基于AT89C52单片机的智能温控电风扇设计

1. 系统功能概述

本系统基于AT89C52单片机设计，旨在实现对环境温度的实时监测与电风扇的智能控制。系统能够根据采集到的温度数据自动调节风扇的运行状态和风速档位，从而实现节能高效的温度调节功能。用户还可以通过按键实现手动操作，包括风扇启停与温度阈值的调整。LCD1602液晶显示模块实时显示当前温度、设定温度阈值以及风扇工作档位，使用户能够直观了解系统运行状态。

本系统的核心功能包括：

1. 自动温度控制：根据温度传感器采集的实时数据，自动调节风扇转速，实现智能控温。
2. 多档风速调节：根据设定温度区间自动切换风速档位，分为四档控制模式。
3. 温度显示与参数设定：LCD1602显示当前温度、设定阈值及工作模式。
4. 按键交互操作：通过按键实现风扇的手动启停与温度阈值调整。
5. ULN2803驱动电路：采用ULN2803进行功率驱动，保障系统稳定运行并增强负载能力。
6. 温度传感器采集模块：采用DS18B20温度传感器，实现高精度温度检测。

2. 系统电路设计

系统电路主要由六个模块组成，分别为主控电路、温度采集电路、风扇驱动电路、LCD1602显示模块、按键输入电路以及电源管理模块。以下对每个模块进行详细介绍。

2.1 主控模块设计（AT89C52单片机）

AT89C52单片机作为系统的核心控制器，负责温度采集、逻辑判断、风扇控制、LCD显示及按键响应。其内部结构包括8KB Flash程序存储器、256字节RAM、三个16位定时器/计数器、一个全双工串行通信口以及32个可编程I/O口。本设计充分利用其资源，实现各模块的协调工作。

主控单片机的时钟电路采用12MHz晶振电路，以确保系统运行稳定。复位电路由电容与电阻组成，确保上电时系统自动复位进入初始状态。

2.2 温度采集模块设计（DS18B20）

温度采集模块采用数字温度传感器DS18B20，该器件具有精度高、响应快、抗干扰能力强的优点。DS18B20通过单总线与单片机通信，输出的是经过数字化处理的温度值，省去了A/D转换过程。其测温范围为-55℃~125℃，精度可达±0.5℃。

在本系统中，单片机周期性地读取DS18B20的温度数据，并根据采集值判断当前所处温度区间，从而控制风扇的启停及风速档位。通过软件算法进行平均滤波处理，可以进一步提高温度读取的稳定性。

2.3 风扇驱动模块设计（ULN2803）

由于单片机I/O口输出电流较小，无法直接驱动直流电机，因此本系统采用ULN2803作为功率驱动模块。ULN2803内部集成8个达林顿管阵列，每路均可驱动较大电流负载，支持最高500mA电流输出，广泛用于电机控制与继电器驱动。

风扇电机接入ULN2803输出端，单片机通过输出PWM信号控制ULN2803的输入端，实现不同占空比下的电压调节，从而控制风扇转速。该设计不仅保证了驱动能力，还具有较高的抗干扰能力。

2.4 显示模块设计（LCD1602）

LCD1602液晶显示模块用于显示当前温度、设定温度阈值及风扇档位信息。该模块为16×2字符型液晶，每行可显示16个字符，具有并行8位或4位数据传输模式。本系统采用4位模式连接，以节省I/O口资源。

LCD通过与单片机的P2口连接进行控制，系统初始化后在第一行显示“Temp: XX℃”，第二行显示“Fan: Level X”或“Fan: OFF”，实时反映系统运行状态。

2.5 按键输入模块设计

系统设置有三个独立按键，分别用于：

• K1：风扇启停控制
• K2：温度阈值增加
• K3：温度阈值减少

按键采用独立接线方式，通过单片机P3口输入端口检测电平变化。为防止误触发，按键检测程序中加入软件消抖处理。按键与上拉电阻连接，在按下时形成低电平触发信号。

2.6 电源模块设计

整个系统使用+5V直流电源供电，LCD、单片机及传感器共用该电压，而风扇电机部分通过ULN2803实现电压隔离，驱动电压可为+12V直流。电源部分配备稳压模块（如LM7805），确保系统电压稳定，防止波动导致单片机复位或数据异常。

3. 系统程序设计

系统程序采用C语言编写，通过Keil编译并下载至单片机中运行。程序主要由主程序、温度采集模块程序、显示模块程序、风扇控制程序及按键处理程序组成。

3.1 主程序设计思路

主程序负责系统的总体协调与任务调度。程序初始化包括系统时钟、LCD显示、DS18B20温度传感器及PWM模块初始化。进入主循环后，系统不断读取当前温度值，根据温度与阈值比较结果控制风扇运行档位，同时实时更新显示内容。

程序结构如下：

void main()
{
    System_Init();
    LCD_Init();
    DS18B20_Init();
    PWM_Init();
    while(1)
    {
        current_temp = Read_Temperature();
        Display_Temperature(current_temp);
        Key_Scan();
        Fan_Control(current_temp);
    }
}

该循环结构保证了温度读取、按键扫描与风扇控制的实时性与响应性。

3.2 温度采集程序设计

温度采集部分通过单总线与DS18B20进行通信。通信协议包括初始化、发送命令、读取温度三个阶段。

读取温度的核心函数如下：

float Read_Temperature(void)
{
    int temp;
    float real_temp;
    DS18B20_Start();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0x44);
    Delay_ms(750);
    DS18B20_Start();
    DS18B20_WriteByte(0xCC);
    DS18B20_WriteByte(0xBE);
    temp = DS18B20_ReadByte();
    temp |= (DS18B20_ReadByte() << 8);
    real_temp = temp * 0.0625;
    return real_temp;
}

通过对传感器返回的16位数据进行计算，得到实际温度值，单位为摄氏度。

3.3 风扇控制程序设计（PWM输出与档位判断）

风扇控制程序根据当前温度与设定阈值的差值判断当前应处于的工作档位。不同档位对应不同占空比的PWM波，从而实现风速调节。

void Fan_Control(float temp)
{
    if(temp < 25)
    {
        PWM_SetDuty(0);
        Display_Level(0);
    }
    else if(temp >= 25 && temp < 28)
    {
        PWM_SetDuty(25);
        Display_Level(1);
    }
    else if(temp >= 28 && temp < 31)
    {
        PWM_SetDuty(50);
        Display_Level(2);
    }
    else if(temp >= 31 && temp < 34)
    {
        PWM_SetDuty(75);
        Display_Level(3);
    }
    else
    {
        PWM_SetDuty(100);
        Display_Level(4);
    }
}

PWM输出频率设置为约2kHz，以确保风扇转速稳定且无明显噪音。PWM占空比调整通过定时器控制中断实现。

3.4 按键程序设计

按键检测采用循环扫描方式，结合软件延时进行消抖。每次按下按键后，对应的参数被修改并立即更新显示。

void Key_Scan(void)
{
    if(Key1 == 0)
    {
        Delay_ms(20);
        if(Key1 == 0)
            fan_enable = !fan_enable;
    }
    if(Key2 == 0)
    {
        Delay_ms(20);
        if(Key2 == 0)
            temp_threshold++;
    }
    if(Key3 == 0)
    {
        Delay_ms(20);
        if(Key3 == 0)
            temp_threshold--;
    }
}

该程序实现了启停控制和阈值调整的功能，用户可根据实际情况灵活操作。

3.5 LCD显示程序设计

LCD显示模块用于输出当前温度、设定温度及风扇状态。显示函数如下：

void Display_Temperature(float temp)
{
    LCD_SetCursor(0, 0);
    LCD_WriteString("Temp:");
    LCD_WriteFloat(temp);
    LCD_WriteString(" C");
    LCD_SetCursor(1, 0);
    LCD_WriteString("Set:");
    LCD_WriteInt(temp_threshold);
    LCD_WriteString("C ");
}

通过动态刷新显示内容，用户可实时掌握系统的运行状态。

4. 系统运行原理与特点分析

系统上电后，单片机首先完成初始化操作，然后进入主循环进行温度检测。通过对比当前温度与设定阈值，系统自动判断应启用的风速档位，并输出相应的PWM信号控制风扇转速。LCD实时显示当前温度与设定阈值，用户可通过按键调整参数。当温度升高时，风扇自动加速以增强散热；当温度下降时，风扇逐渐减速或停止，从而实现自动温控的节能效果。

本设计结构清晰、功能完善，具有以下优点：

• 智能化控制：无需人工干预，系统根据温度自动调节；
• 人性化操作：支持按键手动控制与参数设定；
• 高可靠性：ULN2803驱动确保电机安全运行；
• 可扩展性强：可进一步扩展为双风扇控制、红外遥控等功能。

本系统在节能家电、智能温控设备、实验环境温度控制等领域具有广泛的应用价值。