基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計

劉淑影 晁 妍 李佩君 劉天琪

（阜陽師范大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院 安徽阜陽 236037）

隨著計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，在炎熱的夏季，各種各樣的降溫設(shè)備進(jìn)入我們的生活。其中風(fēng)扇以其價格低、方便攜帶、安裝簡單和耗電量低的優(yōu)點，成為大家首選的祛暑工具。但目前電風(fēng)扇大部分都是手動操作，對于溫度較為穩(wěn)定的時候，傳統(tǒng)電風(fēng)扇的缺點還不是很明顯[1]。但是，當(dāng)進(jìn)入溫度變化較為迅速的深夜，缺點就更加突出，具體如下：（1）只能采用手動操作來改變檔位，無法根據(jù)溫度的高低自動改變風(fēng)速；（1）目前大多數(shù)風(fēng)扇只有選檔、定時和搖頭這三種功能；（3）安全問題，高檔風(fēng)速與低擋風(fēng)速之間變化較大，在進(jìn)行檔位切換的時候可能會產(chǎn)生火花；（4）只能顯示檔位，無法顯示環(huán)境溫度。（5）無人體檢測功能。如果人離開時忘記關(guān)風(fēng)扇，傳統(tǒng)電風(fēng)扇無法檢測人的離去而繼續(xù)運轉(zhuǎn)，導(dǎo)致浪費電。因此為了解決以上問題，設(shè)計了一種易操作、擴(kuò)展性強(qiáng)的自動溫度控制風(fēng)扇。以單片機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和PWM技術(shù)，設(shè)計風(fēng)扇的控制系統(tǒng)，滿足人們對風(fēng)扇智能、方便和節(jié)能、環(huán)保的要求[2]。

一、系統(tǒng)設(shè)計

基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)分為軟件和硬件兩大部分，為了實現(xiàn)溫度值采集、轉(zhuǎn)速計算、風(fēng)速自動調(diào)節(jié)、紅外檢測、蜂鳴器報警等一系列新型功能，硬件部分則需由C51單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動、按鍵控制、S300A-P熱釋電紅外傳感器、溫度傳感器、蜂鳴器報警、風(fēng)速自動調(diào)控和電源等模塊組成。其系統(tǒng)總體控制框圖的設(shè)計如圖1所示。本文采用51單片機(jī)作為系統(tǒng)的主要控制器件、ds18b20進(jìn)行當(dāng)前環(huán)境溫度采集、LCD1286來顯示溫度、S300A-P采集人體信息，通過Keil集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，完成溫度采集、調(diào)控，以及通過LED和蜂鳴器來顯示當(dāng)前溫度和報警等功能。系統(tǒng)總體思路為：通過傳感器S300A-P來檢測風(fēng)扇前面是否人，如果檢測不到，則系統(tǒng)關(guān)閉；如果檢測到，進(jìn)行以下工作。通過ds18b20傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境的溫度，將檢測值傳送給51單片機(jī)，經(jīng)過主控器的分析、處理，再通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的快慢，進(jìn)而達(dá)到控制電風(fēng)扇速度的目的。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，為智能風(fēng)扇的工作設(shè)置合適的溫度上限值和下限值，當(dāng)ds18b20采集到的溫度位于設(shè)定的最大值和最小值之間時，系統(tǒng)則根據(jù)當(dāng)前檢測的實時溫度值自動切換到強(qiáng)、中、弱風(fēng)等對應(yīng)的檔位，并將PWM值和風(fēng)速值顯示在LCD12864顯示屏上；若采集的溫度值高于之前設(shè)置的上限值MAX時，啟動蜂鳴器，報警燈不斷閃爍，電機(jī)轉(zhuǎn)動加快，驅(qū)動電風(fēng)扇加快轉(zhuǎn)動切換到強(qiáng)風(fēng)檔位，同時顯示對應(yīng)的PWM值和風(fēng)速值；若溫度值小于設(shè)置的最小值MIN時，電機(jī)轉(zhuǎn)動停止，風(fēng)扇進(jìn)入睡眠模式。

圖1 總體框架圖

二、硬件主要模塊設(shè)計

（一）溫度采集模塊設(shè)計。DS18B20作為一款數(shù)字溫度傳感器，是以數(shù)字信號形式進(jìn)行輸出，具有檢測精度高，抗干擾強(qiáng)，成本低，體積小的優(yōu)點，因此本系統(tǒng)選取DS18B20來采集實時溫度值。其電路圖的設(shè)計如圖2所示。由圖2可以看出，DS18B20溫度傳感器的輸入和輸出I/O端口連接單片機(jī)各端口中的P2.4端口，DS18B20采集到的當(dāng)前溫度值可以通過51單片機(jī)的P2.5端口讀入并通過LCD顯示屏進(jìn)行顯示，然后通過主控器計算與該溫度對應(yīng)的檔位，進(jìn)行自動換擋，調(diào)控風(fēng)速。圖中R3是溫度傳感器I/O的上拉電阻，其作用是當(dāng)從單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)結(jié)束時，上拉電阻將I/O重新拉回到高電平狀態(tài)[3]。

圖2 溫度傳感器工作原理

（二）直流電機(jī)驅(qū)動模塊。針對智能電風(fēng)扇的不同檔位風(fēng)速的實現(xiàn)，需要改變風(fēng)扇送風(fēng)的強(qiáng)弱，即必須改變帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的電機(jī)的電壓和電流，如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動

系統(tǒng)中電機(jī)采用的是H橋驅(qū)動電路控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動。如圖3所示，當(dāng)三極管Q1和三極管Q4管導(dǎo)通時，電流從電源的正極經(jīng)三極管Q1由上至下、由左至右經(jīng)過電機(jī)到達(dá)三極管Q4，最終達(dá)到電源的負(fù)極。如圖所示的箭頭指向，表示該方向流動的電流將驅(qū)動直流電機(jī)使其按照順時針的方向轉(zhuǎn)動。若三極管Q2和三極管Q3導(dǎo)通，電流的流向正好和上圖所示的方向相反從右邊向左邊經(jīng)過電機(jī)，該方向的電流將驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，并且是按逆時針的方向轉(zhuǎn)動。

（三）S300A-P人體檢測模塊。S300A-P作為一款常用的熱釋電紅外傳感器，具有低成本、低功耗和精準(zhǔn)的靈敏度等特點。S300A-P通過IR感應(yīng)周圍紅外線并將其轉(zhuǎn)換為電荷信號，以此來采集人體數(shù)據(jù)。若能夠檢測到人體信號時，則S端輸出高電平，將將檢測的紅外輻射轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的電壓信號輸出，然后對輸出的電壓進(jìn)行增強(qiáng)，便可驅(qū)動風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動[4]；如果檢測不到人體信號，則S端輸出低電平，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，電扇停止轉(zhuǎn)動。

圖4 熱釋電紅外傳感器模塊

圖5 蜂鳴器報警原理圖

（四）蜂鳴器報警模塊。設(shè)計蜂鳴器報警的電路圖如圖5所示。其中采用的是1kΩ 的電阻和S8550三極管，S8550是一款PNP型硅三極管，其具有電壓低、電流大和信號小的特點。S8550三級管的基極通過R5與單片機(jī)的輸入和輸出口連接。當(dāng)單片機(jī)的I/O端口輸出的是低電平時，則三級管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器啟動工作開始鳴叫；當(dāng)單片機(jī)的I/O端口輸出的是高電平時，三級管截止，蜂鳴器鳴叫結(jié)束[5-6]。

三、軟件模塊設(shè)計

基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)主要完成電源復(fù)位、按鍵控制、溫度采集、計算機(jī)風(fēng)速、控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等功能。與相應(yīng)的硬件部分的功能設(shè)計，其系統(tǒng)工作的主要程序設(shè)計如圖6所示。該系統(tǒng)供電后，首先通過對獨立按鍵的判斷，風(fēng)扇工作模式是手動方式還是自動方式。如果是自動方式，則啟動熱釋電紅外傳感器檢測風(fēng)扇周圍是否有人，若獲取不到信號風(fēng)扇則自動關(guān)閉，有人則進(jìn)行溫度傳感器ds18b20進(jìn)行初始化，采集當(dāng)前溫度值。然后將檢測到的數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定的溫度最大值max和溫度最小值min進(jìn)行比較，若高于max值，電扇將調(diào)換到強(qiáng)風(fēng)檔；若低于min值，電扇系統(tǒng)關(guān)閉，不再工作；若介于兩者之間，風(fēng)扇自動選擇合適的風(fēng)速進(jìn)行工作。

圖6 系統(tǒng)流程圖

四、結(jié)語

通過以上給出的基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)的硬件和軟件部分的設(shè)計，最終完成對智能風(fēng)扇的系統(tǒng)設(shè)計，如下圖7所示。通過實驗證明，該風(fēng)扇既可以通過手動模式操作，也可以選擇自動模式。當(dāng)在自動工作模式下，通過S300A-P模塊可以實現(xiàn)無人，風(fēng)扇停止工作，有人，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地根據(jù)當(dāng)前溫度變化，實現(xiàn)風(fēng)扇啟動工作、停止工作和自動調(diào)節(jié)風(fēng)速。本系統(tǒng)設(shè)計三個檔，分別為弱風(fēng)、中風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)，其下限值min設(shè)置為25℃，上限值max設(shè)置為33℃。如果用戶環(huán)境溫度低于25℃，系統(tǒng)自動關(guān)閉，防止夜間溫度過低繼續(xù)吹風(fēng)扇，導(dǎo)致人們感冒。若大于25℃而小于33℃時，系統(tǒng)選擇中風(fēng)檔吹風(fēng)；若大于33℃，系統(tǒng)選擇強(qiáng)風(fēng)檔吹強(qiáng)風(fēng)。在實現(xiàn)普通風(fēng)扇功能的同時，該風(fēng)扇還可以進(jìn)行智能根據(jù)溫控自動調(diào)節(jié)速的，以及檢測是否人已離去忘記關(guān)風(fēng)扇，達(dá)到即方便又省電的目的。

圖7 智能風(fēng)扇模型機(jī)