智能紅外遙控電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

孫景偉 丁學(xué)用

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞572022）

風(fēng)扇被廣泛的使用，在我們的日常中發(fā)揮著重要的作用，電風(fēng)扇作為一種老式的電器，便宜、擺放容易并且安裝非常方便，適合大多數(shù)家庭的消費(fèi)水平，在夏天深受人們的喜愛。但在當(dāng)今激烈的市場競爭中，電風(fēng)扇以單一的按鍵模式是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。而使用智能紅外遙控控制后，可以對電風(fēng)扇的溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅有利于不方便移動的人操作，而且有助于人們節(jié)省時(shí)間，極大方便人們的生活。所以，對智能紅外遙控電風(fēng)扇進(jìn)行探索很有意義。

本課題主要介紹了智能紅外遙控電風(fēng)扇的工作原理，并在單片機(jī)的基礎(chǔ)上提出了智能紅外遙控電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)思想，希望使智能紅外遙控電風(fēng)扇得到進(jìn)一步改善，使其具有便利和節(jié)能的特點(diǎn)，更有利于人們的使用。本系統(tǒng)將STC89C51 單片機(jī)作為方案核心，人們通過紅外遙控器可以遠(yuǎn)程調(diào)控溫度閾值；當(dāng)前溫度的值會在LCD1602 液晶顯示；通過人體感應(yīng)模塊檢測人體信號，當(dāng)人離開后倒計(jì)時(shí)30 秒會自動關(guān)閉；并運(yùn)用DS18B20 來實(shí)行進(jìn)行溫度檢測，依據(jù)溫度測得的數(shù)值和提前設(shè)置好的溫度閾值相比較，風(fēng)扇將會自動調(diào)速；不僅如此，該設(shè)計(jì)還保留手動按鍵對溫度閾值的調(diào)節(jié)鍵，使用按鍵也可以調(diào)控溫度，使之更具人性化，滿足不同類型人群的需要。

本課題將智能紅外遙控電風(fēng)扇作為研究目標(biāo)，目的在于通過紅外線控制電風(fēng)扇，使人們操作更加便利，節(jié)約時(shí)間；還具有根據(jù)溫度大小自動調(diào)速的功能，不僅對人們的生活帶來便利，還具有環(huán)保功能。

1 基本原理

1.1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)是由STC89C51 單片機(jī)、人體感應(yīng)模塊、溫度傳感器模塊、液晶顯示模塊和紅外線模塊等組成的。該系統(tǒng)可以通過紅外遙控控制電風(fēng)扇，還裝有人體感應(yīng)裝置，當(dāng)人離開后能自動關(guān)閉電風(fēng)扇，不僅如此，它還可以依據(jù)溫度的變化來自動調(diào)理風(fēng)速，非常智能、便利。

智能紅外遙控電風(fēng)扇以單片機(jī)為核心，當(dāng)前氣溫的大小可以由溫度傳感器測試得知，使用按鍵或紅外遙控設(shè)置溫度，轉(zhuǎn)速會隨之改變。下面是框圖功能介紹：

（1）紅外對管：紅外對管包含紅外發(fā)射管、紅外接收，紅外線的發(fā)送是通過遙控按鈕來進(jìn)行的，接收是由紅外接收管負(fù)責(zé)，通過紅外遙控可以實(shí)現(xiàn)對溫度范圍的設(shè)置。

圖1 整體框架結(jié)構(gòu)圖

（2）LCD1602 顯示屏：不僅通過顯示屏可以看到檢測到的當(dāng)前溫度，還可以知道對溫度范圍的設(shè)定，顯示屏上可看到是否檢測到有人存在。

（3）STC89C51 單片機(jī)：所有的功能模塊都有此單片機(jī)進(jìn)行集中控制。

（4）風(fēng)扇驅(qū)動電路：自動控制下單片機(jī)通過判斷人體感應(yīng)、溫度感應(yīng)、紅外感應(yīng)來對電風(fēng)扇進(jìn)行控制；也可以通過按鍵來設(shè)置溫度閾值來使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。

（5）電源電路：電源是用來提供電量使所有器件都能工作。

（6）獨(dú)立按鍵操作電路：通過按鍵對電風(fēng)扇的溫度進(jìn)行加減控制，設(shè)置溫度的規(guī)定范圍。

（7）溫度傳感器：通過對當(dāng)前的溫度檢測來改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

（8）人體感應(yīng)：若檢測是到無人存在的話，則會倒數(shù)30 秒，風(fēng)扇自動停止。

1.2 核心器件選擇

單片機(jī)可以把所需要的部件集合在一起，能夠準(zhǔn)確有效地執(zhí)行設(shè)計(jì)人員規(guī)定的任務(wù)。單片機(jī)邏輯運(yùn)算及編程功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、操作簡單[1]，其內(nèi)部模塊和計(jì)算機(jī)的功能相近，例如內(nèi)存、CPU、并線總線，只不過這些性能與電腦相比弱很多，因此又稱之為單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)易上手，學(xué)習(xí)者剛?cè)腴T經(jīng)常采用51 系列。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、電子工業(yè)的進(jìn)步，單片機(jī)作為電子行業(yè)設(shè)計(jì)者使用最廣泛的電子元件，在生活中隨處都可以看見它的身影，從彩電、冰箱、電風(fēng)扇、電梯等家用電器。單片機(jī)類型也數(shù)不勝數(shù)，它們各具特色，使人們應(yīng)用有更多選擇。

智能紅外遙控電風(fēng)扇操縱的開發(fā)芯片采用STC89C51 單片機(jī)。由于STC89C51 單片機(jī)價(jià)格低廉、集成度高等等，可以滿足智能紅外遙控電風(fēng)扇需要的功能和特性指標(biāo)并完美的運(yùn)行此系統(tǒng)。此款單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、容易上手，它的功能也很完備，很適合用來開發(fā)和學(xué)習(xí)。

盡管51 系列單片機(jī)有許多的特色及優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)仍然顯眼。51 單片機(jī)保護(hù)性能脆弱，芯片非常容易燒壞；雖然I/O 口腳使用起來簡單，但驅(qū)動能力弱。51 單片機(jī)屬于入門級別，結(jié)構(gòu)簡單、方便學(xué)習(xí)和上手，但對于開發(fā)高端的產(chǎn)品就不適用。

由于51 單片機(jī)學(xué)習(xí)起來簡單易懂，硬件設(shè)計(jì)方面也很方便并且I/O 口操作簡單，一般的設(shè)計(jì)運(yùn)用它已足夠，網(wǎng)上關(guān)于它的資料也很豐富，STC89C51 搭配LCD1602 顯示屏使用，使我們可以明了知道此時(shí)系統(tǒng)的性能。價(jià)格便宜、性價(jià)比高，程序燒寫起來簡單，配合人體感應(yīng)模塊、溫度傳感器模塊、紅外線模塊、液晶顯示模塊等就可以實(shí)現(xiàn)智能紅外遙控電風(fēng)扇的所有功能。

1.3 系統(tǒng)方案比較

（1）溫度傳感器

方案一：熱敏電阻是敏感性元件，溫度不同阻值也會不同。所以，可使用其來檢測溫度。檢測到傳感器阻值將其變換成模擬信號。將模擬信號換成數(shù)字信號，處理器算出相應(yīng)溫度。但熱敏電阻和溫度呈非線性關(guān)系，且溫度變化偏差大，且在信號的收集、放大、變換過程中也會存在誤差，所以不適合本系統(tǒng)。

方案二：采用數(shù)字傳感器DS18B20。與傳統(tǒng)熱敏電阻相比較，不同之處是它用集成芯片與單總線技術(shù)，使外部干預(yù)降低，使準(zhǔn)確性得到提升。此時(shí)，可以把所測溫度直接轉(zhuǎn)成串行數(shù)字信號，接著實(shí)行微機(jī)處理。簡易接口，抗干擾性強(qiáng)。所以就選方案二作為測量溫度元件。

（2）顯示電路

方案一：選擇數(shù)碼管。它展現(xiàn)清晰、成本低。然而電力的消耗與液晶顯示屏相比顯得更多，而且顯示的內(nèi)容單一。

方案二：液晶顯示屏。顯示多種內(nèi)容，比如字符和圖形。本系統(tǒng)是對溫度范圍進(jìn)行設(shè)定，顯示屏顯示溫度的上限制與下限值，所以選擇方案二。

（3）基于溫度控制

每個(gè)人對溫度感受的效果都是不一樣的，此系統(tǒng)可以根據(jù)人們的意愿對溫度的上限值、下限值進(jìn)行設(shè)定，更具人性化。此系統(tǒng)溫度可使用按鈕或則遙控器進(jìn)行控制，控制方式多，更加方便。

（4）基于風(fēng)速控制

用戶對溫度范圍大小進(jìn)行設(shè)定，風(fēng)扇將會自動調(diào)節(jié)作出小風(fēng)、大風(fēng)、停機(jī)動作，改變了傳統(tǒng)的只能依靠手動按鈕調(diào)節(jié)風(fēng)速，更加智能化。

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 人體感應(yīng)模塊

為了使智能紅外遙控電風(fēng)扇更智能化，加入了人體感應(yīng)模塊。最初，熱釋紅外感應(yīng)2 腳會進(jìn)行擴(kuò)充當(dāng)進(jìn)入到OP1, 隨后OP2 會與C2 的耦合進(jìn)行二級放大,雙向幅度檢測器把COP1 和COP2 處置后，運(yùn)轉(zhuǎn)延時(shí)定時(shí)器前先測有效觸發(fā)信號，輸出信號會進(jìn)過R3 被單片機(jī)處置。輸出了的延時(shí)周期被R12 進(jìn)行調(diào)節(jié)，將會接著延長一周期當(dāng)Vs 在延時(shí)內(nèi)產(chǎn)生上跳躍，電容想更好控制定時(shí)器，假設(shè)Vs 一直處于高電平，那么可由P10 在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。可用R13 來進(jìn)行距離調(diào)控，最大調(diào)控范圍至7 米左右。

2.2 DS18B20 溫度傳感器

操縱電風(fēng)扇的速度依據(jù)此刻溫度，所以本系統(tǒng)就采用了DS18B20 溫度傳感器。DS18B20 是單線傳感器，當(dāng)傳輸開漏輸出時(shí)，倘若沒有接電源，那么就要求數(shù)據(jù)線強(qiáng)上拉為它供電，讓其變?yōu)楦唠娖剑幌喾矗油娫春螅@需要接一個(gè)上拉電阻。上拉電阻通常為比較大，取值為10k。

2.3 紅外線接收頭

智能紅外遙控電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)采用紅外線對溫度范圍大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此使用紅外接收頭。紅外光很輕易能干預(yù)接收頭，因此將供應(yīng)電兩端（VCC 和GND）都并聯(lián)上電容為電解電容還有瓷片電容；OUT 接上拉電阻，使信號更具穩(wěn)定性；VCC 連的串聯(lián)電阻和電容合并成RC，起到限制電流和降低電壓的作用，從而使接收頭更穩(wěn)定。采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms 的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms 的組合表示二進(jìn)制的“1”[2]，紅外解碼關(guān)鍵是識別“0”和“1”，根據(jù)碼的格式，應(yīng)該等待9ms 的起始碼和4.5ms 的結(jié)果碼完成后才能讀碼。

2.4 系統(tǒng)電路

該智能紅外遙控電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)主要由風(fēng)扇驅(qū)動電路、紅外線接頭、LCD 液晶顯示電路、溫度傳感器、人體感應(yīng)模塊、STC89C51 單片機(jī)晶振復(fù)位電路組成。STC89C51 單片機(jī)通過溫度傳感器檢測當(dāng)前溫度，用紅外遙控來設(shè)定溫度范圍，用人體感應(yīng)模塊檢測人體存在與否，這時(shí)候會在液晶屏上顯示這些數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Proteus 軟件簡介

Proteus 軟件是英國Lab Center Electronics 公司開發(fā)的EDA 工具軟件[3]。其動態(tài)是基于幀還有動畫，所以給我們提供了非常好的視覺效果，它的運(yùn)行和現(xiàn)實(shí)中的硬件非常像，為我們提供一個(gè)與現(xiàn)實(shí)相近的環(huán)境。大多數(shù)高校都使用Proteus 來訓(xùn)練、指導(dǎo)學(xué)生，在Proteus 系統(tǒng)里制作完成后再去實(shí)踐，提高了效率且完成了倫理到實(shí)際的完整設(shè)計(jì)。

雖說Protues 仿真里面的元器件庫與實(shí)物差不多也很齊全，但是它和實(shí)物還是有一定區(qū)別的，Proteus 只是運(yùn)行圖，比如有些仿真正常實(shí)物卻不通過，所以，盡管它功能非常大并且容易理解，但是它還是有些缺點(diǎn)的。

3.2 Keil μVision4 簡介

Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機(jī)C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)[4]。C 語言易于學(xué)習(xí)使用、移植性強(qiáng)，首先運(yùn)用匯編語言進(jìn)行C 語言開發(fā)，會感覺更加深刻。Keil C51不僅有強(qiáng)大功能除錯(cuò)工具而且其語句很緊密容易理解，在開發(fā)時(shí)能把其便利及優(yōu)勢顯示出來。

智能紅外遙控風(fēng)扇使用2009 年發(fā)布的Keil Vision4 軟件。跟之前版本進(jìn)行對比，增加了更多功能：

（1）設(shè)備周邊緩存器的信息得以顯示；

（2）多項(xiàng)目工作區(qū)簡潔；

（3）多重窗除錯(cuò)窗口的建立。

3.3 主程序的設(shè)計(jì)

上電復(fù)位后將端口、器件初始化，然后將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給DS18B20，檢測到此刻的當(dāng)前溫度，將其數(shù)據(jù)顯示于LCD1602 液晶屏上。液晶屏的第一行對當(dāng)前溫度數(shù)值大小進(jìn)行顯示，第二行顯示溫度的最大限值和溫度的最小限制；當(dāng)檢測到人時(shí)屏幕上會出現(xiàn)數(shù)字Y，當(dāng)數(shù)字變?yōu)镹 時(shí)為人離開；屏幕上還有定時(shí)30 秒，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)結(jié)束時(shí)風(fēng)扇呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)。

自動下可以根據(jù)我們設(shè)定的溫度范圍數(shù)值大小對其轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)。自動調(diào)速：若當(dāng)前溫度比溫度閾值小，將會關(guān)閉風(fēng)扇、不轉(zhuǎn)動；當(dāng)前溫度處于設(shè)定的閾值之間，風(fēng)扇會緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)前溫度大于溫度閾值，風(fēng)扇將加速運(yùn)轉(zhuǎn)。此系統(tǒng)中還加入人體感應(yīng)，當(dāng)人走后30 秒自動關(guān)閉風(fēng)扇，很符合當(dāng)代節(jié)能的特點(diǎn)。

為了使智能紅外遙控電風(fēng)扇的操作更方便快捷，提供了手動按鍵控制和紅外線遙控控制。該系統(tǒng)一個(gè)有三個(gè)按鍵，切換鍵是移動調(diào)節(jié)地址，加、減鍵是對值大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，紅外線遙控跟按鈕按鍵功能一樣，都是運(yùn)用加鍵、減鍵、切換鍵對溫度范圍值大小進(jìn)行設(shè)置。

4 系統(tǒng)校驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)仿真

在Proteus 仿真中用按鍵來代替人體感應(yīng)模塊接在單片機(jī)P1.3 口。

（1）LCD 模塊：運(yùn)用的是LCD1602，顯示溫度和檢測是否有人存在。

（2）溫度感應(yīng)：使用了DS18b20 溫度傳感器，該器件可以對當(dāng)前溫度進(jìn)行檢測。

（3）當(dāng)接通電源以后，系統(tǒng)會在自動控制狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前溫度大小自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。液晶屏顯示Y 則表示有人存在。

4.2 硬件調(diào)試

接通電源開機(jī)時(shí)如圖2 所示。這時(shí)候液晶屏左下角顯示最高溫度，右下角顯示最低溫度；左上角為倒計(jì)時(shí)30 秒，中間顯示當(dāng)前檢測到的溫度，右上角是對感應(yīng)到人的顯示；位于51 單片機(jī)處的為重置按鈕；底下三個(gè)連續(xù)黑色按鈕從左到右分別為減、加、切換按鈕。按下切換鍵后，光標(biāo)顯示在最高溫處，可以通過加鍵、減鍵設(shè)置。再一次按下切換按鍵，光標(biāo)移動到溫度最小值處，使用加、減鍵設(shè)置最小溫度值。最后，再次按切換鍵結(jié)束設(shè)置。

圖2 開機(jī)界面

遙控器的第三排藍(lán)色按鈕從左到右分別為減、加、切換鍵，如圖3 所示，遙控器的操作功能及效果和按鍵按鈕一樣。液晶屏右上角Y 表示感應(yīng)到有人存在；當(dāng)人離開時(shí)，液晶屏右上角顯示N，倒計(jì)時(shí)三十秒自動關(guān)閉風(fēng)扇。此外，當(dāng)檢測到的當(dāng)前溫度大于溫度最大值時(shí)，風(fēng)扇快速轉(zhuǎn)動；當(dāng)前溫度處于溫度閾值之間時(shí)，風(fēng)扇緩慢運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)前溫度比溫度閾值小時(shí)，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。

圖3 遙控器設(shè)置最高溫度

5 結(jié)論

智能紅外遙控電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，包含LCD1602 液晶屏、STC89C51 單片機(jī)、溫度傳感器、人體感應(yīng)、紅外傳感器和C 語言。運(yùn)用紅外線遙控、溫度感應(yīng)、人體感應(yīng)等功能完成智能紅外遙控電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)不僅對人們的生活帶來便利，還具有環(huán)保功能。

該設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展到各式各樣電機(jī)控制系統(tǒng)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在生產(chǎn)和生活中都具有舉足輕重的地位，將它運(yùn)用于日常生活中，將會給生活帶來便利，如果將其用到工業(yè)中，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。紅外遙控也在各種家用電器中非常普遍，此次設(shè)計(jì)也來源于生活，有利于研究和推廣。