楊鈺國(guó)　周軍　錢(qián)一潤(rùn)

摘要：風(fēng)扇作為人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ哒悄芑?，?jié)能化，人性化的方向發(fā)展。論文介紹一種以IAP15F2K60S2為主控芯片，輔以DS18B20溫度傳感器，結(jié)合超聲波發(fā)送接收電路CX20106A和HC-SR501紅外傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)一種智能風(fēng)扇的設(shè)計(jì)。該智能風(fēng)扇設(shè)計(jì)了雙模式，手動(dòng)模式下可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速功能，智能模式下能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)溫度和距離實(shí)時(shí)調(diào)速等功能。所設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇功能完善，擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：智能風(fēng)扇;單片機(jī);傳感器;雙模式

中圖分類(lèi)號(hào)：TM925.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）08-0003-02

0 引言

由于人類(lèi)對(duì)世界能源的不斷開(kāi)采，節(jié)能已經(jīng)成為新時(shí)代的新方向。電風(fēng)扇作為一件常用的家用電器，它的智能化發(fā)展必將掀起新的潮流。傳統(tǒng)的電風(fēng)扇存在著浪費(fèi)電能、使用不便等諸多缺點(diǎn)。作為微型控制器，單片機(jī)具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到各種智能化的產(chǎn)品上。本設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)風(fēng)扇與單片機(jī)相結(jié)合，通過(guò)各模塊之間的配合，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的智能控制與調(diào)速，達(dá)到智能、節(jié)能的目的。智能風(fēng)扇的出現(xiàn)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展的潮流，滿足人們?nèi)找鎸?duì)美好生活的追求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能風(fēng)扇系統(tǒng)核心芯片為IAP15F2K60S2芯片，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化[3]設(shè)計(jì)的思想，其中，溫度模塊的功能實(shí)現(xiàn)由DS18B20傳感器來(lái)完成，超聲波模塊用來(lái)測(cè)量人與風(fēng)扇的距離，HC-SR501人體紅外感應(yīng)器完成感應(yīng)人體的任務(wù)。其余各個(gè)模塊與芯片的協(xié)調(diào)配合如圖1。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器

本設(shè)計(jì)中溫度采集使用的元件是DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器， DS18B20芯片的2腳是數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端，將此管腳與單片機(jī)P14口相連。單片機(jī)直接讀出從溫度傳感器中傳輸出的數(shù)據(jù)然后對(duì)它做出處理，便可得到周?chē)沫h(huán)境溫度。

2.2 超聲波模塊

使用CX20106A芯片進(jìn)行超聲波的發(fā)送和接收。該設(shè)計(jì)中將超聲波頻率設(shè)定為40KHZ。由確定引腳發(fā)送一定數(shù)目的40KHZ脈沖，并開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)另一端口收到返回的信號(hào)時(shí)，計(jì)時(shí)停止。已知聲速和單片機(jī)的機(jī)器周期，便可利用數(shù)學(xué)公式計(jì)算出人與風(fēng)扇的距離。

2.3 人體紅外感應(yīng)器

實(shí)現(xiàn)感應(yīng)人體的是HC-SR501傳感器。其工作電壓為DC5V至20V，當(dāng)感應(yīng)到人體時(shí)，模塊中間的引腳2便輸出高電平，當(dāng)人離開(kāi)時(shí)自動(dòng)延遲關(guān)閉高電平，輸出低電平。在硬件設(shè)計(jì)中，將該引腳2與芯片的P24引腳連接起來(lái)，通過(guò)讀取P24引腳的電平信息便可知道風(fēng)扇周?chē)欠裼腥薣4]。

2.4 電機(jī)控制

考慮到風(fēng)扇要具有較寬的調(diào)速范圍，并且單片機(jī)輸出的都是電平信號(hào)，所以本設(shè)計(jì)中采取直流無(wú)刷電機(jī)，既能滿足良好的調(diào)速性能，又能配合風(fēng)扇所具備的智能化的功能。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)極調(diào)速設(shè)計(jì)

在風(fēng)扇手動(dòng)工作模式下，采用A/D[2]轉(zhuǎn)換的方法，利用旋鈕可將0～5V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為0～99的數(shù)字信息，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字賦值給PWM輸出模塊，便可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)速按鈕，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的無(wú)極調(diào)速。

3.2 溫度讀取程序

溫度的準(zhǔn)確讀取是按照DS18B20芯片的工作原理來(lái)進(jìn)行的，在經(jīng)過(guò)初始化、跳過(guò)ROM等一系列指令，開(kāi)啟溫度轉(zhuǎn)換。待溫度轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行讀取暫存器的內(nèi)容，直到讀取到第9字節(jié)結(jié)束。

3.3 超聲波測(cè)距程序

超聲波測(cè)距是通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)的。單片機(jī)內(nèi)部有2個(gè)電路分別控制著超聲波的發(fā)射和接收模塊。當(dāng)接收模塊接收到由發(fā)射模塊發(fā)射的超聲波時(shí)，期間所用的時(shí)間就是波在空氣中傳播所用的時(shí)間，利用數(shù)學(xué)公式，可以計(jì)算出人與風(fēng)扇的距離。為便于功能更好的實(shí)現(xiàn)，需對(duì)距離作如下的處理，如圖2。

3.4 人體紅外感應(yīng)程序

由于HC-SR501傳感器的檢測(cè)引腳與單片機(jī)的P24引腳相連，所以在程序中需要對(duì)P24進(jìn)行監(jiān)測(cè)。接下來(lái)通過(guò)定時(shí)器程序，每隔固定時(shí)間段對(duì)P24引腳電平進(jìn)行數(shù)值判斷，實(shí)現(xiàn)人來(lái)即開(kāi)、人走即關(guān)的功能。

3.5 PWM調(diào)速設(shè)計(jì)

PWM智能調(diào)速的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。在智能工作模式下，PWM占空比是由周?chē)h(huán)境溫度和人與風(fēng)扇的距離共同決定的。將單片機(jī)的P34引腳作為PWM信號(hào)的輸出引腳。最終將PWM輸出信號(hào)[5]連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上，這里選用的是AQMH3615NS直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。在程序中，編寫(xiě)函數(shù)關(guān)系式PWM=f（t，d）[1]，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)速。具體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3。

4 實(shí)物仿真

完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)后，就是最后的實(shí)物仿真階段。主要由電機(jī)、單片機(jī)開(kāi)發(fā)板、扇葉、各個(gè)傳感器制作成簡(jiǎn)易的智能風(fēng)扇實(shí)物。各部分連接無(wú)誤后，插上電源，將程序下載到單片機(jī)中，通過(guò)按鍵控制，觀察風(fēng)扇的工作情況如圖4。

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)物仿真，智能風(fēng)扇基本實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的所有功能。比如在智能工作模式下，可實(shí)現(xiàn)人來(lái)即開(kāi)、人走即關(guān)的功能，不僅節(jié)能，還更具人性化。并且風(fēng)扇風(fēng)速可隨著環(huán)境溫度的上升而變大，下降而變小，溫度低于設(shè)定值時(shí)，風(fēng)扇自動(dòng)停轉(zhuǎn)。雖然越來(lái)越多的人購(gòu)買(mǎi)空調(diào)，但這并不會(huì)使風(fēng)扇消亡，由于風(fēng)扇具有價(jià)格低廉、種類(lèi)繁多等優(yōu)點(diǎn)，加之智能風(fēng)扇的興起，所以風(fēng)扇仍然具有不可替代的地位，智能風(fēng)扇在將來(lái)智能家居的發(fā)展道路上必將扮演著重要的角色。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙昌方，蔣元稹.智能風(fēng)扇調(diào)速器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技，2017，28（2）：283-284.

[2] 劉訓(xùn)非，陳希，張宇峰，王棟.單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[3] 高媛，陳乾，張?jiān)剑愃歼h(yuǎn).集照明供暖、風(fēng)扇、心理效應(yīng)于一體的智能教室系統(tǒng)[J].智能建筑電氣技術(shù)，2018，12（4）：87-90.

[4] 張雪俠，商瑩，張金博.基于單片機(jī)和藍(lán)牙技術(shù)的智能遙控風(fēng)扇的設(shè)計(jì)和研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2017，20（5）：53-56.

[5] 鄭安豫.基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].商丘師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，34（3）：33-35.

Intelligent fan Design Based on Single chip Microcomputer

YANG Yu-guo，ZHOU Jun，QIAN Yi-run

（Jiangsu University of Science And Technology， School of Electronic Information，Zhenjiang jiangsu? 212003）

Abstract：As an indispensable tool in People's Daily life， fan is developing towards the direction of intelligence， energy-saving and humanization.This paper introduces a kind of intelligent fan design， which takes IAP15F2K60S2 as the main control chip，supplemented by DS18B20 temperature sensor， combined with CX20106A chip for ultrasonic processing and hc-sr501 infrared sensor.The intelligent fan is designed in two modes， which can realize stepless speed regulation in manual mode and real-time speed regulation through temperature and distance in intelligent mode.The designed intelligent fan has perfect function and broad market prospect.

Key words：intelligent fan;single chip microcomputer;sensor;dual mode