任務驅動式教學實踐

王炳庭 鄧圣

[摘? ? ? ? ? ?要]? 設計了一種以STC89C52單片機為控制核心的智能風扇系統(tǒng)，在普通風扇的基礎上增加空氣溫度和濕度檢測功能，解決在不同環(huán)境中，風扇對室內溫度、濕度的自適應調節(jié);重點介紹了L298N對直流電機的驅動、DS18B20對溫度檢測的方法、DHT11對濕度的檢測方法、HC-SR501對人體的檢測方法以及加濕器的智能控制。該風扇系統(tǒng)已進行實物制作和測試，可實現對室內溫度和濕度的調節(jié)及風速的自適應控制，具有節(jié)能和環(huán)保等特點。

[關? ? 鍵? ?詞]? 溫度檢測;濕度檢測;環(huán)保;任務驅動式

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2019）28-0001-03

一、引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，各種家用電器不僅在功能、款式等方面日趨完善和美觀，而且逐步朝著健康、節(jié)能和環(huán)保等方向發(fā)展。風扇是人們炎炎夏日降溫防暑的必要設備，現有的風扇多半是采用全硬件電路控制，電路復雜、功能單一[1]。

據調研顯示，風扇系統(tǒng)的設計大多都針對某一功能進行研究，并沒有對現有的這些功能進行綜合。例如，在文章[2，3]中針對濕度和溫度進行了比較深度的研究，并沒有指出對濕度數據的利用，而本設計中對檢測的濕度數據與設定的標準值進行比較，來決定加濕器是否工作;在文章[4]中通過風扇的風速和濕簾降溫，但是這種濕簾降溫的效果并不理想，本設計加濕器采用霧化板高頻率震動，同時在加濕器中加入各種香薰和精華液，在降溫的同時凈化室內的空氣質量。

炎炎夏日，人們對所處環(huán)境的舒適程度要求越來越高，然而現有的風扇只能解決人們對風速的要求，無法在一定程度上調節(jié)室內空氣濕度[5，6]，且不具有改善室內空氣質量的功能，無法滿足人們在炎炎夏日對所處環(huán)境舒適度的需求。本文通過對風扇的功能進行創(chuàng)新和改善，使其具有改善室內空氣環(huán)境質量，使人們所處環(huán)境更加適宜和環(huán)保。

本設計對現有風扇的不足進行了改進，使用STC89C52作為主控芯片，對傳感器所采集到的室內溫度和濕度數據進行處理[7]，來調節(jié)風扇的風速及加濕器的工作狀態(tài)，實現室內溫度濕度自適應調節(jié);同時，加濕器中的液體可以添加空氣清新成份或驅蚊成份，可以改善夏季空氣環(huán)境質量，進而達到凈化室內空氣及驅蚊效果。

二、智能風扇系統(tǒng)總體設計

智能風扇系統(tǒng)的結構如圖1所示，主要由主控模塊（STC89C52）、溫濕度檢測模塊、人體紅外感應模塊（HC-SR501）、電機驅動模塊（L298）、液晶顯示模塊（LCD1602）、紅外接收模塊（HS3088）、繼電器和加濕器等模塊構成。其中溫濕度檢測模塊、人體紅外檢測模塊、紅外接收模塊和繼電器模塊為輸入模塊，單片機將各個輸入模塊采集到的數據經過一系列運算后，發(fā)送給各個輸出模塊（電機驅動模塊、液晶顯示模塊和加濕器為輸出模塊），并進行一定的智能控制，進而實現智能風扇的功能。

（一）人體紅外探測儀模塊

本模塊的重難點在于風扇對扇區(qū)內人體的感知能力，進而控制風扇的工作狀態(tài)（啟動或關閉）。如圖2所示，本設計采用HC-SR501作為檢測模塊，它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，是利用熱釋電效應原理制成的一種傳感器，可以迅速地檢測到運動的人體所發(fā)出的紅外線。感應范圍：小于100度錐角2米之內（加入菲涅爾透鏡之后，檢測距離7米之內）。工作方式：當有人進入其扇形感應區(qū)域，它就會輸出一個高電平，并一直保持這個狀態(tài)（0.5～30秒），若檢測沒有人之后，它的輸出變?yōu)榈碗娖?。主控芯片通過紅外檢測模塊輸出的高低電平判斷扇區(qū)內是否有人，并通過溫度、濕度條件決定是否啟動風扇。

（二）溫度傳感器模塊

如圖3所示，該模塊采用DS1820數字溫度感測元件，該傳感器的測溫范圍為-55℃～+125℃，測溫分辨率為0.5℃，支持多點組網功能，可實現多點測溫，測量結果以9～12位數字量串行方式傳送。該傳感器反應速度敏捷、占用主控芯片的端口少、節(jié)省大量的引線和邏輯電路。

在系統(tǒng)中DS1820的DQ端是與STC89C52芯片的P3^0端連接，溫度信息經單總線接口送入STC89C52中，并將處理過后的實時數據在1602LCD上顯示，主控芯片根據實時溫度調控風扇的風速。

（三）濕度傳感器模塊

如圖4所示，該模塊采用DHT11濕度傳感器，當DHT11濕度傳感器接收到主控芯片發(fā)出的開始的信號后，將觸發(fā)一次濕度采集操作，如果沒有接收到開始信號，DHT11傳感器將不會自主進行溫度數據的采集。其進行數據采集后，將轉換到低速模式，然后將讀取的數據發(fā)送至主控芯片進行處理。從發(fā)送開始信號到讀取數據僅要4ms左右，處理速度較快，占用資源較少。

主控芯片將得到的8bit濕度的數據經過轉換后送至LCD1602上進行顯示。主控芯片同時也會根據濕度數值，控制加濕器的工作狀態(tài)（工作或暫停），進而達到調節(jié)室內濕度的要求。同時，加濕器中的液體可以添加空氣清新成份或驅蚊成份，可以改善夏季空氣舒適度，進而達到凈化室內空氣及驅蚊效果。

（四）電機調速模塊

如圖5所示，該模塊利用L298模塊驅動直流電機，同時MCU產生PWM（Pulse Width Moudulation）來實現對電機的速度控制，由于STC89C52沒有專門產生PWM的模塊，本設計采用STC89C52中的定時器1：首先給向TH1和TL1兩個寄存器中寫入要定時的數據（假設定時5000μs，即5000=（216-X）*12/11.0592，求得X=60925，轉化為十六進制之后為0XEE00，其中0XEE裝入TH1，0X00裝入TL1），啟用定時器后，定時器中的數據開始增加，當TH1和TL1中的數據達到0XFF之后，TF1置“1”，向MCU發(fā)送請求中斷，這時對產生PWM的I/O取反，反復地這樣取反，就可以產生不同的PWM波。

本設計中采用STC89C52中定時器1產生4種不同的PWM波，根據實時的溫度，主控芯片將設定的PWM波輸出給L298的ENA端，以達到改變風扇轉速，最終實現智能降溫。這種方式簡單有效、可靠性高。

（五）接收模塊

遙控的接收模塊電路如圖6所示，接收模塊中采用HS0038一體化紅外接收頭，該接收頭接收紅外信號頻率為38kHz，周期約26μs。

本設計中IRD端與主控芯片的P3^3（中斷INTI）相接，當主控芯片接收到HS0038輸出的高電平時，主控芯片將產生中斷，接收來自遙控端的按鍵信息，同時根據按鍵信息調控風扇的模式以及風速。

遙控器利用NEC協(xié)議，NEC協(xié)議是一種簡單的遙控的基帶協(xié)議。NEC的數據格式包括了引導碼、用戶碼、用戶碼（或者用戶碼反碼）、按鍵鍵碼和按鍵反碼。將信號加載到38K載波上主要用于用戶選擇模式和風扇檔位的選擇。

（六）顯示模塊

如圖7所示，該模塊采用由長沙太陽人電子有限公司生產的字符型LCD液晶顯示模塊。該模塊4～5端口連接P1^0和P1^1，用來向LCD發(fā)送讀寫命令;7～14接在主控的P0口，用來寫入數據的。

主控芯片將收集的溫度、濕度、風扇模式、風扇開關、風扇風速狀態(tài)等數據在LCD上顯示。該模塊顯示質量高、功耗低、體積小、重量輕。

三、結語

本設計是一次任務驅動式教學實踐，文中設計了一種以STC89C52單片機為控制核心的環(huán)保型智能風扇，并對各個模塊的電路原理及其功能進行詳細的介紹，將風扇的功能進行改善，使其具有改善室內空氣環(huán)境質量，使人們所處環(huán)境更加適宜和環(huán)保。通過智能風扇實物的制作及測試實驗，該系統(tǒng)可實現對室內溫度和濕度的調節(jié)及風速的自適應控制，具有節(jié)能和環(huán)保等特點。

參考文獻：

[1]楊丕達.國內電風扇產品的現狀分析[J].日用電器，2009（12）.

[2]陳富忠，翁桂琴.智能溫控調速風扇的設計[J].上海電機學院報，2009（12）.

[3]凌靈.智能直流無刷風扇系統(tǒng)溫度及濕度模塊設計[J].計算機與數字工程，2009（4）.

[4]黃德華.智能空氣凈化加濕降溫風扇的設計[J].電子制作，2013（12）.

[5]王金鳳.國內電風扇市場簡析[J].日用電器，2011（1）.

[6]吳望生.基于STC12型單片機的智能溫控調速風扇設計[J].科教導刊，2014（27）.

[7]李圣普，王小輝.基于多傳感器的智能溫控風扇調速控制器設計[J].電子產品世界，2015（4）.

◎編輯 張 慧