基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)家居的智能化與自動(dòng)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(jiǎn)單的轉(zhuǎn)速設(shè)定與定時(shí)功能，沒有其他功能設(shè)置選項(xiàng)，已經(jīng)無法滿足使用者的需求.智能風(fēng)扇的設(shè)計(jì)進(jìn)入研究者的視線.

智能風(fēng)扇的設(shè)計(jì)，一般都是基于環(huán)境溫度來實(shí)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(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的智能化.然而實(shí)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(gè)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(duì)濕度很高，會(huì)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(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制，環(huán)境數(shù)據(jù)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速液晶顯示.彌補(bǔ)了一般智能風(fēng)扇的只基于環(huán)境溫度，忽視相對(duì)濕度的缺點(diǎn)，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(duì)外界環(huán)境溫度的感受.體感溫度往往與實(shí)際測(cè)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(duì)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(jì)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(duì)濕度修正項(xiàng)，T(v)為風(fēng)速修正項(xiàng)，T(r)為太陽輻射修正項(xiàng)[3].由于本文只考慮風(fēng)扇的使用場(chǎng)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(jì)算方法，有大量文獻(xiàn)提出了不同的計(jì)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(jì)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(hào)輸出的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器.傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件.該產(chǎn)品具有響應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[7].

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)溫度、濕度數(shù)據(jù)收集、轉(zhuǎn)速計(jì)算、風(fēng)扇控制等一系列動(dòng)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(jī)作為中央處理器.為了實(shí)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(jì)中添加了液晶顯示器來顯示各項(xiàng)數(shù)據(jù).

系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)：由于本設(shè)計(jì)中，對(duì)單片機(jī)沒有特殊要求，基于軟件程序的大小，所以選用AT89C54.單片機(jī)引腳如圖2所示.

圖2 AT89C54

圖3 手動(dòng)復(fù)位電路

復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位電路一般有分為上電復(fù)位，手動(dòng)復(fù)位.上電復(fù)位指單片機(jī)在上電瞬間，給復(fù)位引腳一個(gè)復(fù)位信號(hào)(一定時(shí)間的高電平或者低電平)，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位，待穩(wěn)定后，單片機(jī)開始執(zhí)行程序；手動(dòng)復(fù)位指在單片機(jī)的復(fù)位引腳接一個(gè)按鍵，手動(dòng)按下該按鍵使單片機(jī)復(fù)位.本文設(shè)計(jì)中采用手動(dòng)復(fù)位，風(fēng)扇通電時(shí)，給單片機(jī)復(fù)位，發(fā)生故障時(shí)，能夠手動(dòng)重置單片機(jī)狀態(tài).手動(dòng)復(fù)位電路圖如圖3所示

晶振電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)工作時(shí)鐘需要晶體振蕩器提供工作脈沖信號(hào)，脈沖頻率決定了單片機(jī)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(dòng)：風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)采用PWM(Pulse Width Modulation)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速.由于C51單片機(jī)中沒有PWM輸出功能，本系統(tǒng)中采用定時(shí)器與軟件控制來實(shí)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(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示.

1)獲取環(huán)境參數(shù)

單片機(jī)通過溫濕度傳感器，獲取環(huán)境溫度與濕度；

2)計(jì)算風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

根據(jù)獲取的環(huán)境參數(shù)，計(jì)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(jì)算出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速

4)延時(shí)

兩次計(jì)算間的延時(shí)間隔

4 小 結(jié)

針對(duì)普通電風(fēng)扇的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于體感溫度的智能風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案.通過傳感器實(shí)時(shí)獲取環(huán)境溫度與濕度，計(jì)算出合適的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；通過單片機(jī)自動(dòng)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速.該設(shè)計(jì)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(dá)到風(fēng)扇智能化的目的.

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