一種低成本的多功能智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)＊

席 豪，閻昌國(guó)，朱成銀，汪家晗，張?chǎng)伪?/p>

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州 遵義 563006）

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與物質(zhì)生活水平的不斷提升，智能家居的理念正在逐步影響著人們的精神世界，使人們對(duì)美好的生活越來越向往，人們?cè)诿τ诠ぷ髦笠蚕Ｍ约旱募揖由铙w驗(yàn)更加的智能化、自動(dòng)化與舒適化[1-4]。在炎熱的夏天，為改善家居生活環(huán)境溫度的舒適度，人們常需要借助一些電氣設(shè)備來實(shí)現(xiàn)降溫解暑，空調(diào)作為家居生活中常用的一種降溫解暑的電氣設(shè)備，目前雖已在很多的家庭中得到了普及和應(yīng)用，但同時(shí)很多人也對(duì)其表現(xiàn)得并不是很適應(yīng)，有的甚至還滋生出了“空調(diào)病”[5-7]。另外一種在家居生活中用于降溫解暑的電氣設(shè)備就是風(fēng)扇，相對(duì)于空調(diào)來說，風(fēng)扇存在費(fèi)用較低、占地空間小、容易搬移等優(yōu)點(diǎn)，在較多精準(zhǔn)扶貧的家庭受到了更為廣泛的歡迎[8-9]。但是，受經(jīng)濟(jì)收入的影響，較多的精準(zhǔn)扶貧家庭仍采用的是傳統(tǒng)的人工調(diào)控風(fēng)扇，極大降低了他們對(duì)家居生活的自動(dòng)化與智能化的體驗(yàn)。因此，設(shè)計(jì)出一款成本相對(duì)較低而功能又相對(duì)較多的智能溫控風(fēng)扇，對(duì)于改善廣大精準(zhǔn)扶貧家庭家居生活的體驗(yàn)度與舒適度，更好地滿足他們對(duì)智能家居生活的美好向往，具有十分重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

基于此，本文提出了以單片機(jī)控制器為核心的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)制作方案，該方案可準(zhǔn)確地依靠多個(gè)電氣設(shè)備檢測(cè)居室生活所處的溫度、人體方位、有無人體等環(huán)境信息的變化，進(jìn)而依靠單片機(jī)控制器對(duì)風(fēng)扇的啟停、轉(zhuǎn)向、調(diào)速等狀態(tài)做出相應(yīng)的自動(dòng)控制。本文給出了該方案的總體架構(gòu)框圖，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)部分主要電路的工作原理，并通過搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來證實(shí)該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能風(fēng)扇是機(jī)電一體化程度相對(duì)較高的電氣設(shè)備裝置，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置綜合性能的影響起著十分重要的作用[10-12]。圖1為該控制系統(tǒng)總體架構(gòu)原理框圖，它由單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、按鍵模塊、溫度檢測(cè)模塊、紅外光電檢測(cè)模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊等組成。其中，單片機(jī)為系統(tǒng)的控制器，是整個(gè)制作方案的核心，其主芯片采用了一款集成本低、體積小、控制簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)于一身的性價(jià)比較高的單片機(jī)STC89C52，它主要依據(jù)外設(shè)多個(gè)電路模塊檢測(cè)居室生活所處的溫度、人體方位、有無人體等環(huán)境信息的變化，通過控制實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)向等功能。此外，在此次脫貧攻堅(jiān)工作中，受對(duì)精準(zhǔn)扶貧家庭家居生活體驗(yàn)進(jìn)行改善的工作啟示，該方案還預(yù)留有可擴(kuò)展外設(shè)區(qū)域（如圖1中虛線框的部分所示），在使用過程中，用戶可根據(jù)需要在該擴(kuò)展的外設(shè)區(qū)域內(nèi)嵌入遠(yuǎn)程控制模塊與智能手機(jī)進(jìn)行相互通信，通過手機(jī)端所對(duì)應(yīng)的APP對(duì)風(fēng)扇做出相應(yīng)控制，如在炎熱的夏天，可以通過手機(jī)APP遠(yuǎn)距離查看風(fēng)扇工作狀態(tài)，并遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇啟停，不僅能有效降低家庭電力成本，還能有效改善居室的溫度環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)原理框圖

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

此低成本的多功能智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)的檢測(cè)電路包括溫度檢測(cè)模塊與紅外光電檢測(cè)模塊2部分，其電路原理如圖2所示，圖中VCC為5 V的參考電壓。溫度檢測(cè)電路選用了一款檢測(cè)范圍大、體積小、成本低、精度高、抗干擾能力強(qiáng)的12位數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該部分電路根據(jù)所檢測(cè)的居室環(huán)境實(shí)際溫度與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的溫度進(jìn)行比較，單片機(jī)控制器依據(jù)比較的結(jié)果去控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，從而改善居室的溫度。而紅外光電檢測(cè)模塊主要用于檢測(cè)人體方位，系統(tǒng)選用了3個(gè)探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、集發(fā)射與接收于一體的紅外光電傳感器E18-D80NK，它們分別對(duì)風(fēng)扇所處環(huán)境前方的左、中、右方位的人體進(jìn)行180°的全方位紅外檢測(cè)，該部分電路根據(jù)所檢測(cè)到人體的方位，觸發(fā)子程序產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，告知單片機(jī)去控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)定位送風(fēng)。

圖2 檢測(cè)電路原理圖

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)選用了成本相對(duì)較低的單極性的永磁減速型4相5線制8拍的異步電機(jī)28BYJ-48，它依靠一款高壓大電流、耐溫范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)的達(dá)林頓晶體管陣列芯片ULN2003來驅(qū)動(dòng)，具體電路原理如圖3所示。該部分電路的工作原理為：?jiǎn)纹瑱C(jī)的P1口輸出的高低電平信號(hào)經(jīng)芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)放大后送入步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48，步進(jìn)電機(jī)依據(jù)接收到的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)按照時(shí)序工作，旋轉(zhuǎn)一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的步距角，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的啟停、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的控制。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路原理如圖4所示，其由3個(gè)電阻與2個(gè)三極管、1個(gè)指示LED燈組成。該部分電路的工作原理為：當(dāng)單片機(jī)的P3.2口輸出為高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，將a點(diǎn)的電平拉為低電平，同時(shí)，三極管Q2也導(dǎo)通，LED指示燈亮，風(fēng)扇通電啟動(dòng)；當(dāng)單片機(jī)的P3.2口輸出為低電平時(shí)，三極管Q1截止，a點(diǎn)的電平隨之變?yōu)楦唠娖?，三極管Q2也隨之截止，LED指示燈滅，風(fēng)扇斷電停止。

圖4 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.4 可擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)

為了說明該方案所提出的可擴(kuò)展外設(shè)區(qū)域的有效性與可行性，在制作實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，選用了一款功耗低、性價(jià)比高、集成度好的Wi-Fi控制芯片ESP8266，其電路原理如圖5所示。該部分電路的工作原理為：5 V參考電壓經(jīng)電源管理芯片1117MBSTT3輸出3.3 V電壓給Wi-Fi控制芯片ESP8266供電，單片機(jī)通過P3.0與P3.1口與ESP8266進(jìn)行串口通信，通過接收與發(fā)送AT指令，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的遠(yuǎn)程控制功能。

圖5 可擴(kuò)展外設(shè)電路原理圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述理論分析，在PROTEL軟件中繪制了所提方案架構(gòu)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，原理圖如圖6所示。基于該原理圖，為了驗(yàn)證所提方案架構(gòu)的正確性與可行性，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過按鍵預(yù)設(shè)居室溫度為25℃，并通過加減按鍵來改變溫度的值，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形

由圖8可知，當(dāng)居室溫度超過預(yù)設(shè)值25℃時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)中斷程序，其P3.2口輸出為高電平，LED指示燈亮，其端電壓約為0 V，表明風(fēng)扇通電送風(fēng)；當(dāng)溫度低于預(yù)設(shè)值25℃時(shí)，單片機(jī)P3.2口輸出為低電平，LED指示燈滅，其端電壓約為0.5 V，表明風(fēng)扇斷電。這說明基于所提方案，控制系統(tǒng)能準(zhǔn)確根據(jù)所處環(huán)境溫度的變化而做出相應(yīng)的自動(dòng)控制，與理論分析相互一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以單片機(jī)為核心控制器，提出了一個(gè)低成本的多功能智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案集電、光、機(jī)、溫等技術(shù)于一體，兼顧了自動(dòng)化與智能化，能根據(jù)周圍環(huán)境的溫度、人體及人體方位等條件實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的自動(dòng)控制、智能控制及遠(yuǎn)程控制，成本低、擴(kuò)展性好、有較好的應(yīng)用價(jià)值，可為智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)提供技術(shù)理論指導(dǎo)。