張 娟，王 露，劉世月，俢繼偉，王鑫雷，陳 云

(1.太原工業(yè)學院 工程訓練中心，山西 太原 030008；2.北方自動控制技術研究所，山西 太原 030006)

0 引言

電風扇由于其制作工藝相對簡單、成本較低、放置位置靈巧方便，因此目前空調(diào)雖然得到廣泛使用，但電風扇仍有較大的市場。不過傳統(tǒng)的電風扇功能相對簡單，一般就是分為三個風速檔，再加上擺頭和定時功能。為使電風扇具有更廣泛的應用，本文基于51單片機設計了智能電風扇，即在原有功能的基礎上增加了自動尋人、自動適應溫度變速、擺頭角度范圍可控等功能，同時風扇會在液晶屏上顯示當前的溫度，為用戶提供參考。

1 智能電風扇整體結構設計

智能電風扇系統(tǒng)由2片STC89C51作為主控芯片，以電機和舵機為傳動裝置，分別帶動風扇頭和風扇葉的擺頭和轉(zhuǎn)動。其在兼有傳統(tǒng)風扇功能的同時以紅外傳感器檢測人體，實現(xiàn)自動尋人功能；以傳感器DS18B20為檢溫裝置測量室溫，從而進一步實現(xiàn)自動變速功能。

智能電風扇整體結構可分為兩部分：底座和頭部，如圖1所示。底座內(nèi)部為主控電路，外觀為四棱臺結構，傾斜面為主控面，中間嵌有L298N液晶顯示屏，四周為控制按鍵及各功能指示燈，上表面與頭部連接，且有環(huán)形凹槽圍繞，用以安裝紅外傳感器，確定擺頭范圍。頭部主要為風扇部分，由底部舵機與電機驅(qū)動，可根據(jù)需要進行擺頭和變速。

2 智能電風扇控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 總體設計

系統(tǒng)通過紅外光電開關模塊、溫度傳感器模塊、按鍵模塊將收到的位置、溫度以及控制信號等外部信息以電信號的形式實時傳遞給主控單片機，再經(jīng)過單片機分析處理之后發(fā)出響應信號，傳送到舵機和電機以及顯示模塊，并做出調(diào)節(jié)，從而提供人們所需要的風扇角度、風扇風速。智能電風扇控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 硬件選型

2.2.1 主控芯片

本設計選用STC89C51RC單片機作為風扇的主控芯片。STC89C51RC是STC公司生產(chǎn)的低功耗高性能的CMOS 8位微控制器，是51系列單片機的一種，自帶8 kB的FLASH存儲器、256 B的ROM、4 kB的EEPROM存儲空間、8 kB的程序存儲空間，可直接使用串口下載。由于其使用相對簡單，控制方便，且成本較低，故本設計選擇該單片機為主控芯片。又因連接外設引腳使用較多，所以本設計采用雙主控，即以兩片芯片為中心，搭建兩個最小系統(tǒng)，分別控制不同模塊。由STC89C51單片機組成的最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖1 智能電風扇結構示意圖

圖2 智能電風扇控制系統(tǒng)框圖

2.2.2 溫度傳感器

DS18B20是常用的溫度傳感器，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等特點。同時因為其通信只需要一條數(shù)據(jù)線，相比較于分布式溫度傳感器，DS18B20應用時無需外部元件，可直接用數(shù)據(jù)總線進行供電，因此無需備用電源。該傳感器的電壓范圍為3.0 V～5.5 V，測量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃，可編程的分辨率為9位～12位，溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式時分辨率最高，其值為0.062 5 ℃。由于風扇一般在炎熱的夏天使用，因此本設計所需測量溫度范圍在20 ℃～40 ℃即可，DS18B20滿足設計需求，因而選用該溫度傳感器模塊。DS18B20測量電路如圖4所示。

圖3 STC89C51單片機最小系統(tǒng)

圖4 DS18B20測量電路

2.2.3 直流電機驅(qū)動模塊

本設計中帶動風扇扇葉的電機驅(qū)動芯片采用L298N雙H橋直流電機驅(qū)動芯片,驅(qū)動部分的端子供電范圍為+5 V～+35 V,如需要板內(nèi)取電，則供電范圍為+7 V～+35 V。

若要對直流電機進行PWM調(diào)速，需設置IN1和IN2，首先應確定電機轉(zhuǎn)動方向，然后對使能控制端輸出PWM脈沖即可實現(xiàn)調(diào)速。需要注意的是:當使能信號為0或者使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機處于自由停止或者制動狀態(tài)，不會正常工作，L298N電機工作狀態(tài)如表1所示。

表1 L298N電機工作狀態(tài)表

2.2.4 步進電機驅(qū)動模塊

本設計采用ULN2003作為步進電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動部分端子的供電范圍為+5 V～+50 V;ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500 mA，并且能夠在關態(tài)時承受50 V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。

2.2.5 LCM1602液晶顯示模塊

本次設計中的顯示模塊采用1602液晶顯示屏，該模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器(CGROM)已經(jīng)存儲了許多常用的符號，包括日文假名、英文字母的大小寫、阿拉伯數(shù)字等，共有160個不同的點陣字符圖形以固定的ASCII碼的形式存在。在本次設計中，將使用該模塊顯示當前的室溫。LCM1602顯示模塊如圖5所示。

圖5 LCM1602顯示模塊

2.2.6 紅外光電開關模塊

利用該傳感器模塊來控制風扇擺頭范圍，當發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線射到風扇頭部(反射面)時，紅外線就會反射回來，然后被接收管接收，最后經(jīng)過比較器電路的處理之后，信號輸出接口將會輸出一個低電平的數(shù)字信號。該模塊的檢測距離可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)，調(diào)整方便，靈活性較好。

3 智能電風扇控制系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)初始化后，若選擇自動模式，則風扇通過溫度傳感器自動調(diào)節(jié)風速，并且以慢速360°旋轉(zhuǎn)擺頭，當尋到人體位置后停止擺頭；若選擇手動模式，則通過按鍵調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)所需角度及風速。智能電風扇控制系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 智能電風扇控制系統(tǒng)軟件流程

由圖6可知，本設計包含3種運行模式，一種為手動控制模式，另外兩種為自動控制模式。其中，第一種手動模式同傳統(tǒng)風扇功能類似，便于習慣用傳統(tǒng)風扇的人群使用。第二種模式主要是實現(xiàn)自動溫控變速功能，無需人工調(diào)節(jié)風速，方便用戶使用。根據(jù)當前的室溫，風速可分為三檔，當室溫低于25 ℃時，風速為1檔；當室溫在25 ℃～30 ℃之間時，風速為2檔；當室溫超過30 ℃時，風速為3檔。第三種模式主要是實現(xiàn)自動尋人功能，通過紅外傳感器對環(huán)境光線的適應能力，發(fā)射并接收光線，來檢測周圍是否有人，一旦找到目標，風扇便開始工作。

4 智能電風扇實物調(diào)試

智能電風扇實物如圖7所示。調(diào)試運行過程如下：首先，接通電源，啟動風扇，初始時默認為手動模式，可通過按鍵手動調(diào)節(jié)風速、是否進行擺頭操作等；然后，通過按鍵進行模式選擇，選擇自動模式1，風扇的轉(zhuǎn)速將根據(jù)溫度傳感器檢測到的當前室溫進行自動調(diào)節(jié)；選擇自動模式2，風扇將會進行擺頭操作，當風扇頭部的紅外傳感器掃射到人體時，便會停止擺頭、開始工作，從而實現(xiàn)自動尋人功能。另外，風扇還裝有顯示屏，可以實時顯示當前室溫。測試結果表明:本設計實現(xiàn)了溫控變速與自動尋人功能。

5 結束語

根據(jù)人們的需求，在原有風扇功能的基礎上增加新功能，給用戶更好的體驗。相比較于傳統(tǒng)風扇，本設計中的風扇有如下特點：

(1) 采用了STC89C51系列單片機，使用簡單，體積小，功耗較低，成本低廉，節(jié)約能源，集成度高，可靠性強。

(2) 增加了智能變速功能，可根據(jù)當前室溫高低來自動調(diào)節(jié)風速大小，免除了人們手動換檔的繁瑣。

(3) 增加了紅外尋人功能，可以自動尋找人員位置，風力利用率更高。

圖7 智能電風扇實物