無(wú)線智能充電電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

周文浩　羅澤宇　鄒靜

摘 要：電風(fēng)扇是人們生活中必不可少的一種生活電器。但是，普通便攜式USB風(fēng)扇的功能單一，其電源線往往會(huì)帶來(lái)麻煩。研究發(fā)現(xiàn)，采用無(wú)線充電技術(shù)，利用鋰電池組儲(chǔ)能，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)電扇的缺陷，若再輔助其他功能，將會(huì)產(chǎn)生更高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無(wú)線充電;ESP8266;電磁感應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM925.11;TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）20-0052-03

Design of Wireless Intelligent Charging Fan

ZHOU Wenhao LUO Zeyu ZOU Jing

（School of Information Engineering， Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Electric fans are an essential life appliance in people's lives. However， the ordinary portable USB fan has a single function， and its power cord often causes trouble. It is found that using wireless charging technology， using lithium battery pack energy storage， can make up for the defects of traditional electric fans， and if it assists other functions， it will produce higher practical value.

Keywords： wireless charging;ESP8266;electromagnetic induction

無(wú)線充電技術(shù)開創(chuàng)了一種新的供電方式。它利用無(wú)輻射的無(wú)線能量傳輸達(dá)到驅(qū)動(dòng)電子器件的目的。這種方式有別于傳統(tǒng)的有線連接方式，更加便捷。雖然我國(guó)無(wú)線充電技術(shù)還處于起步階段，但隨著生活水平的日益提高，人們對(duì)無(wú)線充電技術(shù)滿懷信心，渴望其能夠早日普及。因此，筆者研究并設(shè)計(jì)了一款采用無(wú)線充電的智能便攜式風(fēng)扇，在普通桌面USB風(fēng)扇的基礎(chǔ)上添加無(wú)線充電功能，并且添加了WiFi控制、時(shí)鐘、溫濕度檢測(cè)等實(shí)用功能[1]，使得日常使用更加便捷，符合人們和市場(chǎng)的需求。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目主要包含兩個(gè)方面：無(wú)線充電部分和風(fēng)扇其他各個(gè)部分的控制。無(wú)線智能充電電風(fēng)扇總體框架如圖1所示。將風(fēng)扇放到充電底座上時(shí)，人們可以通過(guò)無(wú)線的方式給系統(tǒng)充電。系統(tǒng)中電池組將接收的能量存儲(chǔ)起來(lái)供給整個(gè)系統(tǒng)使用，機(jī)身上的OLED能顯示當(dāng)前所處環(huán)境中的溫度、濕度、日期、時(shí)間和天氣等情況，用戶可以用手機(jī)上的APP，通過(guò)WiFi控制整個(gè)風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以讀取風(fēng)扇檢測(cè)到的其他數(shù)值。

2 功能電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線充電部分

電磁感應(yīng)式充電技術(shù)主要依據(jù)電與磁能夠互相轉(zhuǎn)換的原理，即法拉第電磁感應(yīng)定律，其工作原理與變壓器的工作原理相似，主要通過(guò)兩個(gè)線圈的相互感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。首先，發(fā)射端和接收端各有一個(gè)線圈，其相當(dāng)于變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈。然后，初級(jí)線圈接入交流電時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，次級(jí)線圈由于有交變磁場(chǎng)的存在而感應(yīng)出交變的電流。初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間是“松耦合”結(jié)構(gòu)，所以沒(méi)有磁芯，能量通過(guò)空氣傳輸，減輕了整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量[1]。德州儀器公司的BQ500211芯片和BQ51013芯片是第二代數(shù)字無(wú)線電源發(fā)射和接收控制器，符合QI標(biāo)準(zhǔn)，外圍器件少，轉(zhuǎn)換效率較高。因此，選用BQ500211作為發(fā)射端控制芯片，選用BQ51013作為接收端控制芯片。發(fā)射端采用的是Tpye-c接口，需要外接5V電源適配器和數(shù)據(jù)線給發(fā)射端供電。無(wú)線充電工作原理如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心采用基于ARM-Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6低功耗嵌入式32位微處理器[2]。該處理器具有低功耗、多外設(shè)接口的優(yōu)點(diǎn)，其開發(fā)成本和維護(hù)成本低，適合作為本系統(tǒng)的控制核心。它用于采集實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、溫濕度檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，控制OLED顯示模塊和WiFi模塊完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.3 溫濕度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊采用DHT11傳感器采集室內(nèi)的溫度和濕度。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，而且每一個(gè)傳感器都在OTP內(nèi)存中存入了在溫濕度校準(zhǔn)室中獲得的校準(zhǔn)系數(shù)，在傳感器內(nèi)部處理檢測(cè)信號(hào)時(shí)需要調(diào)用這些系數(shù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。它和微處理器采用單總線雙向串行接口，僅需一個(gè)I/O口就可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的同時(shí)采集，采集的溫度范圍為0～（50±2）℃，濕度范圍為20%～90%RH[3]。

每次采集時(shí)，微處理器會(huì)先拉低總線并持續(xù)18μs，然后設(shè)置I/O口為輸入模式，并釋放數(shù)據(jù)總線，等待從機(jī)（DHT11）的響應(yīng)。如果DHT11傳感器工作正常，則會(huì)在接收到微處理器發(fā)出的開始信號(hào)后持續(xù)拉低數(shù)據(jù)總線80μs來(lái)通知主機(jī)傳感器狀態(tài)正常，然后持續(xù)拉高總線80μs通知主機(jī)準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。隨后，按照“高位在前、低位在后”的順序，將40位數(shù)據(jù)幀一位一位地發(fā)送給主機(jī)，數(shù)據(jù)格式為“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)位”。其中，溫濕度小數(shù)部分默認(rèn)為0。當(dāng)40位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，傳感器會(huì)持續(xù)拉低總線50μs并釋放總線，至此完成一次采集過(guò)程。

2.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘部分采用DS3231時(shí)鐘芯片。目前，普及型時(shí)鐘芯片DS1302的晶振需要外置，由于其晶體的離散性，人們很難選出精度很高的器件。在沒(méi)有溫度補(bǔ)償電路的情況下，不同的環(huán)境溫度使得晶體的特性發(fā)生變化，這就直接影響時(shí)鐘的振蕩頻率。與DS1302相比，DS3231時(shí)鐘芯片的晶振和溫度補(bǔ)償電路均集成在芯片內(nèi)部，外圍電路簡(jiǎn)單，計(jì)時(shí)精度高，誤差僅為±2min/a，可以提供年、月、日、星期、時(shí)、分以及秒等信息，和有效期到2100年的閏年補(bǔ)償。對(duì)小于31d的月份，可自動(dòng)調(diào)整月末日期，包括閏年補(bǔ)償。而且DS3231上的片上控制電路可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電源檢測(cè)，管理主電源和備用電源（即低壓電池）之間的電源切換。如果主電源掉電，則會(huì)立即切換到備用電源，從而保證該器件仍可繼續(xù)提供精確的計(jì)時(shí)，性能不受影響。DS3231與微處理器通過(guò)I2C雙向串行總線傳輸?shù)刂放c數(shù)據(jù)。

2.5 WiFi模塊

WiFi部分采用ESP8266芯片。該芯片是一種低功耗和高集成度的WiFi芯片，外圍元件少，性能穩(wěn)定。ESP8266具備三種工作模式，即AP模式、Station模式和AP兼Station模式[3]。AP模式即Access Point，提供無(wú)線接入服務(wù)，允許其他無(wú)線設(shè)備接入;Station模式類似于無(wú)線終端，本身不接受無(wú)線接入，可以經(jīng)由路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)來(lái)獲取當(dāng)前的天氣情況;AP兼Station模式可以在接入路由器的同時(shí)，提供無(wú)線接入服務(wù)，允許其他設(shè)備接入，可以作為路由中繼器使用。

本設(shè)計(jì)使用AP兼Station模式，將ESP8266上的URXD和UTXD與微處理器的PA2和PA3相連接，CH_PD與PA0相連接，RST與PA1相連接。然后，將微處理器的串口2和ESP8266模塊進(jìn)行初始化。當(dāng)確認(rèn)模塊正常工作后，使用“AT+CWLAP＼r＼n”命令獲取當(dāng)前路由列表。使用“AT+CWJAP="ssid_str"，"password_str"＼r＼n”連接相關(guān)路由熱點(diǎn)，其中ssid_str為熱點(diǎn)名，password_str為密碼。成功連接到路由熱點(diǎn)后使用“AT+CIPSTART=＼"TCP＼"，＼"api.y ytianqi.com＼"，80＼r＼n”TCP方式連接服務(wù)器，然后就可以與之通信。使用GET命令請(qǐng)求數(shù)據(jù)“GET http：//api.yytianqi.com/observe？city="城市編號(hào)"&key="網(wǎng)站密匙"＼r＼n”，服務(wù)器會(huì)返回相關(guān)的天氣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是JSON格式，解析數(shù)據(jù)就能獲取相關(guān)信息。

2.6 OLED顯示模塊

OLED顯示屏用來(lái)顯示當(dāng)前時(shí)間、電量、溫度值、濕度值以及天氣等信息。電路部分由雙色3.3cmOLED顯示屏和微處理器的I/O口相連接，采用全雙工高速同步串行通信總線SPI方式。它僅占用4個(gè)I/O口，節(jié)約了微控制器的管腳，也為PCB的設(shè)計(jì)節(jié)省了空間。

3 結(jié)語(yǔ)

從理論設(shè)計(jì)到硬件制作和調(diào)試，該無(wú)線智能充電電風(fēng)扇設(shè)計(jì)達(dá)到了較好的效果。該設(shè)計(jì)在連接WiFi的前提下具備了天氣預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、室內(nèi)溫度濕度檢測(cè)的功能，還具備WiFi中繼功能。在沒(méi)有WiFi的情況下，雖然它無(wú)法獲取天氣信息，但是自帶的時(shí)鐘模塊依舊可以提供精準(zhǔn)的時(shí)間，而且可以給手機(jī)等電子產(chǎn)品充電，增強(qiáng)了使用體驗(yàn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能實(shí)用，符合人們對(duì)智能家居的需求，具備很高的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]賈紅梅.手機(jī)無(wú)線充電系統(tǒng)的研究[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]梁森.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018.