王炳庭 鄧圣

[摘? ? ? ? ? ?要]? 設(shè)計(jì)了一種以STC89C52單片機(jī)為控制核心的智能風(fēng)扇系統(tǒng)，在普通風(fēng)扇的基礎(chǔ)上增加空氣溫度和濕度檢測功能，解決在不同環(huán)境中，風(fēng)扇對室內(nèi)溫度、濕度的自適應(yīng)調(diào)節(jié);重點(diǎn)介紹了L298N對直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、DS18B20對溫度檢測的方法、DHT11對濕度的檢測方法、HC-SR501對人體的檢測方法以及加濕器的智能控制。該風(fēng)扇系統(tǒng)已進(jìn)行實(shí)物制作和測試，可實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度和濕度的調(diào)節(jié)及風(fēng)速的自適應(yīng)控制，具有節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 溫度檢測;濕度檢測;環(huán)保;任務(wù)驅(qū)動(dòng)式

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）28-0001-03

一、引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，各種家用電器不僅在功能、款式等方面日趨完善和美觀，而且逐步朝著健康、節(jié)能和環(huán)保等方向發(fā)展。風(fēng)扇是人們炎炎夏日降溫防暑的必要設(shè)備，現(xiàn)有的風(fēng)扇多半是采用全硬件電路控制，電路復(fù)雜、功能單一[1]。

據(jù)調(diào)研顯示，風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多都針對某一功能進(jìn)行研究，并沒有對現(xiàn)有的這些功能進(jìn)行綜合。例如，在文章[2，3]中針對濕度和溫度進(jìn)行了比較深度的研究，并沒有指出對濕度數(shù)據(jù)的利用，而本設(shè)計(jì)中對檢測的濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，來決定加濕器是否工作;在文章[4]中通過風(fēng)扇的風(fēng)速和濕簾降溫，但是這種濕簾降溫的效果并不理想，本設(shè)計(jì)加濕器采用霧化板高頻率震動(dòng)，同時(shí)在加濕器中加入各種香薰和精華液，在降溫的同時(shí)凈化室內(nèi)的空氣質(zhì)量。

炎炎夏日，人們對所處環(huán)境的舒適程度要求越來越高，然而現(xiàn)有的風(fēng)扇只能解決人們對風(fēng)速的要求，無法在一定程度上調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣濕度[5，6]，且不具有改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的功能，無法滿足人們在炎炎夏日對所處環(huán)境舒適度的需求。本文通過對風(fēng)扇的功能進(jìn)行創(chuàng)新和改善，使其具有改善室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，使人們所處環(huán)境更加適宜和環(huán)保。

本設(shè)計(jì)對現(xiàn)有風(fēng)扇的不足進(jìn)行了改進(jìn)，使用STC89C52作為主控芯片，對傳感器所采集到的室內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[7]，來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的風(fēng)速及加濕器的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度濕度自適應(yīng)調(diào)節(jié);同時(shí)，加濕器中的液體可以添加空氣清新成份或驅(qū)蚊成份，可以改善夏季空氣環(huán)境質(zhì)量，進(jìn)而達(dá)到凈化室內(nèi)空氣及驅(qū)蚊效果。

二、智能風(fēng)扇系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能風(fēng)扇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主控模塊（STC89C52）、溫濕度檢測模塊、人體紅外感應(yīng)模塊（HC-SR501）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（L298）、液晶顯示模塊（LCD1602）、紅外接收模塊（HS3088）、繼電器和加濕器等模塊構(gòu)成。其中溫濕度檢測模塊、人體紅外檢測模塊、紅外接收模塊和繼電器模塊為輸入模塊，單片機(jī)將各個(gè)輸入模塊采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列運(yùn)算后，發(fā)送給各個(gè)輸出模塊（電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、液晶顯示模塊和加濕器為輸出模塊），并進(jìn)行一定的智能控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)扇的功能。

（一）人體紅外探測儀模塊

本模塊的重難點(diǎn)在于風(fēng)扇對扇區(qū)內(nèi)人體的感知能力，進(jìn)而控制風(fēng)扇的工作狀態(tài)（啟動(dòng)或關(guān)閉）。如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用HC-SR501作為檢測模塊，它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個(gè)表面做成電極，是利用熱釋電效應(yīng)原理制成的一種傳感器，可以迅速地檢測到運(yùn)動(dòng)的人體所發(fā)出的紅外線。感應(yīng)范圍：小于100度錐角2米之內(nèi)（加入菲涅爾透鏡之后，檢測距離7米之內(nèi)）。工作方式：當(dāng)有人進(jìn)入其扇形感應(yīng)區(qū)域，它就會(huì)輸出一個(gè)高電平，并一直保持這個(gè)狀態(tài)（0.5～30秒），若檢測沒有人之后，它的輸出變?yōu)榈碗娖健Ｖ骺匦酒ㄟ^紅外檢測模塊輸出的高低電平判斷扇區(qū)內(nèi)是否有人，并通過溫度、濕度條件決定是否啟動(dòng)風(fēng)扇。

（二）溫度傳感器模塊

如圖3所示，該模塊采用DS1820數(shù)字溫度感測元件，該傳感器的測溫范圍為-55℃～+125℃，測溫分辨率為0.5℃，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量串行方式傳送。該傳感器反應(yīng)速度敏捷、占用主控芯片的端口少、節(jié)省大量的引線和邏輯電路。

在系統(tǒng)中DS1820的DQ端是與STC89C52芯片的P3^0端連接，溫度信息經(jīng)單總線接口送入STC89C52中，并將處理過后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在1602LCD上顯示，主控芯片根據(jù)實(shí)時(shí)溫度調(diào)控風(fēng)扇的風(fēng)速。

（三）濕度傳感器模塊

如圖4所示，該模塊采用DHT11濕度傳感器，當(dāng)DHT11濕度傳感器接收到主控芯片發(fā)出的開始的信號后，將觸發(fā)一次濕度采集操作，如果沒有接收到開始信號，DHT11傳感器將不會(huì)自主進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集。其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，將轉(zhuǎn)換到低速模式，然后將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送至主控芯片進(jìn)行處理。從發(fā)送開始信號到讀取數(shù)據(jù)僅要4ms左右，處理速度較快，占用資源較少。

主控芯片將得到的8bit濕度的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送至LCD1602上進(jìn)行顯示。主控芯片同時(shí)也會(huì)根據(jù)濕度數(shù)值，控制加濕器的工作狀態(tài)（工作或暫停），進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的要求。同時(shí)，加濕器中的液體可以添加空氣清新成份或驅(qū)蚊成份，可以改善夏季空氣舒適度，進(jìn)而達(dá)到凈化室內(nèi)空氣及驅(qū)蚊效果。

（四）電機(jī)調(diào)速模塊

如圖5所示，該模塊利用L298模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，同時(shí)MCU產(chǎn)生PWM（Pulse Width Moudulation）來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的速度控制，由于STC89C52沒有專門產(chǎn)生PWM的模塊，本設(shè)計(jì)采用STC89C52中的定時(shí)器1：首先給向TH1和TL1兩個(gè)寄存器中寫入要定時(shí)的數(shù)據(jù)（假設(shè)定時(shí)5000μs，即5000=（216-X）*12/11.0592，求得X=60925，轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制之后為0XEE00，其中0XEE裝入TH1，0X00裝入TL1），啟用定時(shí)器后，定時(shí)器中的數(shù)據(jù)開始增加，當(dāng)TH1和TL1中的數(shù)據(jù)達(dá)到0XFF之后，TF1置“1”，向MCU發(fā)送請求中斷，這時(shí)對產(chǎn)生PWM的I/O取反，反復(fù)地這樣取反，就可以產(chǎn)生不同的PWM波。

本設(shè)計(jì)中采用STC89C52中定時(shí)器1產(chǎn)生4種不同的PWM波，根據(jù)實(shí)時(shí)的溫度，主控芯片將設(shè)定的PWM波輸出給L298的ENA端，以達(dá)到改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)智能降溫。這種方式簡單有效、可靠性高。

（五）接收模塊

遙控的接收模塊電路如圖6所示，接收模塊中采用HS0038一體化紅外接收頭，該接收頭接收紅外信號頻率為38kHz，周期約26μs。

本設(shè)計(jì)中IRD端與主控芯片的P3^3（中斷INTI）相接，當(dāng)主控芯片接收到HS0038輸出的高電平時(shí)，主控芯片將產(chǎn)生中斷，接收來自遙控端的按鍵信息，同時(shí)根據(jù)按鍵信息調(diào)控風(fēng)扇的模式以及風(fēng)速。

遙控器利用NEC協(xié)議，NEC協(xié)議是一種簡單的遙控的基帶協(xié)議。NEC的數(shù)據(jù)格式包括了引導(dǎo)碼、用戶碼、用戶碼（或者用戶碼反碼）、按鍵鍵碼和按鍵反碼。將信號加載到38K載波上主要用于用戶選擇模式和風(fēng)扇檔位的選擇。

（六）顯示模塊

如圖7所示，該模塊采用由長沙太陽人電子有限公司生產(chǎn)的字符型LCD液晶顯示模塊。該模塊4～5端口連接P1^0和P1^1，用來向LCD發(fā)送讀寫命令;7～14接在主控的P0口，用來寫入數(shù)據(jù)的。

主控芯片將收集的溫度、濕度、風(fēng)扇模式、風(fēng)扇開關(guān)、風(fēng)扇風(fēng)速狀態(tài)等數(shù)據(jù)在LCD上顯示。該模塊顯示質(zhì)量高、功耗低、體積小、重量輕。

三、結(jié)語

本設(shè)計(jì)是一次任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)實(shí)踐，文中設(shè)計(jì)了一種以STC89C52單片機(jī)為控制核心的環(huán)保型智能風(fēng)扇，并對各個(gè)模塊的電路原理及其功能進(jìn)行詳細(xì)的介紹，將風(fēng)扇的功能進(jìn)行改善，使其具有改善室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量，使人們所處環(huán)境更加適宜和環(huán)保。通過智能風(fēng)扇實(shí)物的制作及測試實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度和濕度的調(diào)節(jié)及風(fēng)速的自適應(yīng)控制，具有節(jié)能和環(huán)保等特點(diǎn)。

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◎編輯 張 慧