多功能智能風扇的設計與實現

王艷

（汕尾職業技術學院，廣東汕尾，516600）

0 引言

隨著科技的快速發展，物聯網技術的成熟，人們對美好生活的需要，家用電器不僅要求外觀精美，還希望使用更智能化和人性化。隨著 1880 年的第一臺風扇問世，風扇已經成了我們生活中必不可缺的家用電氣。相對空調而言，風扇具有低功耗、低價格、輕巧、便于移動等特點，依然有廣闊的應用市場。目前市場上大部分風扇仍然采用傳統的機械按鍵控制、功能單一、控制方式單一，不夠智能化和人性化。該設計的這款風扇，使用單片機控制技術、藍牙通信技術、智能觸摸屏技術、傳感器檢測技術等，實現環境溫度、濕度、時鐘、風扇狀態、風扇擋位等信息的顯示。有手動按鍵控制、觸摸屏控制、自動控制、藍牙遙控等多種控制方式，具有定時功能。自動控制方式時，用戶可以根據個人需要調整控制的上線溫度值和下線溫度值，根據環境溫度控制風扇開關和調速。采用了模塊化的硬件搭建方式，便于開發者進行設備的調試和維護。

1 總體設計方案

該設計核心控制器選用了 STC15F2K60S2 單片機。該單片機是一款具有低功耗、低價格、高性價比等特點的 8 位微處理器。采用溫濕度傳感器 DHT11 實現對當前環境溫度和濕度的檢測。采用了 HMI 智能觸摸串口屏實現時鐘、濕度、溫度、風扇狀態、風扇擋位等信息顯示，HMI 智能串口觸摸屏設計了多個控制界面，完成風扇的開啟、關閉、調速、定時、自動控制等設置。使用藍牙通信技術和手機APP 技術實現對風扇的遙控，遙控風扇開關和調速。采用 4 位獨立觸摸按鍵實現風扇的手動調速和開關。本設計的總體結構框圖如圖 1 所示。

圖1 總體結構框圖

2 硬件模塊的實現

■2.1 單片機最小系統

單片機最小系統選擇了宏晶公司 STC15F2K60S2 單片機，是一款 8 位的微處理器。其特點是：價格低、功耗低、高速率。其內部集成有高精度時鐘電路和高可靠復位電路[1]。該單片機最小系統無需設計時鐘電路和復位電路，系統的硬件更加簡單。該單片機內部有兩個相互獨立的串行通信接口 UART0和 UART1，分別用于連接藍牙模塊和 HMI 智能觸摸串口屏。

■2.2 人機交互顯示電路

人機交互使用 HMI 觸摸屏實現人與風扇之間的信息交互，實時顯示當前溫度、濕度、時間、風扇狀態、風扇轉速等信息。HMI 觸摸屏選用了深圳市淘晶馳電子有限公司的電阻式 HMI 智能觸摸串口屏 TJC4024K032_011R，尺寸為 3.2寸，400×240 像素，可進行 100 級亮度調節。HMI 觸摸串口屏 TJC4024K032_011R 集成了顯示屏、觸摸屏、CPU、存儲器和RTC 的獨立顯示器件，具有使用字符串指令、使用 C 語言指令、數據結構精簡、控件屬性賦值支持簡單運算等特點。

TJC4024K032_011R 串口屏與 STC15F2K60S2 單片機的 UART1 串口交互指令。STC15F2K60S2 單片機的 UART1的 P3.6（RXD）、P3.7(TXD)分別連接觸摸屏的串口引腳RXD、TXD。

■2.3 過零點檢測與電源模塊

圖2 電路為整個系統提供 220V 交流電源和 5V 直流穩壓電源，并檢測 220V 交流電源的零點輸出脈沖信號 Utb。首先 220V 交流電源通過降壓變壓器出輸出為 9V 交流電，VD2～VD5 為橋式整流電路，再對 9V 的交流電進行整流，最后通過三端穩壓器 7805 進行穩壓，C4、C5 為濾波電容，最終輸出+5V 直流穩壓電源，為單片機等設備提供工作電源。通過三極管 VT1,VT2 獲得交流電源過零點時的同步脈沖信號Utb，脈沖信號 Utb 送入單片機的外部中斷 0 引腳，作為單片機的外部中斷 0 的中斷信號。

圖2 過零點檢測與電源電路原理圖

使用數字示波器對過輸入220V 交流電壓信號和輸出脈沖信號Utb 進行檢測，信號波形圖如圖 3 所示。其中藍色正弦波為 220V 交流電信號波形，黃色的脈沖信號為同步脈沖信號 Utb 的信號波形。脈沖信號 Utb 的頻率為 100Hz，在交流電源零點時脈沖信號為低電平。

圖3 交流過零點檢測波形圖

■2.4 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測采用了溫濕度復合傳感器 DHT11。DHT11 具有體積小、低功耗的特點。DHT11 有較寬的工作電壓 3V～5.5V，信號傳輸距離可達 20 米，與單片機之間進行單總線數據通信。如圖 4 所示，單片機與DHT11 之間通過 DATA 端進行通訊和同步,其中 R12 為上了電阻，一般取 5kΩ。DHT11 每次的通信數據總共40bit，按照從高到低的順序，包括 16 位的濕度數據、16 位溫度數據、8 位校驗和三部分數據。

圖4 溫濕度傳感器模塊設計原理

DHT11 不會主動進行信息采集，初始模式為低功耗模式。當單片機發送一次開始信號，DHT11進入高速模式，準備采集數據信息。開始信號結束后，DHT11 開始采集溫濕度數據信息，送出 40bit 的數據[3]。信息采集結束后，DHT11 自動進入低功耗模式。

■2.5 電機驅動模塊

風扇系統電機驅動電路如圖 5 所示。當電機達到啟動條件時，外部中斷 0 被開啟，同步脈沖 Ucf 控制外部中斷 0 來啟動定時器 0 開始定時，同時 Ucf 信號送入光電耦合器 MOC3020的引腳 2，光電耦合器將觸發脈沖信號送到 MAC97A6D2 的觸發極。觸發極接收到高電平時，MAC97A6D2 晶閘管導通；觸發極接收到低電平時，MAC97A6D2 晶閘管截至，即交流過零點時雙向晶閘管關斷。定時器 0 以交流過零點時為起點啟動定時，對觸發脈沖 Ucf 進行延時，延時時長通過單片機程序進行自動調整。比如：自動控制方式時，隨著溫度升高延時時間變短，溫度降低延時時間變長，從而控制雙向晶閘管的導通角度在 0～180℃之間。導通角度越大，輸出端電壓越高，風扇的轉速越快，反之風扇速度越小。即當溫度高時，雙向晶閘管導通的角度就大，電機轉速快；檔溫度低時，雙向晶閘管導通角度小，電機轉速慢。從而實現風扇根據當前溫度進行自動調速。

圖5 電機控制電路

■2.6 藍牙模塊

使用了 HC-06 藍牙模塊，與單片機的串口 1 連接，實現單片機和藍牙模塊之間的信息交互。STC15F2K60S2 單片機的UART0 的 P3.0（RXD）、P3.1(TXD)分別連接藍牙模塊 HC-06 的引腳 RXD、TXD,實現單片機與手機之間無線通信，通過手機 APP 控制風扇的開關、調速等。

■2.7 獨立按鍵模塊

獨立按鍵模塊采用了觸摸按鍵，觸摸按鍵控制便捷、壽命長、無機械抖動等優點。該設計使用獨立的 4 鍵觸摸開關模塊。該模塊的特點是：低功耗、寬電壓（2V～5.5V）、正反面均可觸摸。該模塊 4 個鍵的初始狀態為低功耗模式。當用手觸摸相應按鍵時，轉換為高速模式。在高速模式下如果持續12 秒內沒有再觸摸相應按鍵，將再次進入低功耗模式[4]。即當用手觸摸時對應端口輸出高電平，手放開時輸出低電平。4 個按鍵的功能分別是：S1 鍵---停止；S2 鍵---低速檔位；S3 鍵---中速擋位；S4 鍵---高速擋位。

3 軟件設計

■3.1 人機交互界面設計

人機交互界面使用了 HMI 智能觸摸串口屏 TJCTJC40 24K032_0 11R，實現人與風扇之間交互信息。TJCTJC40 24K032_011R 的界面設計軟件搭配的是 USART HMI，是淘晶馳提供的智能串口屏集成開發環境，具有串口屏界面設計、編程、調試、下載等界面開發所有功能。USART HMI軟件有豐富的控件、自定義字庫、C 語言指令等。利用這些功能可以快速的開發出圖形界面，避免使用復雜的函數來編寫。

圖6 為該設計的主界面。該設計界面有 8 個界面，包括主界面、控制界面、檢測界面、功能界面、設置界面、時鐘調整界面、溫控界面、定時界面等。實現溫度、濕度、時鐘、風扇狀態、風扇轉速等信息顯示，實現時鐘的調整、風扇的啟動和調速、溫控的溫度設置和開啟、定時時間設置等功能，完成人與風扇之間的信息交互。

圖6 HMI 屏的主界面

■3.2 手機 APP 設計

Google 推出的一款軟件工具 App Inventor，可以進行在線的手機 APP 的設計和開發。該軟件工具是完全在線開發的Android 編程環境，摒棄了復雜的程式代碼，采用圖形化編程的方式實現 Android 程式。

使用 App Inventor 開發一個手機 APP 首先從瀏覽器開始。先設計程序的外觀，程序外觀全部采用拖拽的方式進行設計和調整，即組件設計[5]。接著設計程序行為，這部分使用圖形化編程方式，不需要設計者學習過編程知識，只需要有一定的邏輯思維就可以完成程序設計，即邏輯設計。最后打包 apk 并生成一個二維碼，手機掃碼就將程序安裝到手機上了。圖 7 為控制風扇的 APP 界面，使用手機的藍牙進行通信，實現風扇的開關、調速、溫濕度顯示。

圖7 APP 界面

■3.3 單片機系統設計

單片機系統采用移植性強的 C 語言編程。當檢測到交流過零點時，外部中斷 0 產生中斷，控制雙向晶閘管截止，并啟動定時器 0。定時器 0 中斷用于控制電機的導通角度的大小，定時器 0 定時時間越長，雙向晶閘管導通時間也就越長，風扇的轉速就會越快，反之風扇轉速降低，實現風扇的調速功能。定時器 2 用于串行通信的頻率發生器，UART0 和 UART1 串口通信從波特率均為 9600bps。

4 功能與使用

■4.1 溫濕度、時鐘等信息顯示

手機 APP 上可以實時顯示當前環境溫度和濕度，使用者可以方便、及時的了解當前環境信息。HMI 智能串口屏顯示當前環境溫濕度和時鐘等信息，風扇可以設置為自動模式，并設置開啟風扇和關閉風扇的溫度值，這樣風扇就可以根據設置的溫度值自動開啟、關閉風扇和風扇調速。風扇具有定時功能，可以設定風扇的開啟時間，當定時時間到，風扇會自動關閉。

■4.2 控制方式

該系統可以實現自動控制、手動按鍵控制、觸摸屏控制、手機 APP 遙控、定時控制等多種控制方式。自動控制方式時可以設定開啟和關閉溫度值，風扇就進入自動開關、調速狀態。手動控制方式可以按鍵控制，通過外圍 4 個按鍵實現風扇開啟、停止、調速等；也可以通過 HMI 觸摸屏界面實現風扇開啟、停止、調速等。手機 APP 實現無線遙控電風扇的開啟、停止、調速等?？梢栽O定定時時間的長短，定時時間到，風扇自動關閉。多種控制方式相結合，方便了用戶的使用，使我們的生活更加便捷、靈活多樣、智能化和人性化。

5 結束語

該設計的風扇系統是在傳統的風扇的基礎上進行了改進和創新，結合藍牙技術、智能觸摸串口屏技術、APP 技術、傳感器技術當，設計了非常人性化的人機交互界面，可以顯示當前環境溫度、濕度和時間（年月日時分秒）等信息。具有自動控制、手動按鍵控制、觸摸屏控制、手機 APP 遙控和定時控制等多種控制方式多種控制。經實踐證明，該多功能電風扇使用方便，操作靈活多樣，成本低，智能化人性化。溫控模式特別適合夜間使用，當溫度較低時，風扇會自動關閉，溫度過高時風扇會自動開啟，并根據溫度值調整風扇轉速。使人們生活更加便捷、人性化、智能化，為人們的生活帶來更多樂趣和便利。