席 豪，閻昌國，朱成銀，汪家晗，張鑫豹

（遵義師范學院工學院，貴州 遵義 563006）

近年來，隨著科學技術的快速發(fā)展與物質(zhì)生活水平的不斷提升，智能家居的理念正在逐步影響著人們的精神世界，使人們對美好的生活越來越向往，人們在忙于工作之后也希望自己的家居生活體驗更加的智能化、自動化與舒適化[1-4]。在炎熱的夏天，為改善家居生活環(huán)境溫度的舒適度，人們常需要借助一些電氣設備來實現(xiàn)降溫解暑，空調(diào)作為家居生活中常用的一種降溫解暑的電氣設備，目前雖已在很多的家庭中得到了普及和應用，但同時很多人也對其表現(xiàn)得并不是很適應，有的甚至還滋生出了“空調(diào)病”[5-7]。另外一種在家居生活中用于降溫解暑的電氣設備就是風扇，相對于空調(diào)來說，風扇存在費用較低、占地空間小、容易搬移等優(yōu)點，在較多精準扶貧的家庭受到了更為廣泛的歡迎[8-9]。但是，受經(jīng)濟收入的影響，較多的精準扶貧家庭仍采用的是傳統(tǒng)的人工調(diào)控風扇，極大降低了他們對家居生活的自動化與智能化的體驗。因此，設計出一款成本相對較低而功能又相對較多的智能溫控風扇，對于改善廣大精準扶貧家庭家居生活的體驗度與舒適度，更好地滿足他們對智能家居生活的美好向往，具有十分重要的實際應用價值。

基于此，本文提出了以單片機控制器為核心的智能風扇控制系統(tǒng)制作方案，該方案可準確地依靠多個電氣設備檢測居室生活所處的溫度、人體方位、有無人體等環(huán)境信息的變化，進而依靠單片機控制器對風扇的啟停、轉(zhuǎn)向、調(diào)速等狀態(tài)做出相應的自動控制。本文給出了該方案的總體架構(gòu)框圖，詳細闡述了系統(tǒng)部分主要電路的工作原理，并通過搭建實驗系統(tǒng)來證實該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能風扇是機電一體化程度相對較高的電氣設備裝置，其控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)對整個裝置綜合性能的影響起著十分重要的作用[10-12]。圖1為該控制系統(tǒng)總體架構(gòu)原理框圖，它由單片機最小系統(tǒng)電路、按鍵模塊、溫度檢測模塊、紅外光電檢測模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊及風扇驅(qū)動模塊等組成。其中，單片機為系統(tǒng)的控制器，是整個制作方案的核心，其主芯片采用了一款集成本低、體積小、控制簡單、應用方便等優(yōu)點于一身的性價比較高的單片機STC89C52，它主要依據(jù)外設多個電路模塊檢測居室生活所處的溫度、人體方位、有無人體等環(huán)境信息的變化，通過控制實現(xiàn)對風扇的啟停、調(diào)速、轉(zhuǎn)向等功能。此外，在此次脫貧攻堅工作中，受對精準扶貧家庭家居生活體驗進行改善的工作啟示，該方案還預留有可擴展外設區(qū)域（如圖1中虛線框的部分所示），在使用過程中，用戶可根據(jù)需要在該擴展的外設區(qū)域內(nèi)嵌入遠程控制模塊與智能手機進行相互通信，通過手機端所對應的APP對風扇做出相應控制，如在炎熱的夏天，可以通過手機APP遠距離查看風扇工作狀態(tài)，并遠程控制風扇啟停，不僅能有效降低家庭電力成本，還能有效改善居室的溫度環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)原理框圖

2 主要電路設計

2.1 檢測電路設計

此低成本的多功能智能風扇控制系統(tǒng)的檢測電路包括溫度檢測模塊與紅外光電檢測模塊2部分，其電路原理如圖2所示，圖中VCC為5 V的參考電壓。溫度檢測電路選用了一款檢測范圍大、體積小、成本低、精度高、抗干擾能力強的12位數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該部分電路根據(jù)所檢測的居室環(huán)境實際溫度與系統(tǒng)預設的溫度進行比較，單片機控制器依據(jù)比較的結(jié)果去控制風扇轉(zhuǎn)速，從而改善居室的溫度。而紅外光電檢測模塊主要用于檢測人體方位，系統(tǒng)選用了3個探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、集發(fā)射與接收于一體的紅外光電傳感器E18-D80NK，它們分別對風扇所處環(huán)境前方的左、中、右方位的人體進行180°的全方位紅外檢測，該部分電路根據(jù)所檢測到人體的方位，觸發(fā)子程序產(chǎn)生相應的控制信號，告知單片機去控制風扇轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)定位送風。

圖2 檢測電路原理圖

2.2 電機驅(qū)動電路設計

在進行電機驅(qū)動電路設計時，系統(tǒng)選用了成本相對較低的單極性的永磁減速型4相5線制8拍的異步電機28BYJ-48，它依靠一款高壓大電流、耐溫范圍寬、帶負載能力強的達林頓晶體管陣列芯片ULN2003來驅(qū)動，具體電路原理如圖3所示。該部分電路的工作原理為：單片機的P1口輸出的高低電平信號經(jīng)芯片ULN2003驅(qū)動放大后送入步進電機28BYJ-48，步進電機依據(jù)接收到的驅(qū)動脈沖信號按照時序工作，旋轉(zhuǎn)一個與之對應的步距角，以實現(xiàn)對電機的啟停、正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的控制。

圖3 電機驅(qū)動電路原理圖

2.3 風扇驅(qū)動電路設計

風扇驅(qū)動電路原理如圖4所示，其由3個電阻與2個三極管、1個指示LED燈組成。該部分電路的工作原理為：當單片機的P3.2口輸出為高電平時，三極管Q1導通，將a點的電平拉為低電平，同時，三極管Q2也導通，LED指示燈亮，風扇通電啟動；當單片機的P3.2口輸出為低電平時，三極管Q1截止，a點的電平隨之變?yōu)楦唠娖?，三極管Q2也隨之截止，LED指示燈滅，風扇斷電停止。

圖4 風扇驅(qū)動電路原理圖

2.4 可擴展電路設計

為了說明該方案所提出的可擴展外設區(qū)域的有效性與可行性，在制作實驗裝置時，選用了一款功耗低、性價比高、集成度好的Wi-Fi控制芯片ESP8266，其電路原理如圖5所示。該部分電路的工作原理為：5 V參考電壓經(jīng)電源管理芯片1117MBSTT3輸出3.3 V電壓給Wi-Fi控制芯片ESP8266供電，單片機通過P3.0與P3.1口與ESP8266進行串口通信，通過接收與發(fā)送AT指令，以實現(xiàn)風扇的遠程控制功能。

圖5 可擴展外設電路原理圖

3 實驗結(jié)果

基于上述理論分析，在PROTEL軟件中繪制了所提方案架構(gòu)的實驗系統(tǒng)，原理圖如圖6所示?；谠撛韴D，為了驗證所提方案架構(gòu)的正確性與可行性，搭建了一個簡易的實驗系統(tǒng)裝置，如圖7所示。實驗時通過按鍵預設居室溫度為25℃，并通過加減按鍵來改變溫度的值，測試結(jié)果如圖8所示。

圖6 實驗系統(tǒng)原理圖

圖7 實驗系統(tǒng)裝置

圖8 實驗測試波形

由圖8可知，當居室溫度超過預設值25℃時，單片機觸發(fā)中斷程序，其P3.2口輸出為高電平，LED指示燈亮，其端電壓約為0 V，表明風扇通電送風；當溫度低于預設值25℃時，單片機P3.2口輸出為低電平，LED指示燈滅，其端電壓約為0.5 V，表明風扇斷電。這說明基于所提方案，控制系統(tǒng)能準確根據(jù)所處環(huán)境溫度的變化而做出相應的自動控制，與理論分析相互一致。

4 結(jié)束語

本文以單片機為核心控制器，提出了一個低成本的多功能智能風扇控制系統(tǒng)設計方案。該方案集電、光、機、溫等技術于一體，兼顧了自動化與智能化，能根據(jù)周圍環(huán)境的溫度、人體及人體方位等條件實現(xiàn)對風扇的自動控制、智能控制及遠程控制，成本低、擴展性好、有較好的應用價值，可為智能風扇控制系統(tǒng)的開發(fā)與設計提供技術理論指導。