一種新型智能風扇臺燈的設計

任烔 聶奎營 張甜甜 鄧堯 楊思怡 趙文江

(興義民族師范學院物理與工程技術學院 貴州興義 562400)

一個舒適的學習環境對學生非常重要，智能風扇臺燈在炎熱的環境能給學生帶來涼爽感，良好的學習環境也會提高學習效率。目前，市場上現有的風扇和臺燈大都是分開的，不能很好地滿足人們的需要。據相關數據顯示，在2019 年，中國智能臺燈行業的銷售額為20.96億元，銷售量為60萬臺，中國智能臺燈占臺燈總銷售額和總銷售量的比重分別為37.0%和6.6%。這樣看來，智能化風扇臺燈憑借自己智能化、功能多、保護視力等特點，可以為用戶解決在生活當中出現的諸多問題，在將來必定會受到廣大用戶的喜歡。

1 系統設計

1.1 系統總體結構設計

設計的智能風扇臺燈由以下幾個分系統組成，即風扇系統、溫度顯示系統、紅外線遙控系統和語音系統，各個系統間相互聯系，又能獨立工作，如圖1所示。當使用該風扇臺燈時，使用者可以通過獨立按鍵來使電機轉動正轉或反轉，從而使風扇系統開始工作；臺燈的打開方式有3種：一是通過獨立按鍵來控制，二是通過紅外線遙控打開，三是通過語音系統來喚醒；顯示系統則是顯示使用者所處環境的溫度、風扇的正轉或反轉和臺燈的亮度。

圖1 系統總體結構圖

1.2 語音控制系統設計

語音控制系統主要是由語音識別模塊、單片機組成，語音模塊識別語音指令后發送給單片機進行處理[1]，其結構圖如圖2所示。語音識別是基于關鍵詞語列表識別的技術，只要把需要識別的關鍵詞用字符的形式送到語音識別芯片的內部，就可以對關鍵詞識別。該設計采用LD3320語言識別模塊，該芯片集成了語音識別處理器，不需要再外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別、聲控、人機對話功能，通過LD3320語音模塊完成語音信息的識別與采集[2-3]，單片機作為主控芯片完成對采集信息的處理。語音識別控制的關鍵點在于語音識別的準確率。而LD3320的識別準確率在95%以上，能夠滿足用戶需求。通過軟件編程可以實現以下功能：當說出一級喚醒指令“小杰”時，語音模塊指示燈常亮，表示可以說出指令；當再次說出事先編寫好的二級指令“開燈”時，語音模塊收到指令經單片機信息處理后，從而控制LED燈發光；當說出二級指令“關燈”時，LED燈熄滅。

圖2 語音控制系統結構圖

1.3 紅外線遙控系統設計

紅外線遙控系統主要是利用紅外接收管和紅外發射管來進行信息傳輸，當按下指令鍵時，指令編碼電路產生所需的指令編碼信號，指令編碼信號對載波進行調制，再由驅動電路進行功率放大后由發射電路向外發射經調制定的指令編碼信號。接收電路將發射器發出的已調制的編碼指令信號接收下來，并進行放大后送解調電路，解調電路將已調制的指令編碼信號解調出來，即還原為編碼信號。指令譯碼器將編碼指令信號進行譯碼，最后由驅動電路來驅動執行電路實現各種指令的操作控制。當紅外遙控器發射信號，被紅外線接收器接收[4]，在數據輸出引腳上輸出一個高低電平的脈沖信號，脈沖信號就會傳送給單片機，單片機接收到信號后控制風扇的正反轉和調節LED 燈的亮度，其結構圖如圖3所示。復位模塊在電路中起到的作用就是使電路恢復到起始狀態，使程序重新開始運行。

圖3 紅外遙控系統結構圖

1.4 顯示系統設計

顯示系統主要由LCD1602 液晶模塊、單片機、型號為DS18B20 的溫度傳感器組成，其結構圖如圖4 所示，溫度采集單元主要是以DS18B20 為核心進行的[5]。采用LCD1602 液晶顯示系統顯示當前檢測環境溫度值、風扇電機正轉或者反轉指示、風扇工作與停止指示、LED 燈光強度等級指示[6]。該系統主要由數字溫度傳感器DS18B20 對溫度進行監測，監測到的溫度值和LED 燈光強強度等級以及風扇的工作狀態經過單片機進行判斷和處理后，通過LCD1602 液晶顯示屏進行顯示。其中參數t 后面顯示的數字表示溫度，ZF 后面顯示的Z 表示正轉F 是反轉，FS 后面顯示的Y 是表示工作狀態，N 是關閉狀態，GQDJ 后面顯示的數字0 表示LED 燈處于關閉狀態，顯示的1、2、3分別表示LED 燈強度等級為1、2、3 級，數值越大LED燈越亮。LCD1602液晶模塊顯示參數如圖5所示。

圖4 顯示系統結構圖

圖5 LCD1602液晶模塊顯示參數

1.5 風扇系統設計

風扇系統主要是由電機風扇模塊、風扇葉片、單片機、獨立按鍵、風扇總線接口組成。其系統結構圖如圖6所示，其中4個按鍵按從左至右分別是控制風扇的啟動、風扇的正反轉、LED 燈開啟及燈光強度增強、燈光強度減弱及關閉。當接通電源時，按下對應按鍵，所按下的對應信息經過單片機處理，從而達到控制相應功能的目的。電風扇的主要部件是電機風扇模塊。其工作原理是：電風扇模塊經接插口與4根傳送線連接，而接插口與單片機的I/O口是相連接的，只要編程實現對應端口的控制，風扇系統功能便可得到相應的控制。

圖6 風扇系統結構圖

2 原理圖和實物圖

圖7 是智能風扇臺燈系統的原理圖，其組成包括單片機最小系統、LCD1602液晶顯示模塊、語音模塊、5個并聯的LED燈模塊、按鍵模塊、直流電機總線插口模塊、紅外接收頭模塊、溫度傳感器模塊、電源電路模塊。單片機最小系統中的上拉電阻，是將不確定的信號通過一個電阻鉗位在高電平，輸入電流時起到限流作用，還可以提供一個泄流通道，防止高電平干擾；由電阻和電容串聯起來的復位電路連接在單片機的9 號引腳，電阻阻值為10 kΩ；電容是10 μF，由此可得電容充電時間為10 kΩ×10 μF=0.1 s,充電過程中，電阻兩端的電壓由5 V 逐漸減小，單片機此時的第9 號引腳RST處于低電平，單片機正常工作，當電容放電時，使得電阻兩端電壓變大，RST 引腳處于高電平，電路進入復位狀態；時鐘電路，由兩個22 pF 的電容和一個11.0592 MHz 的晶振并聯在一起，用來產生時鐘信號，產生的時鐘信號由XTAL2 引腳送入內部時鐘電路，XTAL1 接地，從而驅動單片機工作；在P0 的IO 口處增加了一組排針，目的是將P0 引腳引出，方便實物焊接。

圖7 智能風扇系統總原理圖

接通電源后，通過電路板右側的4 個按鍵來對風扇的正反轉和開關、臺燈的亮度和開關進行調控；還可以通過紅外線遙控來控制風扇的正反轉和LED燈的亮度；另外還可以通過喚醒語音識別系統來調控LED燈。實物圖如圖8所示。

圖8 風扇臺燈系統實物圖

3 結語

該文所設計的智能風扇臺燈系統功能已經通過實驗實現，可以實現傳統風扇的開關和正反轉、臺燈的開關和亮度調節功能，并且具有語音喚醒功能，當說出一級喚醒指令“小杰”時，語音模塊指示燈常亮，再說出二級指令，可以控制臺燈的打開和關閉。該智能風扇臺燈系統是利用單片機作為中央控制單元，與普通家用電器相比，功能上更強，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更節省電能，可以給用戶帶來了更好的使用體驗，相信在未來也會有更好的發展前景。