基于單片機的智能風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計

鄭安豫

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力系，安徽 合肥 230051))

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人們對家居的智能化與自動化要求也不斷提高.電風(fēng)扇作為一種常用的夏季降暑家用電器，除了簡單的轉(zhuǎn)速設(shè)定與定時功能，沒有其他功能設(shè)置選項，已經(jīng)無法滿足使用者的需求.智能風(fēng)扇的設(shè)計進入研究者的視線.

智能風(fēng)扇的設(shè)計，一般都是基于環(huán)境溫度來實現(xiàn)[1-2]的，隨著環(huán)境溫度的變化，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)風(fēng)扇的智能化.然而實際環(huán)境中，影響人體舒適度的，除了溫度外，濕度扮演了另一個十分重要的角色；夏季中，溫度不是特別高的情況下，如果相對濕度很高，會感覺悶熱，十分不適.

本文提出了一種基于體感溫度的智能風(fēng)扇系統(tǒng)，實現(xiàn)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動控制，環(huán)境數(shù)據(jù)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速液晶顯示.彌補了一般智能風(fēng)扇的只基于環(huán)境溫度，忽視相對濕度的缺點，提高了使用者的舒適度.

1 背 景

1.1 體感溫度

體感溫度，是指人體通過感覺器官，主要是皮膚對外界環(huán)境溫度的感受.體感溫度往往與實際測量的溫度有偏差.它除了受環(huán)境溫度的影響外，還受其他因素，如相對濕度、風(fēng)速、太陽輻射的影響[3].

僅考慮氣象條件的影響下，體感溫度的計算方法如下[3]:

Tg=Ts+T(u)+T(v)+T(r)

其中，Tg為體感溫度，Ts為環(huán)境溫度，T(u)為相對濕度修正項，T(v)為風(fēng)速修正項，T(r)為太陽輻射修正項[3].由于本文只考慮風(fēng)扇的使用場景，風(fēng)扇都在室內(nèi)使用，所以太陽輻射的修正可以忽略.

關(guān)于T(u)與T(v)計算方法，有大量文獻提出了不同的計算方法[3-6].由于風(fēng)扇是用來在炎熱的夏季提升人體舒適度的工具，本文采用了基于人體舒適度的體感溫度計算模型[6].

1.2 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器.傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件.該產(chǎn)品具有響應(yīng)快速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點[7].

2 系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)溫度、濕度數(shù)據(jù)收集、轉(zhuǎn)速計算、風(fēng)扇控制等一系列動作的智能化，需要中央處理器來處理，本系統(tǒng)中采用C51單片機作為中央處理器.為了實現(xiàn)內(nèi)部數(shù)據(jù)(溫度、濕度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速)的可視化，系統(tǒng)設(shè)計中添加了液晶顯示器來顯示各項數(shù)據(jù).

系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

單片機：由于本設(shè)計中，對單片機沒有特殊要求，基于軟件程序的大小，所以選用AT89C54.單片機引腳如圖2所示.

圖2 AT89C54

圖3 手動復(fù)位電路

復(fù)位電路：單片機的復(fù)位電路一般有分為上電復(fù)位，手動復(fù)位.上電復(fù)位指單片機在上電瞬間，給復(fù)位引腳一個復(fù)位信號(一定時間的高電平或者低電平)，以實現(xiàn)單片機的復(fù)位，待穩(wěn)定后，單片機開始執(zhí)行程序；手動復(fù)位指在單片機的復(fù)位引腳接一個按鍵，手動按下該按鍵使單片機復(fù)位.本文設(shè)計中采用手動復(fù)位，風(fēng)扇通電時，給單片機復(fù)位，發(fā)生故障時，能夠手動重置單片機狀態(tài).手動復(fù)位電路圖如圖3所示

晶振電路：單片機工作時鐘需要晶體振蕩器提供工作脈沖信號，脈沖頻率決定了單片機工作速度.晶振電路如圖4所示.

液晶顯示：采集的溫度、濕度、以及現(xiàn)在的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，通過液晶顯示屏顯示.

風(fēng)扇驅(qū)動：風(fēng)扇驅(qū)動采用PWM(Pulse Width Modulation)控制直流電機的轉(zhuǎn)速.由于C51單片機中沒有PWM輸出功能，本系統(tǒng)中采用定時器與軟件控制來實現(xiàn)PWM的輸出[8].

圖4 晶振電路

圖5 軟件流程圖

3 軟件流程

單片機的軟件設(shè)計流程如圖5所示.

1)獲取環(huán)境參數(shù)

單片機通過溫濕度傳感器，獲取環(huán)境溫度與濕度；

2)計算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

根據(jù)獲取的環(huán)境參數(shù)，計算出舒適體感溫度需要的理想風(fēng)速.

3)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

根據(jù)理想風(fēng)速，計算出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速

4)延時

兩次計算間的延時間隔

4 小 結(jié)

針對普通電風(fēng)扇的缺點，本文提出了一種基于體感溫度的智能風(fēng)扇設(shè)計方案.通過傳感器實時獲取環(huán)境溫度與濕度，計算出合適的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；通過單片機自動控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速.該設(shè)計能夠根據(jù)環(huán)境的變化，自適應(yīng)地控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，達到風(fēng)扇智能化的目的.

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