題目：STC89C52電風扇智能調速器的設計

摘    要

    本設計為一種溫控風扇系統，具有靈敏的溫度感測和顯示功能，系統STC89C52單片機作為控制平臺對風扇轉速進行控制。可由用戶設置高、低溫度值，測得溫度值在高低溫度之間時打開風扇弱風檔，當溫度升高超過所設定的溫度時自動切換到大風檔，當溫度小于所設定的溫度時自動關閉風扇，控制狀態隨外界溫度而定。所設高低溫值保存在溫度傳感器DS18B20內部E2ROM中，掉電后仍然能保存上次設定值，性能穩定,控制準確。

緒  論

近些年來，隨著空調行業的迅速發展，空調價格的大幅度“跳水”，電風扇行業曾被普遍認為是“夕陽產業”。其實并非如此，市場人士稱，家用電風扇并沒有隨著空調的普及而淡出市場，近兩年反而出現了市場銷售復蘇的態勢。其主要原因：一是風扇和空調的降溫效果不同；（空調有強大的制冷功能，可以快速有效地降低環境溫度，但電風扇的風更溫和，更加適合老人兒童和體質較弱的人使用。）二是電風扇有價格優勢，價格便宜而且相對省電，安裝和使用都非常簡單。

傳統電風扇多采用機械方式進行控制，功能少，噪音大，各檔的風速變化大。隨著科技的發展和人們生活水平的提高，家用電器產品趨向于自動化、智能化、環保化和人性化，使得由微機控制的智能電風扇得以出現。

生活中，我們經常會使用一些與溫度有關的設備。比如，現在雖然不少城市家庭用上了空調，但在占中國大部分人口的農村地區依舊使用電風扇作為降溫防暑設備，春夏（夏秋）交替時節，白天溫度依舊很高，電風扇應高轉速、大風量，使人感到清涼；到了晚上，氣溫降低，當人入睡后，應該逐步減小轉速，以免使人感冒。雖然電風扇都有調節不同檔位的功能，但必須要人手動換檔，睡著了就無能為力了，而普遍采用的定時器關閉的做法，一方面是定時時間長短有限制，一般是一兩個小時；另一方面可能在一兩個小時后氣溫依舊沒有降低很多，而風扇就關閉了，使人在睡夢中熱醒而不得不起床重新打開風扇，增加定時器時間，非常麻煩，而且可能多次定時后最后一次定時時間太長，在溫度降低以后風扇依舊繼續吹風，使人感冒；第三方面是只有簡單的到了定時時間就關閉風扇電源的單一功能，不能滿足氣溫變化對風扇風速大小的不同要求。又比如在較大功率的電子產品散熱方面，現在絕大多數都采用了風冷系統，利用風扇引起空氣流動，帶走熱量，使電子產品不至于發熱燒壞。要使電子產品保持較低的溫度，必須用大功率、高轉速、大風量的風扇，而風扇的噪音與其功率成正比。如果要低噪音，則要減小風扇轉速，又會引起電子設備溫度上升，不能兩全其美。為解決上述問題，我們設計了這套溫控自動風扇系統。本系統采用高精度集成溫度傳感器，用單片機控制，能顯示實時溫度，并根據使用者設定的溫度自動在相應溫度時作出小風、大風、停機動作，精確度高，動作準確。

1  系統概述

1.1  STC89C52單片機簡介

STC89C52是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內4bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大。STC89C52單片機可靈活應用于各種控制領域。

STC89C52單片機提供以下標準功能：4K字節Flash閃速存儲器，128字節內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時、計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，STC89C52單片機可降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時、計數器，串行通行口及中斷系統繼續工作。掉電方式保存RAM中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。

1. 2  本設計任務和主要內容

本文以STC89C52單片機為核心，通過數字溫度傳感器對外界環境溫度進行數據采集，從而建立一個控制系統，使電風扇隨溫度的變化而自動調節檔位，實現“溫度高、風力大、溫度低、風力弱”的性能。另外，通過紅外發射和接收裝置及按鍵實現各種功能的啟動與關閉，并且可對各種功能實現遙控，用戶可以在一定范圍內設置電風扇的最低工作溫度，當溫度低于所設置溫度時，電風扇將自動關閉，當高于此溫度時電風扇又將重新啟動。

本設計主要內容如下：

(1)風速設為從低到高共2個檔位，可由用戶通過鍵盤設定。

(2)每當溫度低于下限值時,則電風扇風速關閉。

(3)每當溫度在下限和上限之間時,則電風扇轉速緩慢。

(4))每當溫度高于上限值時,則電風扇風速全速運轉。

本系統實現風扇的溫度控制，需要有較高的溫度變化分辨率和穩定可靠的換檔停機控制部件。

溫度傳感器可由以下幾種方案可供選擇：

方案一：選用熱敏電阻作為感測溫度的核心元件，通過運算放大器放大由于溫度變化引起熱敏電阻電阻的變化、進而導至的輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再用AD轉換芯片ADC0809將模擬信號轉化為數字信號輸入單片機處理。

方案二：采用熱電偶作為感測溫度的核心元件，配合橋式電路，運算放大電路和AD轉換電路，將溫度變化信號送入單片機處理。

方案三：采用數字式集成溫度傳感器DS18B20作為感測溫度的核心元件，直接輸出數字溫度信號供單片機處理。

對于方案一，采用熱敏電阻有價格便宜、元件易購的優點，但熱敏電阻對溫度的細微變化不敏感，在信號采集、放大、轉換過程中還會產生失真和誤差，并且由于熱敏電阻的R-T關系的非線性，其本身電阻對溫度的變化存在較大誤差，雖然可以通過一定電路予以糾正，但不僅將使電路復雜穩定性降低，而且在人體所處溫度環境溫度變化中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統。

對于方案二，采用熱電偶和橋式測量電路相對于熱敏電阻其對溫度的敏感性和器件的非線性誤差都有較大提高，其測溫范圍也非常寬，從-50攝氏度到1600攝氏度均可測量。但是依然存在電路復雜，對溫度敏感性達不到本系統要求的標準，故不采用該方案。

對于方案三，由于數字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外接放大轉換等電路的誤差因素，溫度誤差很小，并且由于其感測溫度的原理與上述兩種方案的原理有著本質的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內部轉換成數字量直接輸出，簡化了系統程序設計，又由于該傳感器采用先進的單總線技術（1-WRIE），與單片機的接口變的非常簡潔，抗干擾能力強。關于DS18B20的詳細參數參看下面“硬件設計”中的器件介紹。

方案一：采用電壓比較電路作為控制部件。溫度傳感器采用熱敏電阻或熱電偶等，溫度信號轉為電信號并放大，由集成運放組成的比較電路判決控制風扇轉速，當高于或低于某值時將風扇切換到相應檔位。

方案二：采用單片機作為控制核心。以軟件編程的方法進行溫度判斷，并在端口輸出控制信號。

對于方案一，采用電壓比較電路具有電路簡單、易于實現，以及無需編寫軟件程序的特點，但控制方式過于單一，不能自由設置上下限動作溫度，無法滿足不同用戶以及不同環境下的多種動作溫度要求，故不在本系統中采用。

對于方案二，以單片機作為控制器，通過編寫程序不但能將傳感器感測到的溫度通過顯示電路顯示出來，而且用戶能通過鍵盤接口，自由設置上下限動作溫度值，滿足全方位的需求。并且通過程序判斷溫度具有極高的精準度，能精確把握環境溫度的微小變化。故本系統采用方案二。

方案一：采用五位共陽數碼管顯示溫度，動態掃描顯示方式。

方案二：采用液晶顯示屏LCD顯示溫度

對于方案一，該方案成本低廉，顯示溫度明確醒目，在夜間也能看見，功耗極低，顯示驅動程序的編寫也相對簡單，這種顯示方式得到廣泛應用。不足的地方是掃描顯示方式是使五個LED逐個點亮，因此會有閃爍，但是人眼的視覺暫留時間為20MS，當數碼管掃描周期小于這個時間時人眼將感覺不到閃爍，因此可以通過增大掃描頻率來消除閃爍感。

對于方案二，液晶體顯示屏具有顯示字符優美，不但能顯示數字還能顯示字符甚至圖形的優點，這是LED數碼管無法比擬的。但是液晶顯示模塊價格昂貴，驅動程序復雜，從簡單實用的原則考慮，本系統采用方案一。

方案一：采用變壓器調節方式，運用電磁感應原理將220V電壓通過線圈降壓到不同的電壓，控制風扇電機接到不同電壓值的線圈上可控制電機的轉速，從而控制風扇風力大小。

方案二：采用晶閘管構成無級調速電路。

對于方案一，由于采用變壓器改變電壓調節，有風速級別限制，不能適應人性化要求。且在變壓過程中會有損耗發熱，效率不高，發熱有不安全因素。

對于方案二，以電位器控制晶閘管的導通角大小，可實現由最大風速到關閉的無級別調速，可將風力調節在關閉無風到最大風之間的任意風力，實現“自由風”。且在調速環節中基本無電力損耗。故本系統采用方案二。

方案一：采用數模轉換芯片AD0832控制，由單片機根據當前溫度值送出相應數字量到AD0832，由AD0832產生模擬信號控制晶閘管的導通角，從而配合無級調速電路實現溫控時的自動無級風力調節。

方案二：采用繼電器，繼電器的接有控制晶閘管導通角的電阻的接入電路與否由單片機控制，根據當前溫度值在相應管腳送出高/低電平，決定某個繼電器的導通角控制電阻是否接入電路。（詳見4.2.4）

對于方案一，該方案能夠實現在風扇處于溫控狀態時也能無級調速，但是D/A轉換芯片價格較高，與其溫控狀態下無級調速功能相比性價比不高。

對于方案二，雖然在溫控狀態下只能實現弱/大風兩級調速，但采用繼電器價格便宜，控制可靠，且出于在溫控狀態時無級調速并不是特別需要的功能，綜合考慮采用方案二。

3 系統原理

3.2  控制裝置原理

傳統電風扇供電采用的是220V交流電，電機轉速分為幾個檔位，通過人工手動調整電機轉速達到改變風速的目的，亦即，每改變一次風力，必然有人參與操作，這樣就會帶來諸多不便。

本文介紹了一種基于STC89C52單片機的智能電風扇調速器的設計，該設計巧妙利用紅外線遙控技術、單片機控制技術、無級調速技術和溫度傳感技術，把智能控制技術應用于家用電器的控制中，將電風扇的電機轉速作為被控制量，由單片機分析采集到的數字溫度信號，再通過可控硅對風扇電機進行調速。從而達到無須人為控制便可自動調整風速的效果。

3．3  溫度檢測和顯示電路

可以選用LM324A運算放大器作為溫度傳感器，將其設計成比例控制調節器，輸出電壓與熱敏電阻的阻值成正比，但這種方案需要多次檢測后方可使采樣精確，過于煩瑣。所以我采用更為優秀的DS18B20數字溫度傳感器，它可以直接將模擬溫度信號轉化為數字信號，降低了電路的復雜程度，提高了電路的運行質量。

3.3.1  DS18B20的溫度處理方法

DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內完成9位和12位的數字量，并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源，因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單可靠性更高。他在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。

DS18B20簡介：

（1）獨特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。

（2）在使用中不需要任何外圍元件。

（3）可用數據線供電，電壓范圍：+3.0~ +5.5 V。

（4）測溫范圍：-55 ~+125 ℃。固有測溫分辨率為0.5 ℃。

（5）通過編程可實現9~12位的數字讀數方式。

（6）用戶可自設定非易失性的報警上下限值。

（7）支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在惟一的三線上，實現多點測溫。

（8）負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發熱而燒毀，但不能正常工作。

單線（1—wire)技術：

該技術采用單根信號線，既可傳輸時鐘，也能傳輸數據，而且是雙向傳輸。適用于單主機系統，主機能夠控制一個或多個從機設備，通過一個漏極開路或三態端口連至該數據線，以允許設備在不發送數據時能釋放該線，而讓其他設備使用。單線通常要求外接一個5K的上拉電阻，這樣當該線空閑時，其狀態為高電平。

主機和從機之間的通訊分成三個步驟：初始化單線器件、識別單線器件和單線數據傳輸。

單線1—wire協議由復位脈沖、應答脈沖、寫0、寫1、讀0、讀1，這幾種信號類型實現，這些信號中除了應答脈沖其他都由主機發起，并且所有指令和數據字節都是低位在前。

DS18B20直接將測量溫度值轉化為數字量提交給單片機，工作時必須嚴格遵守單總線器件的工作時序。

3.3.2  溫度傳感器和顯示電路組成

本模塊用更為優秀的DS18B20作為溫度傳感器，STC89C52單片機作為處理器，配以溫度顯示作為溫度控制輸出單元。整個系統力求結構簡單，功能完善。電路圖如圖2所示。

系統工作原理如下：

DS18B20數字溫度傳感器采集現場溫度，將測量到的數據送入STC89C52單片機的P2.4口，經過單片機處理后顯示當前溫度值，并與設定溫度值的上下限值作比較，若高于設定上限值或低于設定下限值則控制電機轉速進行自動調整。

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圖2 DS18B20溫度計原理圖

3.4  電機調速電路

電機調速是整個控制裝置中的一個相當重要的方面。通過控制改變三極翻出的導，使輸出端電壓發生改變，從而使施加在電風扇的輸入電壓發生改變，以調節風扇的轉速，實現各檔位風速的無級調速。

3.4.1  電機調速原理

雙向可控硅的導通條件如下：

(1）陽-陰極間加正向電壓；

(2）控制極-陰極間加正向觸發電壓；

(3）陽極電流IA 大于可控硅的最小維持電流IH。

電風扇的風速從高到低設為5、4、3、2、1檔，每檔風速都有一個限定值。在額定電壓、額定功率下，以最高轉速運轉時，要求風葉最大圓周上的線速度不大于2150m/min。且線速度可由下列公式求得

V=πDn×103                          （1）

式（1）中，V為扇葉最大圓周上的線速度(m/min),D為扇中的最大頂端掃出圓的直徑(mm)，n為電風扇的最高轉速(r/min)。

代入數據求得n5≤1555r/min,取n5=1250 r/min.又因為：

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取n1=875r/min。則可得出五個檔位的轉速值：

n1=875r/min，n2=980r/min，n3=1063r/min，n4=1150 r/min，n5=1250r/min

又由于負載上電壓的有效值

u0=u1

式（2）中，u1為輸入交流電壓的有效值，α為控制角。解得：

• 當α5=0°時，t=0ms；
• 當α4=23.5°時，t=1.70ms；
• 當α3=46.5°時，t=2.58ms；
• 當α2=61.5°時，t=3.43ms；
• 當α1=76.5°時，t=4.30ms。
  

上述計算出的是控制角和觸發時間，當檢測到過零點時，按照所求得的觸發時間延時發脈沖，便可實現預期轉速。

3.4.2  電機控制模塊設計

本模塊電路中采用了過零雙向可控硅型光耦MOC3041M ,集光電隔離、過零檢測、過零觸發等功能于一身,避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發的缺陷, 簡化了輸出通道隔離2驅動電路的結構。所設計的可控硅觸發電路原理圖見圖3。其中RL即為電機負載，其工作原理是:單片機響應用戶的參數設置, 在I/ O 口輸出一個高電平, 經反向器反向后, 送出一個低電平,使光電耦合器導通, 同時觸發雙向可控硅, 使工作電路導通工作。給定時間內,負載得到的功率為:

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                             (3)

式中: P 為負載得到的功率（ kW）; n 為給定時間內可控硅導通的正弦波個數; N 為給定時間內交流正弦波的總個數; U為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電壓有效值（V）; I 為可控硅在一個電源周期全導通時所對應的電流有效值（A）。由式(3) 可知,當U , I , N為定值時, 只要改變n 值的大小即可控制功率的輸出,從而達到調

                                圖3 電機控制原理圖

4  控制器軟件設計

本系統的運行程序采用C語言編寫，采用模塊化設計，整體程序由主程序和顯示、鍵盤掃描、紅外線接收以及電機控制等子程序模塊組成。

4.1  主程序

在主程序進行初始化后，開始反復檢測各模塊相關部分的緩沖區的標志，如果緩沖區置位，說明相應的數據需要處理，然后主程序調用相應的處理子模塊。如圖7所示。

4.2  數字溫度傳感器模塊和顯示子模塊

如圖8所示，主機控制DS18B20數字溫度傳感器完成溫度轉換工作必須經過三個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。單片機所用的系統頻率為12MHz。

根據DS18B20數字溫度傳感器進行初始化時序、讀時序和寫時序分別可編寫3個子程序：初始化子程序、寫子程序、讀子程序。

表2  DS18B20功能命令表

本模塊采用雙向可控硅過零觸發方式，由單片機控制雙向可控硅的通斷，通過改變每個控制周期內可控硅導通和關斷交流完整全波信號的個數來調節負載功率，進而達到調速的目的。

因為INT0信號反映工頻電壓過零時刻，所以只要在外中斷0的中斷服務程序中完成控制門的開啟與關閉，并利用中斷服務次數對控制量n進行計數和判斷，即每中斷一次，對n進行減1計數，如果n不等于0，保持控制電平為“1”，繼續打開控制門；如n=0，則使控制電平復位為“0”，關閉控制門，使可控硅過零觸發脈沖不再通過。這樣就可以按照控制處理得到的控制量的要求，實現可控硅的過零控制，從而達到按控制量控制的效果，實現速度可調。

（1）中斷服務程序：執行中斷服務程序時，首先保護現場，INT0中斷標志置位，禁止主程序修改工作參數，然后開始減1計數，判斷是否關斷可控硅，最后INT0中斷標志位清零，還原初始化數據，恢復現場，中斷返回。（設1秒鐘通過波形數N=100）

（2）回路控制執行程序：主回路控制執行程序的任務是初始化數據存儲單元，確定

電機工作參數nmin/nmax，并將其換算成“有效過零脈沖”的個數；確定中斷優先級、開

中斷，為了保證正弦波的完整，工頻過零同步中斷INT0確定為高一級的中斷源。

結 束 語

本系統以STC89C52單片機為核心，單片機主要完成對外界環境溫度信號的采集、處理、顯示等功能;用Altium Designer 6軟件繪制電路原理圖和PCB電路印刷板圖，由Protues軟件進行訪真測試，利用MCS-51 C語言編制。

運行程序該系統的主要特點是:

（1)適用性強，用戶只需對界面參數進行設置并啟動系統正常運行便可滿足不同用戶對最適合溫度的要求，實現對最適溫度的實時監控。

（2)隨時可以根據軟件編寫新的功能加入產品。操作界面可擴展性強，只要稍加改變，即可增加其他按鍵的使用功能。

本系統溫度控制采用DS18B20數字溫度傳感器作為感溫元件。可控硅串接在電源與負載電風扇，借改變定周期內可控硅的導通與截止時間之比來實現調速功能，其設計使用方便就，適應人們睡覺和辦公等不同場合的使用。

基于STC89C52單片機所設計與研制的電風扇智能調速系統，造價低且具有穩定性高、性能優越、節約電能等優點，在夜間無需定時，同樣能給人們帶來更多的方便。

本設計在模擬檢測中運行較好，但采樣據不太穩定。功能上的缺憾是對于兩個檔之間的臨界溫度處理不好，并且檔位太少,還有待改進。