智能风扇控制系统设计
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作者: 窦浩
摘要：基于检测技术、单片机控制技术和超声波技术，把握“低碳”生活理念，设计了一种光机电一体化的多功能驱蚊、降温风扇装置。该系统以单片机控制器为核心，根据超声波驱蚊原理设计超声波扫频电路实现驱蚊虫功能；同时将温度检测、键盘输入和液晶显示集成到系统内，实现系统的恒温。该系统工作稳定，成本低，具有一定的节能效果。经过测试，该装置实现了预期功能，为后续的开发提供了良好的基础。
关键词：单片机；DS18B20；PWM；电动机；恒温；PID
中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 02-0000-02
Smart Fan Control System Design
Dou Hao
(South-Central University for Nationalities,Wuhan430074,China)
Abstract:Based on the detection technology,the MCU control technology and ultrasonic technology,grasp the "low carbon" living concept,design an optical and electrical integration,multi-purpose insect repellent,a cooling fan device.The system micro-controller core, the design of ultrasonic frequency sweep circuit according to the principle of ultrasonic repellent to gnats;temperature detection, keyboard input and LCD integrated into the system to achieve a constant temperature of the system. The system is stable,low cost, energy-saving effect. Tested the device to achieve the desired functionality, provides a good basis for subsequent development.
Keywords:MCU;DS18B20;PWM;Motor;Thermostat;PID
近年来，随着“低碳”生活理念的提出以及人们生活质量的提高，风扇的设计已经向节能化、智能化及多功能化方向发展。在夏季，蚊虫叮咬是备受人们关注的问题；同时，功率大、高转速的风扇存在着电能浪费问题，因此很多场合都希望风扇的转速具有智能性，能够随着温度的变化自动控制。
现阶段，人们普遍所采取的驱蚊方法是使用点火蚊香或电蚊香等，这些方法威胁着人们的健康并且对环境造成污染，因此，迫切需要一种无公害无污染且健康的驱蚊方式出现；同时出现一种比较经济、高效和节能的温度控制系统已经成为了一种必然。在我们的生活中，自动检测技术与人们的生产、生活密切相关，这已经成为自动化领域的重要组成部分，尤其是在自动控制[1]中，如果对控制参数不能有效、准确地检测，控制就将成为无源之水、无本之从而对智能风扇设计的提出就成为了一种迫切的需求。
本文提出了一种基于单片机控制器的光机电一体化智能风扇--由计算机控制，通过编排程序具有可以变更的多功能的自动化机械[3]。拟达到的目标是始终保持被控对象温度恒定，并且能够驱蚊，同时实现键值液晶显示和对电机转速的控制，诸如基准温度和DS18B20测得的即时温度显示，运用PID控制方式产生PWM波控制电机的转速。通过矩阵键盘调节，实现在液晶显示器对基准温度的显示。为实现上述目标，需采用的模块主要有单片机、测温模块、电机调速模块、显示模块、超声波发送模块等。
实现驱蚊功能和温度控制功能两部分功能的方法如下：驱蚊功能主要由超声波发射模块来实现。微控制器输出一个信号到超声波功率驱动模块，驱动超声波发射头发射超声波；转速的调节是温度控制的外在表现，根据温差的大小来控制风扇的转速，温差不大时转速慢，温差大时转速快，以使温度保持在用户的设定值。通过PID算法对电机转速进行控制，由温度传感器DS18B20检测环境温度，输入到控制器中，控制器根据温差和温度变化率，采用PID算法计算出电机的输入信号，运用功率驱动模块，最终实现对电机的控制即实现对温度的控制。
整个控制系统包括微控制器，电机驱动模块，温度检测模块，显示模块和输入模块，另外加上驱蚊的超声波发射模块。其中微控制器实现PID控制算法，接收输入信号等功能；电机驱动模块实现电机的功率驱动；温度检测模块检测环境温度；输入模块接收基准温度的设定。
本设计中采用的驱动电机是直流电机。这是因为直流电机具有速度控制容易，启动、制动性能良调速范围宽等优点。直流电动机的调速性能以电压调速方式较为理想[5]，具有较大的转矩，用以克服转动装置的摩擦阻力和负载转矩；调速范围宽，而且运行速度平稳；具有快速响应能力，可以适应复杂的速度变化；直流电机的负载特性硬，有较大的过载能力，可以确保运行速度不受负载冲击的影响[6]。本文研究的是等面积法控制PWM法对直流电机进行调速。等面积法是用同样数量的等幅但不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，因此所得的的波形也很接近正弦波。
本设计的控制算法的理论基础即所谓PID控制是比例一积分一微分(PID)控制是将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控过程进行控制。PID控制自18世纪引入控制领域以来，一直保持着它在工业过程控制中的主导地位，被誉为控制领域的常青树，据统计工业控制的控制器中PID类制器占90％以上．PID控制是最早出现的控制类型，因为其结构简单，各个控制器参数有着明显的物理意义。调整方便，所以这类控制器深受工程技术人员喜爱。PID的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究过程。最早的PID参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出的简称为Z-N的整定公式[12]，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen和Coon继承和发展了Z-N公式，同时也提出了一种考虑被控过程时滞大小的Cohen．Coon整定公式[13]。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，迄今仍被广泛应用于工业过程控制。
驱蚊功能的实现来自于对蚊虫的2个生理特点的研究：只有雌蚊吸食人或动物的血液，且雌蚊在怀卵期间讨厌雄蚊，雄蚊发出的21~23 kHz超声波，会使雌蚊避开；当蚊子感受到天敌蝙蝠、蜻蜓等发出超声波，就会逃避。蚊虫驱赶电路就是基于以上蚊虫的2个生理特点并结合变频技术惊醒设计的，在单片机的某一个I/0端口产生的一个固定频宽的扫频方波信号输入到NPN三极管驱动超声波发射头，发出扫频方波进行驱蚊。扫频范围可以通过程序调节到任意设定的频率数值，利用单片机即可较为容易地实现扫频输出信号。由于人耳听觉频率范围(20 Hz~20 kHz)以内，因此本设计利用的是蚊虫的第二个生理特点进行驱蚊，即模拟蚊虫的天敌发出的超声波信号，发出频率范围在24kHz以上的超声波。
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