风扇的转速。

四、仿真调试

4.1 仿真电路

LCD1602液晶显示电路的数据接口并联一个八位排阻接入单片机。用一个5V的电源连接继电器，用一个三极管作为手自动切换的开关。12V电源直接控制风扇驱动，手动模式直接在最大功率下运行；而自动模式则由单片机内部PID运算通过PWM调制后的占空比来控制风扇转动功率，起到调节风扇转速的效果。电路图如图1-1所示。

图1-1 仿真电路图

4.2 对比调试

为了验证PID调节效果，设置了对照实验。图1-2为温差在1℃时，示波器所显示PWM占空比缓慢增大；当温差来到3℃时，PWM占空比迅速增长，如图1-3所示。说明PID以调节效果显著。

图1-2 1℃温差 图1-3 3℃温差

五、结论

通过仿真实验系统实现了手自动可切换调节，自动功能通过PID实现实时反馈自动调节，且能够根据温度差值快速反应，调节不同PWM占空比来调节风扇功率；LCD1602实时显示当前环境温度和设定温度，显示调节状态，简单易懂，一目了然，方便用户操作和了解情况；温度传感器能够迅速将测得温度以数字信号传入单片机，方便程序运行储存；同时加入蜂鸣报警器环节，在温度低于设定温度时报警。总的来说，这套新型智能温控风扇系统的设计方案较好地解决了目前风扇档位调节单调等不足之处，有一定的实用价值。

参考文献

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