無線智能充電電風扇的設計

周文浩　羅澤宇　鄒靜

摘 要：電風扇是人們生活中必不可少的一種生活電器。但是，普通便攜式USB風扇的功能單一，其電源線往往會帶來麻煩。研究發(fā)現(xiàn)，采用無線充電技術(shù)，利用鋰電池組儲能，能夠彌補傳統(tǒng)電扇的缺陷，若再輔助其他功能，將會產(chǎn)生更高的實用價值。

關鍵詞：無線充電;ESP8266;電磁感應

中圖分類號：TM925.11;TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）20-0052-03

Design of Wireless Intelligent Charging Fan

ZHOU Wenhao LUO Zeyu ZOU Jing

（School of Information Engineering， Wuchang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065）

Abstract： Electric fans are an essential life appliance in people's lives. However， the ordinary portable USB fan has a single function， and its power cord often causes trouble. It is found that using wireless charging technology， using lithium battery pack energy storage， can make up for the defects of traditional electric fans， and if it assists other functions， it will produce higher practical value.

Keywords： wireless charging;ESP8266;electromagnetic induction

無線充電技術(shù)開創(chuàng)了一種新的供電方式。它利用無輻射的無線能量傳輸達到驅(qū)動電子器件的目的。這種方式有別于傳統(tǒng)的有線連接方式，更加便捷。雖然我國無線充電技術(shù)還處于起步階段，但隨著生活水平的日益提高，人們對無線充電技術(shù)滿懷信心，渴望其能夠早日普及。因此，筆者研究并設計了一款采用無線充電的智能便攜式風扇，在普通桌面USB風扇的基礎上添加無線充電功能，并且添加了WiFi控制、時鐘、溫濕度檢測等實用功能[1]，使得日常使用更加便捷，符合人們和市場的需求。

1 整體設計方案

本項目主要包含兩個方面：無線充電部分和風扇其他各個部分的控制。無線智能充電電風扇總體框架如圖1所示。將風扇放到充電底座上時，人們可以通過無線的方式給系統(tǒng)充電。系統(tǒng)中電池組將接收的能量存儲起來供給整個系統(tǒng)使用，機身上的OLED能顯示當前所處環(huán)境中的溫度、濕度、日期、時間和天氣等情況，用戶可以用手機上的APP，通過WiFi控制整個風扇的運轉(zhuǎn)，也可以讀取風扇檢測到的其他數(shù)值。

2 功能電路設計

2.1 無線充電部分

電磁感應式充電技術(shù)主要依據(jù)電與磁能夠互相轉(zhuǎn)換的原理，即法拉第電磁感應定律，其工作原理與變壓器的工作原理相似，主要通過兩個線圈的相互感應實現(xiàn)電能的傳輸。首先，發(fā)射端和接收端各有一個線圈，其相當于變壓器的初級和次級線圈。然后，初級線圈接入交流電時產(chǎn)生磁場，次級線圈由于有交變磁場的存在而感應出交變的電流。初級線圈與次級線圈之間是“松耦合”結(jié)構(gòu)，所以沒有磁芯，能量通過空氣傳輸，減輕了整個系統(tǒng)的體積和重量[1]。德州儀器公司的BQ500211芯片和BQ51013芯片是第二代數(shù)字無線電源發(fā)射和接收控制器，符合QI標準，外圍器件少，轉(zhuǎn)換效率較高。因此，選用BQ500211作為發(fā)射端控制芯片，選用BQ51013作為接收端控制芯片。發(fā)射端采用的是Tpye-c接口，需要外接5V電源適配器和數(shù)據(jù)線給發(fā)射端供電。無線充電工作原理如圖2所示。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)核心采用基于ARM-Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6低功耗嵌入式32位微處理器[2]。該處理器具有低功耗、多外設接口的優(yōu)點，其開發(fā)成本和維護成本低，適合作為本系統(tǒng)的控制核心。它用于采集實時時鐘模塊、溫濕度檢測模塊的數(shù)據(jù)，控制OLED顯示模塊和WiFi模塊完成整個系統(tǒng)的運行。

2.3 溫濕度檢測模塊

溫度檢測模塊采用DHT11傳感器采集室內(nèi)的溫度和濕度。DHT11是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，而且每一個傳感器都在OTP內(nèi)存中存入了在溫濕度校準室中獲得的校準系數(shù)，在傳感器內(nèi)部處理檢測信號時需要調(diào)用這些系數(shù)，保證數(shù)據(jù)的準確性。它和微處理器采用單總線雙向串行接口，僅需一個I/O口就可實現(xiàn)對溫度和濕度的同時采集，采集的溫度范圍為0～（50±2）℃，濕度范圍為20%～90%RH[3]。

每次采集時，微處理器會先拉低總線并持續(xù)18μs，然后設置I/O口為輸入模式，并釋放數(shù)據(jù)總線，等待從機（DHT11）的響應。如果DHT11傳感器工作正常，則會在接收到微處理器發(fā)出的開始信號后持續(xù)拉低數(shù)據(jù)總線80μs來通知主機傳感器狀態(tài)正常，然后持續(xù)拉高總線80μs通知主機準備接收數(shù)據(jù)。隨后，按照“高位在前、低位在后”的順序，將40位數(shù)據(jù)幀一位一位地發(fā)送給主機，數(shù)據(jù)格式為“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗位”。其中，溫濕度小數(shù)部分默認為0。當40位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，傳感器會持續(xù)拉低總線50μs并釋放總線，至此完成一次采集過程。

2.4 實時時鐘模塊

時鐘部分采用DS3231時鐘芯片。目前，普及型時鐘芯片DS1302的晶振需要外置，由于其晶體的離散性，人們很難選出精度很高的器件。在沒有溫度補償電路的情況下，不同的環(huán)境溫度使得晶體的特性發(fā)生變化，這就直接影響時鐘的振蕩頻率。與DS1302相比，DS3231時鐘芯片的晶振和溫度補償電路均集成在芯片內(nèi)部，外圍電路簡單，計時精度高，誤差僅為±2min/a，可以提供年、月、日、星期、時、分以及秒等信息，和有效期到2100年的閏年補償。對小于31d的月份，可自動調(diào)整月末日期，包括閏年補償。而且DS3231上的片上控制電路可實現(xiàn)自動電源檢測，管理主電源和備用電源（即低壓電池）之間的電源切換。如果主電源掉電，則會立即切換到備用電源，從而保證該器件仍可繼續(xù)提供精確的計時，性能不受影響。DS3231與微處理器通過I2C雙向串行總線傳輸?shù)刂放c數(shù)據(jù)。

2.5 WiFi模塊

WiFi部分采用ESP8266芯片。該芯片是一種低功耗和高集成度的WiFi芯片，外圍元件少，性能穩(wěn)定。ESP8266具備三種工作模式，即AP模式、Station模式和AP兼Station模式[3]。AP模式即Access Point，提供無線接入服務，允許其他無線設備接入;Station模式類似于無線終端，本身不接受無線接入，可以經(jīng)由路由器連接到互聯(lián)網(wǎng)來獲取當前的天氣情況;AP兼Station模式可以在接入路由器的同時，提供無線接入服務，允許其他設備接入，可以作為路由中繼器使用。

本設計使用AP兼Station模式，將ESP8266上的URXD和UTXD與微處理器的PA2和PA3相連接，CH_PD與PA0相連接，RST與PA1相連接。然后，將微處理器的串口2和ESP8266模塊進行初始化。當確認模塊正常工作后，使用“AT+CWLAP＼r＼n”命令獲取當前路由列表。使用“AT+CWJAP="ssid_str"，"password_str"＼r＼n”連接相關路由熱點，其中ssid_str為熱點名，password_str為密碼。成功連接到路由熱點后使用“AT+CIPSTART=＼"TCP＼"，＼"api.y ytianqi.com＼"，80＼r＼n”TCP方式連接服務器，然后就可以與之通信。使用GET命令請求數(shù)據(jù)“GET http：//api.yytianqi.com/observe？city="城市編號"&key="網(wǎng)站密匙"＼r＼n”，服務器會返回相關的天氣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是JSON格式，解析數(shù)據(jù)就能獲取相關信息。

2.6 OLED顯示模塊

OLED顯示屏用來顯示當前時間、電量、溫度值、濕度值以及天氣等信息。電路部分由雙色3.3cmOLED顯示屏和微處理器的I/O口相連接，采用全雙工高速同步串行通信總線SPI方式。它僅占用4個I/O口，節(jié)約了微控制器的管腳，也為PCB的設計節(jié)省了空間。

3 結(jié)語

從理論設計到硬件制作和調(diào)試，該無線智能充電電風扇設計達到了較好的效果。該設計在連接WiFi的前提下具備了天氣預報、實時時鐘、室內(nèi)溫度濕度檢測的功能，還具備WiFi中繼功能。在沒有WiFi的情況下，雖然它無法獲取天氣信息，但是自帶的時鐘模塊依舊可以提供精準的時間，而且可以給手機等電子產(chǎn)品充電，增強了使用體驗，結(jié)構(gòu)簡單，功能實用，符合人們對智能家居的需求，具備很高的推廣價值。

參考文獻：

[1]賈紅梅.手機無線充電系統(tǒng)的研究[D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學，2017.

[2]黃智偉.全國大學生電子設計競賽教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]梁森.自動檢測技術(shù)及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.