智能温控电风扇的设计

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　　摘 要：鉴于传统风扇档位控制存在的低自动化的问题，文中提出一种智能温控电风扇。该智能温控电风扇以51单片机为主控，温度传感器实时采集环境温度，液晶屏显示温度，人体热释电传感器感应人体，电风扇感应到人体后，会根据当前的温度自动控制风扇转动，开启相应的转速。实验表明，系统稳定可靠，达到了预期目标。
　　关键词：智能温控;电风扇;温度采集;人体感应;液晶屏;传感器
　　中图分类号：TP242;TN219 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）03-0-04
　　0 引 言
　　传统的机械风扇[1]是人工手动控制，因价格便宜，很多家庭都在使用。普通风扇款式多样，有落地扇，壁扇及摇头风扇等，现在主流的是摇头风扇。普通的温控风扇[2-4]可以自动检测室内温度，根据室内温度的变化控制风扇的开启或关闭。当温度过高，系统启动风扇吹风;当温度过低，立即关闭风扇。这种风扇适合在昼夜温差大的环境使用，而当室内没有人的情况下，系统依然工作，不节能。
　　本设计提出利用温度传感器采集当前环境的温度值，并将采集的温度参数显示在人机交互显示界面，同时利用人体传感器感应当前环境中是否有人。若感应到人体，会根据当前的温度及设定温度的上下限范围自动判断是否需要打开风扇，及自动控制为合适的风扇转速。即本设计的风扇能根据环境温度的高低，自动控制风扇的转动速度，同时具有自动识别是否有人的功能，节约用电，具有较高的经济价值。
　　1 系统总方案设计
　　本系统主要由单片机、温度传感器、人体检测传感器、显示器、设置按键、红外接收器、风扇等组成。
　　系统以AT89C51为控制核心，DS18B20温度传感器采集当前的温度参数，然后把采集的数值传给微处理器，同时通过处理器输出到LCD显示;利用HC-SR501人体红外热释电传感器感应人体，利用按键设置温度控制的上限值和下限值。
　　当HC-SR501传感器感应到人体后，处理器会根据当前采集的温度参数和设置的温度控制范围值进行比较。当采集温度高于上限值时，处理器将控制电风扇全速转动;而当温度低于设置的温度下限值时，处理器将控制风扇停止转动;若在温度控制范围内，风扇将缓慢的转动。
　　同样用户可以利用红外遥控远程手动设置温度的上、下限值，当处理器通过红外接收模块接收到红外遥控发出的控制指令后，便将指令进行解析，并相应的上调或下调当前的温度上、下限值范围。
　　智能温控电风扇设计的系统框图如图1所示。
　　2 系统总设计电路
　　本设计的智能温控风扇包含温控、人体感应、红外接收、电源、独立按键、风扇驱动接口、LCD显示以及单片机主控制等电路模块，总设计电路如图2所示。
　　2.1 温度采集模块设计
　　温度传感器是该器件表面能感受到温度，并将其转换为所需的可用信号输出的一种元器件。本系统选用数字型的温度传感器DS18B20完成当前环境的温度采集，这类温度传感器具有体积小，测量精度高，不受干扰，性能稳定可靠等优势[5-6]。而且，DS18B20温度传感器的封装具有多样化，可以专业量身定制设计，适用不同场合的使用需求，因此该传感器与单片机控制系统方便连接，无需外部元件的配套使用。仅通过一条总线便能实现该器件与处理器的通信，且该传感器还具有多点组网功能。
　　温度传感器电路设计如图3所示。DS18B20为单总线的温度传感器，该模块只有3个控制引脚：地（GND）、单线运用的数据输入/输出引脚（DATA）和可选的电源引脚（VCC）。DS18B20传感器的工作电压为3.3～5.5 V之间，因此该模块的VCC引脚直接接到系统的+5 V电源端即可;模块的GND引脚接地;单线运用的数据输入/输出引腳，即DATA引脚选择连接到处理器的P1.5引脚。传感器采集当前环境温度，单片机通过I/O口的P1.5引脚读取当前采集到的具体温度数据。
　　目前，微机和外设之间数据传输的串行总线常用的有I2C总线、SPI总线等。其中，I2C总线采用同步串行两线（一根时钟线、一根数据线）方式，而SPI总线采用同步串行三线（时钟线、输入线、数据输出线）方式。当然如果在读取温度数据的过程中出现读取不稳定的现象，可以在该数据通信引脚上，加上一个适当的上拉电阻提高温度参数传输的稳定。
　　2.2 人体感应模块设计
　　本次使用的人体热释电传感器为HC-SR501，全自动感应，当人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平[7-8]。HC-SR501模块是根据菲涅尔原理制作而成，不但能产生聚焦的功能，同时还能让该模块对人体检测的灵敏度大大增强，使器件对人体产生的大约10 μm的红外辐射非常的敏感。为了加强检测的稳定性能，在传感器的探测头上加了一层保护罩（菲涅尔滤光片），减少传感器来自外部的干扰。HC-SR501的2号引脚OUT信号输出接单片机的P1.3引脚，人体红外传感器的电路设如图4所示。
　　2.3 红外无线通信模块设计
　　本设计的远程遥控接收电路选用HS-021红外遥控器配合和红外接收探头HS0038[9-10]实现温度上下限值的远程遥控设置。红外遥控接收模块的电路设计如图5所示。
　　红外接收探头HS0038共有3个控制端口，模块的电源控制端口分别接到+5 V电源和地，解调信号输出端接处理器的P3.2引脚。当HS-021红外遥控器按下发射板上的“+”和“-”按钮时，HS-021通过二进制脉冲方式发送当前的“+”和“-”的信号指令。该遥控器为了保障信息的发送免受外界其它因素的干扰，在遥控器发送指令信息时，先把要发送的信息载波进行调制，然后再发送给红外接收探头HS0038。HS0038接收到指令信息，经过模块内部的调节和放大后输出给处理器STC89C51，处理器通过P3.2引脚控制I/O口读取发送过来的指令信息，对接收的指令进行解析后，便根据当前的指令设置当前的温度上限值和下限值。 　　3 系统软件设计
　　3.1 系统设计流程
　　基于单片机的智能温控电风扇的软件主要包括温度信息采集、硬件驱动，显示等部分。程序中将采取分块编程的思想，先将各个模块编写调试，最后进行整机连调。本系统的软件流程如图6所示，先对系统进行初始化，然后从传感器中读取温度参数并显示，并判断是否感应到人。如果感应到人，则继续判断当前的温度是否大于上限值，若大于上线值，则风扇快速的转动;如果温度在上下限范围之间则风扇慢速的转动，要是在温度低于下限值，则停止电风扇转动。
　　3.2 温度采集软件设计方案
　　本系统实时采集温度值，然后根据当前的温度反馈控制电风扇来进行温度调节，所以先要通过温度传感器采集温度值。通过Get18B20Temp（）函数并利用单总线的通信时序完成从温度传感器中获取温度，单片机先从总线发送传感器复位信号，如果传感器复位完成之后就发返回0，如果复位没有完成则返回为1。当复位完成之后，再通过总线利用写字节函数发送跳过ROM操作以及读命令;命令发送完毕之后，传感器接收到命令会有相应的反应;然后通过读取数据函数分别读取8位低字节数据和8位高字节数据，并把两个数据合成一个16位的数据;接着把这16位数据分离出温度的整数部分和小数部分。
　　4 系统调试
　　本设计由单片机、温度传感器、人体检测传感器、液晶显示器、按键、红外接收器和风扇等元器件组成。实物调试图如图7所示。
　　图7（a）中：LCD第一行显示“30 temp：27.2 ℃Y”，其中“30”表示30 s开始倒计时，“temp：27.0 ℃”表示实时温度为27.2 ℃，“Y”表示检测感应到有人时;第二行“H：25.0 ℃L：20.0 ℃”表示温度控制的上限值为25 ℃，下限为20 ℃;此时检测的当前温度为“temp：27.2 ℃”，即大于温度控制的上限值25 ℃，则电风扇快速转动。
　　图7（b）中：LCD第一行显示“30 temp：27.3 ℃Y”，其中“30”表示30 s开始倒计时，“temp：27.0 ℃”表示实时温度为27.3 ℃，“Y”表示检测感应到有人时;第二行
　　“H：25.0 ℃L：20.0 ℃”表示温度控制的上限值为25 ℃，下限为20 ℃;此时检测的当前温度为27.3低于温度下限，电机停止转动。
　　5 结 语
　　本文利用单片机为控制核心，使用温度传感器采集环境温度，人体热释电传感器检测人体，液晶屏显示温度参数，按键和红外遥控器设置温度的上、下限。当采集温度值高于上限，且电风扇感应到人体后，电风扇将自动打开，并开启30 s计时，当30 s结束后，如果没有再次感应到人体，将自动停止电风扇转动。文中对系统软硬件设计与实现过程做了详细介绍，系统稳定可靠。但本设计的温控风扇只是一个5 V供电的小风扇，不能实际使用，所以以后的设计过程中应该从实用出发，设计220 V供电的风扇达到更实用的效果。
　　注：本文通讯作者为付三丽。
　　参 考 文 献
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