基于STC單片機的智能風扇系統實驗設計

高慶華，商云晶，秦曉梅，崔承毅，程春雨，周曉丹

（大連理工大學 電子信息與電氣工程學部 電工電子實驗中心，遼寧 大連 116023）

單片機綜合設計性實驗是我校自動化專業、通信工程專業以及電子專業的必修實踐課程，該課程能夠將單片機原理、模擬電子線路、數字電路和C語言等理論知識緊密結合起來，旨在培養學生的綜合設計能力和創新能力[1-4]。為了使學生盡早適應社會需求，單片機綜合設計性實驗模擬工程項目開發，教師只給定實驗項目需求，鼓勵學生自主查閱資料，確定設計方案，然后進行焊接、程序編寫、系統聯機調試，最終完成實驗項目。

單片機綜合設計性實驗的教學理念是以學生為本，利用實驗項目實現方法的多樣性，鼓勵學生自主學習，充分發揮主觀能動性和積極性，創造性地采用多元化方法完成實驗任務[5-8]。為了激發學生實驗興趣，開設了源于實際生活的實驗項目——基于STC單片機的智能風扇系統的實驗設計，通過設計電源電路、顯示電路、電機控制電路、傳感器電路等構建智能風扇系統，實現風扇智能控制的各種功能。

1 實驗系統總體設計

1.1 智能風扇系統整體結構

基于 STC單片機的智能風扇實驗系統由穩壓電源模塊、LCD顯示模塊、風扇驅動模塊、無線通信模塊、傳感器模塊等構成，系統功能庫框圖如圖1所示。其中控制核心選用的是 STC15W4K32S4系列單片機中的IAP15W4K58S4，這款單片機功耗低、速度快、性能高，具有在線仿真調試功能；選用LCD1602顯示相關內容；選用L298N驅動風扇；選用藍牙進行無線通信；選用DS18B20檢測環境溫度；選用HC-SR501人體紅外感應模塊檢測人員。

圖1 系統功能庫框圖

1.2 智能風扇系統實驗項目功能要求

實驗項目功能設計尊重學生的個性化發展要求，采用層次化教學方式，包括基礎層、提高層和拓展層。基礎層要求學生實現按鍵控制風扇運行模式，包括啟停、低速、中速、高速、自動運行；通過溫度傳感器檢測環境溫度并在LCD上顯示對應溫度值；設定風扇高低溫閾值，風扇運行過程中當環境溫度低于設定的低溫值時風扇停止，環境溫度高于設定的高溫值時風扇正常運行，如果設置的溫度值不在監測范圍內或者風扇運行速度超過一定值時系統報警。提高層要求學生實現利用藍牙發送命令到單片機，進而遠程控制風扇的各種運行模式；設置人員監測開關，當風扇處于運行狀態時，若通過紅外人體監測傳感器檢測到人員，風扇保持原狀態，未檢測到人員時，風扇延時關閉。拓展層要求學生根據個人能力進行選擇開發，如手機App功能開發等。基于STC15單片機的智能風扇系統功能要求如圖2所示。

圖2 智能風扇系統功能要求

2 實驗系統硬件設計

2.1 IAP15W4K58S4單片機最小系統模塊

單片機是整個智能小車系統的核心，控制整個系統其他模塊的工作。本系統選用的IAP15W4K58S4單片機是宏晶公司生產的單時鐘/機器周期的新一代8051單片機，內部集成時鐘，無需外部晶振和復位電路，并集成了8路10位PWM、8路10位A/D轉換和4路高速異步串口通信端口，相比普通51單片機功能更強大，使用更方便[9-12]。由于IAP15W4K58S4單片機內部集成了時鐘晶振和復位電路，只需將單片機與電源和地連接即可構建最小系統。

2.2 穩壓電源模塊

智能風扇系統中各功能模塊均采用 5 V電壓供電，穩壓電源電路如圖3所示，采用的是LM7805三端穩壓芯片，其內部有過流、過熱及調整管的保護電路，使用方便可靠。采用 IN4007二極管實現全波整流，通過電容濾波后，利用LM7805三端穩壓器實現電壓轉換，為整個系統提供穩定的5 V電壓。

圖3 電源模塊電路

2.3 風扇驅動模塊

實驗系統中采用PWM信號加電機驅動電路方式對風扇進行驅動。驅動電路可使用三極管搭建H橋形式實現，也可使用專用芯片驅動，考慮到前者電路設計復雜，穩定性低，本系統設計采用電機專用驅動芯片L298N對風扇進行驅動，如圖4所示。該芯片輸出電流大、功率強、電路簡單、使用方便，可驅動1個四相電機，也可驅動2個二相電機。本設計可以將風扇接在A位置或B位置，相應地通過單片機發送PWM波到IN1、IN2或IN3、IN4，控制各種風扇運行狀態。

圖4 風扇驅動電路

2.4 顯示模塊

實驗系統中采用 LCD1602液晶顯示當前檢測環境溫度值和風扇運行狀態，此款液晶能夠同時顯示16×2即32個字符，通常用來顯示字符、數字、符號等信息。LCD1602液晶的第3引腳為顯示對比度調節端，通過調節電位器來調整對比度，7—14引腳為數據段，15和16引腳為背光電源正、負極，液晶顯示模塊電路如圖5所示。

圖5 液晶顯示電路

2.5 藍牙無線通信模塊

實驗系統采用主從一體的藍牙轉串口模塊 HC05實現無線數據收發，進而控制風扇各種運行狀態。HC05模塊與單片機的串口相連進行通信，當手機與藍牙配對成功后，可以通過手機串口助手App向單片機發送指令，藍牙模塊如圖6所示。

2.6 傳感器模塊

實驗系統中的環境溫度檢測采用 DS18B20溫度傳感器，它具有低功耗、高性能、能夠多點測溫等優點，溫度檢測范圍為-55～+125°，可編程分辨率為9—12位，可直接輸出數字量。溫度檢測電路如圖7所示。

圖6 藍牙無線通信模塊

實驗系統中采用HC-SR501紅外人體感應模塊實現對周邊人員的檢測，采用LH1778紅外探頭實現人體紅外探測。模塊啟動后，當有人員進入探測范圍時該模塊會輸出高電平，其觸發方式、探測距離以及感應延時均可調節。紅外人體檢測模塊如圖8所示。

圖7 溫度傳感器電路

圖8 紅外人體檢測模塊

3 實驗教學效果

經過幾年的本科學習，學生的綜合能力有較大差別，興趣愛好也各不相同，因此實施層次化教學方法。要求所有學生都要完成基礎層實驗內容，并至少選擇實現1項提高層實驗內容，鼓勵部分有余力的學生自主開發拓展層實驗。各層次實驗內容的實現方式不作具體規定，具有開放性。實驗中，無論能力如何，學生都能設計出一個完整的風扇系統，能力弱的學生設計的系統雖然功能少一些，但動手能力和綜合設計能力得到了鍛煉；能力強的學生設計的系統功能豐富，綜合設計能力和創新能力能夠得到提高。

4 結語

單片機綜合設計性實驗在培養學生綜合設計能力和創新能力方面發揮了重要作用，從智能風扇系統設計來看，實驗項目具有層次性、開放性，能夠融入本科教學多門課程知識點，實現方案多樣化，并能充分尊重學生的個性化發展需求，有效地提高了學生的動手能力、綜合設計能力、工程開發能力和創新能力。