基于單片機的智能風扇設計

楊鈺國　周軍　錢一潤

摘要：風扇作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ哒悄芑?，?jié)能化，人性化的方向發(fā)展。論文介紹一種以IAP15F2K60S2為主控芯片，輔以DS18B20溫度傳感器，結合超聲波發(fā)送接收電路CX20106A和HC-SR501紅外傳感器，來實現(xiàn)一種智能風扇的設計。該智能風扇設計了雙模式，手動模式下可以實現(xiàn)無級調(diào)速功能，智能模式下能夠?qū)崿F(xiàn)通過溫度和距離實時調(diào)速等功能。所設計的智能風扇功能完善，擁有廣闊的市場前景。

關鍵詞：智能風扇;單片機;傳感器;雙模式

中圖分類號：TM925.11 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）08-0003-02

0 引言

由于人類對世界能源的不斷開采，節(jié)能已經(jīng)成為新時代的新方向。電風扇作為一件常用的家用電器，它的智能化發(fā)展必將掀起新的潮流。傳統(tǒng)的電風扇存在著浪費電能、使用不便等諸多缺點。作為微型控制器，單片機具有體積小、質(zhì)量輕、價格便宜等優(yōu)點，因此被廣泛應用到各種智能化的產(chǎn)品上。本設計將傳統(tǒng)風扇與單片機相結合，通過各模塊之間的配合，便可實現(xiàn)對風扇的智能控制與調(diào)速，達到智能、節(jié)能的目的。智能風扇的出現(xiàn)順應時代發(fā)展的潮流，滿足人們?nèi)找鎸γ篮蒙畹淖非蟆?/p>

1 系統(tǒng)總體設計方案

智能風扇系統(tǒng)核心芯片為IAP15F2K60S2芯片，整個系統(tǒng)采用模塊化[3]設計的思想，其中，溫度模塊的功能實現(xiàn)由DS18B20傳感器來完成，超聲波模塊用來測量人與風扇的距離，HC-SR501人體紅外感應器完成感應人體的任務。其余各個模塊與芯片的協(xié)調(diào)配合如圖1。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 溫度傳感器

本設計中溫度采集使用的元件是DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器， DS18B20芯片的2腳是數(shù)字信號輸入/輸出端，將此管腳與單片機P14口相連。單片機直接讀出從溫度傳感器中傳輸出的數(shù)據(jù)然后對它做出處理，便可得到周圍的環(huán)境溫度。

2.2 超聲波模塊

使用CX20106A芯片進行超聲波的發(fā)送和接收。該設計中將超聲波頻率設定為40KHZ。由確定引腳發(fā)送一定數(shù)目的40KHZ脈沖，并開始計時。當另一端口收到返回的信號時，計時停止。已知聲速和單片機的機器周期，便可利用數(shù)學公式計算出人與風扇的距離。

2.3 人體紅外感應器

實現(xiàn)感應人體的是HC-SR501傳感器。其工作電壓為DC5V至20V，當感應到人體時，模塊中間的引腳2便輸出高電平，當人離開時自動延遲關閉高電平，輸出低電平。在硬件設計中，將該引腳2與芯片的P24引腳連接起來，通過讀取P24引腳的電平信息便可知道風扇周圍是否有人[4]。

2.4 電機控制

考慮到風扇要具有較寬的調(diào)速范圍，并且單片機輸出的都是電平信號，所以本設計中采取直流無刷電機，既能滿足良好的調(diào)速性能，又能配合風扇所具備的智能化的功能。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 無極調(diào)速設計

在風扇手動工作模式下，采用A/D[2]轉(zhuǎn)換的方法，利用旋鈕可將0～5V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為0～99的數(shù)字信息，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字賦值給PWM輸出模塊，便可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)速按鈕，實現(xiàn)對風扇的無極調(diào)速。

3.2 溫度讀取程序

溫度的準確讀取是按照DS18B20芯片的工作原理來進行的，在經(jīng)過初始化、跳過ROM等一系列指令，開啟溫度轉(zhuǎn)換。待溫度轉(zhuǎn)換結束后進行讀取暫存器的內(nèi)容，直到讀取到第9字節(jié)結束。

3.3 超聲波測距程序

超聲波測距是通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)的。單片機內(nèi)部有2個電路分別控制著超聲波的發(fā)射和接收模塊。當接收模塊接收到由發(fā)射模塊發(fā)射的超聲波時，期間所用的時間就是波在空氣中傳播所用的時間，利用數(shù)學公式，可以計算出人與風扇的距離。為便于功能更好的實現(xiàn)，需對距離作如下的處理，如圖2。

3.4 人體紅外感應程序

由于HC-SR501傳感器的檢測引腳與單片機的P24引腳相連，所以在程序中需要對P24進行監(jiān)測。接下來通過定時器程序，每隔固定時間段對P24引腳電平進行數(shù)值判斷，實現(xiàn)人來即開、人走即關的功能。

3.5 PWM調(diào)速設計

PWM智能調(diào)速的設計是整個系統(tǒng)的核心。在智能工作模式下，PWM占空比是由周圍環(huán)境溫度和人與風扇的距離共同決定的。將單片機的P34引腳作為PWM信號的輸出引腳。最終將PWM輸出信號[5]連接到電機驅(qū)動模塊上，這里選用的是AQMH3615NS直流電機驅(qū)動模塊。在程序中，編寫函數(shù)關系式PWM=f（t，d）[1]，實現(xiàn)智能調(diào)速。具體實現(xiàn)流程圖如圖3。

4 實物仿真

完成硬件設計和軟件設計后，就是最后的實物仿真階段。主要由電機、單片機開發(fā)板、扇葉、各個傳感器制作成簡易的智能風扇實物。各部分連接無誤后，插上電源，將程序下載到單片機中，通過按鍵控制，觀察風扇的工作情況如圖4。

5 結論

通過實物仿真，智能風扇基本實現(xiàn)所設計的所有功能。比如在智能工作模式下，可實現(xiàn)人來即開、人走即關的功能，不僅節(jié)能，還更具人性化。并且風扇風速可隨著環(huán)境溫度的上升而變大，下降而變小，溫度低于設定值時，風扇自動停轉(zhuǎn)。雖然越來越多的人購買空調(diào)，但這并不會使風扇消亡，由于風扇具有價格低廉、種類繁多等優(yōu)點，加之智能風扇的興起，所以風扇仍然具有不可替代的地位，智能風扇在將來智能家居的發(fā)展道路上必將扮演著重要的角色。

參考文獻

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Intelligent fan Design Based on Single chip Microcomputer

YANG Yu-guo，ZHOU Jun，QIAN Yi-run

（Jiangsu University of Science And Technology， School of Electronic Information，Zhenjiang jiangsu? 212003）

Abstract：As an indispensable tool in People's Daily life， fan is developing towards the direction of intelligence， energy-saving and humanization.This paper introduces a kind of intelligent fan design， which takes IAP15F2K60S2 as the main control chip，supplemented by DS18B20 temperature sensor， combined with CX20106A chip for ultrasonic processing and hc-sr501 infrared sensor.The intelligent fan is designed in two modes， which can realize stepless speed regulation in manual mode and real-time speed regulation through temperature and distance in intelligent mode.The designed intelligent fan has perfect function and broad market prospect.

Key words：intelligent fan;single chip microcomputer;sensor;dual mode