田真子，李 浩，李 玲

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046）

黨的十九大提出了實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，其中指出，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，在信息時(shí)代背景下，智慧農(nóng)業(yè)、農(nóng)村建設(shè)對(duì)于實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。在農(nóng)村大部分家庭使用的是傳統(tǒng)的風(fēng)扇，這種風(fēng)扇僅能夠控制電機(jī)進(jìn)行風(fēng)速的調(diào)節(jié)，并且是通過用戶手動(dòng)操作才能改變檔位，沒有倒計(jì)時(shí)、指示燈、溫控系統(tǒng)、節(jié)能等系列功能，沒有更多考慮用戶需求的實(shí)用設(shè)計(jì)，整體上存在缺少智能模塊、用戶體驗(yàn)感差的問題。

本論文積極響應(yīng)國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略號(hào)召，設(shè)計(jì)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的風(fēng)扇與IAP15F2K61S2單片機(jī)進(jìn)行配合更新，IAP15F2K61S2單片機(jī)作為微型控制器，在體積、價(jià)錢、品質(zhì)上有著很大的優(yōu)勢(shì)，因此現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用到各種智能化的產(chǎn)品上。本系統(tǒng)便是此單片機(jī)為底層硬件基礎(chǔ)，結(jié)合單片機(jī)原理、傳感器模塊和PWM調(diào)速技術(shù)，設(shè)計(jì)出的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)，根據(jù)周圍溫度的變化自動(dòng)切換檔位，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇的智能控制，切實(shí)滿足了用戶的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體概述

基于單片機(jī)的農(nóng)村智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)按鍵控制和溫度控制風(fēng)扇檔位雙模式、環(huán)境溫度值的采集、工作時(shí)間倒計(jì)時(shí)、數(shù)碼管顯示、LED指示燈多功能，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分系統(tǒng)采用高集成的防水型溫度傳感器DS18B20、3461BS數(shù)碼管、LED模塊、獨(dú)立鍵盤與單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)；軟件部分使用C語言在Keil uVision5軟件下進(jìn)行編寫。本系統(tǒng)總體控制的設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 調(diào)速方式的討論與選擇

方式1：PWM波調(diào)速。利用軟件控制單片機(jī)某一個(gè)端口輸出高低電平，在變化的時(shí)候使用延時(shí)程序循環(huán)掃描產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)，一般搭配定時(shí)器函數(shù)使用，通過用定時(shí)器設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間就可以產(chǎn)生不同的占空比。其優(yōu)勢(shì)在于調(diào)速的效率高。

方式2：變壓調(diào)速。通過變壓器對(duì)風(fēng)扇的電機(jī)電壓進(jìn)行控制。變壓調(diào)速是調(diào)整電機(jī)的端電壓，使電機(jī)在一定的調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，經(jīng)過控制晶閘管的導(dǎo)通模式改變輸出電壓，其優(yōu)勢(shì)主要在于通過電機(jī)運(yùn)行使得其在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都平穩(wěn)[2]。

在方式1中，整個(gè)智能控制過程中都是以數(shù)字形式來完成信號(hào)傳達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳達(dá)過程中信號(hào)持續(xù)為數(shù)字形式且沒有經(jīng)過相應(yīng)的形式變化，因此實(shí)現(xiàn)在這個(gè)過程中僅有極小的噪聲影響，讓用戶能有更好的使用體驗(yàn)。綜上所述，本系統(tǒng)最終選用PWM波調(diào)速進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 獨(dú)立按鍵模塊

本系統(tǒng)通過跳線帽選擇矩陣鍵盤中的S4-S7共四個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)按鍵控制的功能。S4按鍵為工作模式的選擇鍵和檔位選擇鍵；S5按鍵為定時(shí)按鍵，實(shí)現(xiàn)定時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇的功能；S6按鍵為停止功能鍵，實(shí)現(xiàn)一鍵關(guān)閉的功能；S7按鍵為周圍環(huán)境溫度查看按鍵。

2.2 LED指示燈模塊

本系統(tǒng)共使用L1-L5共五個(gè)LED燈組作為指示燈，通過選擇不同的工作模式會(huì)點(diǎn)亮不同的LED指示燈，為用戶帶來更好的功能體驗(yàn)感。

2.3 數(shù)碼管顯示模塊

本系統(tǒng)的數(shù)碼管顯示模塊采用兩組共陽極結(jié)構(gòu)的數(shù)碼管，共八位，可用于顯示系統(tǒng)工作檔位、倒計(jì)時(shí)時(shí)間和溫度。電路設(shè)計(jì)通過74HC138譯碼器以及74HC573鎖存器控制實(shí)現(xiàn)P0口控制段碼、P2口控制位碼。

2.4 溫度采集模塊

本系統(tǒng)選用的DS18B20溫度傳感器采用單總線的接口方式，單總線有著經(jīng)濟(jì)性好、抗干擾能力強(qiáng)、適合惡劣環(huán)境溫度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)[3]。其電路圖的設(shè)計(jì)過程，如圖2所示。由圖2可以明顯看出，它的數(shù)字信號(hào)輸出/輸入端DQ引腳與IAP單片機(jī)的P14引腳相連，當(dāng)溫度傳感器在感應(yīng)到周圍溫度的變化時(shí)，會(huì)及時(shí)將溫度信息傳輸給單片機(jī)。其中R11是溫度傳感器I/O端口的上拉電阻，目的是當(dāng)單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)結(jié)束時(shí)，可以重新將I/O端口重新拉到高電平[4]。

圖2 DS18B20電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序

本系統(tǒng)上電后，在系統(tǒng)完成相應(yīng)的初始化后，DS18B20元件開始實(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境溫度，用戶通過按鍵選擇手動(dòng)或自動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)會(huì)將采集到的溫度與用戶設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果控制風(fēng)扇調(diào)整到合適的檔位，無論是溫控還是人為設(shè)置檔位的，數(shù)碼管模塊都會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的檔位，LED模塊會(huì)亮起對(duì)應(yīng)的指示燈。當(dāng)用戶選擇定時(shí)模式時(shí)，數(shù)碼管模塊顯示倒計(jì)時(shí)剩余秒數(shù)，倒計(jì)時(shí)一結(jié)束，程序?qū)⒖刂骑L(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)。主程序流程圖，如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 數(shù)碼管顯示函數(shù)

溫度傳感器采集到的溫度、風(fēng)扇所處的檔位、倒計(jì)時(shí)秒數(shù)都可以顯示在數(shù)碼管上，本系統(tǒng)數(shù)碼管顯示采用循環(huán)動(dòng)態(tài)掃描，在編寫程序之前會(huì)先把所有能用到的共陽極字段碼全部存到一個(gè)數(shù)組中。每顯示完成一個(gè)數(shù)字之后延時(shí)一段時(shí)間，再進(jìn)行掃描下一位。這樣由于人眼的視覺惰性就會(huì)產(chǎn)生一種連續(xù)顯示的動(dòng)態(tài)效果。圖4為工作模式和倒計(jì)時(shí)顯示界面，圖5為室溫顯示界面。

圖4 工作模式和倒計(jì)時(shí)顯示界面

圖5 室溫顯示界面

3.3 按鍵掃描函數(shù)

通過選用矩陣鍵盤中S4-S7四個(gè)按鍵編寫程序?qū)崿F(xiàn)按鍵控制功能。按鍵S4每按一次實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式-睡眠風(fēng)-一檔-二檔-三檔五種模式的切換。按鍵S5每按一次實(shí)現(xiàn)倒計(jì)時(shí)10分鐘-倒計(jì)時(shí)20分鐘-倒計(jì)時(shí)30分鐘三種模式的切換。S6按鍵是系統(tǒng)的一鍵停止按鈕。按下S6按鍵，系統(tǒng)將停止工作，直到用戶通過S4按鍵重置工作模式或S5按鍵的時(shí)間被重置。按鍵S7是查看周圍環(huán)境溫度鍵，按下S7系統(tǒng)便會(huì)通過數(shù)碼管顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度，直到用戶再次按下S7系統(tǒng)會(huì)重新顯示工作模式和倒計(jì)時(shí)界面。

3.4 LED函數(shù)

本系統(tǒng)共設(shè)置 L1、L2、L3、L4、L5 共五個(gè) LED 燈組作為指示燈。自動(dòng)模式L1點(diǎn)亮；睡眠風(fēng)模式L2點(diǎn)亮；一檔模式L3點(diǎn)亮；二檔模式L4點(diǎn)亮；三檔模式L5點(diǎn)亮；如果用戶按下S6停止按鍵或當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，LED則會(huì)全部熄滅。

3.5 DS18B20讀寫操作函數(shù)

本系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，系統(tǒng)如要正常運(yùn)行溫度傳感器功能則要對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行以下工作編寫程序和調(diào)用：初始化、ROM的操作指令、讀 RAM 操作、進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。因此,使用該芯片要嚴(yán)格按照芯片的通信協(xié)議與工作時(shí)序。具體的初始化、讀操作和寫操作的時(shí)序圖分別如圖6-圖8所示。編寫系統(tǒng)程序設(shè)置不同的溫度區(qū)間自動(dòng)調(diào)整不同的檔位，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式下的智能溫控，同時(shí)無論風(fēng)扇是否處于停止?fàn)顟B(tài)，只要系統(tǒng)上電，用戶都可以實(shí)時(shí)查看室溫。

圖6 初始化時(shí)序圖

圖7 讀操作時(shí)序圖

圖8 寫操作時(shí)序圖

4 結(jié)束語

最終在Keil uVision5軟件下將用C語言編寫的代碼編譯鏈接生成hex文件，將其用STC燒錄軟件寫入到實(shí)際電路板中，經(jīng)過調(diào)試和運(yùn)行，系統(tǒng)可以穩(wěn)定執(zhí)行。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)研究過程中，通過基于傳統(tǒng)的風(fēng)扇設(shè)計(jì)以及現(xiàn)代用戶的切實(shí)需求，最終選用了IAP15F2K61S2單片機(jī)為主控芯片完成了系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)以及功能實(shí)現(xiàn)，為用戶提供了更高效、穩(wěn)定、智能化的溫控風(fēng)扇。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：具備自動(dòng)模式和手動(dòng)模式雙模式，可提供給客戶更多的選擇，自動(dòng)模式也為用戶帶來更好的使用體驗(yàn)，切實(shí)解決傳統(tǒng)風(fēng)扇只能人為操作的痛點(diǎn)；風(fēng)扇相比空調(diào)價(jià)格更低，給用戶的反饋更及時(shí)，即用即有，在夏季是每家每戶必不可少的電子產(chǎn)品，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)模式上有所更新，給用戶帶來更好的舒適感和實(shí)用性；溫度實(shí)時(shí)查看、LED模式指示燈、定時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)等功能多方面更人性化的從用戶的需求出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓用戶滿意。

當(dāng)然，本系統(tǒng)也有不同的改進(jìn)方向。后期迭代更新的時(shí)候可以引入模糊控制算法，設(shè)置對(duì)應(yīng)隸屬度區(qū)間，使得溫控系統(tǒng)所調(diào)節(jié)的檔位更符合人的體感而非僅僅根據(jù)室溫調(diào)節(jié)；并且在后期迭代更新時(shí)，還可以在系統(tǒng)中引入人體紅外感應(yīng)模塊，使得本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)扇及人來時(shí)自動(dòng)開始工作的功能。

綜上所述，本系統(tǒng)切實(shí)滿足了用戶的需求，具備五檔調(diào)速的智能溫控風(fēng)扇不僅讓用戶在炎熱的天氣里可以舒心地享受涼爽，還使得用戶能夠在夜晚無意識(shí)時(shí)享受到貼心的智能調(diào)節(jié)風(fēng)速的服務(wù)。并且本智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)也滿足國家所提倡的節(jié)能環(huán)保要求，讓用戶使用的更加放心。整個(gè)設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)的風(fēng)扇相比，有了很大的更新。綜合如今市場(chǎng)需求和智能控制的浪潮興起，本系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)仍具有良好的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)和較好的發(fā)展前景。