智能溫控電風(fēng)扇的設(shè)計

付三麗　王鵬運(yùn)　黃恒一　王英輝　高媛

摘 要：鑒于傳統(tǒng)風(fēng)扇檔位控制存在的低自動化的問題，文中提出一種智能溫控電風(fēng)扇。該智能溫控電風(fēng)扇以51單片機(jī)為主控，溫度傳感器實時采集環(huán)境溫度，液晶屏顯示溫度，人體熱釋電傳感器感應(yīng)人體，電風(fēng)扇感應(yīng)到人體后，會根據(jù)當(dāng)前的溫度自動控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，開啟相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。實驗表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：智能溫控;電風(fēng)扇;溫度采集;人體感應(yīng);液晶屏;傳感器

中圖分類號：TP242;TN219文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-0-04

0 引 言

傳統(tǒng)的機(jī)械風(fēng)扇[1]是人工手動控制，因價格便宜，很多家庭都在使用。普通風(fēng)扇款式多樣，有落地扇，壁扇及搖頭風(fēng)扇等，現(xiàn)在主流的是搖頭風(fēng)扇。普通的溫控風(fēng)扇[2-4]可以自動檢測室內(nèi)溫度，根據(jù)室內(nèi)溫度的變化控制風(fēng)扇的開啟或關(guān)閉。當(dāng)溫度過高，系統(tǒng)啟動風(fēng)扇吹風(fēng);當(dāng)溫度過低，立即關(guān)閉風(fēng)扇。這種風(fēng)扇適合在晝夜溫差大的環(huán)境使用，而當(dāng)室內(nèi)沒有人的情況下，系統(tǒng)依然工作，不節(jié)能。

本設(shè)計提出利用溫度傳感器采集當(dāng)前環(huán)境的溫度值，并將采集的溫度參數(shù)顯示在人機(jī)交互顯示界面，同時利用人體傳感器感應(yīng)當(dāng)前環(huán)境中是否有人。若感應(yīng)到人體，會根據(jù)當(dāng)前的溫度及設(shè)定溫度的上下限范圍自動判斷是否需要打開風(fēng)扇，及自動控制為合適的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。即本設(shè)計的風(fēng)扇能根據(jù)環(huán)境溫度的高低，自動控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動速度，同時具有自動識別是否有人的功能，節(jié)約用電，具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。

1 系統(tǒng)總方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度傳感器、人體檢測傳感器、顯示器、設(shè)置按鍵、紅外接收器、風(fēng)扇等組成。

系統(tǒng)以AT89C51為控制核心，DS18B20溫度傳感器采集當(dāng)前的溫度參數(shù)，然后把采集的數(shù)值傳給微處理器，同時通過處理器輸出到LCD顯示;利用HC-SR501人體紅外熱釋電傳感器感應(yīng)人體，利用按鍵設(shè)置溫度控制的上限值和下限值。

當(dāng)HC-SR501傳感器感應(yīng)到人體后，處理器會根據(jù)當(dāng)前采集的溫度參數(shù)和設(shè)置的溫度控制范圍值進(jìn)行比較。當(dāng)采集溫度高于上限值時，處理器將控制電風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動;而當(dāng)溫度低于設(shè)置的溫度下限值時，處理器將控制風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動;若在溫度控制范圍內(nèi)，風(fēng)扇將緩慢的轉(zhuǎn)動。

同樣用戶可以利用紅外遙控遠(yuǎn)程手動設(shè)置溫度的上、下限值，當(dāng)處理器通過紅外接收模塊接收到紅外遙控發(fā)出的控制指令后，便將指令進(jìn)行解析，并相應(yīng)的上調(diào)或下調(diào)當(dāng)前的溫度上、下限值范圍。

智能溫控電風(fēng)扇設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)總設(shè)計電路

本設(shè)計的智能溫控風(fēng)扇包含溫控、人體感應(yīng)、紅外接收、電源、獨(dú)立按鍵、風(fēng)扇驅(qū)動接口、LCD顯示以及單片機(jī)主控制等電路模塊，總設(shè)計電路如圖2所示。

2.1 溫度采集模塊設(shè)計

溫度傳感器是該器件表面能感受到溫度，并將其轉(zhuǎn)換為所需的可用信號輸出的一種元器件。本系統(tǒng)選用數(shù)字型的溫度傳感器DS18B20完成當(dāng)前環(huán)境的溫度采集，這類溫度傳感器具有體積小，測量精度高，不受干擾，性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢[5-6]。而且，DS18B20溫度傳感器的封裝具有多樣化，可以專業(yè)量身定制設(shè)計，適用不同場合的使用需求，因此該傳感器與單片機(jī)控制系統(tǒng)方便連接，無需外部元件的配套使用。僅通過一條總線便能實現(xiàn)該器件與處理器的通信，且該傳感器還具有多點(diǎn)組網(wǎng)功能。

溫度傳感器電路設(shè)計如圖3所示。DS18B20為單總線的溫度傳感器，該模塊只有3個控制引腳：地（GND）、單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳（DATA）和可選的電源引腳（VCC）。DS18B20傳感器的工作電壓為3.3～5.5 V之間，因此該模塊的VCC引腳直接接到系統(tǒng)的+5 V電源端即可;模塊的GND引腳接地;單線運(yùn)用的數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，即DATA引腳選擇連接到處理器的P1.5引腳。傳感器采集當(dāng)前環(huán)境溫度，單片機(jī)通過I/O口的P1.5引腳讀取當(dāng)前采集到的具體溫度數(shù)據(jù)。

目前，微機(jī)和外設(shè)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇锌偩€常用的有I2C總線、SPI總線等。其中，I2C總線采用同步串行兩線（一根時鐘線、一根數(shù)據(jù)線）方式，而SPI總線采用同步串行三線（時鐘線、輸入線、數(shù)據(jù)輸出線）方式。當(dāng)然如果在讀取溫度數(shù)據(jù)的過程中出現(xiàn)讀取不穩(wěn)定的現(xiàn)象，可以在該數(shù)據(jù)通信引腳上，加上一個適當(dāng)?shù)纳侠娮杼岣邷囟葏?shù)傳輸?shù)姆€(wěn)定。

2.2 人體感應(yīng)模塊設(shè)計

本次使用的人體熱釋電傳感器為HC-SR501，全自動感應(yīng)，當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平[7-8]。HC-SR501模塊是根據(jù)菲涅爾原理制作而成，不但能產(chǎn)生聚焦的功能，同時還能讓該模塊對人體檢測的靈敏度大大增強(qiáng)，使器件對人體產(chǎn)生的大約10 μm的紅外輻射非常的敏感。為了加強(qiáng)檢測的穩(wěn)定性能，在傳感器的探測頭上加了一層保護(hù)罩（菲涅爾濾光片），減少傳感器來自外部的干擾。HC-SR501的2號引腳OUT信號輸出接單片機(jī)的P1.3引腳，人體紅外傳感器的電路設(shè)如圖4所示。

2.3 紅外無線通信模塊設(shè)計

本設(shè)計的遠(yuǎn)程遙控接收電路選用HS-021紅外遙控器配合和紅外接收探頭HS0038[9-10]實現(xiàn)溫度上下限值的遠(yuǎn)程遙控設(shè)置。紅外遙控接收模塊的電路設(shè)計如圖5所示。

紅外接收探頭HS0038共有3個控制端口，模塊的電源控制端口分別接到+5 V電源和地，解調(diào)信號輸出端接處理器的P3.2引腳。當(dāng)HS-021紅外遙控器按下發(fā)射板上的“+”和“-”按鈕時，HS-021通過二進(jìn)制脈沖方式發(fā)送當(dāng)前的“+”和“-”的信號指令。該遙控器為了保障信息的發(fā)送免受外界其它因素的干擾，在遙控器發(fā)送指令信息時，先把要發(fā)送的信息載波進(jìn)行調(diào)制，然后再發(fā)送給紅外接收探頭HS0038。HS0038接收到指令信息，經(jīng)過模塊內(nèi)部的調(diào)節(jié)和放大后輸出給處理器STC89C51，處理器通過P3.2引腳控制I/O口讀取發(fā)送過來的指令信息，對接收的指令進(jìn)行解析后，便根據(jù)當(dāng)前的指令設(shè)置當(dāng)前的溫度上限值和下限值。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)計流程

基于單片機(jī)的智能溫控電風(fēng)扇的軟件主要包括溫度信息采集、硬件驅(qū)動，顯示等部分。程序中將采取分塊編程的思想，先將各個模塊編寫調(diào)試，最后進(jìn)行整機(jī)連調(diào)。本系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示，先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后從傳感器中讀取溫度參數(shù)并顯示，并判斷是否感應(yīng)到人。如果感應(yīng)到人，則繼續(xù)判斷當(dāng)前的溫度是否大于上限值，若大于上線值，則風(fēng)扇快速的轉(zhuǎn)動;如果溫度在上下限范圍之間則風(fēng)扇慢速的轉(zhuǎn)動，要是在溫度低于下限值，則停止電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。

3.2 溫度采集軟件設(shè)計方案

本系統(tǒng)實時采集溫度值，然后根據(jù)當(dāng)前的溫度反饋控制電風(fēng)扇來進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，所以先要通過溫度傳感器采集溫度值。通過Get18B20Temp（）函數(shù)并利用單總線的通信時序完成從溫度傳感器中獲取溫度，單片機(jī)先從總線發(fā)送傳感器復(fù)位信號，如果傳感器復(fù)位完成之后就發(fā)返回0，如果復(fù)位沒有完成則返回為1。當(dāng)復(fù)位完成之后，再通過總線利用寫字節(jié)函數(shù)發(fā)送跳過ROM操作以及讀命令;命令發(fā)送完畢之后，傳感器接收到命令會有相應(yīng)的反應(yīng);然后通過讀取數(shù)據(jù)函數(shù)分別讀取8位低字節(jié)數(shù)據(jù)和8位高字節(jié)數(shù)據(jù)，并把兩個數(shù)據(jù)合成一個16位的數(shù)據(jù);接著把這16位數(shù)據(jù)分離出溫度的整數(shù)部分和小數(shù)部分。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計由單片機(jī)、溫度傳感器、人體檢測傳感器、液晶顯示器、按鍵、紅外接收器和風(fēng)扇等元器件組成。實物調(diào)試圖如圖7所示。

圖7（a）中：LCD第一行顯示“30 temp：27.2 ℃Y”，其中“30”表示30 s開始倒計時，“temp：27.0 ℃”表示實時溫度為27.2 ℃，“Y”表示檢測感應(yīng)到有人時;第二行“H：25.0 ℃L：20.0 ℃”表示溫度控制的上限值為25 ℃，下限為20 ℃;此時檢測的當(dāng)前溫度為“temp：27.2 ℃”，即大于溫度控制的上限值25 ℃，則電風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動。

圖7（b）中：LCD第一行顯示“30 temp：27.3 ℃Y”，其中“30”表示30 s開始倒計時，“temp：27.0 ℃”表示實時溫度為27.3 ℃，“Y”表示檢測感應(yīng)到有人時;第二行

“H：25.0 ℃L：20.0 ℃”表示溫度控制的上限值為25 ℃，下限為20 ℃;此時檢測的當(dāng)前溫度為27.3低于溫度下限，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

5 結(jié) 語

本文利用單片機(jī)為控制核心，使用溫度傳感器采集環(huán)境溫度，人體熱釋電傳感器檢測人體，液晶屏顯示溫度參數(shù)，按鍵和紅外遙控器設(shè)置溫度的上、下限。當(dāng)采集溫度值高于上限，且電風(fēng)扇感應(yīng)到人體后，電風(fēng)扇將自動打開，并開啟30 s計時，當(dāng)30 s結(jié)束后，如果沒有再次感應(yīng)到人體，將自動停止電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。文中對系統(tǒng)軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)過程做了詳細(xì)介紹，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。但本設(shè)計的溫控風(fēng)扇只是一個5 V供電的小風(fēng)扇，不能實際使用，所以以后的設(shè)計過程中應(yīng)該從實用出發(fā)，設(shè)計220 V供電的風(fēng)扇達(dá)到更實用的效果。

注：本文通訊作者為付三麗。

參 考 文 獻(xiàn)

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