郭中會(huì) 李松松 李敏 張宸宸 夏聞澤?

摘 要：針對(duì)目前市場(chǎng)上智能風(fēng)扇貴而不實(shí)和老式風(fēng)扇功能單一的現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了一種智能風(fēng)扇控制器，該控制器采用單片機(jī)STC89C52作為主控，利用溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行感知，利用時(shí)鐘芯片對(duì)時(shí)間信息進(jìn)行記錄，根據(jù)蟻群算法得到當(dāng)前最適合用戶的風(fēng)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了手機(jī)遙控、時(shí)鐘顯示、定時(shí)啟停、自動(dòng)調(diào)速、夜間自動(dòng)降速等功能。測(cè)試表明：顯示裝置可以精確顯示時(shí)間和溫度變化，無(wú)線控制距離可以覆蓋面積為100 m2的樓房，各項(xiàng)功能均達(dá)到預(yù)期效果，且具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇控制器;溫度檢測(cè);無(wú)線控制;蟻群算法;單片機(jī);傳感器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的不斷提高和科技的快速發(fā)展，電風(fēng)扇變得越來(lái)越智能化、多功能化，但目前已知的智能風(fēng)扇僅增加了照明、驅(qū)蚊等不實(shí)用的功能[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，消費(fèi)者在追求個(gè)性時(shí)尚及精致的同時(shí)，也愈加關(guān)注健康，長(zhǎng)時(shí)間在風(fēng)扇下不僅容易對(duì)人體的血管、肌肉等造成嚴(yán)重傷害，還會(huì)因受涼引發(fā)感冒發(fā)燒等。因此，具有自主調(diào)節(jié)風(fēng)量大小的電風(fēng)扇越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞[2]。

張曉東研究的無(wú)線遙控風(fēng)扇無(wú)極調(diào)速器很好地解決了無(wú)線技術(shù)在電風(fēng)扇上的應(yīng)用問(wèn)題，并且可使用軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，將軟件與硬件完美結(jié)合[3]。周學(xué)禮等通過(guò)對(duì)溫度傳感器的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)電風(fēng)扇的自動(dòng)溫控，但其調(diào)速方法為步進(jìn)調(diào)速，在很大程度上影響了風(fēng)扇自動(dòng)控溫的精度[4-6]。隨著技術(shù)的更新與進(jìn)步，電風(fēng)扇的功能將變得越來(lái)越全面，使用越來(lái)越便捷，會(huì)向著多功能化及小型化的方向發(fā)展[7-9]。

文中設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)手機(jī)遙控、時(shí)鐘顯示、定時(shí)、自動(dòng)調(diào)速、夜間自動(dòng)降速等功能的智能電風(fēng)扇。該電風(fēng)扇的應(yīng)用將極大地改善人們的生活，使人們擺脫機(jī)械定時(shí)的吱吱聲、換擋不方便、深夜天氣轉(zhuǎn)涼導(dǎo)致感冒發(fā)燒等舊式風(fēng)扇帶來(lái)的負(fù)面影響。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)風(fēng)扇控制設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為主控單元，通過(guò)DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片和DS18B20溫度傳感器分別將當(dāng)前時(shí)間和溫度傳輸?shù)街骺?，主控收到?dāng)前時(shí)間和溫度后一方面將其值傳送到LCD1602顯示屏和手機(jī)客戶端，另一方面在自動(dòng)控制時(shí)通過(guò)蟻群調(diào)節(jié)控制LM298風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的PWM占空比，達(dá)到無(wú)差別調(diào)速的目的。在手機(jī)無(wú)線控制方面，使用藍(lán)牙模塊與手機(jī)直接通信，通過(guò)手機(jī)發(fā)送不同的控制指令，單片機(jī)根據(jù)接收的指令執(zhí)行不同的控制模式，如調(diào)速、更改時(shí)間、模式選擇等。設(shè)計(jì)具有齊全的手機(jī)遙控、時(shí)鐘顯示、定時(shí)、自動(dòng)調(diào)速、夜間自動(dòng)降速等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件整體設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用增強(qiáng)型STC89C52R單片機(jī)，可以任選6個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期或12個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。工作頻率可達(dá)48 MHz，通用I/O口為32個(gè)，其應(yīng)用程序的空間為8 KB，片上集成的RAM為512 B，此外還具有2個(gè)16位計(jì)數(shù)器（定時(shí)器）和4路外部中斷[10]。

2.2 顯示模塊的設(shè)計(jì)顯示模塊采用字符型液晶LCD1602A。設(shè)計(jì)時(shí)，采用8位

總線傳輸方式接單片機(jī)P0.0～P0.7;寄存器選擇口BS接單片機(jī)P2.6，用于選擇寄存器類別;信號(hào)讀寫線R/W接單片機(jī)P2.5，用于選擇讀寫操作方式;液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端VO接電位器，通過(guò)電位器分壓后得到VO端電壓。其工作過(guò)程大致為先進(jìn)行初始化，而后不斷寫數(shù)據(jù)以顯示更新內(nèi)容并通過(guò)讀數(shù)據(jù)保證所寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳達(dá)，保障系統(tǒng)正常工作。

2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，其內(nèi)部包含4通道邏輯電路，同時(shí)具備抗干擾能力強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低等優(yōu)點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)中，輸入IN1和IN2驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中將IN1接單片機(jī)I/O口，IN2接VCC。D6＼D8＼D10＼D12與D7＼D9＼D11＼D13分別構(gòu)成兩個(gè)H橋高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)46 V/2 A以下的電機(jī)[11-12]。驅(qū)動(dòng)使用了大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，其中OUT1，OUT2與風(fēng)扇連接。驅(qū)動(dòng)模塊電路連接如圖2所示。

2.4 無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)線控制HC-06芯片具有無(wú)線收發(fā)、高靈敏度、低電壓（3.3 V）工作、小體積、低功耗、低成本等特點(diǎn)，其外圍電路簡(jiǎn)單，內(nèi)置2.4 GHz天線、外置8 Mbit FLASH。無(wú)線藍(lán)牙與單片機(jī)的連接采用串口UART方式，當(dāng)無(wú)線藍(lán)牙接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)端口TXD向中樞控制器單片機(jī)進(jìn)行寫操作，而單片機(jī)的RXD進(jìn)行讀操作;當(dāng)單片機(jī)向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)單片機(jī)的TXD完成寫操作，而無(wú)線藍(lán)牙的RXD讀數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后發(fā)送。無(wú)線控制系統(tǒng)電路如圖3所示。

2.5 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊使用DALLAS公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DS1302芯片，該芯片內(nèi)含31 B靜態(tài)RAM和一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘即日歷。實(shí)時(shí)時(shí)鐘提供秒、分、時(shí)、日、月、年的信息，并且每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動(dòng)調(diào)整。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地通過(guò)同步串行的方式通信，僅需用CE復(fù)位、I/O數(shù)據(jù)線和SCLK串行時(shí)鐘三個(gè)口線即可實(shí)現(xiàn)。與單片機(jī)連接時(shí)，數(shù)據(jù)線I/O接單片機(jī)P1.1口，以實(shí)現(xiàn)總線的功能;串行時(shí)鐘SCLK接單片機(jī)P1.0口，以控制數(shù)據(jù)的讀寫狀態(tài);復(fù)位端CE接單片機(jī)P1.2用于對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302的復(fù)位。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 總程序設(shè)計(jì)

在程序運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)首先進(jìn)行初始化，開(kāi)啟定時(shí)器0、定時(shí)器1和串口中斷4，而后等待控制指令。在控制中，采用按鍵控制與手機(jī)無(wú)線控制并行控制的思路，即按鍵檢測(cè)與手機(jī)無(wú)線接收以“或”的方式在程序中運(yùn)行[13]。根據(jù)控制信號(hào)的不同執(zhí)行不同的子程序，即萬(wàn)年歷的設(shè)置、調(diào)速方式的設(shè)置、夜間降速模式的設(shè)置、風(fēng)速與溫度的關(guān)系等。程序總流程如圖4所示。

3.2 無(wú)線控制程序設(shè)計(jì)

在手機(jī)無(wú)線控制子程序中，當(dāng)手機(jī)向藍(lán)牙發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)，藍(lán)牙接收后通過(guò)串口發(fā)送至單片機(jī)，SBUF接收后將根據(jù)不同的值分別執(zhí)行開(kāi)、關(guān)、自動(dòng)、手動(dòng)、高速、中速、低速等操作。手機(jī)控制子流程如圖5所示。

4 蟻群算法在風(fēng)扇控制系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 蟻群算法的應(yīng)用框架

在風(fēng)扇控制系統(tǒng)中，時(shí)間變量和溫度變量呈現(xiàn)非線性的復(fù)雜關(guān)系，因此傳統(tǒng)的擬合方法或者PID控制策略等都不適用，而蟻群算法是一種基于種群的啟發(fā)式搜索算法，被廣泛應(yīng)用于多變量的路徑優(yōu)化和求解中。

蟻群算法在應(yīng)用到風(fēng)扇控制系統(tǒng)時(shí)，首先根據(jù)信息素模型構(gòu)建解記憶表，而后基于可變解記憶表研究螞蟻?zhàn)赃m應(yīng)基準(zhǔn)解，指導(dǎo)后續(xù)隨機(jī)解構(gòu)建，如圖6所示。

4.2 蟻群算法的隨機(jī)解構(gòu)建

螞蟻隨機(jī)解構(gòu)建方法是求解得到可靠解的關(guān)鍵。對(duì)于連續(xù)變量，螞蟻采用二次高斯分布進(jìn)行解構(gòu)建。螞蟻圍繞基準(zhǔn)解Sj，按行數(shù)和維數(shù)遍歷，依次對(duì)每個(gè)變量進(jìn)行解構(gòu)建。螞蟻在第i+j（1≤i≤r，1≤j≤c）步，將為（i，j）賦值。為此，螞蟻采用高斯分布抽樣基準(zhǔn)解Sj中Rji值的鄰域。高斯分布fji（x，y）中心μji為基準(zhǔn)解Sj中Rji值：

標(biāo)準(zhǔn)差σji由記憶表所有解的第i個(gè)連續(xù)變量取值共同決定[16]：

Rji值與其他k-1個(gè)解的第i個(gè)連續(xù)變量取值的平均距離反映了連續(xù)變量取值的收斂程度。同時(shí)，采用一個(gè)參數(shù)ξ來(lái)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)差σji。ξ值越高對(duì)應(yīng)放慢收斂速度，反之加快收斂速度。

4.3 蟻群算法對(duì)風(fēng)速控制參數(shù)的自動(dòng)化配置

本文利用離散變量的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)集，結(jié)合蟻群算法對(duì)風(fēng)速控制參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化配置，如圖7所示。一次自動(dòng)化配置過(guò)程包括運(yùn)算算法、反饋參數(shù)性能指標(biāo)、評(píng)價(jià)參數(shù)配置質(zhì)量、指導(dǎo)新的參數(shù)配置生成。其中訓(xùn)練場(chǎng)景包含蟻群算法和離散變量的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

5 仿真及應(yīng)用

5.1 系統(tǒng)仿真

本系統(tǒng)通過(guò)串口輸入不同溫度和時(shí)間并觀察PWM波的占空比，定性研究風(fēng)扇控制器的自適應(yīng)效果。設(shè)定溫度P∈[15，40]，時(shí)間T∈[0，24]，占空比PWM∈[0，1]，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab建模，得到占空比（風(fēng)速）與溫度、時(shí)間的關(guān)系，如圖8所示。從圖中可以清晰看出，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，中午12點(diǎn)左右的風(fēng)速將優(yōu)先升高，凌晨左右的風(fēng)速最后升高;相同時(shí)刻下隨著溫度的上升，風(fēng)速呈現(xiàn)單調(diào)不減的趨勢(shì)。

5.2 系統(tǒng)應(yīng)用

為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)際效果，本系統(tǒng)在保證安全和可操作性前提下，采用24 V直流供電風(fēng)扇在20～30 ℃的室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所列。

6 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)扇控制系統(tǒng)的研究對(duì)于提高人們的生活質(zhì)量以及促進(jìn)服務(wù)型智能產(chǎn)品的發(fā)展具有重要意義。本文介紹了風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架、主要硬件電路、程序流程圖及基于蟻群算法的風(fēng)扇控制方法。最后由仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。但由于個(gè)人水平有限，在抗干擾方面仍存在不足，系統(tǒng)有待完善。

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