智能溫控風扇的設計研究

鮑 夢

（江西科技學院，江西 南昌 330098）

隨著計算機智能技術發展，人們不斷嘗試在傳統電風扇基礎上進行技術革新，實現了智能調溫和智能遙控，電風扇不但沒有被淘汰，反而越來越受到人們喜愛。本設計針對傳統電風扇存在的噪音大、費電、需手動開關機等缺點進行改進，改進后的智能電風扇較現在的空調，節能、安全、環保、使用方便、擺放便利、價格實惠，能通過感應環境溫度自動調節風速。

1 設計思想

1.1 智能電風扇的設計方案

先利用熱釋電傳感器判斷人是否在風扇的有效范圍之內，再將DS18B20檢測到的環境溫度數據送到控制中心中處理，在數碼管上顯示當前的狀態，主要顯示實時溫度和溫度的上下限閥值以及風扇的檔位。其中溫控模式下可以顯示出小數點后一位，而檔位模式下僅能顯示溫度整數位，自動模式下以字母b開頭，后面顯示周圍環境溫度。同時，采用三極管驅動PWM脈寬調制技術來調節風扇的速度，使用紅外遙控完成模式的切換、風扇的開關及溫度上下限值的設置[1]。實現功能如下：

1）風扇有3種工作模式。溫控模式下，先收集實時溫度，再經過函數計算，判斷人是否在有效距離范圍內，自動控制風速；按鍵模式下，電風扇有三個檔位，可選固定風速運行或進行檔位切換；自動模式下，通過感應判斷人是否在有效距離范圍內，如果在則啟動風扇，否則關閉風扇。

2）通過數碼管顯示溫度、檔位。

3）通過按鍵調節溫度的上下限。

4）通過無線遙控控制電風扇的開關、模式和溫度上下限值。

1.2 智能電風扇工作原理

以STC89C52為中心來控制風扇，通過溫度收集模塊與人體感應模塊所檢測的信號來實現對風扇的控制[2]。溫度傳感器隨著環境溫度的變化而變化，而熱釋電傳感器通過感應人的位置來檢測信號。溫控模式下，兩個信號必須同時具備才能通過驅動電路開啟風扇，并在數碼顯示器上顯示當前的狀態。

2 主要電路設計

2.1 溫度采集電路

DS18B20出自于美國達拉斯公司，它的出現降低了電路的難度。它利用信號線傳輸數據，具有雙向調節功能，并且它具有成本低、性能高、低功耗的特點，最重要的是可以將收集到的溫度轉換成數字信號進行傳送。

DS18B20有兩種工作方式，當近距離操作時需要外部供電，此設計為VCC引腳提供外圍電源。當遠距離控制時可以省略外圍供電，由P1.0引腳來供電。P1.0引腳電源降低時，傳感器內部電容放電；P1.0引腳電源升高時，內部電容存電，可以給傳感器提供電能，從而實現寄生電源的能力[3]。通過GND與DQ可完成DS18B20操作，且VCC提供了外部5 V電源，其電路如圖1所示。

圖1 DS18B20電路圖

2.2 人體感應電路

熱釋電傳感器可靠性強、靈敏度高，被廣泛運用在各種自動感應家用電器中。本設計使用的是HC-SR501熱釋電傳感器，其特點如下。

1）自動感應：當人在感應范圍內時，輸出高電平；當人不在感應范圍內時，將會自動延時，由高電平變為低電平輸出。

2）擁有感應封鎖時間：在這段時間內感應不到任何信號，抗干擾能力強。

3）工作電壓為5 V～20 V，范圍廣泛。

4）功耗小：靜態電流為55mA，適合需電池供電的產品。

5）可以輸出高電平信號，方便各個電路的連接。

工作原理：人的身體有相對恒定的體溫，通常是36.5℃，所以它會以大約10μm的波長發出紅外線，人體發出的紅外線經過濾光片加強后，再匯聚到感應的源頭。自動感應一般使用熱釋電元器件，當人體的溫度有所變化時，它就會失去電荷平衡，電荷向外釋放，在電荷釋放被發現后，立即發出警報信號。

本設計中所用的HC-SR501是通過紅外線來檢測人是否存在。HC-SR501傳感器的功能是自動感應，如果人在有效距離內則變為高電平，經過一段延時，人離開后則恢復低電平。在電路中，HC-SR501輸出端口與STC89C52 P2.0引腳相連，無人情況下不會引動單片機的P2.0引腳，能有效地支配風扇的開啟與關閉，完成自動感應的功能。由于采取的是用單片機P2.0引腳來轉換電平的高低，所以在沒有引動單片機時，風扇正常運轉，并不會因為熱釋電傳感器的測試而循環觸發。只有觸發時才會引動程序，人體感應電路如圖2所示。

圖2 人體感應電路圖

2.3 紅外遙控電路

紅外一體接收頭是通過二極管發射信號，本設計使用的二極管其內部結構與普通的二極管結構一樣。

工作原理：現實生活中，人眼可視光一般按照波長順序排列為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫。紅光波長在0.59μm～0.80μm，紫光波長在0.33μm～0.50μm。波長比紅光還長的光叫紅外線，紅外線波長為0.76μm～1.5μm。本設計采用紅外一體接收發送器來傳送控制信號，紅外一體接收器中引腳一與單片機P3.3引腳（中斷引腳）相連，引腳二接地，引腳三連接電源，可控制風扇操作。具體的紅外遙控電路圖如圖3所示。

圖3 紅外遙控電路圖

2.4 三極管驅動電路

1）三極管的基本原理：當b電位高于e電位時，發射極為正偏；當c電位高于b電位時，集電極為反偏，而且集電極電源Ec要高于基極電源Eb。

2）三極管特點如下：①驅動能力強；②易于集成化；③可用于功率大的電路模塊；④易于實現自動化，可提高工作效率；⑤可靠性高，抗振能力強。

本設計的驅動電路運用的是三極管放大原理，與單片機P3.6引腳端口相連接，隨電壓的大小來改變風速的快慢，驅動電路如圖4所示。

圖4 驅動電路圖

2.5 LED顯示電路

本設計的顯示電路由多個LED構成。每一個數碼管的a、b、c、d、e、f、g和dp端 口 各 自 連 接， 用 來 接 收STC89C52的P0.0端口發出的顯示段碼。S1、S2、S3、S4引腳端口是位選端口，用來接收STC89C52的P2口發出的位選碼。本設計運用動態掃描方式，當CPU從字段輸出口傳送字型碼時，所有LED都收到同樣的字碼，哪個LED最亮，完全依賴于COM端口。COM端口與單片機的I/O接口互相連接，由單片機輸出位選碼到I/O口，決定哪個LED被點亮。雖然LED點亮的時間很短，但因人的視力會產生錯覺，感覺到的是一組不變的數碼，顯示電路如圖5所示。

圖5 顯示電路圖

3 軟件設計

3.1 自動感應程序

在main函數中首先進行初始化，打開外部連接，將邊緣觸發設置為自動感應，如果感應到有人在則打開風扇，否則關閉風扇。在自動感應函數中，首先將PWM標記為1，電扇處于關閉狀態，電平重返；再檢查PWM是否為0，是則打開風扇，反之關閉，自動感應程序如下。

3.2 溫度采集程序

溫度采集程序根據時序進行，首先，初始化DS18B20，其次，設置傳感器的DQ引腳高低，再采集環境溫度并讀取數據，接著檢測溫度是否符合正常范圍，如果符合繼續工作，不符合則復位重來[4]，程序如下：

3.3 紅外遙控程序

紅外接收函數編寫簡單，只需循環檢測三個端口。如果相應的端口位于高電平時，說明端口被按下，函數返回1、2、3對應的檔位；如果三個端口皆為低電平，則輸入0，此時無法實現遙控功能，程序如下：

3.4 數碼顯示程序

程序的作用是將從DS18B20收集的二進制溫度數值轉變成數字，在數碼管上呈現出來。運用動態掃描的顯示方式，先位選再段選，最后延時，程序如下：

4 總結

本設計實現了風扇功能的多樣化，通過三極管實現了對風扇的驅動，轉變了人們對電扇的認知。通過溫度傳感器可對實時溫度進行收集，使得電風扇有了靈敏的感應能力，電風扇的性能得到了保證。實現了風扇的多種運行模式。自動模式下，通過感應人體信號控制風扇開關；溫控模式下，通過實時溫度控制風速；遙控模式下，通過紅外遙控控制風扇的開關與設置。多種模式更加符合大眾的要求，使風扇功能更完善。實現了在4.5 m的距離內控制風扇的開關、進行模式的切換與風速切換的功能。