智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜楚華， 樓應(yīng)侯， 方慶朕， 朱永國(guó)， 王詩(shī)婷

（1.寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315300；2.寧波先鋒電器制造有限公司，浙江 寧波 315300）

0 引言

隨著智能家電的日益普及，各種多樣化的智能電風(fēng)扇也層出不窮。李盛林[1]設(shè)計(jì)了一種可遠(yuǎn)程控制、智能調(diào)速的電風(fēng)扇控制系統(tǒng)，以直流供電，以單片機(jī)AT89C52為控制器，可根據(jù)用戶設(shè)置的系統(tǒng)溫度和檢測(cè)到的環(huán)境溫度的差值自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)還能通過(guò)手機(jī)等智能移動(dòng)設(shè)備終端的藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)溫度、定時(shí)等系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置。王鵬亮等[2]以Arduino開(kāi)發(fā)板為核心，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款智能化電風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)機(jī)、待機(jī)、擺頭等功能，增強(qiáng)了電風(fēng)扇的人機(jī)交互功能。陳炳飛[3]以單片機(jī)為風(fēng)扇控制器的主控芯片，設(shè)計(jì)溫度采集模塊和顯示模塊來(lái)對(duì)周圍環(huán)境實(shí)時(shí)采集并顯示；設(shè)計(jì)串口通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與單片機(jī)的通信；設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的智能化控制；用戶可通過(guò)手機(jī)APP對(duì)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制、定時(shí)關(guān)閉和溫度控制等功能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇的無(wú)線智能化控制。

國(guó)內(nèi)的一些風(fēng)扇控制系統(tǒng)大部分是用于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，且部分市場(chǎng)上的風(fēng)扇功能還不夠完善[4-8]。根據(jù)這一技術(shù)現(xiàn)狀，本文對(duì)一種具有雙層扇葉的風(fēng)扇進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完善了系統(tǒng)功能并優(yōu)化了程序方案。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能電風(fēng)扇以賽元SC92F7422 SOP-20單片機(jī)為核心，集成溫濕度傳感、人體感應(yīng)、蜂鳴器警報(bào)、擋位控制、搖頭輸出、紅外信號(hào)輸入檢測(cè)為一體的控制系統(tǒng)。智能電風(fēng)扇設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

首次上電，蜂鳴器“嘀”長(zhǎng)鳴叫一聲（300 ms），進(jìn)入待機(jī)。待機(jī)狀態(tài)下，點(diǎn)擊電源鍵則進(jìn)入開(kāi)機(jī)狀態(tài)；開(kāi)機(jī)狀態(tài)時(shí)點(diǎn)擊則關(guān)機(jī)，并記憶參數(shù)。點(diǎn)擊調(diào)節(jié)“-”鍵，每按1次減少1擋，設(shè)定值會(huì)在相應(yīng)模式所有擋位間循環(huán)。長(zhǎng)按超過(guò)1 s則以每秒3擋的速率進(jìn)行調(diào)節(jié)。擋位調(diào)節(jié)范圍為1～28。點(diǎn)擊調(diào)節(jié)“+”鍵，每按1次增加1擋，設(shè)定值會(huì)在相應(yīng)模式所有擋位間循環(huán)。長(zhǎng)按超過(guò)1 s則以每秒3擋的速率進(jìn)行調(diào)節(jié)，擋位調(diào)節(jié)范圍為1～28。調(diào)節(jié)風(fēng)類模式（風(fēng)類在普通風(fēng)、自然風(fēng)、智能風(fēng)、ECO之間循環(huán)）。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源板電路設(shè)計(jì)

智能電風(fēng)扇主要包含溫濕度的數(shù)據(jù)采集、人體感知輸入、紅外接收的輸入、獨(dú)立按鍵的輸入、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)接口的輸出、數(shù)碼管顯示及單片機(jī)主控制等電路模塊，總設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2 總設(shè)計(jì)電路如圖

2.2 控制電路原理設(shè)計(jì)

控制電路以賽元SC92F7422 SOP-20單片機(jī)為核心，分別外接溫濕度傳感器、蜂鳴器、數(shù)碼管顯示電路、按鍵電路等。電路圖如圖3所示，定義引腳如表1所示。

表1 單片機(jī)引腳定義

圖3 控制電路圖

2.3 濕敏電路設(shè)計(jì)

通過(guò)IO1與IO2產(chǎn)生1 kHz左右的模擬交流脈沖。下面為對(duì)應(yīng)端口的具體波形。圖5中t1～t2時(shí)間段（設(shè)此時(shí)Rs+RH/R1<39 kΩ），IO1為高電平，IO2為低電平，從t1經(jīng)過(guò)Tsmp后對(duì)AD1端口的電壓進(jìn)行采樣，在整個(gè)周期時(shí)間內(nèi)（t1～t3）只對(duì)濕敏電阻采樣一次。

圖5 AD1端口的具體波形

Rs為串聯(lián)電阻，電阻值為1 kΩ（高濕段平緩），R1為并聯(lián)電阻，電阻值為1 MΩ（使低濕段變化平緩），R2為采樣分壓電阻，電阻值為39 kΩ，R4、C1組成濾波電路，采樣平緩，電阻值為22 Ω，電容為22 pF。

圖4 濕敏電阻使用電路

濕敏電阻相對(duì)不同環(huán)境濕度(20% ～95% RH)的阻抗跨度很大（1 kΩ～1 MΩ），而不同型號(hào)的單片機(jī)IO口內(nèi)阻存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量偏差；為了測(cè)量值更加接近于真實(shí)交流阻抗，將IO1與IO2設(shè)為強(qiáng)推挽輸出模式，以減小IO端口的輸出內(nèi)阻。

表2 采樣時(shí)序

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

智能電風(fēng)扇控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度的模擬量數(shù)據(jù)采集、硬件驅(qū)動(dòng)、數(shù)碼管顯示等部分。軟件程序采用主程序調(diào)用子程序的方法，先進(jìn)行子程序的修改測(cè)試，再進(jìn)行綜合聯(lián)調(diào)?？刂瞥绦虻牧鞒倘鐖D7所示，先對(duì)看門(mén)狗及系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，再讀取ADC的值及溫度值，然后再掃描各輸入模塊，并作出數(shù)據(jù)顯示及風(fēng)扇模式的輸出。

圖6 IO1 端口、IO2 端口的具體波形

圖7 系統(tǒng)流程圖

主函數(shù)main.c主要包括系統(tǒng)初始化函數(shù)調(diào)用和各模塊函數(shù)的調(diào)用，主程序4 ms調(diào)用一次全部的功能函數(shù)，這樣可以保證所有功能及時(shí)、有效地完成。主函數(shù)main函數(shù)采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的調(diào)度策略，即主程序輪流調(diào)度各功能程序，并判斷其標(biāo)志位，當(dāng)滿足要求時(shí)執(zhí)行該功能程序，這樣大大提高了程序的實(shí)時(shí)性。

3.2 溫濕度測(cè)量

主要包括特殊功能寄存器初始化、I/O端口初始化、系統(tǒng)寄存器初始化、定時(shí)器初始化設(shè)置、PWM寄存器初始化、UART寄存器初始化、AD寄存器初始化、系統(tǒng)寄存器參數(shù)初始化等操作。由Init_Sys和INIT_Gpio、INIT_Tim、INIT_Adc、PWMinit、Uart_Init、INIT_Set等7個(gè)程序組成。

表4 源程序各子集說(shuō)明表

表5 系統(tǒng)初始化函數(shù)

表7 顯示數(shù)據(jù)處理

3.3 顯示驅(qū)動(dòng)及顯示數(shù)據(jù)

DISP_Img[DISP_CNT]為顯示狀態(tài)數(shù)據(jù)緩存寄存器。顯示數(shù)據(jù)處理程序DSIP_Func將要顯示的信息通過(guò)運(yùn)算存入顯示寄存器DISP_Img[DISP_CNT]中，將當(dāng)前需要顯示的數(shù)據(jù)存入此數(shù)組寄存器中，發(fā)送I2C命令將要顯示的內(nèi)容發(fā)送給顯示驅(qū)動(dòng)IC，再由數(shù)碼管和LED發(fā)光二極管顯示出來(lái)。這樣大大節(jié)省了硬件成本，簡(jiǎn)化了電路。

3.4 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)時(shí)間控制

BUZ_Tone 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)時(shí)間控制程序，每4 ms進(jìn)入一次。程序首先判斷有無(wú)蜂鳴器開(kāi)啟標(biāo)志寄存器BUZ_Cnt，若有，同時(shí)BUZ_ToneCnt增加一次，以控制蜂鳴器的開(kāi)啟時(shí)間。當(dāng)Buzzer_buf中的值不小于所設(shè)置的時(shí)間時(shí)，關(guān)閉關(guān)閉蜂鳴器標(biāo)志位b_out_buz，停止鳴叫；當(dāng)BUZ_Cnt位為0，沒(méi)有蜂鳴器啟動(dòng)時(shí)，蜂鳴器IO口關(guān)閉。

3.5 人體感應(yīng)檢測(cè)

當(dāng)熱釋電人體感應(yīng)模塊感應(yīng)到人體后，模塊輸出高電平，經(jīng)過(guò)三極管反向后，變?yōu)榈碗娖?，控制芯片通過(guò)識(shí)別該電平狀態(tài)以判斷是否有人。

4 系統(tǒng)調(diào)試

軟件在電腦上完成仿真后，將代碼燒錄在MCU中。硬件在通過(guò)8 kV靜電干擾、1 kV雷擊浪涌和4 kV EFT測(cè)試后，沒(méi)有死機(jī)、跑飛，輸入、輸出無(wú)誤動(dòng)作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文利用賽元SC92F7422單片機(jī)為控制核心，利用溫濕度傳感器采集環(huán)境的溫度和濕度，利人體感應(yīng)傳感器檢測(cè)人體，數(shù)碼管顯示智能電風(fēng)扇的運(yùn)行參數(shù)，按鍵和紅外遙控器可以調(diào)整電風(fēng)扇的功能，加強(qiáng)了人機(jī)交互。風(fēng)扇可根據(jù)用戶模式及當(dāng)前溫濕度情況做出智能判斷。本文對(duì)智能電風(fēng)扇進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，通過(guò)運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足要求。

圖8 顯示運(yùn)行流程圖