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基于单片机的智能风扇设计

杨钰国　周军　钱一润

摘要：风扇作为人们日常生活中必不可少的工具正朝着智能化，节能化，人性化的方向发展。论文介绍一种以IAP15F2K60S2为主控芯片，辅以DS18B20温度传感器，结合超声波发送接收电路CX20106A和HC-SR501红外传感器，来实现一种智能风扇的设计。该智能风扇设计了双模式，手动模式下可以实现无级调速功能，智能模式下能够实现通过温度和距离实时调速等功能。所设计的智能风扇功能完善，拥有广阔的市场前景。
关键词：智能风扇;单片机;传感器;双模式
：TM925.11 ：A ：1007-9416（2019）08-0003-02
0 引言
由于人类对世界能源的不断开采，节能已经成为新时代的新方向。电风扇作为一件常用的家用电器，它的智能化发展必将掀起新的潮流。传统的电风扇存在着浪费电能、使用不便等诸多缺点。作为微型控制器，单片机具有体积小、质量轻、价格便宜等优点，因此被广泛应用到各种智能化的产品上。本设计将传统风扇与单片机相结合，通过各模块之间的配合，便可实现对风扇的智能控制与调速，达到智能、节能的目的。智能风扇的出现顺应时代发展的潮流，满足人们日益对美好生活的追求。
1 系统总体设计方案
智能风扇系统核心芯片为IAP15F2K60S2芯片，整个系统采用模块化[3]设计的思想，其中，温度模块的功能实现由DS18B20传感器来完成，超声波模块用来测量人与风扇的距离，HC-SR501人体红外感应器完成感应人体的任务。其余各个模块与芯片的协调配合如图1。
2 硬件系统设计
2.1 溫度传感器
本设计中温度采集使用的元件是DS18B20单总线数字温度传感器， DS18B20芯片的2脚是数字信号输入/输出端，将此管脚与单片机P14口相连。单片机直接读出从温度传感器中传输出的数据然后对它做出处理，便可得到周围的环境温度。
2.2 超声波模块
使用CX20106A芯片进行超声波的发送和接收。该设计中将超声波频率设定为40KHZ。由确定引脚发送一定数目的40KHZ脉冲，并开始计时。当另一端口收到返回的信号时，计时停止。已知声速和单片机的机器周期，便可利用数学公式计算出人与风扇的距离。
2.3 人体红外感应器
实现感应人体的是HC-SR501传感器。其工作电压为DC5V至20V，当感应到人体时，模块中间的引脚2便输出高电平，当人离开时自动延迟关闭高电平，输出低电平。在硬件设计中，将该引脚2与芯片的P24引脚连接起来，通过读取P24引脚的电平信息便可知道风扇周围是否有人[4]。
2.4 电机控制
考虑到风扇要具有较宽的调速范围，并且单片机输出的都是电平信号，所以本设计中采取直流无刷电机，既能满足良好的调速性能，又能配合风扇所具备的智能化的功能。
3 软件系统设计
3.1 无极调速设计
在风扇手动工作模式下，采用A/D[2]转换的方法，利用旋钮可将0～5V的模拟电压转换为0～99的数字信息，将转换后的数字赋值给PWM输出模块，便可以通过旋转调速按钮，实现对风扇的无极调速。
3.2 温度读取程序
温度的准确读取是按照DS18B20芯片的工作原理来进行的，在经过初始化、跳过ROM等一系列指令，开启温度转换。待温度转换结束后进行读取暂存器的内容，直到读取到第9字节结束。
3.3 超声波测距程序
超声波测距是通过编写程序实现的。单片机内部有2个电路分别控制着超声波的发射和接收模块。当接收模块接收到由发射模块发射的超声波时，期间所用的时间就是波在空气中传播所用的时间，利用数学公式，可以计算出人与风扇的距离。为便于功能更好的实现，需对距离作如下的处理，如图2。
3.4 人体红外感应程序
由于HC-SR501传感器的检测引脚与单片机的P24引脚相连，所以在程序中需要对P24进行监测。接下来通过定时器程序，每隔固定时间段对P24引脚电平进行数值判断，实现人来即开、人走即关的功能。
3.5 PWM调速设计
PWM智能调速的设计是整个系统的核心。在智能工作模式下，PWM占空比是由周围环境温度和人与风扇的距离共同决定的。将单片机的P34引脚作为PWM信号的输出引脚。最终将PWM输出信号[5]连接到电机驱动模块上，这里选用的是AQMH3615NS直流电机驱动模块。在程序中，编写函数关系式PWM=f（t，d）[1]，实现智能调速。具体实现流程图如图3。
4 实物仿真
完成硬件设计和软件设计后，就是最后的实物仿真阶段。主要由电机、单片机开发板、扇叶、各个传感器制作成简易的智能风扇实物。各部分连接无误后，插上电源，将程序下载到单片机中，通过按键控制，观察风扇的工作情况如图4。
5 结论
通过实物仿真，智能风扇基本实现所设计的所有功能。比如在智能工作模式下，可实现人来即开、人走即关的功能，不仅节能，还更具人性化。并且风扇风速可随着环境温度的上升而变大，下降而变小，温度低于设定值时，风扇自动停转。虽然越来越多的人购买空调，但这并不会使风扇消亡，由于风扇具有价格低廉、种类繁多等优点，加之智能风扇的兴起，所以风扇仍然具有不可替代的地位，智能风扇在将来智能家居的发展道路上必将扮演着重要的角色。
参考文献
[1] 赵昌方，蒋元稹.智能风扇调速器设计[J].农村经济与科技，2017，28（2）：283-284.
[2] 刘训非，陈希，张宇峰，王栋.单片机技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2014.
[3] 高媛，陈乾，张越，陈思远.集照明供暖、风扇、心理效应于一体的智能教室系统[J].智能建筑电气技术，2018，12（4）：87-90.
[4] 張雪侠，商莹，张金博.基于单片机和蓝牙技术的智能遥控风扇的设计和研究[J].电子设计工程，2017，20（5）：53-56.
[5] 郑安豫.基于单片机的智能风扇系统设计[J].商丘师范学院学报，2018，34（3）：33-35.
Intelligent fan Design Based on Single chip Microcomputer
YANG Yu-guo，ZHOU Jun，QIAN Yi-run
（Jiangsu University of Science And Technology， School of Electronic Information，Zhenjiang jiangsu  212003）
Abstract：As an indispensable tool in People's Daily life， fan is developing towards the direction of intelligence， energy-saving and humanization.This paper introduces a kind of intelligent fan design， which takes IAP15F2K60S2 as the main control chip，supplemented by DS18B20 temperature sensor， combined with CX20106A chip for ultrasonic processing and hc-sr501 infrared sensor.The intelligent fan is designed in two modes， which can realize stepless speed regulation in manual mode and real-time speed regulation through temperature and distance in intelligent mode.The designed intelligent fan has perfect function and broad market prospect.
Key words：intelligent fan;single chip microcomputer;sensor;dual mode

-全文完-