一種低成本的多功能智能風扇控制系統＊

席 豪，閻昌國，朱成銀，汪家晗，張鑫豹

（遵義師范學院工學院，貴州 遵義 563006）

近年來，隨著科學技術的快速發展與物質生活水平的不斷提升，智能家居的理念正在逐步影響著人們的精神世界，使人們對美好的生活越來越向往，人們在忙于工作之后也希望自己的家居生活體驗更加的智能化、自動化與舒適化[1-4]。在炎熱的夏天，為改善家居生活環境溫度的舒適度，人們常需要借助一些電氣設備來實現降溫解暑，空調作為家居生活中常用的一種降溫解暑的電氣設備，目前雖已在很多的家庭中得到了普及和應用，但同時很多人也對其表現得并不是很適應，有的甚至還滋生出了“空調病”[5-7]。另外一種在家居生活中用于降溫解暑的電氣設備就是風扇，相對于空調來說，風扇存在費用較低、占地空間小、容易搬移等優點，在較多精準扶貧的家庭受到了更為廣泛的歡迎[8-9]。但是，受經濟收入的影響，較多的精準扶貧家庭仍采用的是傳統的人工調控風扇，極大降低了他們對家居生活的自動化與智能化的體驗。因此，設計出一款成本相對較低而功能又相對較多的智能溫控風扇，對于改善廣大精準扶貧家庭家居生活的體驗度與舒適度，更好地滿足他們對智能家居生活的美好向往，具有十分重要的實際應用價值。

基于此，本文提出了以單片機控制器為核心的智能風扇控制系統制作方案，該方案可準確地依靠多個電氣設備檢測居室生活所處的溫度、人體方位、有無人體等環境信息的變化，進而依靠單片機控制器對風扇的啟停、轉向、調速等狀態做出相應的自動控制。本文給出了該方案的總體架構框圖，詳細闡述了系統部分主要電路的工作原理，并通過搭建實驗系統來證實該方案的正確性、可行性與有效性。

1 系統架構

智能風扇是機電一體化程度相對較高的電氣設備裝置，其控制系統的設計與實現對整個裝置綜合性能的影響起著十分重要的作用[10-12]。圖1為該控制系統總體架構原理框圖，它由單片機最小系統電路、按鍵模塊、溫度檢測模塊、紅外光電檢測模塊、顯示模塊、電機驅動模塊及風扇驅動模塊等組成。其中，單片機為系統的控制器，是整個制作方案的核心，其主芯片采用了一款集成本低、體積小、控制簡單、應用方便等優點于一身的性價比較高的單片機STC89C52，它主要依據外設多個電路模塊檢測居室生活所處的溫度、人體方位、有無人體等環境信息的變化，通過控制實現對風扇的啟停、調速、轉向等功能。此外，在此次脫貧攻堅工作中，受對精準扶貧家庭家居生活體驗進行改善的工作啟示，該方案還預留有可擴展外設區域（如圖1中虛線框的部分所示），在使用過程中，用戶可根據需要在該擴展的外設區域內嵌入遠程控制模塊與智能手機進行相互通信，通過手機端所對應的APP對風扇做出相應控制，如在炎熱的夏天，可以通過手機APP遠距離查看風扇工作狀態，并遠程控制風扇啟停，不僅能有效降低家庭電力成本，還能有效改善居室的溫度環境。

圖1 系統總體架構原理框圖

2 主要電路設計

2.1 檢測電路設計

此低成本的多功能智能風扇控制系統的檢測電路包括溫度檢測模塊與紅外光電檢測模塊2部分，其電路原理如圖2所示，圖中VCC為5 V的參考電壓。溫度檢測電路選用了一款檢測范圍大、體積小、成本低、精度高、抗干擾能力強的12位數字溫度傳感器DS18B20，該部分電路根據所檢測的居室環境實際溫度與系統預設的溫度進行比較，單片機控制器依據比較的結果去控制風扇轉速，從而改善居室的溫度。而紅外光電檢測模塊主要用于檢測人體方位，系統選用了3個探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、集發射與接收于一體的紅外光電傳感器E18-D80NK，它們分別對風扇所處環境前方的左、中、右方位的人體進行180°的全方位紅外檢測，該部分電路根據所檢測到人體的方位，觸發子程序產生相應的控制信號，告知單片機去控制風扇轉動以實現定位送風。

圖2 檢測電路原理圖

2.2 電機驅動電路設計

在進行電機驅動電路設計時，系統選用了成本相對較低的單極性的永磁減速型4相5線制8拍的異步電機28BYJ-48，它依靠一款高壓大電流、耐溫范圍寬、帶負載能力強的達林頓晶體管陣列芯片ULN2003來驅動，具體電路原理如圖3所示。該部分電路的工作原理為：單片機的P1口輸出的高低電平信號經芯片ULN2003驅動放大后送入步進電機28BYJ-48，步進電機依據接收到的驅動脈沖信號按照時序工作，旋轉一個與之對應的步距角，以實現對電機的啟停、正轉與反轉的控制。

圖3 電機驅動電路原理圖

2.3 風扇驅動電路設計

風扇驅動電路原理如圖4所示，其由3個電阻與2個三極管、1個指示LED燈組成。該部分電路的工作原理為：當單片機的P3.2口輸出為高電平時，三極管Q1導通，將a點的電平拉為低電平，同時，三極管Q2也導通，LED指示燈亮，風扇通電啟動；當單片機的P3.2口輸出為低電平時，三極管Q1截止，a點的電平隨之變為高電平，三極管Q2也隨之截止，LED指示燈滅，風扇斷電停止。

圖4 風扇驅動電路原理圖

2.4 可擴展電路設計

為了說明該方案所提出的可擴展外設區域的有效性與可行性，在制作實驗裝置時，選用了一款功耗低、性價比高、集成度好的Wi-Fi控制芯片ESP8266，其電路原理如圖5所示。該部分電路的工作原理為：5 V參考電壓經電源管理芯片1117MBSTT3輸出3.3 V電壓給Wi-Fi控制芯片ESP8266供電，單片機通過P3.0與P3.1口與ESP8266進行串口通信，通過接收與發送AT指令，以實現風扇的遠程控制功能。

圖5 可擴展外設電路原理圖

3 實驗結果

基于上述理論分析，在PROTEL軟件中繪制了所提方案架構的實驗系統，原理圖如圖6所示。基于該原理圖，為了驗證所提方案架構的正確性與可行性，搭建了一個簡易的實驗系統裝置，如圖7所示。實驗時通過按鍵預設居室溫度為25℃，并通過加減按鍵來改變溫度的值，測試結果如圖8所示。

圖6 實驗系統原理圖

圖7 實驗系統裝置

圖8 實驗測試波形

由圖8可知，當居室溫度超過預設值25℃時，單片機觸發中斷程序，其P3.2口輸出為高電平，LED指示燈亮，其端電壓約為0 V，表明風扇通電送風；當溫度低于預設值25℃時，單片機P3.2口輸出為低電平，LED指示燈滅，其端電壓約為0.5 V，表明風扇斷電。這說明基于所提方案，控制系統能準確根據所處環境溫度的變化而做出相應的自動控制，與理論分析相互一致。

4 結束語

本文以單片機為核心控制器，提出了一個低成本的多功能智能風扇控制系統設計方案。該方案集電、光、機、溫等技術于一體，兼顧了自動化與智能化，能根據周圍環境的溫度、人體及人體方位等條件實現對風扇的自動控制、智能控制及遠程控制，成本低、擴展性好、有較好的應用價值，可為智能風扇控制系統的開發與設計提供技術理論指導。