基于單片機的農村智能溫控風扇系統設計*

田真子，李 浩，李 玲

（鄭州航空工業管理學院，河南 鄭州 450046）

黨的十九大提出了實施鄉村振興戰略，其中指出，加快推進農業農村現代化，在信息時代背景下，智慧農業、農村建設對于實施鄉村振興戰略具有十分重要的現實意義[1]。在農村大部分家庭使用的是傳統的風扇，這種風扇僅能夠控制電機進行風速的調節，并且是通過用戶手動操作才能改變檔位，沒有倒計時、指示燈、溫控系統、節能等系列功能，沒有更多考慮用戶需求的實用設計，整體上存在缺少智能模塊、用戶體驗感差的問題。

本論文積極響應國家鄉村振興戰略號召，設計系統將傳統的風扇與IAP15F2K61S2單片機進行配合更新，IAP15F2K61S2單片機作為微型控制器，在體積、價錢、品質上有著很大的優勢，因此現在被廣泛應用到各種智能化的產品上。本系統便是此單片機為底層硬件基礎，結合單片機原理、傳感器模塊和PWM調速技術，設計出的智能溫控風扇系統，根據周圍溫度的變化自動切換檔位，真正實現了對風扇的智能控制，切實滿足了用戶的需求。

1 系統總體設計方案

1.1 系統總體概述

基于單片機的農村智能溫控風扇系統為了實現按鍵控制和溫度控制風扇檔位雙模式、環境溫度值的采集、工作時間倒計時、數碼管顯示、LED指示燈多功能，系統的總體設計分為硬件和軟件兩部分。硬件部分系統采用高集成的防水型溫度傳感器DS18B20、3461BS數碼管、LED模塊、獨立鍵盤與單片機進行電路設計；軟件部分使用C語言在Keil uVision5軟件下進行編寫。本系統總體控制的設計框圖，如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.2 調速方式的討論與選擇

方式1：PWM波調速。利用軟件控制單片機某一個端口輸出高低電平，在變化的時候使用延時程序循環掃描產生脈寬調制信號，一般搭配定時器函數使用，通過用定時器設置不同的延時時間就可以產生不同的占空比。其優勢在于調速的效率高。

方式2：變壓調速。通過變壓器對風扇的電機電壓進行控制。變壓調速是調整電機的端電壓，使電機在一定的調速范圍內實現無級調速，經過控制晶閘管的導通模式改變輸出電壓，其優勢主要在于通過電機運行使得其在整個調速范圍內都平穩[2]。

在方式1中，整個智能控制過程中都是以數字形式來完成信號傳達，從而實現信號傳達過程中信號持續為數字形式且沒有經過相應的形式變化，因此實現在這個過程中僅有極小的噪聲影響，讓用戶能有更好的使用體驗。綜上所述，本系統最終選用PWM波調速進行設計。

2 系統硬件設計

2.1 獨立按鍵模塊

本系統通過跳線帽選擇矩陣鍵盤中的S4-S7共四個獨立按鍵實現按鍵控制的功能。S4按鍵為工作模式的選擇鍵和檔位選擇鍵；S5按鍵為定時按鍵，實現定時關閉風扇的功能；S6按鍵為停止功能鍵，實現一鍵關閉的功能；S7按鍵為周圍環境溫度查看按鍵。

2.2 LED指示燈模塊

本系統共使用L1-L5共五個LED燈組作為指示燈，通過選擇不同的工作模式會點亮不同的LED指示燈，為用戶帶來更好的功能體驗感。

2.3 數碼管顯示模塊

本系統的數碼管顯示模塊采用兩組共陽極結構的數碼管，共八位，可用于顯示系統工作檔位、倒計時時間和溫度。電路設計通過74HC138譯碼器以及74HC573鎖存器控制實現P0口控制段碼、P2口控制位碼。

2.4 溫度采集模塊

本系統選用的DS18B20溫度傳感器采用單總線的接口方式，單總線有著經濟性好、抗干擾能力強、適合惡劣環境溫度測量的優點[3]。其電路圖的設計過程，如圖2所示。由圖2可以明顯看出，它的數字信號輸出/輸入端DQ引腳與IAP單片機的P14引腳相連，當溫度傳感器在感應到周圍溫度的變化時，會及時將溫度信息傳輸給單片機。其中R11是溫度傳感器I/O端口的上拉電阻，目的是當單片機讀取數據結束時，可以重新將I/O端口重新拉到高電平[4]。

圖2 DS18B20電路原理圖

3 系統軟件設計

3.1 主程序

本系統上電后，在系統完成相應的初始化后，DS18B20元件開始實時采集周圍環境溫度，用戶通過按鍵選擇手動或自動模式。在自動模式下，系統會將采集到的溫度與用戶設定的溫度進行比較，根據比較的結果控制風扇調整到合適的檔位，無論是溫控還是人為設置檔位的，數碼管模塊都會顯示對應的檔位，LED模塊會亮起對應的指示燈。當用戶選擇定時模式時，數碼管模塊顯示倒計時剩余秒數，倒計時一結束，程序將控制風扇停止運轉。主程序流程圖，如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

3.2 數碼管顯示函數

溫度傳感器采集到的溫度、風扇所處的檔位、倒計時秒數都可以顯示在數碼管上，本系統數碼管顯示采用循環動態掃描，在編寫程序之前會先把所有能用到的共陽極字段碼全部存到一個數組中。每顯示完成一個數字之后延時一段時間，再進行掃描下一位。這樣由于人眼的視覺惰性就會產生一種連續顯示的動態效果。圖4為工作模式和倒計時顯示界面，圖5為室溫顯示界面。

圖4 工作模式和倒計時顯示界面

圖5 室溫顯示界面

3.3 按鍵掃描函數

通過選用矩陣鍵盤中S4-S7四個按鍵編寫程序實現按鍵控制功能。按鍵S4每按一次實現自動模式-睡眠風-一檔-二檔-三檔五種模式的切換。按鍵S5每按一次實現倒計時10分鐘-倒計時20分鐘-倒計時30分鐘三種模式的切換。S6按鍵是系統的一鍵停止按鈕。按下S6按鍵，系統將停止工作，直到用戶通過S4按鍵重置工作模式或S5按鍵的時間被重置。按鍵S7是查看周圍環境溫度鍵，按下S7系統便會通過數碼管顯示當前環境的溫度，直到用戶再次按下S7系統會重新顯示工作模式和倒計時界面。

3.4 LED函數

本系統共設置 L1、L2、L3、L4、L5 共五個 LED 燈組作為指示燈。自動模式L1點亮；睡眠風模式L2點亮；一檔模式L3點亮；二檔模式L4點亮；三檔模式L5點亮；如果用戶按下S6停止按鍵或當倒計時結束時，LED則會全部熄滅。

3.5 DS18B20讀寫操作函數

本系統選用DS18B20溫度傳感器進行溫度采集，系統如要正常運行溫度傳感器功能則要對DS18B20溫度傳感器進行以下工作編寫程序和調用：初始化、ROM的操作指令、讀 RAM 操作、進行數據校驗。因此,使用該芯片要嚴格按照芯片的通信協議與工作時序。具體的初始化、讀操作和寫操作的時序圖分別如圖6-圖8所示。編寫系統程序設置不同的溫度區間自動調整不同的檔位，可以實現自動模式下的智能溫控，同時無論風扇是否處于停止狀態，只要系統上電，用戶都可以實時查看室溫。

圖6 初始化時序圖

圖7 讀操作時序圖

圖8 寫操作時序圖

4 結束語

最終在Keil uVision5軟件下將用C語言編寫的代碼編譯鏈接生成hex文件，將其用STC燒錄軟件寫入到實際電路板中，經過調試和運行，系統可以穩定執行。

本系統在設計研究過程中，通過基于傳統的風扇設計以及現代用戶的切實需求，最終選用了IAP15F2K61S2單片機為主控芯片完成了系統的方案設計以及功能實現，為用戶提供了更高效、穩定、智能化的溫控風扇。

本系統設計的優點：具備自動模式和手動模式雙模式，可提供給客戶更多的選擇，自動模式也為用戶帶來更好的使用體驗，切實解決傳統風扇只能人為操作的痛點；風扇相比空調價格更低，給用戶的反饋更及時，即用即有，在夏季是每家每戶必不可少的電子產品，本系統在傳統模式上有所更新，給用戶帶來更好的舒適感和實用性；溫度實時查看、LED模式指示燈、定時關閉系統等功能多方面更人性化的從用戶的需求出發進行設計，讓用戶滿意。

當然，本系統也有不同的改進方向。后期迭代更新的時候可以引入模糊控制算法，設置對應隸屬度區間，使得溫控系統所調節的檔位更符合人的體感而非僅僅根據室溫調節；并且在后期迭代更新時，還可以在系統中引入人體紅外感應模塊，使得本系統實現無人時自動關閉風扇及人來時自動開始工作的功能。

綜上所述，本系統切實滿足了用戶的需求，具備五檔調速的智能溫控風扇不僅讓用戶在炎熱的天氣里可以舒心地享受涼爽，還使得用戶能夠在夜晚無意識時享受到貼心的智能調節風速的服務。并且本智能溫控風扇系統也滿足國家所提倡的節能環保要求，讓用戶使用的更加放心。整個設計方案與傳統的風扇相比，有了很大的更新。綜合如今市場需求和智能控制的浪潮興起，本系統的創新設計仍具有良好的產品經濟市場和較好的發展前景。