陳俊妍 肖祖文

（湖北汽車工業(yè)學院機械工程學院，湖北 十堰 442002）

1 概述

隨著科技的不斷發(fā)展，生活中的傳統(tǒng)家電也逐漸向著智能化變遷。電扇作為生活中必不可少的家電，人們也早已不滿足于傳統(tǒng)電扇溫度調(diào)節(jié)的固定模式，逐漸趨向于能夠通過溫度變化監(jiān)控，從而實現(xiàn)智能化溫度調(diào)節(jié)控制的模式。傳統(tǒng)電扇雖然也推出了睡眠模式等，但是睡眠模式的溫度變化控制遵循的是固定溫度控制曲線，并不是根據(jù)實際室溫變化而進行溫度控制。[1]對于生活生活水平、生活質(zhì)量不斷提高的用戶來說，傳統(tǒng)電扇根本無法滿足人們對舒適感的最高要求。為適應(yīng)人們的需求，智能控制電風扇也應(yīng)運而生，我們已經(jīng)對傳統(tǒng)的家用電風扇系統(tǒng)做出了改進，大大改善了傳統(tǒng)家用電風扇無法隨著氣溫的變動而調(diào)整風速高低的問題，并增加遠程遙控功能，讓用戶能夠在不靠近風扇的情況下進行溫度設(shè)置。該智能溫控風扇具有環(huán)保、智能、安全高效、方便、性價比高等特點，將為人們的生活帶來便利。[2]

本設(shè)計以STC89C51 單片機為控制核心的智能控制風扇，利用DS18B20 檢測當前環(huán)境溫度，并傳送回主控單片機內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理。DS18B20 獲得的溫度控制數(shù)據(jù)之后通過PWM 驅(qū)動原理，使溫度控制感應(yīng)器將所收集環(huán)境溫度與控制系統(tǒng)預設(shè)的環(huán)境溫度相互比較。根據(jù)比較后結(jié)論，通過程序編程改變其占空比來確定風速的大小以及運行狀態(tài)。與此同時，該設(shè)計可以實時顯示當前溫度，使用戶能夠清晰了解當前溫度狀態(tài)，若溫度設(shè)置不符合用戶要求，可及時采用紅外遙控進行溫度設(shè)置，并調(diào)節(jié)風扇風力大小。本文中所設(shè)計的溫控風扇改變了傳統(tǒng)風扇性能簡單，但智能性卻較差的弊端，可以大大提高人類的生活品質(zhì)以及對舒適度的高需求。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

考慮到智能溫控風扇系統(tǒng)應(yīng)用對象和應(yīng)用范圍，本次智能溫控風扇系統(tǒng)設(shè)計需要在實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的同時滿足以下幾個方面的因數(shù)：（1）性價比高；（2）可靠性高；（3）結(jié)構(gòu)簡單。為達到高性價比的特點，本產(chǎn)品設(shè)計主控芯片選用了性價比最高的單片機STC89C51，該芯片在能夠適應(yīng)系統(tǒng)的基本產(chǎn)品設(shè)計要求的同時，還具備了各項優(yōu)點。[3]

系統(tǒng)使用了STC89C51 單片機控制器為核心控制器，并通過DS18B20 作為溫度測量單元，以電機為主要執(zhí)行單元，同時還能夠通過LED 數(shù)碼管顯示器來實現(xiàn)溫度顯示。本系統(tǒng)的基本控制思想是：利用DS18B20 實時測量使用環(huán)境的當前溫度，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，利用PWM方式調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，能夠讓家用電風扇隨周圍環(huán)境氣溫的改變而自行調(diào)整檔位，從而達到“溫度高、風力大、氣溫低、風力弱”的特性。當所監(jiān)測到周圍環(huán)境氣溫小于其所設(shè)置的實際工作溫度控制時，家用電風扇也將自行關(guān)掉，當氣溫超過此實際工作溫度控制時家用電風扇也將重新啟動。此外，通過使用紅外線遙控裝置和按鈕均能夠完成所有功能的開啟、關(guān)閉和設(shè)置。智能控制電風扇系統(tǒng)的總體構(gòu)成框圖，如圖1 所顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1 主控模塊

系統(tǒng)核心控制模塊用來控制系統(tǒng)各模塊的正常工作，是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其控制系統(tǒng)主要由單一微機及最小系統(tǒng)電路所組成。STC89C51 是系統(tǒng)可編程芯片，片內(nèi)含4K Bytes 的可重復擦寫一千次的Flash 只讀程序內(nèi)存，晶片內(nèi)整合了通用八位中央處理器和ISP Flash 內(nèi)存模塊，提供在系統(tǒng)可編程(ISP)特性。STC89C51 具備的低效率、抗干擾、低電流、高性能、超高的處理能力以及性價比等優(yōu)點，給許多嵌入式系統(tǒng)提出了一個既靈活性大又廉價的方法。[4]

3.2 溫度檢測模塊

溫度采集模塊主要由溫度傳感器及其相關(guān)電路組成，用于讀取和發(fā)送室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)。為實時精確無誤地獲取溫度參數(shù)，系統(tǒng)選擇DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，并及時將數(shù)據(jù)傳輸至主控芯片，隨后傳輸至LED 進行顯示。DS18B20 溫度傳感器在測量室內(nèi)空氣溫度分布網(wǎng)絡(luò)中十分適用，提供了方便的組網(wǎng)功能，適合本系統(tǒng)的使用場合[5]。

DS18B20 是一款改進型智能式溫度感應(yīng)器，和傳統(tǒng)的熱敏電阻一樣，它能夠?qū)崟r讀出被測溫度，D1S8B20的溫度檢測區(qū)域為-55℃～+125℃。而且由于DS18B20是單線接口讀寫模塊，溫度轉(zhuǎn)換功率直接來自于數(shù)據(jù)總線，而總線本身也能夠進行給所連接的DS18B20 設(shè)備供電，并沒有額外供電，所以直接使用DS18B20 設(shè)備會導致整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更趨簡便，且安全可靠[6]。

3.3 電機控制模塊

電機控制模塊主要是由直流電機以及電機驅(qū)動電路所構(gòu)成的。電機的控制是采用PWM 波信號，由單片機改變PWM 占空比，從而控制三極管通斷，可完成從最大風力調(diào)整到關(guān)閉的控制，并將最大風力調(diào)整到從關(guān)閉無風力至最大風力之間的自由風力，從而實現(xiàn)了“自由風”。

當STC89C51 接受到由數(shù)字溫度傳感器DS18B20 所測出的最高溫信息后，并進行了相應(yīng)的運算，當測設(shè)環(huán)境溫度超過所設(shè)定的最高環(huán)境溫度后，發(fā)電機全速工作；當被測量的環(huán)境溫度在所設(shè)最高環(huán)境溫度與所設(shè)最低溫度之間時，電機轉(zhuǎn)速隨著溫度的升高而加；當所測溫度低于所設(shè)最低溫度時，電機停止轉(zhuǎn)動，若之后仍然溫度回升，電機再次緩慢運行，開始轉(zhuǎn)動。本設(shè)計采用程序的方式來對PWM 信息的占空比進行調(diào)整，進而改善電機的速度。利用改變直流電機電樞上電流的“占空比”來實現(xiàn)了改變有效電流大小的目的，并以此來調(diào)整電機的速度，從而完成了對風扇速度的調(diào)整[2]。

3.4 紅外遙控模塊

紅外遙控是一個無線、非接觸式的控制[7]，具備了抗干擾功能強，信號傳遞安全，耗電量少，成本低，易于實現(xiàn)等突出優(yōu)勢的，已被多種電子產(chǎn)品尤其是家電普遍使用，并越來越多的運用在個人電腦和手機控制系統(tǒng)中。[8]本系統(tǒng)硬件設(shè)計上使用了紅外線的遙控控制，十分方便和人性化。

3.5 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計

如圖2 為系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計，主要分為5 個模塊：主控模塊、溫度檢測模塊、電機控制模塊、紅外遙控模塊和顯示模塊。

圖2 系統(tǒng)總體硬件電路設(shè)計

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序模塊為整個電路運行主要思路和邏輯，其設(shè)計流程圖如圖3 所示。首先完成系統(tǒng)的初始化，以保證系統(tǒng)各硬件和軟件模塊能正常運行，隨后針對各模塊進行調(diào)用并最終實現(xiàn)該設(shè)計功能。

圖3 主程序流程圖

溫度采集模塊初始化主要是完成對所讀取數(shù)據(jù)清零，以免出現(xiàn)讀取的數(shù)據(jù)不準確或者系統(tǒng)溫度采集失敗的現(xiàn)象。顯示子程序的初始化是對顯示參數(shù)值清零，便于用戶實時觀察溫度變化情況。

當溫度采集模塊采集到室溫數(shù)據(jù)后，由單片機進行數(shù)據(jù)讀取和處理，單片機處理分析之后再將數(shù)據(jù)信號輸出至電機程序模塊和顯示程序模塊。每一次讀取和處理數(shù)據(jù)之后，先將數(shù)據(jù)傳輸至顯示程序模塊，并由顯示程序模塊處理為數(shù)碼管顯示指令和語句，從而實現(xiàn)溫度值的顯示。因為電扇應(yīng)用場景中，室溫一般在10-50℃以內(nèi)，因此選用四位數(shù)碼管實時動態(tài)顯示溫度亦能夠滿足需求。與此同時，系統(tǒng)將設(shè)置的溫度上下限和接收的數(shù)據(jù)在單片機進行分析判斷，若溫度超過上限，風扇電機將全速運轉(zhuǎn)，若溫度處于上下限之間，則電機緩慢運轉(zhuǎn)，否則電機停轉(zhuǎn)。主程序模塊根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計功能不斷循環(huán)反復，由此來實現(xiàn)風扇速度的控制和電機驅(qū)動。

5 實物測試

本系統(tǒng)我們采用Proteus 進行模擬仿真，隨后進行實物測試。實物測試前，在中央控制系統(tǒng)中利用在程序中預設(shè)上下限溫度，分別為15℃和32℃。剛開始起動之時，對當前的溫度進行采集，然后將溫度信號送到單片機，并由數(shù)碼管屏幕顯示實際溫度數(shù)值。由實物明顯可以看見，當溫度還未超過所設(shè)定的工作溫度下限時，電動機是停止不轉(zhuǎn)的；如果溫度達到了溫度下限，電機這時自動開始啟動、緩慢運轉(zhuǎn)，隨著溫度逐漸升高，電機的轉(zhuǎn)速也會越轉(zhuǎn)越快；當實時溫度超過了溫度限制值時，這時電機開始全速運轉(zhuǎn)，其實物測試效果如圖4。

圖4 實物效果圖

6 結(jié)論

為適應(yīng)現(xiàn)代人在炎炎夏日中對舒適度的高需求，并根據(jù)現(xiàn)代家居生活需求更偏向于的方便、環(huán)保、安全等特點，本文作者設(shè)計出了一個能夠隨著周圍溫度變化而自動控制速度的風扇系統(tǒng)，將智能控制與環(huán)保節(jié)能相結(jié)合，更加符合現(xiàn)代科技發(fā)展的大方向。該設(shè)計以單片機控制器STC89C51 為核心，使用了DS18B20 和數(shù)碼管的溫度采集與顯示方案，并同時應(yīng)用了PWM 電機調(diào)制原理和紅外無線遙控技術(shù)，具有控制功能齊備、耗電少、造價低、自動化程度較高、原理和程序設(shè)計簡單等的特點。