鮑 夢(mèng)

（江西科技學(xué)院，江西 南昌 330098）

隨著計(jì)算機(jī)智能技術(shù)發(fā)展，人們不斷嘗試在傳統(tǒng)電風(fēng)扇基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)革新，實(shí)現(xiàn)了智能調(diào)溫和智能遙控，電風(fēng)扇不但沒有被淘汰，反而越來越受到人們喜愛。本設(shè)計(jì)針對(duì)傳統(tǒng)電風(fēng)扇存在的噪音大、費(fèi)電、需手動(dòng)開關(guān)機(jī)等缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的智能電風(fēng)扇較現(xiàn)在的空調(diào)，節(jié)能、安全、環(huán)保、使用方便、擺放便利、價(jià)格實(shí)惠，能通過感應(yīng)環(huán)境溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)速。

1 設(shè)計(jì)思想

1.1 智能電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方案

先利用熱釋電傳感器判斷人是否在風(fēng)扇的有效范圍之內(nèi)，再將DS18B20檢測(cè)到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)送到控制中心中處理，在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前的狀態(tài)，主要顯示實(shí)時(shí)溫度和溫度的上下限閥值以及風(fēng)扇的檔位。其中溫控模式下可以顯示出小數(shù)點(diǎn)后一位，而檔位模式下僅能顯示溫度整數(shù)位，自動(dòng)模式下以字母b開頭，后面顯示周圍環(huán)境溫度。同時(shí)，采用三極管驅(qū)動(dòng)PWM脈寬調(diào)制技術(shù)來調(diào)節(jié)風(fēng)扇的速度，使用紅外遙控完成模式的切換、風(fēng)扇的開關(guān)及溫度上下限值的設(shè)置[1]。實(shí)現(xiàn)功能如下：

1）風(fēng)扇有3種工作模式。溫控模式下，先收集實(shí)時(shí)溫度，再經(jīng)過函數(shù)計(jì)算，判斷人是否在有效距離范圍內(nèi)，自動(dòng)控制風(fēng)速；按鍵模式下，電風(fēng)扇有三個(gè)檔位，可選固定風(fēng)速運(yùn)行或進(jìn)行檔位切換；自動(dòng)模式下，通過感應(yīng)判斷人是否在有效距離范圍內(nèi)，如果在則啟動(dòng)風(fēng)扇，否則關(guān)閉風(fēng)扇。

2）通過數(shù)碼管顯示溫度、檔位。

3）通過按鍵調(diào)節(jié)溫度的上下限。

4）通過無線遙控控制電風(fēng)扇的開關(guān)、模式和溫度上下限值。

1.2 智能電風(fēng)扇工作原理

以STC89C52為中心來控制風(fēng)扇，通過溫度收集模塊與人體感應(yīng)模塊所檢測(cè)的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的控制[2]。溫度傳感器隨著環(huán)境溫度的變化而變化，而熱釋電傳感器通過感應(yīng)人的位置來檢測(cè)信號(hào)。溫控模式下，兩個(gè)信號(hào)必須同時(shí)具備才能通過驅(qū)動(dòng)電路開啟風(fēng)扇，并在數(shù)碼顯示器上顯示當(dāng)前的狀態(tài)。

2 主要電路設(shè)計(jì)

2.1 溫度采集電路

DS18B20出自于美國達(dá)拉斯公司，它的出現(xiàn)降低了電路的難度。它利用信號(hào)線傳輸數(shù)據(jù)，具有雙向調(diào)節(jié)功能，并且它具有成本低、性能高、低功耗的特點(diǎn)，最重要的是可以將收集到的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳送。

DS18B20有兩種工作方式，當(dāng)近距離操作時(shí)需要外部供電，此設(shè)計(jì)為VCC引腳提供外圍電源。當(dāng)遠(yuǎn)距離控制時(shí)可以省略外圍供電，由P1.0引腳來供電。P1.0引腳電源降低時(shí)，傳感器內(nèi)部電容放電；P1.0引腳電源升高時(shí)，內(nèi)部電容存電，可以給傳感器提供電能，從而實(shí)現(xiàn)寄生電源的能力[3]。通過GND與DQ可完成DS18B20操作，且VCC提供了外部5 V電源，其電路如圖1所示。

圖1 DS18B20電路圖

2.2 人體感應(yīng)電路

熱釋電傳感器可靠性強(qiáng)、靈敏度高，被廣泛運(yùn)用在各種自動(dòng)感應(yīng)家用電器中。本設(shè)計(jì)使用的是HC-SR501熱釋電傳感器，其特點(diǎn)如下。

1）自動(dòng)感應(yīng)：當(dāng)人在感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，輸出高電平；當(dāng)人不在感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，將會(huì)自動(dòng)延時(shí)，由高電平變?yōu)榈碗娖捷敵觥?/p>

2）擁有感應(yīng)封鎖時(shí)間：在這段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)不到任何信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。

3）工作電壓為5 V～20 V，范圍廣泛。

4）功耗?。红o態(tài)電流為55mA，適合需電池供電的產(chǎn)品。

5）可以輸出高電平信號(hào)，方便各個(gè)電路的連接。

工作原理：人的身體有相對(duì)恒定的體溫，通常是36.5℃，所以它會(huì)以大約10μm的波長發(fā)出紅外線，人體發(fā)出的紅外線經(jīng)過濾光片加強(qiáng)后，再匯聚到感應(yīng)的源頭。自動(dòng)感應(yīng)一般使用熱釋電元器件，當(dāng)人體的溫度有所變化時(shí)，它就會(huì)失去電荷平衡，電荷向外釋放，在電荷釋放被發(fā)現(xiàn)后，立即發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

本設(shè)計(jì)中所用的HC-SR501是通過紅外線來檢測(cè)人是否存在。HC-SR501傳感器的功能是自動(dòng)感應(yīng)，如果人在有效距離內(nèi)則變?yōu)楦唠娖剑?jīng)過一段延時(shí)，人離開后則恢復(fù)低電平。在電路中，HC-SR501輸出端口與STC89C52 P2.0引腳相連，無人情況下不會(huì)引動(dòng)單片機(jī)的P2.0引腳，能有效地支配風(fēng)扇的開啟與關(guān)閉，完成自動(dòng)感應(yīng)的功能。由于采取的是用單片機(jī)P2.0引腳來轉(zhuǎn)換電平的高低，所以在沒有引動(dòng)單片機(jī)時(shí)，風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并不會(huì)因?yàn)闊後岆妭鞲衅鞯臏y(cè)試而循環(huán)觸發(fā)。只有觸發(fā)時(shí)才會(huì)引動(dòng)程序，人體感應(yīng)電路如圖2所示。

圖2 人體感應(yīng)電路圖

2.3 紅外遙控電路

紅外一體接收頭是通過二極管發(fā)射信號(hào)，本設(shè)計(jì)使用的二極管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通的二極管結(jié)構(gòu)一樣。

工作原理：現(xiàn)實(shí)生活中，人眼可視光一般按照波長順序排列為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫。紅光波長在0.59μm～0.80μm，紫光波長在0.33μm～0.50μm。波長比紅光還長的光叫紅外線，紅外線波長為0.76μm～1.5μm。本設(shè)計(jì)采用紅外一體接收發(fā)送器來傳送控制信號(hào)，紅外一體接收器中引腳一與單片機(jī)P3.3引腳（中斷引腳）相連，引腳二接地，引腳三連接電源，可控制風(fēng)扇操作。具體的紅外遙控電路圖如圖3所示。

圖3 紅外遙控電路圖

2.4 三極管驅(qū)動(dòng)電路

1）三極管的基本原理：當(dāng)b電位高于e電位時(shí)，發(fā)射極為正偏；當(dāng)c電位高于b電位時(shí)，集電極為反偏，而且集電極電源Ec要高于基極電源Eb。

2）三極管特點(diǎn)如下：①驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；②易于集成化；③可用于功率大的電路模塊；④易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可提高工作效率；⑤可靠性高，抗振能力強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)用的是三極管放大原理，與單片機(jī)P3.6引腳端口相連接，隨電壓的大小來改變風(fēng)速的快慢，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖

2.5 LED顯示電路

本設(shè)計(jì)的顯示電路由多個(gè)LED構(gòu)成。每一個(gè)數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f、g和dp端 口 各 自 連 接， 用 來 接 收STC89C52的P0.0端口發(fā)出的顯示段碼。S1、S2、S3、S4引腳端口是位選端口，用來接收STC89C52的P2口發(fā)出的位選碼。本設(shè)計(jì)運(yùn)用動(dòng)態(tài)掃描方式，當(dāng)CPU從字段輸出口傳送字型碼時(shí)，所有LED都收到同樣的字碼，哪個(gè)LED最亮，完全依賴于COM端口。COM端口與單片機(jī)的I/O接口互相連接，由單片機(jī)輸出位選碼到I/O口，決定哪個(gè)LED被點(diǎn)亮。雖然LED點(diǎn)亮的時(shí)間很短，但因人的視力會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)覺，感覺到的是一組不變的數(shù)碼，顯示電路如圖5所示。

圖5 顯示電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)感應(yīng)程序

在main函數(shù)中首先進(jìn)行初始化，打開外部連接，將邊緣觸發(fā)設(shè)置為自動(dòng)感應(yīng)，如果感應(yīng)到有人在則打開風(fēng)扇，否則關(guān)閉風(fēng)扇。在自動(dòng)感應(yīng)函數(shù)中，首先將PWM標(biāo)記為1，電扇處于關(guān)閉狀態(tài)，電平重返；再檢查PWM是否為0，是則打開風(fēng)扇，反之關(guān)閉，自動(dòng)感應(yīng)程序如下。

3.2 溫度采集程序

溫度采集程序根據(jù)時(shí)序進(jìn)行，首先，初始化DS18B20，其次，設(shè)置傳感器的DQ引腳高低，再采集環(huán)境溫度并讀取數(shù)據(jù)，接著檢測(cè)溫度是否符合正常范圍，如果符合繼續(xù)工作，不符合則復(fù)位重來[4]，程序如下：

3.3 紅外遙控程序

紅外接收函數(shù)編寫簡單，只需循環(huán)檢測(cè)三個(gè)端口。如果相應(yīng)的端口位于高電平時(shí)，說明端口被按下，函數(shù)返回1、2、3對(duì)應(yīng)的檔位；如果三個(gè)端口皆為低電平，則輸入0，此時(shí)無法實(shí)現(xiàn)遙控功能，程序如下：

3.4 數(shù)碼顯示程序

程序的作用是將從DS18B20收集的二進(jìn)制溫度數(shù)值轉(zhuǎn)變成數(shù)字，在數(shù)碼管上呈現(xiàn)出來。運(yùn)用動(dòng)態(tài)掃描的顯示方式，先位選再段選，最后延時(shí)，程序如下：

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇功能的多樣化，通過三極管實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)變了人們對(duì)電扇的認(rèn)知。通過溫度傳感器可對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行收集，使得電風(fēng)扇有了靈敏的感應(yīng)能力，電風(fēng)扇的性能得到了保證。實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇的多種運(yùn)行模式。自動(dòng)模式下，通過感應(yīng)人體信號(hào)控制風(fēng)扇開關(guān)；溫控模式下，通過實(shí)時(shí)溫度控制風(fēng)速；遙控模式下，通過紅外遙控控制風(fēng)扇的開關(guān)與設(shè)置。多種模式更加符合大眾的要求，使風(fēng)扇功能更完善。實(shí)現(xiàn)了在4.5 m的距離內(nèi)控制風(fēng)扇的開關(guān)、進(jìn)行模式的切換與風(fēng)速切換的功能。