基于智能手機的風力可調風扇系統設計

(成都理工大學信息科學與技術學院 四川 成都 610059)

引言

21世紀以來，人們生活水平和現代科技水平的不斷改善和提高，節(jié)能環(huán)保、健康、安全、多功能等方面成為家用電器的發(fā)展方向。在現實生活中，由于風扇成本低、風力溫和、對電力負載壓力小等優(yōu)勢，空調的普及并未對風扇的使用造成太大影響。相反，人們對于電風扇多功能的要求還日益嚴苛。

而如今市面上的電風扇大部分只能手動調速，或者再加一個定時器，功能略顯單一化。并且存在一定的安全隱患，例如人們出門忘記關電風扇，首先是造成不必要的能源損耗，其次是長時間的工作會損壞電器，最后最重要的是容易引發(fā)火災。

因此，為減少不必要的能源損耗、適應消費者的需求、消除安全隱患，將本文系統設計為了三種工作模式：按鍵驅動模式、智能溫控模式、藍牙遙控模式。通過這三種不同的模式，可以滿足消費者在不同時期的不同需求，達到節(jié)約能源、安全健康、遠程控制等目的。本文將針對這一系統設計展開詳細的討論。

一、整體設計方案

(一)系統整體設計

系統整體設計框圖如圖1所示。由圖1可知，整個系統由6個模塊組成，分別是FPGA開發(fā)板、數字溫度傳感器模塊、按鍵模塊、藍牙模塊、溫度顯示模塊以及電機驅動模塊。系統的整體設計思路是采用FPGA作為中央處理器，作為系統的控制中心，DS18B20作為數字溫度傳感器，檢測環(huán)境溫度并直接輸出數字溫度信號給FPGA進行相應處理，并在LCD1602液晶顯示模塊上顯示數字溫度傳感器實時傳輸來的環(huán)境溫度，HC-06作為藍牙模塊，可通過手機APP界面進行遠程遙控，L298N作為電機驅動模塊，驅動風扇轉動。整個系統使用便捷，抗干擾性強，性價比高。

圖1 系統整體設計框圖

(二)設計方案論證

該系統的設計需要實現風扇的自動溫度檢測和藍牙遙控控制，使風扇能夠自動對環(huán)境溫度的變化做出自動啟停及轉速改變，這要求較高的溫度變化分辨率以及穩(wěn)定可靠的轉速控制方式；也需要滿足遠程的遙控操作啟停及轉速控制，這要求短距離的數據無線傳輸。

1.溫度傳感器選擇

在該系統設計中，溫度傳感器的選擇方案有以下兩種。

方案一：采用數字溫度傳感器DS18B20作為溫度檢測模塊，對環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測。由于DS18B20是數字式的集成溫度傳感器，因此其檢測到環(huán)境溫度后直接輸出數字溫度信號給FPGA進行處理。

方案二：采用熱敏電阻作為核心器件，進行環(huán)境溫度的檢測，并且通過運算放大器進行放大，由于熱敏電阻會隨外界溫度的改變和變化，因此會產生微弱的輸出電壓變化的信號，最后經過DAC0832模數轉換模塊，將微弱的電壓變化信號轉換為數字溫度信號輸入到FPGA進行處理。

對于方案一，DS18B20是高度集成化的，因此溫度檢測誤差將很小，溫度分辨率高。并且數字式溫度傳感器使得檢測的溫度值在其內部直接轉化成數字溫度信號直接輸出，無需額外的模數轉換模塊，大大的簡化了系統的設計，節(jié)約了成本與資源，并且抗干擾能力強。因此適用于系統的設計。

對于方案二，熱敏電阻相比DS18B20價格便宜，但是熱敏電阻對溫度的細微變化并不十分敏感，會使得信號在檢測、放大以及轉換的過程中產生極大的信號畸變和較大的誤差。相比于方案一，此方案不適用于系統的設計。

2.藍牙模塊選擇

在該系統設計中，需要用到藍牙模塊實現FPGA與手機終端之間的通信。市面上有很多種類的藍牙模塊，例如通信采用HC-06從機藍牙模塊，主要用于短距離的數據無線傳輸領域，可以方便的和PC機或帶藍牙功能的設備相連，也可以兩個模塊之間的數據互通。避免繁瑣的線纜連接，能直接替代串口線，配對后只需當成固定波特率的串口一樣使用即可。系統采用該藍牙模塊實現了手機終端和FPGA之間的通訊。

3.調速方式選擇

在該系統設計中，風扇電機調速方式的選擇方案有以下兩種。

方案一：采用FPGA軟件編程，實現脈沖寬度調制(PWM)調速方式。PWM是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現開關穩(wěn)壓電源輸出的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定。

方案二：采用串行口模數轉換芯片來控制。例如采用數模轉換芯片DAC0832，由FPGA根據當前溫度值輸出相應的數字量到芯片中，再由芯片將數字信號轉換成相應的模擬信號，控制晶閘管的導通角，實現風扇電機轉速的自動調節(jié)。

對于方案一，PWM調速是一種純軟件的方法，相比于其他硬件方法實現對電機的調速功能而言，首先是零成本，其次具有更大的靈活性，并且能夠更加充分發(fā)揮FPGA的功能。

對于方案二，采用DAC0832芯片的方式，可以通過無極調速電路來實現風扇電機轉速的自動調節(jié)，且速度變化靈。但相比于方案一，資源成本高一些，因此采用方案一。

二、硬件電路設計

(一)FPGA開發(fā)板

FPGA采用了邏輯單元整列LCA概念，FPGA的基本結構包括可編程輸入輸出單元IOB、可配置邏輯塊CLB、數字時鐘管理模塊、嵌入式塊RAM、布線資源、內嵌專用硬核、底層內嵌功能單元。

(二)數字溫度傳感模塊

DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的支持“一線總線”接口的溫度傳感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾性強、易配微處理器的優(yōu)點，可以直接將溫度轉化成串行數字信號供處理器處理。其適應電壓范圍在3.0～5.5V，測溫范圍在-55OC～+125 OC，在-10～+85 OC范圍內，精度可達±0.5OC，可實現高精度測溫，在使用過程中不需要任何外圍元件，并且具有負壓特性。

DS18B20內部主要由64位光刻ROM、溫度傳感器、溫度觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器四部分組成。其引腳由DQ數字信號輸入/輸出端、GND電源地、VDD外接供電電源輸入端三部分組成。

(三)藍牙模塊

HC-06從機藍牙模塊是目前市面上功能最為強大的串口藍牙模塊，其模塊采用Blue2.0，支持主從模式，模塊支持波特率為1200～1382400。該模塊一共包括KEY、VCC、GND、TXD、RXD、STATE六個引腳，其中KEY引腳在主控端模式中用于清除上次配對的藍牙從機位址，斷開與藍牙從機的連接；VCC引腳接正電源；GND引腳接電源地；TXD引腳為傳送端；RXD引腳為接收端；STATE引腳為狀態(tài)引腳，持續(xù)高電平代表已接通，不停輸出高低電平代表未接通。在實際應用中，實際接線只用到VCC、GND、TXD、RXD四個引腳。該模塊具有低功耗、信號強、性能穩(wěn)定、通訊距離遠、成本低的優(yōu)點。

(四)電機驅動模塊設計

本模塊使用L298N作為主驅動芯片，具有驅動能力強、發(fā)熱量低、抗干擾能力強的特點。在電路中使用大容量濾波電容，續(xù)流保護二極管，提高可靠性。本模塊采用雙H橋電機驅動工作模式，其中每個H橋可以提供2A的電流，驅動電壓5～35V，最大功率25W。其原理圖如圖2所示。

圖2 L298N驅動模塊原理圖

(五)獨立按鍵模塊

鍵盤其實就是一組按鍵，采用機械彈性開關，當開關閉合時，線路導通，開關斷開時，線路斷開。該模塊主要用于實現系統模式的選擇，以及當系統處于按鍵驅動模式時，用于實現對電機驅動風扇轉速的調節(jié)。

(六)液晶顯示模塊

LCD1602液晶是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×2即32個字符，即可以顯示兩行，每行為16個字符，但只能顯示字符和數字，不能顯示漢字。它由若干個5×7或5×11點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用。其內置含28個字符的ASCⅡ字符集字庫，為5V電壓驅動，帶背光，只有并行接口，無串行接口。

三、系統軟件設計

該系統設計的軟件開發(fā)環(huán)境為Quartus Ⅱ，采用硬件描述語言VHDL完成數據流描述。

(一)設計流程

在系統軟件設計中，軟件系統由主程序、DS18B20測溫、藍牙控制、按鍵掃描、智能溫控5個部分組成。首先通過DS18B20溫度傳感器，將采集到的溫度值傳遞給1602液晶顯示部分；其次，通過按鍵部分判斷所選擇的工作模式；接著調用對應的工作模式函數，再傳遞給相應不同轉速的電機驅動控制函數。具體程序實現流程圖如圖3所示。

圖3 程序實現流程圖

(二)手機藍牙設計

該系統采用HC-06藍牙模塊與上位機(手機)APP的連接，實現手機終端通過藍牙模塊與FPGA之間的通訊功能，從而起到手機終端藍牙遙控系統，實現電機驅動風扇轉速改變的功能。手機終端設計界面如圖4所示，其中上下左右的四個箭頭分別代表轉速1、轉速2、轉速3、停止轉動四個功能。

圖4 手機終端界面設計圖