張 娟，王 露，劉世月，俢繼偉，王鑫雷，陳 云

(1.太原工業(yè)學(xué)院 工程訓(xùn)練中心，山西 太原 030008；2.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006)

0 引言

電風(fēng)扇由于其制作工藝相對簡單、成本較低、放置位置靈巧方便，因此目前空調(diào)雖然得到廣泛使用，但電風(fēng)扇仍有較大的市場。不過傳統(tǒng)的電風(fēng)扇功能相對簡單，一般就是分為三個(gè)風(fēng)速檔，再加上擺頭和定時(shí)功能。為使電風(fēng)扇具有更廣泛的應(yīng)用，本文基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能電風(fēng)扇，即在原有功能的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)尋人、自動(dòng)適應(yīng)溫度變速、擺頭角度范圍可控等功能，同時(shí)風(fēng)扇會(huì)在液晶屏上顯示當(dāng)前的溫度，為用戶提供參考。

1 智能電風(fēng)扇整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能電風(fēng)扇系統(tǒng)由2片STC89C51作為主控芯片，以電機(jī)和舵機(jī)為傳動(dòng)裝置，分別帶動(dòng)風(fēng)扇頭和風(fēng)扇葉的擺頭和轉(zhuǎn)動(dòng)。其在兼有傳統(tǒng)風(fēng)扇功能的同時(shí)以紅外傳感器檢測人體，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋人功能；以傳感器DS18B20為檢溫裝置測量室溫，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速功能。

智能電風(fēng)扇整體結(jié)構(gòu)可分為兩部分：底座和頭部，如圖1所示。底座內(nèi)部為主控電路，外觀為四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)，傾斜面為主控面，中間嵌有L298N液晶顯示屏，四周為控制按鍵及各功能指示燈，上表面與頭部連接，且有環(huán)形凹槽圍繞，用以安裝紅外傳感器，確定擺頭范圍。頭部主要為風(fēng)扇部分，由底部舵機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)需要進(jìn)行擺頭和變速。

2 智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過紅外光電開關(guān)模塊、溫度傳感器模塊、按鍵模塊將收到的位置、溫度以及控制信號(hào)等外部信息以電信號(hào)的形式實(shí)時(shí)傳遞給主控單片機(jī)，再經(jīng)過單片機(jī)分析處理之后發(fā)出響應(yīng)信號(hào)，傳送到舵機(jī)和電機(jī)以及顯示模塊，并做出調(diào)節(jié)，從而提供人們所需要的風(fēng)扇角度、風(fēng)扇風(fēng)速。智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 硬件選型

2.2.1 主控芯片

本設(shè)計(jì)選用STC89C51RC單片機(jī)作為風(fēng)扇的主控芯片。STC89C51RC是STC公司生產(chǎn)的低功耗高性能的CMOS 8位微控制器，是51系列單片機(jī)的一種，自帶8 kB的FLASH存儲(chǔ)器、256 B的ROM、4 kB的EEPROM存儲(chǔ)空間、8 kB的程序存儲(chǔ)空間，可直接使用串口下載。由于其使用相對簡單，控制方便，且成本較低，故本設(shè)計(jì)選擇該單片機(jī)為主控芯片。又因連接外設(shè)引腳使用較多，所以本設(shè)計(jì)采用雙主控，即以兩片芯片為中心，搭建兩個(gè)最小系統(tǒng)，分別控制不同模塊。由STC89C51單片機(jī)組成的最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖1 智能電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)框圖

2.2.2 溫度傳感器

DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)槠渫ㄐ胖恍枰粭l數(shù)據(jù)線，相比較于分布式溫度傳感器，DS18B20應(yīng)用時(shí)無需外部元件，可直接用數(shù)據(jù)總線進(jìn)行供電，因此無需備用電源。該傳感器的電壓范圍為3.0 V～5.5 V，測量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃，可編程的分辨率為9位～12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式時(shí)分辨率最高，其值為0.062 5 ℃。由于風(fēng)扇一般在炎熱的夏天使用，因此本設(shè)計(jì)所需測量溫度范圍在20 ℃～40 ℃即可，DS18B20滿足設(shè)計(jì)需求，因而選用該溫度傳感器模塊。DS18B20測量電路如圖4所示。

圖3 STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖4 DS18B20測量電路

2.2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)中帶動(dòng)風(fēng)扇扇葉的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,驅(qū)動(dòng)部分的端子供電范圍為+5 V～+35 V,如需要板內(nèi)取電，則供電范圍為+7 V～+35 V。

若要對直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，需設(shè)置IN1和IN2，首先應(yīng)確定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后對使能控制端輸出PWM脈沖即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。需要注意的是:當(dāng)使能信號(hào)為0或者使能信號(hào)為1，且IN1和IN2為00或11時(shí)，電機(jī)處于自由停止或者制動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)正常工作，L298N電機(jī)工作狀態(tài)如表1所示。

表1 L298N電機(jī)工作狀態(tài)表

2.2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用ULN2003作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)部分端子的供電范圍為+5 V～+50 V;ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500 mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50 V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。

2.2.5 LCM1602液晶顯示模塊

本次設(shè)計(jì)中的顯示模塊采用1602液晶顯示屏，該模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器(CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了許多常用的符號(hào)，包括日文假名、英文字母的大小寫、阿拉伯?dāng)?shù)字等，共有160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形以固定的ASCII碼的形式存在。在本次設(shè)計(jì)中，將使用該模塊顯示當(dāng)前的室溫。LCM1602顯示模塊如圖5所示。

圖5 LCM1602顯示模塊

2.2.6 紅外光電開關(guān)模塊

利用該傳感器模塊來控制風(fēng)扇擺頭范圍，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線射到風(fēng)扇頭部(反射面)時(shí)，紅外線就會(huì)反射回來，然后被接收管接收，最后經(jīng)過比較器電路的處理之后，信號(hào)輸出接口將會(huì)輸出一個(gè)低電平的數(shù)字信號(hào)。該模塊的檢測距離可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)，調(diào)整方便，靈活性較好。

3 智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后，若選擇自動(dòng)模式，則風(fēng)扇通過溫度傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速，并且以慢速360°旋轉(zhuǎn)擺頭，當(dāng)尋到人體位置后停止擺頭；若選擇手動(dòng)模式，則通過按鍵調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)所需角度及風(fēng)速。智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)軟件流程

由圖6可知，本設(shè)計(jì)包含3種運(yùn)行模式，一種為手動(dòng)控制模式，另外兩種為自動(dòng)控制模式。其中，第一種手動(dòng)模式同傳統(tǒng)風(fēng)扇功能類似，便于習(xí)慣用傳統(tǒng)風(fēng)扇的人群使用。第二種模式主要是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫控變速功能，無需人工調(diào)節(jié)風(fēng)速，方便用戶使用。根據(jù)當(dāng)前的室溫，風(fēng)速可分為三檔，當(dāng)室溫低于25 ℃時(shí)，風(fēng)速為1檔；當(dāng)室溫在25 ℃～30 ℃之間時(shí)，風(fēng)速為2檔；當(dāng)室溫超過30 ℃時(shí)，風(fēng)速為3檔。第三種模式主要是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋人功能，通過紅外傳感器對環(huán)境光線的適應(yīng)能力，發(fā)射并接收光線，來檢測周圍是否有人，一旦找到目標(biāo)，風(fēng)扇便開始工作。

4 智能電風(fēng)扇實(shí)物調(diào)試

智能電風(fēng)扇實(shí)物如圖7所示。調(diào)試運(yùn)行過程如下：首先，接通電源，啟動(dòng)風(fēng)扇，初始時(shí)默認(rèn)為手動(dòng)模式，可通過按鍵手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速、是否進(jìn)行擺頭操作等；然后，通過按鍵進(jìn)行模式選擇，選擇自動(dòng)模式1，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速將根據(jù)溫度傳感器檢測到的當(dāng)前室溫進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；選擇自動(dòng)模式2，風(fēng)扇將會(huì)進(jìn)行擺頭操作，當(dāng)風(fēng)扇頭部的紅外傳感器掃射到人體時(shí)，便會(huì)停止擺頭、開始工作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋人功能。另外，風(fēng)扇還裝有顯示屏，可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前室溫。測試結(jié)果表明:本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫控變速與自動(dòng)尋人功能。

5 結(jié)束語

根據(jù)人們的需求，在原有風(fēng)扇功能的基礎(chǔ)上增加新功能，給用戶更好的體驗(yàn)。相比較于傳統(tǒng)風(fēng)扇，本設(shè)計(jì)中的風(fēng)扇有如下特點(diǎn)：

(1) 采用了STC89C51系列單片機(jī)，使用簡單，體積小，功耗較低，成本低廉，節(jié)約能源，集成度高，可靠性強(qiáng)。

(2) 增加了智能變速功能，可根據(jù)當(dāng)前室溫高低來自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速大小，免除了人們手動(dòng)換檔的繁瑣。

(3) 增加了紅外尋人功能，可以自動(dòng)尋找人員位置，風(fēng)力利用率更高。

圖7 智能電風(fēng)扇實(shí)物