，，

(東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌 230026)

引　言

隨著人們生活水平的提高和生活質(zhì)量的改善，風(fēng)扇的設(shè)計(jì)已經(jīng)趨向節(jié)能化、智能化和多功能化，市場(chǎng)上也先后出現(xiàn)了各種功能各異的風(fēng)扇[1-8]。參考文獻(xiàn)[1]作者設(shè)計(jì)了一種可以根據(jù)溫度高低來對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行調(diào)速的控制器，其優(yōu)點(diǎn)在于溫度較高時(shí)可以噴出水霧，其設(shè)計(jì)的不足之處在于不能顯示當(dāng)前風(fēng)扇的檔位，也不能手動(dòng)設(shè)定風(fēng)扇的檔位；參考文獻(xiàn)[2]在參考文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上加入了人體紅外感應(yīng)，也就是說只有在探測(cè)到有人的情況下才開啟風(fēng)扇，其特點(diǎn)在于個(gè)性化定制，更加節(jié)能，不足之處在于紅外感應(yīng)具有距離的限制，當(dāng)人短暫性離開風(fēng)扇的探測(cè)范圍時(shí)，風(fēng)扇也會(huì)停止工作；參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一款既可以溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，又可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制的智能風(fēng)扇，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)雙控制，其缺點(diǎn)是手動(dòng)的控制還是停留在傳統(tǒng)的按鍵控制上，離現(xiàn)在流行的智能家居還有很大的距離；參考文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一款既可以吹熱風(fēng)，又可以吹出冷風(fēng)的智能風(fēng)扇，其優(yōu)點(diǎn)不言而喻，就是可以在冬天做取暖用，不足之處在于 Pt10的使用導(dǎo)致了整套系的功率變大。參考文獻(xiàn)[7]重點(diǎn)設(shè)計(jì)溫控調(diào)速電機(jī)，參考文獻(xiàn)[8]主要是設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)智能家居，這兩篇都有創(chuàng)新點(diǎn)；參考文獻(xiàn)[9]和參考文獻(xiàn)[10]對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行了更加深入的設(shè)計(jì)。

綜上分析，目前市場(chǎng)上的大部分風(fēng)扇還是傳統(tǒng)的、機(jī)械式的，不具有智能的元素，功能也比較單一。因此，本文提出了一款基于手機(jī)APP控制的智能溫控風(fēng)扇，除實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)風(fēng)扇的功能外，一方面具備了驅(qū)蚊功能，另一方面可以通過手機(jī)端實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的任意切換。自動(dòng)模式下，風(fēng)扇根據(jù)外界溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，手動(dòng)模式下，可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。另外，本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有便攜性，適合用于居家、旅行、露營(yíng)等各種生活環(huán)境。

1　總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC89C52作為主控芯片，按照功能需求，外圍設(shè)計(jì)了溫度采集電路來實(shí)時(shí)采集溫度，利用超聲波驅(qū)蚊電路來完成小范圍內(nèi)的驅(qū)蚊，LCD1602顯示電路實(shí)時(shí)顯示溫度；電源管理電路實(shí)現(xiàn)了電源的有效切換。本次設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)是藍(lán)牙通信電路實(shí)現(xiàn)了手機(jī)和單片機(jī)的實(shí)時(shí)通信，可調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，這樣擺脫了傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇檔位的弊端，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線遙控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　多功能智能風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，STC89C52芯片片內(nèi)資源豐富，該設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)了端口拓展，大大減少了外圍電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和二次開發(fā)的可能。利用軟件編程也節(jié)約了大量的資源和多功能實(shí)現(xiàn)的快速性和可行性。圖2為智能風(fēng)扇工作的模擬情境圖。

圖2　智能風(fēng)扇工作的模擬情境圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)是以STC89C52芯片為主控芯片，搭載電源模塊、溫度傳感器模塊、顯示模塊、超聲波驅(qū)蚊模塊和藍(lán)牙模塊，可以選擇風(fēng)扇的兩種工作模式，自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，風(fēng)扇的檔位通過手機(jī)端來控制；手動(dòng)模式下，風(fēng)扇的檔位隨著溫度的變化而變化。

① 主控電路。本系統(tǒng)采用的是8位的STC89C52芯片，用于數(shù)據(jù)處理、手機(jī)藍(lán)牙端的通信和外圍電路的控制。

② 驅(qū)蚊電路。超聲波驅(qū)蚊電路的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)蚊子的兩個(gè)生理特點(diǎn)：一是懷孕的雌性蚊子吸取人和動(dòng)物的血液，且懷孕期間雌性蚊子討厭雄性蚊子(雄性蚊子發(fā)出的聲波在21～23 kHz)；其二是蚊子的天敵發(fā)出的聲波在24 kHz以上?？紤]到人耳的接收聲波在20 Hz～20 kHz，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)用超聲波發(fā)射管發(fā)射大約40 kHz的方波來模擬蚊子天敵發(fā)出的聲波來達(dá)到驅(qū)蚊的效果。根據(jù)變頻技術(shù)，在STC89C52單片機(jī)的某個(gè)I/O口產(chǎn)生固定占空比的方波經(jīng)過NPN三極管驅(qū)動(dòng)電路,經(jīng)超聲波發(fā)射管進(jìn)行驅(qū)蚊[2]。

③ 顯示電路。本次設(shè)計(jì)采用的是LCD1602液晶顯示器作為溫度的實(shí)時(shí)顯示。

④ 溫度采集電路。本次設(shè)計(jì)采用的是DS18B20溫度傳感器，該傳感器是單總線結(jié)構(gòu)，將采集到的溫度實(shí)時(shí)送給單片機(jī)，單片機(jī)將收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后實(shí)時(shí)地在液晶上顯示出來并控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速[3]。

⑤ 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路。本次設(shè)計(jì)采用的是兩線直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過單片機(jī)的I/O口產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號(hào)，經(jīng)三極管驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

⑥ 藍(lán)牙通信電路。本次設(shè)計(jì)采用HC-06藍(lán)牙芯片通過單片機(jī)的串口通信實(shí)現(xiàn)和手機(jī)移動(dòng)端的實(shí)時(shí)通信。APP的控制也是通過藍(lán)牙來實(shí)現(xiàn)的。首先，移動(dòng)設(shè)備端的藍(lán)牙模塊和單片機(jī)負(fù)載的藍(lán)牙模塊連接，然后APP內(nèi)發(fā)送指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

⑦ 系統(tǒng)電源電路。為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和戶外的各種環(huán)境的用電，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了外部供電電路和內(nèi)部供電電路。首先外部供電，我們采用7805降壓濾波電路將220 V交流電轉(zhuǎn)換成5 V的直流電,供風(fēng)扇在室內(nèi)工作；對(duì)于戶外環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)可充電的鋰離子電池來提供穩(wěn)定的5 V電壓為單片機(jī)、液晶等模塊供電[4]。

圖3為硬件電路的硬件設(shè)計(jì)圖。其中P3.7和DS18B20溫度傳感器相連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的采集，單片機(jī)將采集到的溫度進(jìn)行處理，在和P0口相連的LCD1602液晶上顯示出來，P1.0和電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路相連接，通過輸出PWM波來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)控[5]；P2.0和超聲波驅(qū)蚊電路連接，該I/O口不斷地輸出22 kHz的方波發(fā)送到超聲波發(fā)射電路來實(shí)現(xiàn)驅(qū)蚊的功能。

最后是單片機(jī)的藍(lán)牙模塊，單片機(jī)的TXD和RXD引腳分別和藍(lán)牙HC-06相連。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，超聲波模塊開啟，全天24小時(shí)驅(qū)蚊，之后溫度傳感器開始采集溫度，并在液晶上實(shí)時(shí)顯示采集到的溫度；初上電時(shí)，程序設(shè)計(jì)的標(biāo)志位為“flag=0”，表示系統(tǒng)實(shí)行自動(dòng)模式，當(dāng)檢測(cè)到溫度在20～25 ℃時(shí)，風(fēng)扇以一檔轉(zhuǎn)動(dòng)；25～29 ℃時(shí)，風(fēng)扇以二檔轉(zhuǎn)動(dòng)；30～32 ℃時(shí)，風(fēng)扇以三檔轉(zhuǎn)動(dòng)；32～35 ℃時(shí)，風(fēng)扇以四檔轉(zhuǎn)動(dòng)。

此后在大循環(huán)中，每一次循環(huán)都檢測(cè)“flag”的值，如果

“flag”的值為0，則風(fēng)扇是自動(dòng)模式，即溫度控制；如果手機(jī)端按下了模式切換鍵的話，單片機(jī)的RXD和TXD引腳相連接，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的收發(fā)。

圖3　硬件設(shè)計(jì)電路圖

對(duì)于此次設(shè)計(jì)方案的正確性，還進(jìn)行了仿真測(cè)試，如圖4所示，當(dāng)溫度達(dá)到28 ℃時(shí)，風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)在二檔，成功地實(shí)現(xiàn)了溫控的功能。

圖4　仿真測(cè)試圖

3　系統(tǒng)流程圖

3.1　主程序流程圖

“flag”取反置1，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速由手機(jī)端控制，溫度對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不起作用；再次按下模式切換鍵，則“flag”取反又變?yōu)?，系統(tǒng)是溫度控制。程序流程圖如圖5所示。

圖5　主流程圖

3.2　藍(lán)牙子程序程序流程圖

手機(jī)通過藍(lán)牙和單片機(jī)通信，通過串口中斷來實(shí)現(xiàn)。在主程序中，開始“flag=0”，風(fēng)扇工作在自動(dòng)模式，單片機(jī)每隔50 ms訪問一次串口中斷程序，判斷模式切換鍵是否按下，如果是則flag取反，即“flag=1”；如果“flag=1”，則風(fēng)扇工作在手動(dòng)模式，溫度不對(duì)風(fēng)扇的工作方式起作用。在手動(dòng)模式中，可以選擇風(fēng)扇的工作方式，也可以切換工作方式選擇自動(dòng)模式。藍(lán)牙子程序流程圖如圖6所示。

圖6　藍(lán)牙子程序流程圖

3.3　PWM波子程序

PWM波的產(chǎn)生是依靠單片機(jī)的定時(shí)器0來發(fā)生的，在主程序中，單片機(jī)定時(shí)器0每隔80 ms清零一次并重新計(jì)時(shí)。中斷定時(shí)時(shí)間和預(yù)設(shè)的PWM變量值進(jìn)行比較，大于預(yù)設(shè)值輸出0，小于PWM值則輸出1，以此方式來輸出高低脈沖，產(chǎn)生PWM波。在主程序中，溫度的大小和手機(jī)APP的輸入都會(huì)改變PWM變量的值。因此變量PWM是一個(gè)可改變的量，以此產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)。圖7為PWM波產(chǎn)生子程序流程圖。

圖7　PWM波產(chǎn)生子程序流程圖

4　智能風(fēng)扇的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，制作電路板，連接實(shí)驗(yàn)電路完成調(diào)試，同時(shí)對(duì)驅(qū)蚊、測(cè)溫、溫度顯示、溫度控制風(fēng)扇、手機(jī)APP控制等系統(tǒng)的關(guān)鍵電路進(jìn)行測(cè)試。

4.1　LCD 液晶顯示模塊調(diào)試

檢查液晶顯示屏與單片機(jī)的引腳連接是否正確。其中7～14引腳分別接單片機(jī)P0.0～P0.7端口，RS接P2.3口，R/W接單片機(jī)P2.4口，EN接單片機(jī)P2.5口。單片機(jī)上電時(shí)，液晶點(diǎn)亮并且顯示溫度，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)顯示風(fēng)扇的檔位，當(dāng)風(fēng)扇停止時(shí)，顯示“stop”。在調(diào)試的過程中，開始接的背光電阻阻值是1 kΩ，發(fā)現(xiàn)液晶無法顯示，整個(gè)液晶背光，如圖8所示。后經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)，接入10 kΩ的可調(diào)電阻，可以調(diào)整液晶的背光效果，成功地實(shí)現(xiàn)了液晶的顯示功能，如圖9所示。

圖8　LCD調(diào)試前

圖9　LCD調(diào)試后

4.2　電機(jī)模塊調(diào)試

本設(shè)計(jì)采用的是兩線雙極性電機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的PWM波驅(qū)動(dòng)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)溫度大于預(yù)設(shè)值時(shí)，風(fēng)扇要工作在相應(yīng)的檔位，本次調(diào)試中的難點(diǎn)在于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)PWM波的設(shè)計(jì)。

在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)占空比較低時(shí)，即有效電壓比較小，是無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的。在對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于電機(jī)本身存在一定內(nèi)阻，因此在三極管的基極上即使不加電阻也能驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)而不燒壞電機(jī)。圖10為當(dāng)室溫達(dá)到27.5 ℃時(shí)，電機(jī)以2檔的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖10　實(shí)物調(diào)試圖

4.3　APP控制測(cè)試

通過藍(lán)牙連接后，可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)手動(dòng)擋和自動(dòng)擋的切換，并對(duì)風(fēng)扇檔位進(jìn)行控制。圖11為手機(jī)控制風(fēng)扇以四檔轉(zhuǎn)動(dòng)，液晶顯示是四檔，圖12為手機(jī)控制風(fēng)扇停止，液晶顯“stop”。

圖11　液晶顯示風(fēng)扇檔位為二檔

圖12　液晶顯示風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)

4.4　超聲波驅(qū)蚊電路的測(cè)試

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)為平常晚上蚊子較多的辦公室，辦公室約20 mm2，在辦公室蚊子多的一角安放超聲波驅(qū)蚊裝置。結(jié)果顯示，在沒有開啟驅(qū)蚊裝置的時(shí)候，出現(xiàn)了蚊子叮咬的情況，在開啟驅(qū)蚊裝置的兩小時(shí)內(nèi)，沒有出現(xiàn)蚊子叮咬的情況，辦公桌下也難見蚊子飛舞，說明驅(qū)蚊裝置起到了驅(qū)蚊的效果。

圖13為用LDS20610手提式寬帶數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)試,得到的超聲波發(fā)射器發(fā)出的波形，頻率為40 kHz,經(jīng)測(cè)試，達(dá)到了驅(qū)蚊的效果。

圖13　超聲波發(fā)射器輸出的波形40 kHz

結(jié)　語

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的多功能智能溫控風(fēng)扇在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)利用了節(jié)能、智能化、多功能化的思想設(shè)計(jì)，提出

的是一種以時(shí)下流行的手機(jī)APP為亮點(diǎn)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種模式的智能風(fēng)扇。

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劉國權(quán)(講師)，主要研究方向?yàn)橹悄芗揖? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、魯棒控制等。