李曉赫，郭慶強

(1.北京交通大學交通運輸學院，北京 100044；2.山東大學控制科學與工程學院， 山東 濟南 250061)

0 引言

隨著科學技術的創(chuàng)新和人民消費需求的提高，風扇正逐漸被空調取代。但是風扇因其自身的便攜性及較低的價格，在可預見的未來，尚有存在的價值。針對傳統(tǒng)風扇轉速單一、無法實現(xiàn)人體感知及自動啟停的問題，設計了一套完善的智能自控系統(tǒng)，以改善傳統(tǒng)風扇的這些不足。

1 系統(tǒng)設計方案

智能風扇控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of the system

智能風扇自控系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為系統(tǒng)馬達微控制單元(microcontroller unit,MCU)，通過單總線溫度傳感器DS18B20采集實時溫度值。根據(jù)周邊環(huán)境溫度的變化，風扇轉速檔位可通過PWM占空比自動調節(jié)[1-2]，并且風扇轉速檔位和環(huán)境溫度室正相關。通過按鍵可設不同檔位對應的溫度閾值。系統(tǒng)將對用戶設定值進行EEPROM存儲。此外，該系統(tǒng)還采用紅外傳感器進行人體感知，并可根據(jù)感知信號自動啟停。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件包括單片機最小系統(tǒng)(包括單片機、復位電路、晶振時鐘電路以及電源)、人體感知單元、測溫單元、LCD單元、EEPROM存儲器、電風扇驅動單元、獨立按鍵等。系統(tǒng)采用型號為24C02的外部ROM存儲器完成上下限溫度設定值的斷電保存。

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)以STC89C52為核心，并由復位、晶振和電源這三部分電路共同構成，其具體設計如圖2所示。系統(tǒng)采用“按鍵設計，手動復位”的模式進行復位操作，復位電阻R=10 kΩ，外部時鐘源晶振的震蕩頻率f=12 MHz，且震蕩電容C2=C3=20 pF，整個系統(tǒng)電源為5 V[3]。

圖2 單片機最小系統(tǒng)Fig.2 Minimum system of singlechip

2.2 人體感知單元

人體感應單元的核心器件由紅外傳感器和集成芯片BISS0001共同構成。本設計所選用的熱釋電型紅外傳感器(passive infra red,PIR)具有響應靈敏、檢測精度高的特點，應用廣泛。該器件可通過感知獲得人體紅外信號，將其轉換成電壓信號輸入單片機，以控制相應的外圍器件。在無人或人體無位移的狀態(tài)下，傳感器兩電極所帶電荷正負平衡，所以器件無電壓輸出。當人體發(fā)生位移時，器件兩極電荷受人體紅外影響，導致電荷平衡被破壞，從而產生電流，進而產生輸出電壓[4-6]。

紅外傳感器因其自身特性，只能檢測移動人體。人體紅外輻射經傳感器頭部的菲涅爾透鏡進入器件內部，然后進行檢測變換，最終轉換為電壓信號，并將人體感知信號輸入單片機。其工作原理及結構如圖3所示。

圖3 紅外傳感器工作原理及結構示意圖Fig.3 Operational principle and structure of infrared sensor

紅外信號處理單元是一款應用廣泛的數(shù)模混合專用集成電路，集成芯片BISS0001由運放、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延時器件及鎖存器等多個模塊組成。該芯片通過外接紅外傳感器和相關電路，可完成人體紅外信號的感知處理。

2.3 采溫電路

采溫功能可由熱敏電阻或者DS18B20數(shù)字溫度傳感器完成。如果選用熱敏電阻作為采溫器件，則需設計相應的運放電路并進行溫度信號的A/D轉換，設計繁瑣且溫度感知靈敏度低，檢測誤差較大。如果選用DS18B20作為采溫器件，可在-55～+125℃的范圍內進行溫度檢測，采溫范圍寬，且器件內部可自動完成溫度量由模擬信號向數(shù)字信號的轉換，直接以數(shù)字信號的形式輸出，大大簡化了外圍電路的相關設計。DS18B20傳感器為單總線通信器件，內含64位ROM。單片機的單端口可同時掛接多個DS18B20，進行多路測溫。此外，該類器件還具有檢測精度高、靈敏性好等諸多優(yōu)點[7-10]，適用于風扇控制系統(tǒng)。因此，經綜合比較，系統(tǒng)最終采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度傳感器系統(tǒng)的主要元件。

2.4 LCD1602液晶顯示系統(tǒng)

本設計采用的LCD1602液晶顯示器可進行雙行顯示，每行可以顯示16列字符(包括簡單漢字、數(shù)字、字母、符號等)，具有功耗低、對比度可調、耐用、易操作等特點。屏顯對比度可由滑動變阻器進行相應的調節(jié)。

2.5 風扇驅動電路

電機調速是風扇驅動電路設計的關鍵。MOC3041M是電機調速的核心器件：其本質是一種特殊的光電耦合器。MOC3041M具有過零雙向可控特性，其工作原理是:當有相應信號觸發(fā)時，MCU的對應輸出引腳電平置1，由反相器進行處理，進而輸出一個反相信號，從而使MOC3041M導通，控制外圍電路工作。負載功率計算公式如式(1)所示：

(1)

式中:n為MOC3041M導通的正弦波數(shù)量;N為相同時間內交流正弦波數(shù)量;U為一個工作周期的等效電壓;I為一個工作周期的等效電流。

由式(1)可知，在等效電壓、等效電流和交流正弦波數(shù)量固定不變時，功率只與n成正比。因此，調節(jié)n就可改變風扇轉速。

2.6 獨立按鍵電路

為實現(xiàn)溫度上下限的范圍可調，采用按鍵來輸入信號，系統(tǒng)設有功能不相同的4個按鍵。獨立按鍵電路如圖4所示。初次按下S2鍵，可設溫度閾值上限；再次按下S2鍵，可設溫度閾值下限；第三次按下S2鍵，設置結束。S3、S4兩鍵設置具體溫度閾值，S3具有閾值加1功能，S4具有閾值減1功能。加值鍵S3按下一次增加1℃，按住不放3 s后,每秒增加1℃；減值鍵S4按下一次減少1℃，按住不放3 s后，每秒減少1 ℃。S5的作用是調節(jié)散熱電風扇的轉速。對于各個按鍵的數(shù)據(jù)，采用按鍵引腳輪循掃描的形式進行讀取。

圖4 獨立按鈕電路圖Fig.4 The circuit of independent buttons

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計語言選用C語言。依據(jù)不同功能，可整體劃分為信號接收、邏輯處理和輸出驅動3個功能模塊。其中，信號接收程序負責接收各傳感器的數(shù)據(jù)采集以及按鍵的二值信號；邏輯處理程序負責依照傳感器采集的信息進行相應的邏輯判斷操作，并調用相應的輸出驅動；輸出驅動程序負責外圍電路的具體驅動。

3.1 風扇自控系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)開機后，程序初始化，DS18B20進行實時溫度檢測并將所檢測到的數(shù)字量數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU。當人體探測模塊檢測到人體紅外線時，控制器進行邏輯判斷，以辨別所測溫度在按鍵設置溫度閾值的哪個區(qū)間，進而控制相應輸出端口的脈沖信號占空比，調節(jié)風扇轉速。如果半分鐘內沒有感知到人體信號，風扇則停轉。當外部采溫低于預設閾值下限時，則控制風扇停轉；當外部采溫處于預設閾值內時，則控制風扇以適中的速度轉動；當外部采溫高于預設閾值上限時，則控制風扇高速運轉。同時，系統(tǒng)通過延時程序，將采集的環(huán)境溫度、溫度上下限值、電機轉速檔位、是否檢測到人體紅外線等信息每間隔一定時間顯示在LCD1602液晶顯示屏上，并根據(jù)環(huán)境溫度及時調整風扇運行狀態(tài)。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program

3.2 采溫單元

選用DS18B20作為采溫單元核心測溫器件。該器件進行采溫時，首先上電進行初始化，然后控制器向該器件發(fā)送溫度讀命令。該器件接收讀命令后，向控制器返回一個當前溫度值，控制器接收該返回值并寫入對應緩存區(qū)，以供控制器進行后續(xù)邏輯處理。如一個控制器端口只掛接一個DS18B20，則無需下發(fā)該采溫器件的64位ID；否則，需下發(fā)對應當前器件的ID號。

4 結束語

基于STC89C52單片機的智能電風扇控制系統(tǒng)具有探測人體紅外線的功能，能在無人環(huán)境下自動關停風扇。該智能風扇自控系統(tǒng)還具有溫度自檢功能，可根據(jù)所采溫度進行相應的邏輯判斷，從而對風扇進行不同檔位的自動調速。該系統(tǒng)通過對風扇系統(tǒng)傳統(tǒng)模式進行改良，具備了溫度自檢和人體感知功能。其智控啟停功能避免了傳統(tǒng)模式下的繁瑣操作，提升了用戶體驗和操作友好度。與普通級別空調相比，本文所設計的智能風扇控制系統(tǒng)具有價低、便攜、智能自控、節(jié)能等諸多優(yōu)點。因此，該產品具有一定的現(xiàn)實意義和較好的應用前景。

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