基于蟻群算法的風扇控制系統設計

郭中會 李松松 李敏 張宸宸 夏聞澤?

摘 要：針對目前市場上智能風扇貴而不實和老式風扇功能單一的現狀設計了一種智能風扇控制器，該控制器采用單片機STC89C52作為主控，利用溫度傳感器對環境溫度進行感知，利用時鐘芯片對時間信息進行記錄，根據蟻群算法得到當前最適合用戶的風速，進而實現了手機遙控、時鐘顯示、定時啟停、自動調速、夜間自動降速等功能。測試表明：顯示裝置可以精確顯示時間和溫度變化，無線控制距離可以覆蓋面積為100 m2的樓房，各項功能均達到預期效果，且具有較大的應用價值。

關鍵詞：風扇控制器;溫度檢測;無線控制;蟻群算法;單片機;傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）06-00-03

0 引 言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高和科技的快速發展，電風扇變得越來越智能化、多功能化，但目前已知的智能風扇僅增加了照明、驅蚊等不實用的功能[1]。據統計，消費者在追求個性時尚及精致的同時，也愈加關注健康，長時間在風扇下不僅容易對人體的血管、肌肉等造成嚴重傷害，還會因受涼引發感冒發燒等。因此，具有自主調節風量大小的電風扇越來越受到消費者的青睞[2]。

張曉東研究的無線遙控風扇無極調速器很好地解決了無線技術在電風扇上的應用問題，并且可使用軟件實現無極調速，將軟件與硬件完美結合[3]。周學禮等通過對溫度傳感器的應用實現了對電風扇的自動溫控，但其調速方法為步進調速，在很大程度上影響了風扇自動控溫的精度[4-6]。隨著技術的更新與進步，電風扇的功能將變得越來越全面，使用越來越便捷，會向著多功能化及小型化的方向發展[7-9]。

文中設計了一款能夠實現手機遙控、時鐘顯示、定時、自動調速、夜間自動降速等功能的智能電風扇。該電風扇的應用將極大地改善人們的生活，使人們擺脫機械定時的吱吱聲、換擋不方便、深夜天氣轉涼導致感冒發燒等舊式風扇帶來的負面影響。

1 系統總體設計

自動風扇控制設計以STC89C52單片機為主控單元，通過DS1302實時時鐘芯片和DS18B20溫度傳感器分別將當前時間和溫度傳輸到主控，主控收到當前時間和溫度后一方面將其值傳送到LCD1602顯示屏和手機客戶端，另一方面在自動控制時通過蟻群調節控制LM298風扇電機驅動上的PWM占空比，達到無差別調速的目的。在手機無線控制方面，使用藍牙模塊與手機直接通信，通過手機發送不同的控制指令，單片機根據接收的指令執行不同的控制模式，如調速、更改時間、模式選擇等。設計具有齊全的手機遙控、時鐘顯示、定時、自動調速、夜間自動降速等功能。系統結構如圖1所示。

2 硬件整體設計

2.1 單片機最小系統

設計采用增強型STC89C52R單片機，可以任選6個時鐘/機器周期或12個時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統8051。工作頻率可達48 MHz，通用I/O口為32個，其應用程序的空間為8 KB，片上集成的RAM為512 B，此外還具有2個16位計數器（定時器）和4路外部中斷[10]。

2.2 顯示模塊的設計顯示模塊采用字符型液晶LCD1602A。設計時，采用8位

總線傳輸方式接單片機P0.0～P0.7;寄存器選擇口BS接單片機P2.6，用于選擇寄存器類別;信號讀寫線R/W接單片機P2.5，用于選擇讀寫操作方式;液晶顯示器對比度調整端VO接電位器，通過電位器分壓后得到VO端電壓。其工作過程大致為先進行初始化，而后不斷寫數據以顯示更新內容并通過讀數據保證所寫數據準確傳達，保障系統正常工作。

2.3 直流電機驅動的設計

直流電機驅動使用L298N驅動芯片，其內部包含4通道邏輯電路，同時具備抗干擾能力強，驅動能力強，發熱量低等優點。在驅動模塊電路的設計中，輸入IN1和IN2驅動信號，其中將IN1接單片機I/O口，IN2接VCC。D6＼D8＼D10＼D12與D7＼D9＼D11＼D13分別構成兩個H橋高電壓大電流全橋式驅動器，可驅動46 V/2 A以下的電機[11-12]。驅動使用了大容量濾波電容，續流保護二極管，提高了驅動電路的可靠性，其中OUT1，OUT2與風扇連接。驅動模塊電路連接如圖2所示。

2.4 無線控制系統的設計

無線控制HC-06芯片具有無線收發、高靈敏度、低電壓（3.3 V）工作、小體積、低功耗、低成本等特點，其外圍電路簡單，內置2.4 GHz天線、外置8 Mbit FLASH。無線藍牙與單片機的連接采用串口UART方式，當無線藍牙接收到數據后通過端口TXD向中樞控制器單片機進行寫操作，而單片機的RXD進行讀操作;當單片機向外發送數據時，通過單片機的TXD完成寫操作，而無線藍牙的RXD讀數據，經過處理后發送。無線控制系統電路如圖3所示。

2.5 時鐘模塊

時鐘模塊使用DALLAS公司設計生產的DS1302芯片，該芯片內含31 B靜態RAM和一個實時時鐘即日歷。實時時鐘提供秒、分、時、日、月、年的信息，并且每月的天數和閏年的天數可自動調整。DS1302與單片機之間能簡單地通過同步串行的方式通信，僅需用CE復位、I/O數據線和SCLK串行時鐘三個口線即可實現。與單片機連接時，數據線I/O接單片機P1.1口，以實現總線的功能;串行時鐘SCLK接單片機P1.0口，以控制數據的讀寫狀態;復位端CE接單片機P1.2用于對實時時鐘芯片DS1302的復位。

3 軟件設計

3.1 總程序設計

在程序運行時，單片機首先進行初始化，開啟定時器0、定時器1和串口中斷4，而后等待控制指令。在控制中，采用按鍵控制與手機無線控制并行控制的思路，即按鍵檢測與手機無線接收以“或”的方式在程序中運行[13]。根據控制信號的不同執行不同的子程序，即萬年歷的設置、調速方式的設置、夜間降速模式的設置、風速與溫度的關系等。程序總流程如圖4所示。

3.2 無線控制程序設計

在手機無線控制子程序中，當手機向藍牙發送十六進制數據時，藍牙接收后通過串口發送至單片機，SBUF接收后將根據不同的值分別執行開、關、自動、手動、高速、中速、低速等操作。手機控制子流程如圖5所示。

4 蟻群算法在風扇控制系統的應用

4.1 蟻群算法的應用框架

在風扇控制系統中，時間變量和溫度變量呈現非線性的復雜關系，因此傳統的擬合方法或者PID控制策略等都不適用，而蟻群算法是一種基于種群的啟發式搜索算法，被廣泛應用于多變量的路徑優化和求解中。

蟻群算法在應用到風扇控制系統時，首先根據信息素模型構建解記憶表，而后基于可變解記憶表研究螞蟻自適應基準解，指導后續隨機解構建，如圖6所示。

4.2 蟻群算法的隨機解構建

螞蟻隨機解構建方法是求解得到可靠解的關鍵。對于連續變量，螞蟻采用二次高斯分布進行解構建。螞蟻圍繞基準解Sj，按行數和維數遍歷，依次對每個變量進行解構建。螞蟻在第i+j（1≤i≤r，1≤j≤c）步，將為（i，j）賦值。為此，螞蟻采用高斯分布抽樣基準解Sj中Rji值的鄰域。高斯分布fji（x，y）中心μji為基準解Sj中Rji值：

標準差σji由記憶表所有解的第i個連續變量取值共同決定[16]：

Rji值與其他k-1個解的第i個連續變量取值的平均距離反映了連續變量取值的收斂程度。同時，采用一個參數ξ來調節標準差σji。ξ值越高對應放慢收斂速度，反之加快收斂速度。

4.3 蟻群算法對風速控制參數的自動化配置

本文利用離散變量的標準函數集，結合蟻群算法對風速控制參數進行自動化配置，如圖7所示。一次自動化配置過程包括運算算法、反饋參數性能指標、評價參數配置質量、指導新的參數配置生成。其中訓練場景包含蟻群算法和離散變量的標準函數訓練數據。

5 仿真及應用

5.1 系統仿真

本系統通過串口輸入不同溫度和時間并觀察PWM波的占空比，定性研究風扇控制器的自適應效果。設定溫度P∈[15，40]，時間T∈[0，24]，占空比PWM∈[0，1]，對數據進行Matlab建模，得到占空比（風速）與溫度、時間的關系，如圖8所示。從圖中可以清晰看出，當溫度逐漸升高時，中午12點左右的風速將優先升高，凌晨左右的風速最后升高;相同時刻下隨著溫度的上升，風速呈現單調不減的趨勢。

5.2 系統應用

為了檢驗系統的實際效果，本系統在保證安全和可操作性前提下，采用24 V直流供電風扇在20～30 ℃的室內進行實驗，實驗結果見表1所列。

6 結 語

風扇控制系統的研究對于提高人們的生活質量以及促進服務型智能產品的發展具有重要意義。本文介紹了風扇控制系統的設計過程，包括系統設計框架、主要硬件電路、程序流程圖及基于蟻群算法的風扇控制方法。最后由仿真和實驗數據得出控制系統達到設計要求的結論。但由于個人水平有限，在抗干擾方面仍存在不足，系統有待完善。

參 考 文 獻

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