劉淑影 晁 妍 李佩君 劉天琪

（阜陽(yáng)師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 安徽阜陽(yáng) 236037）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，在炎熱的夏季，各種各樣的降溫設(shè)備進(jìn)入我們的生活。其中風(fēng)扇以其價(jià)格低、方便攜帶、安裝簡(jiǎn)單和耗電量低的優(yōu)點(diǎn)，成為大家首選的祛暑工具。但目前電風(fēng)扇大部分都是手動(dòng)操作，對(duì)于溫度較為穩(wěn)定的時(shí)候，傳統(tǒng)電風(fēng)扇的缺點(diǎn)還不是很明顯[1]。但是，當(dāng)進(jìn)入溫度變化較為迅速的深夜，缺點(diǎn)就更加突出，具體如下：（1）只能采用手動(dòng)操作來(lái)改變檔位，無(wú)法根據(jù)溫度的高低自動(dòng)改變風(fēng)速；（1）目前大多數(shù)風(fēng)扇只有選檔、定時(shí)和搖頭這三種功能；（3）安全問(wèn)題，高檔風(fēng)速與低擋風(fēng)速之間變化較大，在進(jìn)行檔位切換的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生火花；（4）只能顯示檔位，無(wú)法顯示環(huán)境溫度。（5）無(wú)人體檢測(cè)功能。如果人離開(kāi)時(shí)忘記關(guān)風(fēng)扇，傳統(tǒng)電風(fēng)扇無(wú)法檢測(cè)人的離去而繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致浪費(fèi)電。因此為了解決以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種易操作、擴(kuò)展性強(qiáng)的自動(dòng)溫度控制風(fēng)扇。以單片機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和PWM技術(shù)，設(shè)計(jì)風(fēng)扇的控制系統(tǒng)，滿足人們對(duì)風(fēng)扇智能、方便和節(jié)能、環(huán)保的要求[2]。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)分為軟件和硬件兩大部分，為了實(shí)現(xiàn)溫度值采集、轉(zhuǎn)速計(jì)算、風(fēng)速自動(dòng)調(diào)節(jié)、紅外檢測(cè)、蜂鳴器報(bào)警等一系列新型功能，硬件部分則需由C51單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、按鍵控制、S300A-P熱釋電紅外傳感器、溫度傳感器、蜂鳴器報(bào)警、風(fēng)速自動(dòng)調(diào)控和電源等模塊組成。其系統(tǒng)總體控制框圖的設(shè)計(jì)如圖1所示。本文采用51單片機(jī)作為系統(tǒng)的主要控制器件、ds18b20進(jìn)行當(dāng)前環(huán)境溫度采集、LCD1286來(lái)顯示溫度、S300A-P采集人體信息，通過(guò)Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行編程，完成溫度采集、調(diào)控，以及通過(guò)LED和蜂鳴器來(lái)顯示當(dāng)前溫度和報(bào)警等功能。系統(tǒng)總體思路為：通過(guò)傳感器S300A-P來(lái)檢測(cè)風(fēng)扇前面是否人，如果檢測(cè)不到，則系統(tǒng)關(guān)閉；如果檢測(cè)到，進(jìn)行以下工作。通過(guò)ds18b20傳感器檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的溫度，將檢測(cè)值傳送給51單片機(jī)，經(jīng)過(guò)主控器的分析、處理，再通過(guò)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，進(jìn)而達(dá)到控制電風(fēng)扇速度的目的。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為智能風(fēng)扇的工作設(shè)置合適的溫度上限值和下限值，當(dāng)ds18b20采集到的溫度位于設(shè)定的最大值和最小值之間時(shí)，系統(tǒng)則根據(jù)當(dāng)前檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度值自動(dòng)切換到強(qiáng)、中、弱風(fēng)等對(duì)應(yīng)的檔位，并將PWM值和風(fēng)速值顯示在LCD12864顯示屏上；若采集的溫度值高于之前設(shè)置的上限值MAX時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴器，報(bào)警燈不斷閃爍，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)加快，驅(qū)動(dòng)電風(fēng)扇加快轉(zhuǎn)動(dòng)切換到強(qiáng)風(fēng)檔位，同時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的PWM值和風(fēng)速值；若溫度值小于設(shè)置的最小值MIN時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)停止，風(fēng)扇進(jìn)入睡眠模式。

圖1 總體框架圖

二、硬件主要模塊設(shè)計(jì)

（一）溫度采集模塊設(shè)計(jì)。DS18B20作為一款數(shù)字溫度傳感器，是以數(shù)字信號(hào)形式進(jìn)行輸出，具有檢測(cè)精度高，抗干擾強(qiáng)，成本低，體積小的優(yōu)點(diǎn)，因此本系統(tǒng)選取DS18B20來(lái)采集實(shí)時(shí)溫度值。其電路圖的設(shè)計(jì)如圖2所示。由圖2可以看出，DS18B20溫度傳感器的輸入和輸出I/O端口連接單片機(jī)各端口中的P2.4端口，DS18B20采集到的當(dāng)前溫度值可以通過(guò)51單片機(jī)的P2.5端口讀入并通過(guò)LCD顯示屏進(jìn)行顯示，然后通過(guò)主控器計(jì)算與該溫度對(duì)應(yīng)的檔位，進(jìn)行自動(dòng)換擋，調(diào)控風(fēng)速。圖中R3是溫度傳感器I/O的上拉電阻，其作用是當(dāng)從單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，上拉電阻將I/O重新拉回到高電平狀態(tài)[3]。

圖2 溫度傳感器工作原理

（二）直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。針對(duì)智能電風(fēng)扇的不同檔位風(fēng)速的實(shí)現(xiàn)，需要改變風(fēng)扇送風(fēng)的強(qiáng)弱，即必須改變帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)的電壓和電流，如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)中電機(jī)采用的是H橋驅(qū)動(dòng)電路控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖3所示，當(dāng)三極管Q1和三極管Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流從電源的正極經(jīng)三極管Q1由上至下、由左至右經(jīng)過(guò)電機(jī)到達(dá)三極管Q4，最終達(dá)到電源的負(fù)極。如圖所示的箭頭指向，表示該方向流動(dòng)的電流將驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)使其按照順時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。若三極管Q2和三極管Q3導(dǎo)通，電流的流向正好和上圖所示的方向相反從右邊向左邊經(jīng)過(guò)電機(jī)，該方向的電流將驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且是按逆時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

（三）S300A-P人體檢測(cè)模塊。S300A-P作為一款常用的熱釋電紅外傳感器，具有低成本、低功耗和精準(zhǔn)的靈敏度等特點(diǎn)。S300A-P通過(guò)IR感應(yīng)周?chē)t外線并將其轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，以此來(lái)采集人體數(shù)據(jù)。若能夠檢測(cè)到人體信號(hào)時(shí)，則S端輸出高電平，將將檢測(cè)的紅外輻射轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)輸出，然后對(duì)輸出的電壓進(jìn)行增強(qiáng)，便可驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)[4]；如果檢測(cè)不到人體信號(hào)，則S端輸出低電平，系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，電扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 熱釋電紅外傳感器模塊

圖5 蜂鳴器報(bào)警原理圖

（四）蜂鳴器報(bào)警模塊。設(shè)計(jì)蜂鳴器報(bào)警的電路圖如圖5所示。其中采用的是1kΩ 的電阻和S8550三極管，S8550是一款PNP型硅三極管，其具有電壓低、電流大和信號(hào)小的特點(diǎn)。S8550三級(jí)管的基極通過(guò)R5與單片機(jī)的輸入和輸出口連接。當(dāng)單片機(jī)的I/O端口輸出的是低電平時(shí)，則三級(jí)管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器啟動(dòng)工作開(kāi)始鳴叫；當(dāng)單片機(jī)的I/O端口輸出的是高電平時(shí)，三級(jí)管截止，蜂鳴器鳴叫結(jié)束[5-6]。

三、軟件模塊設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)主要完成電源復(fù)位、按鍵控制、溫度采集、計(jì)算機(jī)風(fēng)速、控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等功能。與相應(yīng)的硬件部分的功能設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)工作的主要程序設(shè)計(jì)如圖6所示。該系統(tǒng)供電后，首先通過(guò)對(duì)獨(dú)立按鍵的判斷，風(fēng)扇工作模式是手動(dòng)方式還是自動(dòng)方式。如果是自動(dòng)方式，則啟動(dòng)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)風(fēng)扇周?chē)欠裼腥?，若獲取不到信號(hào)風(fēng)扇則自動(dòng)關(guān)閉，有人則進(jìn)行溫度傳感器ds18b20進(jìn)行初始化，采集當(dāng)前溫度值。然后將檢測(cè)到的數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定的溫度最大值max和溫度最小值min進(jìn)行比較，若高于max值，電扇將調(diào)換到強(qiáng)風(fēng)檔；若低于min值，電扇系統(tǒng)關(guān)閉，不再工作；若介于兩者之間，風(fēng)扇自動(dòng)選擇合適的風(fēng)速進(jìn)行工作。

圖6 系統(tǒng)流程圖

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上給出的基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)的硬件和軟件部分的設(shè)計(jì)，最終完成對(duì)智能風(fēng)扇的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如下圖7所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該風(fēng)扇既可以通過(guò)手動(dòng)模式操作，也可以選擇自動(dòng)模式。當(dāng)在自動(dòng)工作模式下，通過(guò)S300A-P模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人，風(fēng)扇停止工作，有人，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地根據(jù)當(dāng)前溫度變化，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇啟動(dòng)工作、停止工作和自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)檔，分別為弱風(fēng)、中風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)，其下限值min設(shè)置為25℃，上限值max設(shè)置為33℃。如果用戶(hù)環(huán)境溫度低于25℃，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，防止夜間溫度過(guò)低繼續(xù)吹風(fēng)扇，導(dǎo)致人們感冒。若大于25℃而小于33℃時(shí)，系統(tǒng)選擇中風(fēng)檔吹風(fēng)；若大于33℃，系統(tǒng)選擇強(qiáng)風(fēng)檔吹強(qiáng)風(fēng)。在實(shí)現(xiàn)普通風(fēng)扇功能的同時(shí)，該風(fēng)扇還可以進(jìn)行智能根據(jù)溫控自動(dòng)調(diào)節(jié)速的，以及檢測(cè)是否人已離去忘記關(guān)風(fēng)扇，達(dá)到即方便又省電的目的。

圖7 智能風(fēng)扇模型機(jī)