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)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體概述

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

1.2 調(diào)速方式

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 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

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)

2.2 液晶顯示模塊

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。

2.3 溫度采集模塊

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

2.4 風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動與調(diào)速模塊

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

2.5 人體紅外感應(yīng)模塊

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

2.6 按鍵電路設(shè)置

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

2.7 電源電路

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

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

4 系統(tǒng)調(diào)試及仿真

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

5 結(jié)束語

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。