李曉赫，郭慶強(qiáng)

(1.北京交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044；2.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和人民消費(fèi)需求的提高，風(fēng)扇正逐漸被空調(diào)取代。但是風(fēng)扇因其自身的便攜性及較低的價(jià)格，在可預(yù)見的未來，尚有存在的價(jià)值。針對傳統(tǒng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速單一、無法實(shí)現(xiàn)人體感知及自動(dòng)啟停的問題，設(shè)計(jì)了一套完善的智能自控系統(tǒng)，以改善傳統(tǒng)風(fēng)扇的這些不足。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

智能風(fēng)扇自控系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)馬達(dá)微控制單元(microcontroller unit,MCU)，通過單總線溫度傳感器DS18B20采集實(shí)時(shí)溫度值。根據(jù)周邊環(huán)境溫度的變化，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檔位可通過PWM占空比自動(dòng)調(diào)節(jié)[1-2]，并且風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檔位和環(huán)境溫度室正相關(guān)。通過按鍵可設(shè)不同檔位對應(yīng)的溫度閾值。系統(tǒng)將對用戶設(shè)定值進(jìn)行EEPROM存儲。此外，該系統(tǒng)還采用紅外傳感器進(jìn)行人體感知，并可根據(jù)感知信號自動(dòng)啟停。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)最小系統(tǒng)(包括單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振時(shí)鐘電路以及電源)、人體感知單元、測溫單元、LCD單元、EEPROM存儲器、電風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)單元、獨(dú)立按鍵等。系統(tǒng)采用型號為24C02的外部ROM存儲器完成上下限溫度設(shè)定值的斷電保存。

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)以STC89C52為核心，并由復(fù)位、晶振和電源這三部分電路共同構(gòu)成，其具體設(shè)計(jì)如圖2所示。系統(tǒng)采用“按鍵設(shè)計(jì)，手動(dòng)復(fù)位”的模式進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位電阻R=10 kΩ，外部時(shí)鐘源晶振的震蕩頻率f=12 MHz，且震蕩電容C2=C3=20 pF，整個(gè)系統(tǒng)電源為5 V[3]。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)Fig.2 Minimum system of singlechip

2.2 人體感知單元

人體感應(yīng)單元的核心器件由紅外傳感器和集成芯片BISS0001共同構(gòu)成。本設(shè)計(jì)所選用的熱釋電型紅外傳感器(passive infra red,PIR)具有響應(yīng)靈敏、檢測精度高的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。該器件可通過感知獲得人體紅外信號，將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入單片機(jī)，以控制相應(yīng)的外圍器件。在無人或人體無位移的狀態(tài)下，傳感器兩電極所帶電荷正負(fù)平衡，所以器件無電壓輸出。當(dāng)人體發(fā)生位移時(shí)，器件兩極電荷受人體紅外影響，導(dǎo)致電荷平衡被破壞，從而產(chǎn)生電流，進(jìn)而產(chǎn)生輸出電壓[4-6]。

紅外傳感器因其自身特性，只能檢測移動(dòng)人體。人體紅外輻射經(jīng)傳感器頭部的菲涅爾透鏡進(jìn)入器件內(nèi)部，然后進(jìn)行檢測變換，最終轉(zhuǎn)換為電壓信號，并將人體感知信號輸入單片機(jī)。其工作原理及結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外傳感器工作原理及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Operational principle and structure of infrared sensor

紅外信號處理單元是一款應(yīng)用廣泛的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?，集成芯片BISS0001由運(yùn)放、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延時(shí)器件及鎖存器等多個(gè)模塊組成。該芯片通過外接紅外傳感器和相關(guān)電路，可完成人體紅外信號的感知處理。

2.3 采溫電路

采溫功能可由熱敏電阻或者DS18B20數(shù)字溫度傳感器完成。如果選用熱敏電阻作為采溫器件，則需設(shè)計(jì)相應(yīng)的運(yùn)放電路并進(jìn)行溫度信號的A/D轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)繁瑣且溫度感知靈敏度低，檢測誤差較大。如果選用DS18B20作為采溫器件，可在-55～+125℃的范圍內(nèi)進(jìn)行溫度檢測，采溫范圍寬，且器件內(nèi)部可自動(dòng)完成溫度量由模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，直接以數(shù)字信號的形式輸出，大大簡化了外圍電路的相關(guān)設(shè)計(jì)。DS18B20傳感器為單總線通信器件，內(nèi)含64位ROM。單片機(jī)的單端口可同時(shí)掛接多個(gè)DS18B20，進(jìn)行多路測溫。此外，該類器件還具有檢測精度高、靈敏性好等諸多優(yōu)點(diǎn)[7-10]，適用于風(fēng)扇控制系統(tǒng)。因此，經(jīng)綜合比較，系統(tǒng)最終采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度傳感器系統(tǒng)的主要元件。

2.4 LCD1602液晶顯示系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用的LCD1602液晶顯示器可進(jìn)行雙行顯示，每行可以顯示16列字符(包括簡單漢字、數(shù)字、字母、符號等)，具有功耗低、對比度可調(diào)、耐用、易操作等特點(diǎn)。屏顯對比度可由滑動(dòng)變阻器進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

2.5 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)調(diào)速是風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。MOC3041M是電機(jī)調(diào)速的核心器件：其本質(zhì)是一種特殊的光電耦合器。MOC3041M具有過零雙向可控特性，其工作原理是:當(dāng)有相應(yīng)信號觸發(fā)時(shí)，MCU的對應(yīng)輸出引腳電平置1，由反相器進(jìn)行處理，進(jìn)而輸出一個(gè)反相信號，從而使MOC3041M導(dǎo)通，控制外圍電路工作。負(fù)載功率計(jì)算公式如式(1)所示：

(1)

式中:n為MOC3041M導(dǎo)通的正弦波數(shù)量;N為相同時(shí)間內(nèi)交流正弦波數(shù)量;U為一個(gè)工作周期的等效電壓;I為一個(gè)工作周期的等效電流。

由式(1)可知，在等效電壓、等效電流和交流正弦波數(shù)量固定不變時(shí)，功率只與n成正比。因此，調(diào)節(jié)n就可改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

2.6 獨(dú)立按鍵電路

為實(shí)現(xiàn)溫度上下限的范圍可調(diào)，采用按鍵來輸入信號，系統(tǒng)設(shè)有功能不相同的4個(gè)按鍵。獨(dú)立按鍵電路如圖4所示。初次按下S2鍵，可設(shè)溫度閾值上限；再次按下S2鍵，可設(shè)溫度閾值下限；第三次按下S2鍵，設(shè)置結(jié)束。S3、S4兩鍵設(shè)置具體溫度閾值，S3具有閾值加1功能，S4具有閾值減1功能。加值鍵S3按下一次增加1℃，按住不放3 s后,每秒增加1℃；減值鍵S4按下一次減少1℃，按住不放3 s后，每秒減少1 ℃。S5的作用是調(diào)節(jié)散熱電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。對于各個(gè)按鍵的數(shù)據(jù)，采用按鍵引腳輪循掃描的形式進(jìn)行讀取。

圖4 獨(dú)立按鈕電路圖Fig.4 The circuit of independent buttons

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語言選用C語言。依據(jù)不同功能，可整體劃分為信號接收、邏輯處理和輸出驅(qū)動(dòng)3個(gè)功能模塊。其中，信號接收程序負(fù)責(zé)接收各傳感器的數(shù)據(jù)采集以及按鍵的二值信號；邏輯處理程序負(fù)責(zé)依照傳感器采集的信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷操作，并調(diào)用相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)；輸出驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)外圍電路的具體驅(qū)動(dòng)。

3.1 風(fēng)扇自控系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)開機(jī)后，程序初始化，DS18B20進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測并將所檢測到的數(shù)字量數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU。當(dāng)人體探測模塊檢測到人體紅外線時(shí)，控制器進(jìn)行邏輯判斷，以辨別所測溫度在按鍵設(shè)置溫度閾值的哪個(gè)區(qū)間，進(jìn)而控制相應(yīng)輸出端口的脈沖信號占空比，調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。如果半分鐘內(nèi)沒有感知到人體信號，風(fēng)扇則停轉(zhuǎn)。當(dāng)外部采溫低于預(yù)設(shè)閾值下限時(shí)，則控制風(fēng)扇停轉(zhuǎn)；當(dāng)外部采溫處于預(yù)設(shè)閾值內(nèi)時(shí)，則控制風(fēng)扇以適中的速度轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)外部采溫高于預(yù)設(shè)閾值上限時(shí)，則控制風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)通過延時(shí)程序，將采集的環(huán)境溫度、溫度上下限值、電機(jī)轉(zhuǎn)速檔位、是否檢測到人體紅外線等信息每間隔一定時(shí)間顯示在LCD1602液晶顯示屏上，并根據(jù)環(huán)境溫度及時(shí)調(diào)整風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program

3.2 采溫單元

選用DS18B20作為采溫單元核心測溫器件。該器件進(jìn)行采溫時(shí)，首先上電進(jìn)行初始化，然后控制器向該器件發(fā)送溫度讀命令。該器件接收讀命令后，向控制器返回一個(gè)當(dāng)前溫度值，控制器接收該返回值并寫入對應(yīng)緩存區(qū)，以供控制器進(jìn)行后續(xù)邏輯處理。如一個(gè)控制器端口只掛接一個(gè)DS18B20，則無需下發(fā)該采溫器件的64位ID；否則，需下發(fā)對應(yīng)當(dāng)前器件的ID號。

4 結(jié)束語

基于STC89C52單片機(jī)的智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)具有探測人體紅外線的功能，能在無人環(huán)境下自動(dòng)關(guān)停風(fēng)扇。該智能風(fēng)扇自控系統(tǒng)還具有溫度自檢功能，可根據(jù)所采溫度進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷，從而對風(fēng)扇進(jìn)行不同檔位的自動(dòng)調(diào)速。該系統(tǒng)通過對風(fēng)扇系統(tǒng)傳統(tǒng)模式進(jìn)行改良，具備了溫度自檢和人體感知功能。其智控啟停功能避免了傳統(tǒng)模式下的繁瑣操作，提升了用戶體驗(yàn)和操作友好度。與普通級別空調(diào)相比，本文所設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)具有價(jià)低、便攜、智能自控、節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，該產(chǎn)品具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和較好的應(yīng)用前景。

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