基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王啟明　劉冬梅　周艷艷

【摘 要】為了解決傳統(tǒng)風(fēng)扇無(wú)法進(jìn)行人體感知從而導(dǎo)致?lián)p耗大量的電力資源且存在安全隱患，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)智能風(fēng)扇系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用DS18B20溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，將周圍環(huán)境溫度在LED數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示，根據(jù)實(shí)時(shí)溫度與系統(tǒng)設(shè)置的閾值，同時(shí)人體紅外模塊監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境是否有人，來(lái)決定風(fēng)扇是否開(kāi)啟，當(dāng)沒(méi)有人在房間時(shí)，風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉。該智能風(fēng)扇系統(tǒng)不僅克服了傳統(tǒng)風(fēng)扇的缺點(diǎn)，還具有很好的安全性，低功耗，低成本以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)溫度等優(yōu)點(diǎn)，為人們生活帶來(lái)了便捷。

【關(guān)鍵詞】智能控制;單片機(jī);紅外傳感器

中圖分類號(hào)： TM925.11;TP368.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）16-0011-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.004

Design and Implementation of Intelligent fan Based on Single Chip Microcomputer

WANG Qi-ming LIU Dong-mei ZHOU Yan-yan

（School of information engineering， pingdingshan university， pingdingshan Henan 467000，China）

【Abstract】In order to solve the problem that the traditional fan can not perform human perception， which leads to the loss of a large amount of power resources and has potential safety hazards， an intelligent fan system is designed and developed. The system takes the single-chip microcomputer as the core， uses DS18B20 temperature sensor to collect data， and displays the ambient temperature on the LED digital tube in real time. According to the real-time temperature and the threshold set by the system， the human body infrared module monitors whether there is someone in the surrounding environment to determine whether the fan is turned on. When no one is in the room， the fan automatically turns off. The intelligent fan system not only overcomes the shortcomings of the traditional fan， but also has the advantages of good safety， low power consumption， low cost and automatic temperature monitoring， which brings convenience to peoples lives.

【Key words】Intelligent control; Single chip microcomputer; Infrared sensor

0 緒論

如今的社會(huì)日新月異，人們對(duì)生活質(zhì)量的追求不斷提高的同時(shí)，人身安全和節(jié)約資源也成了重要問(wèn)題。電風(fēng)扇作為一種小型的家用電器，一直廣受人們的歡迎，由于大部分家庭消費(fèi)水平的限制，電風(fēng)扇在中小城市以及鄉(xiāng)村未來(lái)將仍然會(huì)占有市場(chǎng)大部分份額。面臨龐大的市場(chǎng)需求，提高風(fēng)扇的功能性，讓電風(fēng)扇產(chǎn)業(yè)在市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力，是現(xiàn)在面臨的主要問(wèn)題。傳統(tǒng)風(fēng)扇不能根據(jù)外界溫度的變化對(duì)風(fēng)扇的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，也不能對(duì)風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)與否進(jìn)行自動(dòng)控制。尤其對(duì)于晝夜溫差相對(duì)較大的地區(qū)，在使用風(fēng)扇時(shí)常常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：當(dāng)凌晨氣溫已經(jīng)下降，不再需要風(fēng)扇進(jìn)行降溫，但人們已經(jīng)熟睡而無(wú)法察覺(jué)。對(duì)于體質(zhì)較弱的群體就會(huì)面臨著涼感冒的風(fēng)險(xiǎn)。不僅對(duì)身體造成一定的影響，同時(shí)也浪費(fèi)了一些不必要的電力資源。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)風(fēng)扇的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了一些創(chuàng)新功能，解決了傳統(tǒng)風(fēng)扇耗電量大以及使用當(dāng)中存在安全隱患等問(wèn)題，從而提高人們的生活質(zhì)量，節(jié)約電力資源。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心，通過(guò)溫度采集模塊、LED數(shù)碼管顯示模塊、HC-SR501人體感應(yīng)模塊、按鍵調(diào)速模塊以及ESP8266 WIFI控制模塊構(gòu)成。溫度采集模塊主要將采集到的溫度值與系統(tǒng)設(shè)置的初始溫度值進(jìn)行比較。若采集到的溫度值大于初始溫度值，則風(fēng)扇將會(huì)開(kāi)啟;若采集到的溫度值小于初始溫度值，風(fēng)扇將一直保持關(guān)閉狀態(tài)[1]。LED數(shù)碼管主要顯示溫度數(shù)據(jù)。HC-SR501人體感應(yīng)模塊監(jiān)測(cè)是否有人，若有人并且采集到的溫度大于初始溫度值，則風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng);反之，風(fēng)扇關(guān)閉。ESP8266 WIFI控制模塊用來(lái)發(fā)出ESP8266 WIFI信號(hào)，通過(guò)手機(jī)終端連接相應(yīng)的WIFI信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的系統(tǒng)功能。按鍵調(diào)速模塊通過(guò)設(shè)置不同檔位實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C51控制芯片

本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)為中心控制元件，它包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM），定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看門狗等模塊。STC89C51單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)[2]。因?yàn)槠涔ぷ麟妷旱?、開(kāi)發(fā)周期短和保留數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常用于學(xué)習(xí)與開(kāi)發(fā)。

2.2 溫度采集模塊

DS18B20數(shù)字溫度傳感器提供9位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度。數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)單線接入口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從中央處理器到DS18B20僅需連接一條線。讀、寫和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。所有讀時(shí)序必須最少60us，包括兩個(gè)讀周期間至少1us的恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)總線控制器把數(shù)據(jù)線從高電平拉到低電平時(shí)，讀時(shí)序開(kāi)始，數(shù)據(jù)線必須至少保持1us，然后總線被釋放。DS18B20通過(guò)拉高或拉低總線上來(lái)傳輸”1”或”0”。當(dāng)傳輸邏輯”0”結(jié)束后，總線將被釋放，通過(guò)上拉電阻回到上升沿狀態(tài)。從DS18B20輸出的數(shù)據(jù)在讀時(shí)序的下降沿出現(xiàn)后15us內(nèi)有效。因此，總線控制器在讀時(shí)序開(kāi)始后必須停止把I/O口驅(qū)動(dòng)為低電15us，以讀取I/O口狀態(tài)。

該模塊主要用來(lái)測(cè)量周圍環(huán)境溫度，中間管腳為輸出管腳。兩端管腳分別用來(lái)接地和電源。DS18B20溫度傳感器電路圖如圖2所示。

2.3 人體感應(yīng)模塊

該模塊正常工作只需要接通地線和電源線，當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)范圍內(nèi)，輸出信號(hào)RIR0輸出為高電平1，人離開(kāi)感應(yīng)范圍為則會(huì)自動(dòng)延時(shí)，然后輸出低電平0。人體具有恒定的溫度，一般為37度，因此會(huì)發(fā)出紅外探頭所能探測(cè)到的10uM左右的紅外線。人體發(fā)射的紅外線聚集到紅外感應(yīng)源上，這種元件就會(huì)接收到[3]。由于人體紅外一般用于控制燈光或報(bào)警，所以具有延時(shí)功能。只要監(jiān)測(cè)到有人，即使人已經(jīng)離開(kāi)但是仍然會(huì)延時(shí)3秒。HC-SR501人體感應(yīng)模塊硬件電路如圖3所示。

2.4 遠(yuǎn)程控制模塊

ESP8266 WIFI控制模塊是一款超低功耗的UART-WIFI透?jìng)髂K，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，擁有超低能耗技術(shù)，可將用戶的物理設(shè)備連接到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[4]。它支持三種天線接口形式，串口透?jìng)髦饕?fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，若正常使用，服務(wù)器和客戶端需搭載在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，則需要一些常用指令，包括加入接入點(diǎn)指令：AT+CWJAP，當(dāng)前可用接入點(diǎn)指令：AT+CWLAP，退出接入點(diǎn)指令：AT+CWQAP。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 溫度數(shù)據(jù)讀取實(shí)現(xiàn)

溫度傳感器不斷采集周圍環(huán)境溫度，通過(guò)datapros（）溫度讀取轉(zhuǎn)換函數(shù)將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制溫度值，因?yàn)樽x取的溫度是實(shí)際溫度補(bǔ)碼，通過(guò)減1，再取反求出原碼。在主程序中，通過(guò)在while循環(huán)中調(diào)用該函數(shù)，實(shí)現(xiàn)不斷的實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度。如果指令執(zhí)行完畢，單片機(jī)系統(tǒng)就開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)信息按照十進(jìn)制的方式存放到特定的數(shù)組中，信號(hào)采集完畢后，系統(tǒng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存且保持信號(hào)采集指令持續(xù)執(zhí)行。

3.2 紅外檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

人體紅外傳感器通過(guò)將人或動(dòng)物發(fā)出的紅外線聚集到紅外感應(yīng)源上，將感應(yīng)的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在程序中通過(guò)digitalRead（）函數(shù)來(lái)獲取人體紅外傳感器讀到的狀態(tài)，在主程序中，在while循環(huán)中，不斷調(diào)用該函數(shù)，用is接收并判斷它的值，若is等于1，則人體紅外傳感器檢測(cè)到有人，只有在這種條件成立的前提下，配合溫度傳感器獲取的溫度值，若兩者同時(shí)滿足設(shè)定的條件，則智能風(fēng)扇系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，若有任意一個(gè)條件不成立，則系統(tǒng)都無(wú)法自動(dòng)開(kāi)啟。

3.3 按鍵功能實(shí)現(xiàn)

在該設(shè)計(jì)中，使用按鍵進(jìn)行控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，通過(guò)KEY_Detect（）按鍵掃描函數(shù)，不斷使用if（ucTemp！= 0xFF）判斷是否有按鍵按下，若有按鍵按下，由于按鍵工作存在抖動(dòng)現(xiàn)象，容易導(dǎo)致誤判，故需要調(diào)用延時(shí)函數(shù)Delay（）進(jìn)行消抖后再次判斷，否則等待直到有按鍵按下才繼續(xù)執(zhí)行程序，然后通過(guò)switch和case語(yǔ)句確定具體按鍵值，該函數(shù)的返回值為key。在主函數(shù)中，通過(guò)在while循環(huán)中不斷檢測(cè)按鍵是否被按下，然后調(diào)用KEY_Detect（）函數(shù)獲取key值，從而改變電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)按鍵調(diào)速的目的。

3.4 整體功能實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)多次的軟件調(diào)試和硬件仿真，最終該系統(tǒng)順利完成，各個(gè)模塊功能基本實(shí)現(xiàn)，智能風(fēng)扇系統(tǒng)順利工作。該系統(tǒng)的整體實(shí)物圖如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心，采用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇自動(dòng)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的溫度小于系統(tǒng)設(shè)置閾值時(shí)，風(fēng)扇將自動(dòng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)采用人體感應(yīng)模塊實(shí)現(xiàn)了無(wú)人時(shí)風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉，有人時(shí)風(fēng)扇自動(dòng)開(kāi)啟。相比較傳統(tǒng)電風(fēng)扇多采用機(jī)械方式控制，功能少，無(wú)法判別是否有人在使用電風(fēng)扇，存在無(wú)人狀態(tài)下持續(xù)工作的安全隱患。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇不僅克服了傳統(tǒng)風(fēng)扇的缺點(diǎn)，還具有很好的安全性，精確的溫度控制，低功耗，低成本，自動(dòng)監(jiān)測(cè)溫度等優(yōu)點(diǎn)。隨著我國(guó)電子技術(shù)的發(fā)展，該智能風(fēng)扇將會(huì)走進(jìn)千千萬(wàn)萬(wàn)普通人的家里，為廣大人民帶來(lái)生活上的便捷。

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