智能便攜式風扇設計

王雪闖 張培森 孫春志

摘 要：針對傳統(tǒng)風扇調(diào)速不便、噪音大、性價比低等問題，設計了一款利用微控制器控制的智能風扇。該風扇具有手動按鍵和自動控制兩種工作模式，可通過無線進行紅外遙控和語音控制。自動控制模式下利用溫濕度傳感器檢測周圍數(shù)據(jù)，根據(jù)設定門限值自動調(diào)整轉(zhuǎn)速，風扇的工作狀態(tài)信息實時顯示在LCD12864液晶屏上，且內(nèi)含鋰離子電池，可脫線長時間使用，使用12 V直流永磁無鐵芯變頻電機大大降低了噪音。文中詳細介紹了系統(tǒng)結(jié)構和軟件算法的設計方案。經(jīng)實際測試表明，該系統(tǒng)實用性強，性價比高，具有很好的現(xiàn)實意義和市場前景。

關鍵詞：語音控制;溫控風速;智能風扇;液晶顯示;無線控制;傳感器

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-03

0 引 言

在這個家用電器日漸智能化的時代，電風扇并沒有因為空調(diào)的出現(xiàn)而被淘汰，仍然有著頑強的生命力。因為它相對空調(diào)而言具有耗電少、價格低等優(yōu)點，但其不足之處在于使用傳統(tǒng)的按鍵控制，調(diào)速、攜帶不便，功能單一，掉電后無法正常工作等。為解決傳統(tǒng)風扇的這些弊端，本文設計了一款集紅外遙控、語音控制、溫度控制于一體的多功能便攜式智能充電風扇，LCD液晶顯示屏可顯示當前系統(tǒng)的工作狀態(tài)、溫濕度、搖頭角度、定時時間等[1-2]。

1 整體方案設計

該系統(tǒng)主要包括主機控制器STC15W60S4芯片、LCD12864液晶顯示屏、LD3320語音模塊、YK04無線遙控模塊、DHT11溫濕度檢測模塊、ULN2003驅(qū)動芯片。執(zhí)行電機采用了最新的直流永磁無鐵芯電機，使得智能風扇的效率更高，且本系統(tǒng)在市電突然斷電的情況下還可以采用內(nèi)部自帶的鋰電池持續(xù)供電[3]。

用戶在語音喚醒后說出打開風扇的指令，風扇即可工作，液晶屏實時顯示當前的溫濕度、檔位等信息，用戶可以通過說出不同的指令來改變風扇的轉(zhuǎn)速。風扇外部配置有語音輸出裝置，可以通過語音控制風扇播放音樂或者聊天講故事。另外還可以選擇使用無線遙控對風扇進行開關控制，以及轉(zhuǎn)速和搖頭角度的調(diào)節(jié)。切換到AI模式時，風扇會根據(jù)周圍溫度自動調(diào)節(jié)風速[4-5]。系統(tǒng)整體設計如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 主控電路設計

使用STC15W60S4主控芯片結(jié)合外圍晶振電路和復位電路構成單片機最小系統(tǒng)，控制各模塊穩(wěn)定運行。該主控內(nèi)存大，響應速度快，功耗低，抗干擾能力強，完全滿足智能風扇系統(tǒng)的需要。最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 電源電路設計

供電是系統(tǒng)工作的基礎，該系統(tǒng)電源電路分為兩部分，一部分是主電源AC 220 V轉(zhuǎn)DC 12 V為電機供電，另一部分是使用芯片AMS1117將DC 12 V降至DC 5 V為主控以及外部模塊供電。在市電正常工作時采用AC 220 V轉(zhuǎn)DC 12 V為系統(tǒng)供電，并且給自帶鋰電池充電，轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。DC 12 V轉(zhuǎn)DC 5 V的原理如圖4所示。在市電無法正常供給時，系統(tǒng)將自動切換至自帶的鋰電池進行持續(xù)供電，保證風扇不間斷工作。

2.3 無線控制電路設計

系統(tǒng)無線控制電路包括語音控制和無線遙控控制兩種方式。語音控制采用LD3320模塊，該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。語音控制電路LD3320電路原理如圖5所示。

無線遙控控制采用SC2272遙控譯碼電路，SC2272是與SC2262配對使用的一款通用遙控解碼集成電路。采用CMOS工藝制造，它最大擁有12 位三態(tài)地址管腳，可支持多達531 441（或312）個地址的編碼。因此極大地減少了碼的沖突和非法掃描編碼使之匹配的可能性。SC2272譯碼電路如圖6所示。

2.4 監(jiān)測電路設計

溫濕度檢測采用DHT11傳感器，它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器為單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷，同時其體積小、功耗低，信號傳輸距離超20 m。MCU與DHT11連接示意如圖7所示。

3 軟件系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)的軟件設計分為兩部分，即主機檢測系統(tǒng)和從機接收信號控制電機部分。

主機程序包括系統(tǒng)硬件初始化、讀取溫濕度、LCD液晶屏信息顯示、無線遙控模塊、語音模塊、按鍵模塊等模塊的信號檢測，并與從機通信。主機程序流程如圖8所示。

4 結(jié) 語

本文設計的智能風扇控制裝置可實現(xiàn)語音和無線控制，系統(tǒng)擁有手動按鍵和自動控制兩種工作模式。在自動模式下可根據(jù)傳感器檢測的數(shù)據(jù)自動調(diào)整風扇轉(zhuǎn)速達到降溫目的。經(jīng)過不斷實驗和完善，智能風扇很好地實現(xiàn)了按鍵控制、智能溫控、無線遙控以及語音控制等功能并能長期穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)達到了預期效果，很大程度上解決了傳統(tǒng)風扇的種種弊端，為人們的日常生活帶來了極大便利。

注：本文通訊作者為孫春志。

參 考 文 獻

[1]孫春志，胡笑林，王雪闖.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能廚房安全系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2018，8（10）：70-73.

[2]倪天龍.單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010（6）：60-62.

[3]韓興國，蘇慶勇，王為慶.基于STC89C52單片機的智能風扇控制系統(tǒng)設計[J].裝備制造技術，2013（3）：52-54.

[4]趙志偉.智能與節(jié)能電風扇行業(yè)步入轉(zhuǎn)型升級時代[J].現(xiàn)代家電，2014（13）：37-38.

[5]涂樸，伍世云.一種自適應調(diào)節(jié)風扇的設計[J].自動化技術與應用，2018（11）：165-169.

[6] MAREK W?JCIKOWSKI. Transmission protocol simulation framework for the resource-constrained wireless sensor network [J]. Metrology and measurement systems，2015，22（2）.

[7]沈彬鑫，涂雪軍，方欒.智能語音移動LED照明燈的設計與實現(xiàn)[J].信息記錄材料，2018，19（11）：87-88.

[8]邢紹邦，韓曉新，趙宏為.語音識別無線風扇控制器[J].工業(yè)控制計算機，2011，24（8）：86-87.

[9]李圣普，王小輝，李陽，等.基于多傳感器的智能溫控風扇調(diào)速控制器設計[J].電聲技術，2015，39（7）：26-29.

[10]劉光宇.無刷直流電機變頻控制特性研究[D].西安：西安電子科技大學，2013.

[11]李娣娜，王洋.一種簡易溫控智能風扇控制系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（21）：119-120.