智能溫控電風扇的設計

付三麗　王鵬運　黃恒一　王英輝　高媛

摘 要：鑒于傳統風扇檔位控制存在的低自動化的問題，文中提出一種智能溫控電風扇。該智能溫控電風扇以51單片機為主控，溫度傳感器實時采集環境溫度，液晶屏顯示溫度，人體熱釋電傳感器感應人體，電風扇感應到人體后，會根據當前的溫度自動控制風扇轉動，開啟相應的轉速。實驗表明，系統穩定可靠，達到了預期目標。

關鍵詞：智能溫控;電風扇;溫度采集;人體感應;液晶屏;傳感器

中圖分類號：TP242;TN219文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）03-0-04

0 引 言

傳統的機械風扇[1]是人工手動控制，因價格便宜，很多家庭都在使用。普通風扇款式多樣，有落地扇，壁扇及搖頭風扇等，現在主流的是搖頭風扇。普通的溫控風扇[2-4]可以自動檢測室內溫度，根據室內溫度的變化控制風扇的開啟或關閉。當溫度過高，系統啟動風扇吹風;當溫度過低，立即關閉風扇。這種風扇適合在晝夜溫差大的環境使用，而當室內沒有人的情況下，系統依然工作，不節能。

本設計提出利用溫度傳感器采集當前環境的溫度值，并將采集的溫度參數顯示在人機交互顯示界面，同時利用人體傳感器感應當前環境中是否有人。若感應到人體，會根據當前的溫度及設定溫度的上下限范圍自動判斷是否需要打開風扇，及自動控制為合適的風扇轉速。即本設計的風扇能根據環境溫度的高低，自動控制風扇的轉動速度，同時具有自動識別是否有人的功能，節約用電，具有較高的經濟價值。

1 系統總方案設計

本系統主要由單片機、溫度傳感器、人體檢測傳感器、顯示器、設置按鍵、紅外接收器、風扇等組成。

系統以AT89C51為控制核心，DS18B20溫度傳感器采集當前的溫度參數，然后把采集的數值傳給微處理器，同時通過處理器輸出到LCD顯示;利用HC-SR501人體紅外熱釋電傳感器感應人體，利用按鍵設置溫度控制的上限值和下限值。

當HC-SR501傳感器感應到人體后，處理器會根據當前采集的溫度參數和設置的溫度控制范圍值進行比較。當采集溫度高于上限值時，處理器將控制電風扇全速轉動;而當溫度低于設置的溫度下限值時，處理器將控制風扇停止轉動;若在溫度控制范圍內，風扇將緩慢的轉動。

同樣用戶可以利用紅外遙控遠程手動設置溫度的上、下限值，當處理器通過紅外接收模塊接收到紅外遙控發出的控制指令后，便將指令進行解析，并相應的上調或下調當前的溫度上、下限值范圍。

智能溫控電風扇設計的系統框圖如圖1所示。

2 系統總設計電路

本設計的智能溫控風扇包含溫控、人體感應、紅外接收、電源、獨立按鍵、風扇驅動接口、LCD顯示以及單片機主控制等電路模塊，總設計電路如圖2所示。

2.1 溫度采集模塊設計

溫度傳感器是該器件表面能感受到溫度，并將其轉換為所需的可用信號輸出的一種元器件。本系統選用數字型的溫度傳感器DS18B20完成當前環境的溫度采集，這類溫度傳感器具有體積小，測量精度高，不受干擾，性能穩定可靠等優勢[5-6]。而且，DS18B20溫度傳感器的封裝具有多樣化，可以專業量身定制設計，適用不同場合的使用需求，因此該傳感器與單片機控制系統方便連接，無需外部元件的配套使用。僅通過一條總線便能實現該器件與處理器的通信，且該傳感器還具有多點組網功能。

溫度傳感器電路設計如圖3所示。DS18B20為單總線的溫度傳感器，該模塊只有3個控制引腳：地（GND）、單線運用的數據輸入/輸出引腳（DATA）和可選的電源引腳（VCC）。DS18B20傳感器的工作電壓為3.3～5.5 V之間，因此該模塊的VCC引腳直接接到系統的+5 V電源端即可;模塊的GND引腳接地;單線運用的數據輸入/輸出引腳，即DATA引腳選擇連接到處理器的P1.5引腳。傳感器采集當前環境溫度，單片機通過I/O口的P1.5引腳讀取當前采集到的具體溫度數據。

目前，微機和外設之間數據傳輸的串行總線常用的有I2C總線、SPI總線等。其中，I2C總線采用同步串行兩線（一根時鐘線、一根數據線）方式，而SPI總線采用同步串行三線（時鐘線、輸入線、數據輸出線）方式。當然如果在讀取溫度數據的過程中出現讀取不穩定的現象，可以在該數據通信引腳上，加上一個適當的上拉電阻提高溫度參數傳輸的穩定。

2.2 人體感應模塊設計

本次使用的人體熱釋電傳感器為HC-SR501，全自動感應，當人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平[7-8]。HC-SR501模塊是根據菲涅爾原理制作而成，不但能產生聚焦的功能，同時還能讓該模塊對人體檢測的靈敏度大大增強，使器件對人體產生的大約10 μm的紅外輻射非常的敏感。為了加強檢測的穩定性能，在傳感器的探測頭上加了一層保護罩（菲涅爾濾光片），減少傳感器來自外部的干擾。HC-SR501的2號引腳OUT信號輸出接單片機的P1.3引腳，人體紅外傳感器的電路設如圖4所示。

2.3 紅外無線通信模塊設計

本設計的遠程遙控接收電路選用HS-021紅外遙控器配合和紅外接收探頭HS0038[9-10]實現溫度上下限值的遠程遙控設置。紅外遙控接收模塊的電路設計如圖5所示。

紅外接收探頭HS0038共有3個控制端口，模塊的電源控制端口分別接到+5 V電源和地，解調信號輸出端接處理器的P3.2引腳。當HS-021紅外遙控器按下發射板上的“+”和“-”按鈕時，HS-021通過二進制脈沖方式發送當前的“+”和“-”的信號指令。該遙控器為了保障信息的發送免受外界其它因素的干擾，在遙控器發送指令信息時，先把要發送的信息載波進行調制，然后再發送給紅外接收探頭HS0038。HS0038接收到指令信息，經過模塊內部的調節和放大后輸出給處理器STC89C51，處理器通過P3.2引腳控制I/O口讀取發送過來的指令信息，對接收的指令進行解析后，便根據當前的指令設置當前的溫度上限值和下限值。

3 系統軟件設計

3.1 系統設計流程

基于單片機的智能溫控電風扇的軟件主要包括溫度信息采集、硬件驅動，顯示等部分。程序中將采取分塊編程的思想，先將各個模塊編寫調試，最后進行整機連調。本系統的軟件流程如圖6所示，先對系統進行初始化，然后從傳感器中讀取溫度參數并顯示，并判斷是否感應到人。如果感應到人，則繼續判斷當前的溫度是否大于上限值，若大于上線值，則風扇快速的轉動;如果溫度在上下限范圍之間則風扇慢速的轉動，要是在溫度低于下限值，則停止電風扇轉動。

3.2 溫度采集軟件設計方案

本系統實時采集溫度值，然后根據當前的溫度反饋控制電風扇來進行溫度調節，所以先要通過溫度傳感器采集溫度值。通過Get18B20Temp（）函數并利用單總線的通信時序完成從溫度傳感器中獲取溫度，單片機先從總線發送傳感器復位信號，如果傳感器復位完成之后就發返回0，如果復位沒有完成則返回為1。當復位完成之后，再通過總線利用寫字節函數發送跳過ROM操作以及讀命令;命令發送完畢之后，傳感器接收到命令會有相應的反應;然后通過讀取數據函數分別讀取8位低字節數據和8位高字節數據，并把兩個數據合成一個16位的數據;接著把這16位數據分離出溫度的整數部分和小數部分。

4 系統調試

本設計由單片機、溫度傳感器、人體檢測傳感器、液晶顯示器、按鍵、紅外接收器和風扇等元器件組成。實物調試圖如圖7所示。

圖7（a）中：LCD第一行顯示“30 temp：27.2 ℃Y”，其中“30”表示30 s開始倒計時，“temp：27.0 ℃”表示實時溫度為27.2 ℃，“Y”表示檢測感應到有人時;第二行“H：25.0 ℃L：20.0 ℃”表示溫度控制的上限值為25 ℃，下限為20 ℃;此時檢測的當前溫度為“temp：27.2 ℃”，即大于溫度控制的上限值25 ℃，則電風扇快速轉動。

圖7（b）中：LCD第一行顯示“30 temp：27.3 ℃Y”，其中“30”表示30 s開始倒計時，“temp：27.0 ℃”表示實時溫度為27.3 ℃，“Y”表示檢測感應到有人時;第二行

“H：25.0 ℃L：20.0 ℃”表示溫度控制的上限值為25 ℃，下限為20 ℃;此時檢測的當前溫度為27.3低于溫度下限，電機停止轉動。

5 結 語

本文利用單片機為控制核心，使用溫度傳感器采集環境溫度，人體熱釋電傳感器檢測人體，液晶屏顯示溫度參數，按鍵和紅外遙控器設置溫度的上、下限。當采集溫度值高于上限，且電風扇感應到人體后，電風扇將自動打開，并開啟30 s計時，當30 s結束后，如果沒有再次感應到人體，將自動停止電風扇轉動。文中對系統軟硬件設計與實現過程做了詳細介紹，系統穩定可靠。但本設計的溫控風扇只是一個5 V供電的小風扇，不能實際使用，所以以后的設計過程中應該從實用出發，設計220 V供電的風扇達到更實用的效果。

注：本文通訊作者為付三麗。

參 考 文 獻

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