安勝勇,杜傳紅
(安順學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院,貴州 安順 561000)
傳統(tǒng)的家電耗能大,使用不方便,這樣就會逐漸被市場所淘汰。隨著人們生活水平的不斷提高及國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人們對家電方面的需求逐漸向智能化方向轉(zhuǎn)變。在電風(fēng)扇行業(yè),市面上大部分都是老式的手動換擋電風(fēng)扇。目前,國內(nèi)還沒有溫控電風(fēng)扇的產(chǎn)品,但是在其相關(guān)的產(chǎn)品中已經(jīng)有了它的身影,如臺式電腦的主機(jī)散熱器就是根據(jù)電腦芯片及顯卡的溫度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,這樣不僅能解決電腦散熱問題,還可以節(jié)約電能。加快研究新型智能電風(fēng)扇是一種趨勢,相信在未來這種溫控風(fēng)扇肯定會在生活中被使用。
據(jù)調(diào)查,在2020 年消費(fèi)升級的大背景下,夏季電風(fēng)扇的市場銷售量與其他家電同比增長了22%,總的銷售量占據(jù)了家電零售額的45%左右,而這45%中就有30%的銷售量是新型家用智能風(fēng)扇。因此,可以看出智能溫控風(fēng)扇是完全符合人們消費(fèi)需求的,且由于中國人口基數(shù)大,電風(fēng)扇需求量大,目前智能溫控風(fēng)扇有很大的消費(fèi)市場。根據(jù)環(huán)境溫度來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,這種新概念的風(fēng)扇相信很快就會問世。其會以STC89C5 單片機(jī)為主要的控制芯片,接收和處理數(shù)據(jù);以紅外感應(yīng)、溫度采集和鍵盤作為輸入,PWM 脈寬調(diào)制信號、液晶顯示為輸出;通過單片機(jī)將接收到的各種輸入信號進(jìn)行處理,然后將處理好的信號傳送給輸出模塊,驅(qū)動液晶顯示,PWM 波控制來調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)是否有人或溫度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)風(fēng)扇的自動啟停,同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速還能根據(jù)溫度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。
本論文所設(shè)計(jì)的溫控風(fēng)扇主要是實(shí)現(xiàn)溫度控制和人體檢測的功能,設(shè)計(jì)包括硬件和軟件2 個(gè)部分。硬件方面:以人體紅外感應(yīng)、溫度采集和按鍵作為輸入,以PWM 脈寬調(diào)制信號、液晶顯示為輸出,通過單片機(jī)將接收到的各種輸入信號進(jìn)行處理,然后將處理好的信號傳送給輸出模塊。軟件方面程序編寫使用C語言,在keil 軟件中進(jìn)行運(yùn)行和燒錄。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1 所示。
圖1 系統(tǒng)硬件組成
本設(shè)計(jì)采用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,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)勢在于調(diào)速的效率高[1]。
2.1.1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)
由外部電路與芯片連接而成。它作為溫控風(fēng)扇電路設(shè)計(jì)的核心,所有的輸入輸出信號都要由它來調(diào)控。簡單來說就是,含有晶振、復(fù)位電路、電源及燒錄程序端口的單片機(jī)整體。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2 所示。STC89C52 芯片供電電壓為5 V 直流電,可采用USB 口接入40 和20 引腳為其供電。
2.1.2 單片機(jī)時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)
時(shí)鐘電路位于STC89C52 芯片的內(nèi)部,沒有的話,芯片就不能進(jìn)行工作。芯片內(nèi)部的時(shí)鐘電路是用來聯(lián)合外部晶振完成振蕩的電路,這樣芯片就有了運(yùn)行時(shí)鐘,運(yùn)行時(shí)鐘為0,芯片則不會運(yùn)行,若不為0,則正常運(yùn)行,但是如果超出了STC89C52 芯片的工作頻率,這時(shí)的時(shí)鐘電路狀態(tài)下也不會工作。XTAL1 與XTAL2 分別接單片機(jī)的19 和18 引腳,如圖2 所示。
圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)
經(jīng)過單片機(jī)輸出的信號會在LCD1602 液晶顯示器上直接讀出環(huán)境溫度及電風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速的相關(guān)數(shù)值。字符型液晶顯示器模塊內(nèi)部主要由LCD 顯示屏、控制器、驅(qū)動器和偏壓產(chǎn)生電路組成[2]。其控制器主要由指令寄存器IR、數(shù)據(jù)寄存器DR、忙識別位BF、地址計(jì)數(shù)器AC、DDRAM、CGROM、CGRAM 及時(shí)序發(fā)生電路組成[2]。LCD 接口電路如圖3 所示。
圖3 LCD 接口電路
LCD4、5 和6 引腳分別與單片機(jī)的P2.5 口、P2.6口和P2.7 口連接,D0 至D7 引腳依次接P0.0 至P0.7。排阻com 接口與LCD2 引腳及單片機(jī)的401 引腳接VCC,R1 至R8 對應(yīng)接LCD DB0 至DB7 引腳再分別對應(yīng)接單片機(jī)芯片的P0.0 至P0.7 端口。
溫度采集方面采用DS18B20 溫度傳感器。DS18B20 溫度傳感器是非常智能的傳感器,其內(nèi)部自帶A/D 轉(zhuǎn)換器,所以它能直接顯示出采集的溫度值,更具直觀性。其測量范圍-55~125 ℃,正常情況下誤差為±0.5 ℃,測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度,而且它的抗干擾能力極好,即使在一些極端的環(huán)境下也能較準(zhǔn)確地輸出溫度值,同時(shí)將采集到的溫度傳給單片機(jī)。如圖4 所示,其為溫度采集電路。中間引腳,即2 引腳與單片機(jī)的P1.0 引腳相連實(shí)現(xiàn)溫度信號傳輸。
圖4 溫度采集電路
本系統(tǒng)中風(fēng)扇電機(jī)的速度是根據(jù)單片機(jī)輸出的PWM 脈沖控制實(shí)現(xiàn)的[3]。溫度可以通過手動按鍵控制范圍,單片機(jī)通過P2.7 口與三極管Q1 端相連輸出PWM 波驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速。電機(jī)及調(diào)速電路如圖5 所示。
圖5 電機(jī)及調(diào)速電路
人體紅外感應(yīng)電路1 引腳與單片機(jī)的P3.2 口連接,輸出的高低電平信號可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟停。采用重復(fù)觸發(fā)方式,從人體出現(xiàn)并保持活動到離開前期間,感應(yīng)模塊一直輸出高電平,直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖剑L(fēng)扇停止轉(zhuǎn)運(yùn)[4]。人體紅外感應(yīng)電路如圖6 所示。
圖6 人體紅外感應(yīng)電路
按鍵設(shè)置電路有3 個(gè)按鍵。每個(gè)按鍵有4 個(gè)引腳,對角連接到單片機(jī)GND 或者直接連接GND。工作原理很簡單,按下和松開分別對應(yīng)輸出高低電平。當(dāng)按鍵按下后程序就執(zhí)行按鍵所執(zhí)行的條件,單片機(jī)接收按鍵輸出的低電平后就開始進(jìn)行處理。按鍵控制電路如圖7 所示。S1 至S3 開關(guān)各自對應(yīng)接單片機(jī)的P1.1、P1.2 和P1.3 口。
圖7 按鍵控制電路
STC89C52 芯片供電電壓為5 V 直流電,因此采用常用的USB 口輸入直流電壓供電。電源電路如圖8 所示。其中SWICH 是電源開關(guān),POW 是電源輸入端。
圖8 電源電路
軟件方面程序編寫使用C 語言,在keil 軟件中進(jìn)行運(yùn)行和燒錄。主程序包括整個(gè)系統(tǒng)及各子模塊初始化、DS18B20 溫度讀取、LCD1602 液晶顯示及調(diào)節(jié)風(fēng)扇擋位等。主程序流程圖如圖9 所示。
圖9 系統(tǒng)主程序流程圖
仿真采用Proteus 軟件。Proteus 能實(shí)現(xiàn)不同類型的電路設(shè)計(jì)仿真,包含模擬電路、數(shù)字電路及復(fù)雜的其他電路。本論文中設(shè)置的最低溫度為19 ℃,最高溫度為35 ℃,最后編譯程序、加載、仿真。
當(dāng)設(shè)定溫度為20 ℃,環(huán)境溫度低于20 ℃時(shí)且檢測到有人,這時(shí)人體紅外模擬開關(guān)閉合輸出低電平,風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動,PWM 脈沖無高電平輸出,即風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動。當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定的最低溫度20 ℃且檢測到有人,這時(shí)人體紅外模擬開關(guān)閉合輸出低電平,PWM 有高電平輸出即風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動,仿真圖如圖10所示。當(dāng)檢測到有人,且溫度越高時(shí)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越快,輸出的PWM 脈沖高電平波形越長,風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動,如圖11 所示。當(dāng)溫度高于設(shè)定的最高溫度30 ℃且檢測到有人時(shí)風(fēng)扇全速轉(zhuǎn)動,PWM 脈沖波形一直保持高電平輸出。
圖10 有人且溫度高于設(shè)定溫度風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動仿真
圖11 有人且溫度越高時(shí)風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動仿真
本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了根據(jù)紅外人體檢測和溫度實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇開啟智能化,對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也實(shí)現(xiàn)了自動控制,可以根據(jù)溫度的變化控制進(jìn)行調(diào)速。這對于市面上的傳統(tǒng)風(fēng)扇來說是一個(gè)巨大的突破。本文對設(shè)計(jì)作了較為詳細(xì)地闡述,同時(shí)給出了具體的電路設(shè)計(jì)接口和軟件設(shè)計(jì)流程。系統(tǒng)以人體紅外檢測、溫度采集和按鍵作為輸入,PWM 脈寬調(diào)制信號和液晶顯示為輸出,單片機(jī)將接收到的各種輸入信號進(jìn)行處理,將處理好的信號傳送給液晶顯示器實(shí)時(shí)展現(xiàn)溫度信息,并通過PWM 波調(diào)節(jié)風(fēng)扇擋位,最終完成了人體感應(yīng)與溫度變化共同控制的新型風(fēng)扇。