基于单片机的农村智能温控风扇系统设计.pdf

2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 基于单片机的农村智能温控风扇系统设计 田真 子 李 浩 李 玲 郑州 航空 工 业 管理学 院 河南郑州 450046 党 的 十 九 大提出 了 实施 乡 村 振兴 战略 其 中 指 出 加 快推进农 业 农村 现 代 化 在信息 时代背景下 智慧 农 业 农村 建设对 于 实施 乡 村 振兴 战略 具有 十 分 重要的 现 实 意 义 1 在农村 大 部 分 家庭使 用的是 传 统的 风扇 这种 风扇 仅能够 控制 电机 进 行 风 速的 调 节 并 且 是 通过 用 户 手 动 操 作 才 能改 变 档 位 没 有 倒 计 时 指示 灯 温 控 系 统 节能 等系 列 功 能 没 有 更 多 考 虑 用 户 需 求 的 实 用 设 计 整体 上存 在 缺 少 智 能 模 块 用 户 体 验 感 差 的 问题 本论 文积 极 响 应 国 家 乡 村 振兴 战略号 召 设计 系统 将 传 统的 风扇 与 IAP15F2K61S2单 片 机 进 行 配 合 更 新 IAP15F2K61S2单 片 机 作 为 微 型 控制 器 在 体 积 价钱 品 质上 有 着 很 大 的 优势 因此现 在 被 广 泛 应用到各种 智 能 化的 产 品 上 本 系统 便 是 此单 片 机 为 底 层硬 件 基 础 结 合 单 片 机 原 理 传 感 器 模 块 和 PWM调 速技术 设计出 的 智 能 温 控 风扇 系统 根 据 周 围 温 度 的 变 化 自 动 切 换 档 位 真正 实 现 了 对 风扇 的 智 能 控制 切 实满足 了用 户 的 需 求 1 系统 总 体设计 方案 1 1系统 总 体概述 基于 单 片 机 的农村 智 能 温 控 风扇 系统 为 了 实 现 按 键 控制 和 温 度控制 风扇档 位 双 模 式 环 境 温 度 值 的 采 集 工作 时 间 倒 计 时 数 码 管 显 示 LED指示 灯 多 功 能 系统的 总体设计分为 硬 件 和 软件两 部 分 硬 件 部 分 系统 采 用 高集 成 的 防 水 型 温 度 传 感 器 DS18B20 3461BS数 码 管 LED模 块 独 立 键 盘 与单 片 机 进 行 电 路 设计 软件 部 分 使 用 C语 言 在 KeiluVision5软件 下 进 行 编写 本 系统 总体控制 的 设计 框 图 如 图 1 所示 1 2调 速方式 的 讨论与选择 方 式 1 PWM波 调 速 利 用 软件 控制单 片 机 某 一个 端口 输出高 低 电 平 在 变 化的 时 候使 用 延 时 程 序 循 环 扫 描 产 生 脉 宽 调制 信 号 一 般 搭 配 定 时器 函 数 使 用 通过 摘 要 智慧 农业 农村 建 设 是信息 时 代背景下农村 创新 发展的重要 战略选择 强调 通 过信息 时 代下 新 的 生产 工 具 和 科 学 技术 促进农 民 生 活 水平和 质量 的 改 善 农业 及 相 关 产 业的发展 在农村 多 数 使 用的是 传 统 的 手 动控制风扇 为 了 切 实 利用 自 动控制 技术 帮 助 农 民 使 用 上 智 能 节 能 的 风扇 本 系统 使 用 IAP15F2K61S2单片 机 作 为 主控芯片 DS18B20防 水 型 温度 传 感 器 辅 助设计 了 一 款 PWM调 速的 实 用 智 能型 温控风扇 此 风扇最 大的 亮 点 就 是 既 能手 动 调 节档位 也能 根 据 室温 的 变 化 自动更 换 风扇档位 并且 可 以 实时查 看 室温 从 而实 现对 风扇 的 智 能 控制 让 农 民 生 活 农业 生产 更 加 智 能 化 关键词 IAP15F2K61S2单片 机 DS18B20温度 传 感 器 温控风扇 PWM 中图分类号 TP302 1 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 03 0083 04 Abstract Smartagriculture and ruralconstruction areas are important strategic choices forruralinnovation and developmentinthecontextoftheinformationage emphasizingtheimprovementoffarmers livingstandardsandqualityand the developmentofagricultureand related industriesthrough new production toolsand science and technologyin the informationage Inmostruralareas traditionalmanualcontrolfansareused Inordertoadoptautomaticcontroltechnologyto helpfarmersusesmartandenergy savingfans thissystemusesIAP15F2K61S2single chipmicrocomputerasthemaincontrol chipandDS18B20waterprooftemperaturesensortoassistthedesignofapracticalsmarttemperature controlledfanwithPWM speedregulation Thebiggesthighlightofthisfanisthatitcannotonlymanuallyadjustthegear butalsoautomatically changethefangearaccordingtothechangeofroomtemperature andcanviewtheroomtemperatureinrealtime soasto realizethesmartcontrolofthefanandmakefarmers lifeandagriculturalproductionmoreintelligent Keywords IAP15F2K61S2singlechipmicrocomputer DS18B20temperaturesensor temperature controlledfan PWM 基 金项目 河南省 重 点科 技 攻 关计划 项目 编号 162102210153 作者简介 田真 子 1992 女 硕士研究生 助 教 研究方向 计 算 机科 学 与技术 通 信作者 李 玲 1979 女 博 士 研究生 讲 师 研究方向 电 力牵引 与 控制 人 工 智 能 83 2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 用定 时器 设 置 不 同 的 延 时时 间就 可以 产 生不 同 的 占 空 比 其优势 在于 调 速的 效率高 方 式 2 变 压 调 速 通过 变 压 器 对 风扇 的 电机电 压 进 行控制 变 压 调 速是 调整 电机 的 端 电 压 使 电机 在 一 定的 调 速 范围 内 实 现 无 级 调 速 经 过控制 晶闸 管的 导 通 模 式改 变 输出 电 压 其优势主 要在于 通过 电机 运 行 使 得 其 在 整个调 速 范围 内 都平 稳 2 在 方 式 1中 整个 智 能 控制过 程中 都 是以数 字 形 式 来 完成 信 号 传 达 从而 实 现 信 号 传 达 过 程中信 号 持 续 为 数 字 形 式且 没 有 经 过相 应的 形 式 变 化 因此 实 现 在这 个 过 程中 仅 有极 小 的 噪声 影 响 让 用 户能 有 更好的 使 用 体 验 综 上 所 述 本 系统 最终 选 用 PWM波 调 速进 行设计 2系统 硬件 设计 2 1 独立按 键 模块 本 系统 通过 跳 线 帽 选择 矩阵 键 盘 中的 S4 S7共 四 个 独 立 按 键实 现 按 键 控制 的 功 能 S4按 键 为 工作 模 式 的 选择键 和 档 位 选择键 S5按 键 为 定 时 按 键 实 现 定 时 关 闭 风扇 的 功 能 S6按 键 为 停止 功 能键 实 现一 键 关 闭 的 功 能 S7按 键 为 周 围 环 境 温 度查 看 按 键 2 2LED指示灯模块 本 系统 共 使 用 L1 L5共 五 个 LED灯 组 作 为 指示 灯 通过 选择 不 同 的工作 模 式 会 点 亮 不 同 的 LED指示 灯 为 用 户带 来 更好的 功 能 体 验 感 2 3 数码管 显示模块 本 系统的数 码 管 显 示 模 块 采 用 两 组 共 阳 极结 构 的 数 码 管 共 八 位 可用于 显 示 系统工作 档 位 倒 计 时时 间 和 温 度 电 路 设计通过 74HC138译 码 器 以及 74HC573 锁 存 器 控制 实 现 P0口 控制段 码 P2口 控制 位 码 2 4 温 度 采集模块 本 系统 选 用的 DS18B20温 度 传 感 器 采 用 单总 线 的 接 口 方 式 单总 线 有 着 经 济 性 好 抗 干扰 能 力 强 适 合 恶 劣 环 境 温 度 测 量 的 优 点 3 其电 路 图 的 设计过 程 如 图 2 所示 由 图 2可以 明 显 看 出 它 的数 字 信 号 输出 输 入 端 DQ 引 脚 与 IAP单 片 机 的 P14引 脚 相 连 当 温 度 传 感 器 在感应到 周 围 温 度 的 变 化 时 会 及 时 将 温 度 信息 传 输 给 单 片 机 其 中 R11是 温 度 传 感 器 I O端口 的 上 拉 电 阻 目 的是 当 单 片 机 读 取 数据 结 束 时 可以重 新 将 I O端口 重 新 拉 到 高 电 平 4 图 2DS18B20电 路原 理 图 3 系统 软件 设计 3 1 主 程 序 本 系统 上 电 后 在系统 完成 相 应的 初 始 化 后 DS18B20元 件 开 始 实时 采 集 周 围 环 境 温 度 用 户 通过 按 键选择 手 动 或 自 动 模 式 在 自 动 模 式下 系统 会 将 采 集 到的 温 度与 用 户 设 定的 温 度 进 行比较 根 据 比较 的 结果 控制 风扇 调整 到 合 适 的 档 位 无 论 是 温 控 还 是 人 为设 置 档 位的 数 码 管 模 块 都会 显 示 对 应的 档 位 LED模 块 会 亮 起 对 应的 指示 灯 当 用 户选择 定 时 模 式时 数 码 管 模 块 显 示 倒 计 时 剩余秒 数 倒 计 时 一结 束 程 序 将控制 风 扇停止 运转 主 程 序 流 程 图 如 图 3 所示 3 2 数码管 显示函 数 温 度 传 感 器 采 集 到的 温 度 风扇 所 处 的 档 位 倒 计 时 秒 数 都 可以 显 示 在数 码 管 上 本 系统数 码 管 显 示 采 用 循 环 动 态扫描 在 编写 程 序 之 前 会 先 把 所 有 能 用到的 共 阳 极 字 段 码 全 部 存 到 一个 数 组 中 每 显 示 完成 一个 数 字 之 后 延 时 一段 时 间 再 进 行扫描 下 一 位 这 样 由 于 人 眼 的视 觉惰 性 就 会产 生 一 种 连续 显 示 的动 态效果 图 4为 工作 模 式 和 倒 计 时 显 示 界 面 图 5为 室 温 显 示 界 面 3 3 按 键 扫描函 数 通过 选 用 矩阵 键 盘 中 S4 S7四 个 按 键 编写 程 序 实 现 按 键 控制 功 能 按 键 S4每 按 一 次 实 现 自 动 模 式 睡眠 风 一 档 二 档 三 档五 种 模 式 的 切 换 按 键 S5每 按 一 次 实 现 倒 计 时 10分 钟 倒 计 时 20分 钟 倒 计 时 30分 钟 三 种 模 式 的 切 换 S6按 键 是系统的 一 键 停止 按 钮 按 下 S6 按 键 系统 将 停止 工作 直 到用 户 通过 S4按 键 重 置 工作 模 式 或 S5按 键 的 时 间 被 重 置 按 键 S7是 查 看 周 围 环 境 图 1系统 框 图 84 2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 温 度 键 按 下 S7系统 便会 通过 数 码 管 显 示 当 前 环 境 的 温 度 直 到用 户 再 次 按 下 S7系统 会 重 新 显 示 工作 模 式 和 倒 计 时 界 面 3 4LED函 数 本 系统 共设 置 L1 L2 L3 L4 L5共 五 个 LED灯 组 作 为 指示 灯 自 动 模 式 L1点 亮 睡眠 风 模 式 L2点 亮 一 档 模 式 L3点 亮 二 档 模 式 L4点 亮 三 档 模 式 L5点 亮 如 果 用 户 按 下 S6停止 按 键 或 当 倒 计 时 结 束 时 LED则 会 全 部 熄灭 3 5DS18B20读写操 作 函 数 本 系统 选 用 DS18B20温 度 传 感 器 进 行 温 度 采 集 系统如要 正 常运 行 温 度 传 感 器 功 能 则 要 对 DS18B20温 度 传 感 器 进 行 以 下 工作 编写 程 序 和 调 用 初 始 化 ROM 的 操 作 指 令 读 RAM操 作 进 行 数据校 验 因此 使 用 该 芯 片 要 严 格 按照 芯 片 的 通 信 协 议 与 工作 时 序 具体 的 初 始 化 读 操 作和 写操 作的 时 序 图 分 别 如 图 6 图 8所 示 编写 系统程 序 设 置 不 同 的 温 度区间 自 动 调整 不 同 的 档 位 可以 实 现 自 动 模 式下 的 智 能 温 控 同 时 无 论 风扇 是 否 处 于 停止 状 态 只 要系统 上 电 用 户 都 可以 实时 查 看 室 温 4结束语 最终 在 KeiluVision5软件 下 将 用 C语 言 编写 的 代 码编 译 链 接 生 成 hex文 件 将 其 用 STC烧 录 软件 写 入 到 实 际 电 路 板 中 经 过调 试 和 运 行 系统可以 稳 定执 行 本 系统在 设计 研究 过 程中 通过 基于 传 统的 风扇 设 计 以及 现 代 用 户 的 切 实 需 求 最终 选 用了 IAP15F2K61S2 单 片 机 为 主 控 芯 片完成 了系统的 方 案 设计 以及 功 能实 现 为 用 户 提 供 了更 高效 稳 定 智 能 化的 温 控 风扇 本 系统 设计 的 优 点 具 备自 动 模 式 和 手 动 模 式 双 模 式 可 提 供 给 客 户 更 多 的 选择 自 动 模 式也 为 用 户带 来 更好的 使 用 体 验 切 实 解 决传 统 风扇 只 能人 为 操 作的 痛 点 风扇 相比空调 价 格 更 低 给 用 户 的 反 馈 更及 时 即 用 即 有 在 夏季 是 每 家 每 户 必不可少的 电 子 产 品 本 系统 图 3主 程 序流 程 图 1 8 0 0 5 0 图 4 工作 模式 和 倒 计时 显 示 界 面 图 5室温 显 示 界 面 图 6 初始 化 时 序 图 85 2021年 3期 农业农村现代化 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 在 传 统 模 式 上 有 所 更 新 给 用 户带 来 更好的 舒 适 感和 实 用 性 温 度 实时 查 看 LED模 式指示 灯 定 时 关 闭 系统等 功 能 多方面 更 人性 化的 从 用 户 的 需 求 出 发进 行设计 让 用 户满 意 当 然 本 系统 也 有 不 同 的 改 进 方 向 后 期 迭 代 更 新 的 时 候 可以 引 入 模 糊 控制 算 法 设 置 对 应 隶 属 度区间 使 得 温 控 系统 所 调 节 的 档 位更 符 合 人 的 体 感 而 非 仅仅 根 据 室 温 调 节 并 且 在 后 期 迭 代 更 新 时 还 可以在系统 中 引 入 人 体 红 外 感应 模 块 使 得 本 系统 实 现 无 人时自 动 关 闭 风扇 及 人 来 时自 动开 始 工作的 功 能 综 上 所 述 本 系统 切 实满足 了用 户 的 需 求 具 备 五 档 调 速的 智 能 温 控 风扇 不 仅 让 用 户 在 炎 热 的 天 气 里 可 以 舒 心 地 享 受 凉爽 还 使 得用 户能够 在 夜晚 无 意 识 时 享 受 到 贴 心 的 智 能 调 节 风 速的 服 务 并 且 本智 能 温 控 风扇 系统 也满足国 家 所 提 倡 的 节能 环 保 要 求 让 用 户 使 用的 更 加 放 心 整个设计方 案 与 传 统的 风扇 相比 有 了 很 大 的更 新 综 合 如 今 市 场 需 求 和 智 能 控制 的 浪潮 兴 起 本 系统的 创 新 设计 仍 具有 良 好的 产 品 经 济 市 场 和 较 好的 发展 前景 参考文献 1 张 建 琴 解决 好 三 农 问题 加快农业农村现代化 N 上 饶日 报 2021 4 1 3 2 宋纯 活 发 电 厂热 能 动 力 工程问题 及其 主 要 性能 的应用 J 通 信 电 源技术 2018 35 10 94 96 3 王 怀 光 任 国 全 范 红波 基 于 DS18B20温度 传 感 器 的 半 导体 制 冷 装置研 制 J 中国测 试 2014 40 1 73 77 4 刘 淑影 晁妍 李 佩君 等 基 于 单片 机 的 智 能 风扇 系统 的 设计 J 绥 化 学 院 学 报 2020 40 9 158 160 5 杨 蜜 赵小 冬 重庆 市 智慧 农村发展 研究 J 农村经济与 科 技 2018 29 23 190 208 6 章 儒 学 王 静 基 于 IAP15F2K61S2单片 机 的 智 能 家居 系统设计 J 电 脑知识 与技术 2017 13 29 176 178 图 7读 操 作 时 序 图 图 8写 操 作 时 序 图 86