藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

廣東省汕尾市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所 文海瓊 卓朝松

一、引言

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)是由2塊STC15F2K60S2單片機(jī)分別作為主控制器、從控制器，采用體溫傳感模塊作為溫度采集器件，HC-05主從一體藍(lán)牙串口模塊發(fā)送接收風(fēng)扇檔位信息，通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度與系統(tǒng)檢測到的體溫的比對，完成風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)以及自動啟停，并通過三極管控制風(fēng)扇電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。并將風(fēng)扇檔位、預(yù)設(shè)的溫度、檢測到的體溫同時(shí)顯示在LCD1602上。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

利用體溫傳感模塊采集人體溫度并輸出電壓數(shù)據(jù)給主控制器（STC15F2K60S2）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化及計(jì)算，在LCD1602上顯示當(dāng)前人體溫度值、預(yù)設(shè)溫度限值及風(fēng)扇檔位[1]。其中預(yù)設(shè)溫度限值和檢測到的當(dāng)前人體溫度都可精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。通過主角色藍(lán)牙發(fā)送檔位給從角色藍(lán)牙，直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速通過控制器（STC15F2K60S2）根據(jù)檔位采用PWM脈寬調(diào)制方式來變動[2]。系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度限值通過三個(gè)按鍵改變，第一個(gè)移動改變限值對應(yīng)的位置，第二個(gè)提高預(yù)設(shè)限值，第三個(gè)降低預(yù)設(shè)限值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成方框圖

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)要用藍(lán)牙的無線短距離傳輸智能的完成風(fēng)扇電機(jī)的溫度控制，通過采用溫度變化分辨率較高且性能穩(wěn)定的換擋停機(jī)控制部件，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)根據(jù)人體溫度的變化自動改變轉(zhuǎn)速及啟停。

1.溫度傳感器的選擇

溫度傳感器采用體溫傳感模塊，該模塊體積小，與主控制器連接只需一個(gè)采集口，加上電源正、負(fù)兩個(gè)腳共三個(gè)腳就能工作。人體只要觸摸到其探頭，該模塊就能采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過主控制器A/D轉(zhuǎn)化及計(jì)算后能精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。

2.控制器的選擇

控制器采用兩塊STC15F2K60S2單片機(jī)分別作為主控制器、從控制器，通過軟件編程的方法進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、計(jì)算和比較，同時(shí)通過主角色藍(lán)牙在其串口輸出檔位信號。STC15F2K60S2單片機(jī)內(nèi)含2048字節(jié)的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器RAM，性能高，工作電壓低，不需外部晶振，單片價(jià)格實(shí)惠，適用于本文的設(shè)計(jì)系統(tǒng)[3]。

3.顯示器件的選擇

本設(shè)計(jì)采用LCD1602液晶顯示屏顯示溫度、設(shè)置限值、檔位。該液晶顯示屏能夠顯示16x02即32個(gè)字符，功耗極低，顯示的數(shù)據(jù)明確醒目，顯示程序的編寫也相對簡單，不僅可以顯示數(shù)字而且還能顯示字符甚至圖形，同時(shí)其顯示字符美觀。

4.調(diào)速方式的選擇

本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)軟件編程來實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）的調(diào)速方法。最常用的就是矩形波PWM信號，在控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)速，占空比越大，轉(zhuǎn)速就越快。通過采用軟件延時(shí)方法，實(shí)現(xiàn)高、低電平延時(shí)時(shí)間與I/O口電平循環(huán)變動得到PWM信號。

5.無線傳輸器件的選擇

無線傳輸器采用兩塊HC-O5主從一體藍(lán)牙模塊作為無線傳輸?shù)钠骷?。該模塊可設(shè)置主從模式，進(jìn)行主、從角色間的連接及發(fā)送接收。HC-O5主從一體藍(lán)牙模塊操作簡單，功耗低，通信距離10米以內(nèi)，適合本設(shè)計(jì)[4]。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2 主控制器程序流程圖

程序設(shè)計(jì)有主控制器、從控制器兩部分：

1.主控制器程序流程圖(如圖2所示)

2.從控制器程序流程圖(如圖3所示)

圖3 從控制器程序流程圖

五、系統(tǒng)軟件調(diào)試

1.按鍵顯示的調(diào)試

根據(jù)本設(shè)計(jì)編寫的系統(tǒng)程序：程序的按鍵接口采用主控制器的P2.5、P2.4、P2.3口，LCD1602顯示數(shù)據(jù)口采用P0口，RS端接P4.5口，RW端接P2.7口，E端接P2.6口，從而完成按鍵功能及LCD1602的顯示。通過編譯未出錯(cuò)，進(jìn)而把接口改為仿真調(diào)試的接口，LCD1602能正常顯示預(yù)設(shè)溫度上下限值、檔位及程序給定的溫度。按鍵功能也實(shí)現(xiàn)了，當(dāng)按下設(shè)置鍵時(shí)，光標(biāo)閃爍，再按下加、減鍵時(shí)也能對光標(biāo)閃爍中的數(shù)進(jìn)行加一、減一，再按下設(shè)置鍵，光標(biāo)右移（光標(biāo)移動的位置有8個(gè)），對溫度的上下限進(jìn)行修改。

2.體溫傳感模塊采集部分的調(diào)試

由于體溫傳感模塊的集成化，調(diào)式極為簡便。其高精度、低功耗、小體積的特性為實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的高穩(wěn)定和高精度提供了可能。采用主控制器P1.4口為模擬輸入口，由于需要對輸入的模擬信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)化和處理才能顯示體溫，因此需要增加體溫轉(zhuǎn)化程序。通過軟件程序設(shè)計(jì)完成對人體溫度的持續(xù)檢測，LCD1602會顯示到溫度的百分位部分。將該模塊接入電路，LCD1602會顯示一溫度，但這并不是環(huán)境溫度，本設(shè)計(jì)中該模塊只能檢測人體溫度。待人將手指捏?。ɑ蛉梭w其他部位接觸）該模塊的探頭后，LCD1602能顯示當(dāng)前檢測到的人體溫度。

3.風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速電路的調(diào)試

本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)三極管驅(qū)動風(fēng)扇直流電機(jī)。軟件設(shè)置了P0.0口輸出不同的PWM波形給兩個(gè)三極管來驅(qū)動風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)動。軟件設(shè)定根據(jù)不同溫度輸出不同的PWM波得到不同的占空比來控制風(fēng)扇電機(jī)，占空比越大檔位越高。程序?qū)崿F(xiàn)了P0.0口的PWM波形輸出，當(dāng)人體溫度低于下限溫度時(shí)，風(fēng)扇自動停止轉(zhuǎn)動（0檔）；當(dāng)人體溫度高于下限并低于中限溫度時(shí)，風(fēng)扇低速轉(zhuǎn)動（1檔）或是自動開始轉(zhuǎn)動；當(dāng)人體溫度高于中限并低于上限時(shí)，風(fēng)扇中速轉(zhuǎn)動（2檔）；當(dāng)人體溫度高于上限時(shí)，風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動（3檔）。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速可進(jìn)行四級調(diào)速，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的上下溫度限值與體溫傳感模塊檢測的溫度的比較，完成轉(zhuǎn)速變換。在程序中改變從控制器接收的檔位信息，風(fēng)扇電機(jī)能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)檔位的調(diào)速。

4.主、從角色藍(lán)牙電路的調(diào)試

主控制器將現(xiàn)得出的檔位與上一次比較，若檔位發(fā)生變化，則通過主角色藍(lán)牙把變化的檔位發(fā)送給從控制器，從角色藍(lán)牙接收主角色藍(lán)牙發(fā)出的檔位信息，然后傳給從控制器，當(dāng)有檔位給從控制器時(shí)，從控制器將輸出與檔位對應(yīng)的PWM波。在主控制器側(cè)產(chǎn)生檔位（可通過LCD1602的顯示得知），然后用串口助手連接從角色藍(lán)牙，可得到一致的檔位信息，再將從角色藍(lán)牙接入從控制器電路，風(fēng)扇電機(jī)也可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速[5]。

六、系統(tǒng)硬件調(diào)試

1.按鍵顯示的調(diào)試

系統(tǒng)按鍵部分實(shí)現(xiàn)了以下功能：按下設(shè)置鍵即接主控制器P2.5口的按鍵，進(jìn)行溫度上下限值的設(shè)置（進(jìn)行LCD光標(biāo)移動并閃爍）；按加鍵即P2.4口的按鍵，實(shí)現(xiàn)了光標(biāo)閃爍的值加一；按減鍵即P2.3口的按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)值的減一。若按鍵時(shí)間過長，光標(biāo)不是移動一位，而是增加二位，主要原因是按鍵的去抖動延時(shí)時(shí)間過長，可將對應(yīng)的按鍵去抖動延時(shí)時(shí)間適量增加作為改進(jìn)方法。

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了LCD 1602可顯示溫度上下限值、檔位及人體溫度，溫度上下限值能根據(jù)不同的需求通過按鍵進(jìn)行調(diào)整，且LCD1602的顯示效果很好，很穩(wěn)定。

2.體溫傳感模塊溫度采集部分的調(diào)試

將體溫傳感模塊的AD口通過方形排母間接接在主控制器的P1.4口。方形排母在主控制器的右側(cè)四口即為體溫傳感模塊的AD、GND、DC、VCC口，可將模塊直接插在該排母上。系統(tǒng)調(diào)試中為驗(yàn)證模塊是否能在主控制器板上工作，將人的手指捏?。ɑ蛏眢w其他部位）該模塊的探頭，即可發(fā)現(xiàn)LCD1602顯示的數(shù)值也隨著變化，待穩(wěn)定后即為檢測到的人體體溫，由此驗(yàn)證了該模塊能在系統(tǒng)板上正常工作。由于該模塊只有4個(gè)引腳，因此在調(diào)試過程中因注意其各個(gè)引腳的對應(yīng)位置，以免將其接反導(dǎo)致模塊不能工作甚至燒毀模塊。

3.風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速電路的調(diào)試

由于調(diào)速電路的設(shè)計(jì)中主要在于軟件設(shè)計(jì)，所以外圍的驅(qū)動電路只是簡單的將傳輸來的PWM信號放大進(jìn)而驅(qū)動風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動。當(dāng)人體溫度高于系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度下限值時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，由于人體的溫度較恒定，不會發(fā)生太大的變化，因此風(fēng)扇電機(jī)的檔位也不會發(fā)生過于頻繁的變化。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速會隨著檔位的切換而變化。將手指（身體其他部位）離開體溫傳感模塊的探頭時(shí)，發(fā)現(xiàn)檢測的溫度先增大然后減小直到穩(wěn)定，原因是該模塊本身電路的設(shè)計(jì)，不過這變化的時(shí)間很短，并不影響該系統(tǒng)的性能[6]。

七、系統(tǒng)功能

1.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)檢測人體溫度的變化，根據(jù)體溫變化，通過無線藍(lán)牙傳輸檔位信號來控制風(fēng)扇直流電機(jī)的啟停和調(diào)速。通過單片機(jī)輸出不同的占空比，從而產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速；還可通過按鍵預(yù)設(shè)不同的溫度上下限值，再根據(jù)設(shè)置的溫度限值與檢測到的人體溫度的比較調(diào)節(jié)檔位來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)體溫低于預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)體溫高于預(yù)設(shè)溫度下限時(shí)，單片機(jī)P0.0口輸出不同占空比的PWM信號，從而調(diào)控風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)還能動態(tài)的顯示當(dāng)前人體溫度、設(shè)置溫度限值及檔位。

2.系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)總體上由主控制器側(cè)、從控制器側(cè)兩大部分組成。主控制器側(cè)由五部分組成，既主控制器（單片機(jī)）、LCD1602顯示電路、體溫檢測模塊體溫采集電路、獨(dú)立按鍵電路、主角色藍(lán)牙連接電路；從控制器側(cè)由三部分組成，即從角色藍(lán)牙連接電路、從控制器（單片機(jī)）、風(fēng)扇電機(jī)調(diào)速電路。人體溫度檢測模塊中的體溫采集電路是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的首要部分。首先要檢測到體溫，才能用主控制器與溫度限值比較得出檔位，從控制器通過檔位信號來控制直流風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速；接著是主、從角色藍(lán)牙連接電路，該部分使用主從角色藍(lán)牙間的通信。主控制器的檔位信號通過主角色藍(lán)牙發(fā)送給從角色藍(lán)牙，進(jìn)而傳給從控制器；再次是風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動電路，這部分通過外圍電路將從控制器輸出的PWM波放大輸出，不同的PWM波得到不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速。電路設(shè)計(jì)采用兩個(gè)三極管完成較好的控制效果；最后LCD1602的動態(tài)顯示電路實(shí)現(xiàn)了設(shè)置溫度限值、人體溫度及風(fēng)扇電機(jī)檔位的顯示，還有獨(dú)立按鍵可根據(jù)不同的需求實(shí)現(xiàn)溫度限值的調(diào)整。

八、結(jié)束語

設(shè)計(jì)的本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制元件，根據(jù)體溫傳感模塊檢測到的人體溫度與設(shè)置溫度限值的比較得出檔位，通過藍(lán)牙間的無線傳輸來傳輸檔位，在一定距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可推廣到家庭的風(fēng)扇電機(jī)控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的的智能控制調(diào)節(jié)，亦可實(shí)現(xiàn)人體溫度的監(jiān)測（特別是小孩及老人群體）。

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