多功能智能風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王艷

（汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕尾，516600）

0 引言

隨著科技的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，人們對(duì)美好生活的需要，家用電器不僅要求外觀精美，還希望使用更智能化和人性化。隨著 1880 年的第一臺(tái)風(fēng)扇問世，風(fēng)扇已經(jīng)成了我們生活中必不可缺的家用電氣。相對(duì)空調(diào)而言，風(fēng)扇具有低功耗、低價(jià)格、輕巧、便于移動(dòng)等特點(diǎn)，依然有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。目前市場(chǎng)上大部分風(fēng)扇仍然采用傳統(tǒng)的機(jī)械按鍵控制、功能單一、控制方式單一，不夠智能化和人性化。該設(shè)計(jì)的這款風(fēng)扇，使用單片機(jī)控制技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、智能觸摸屏技術(shù)、傳感器檢測(cè)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度、時(shí)鐘、風(fēng)扇狀態(tài)、風(fēng)扇擋位等信息的顯示。有手動(dòng)按鍵控制、觸摸屏控制、自動(dòng)控制、藍(lán)牙遙控等多種控制方式，具有定時(shí)功能。自動(dòng)控制方式時(shí)，用戶可以根據(jù)個(gè)人需要調(diào)整控制的上線溫度值和下線溫度值，根據(jù)環(huán)境溫度控制風(fēng)扇開關(guān)和調(diào)速。采用了模塊化的硬件搭建方式，便于開發(fā)者進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該設(shè)計(jì)核心控制器選用了 STC15F2K60S2 單片機(jī)。該單片機(jī)是一款具有低功耗、低價(jià)格、高性價(jià)比等特點(diǎn)的 8 位微處理器。采用溫濕度傳感器 DHT11 實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前環(huán)境溫度和濕度的檢測(cè)。采用了 HMI 智能觸摸串口屏實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘、濕度、溫度、風(fēng)扇狀態(tài)、風(fēng)扇擋位等信息顯示，HMI 智能串口觸摸屏設(shè)計(jì)了多個(gè)控制界面，完成風(fēng)扇的開啟、關(guān)閉、調(diào)速、定時(shí)、自動(dòng)控制等設(shè)置。使用藍(lán)牙通信技術(shù)和手機(jī)APP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的遙控，遙控風(fēng)扇開關(guān)和調(diào)速。采用 4 位獨(dú)立觸摸按鍵實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的手動(dòng)調(diào)速和開關(guān)。本設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件模塊的實(shí)現(xiàn)

■2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)選擇了宏晶公司 STC15F2K60S2 單片機(jī)，是一款 8 位的微處理器。其特點(diǎn)是：價(jià)格低、功耗低、高速率。其內(nèi)部集成有高精度時(shí)鐘電路和高可靠復(fù)位電路[1]。該單片機(jī)最小系統(tǒng)無(wú)需設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，系統(tǒng)的硬件更加簡(jiǎn)單。該單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)相互獨(dú)立的串行通信接口 UART0和 UART1，分別用于連接藍(lán)牙模塊和 HMI 智能觸摸串口屏。

■2.2 人機(jī)交互顯示電路

人機(jī)交互使用 HMI 觸摸屏實(shí)現(xiàn)人與風(fēng)扇之間的信息交互，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度、濕度、時(shí)間、風(fēng)扇狀態(tài)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等信息。HMI 觸摸屏選用了深圳市淘晶馳電子有限公司的電阻式 HMI 智能觸摸串口屏 TJC4024K032_011R，尺寸為 3.2寸，400×240 像素，可進(jìn)行 100 級(jí)亮度調(diào)節(jié)。HMI 觸摸串口屏 TJC4024K032_011R 集成了顯示屏、觸摸屏、CPU、存儲(chǔ)器和RTC 的獨(dú)立顯示器件，具有使用字符串指令、使用 C 語(yǔ)言指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)、控件屬性賦值支持簡(jiǎn)單運(yùn)算等特點(diǎn)。

TJC4024K032_011R 串口屏與 STC15F2K60S2 單片機(jī)的 UART1 串口交互指令。STC15F2K60S2 單片機(jī)的 UART1的 P3.6（RXD）、P3.7(TXD)分別連接觸摸屏的串口引腳RXD、TXD。

■2.3 過零點(diǎn)檢測(cè)與電源模塊

圖2 電路為整個(gè)系統(tǒng)提供 220V 交流電源和 5V 直流穩(wěn)壓電源，并檢測(cè) 220V 交流電源的零點(diǎn)輸出脈沖信號(hào) Utb。首先 220V 交流電源通過降壓變壓器出輸出為 9V 交流電，VD2～VD5 為橋式整流電路，再對(duì) 9V 的交流電進(jìn)行整流，最后通過三端穩(wěn)壓器 7805 進(jìn)行穩(wěn)壓，C4、C5 為濾波電容，最終輸出+5V 直流穩(wěn)壓電源，為單片機(jī)等設(shè)備提供工作電源。通過三極管 VT1,VT2 獲得交流電源過零點(diǎn)時(shí)的同步脈沖信號(hào)Utb，脈沖信號(hào) Utb 送入單片機(jī)的外部中斷 0 引腳，作為單片機(jī)的外部中斷 0 的中斷信號(hào)。

圖2 過零點(diǎn)檢測(cè)與電源電路原理圖

使用數(shù)字示波器對(duì)過輸入220V 交流電壓信號(hào)和輸出脈沖信號(hào)Utb 進(jìn)行檢測(cè)，信號(hào)波形圖如圖 3 所示。其中藍(lán)色正弦波為 220V 交流電信號(hào)波形，黃色的脈沖信號(hào)為同步脈沖信號(hào) Utb 的信號(hào)波形。脈沖信號(hào) Utb 的頻率為 100Hz，在交流電源零點(diǎn)時(shí)脈沖信號(hào)為低電平。

圖3 交流過零點(diǎn)檢測(cè)波形圖

■2.4 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)采用了溫濕度復(fù)合傳感器 DHT11。DHT11 具有體積小、低功耗的特點(diǎn)。DHT11 有較寬的工作電壓 3V～5.5V，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 20 米，與單片機(jī)之間進(jìn)行單總線數(shù)據(jù)通信。如圖 4 所示，單片機(jī)與DHT11 之間通過 DATA 端進(jìn)行通訊和同步,其中 R12 為上了電阻，一般取 5kΩ。DHT11 每次的通信數(shù)據(jù)總共40bit，按照從高到低的順序，包括 16 位的濕度數(shù)據(jù)、16 位溫度數(shù)據(jù)、8 位校驗(yàn)和三部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖4 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)原理

DHT11 不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行信息采集，初始模式為低功耗模式。當(dāng)單片機(jī)發(fā)送一次開始信號(hào)，DHT11進(jìn)入高速模式，準(zhǔn)備采集數(shù)據(jù)信息。開始信號(hào)結(jié)束后，DHT11 開始采集溫濕度數(shù)據(jù)信息，送出 40bit 的數(shù)據(jù)[3]。信息采集結(jié)束后，DHT11 自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式。

■2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

風(fēng)扇系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖 5 所示。當(dāng)電機(jī)達(dá)到啟動(dòng)條件時(shí)，外部中斷 0 被開啟，同步脈沖 Ucf 控制外部中斷 0 來啟動(dòng)定時(shí)器 0 開始定時(shí)，同時(shí) Ucf 信號(hào)送入光電耦合器 MOC3020的引腳 2，光電耦合器將觸發(fā)脈沖信號(hào)送到 MAC97A6D2 的觸發(fā)極。觸發(fā)極接收到高電平時(shí)，MAC97A6D2 晶閘管導(dǎo)通；觸發(fā)極接收到低電平時(shí)，MAC97A6D2 晶閘管截至，即交流過零點(diǎn)時(shí)雙向晶閘管關(guān)斷。定時(shí)器 0 以交流過零點(diǎn)時(shí)為起點(diǎn)啟動(dòng)定時(shí)，對(duì)觸發(fā)脈沖 Ucf 進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)長(zhǎng)通過單片機(jī)程序進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。比如：自動(dòng)控制方式時(shí)，隨著溫度升高延時(shí)時(shí)間變短，溫度降低延時(shí)時(shí)間變長(zhǎng)，從而控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角度在 0～180℃之間。導(dǎo)通角度越大，輸出端電壓越高，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越快，反之風(fēng)扇速度越小。即當(dāng)溫度高時(shí)，雙向晶閘管導(dǎo)通的角度就大，電機(jī)轉(zhuǎn)速快；檔溫度低時(shí)，雙向晶閘管導(dǎo)通角度小，電機(jī)轉(zhuǎn)速慢。從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇根據(jù)當(dāng)前溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速。

圖5 電機(jī)控制電路

■2.6 藍(lán)牙模塊

使用了 HC-06 藍(lán)牙模塊，與單片機(jī)的串口 1 連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和藍(lán)牙模塊之間的信息交互。STC15F2K60S2 單片機(jī)的UART0 的 P3.0（RXD）、P3.1(TXD)分別連接藍(lán)牙模塊 HC-06 的引腳 RXD、TXD,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)之間無(wú)線通信，通過手機(jī) APP 控制風(fēng)扇的開關(guān)、調(diào)速等。

■2.7 獨(dú)立按鍵模塊

獨(dú)立按鍵模塊采用了觸摸按鍵，觸摸按鍵控制便捷、壽命長(zhǎng)、無(wú)機(jī)械抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)使用獨(dú)立的 4 鍵觸摸開關(guān)模塊。該模塊的特點(diǎn)是：低功耗、寬電壓（2V～5.5V）、正反面均可觸摸。該模塊 4 個(gè)鍵的初始狀態(tài)為低功耗模式。當(dāng)用手觸摸相應(yīng)按鍵時(shí)，轉(zhuǎn)換為高速模式。在高速模式下如果持續(xù)12 秒內(nèi)沒有再觸摸相應(yīng)按鍵，將再次進(jìn)入低功耗模式[4]。即當(dāng)用手觸摸時(shí)對(duì)應(yīng)端口輸出高電平，手放開時(shí)輸出低電平。4 個(gè)按鍵的功能分別是：S1 鍵---停止；S2 鍵---低速檔位；S3 鍵---中速擋位；S4 鍵---高速擋位。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面使用了 HMI 智能觸摸串口屏 TJCTJC40 24K032_0 11R，實(shí)現(xiàn)人與風(fēng)扇之間交互信息。TJCTJC40 24K032_011R 的界面設(shè)計(jì)軟件搭配的是 USART HMI，是淘晶馳提供的智能串口屏集成開發(fā)環(huán)境，具有串口屏界面設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試、下載等界面開發(fā)所有功能。USART HMI軟件有豐富的控件、自定義字庫(kù)、C 語(yǔ)言指令等。利用這些功能可以快速的開發(fā)出圖形界面，避免使用復(fù)雜的函數(shù)來編寫。

圖6 為該設(shè)計(jì)的主界面。該設(shè)計(jì)界面有 8 個(gè)界面，包括主界面、控制界面、檢測(cè)界面、功能界面、設(shè)置界面、時(shí)鐘調(diào)整界面、溫控界面、定時(shí)界面等。實(shí)現(xiàn)溫度、濕度、時(shí)鐘、風(fēng)扇狀態(tài)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等信息顯示，實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的調(diào)整、風(fēng)扇的啟動(dòng)和調(diào)速、溫控的溫度設(shè)置和開啟、定時(shí)時(shí)間設(shè)置等功能，完成人與風(fēng)扇之間的信息交互。

圖6 HMI 屏的主界面

■3.2 手機(jī) APP 設(shè)計(jì)

Google 推出的一款軟件工具 App Inventor，可以進(jìn)行在線的手機(jī) APP 的設(shè)計(jì)和開發(fā)。該軟件工具是完全在線開發(fā)的Android 編程環(huán)境，摒棄了復(fù)雜的程式代碼，采用圖形化編程的方式實(shí)現(xiàn) Android 程式。

使用 App Inventor 開發(fā)一個(gè)手機(jī) APP 首先從瀏覽器開始。先設(shè)計(jì)程序的外觀，程序外觀全部采用拖拽的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，即組件設(shè)計(jì)[5]。接著設(shè)計(jì)程序行為，這部分使用圖形化編程方式，不需要設(shè)計(jì)者學(xué)習(xí)過編程知識(shí)，只需要有一定的邏輯思維就可以完成程序設(shè)計(jì)，即邏輯設(shè)計(jì)。最后打包 apk 并生成一個(gè)二維碼，手機(jī)掃碼就將程序安裝到手機(jī)上了。圖 7 為控制風(fēng)扇的 APP 界面，使用手機(jī)的藍(lán)牙進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的開關(guān)、調(diào)速、溫濕度顯示。

圖7 APP 界面

■3.3 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)采用移植性強(qiáng)的 C 語(yǔ)言編程。當(dāng)檢測(cè)到交流過零點(diǎn)時(shí)，外部中斷 0 產(chǎn)生中斷，控制雙向晶閘管截止，并啟動(dòng)定時(shí)器 0。定時(shí)器 0 中斷用于控制電機(jī)的導(dǎo)通角度的大小，定時(shí)器 0 定時(shí)時(shí)間越長(zhǎng)，雙向晶閘管導(dǎo)通時(shí)間也就越長(zhǎng)，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速就會(huì)越快，反之風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的調(diào)速功能。定時(shí)器 2 用于串行通信的頻率發(fā)生器，UART0 和 UART1 串口通信從波特率均為 9600bps。

4 功能與使用

■4.1 溫濕度、時(shí)鐘等信息顯示

手機(jī) APP 上可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境溫度和濕度，使用者可以方便、及時(shí)的了解當(dāng)前環(huán)境信息。HMI 智能串口屏顯示當(dāng)前環(huán)境溫濕度和時(shí)鐘等信息，風(fēng)扇可以設(shè)置為自動(dòng)模式，并設(shè)置開啟風(fēng)扇和關(guān)閉風(fēng)扇的溫度值，這樣風(fēng)扇就可以根據(jù)設(shè)置的溫度值自動(dòng)開啟、關(guān)閉風(fēng)扇和風(fēng)扇調(diào)速。風(fēng)扇具有定時(shí)功能，可以設(shè)定風(fēng)扇的開啟時(shí)間，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。

■4.2 控制方式

該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、手動(dòng)按鍵控制、觸摸屏控制、手機(jī) APP 遙控、定時(shí)控制等多種控制方式。自動(dòng)控制方式時(shí)可以設(shè)定開啟和關(guān)閉溫度值，風(fēng)扇就進(jìn)入自動(dòng)開關(guān)、調(diào)速狀態(tài)。手動(dòng)控制方式可以按鍵控制，通過外圍 4 個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇開啟、停止、調(diào)速等；也可以通過 HMI 觸摸屏界面實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇開啟、停止、調(diào)速等。手機(jī) APP 實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控電風(fēng)扇的開啟、停止、調(diào)速等?？梢栽O(shè)定定時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，定時(shí)時(shí)間到，風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉。多種控制方式相結(jié)合，方便了用戶的使用，使我們的生活更加便捷、靈活多樣、智能化和人性化。

5 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)的風(fēng)扇系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的風(fēng)扇的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)、智能觸摸串口屏技術(shù)、APP 技術(shù)、傳感器技術(shù)當(dāng)，設(shè)計(jì)了非常人性化的人機(jī)交互界面，可以顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、濕度和時(shí)間（年月日時(shí)分秒）等信息。具有自動(dòng)控制、手動(dòng)按鍵控制、觸摸屏控制、手機(jī) APP 遙控和定時(shí)控制等多種控制方式多種控制。經(jīng)實(shí)踐證明，該多功能電風(fēng)扇使用方便，操作靈活多樣，成本低，智能化人性化。溫控模式特別適合夜間使用，當(dāng)溫度較低時(shí)，風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，溫度過高時(shí)風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)開啟，并根據(jù)溫度值調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。使人們生活更加便捷、人性化、智能化，為人們的生活帶來更多樂趣和便利。