智能家用無線風(fēng)扇控制系統(tǒng)研究

陳炳飛

摘 要：針對傳統(tǒng)電風(fēng)扇功能單一，滿足不了人們對家用電器智能化需求的問題，文中對實現(xiàn)電風(fēng)扇控制智能化進(jìn)行了研究。該系統(tǒng)以單片機(jī)為風(fēng)扇控制器的主控芯片，設(shè)計溫度采集模塊和顯示模塊來對周圍環(huán)境實時采集并顯示;設(shè)計串口通信模塊來實現(xiàn)手機(jī)與單片機(jī)的通信;設(shè)計轉(zhuǎn)速控制模塊來實現(xiàn)對風(fēng)扇的智能化控制。用戶可通過手機(jī)APP對風(fēng)扇實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制、定時關(guān)閉和溫度控制等功能。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了對風(fēng)扇的無線智能化控制。

關(guān)鍵詞：無線電風(fēng)扇;無線控制;溫度控制;轉(zhuǎn)速控制;智能家電;手機(jī)APP

中圖分類號：TP29文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-0-04

0 引 言

雖然隨著人們生活水平的提高和家用電器技術(shù)的快速發(fā)展，電風(fēng)扇慢慢淡出人們的視野，但有實驗表明，電風(fēng)扇吹出的自然風(fēng)比空調(diào)吹出來的冷風(fēng)是更加舒適的。所以，對于家里有兒童、老人以及一些體質(zhì)較差的人的家庭來說，電風(fēng)扇還是他們納涼的首選[1]。

傳統(tǒng)的電風(fēng)扇只能通過遙控或手動操縱機(jī)械開關(guān)對電風(fēng)扇進(jìn)行控制[2-3]，缺乏智能終端平臺和智能控制的研究設(shè)計。隨著社會經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，人們的生活水平也飛速提高，實現(xiàn)用移動智能終端對電風(fēng)扇的控制，對人們生活質(zhì)量的提升具有很大意義[4-5]。特別在日常生活中，很多家庭會擔(dān)心小朋友跑到電風(fēng)扇旁邊，用手觸碰風(fēng)扇葉，或擔(dān)心頭發(fā)被風(fēng)扇轉(zhuǎn)進(jìn)去，因此有人選擇將電風(fēng)扇放置在高處?？僧?dāng)人們將風(fēng)扇置于高處時，對風(fēng)扇的開關(guān)及轉(zhuǎn)速控制就變得困難，而選用智能終端對電風(fēng)扇進(jìn)行控制便成為大多數(shù)用戶的首選[6-8]。

本文針對傳統(tǒng)電風(fēng)扇存在功能單一等不足，融合了人們生活對智能化的需求，設(shè)計了一款智能家用無線風(fēng)扇控制系統(tǒng)。用戶只需直接使用手機(jī)APP就可以實現(xiàn)控制電風(fēng)扇的開關(guān)、轉(zhuǎn)速、定時和溫控等功能。

1 總體設(shè)計

本智能無線風(fēng)扇控制系統(tǒng)通過藍(lán)牙通信方式使手機(jī)和風(fēng)扇控制器建立連接，實現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程無線對風(fēng)扇的控制，系統(tǒng)整體框架如圖1所示。手機(jī)對風(fēng)扇的控制包括風(fēng)扇開關(guān)功能、轉(zhuǎn)速控制、定時關(guān)閉和溫控功能。其中，轉(zhuǎn)速控制主要根據(jù)人體舒適性設(shè)計有四個分級檔位，實現(xiàn)對風(fēng)扇風(fēng)量大小的控制。定時關(guān)閉功能，即用戶可在手機(jī)設(shè)置一個時間，到時間點自動發(fā)送指令來關(guān)閉風(fēng)扇。溫控功能主要利用溫度傳感器實現(xiàn)對周圍環(huán)境進(jìn)行一個實時的溫度數(shù)據(jù)采集，并通過溫度高低來控制風(fēng)扇的風(fēng)量。將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過液晶顯示，讓用戶可隨時了解當(dāng)前的溫度。溫控功能避免用戶在半夜還需要關(guān)或者調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，讓用戶可以更加舒適的睡覺，既節(jié)約用電，又貼心。風(fēng)扇控制器以單片機(jī)為主控芯片，接收手機(jī)的具體指令來控制電風(fēng)扇。單片機(jī)具有性能可靠和成本低等優(yōu)點，與移動終端相結(jié)合，實現(xiàn)對電風(fēng)扇的智能化控制，具有非常廣泛的市場應(yīng)用價值。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的風(fēng)扇控制器選用的是不僅價格低廉、功耗低，而且應(yīng)用廣泛的51單片機(jī)，型號為STC89C52。該芯片具有豐富的接口，是一款適合民用產(chǎn)品開發(fā)和學(xué)習(xí)的控制器。本產(chǎn)品的硬件系統(tǒng)設(shè)計包括由時鐘電路和復(fù)位電路組成的最小系統(tǒng)設(shè)計和電源電路設(shè)計，還包括4個功能模塊，即溫度采集模塊、顯示模塊、串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊和風(fēng)扇驅(qū)動電路模塊。系統(tǒng)硬件的總體框架如圖2所示。

2.1 溫度采集模塊設(shè)計

溫度采集模塊使用DS18B20傳感器，該傳感器具有價格便宜、數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)和結(jié)構(gòu)引腳少等優(yōu)點，與單片機(jī)的硬件連接，如圖3所示。該傳感器采用單總線傳輸技術(shù)，即單條信號線既可以作為時鐘信號又可以傳輸數(shù)據(jù)。

使用該模塊時，需先對它初始化。初始化完成后，單片機(jī)發(fā)送指令0xCC給該傳感器，啟動溫度轉(zhuǎn)換。接著重新初始化DS18B20，再發(fā)送指令0xBE，讀取溫度值。

2.2 風(fēng)扇驅(qū)動模塊設(shè)計

家用電風(fēng)扇大多使用可控硅改變交流電的導(dǎo)通角，從而改變電風(fēng)扇兩端的有效電壓實現(xiàn)電風(fēng)扇調(diào)速。本文用兩線直流風(fēng)扇來模擬家用電風(fēng)扇，通過改變風(fēng)扇的輸入電壓來改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。風(fēng)扇的驅(qū)動電路如圖4所示。三極管、二極管、電感和電容組成了BUCK電路，單片機(jī)輸出PWM控制三極管的通斷，便可以改變輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓成一定比例關(guān)系，即Uo=（Ton/T）Ui。其中，Ton為PWM的導(dǎo)通時間，T為PWM周期。保持PWM周期T不變，只要改變導(dǎo)通時間Ton，就可改變風(fēng)扇兩端的電壓，從而控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。其中，當(dāng)Ton為0時，輸出電壓為0，則關(guān)閉風(fēng)扇。

2.3 顯示模塊設(shè)計

風(fēng)扇控制器實時顯示周圍環(huán)境的溫度，便于用戶了解當(dāng)前的環(huán)境。顯示模塊使用LCD1602字符液晶來實時顯示溫度傳感器采集到的周圍環(huán)境溫度。LCD1602可顯示兩行，每行可顯示16個字符，具有實用性高和操作簡單等優(yōu)點，與單片機(jī)的硬件連接如圖5所示。RS為數(shù)據(jù)或命令選擇引腳，RW為讀寫選擇引腳，E為使能信號引腳，D0～D7為數(shù)據(jù)或命令輸入引腳。使用LCD1602液晶顯示時，先對它進(jìn)行初始化，接著輸入命令確定要顯示的位置，再將要顯示的字符傳輸給LCD1602即可顯示。

2.4 串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊設(shè)計

手機(jī)和風(fēng)扇控制器通過藍(lán)牙通信方式進(jìn)行無線連接，由于風(fēng)扇控制器采用的51單片機(jī)主控芯片沒有藍(lán)牙接口，故需外接串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)接口擴(kuò)展。本系統(tǒng)使用HC-05模塊實現(xiàn)藍(lán)牙功能，該模塊與單片機(jī)的連接如圖6所示。單片機(jī)與該模塊通信時采用透傳模式，該模塊會將單片機(jī)的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

3 軟件設(shè)計

本產(chǎn)品的軟件設(shè)計主要包括風(fēng)扇控制器端單片機(jī)軟件設(shè)計和手機(jī)控制端的APP設(shè)計。

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計

單片機(jī)軟件設(shè)計包括溫度采集、LCD顯示、串口數(shù)據(jù)通信和控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，工作流程如圖7所示。首先對單片機(jī)各個模塊進(jìn)行初始化，如初始化串口、產(chǎn)生PWM的定時器、顯示模塊LCD1602和單總線溫度采集模塊等。

接著，判斷串口是否收到指令第一個字節(jié)，如果沒有收到，則表明無手機(jī)端的控制命令;如果收到指令第一個字節(jié)，則有手機(jī)端的命令發(fā)送過來，開始對指令幀進(jìn)行接收，每收到一個字節(jié)都判斷一幀指令是否接收完成，如果一幀指令沒有接收完成，繼續(xù)接收直到完整收到一幀指令幀。當(dāng)完整接收到一幀指令后，對指令進(jìn)行解析。手機(jī)對風(fēng)扇控制的指令有：開啟風(fēng)扇、關(guān)閉風(fēng)扇、定時關(guān)閉風(fēng)扇、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制和溫度控制。根據(jù)解析到的不同指令，通過調(diào)節(jié)輸出的PWM占空比來控制風(fēng)扇。

最后，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示。由于溫濕度傳感器采用單總線技術(shù)，用I/O口模擬單總線時序來對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。在LCD1602上顯示時，需先指定要顯示的位置坐標(biāo)，再將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符數(shù)據(jù)顯示。

3.2 手機(jī)APP軟件設(shè)計

手機(jī)通過藍(lán)牙與單片機(jī)進(jìn)行連接通信，所以手機(jī)APP軟件開發(fā)針對Android藍(lán)牙通信開發(fā)[9-10]。手機(jī)端APP軟件設(shè)計流程如圖8所示。首先，需聲明添加藍(lán)牙權(quán)限Bluetooth，才能進(jìn)行藍(lán)牙通信。獲取BluetoothAdapter對象，該對象是移動設(shè)備本地藍(lán)牙的適配器，包含了對藍(lán)牙操作的方法。通過BluetoothAdapter對象來判斷該手機(jī)是否支持藍(lán)牙，如果不支持，退出程序;如果支持，那么開啟藍(lán)牙。獲取之前已經(jīng)匹配過的設(shè)備，按照列表顯示。如果為新設(shè)備，則調(diào)用startDiscovery（）方法搜索設(shè)備。搜索到設(shè)備之后，開始配對設(shè)備。

如果配對成功之后，則建立單片機(jī)與手機(jī)的藍(lán)牙通信。主程序接收按鈕的觸發(fā)消息，如果有用戶控制風(fēng)扇按鈕被按下，則將指令寫入數(shù)據(jù)線程并發(fā)送給單片機(jī)。接著等待單片機(jī)的接收反饋，如果手機(jī)有收到接收反饋，則界面提示設(shè)置成功，如果超時未收到接收反饋，則提示設(shè)置失敗，用戶可重新設(shè)置。用戶控制風(fēng)扇的按鈕有開啟風(fēng)扇按鈕、關(guān)閉風(fēng)扇按鈕、風(fēng)扇一檔按鈕、風(fēng)扇二檔按鈕、風(fēng)扇三檔按鈕、定時關(guān)閉按鈕和溫控按鈕。

3.3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

為了保證通信的準(zhǔn)確性，為手機(jī)端和單片機(jī)端之間通信定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議，數(shù)據(jù)幀主要包括幀頭、長度、類型、數(shù)據(jù)和校驗。

手機(jī)端的用戶指令如圖9所示，共有7條指令，分別為開啟風(fēng)扇指令、關(guān)閉風(fēng)扇指令、風(fēng)扇一檔指令、風(fēng)扇二檔指令、風(fēng)扇三檔指令、定時關(guān)閉指令和溫度控制指令。

風(fēng)扇控制器接收到手機(jī)的控制命令之后，對風(fēng)扇進(jìn)行控制，并回復(fù)一幀數(shù)據(jù)給手機(jī)，表明已收到指令并已開始執(zhí)行。指令回復(fù)幀如圖10所示。

4 測 試

對單片機(jī)系統(tǒng)上電，打開手機(jī)APP連接藍(lán)牙，如圖11所示。LCD1602模塊實時顯示采集的溫度，風(fēng)扇一開始處理關(guān)閉狀態(tài)。通過操作手機(jī)APP按鈕，即可實現(xiàn)對風(fēng)扇的無線控制。如對風(fēng)扇進(jìn)行溫度控制，在手機(jī)上設(shè)定好溫度，用戶點擊APP溫控按鈕，將命令發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收到指令之后，則根據(jù)采集到的溫度實時調(diào)節(jié)風(fēng)扇輸出的風(fēng)量。

5 結(jié) 語

本文闡述了對家用電風(fēng)扇智能化的研究，滿足人們使用移動設(shè)備控制電風(fēng)扇的需求。用戶可通過手機(jī)軟件無線控制電風(fēng)扇，控制風(fēng)扇的開啟關(guān)閉、轉(zhuǎn)速、定時和溫度。并經(jīng)過實際測試，結(jié)果表明該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了無線控制的功能，對家用電風(fēng)扇的智能化研究具有重要意義。

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