基于51单片机的智能电风扇设计*

2018-12-21刘世月俢继伟王鑫雷

机械工程与自动化 2018年6期

张娟，王露，刘世月，俢继伟，王鑫雷，陈云

(1.太原工业学院工程训练中心，山西太原 030008；2.北方自动控制技术研究所，山西太原 030006)

0 引言

电风扇由于其制作工艺相对简单、成本较低、放置位置灵巧方便，因此目前空调虽然得到广泛使用，但电风扇仍有较大的市场。不过传统的电风扇功能相对简单，一般就是分为三个风速档，再加上摆头和定时功能。为使电风扇具有更广泛的应用，本文基于51单片机设计了智能电风扇，即在原有功能的基础上增加了自动寻人、自动适应温度变速、摆头角度范围可控等功能，同时风扇会在液晶屏上显示当前的温度，为用户提供参考。

1 智能电风扇整体结构设计

智能电风扇系统由2片STC89C51作为主控芯片，以电机和舵机为传动装置，分别带动风扇头和风扇叶的摆头和转动。其在兼有传统风扇功能的同时以红外传感器检测人体，实现自动寻人功能；以传感器DS18B20为检温装置测量室温，从而进一步实现自动变速功能。

智能电风扇整体结构可分为两部分：底座和头部，如图1所示。底座内部为主控电路，外观为四棱台结构，倾斜面为主控面，中间嵌有L298N液晶显示屏，四周为控制按键及各功能指示灯，上表面与头部连接，且有环形凹槽围绕，用以安装红外传感器，确定摆头范围。头部主要为风扇部分，由底部舵机与电机驱动，可根据需要进行摆头和变速。

2 智能电风扇控制系统硬件设计

2.1 总体设计

系统通过红外光电开关模块、温度传感器模块、按键模块将收到的位置、温度以及控制信号等外部信息以电信号的形式实时传递给主控单片机，再经过单片机分析处理之后发出响应信号，传送到舵机和电机以及显示模块，并做出调节，从而提供人们所需要的风扇角度、风扇风速。智能电风扇控制系统框图如图2所示。

2.2 硬件选型

2.2.1 主控芯片

本设计选用STC89C51RC单片机作为风扇的主控芯片。STC89C51RC是STC公司生产的低功耗高性能的CMOS 8位微控制器，是51系列单片机的一种，自带8 kB的FLASH存储器、256 B的ROM、4 kB的EEPROM存储空间、8 kB的程序存储空间，可直接使用串口下载。由于其使用相对简单，控制方便，且成本较低，故本设计选择该单片机为主控芯片。又因连接外设引脚使用较多，所以本设计采用双主控，即以两片芯片为中心，搭建两个最小系统，分别控制不同模块。由STC89C51单片机组成的最小系统如图3所示。

图1 智能电风扇结构示意图

图2 智能电风扇控制系统框图

2.2.2 温度传感器

DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等特点。同时因为其通信只需要一条数据线，相比较于分布式温度传感器，DS18B20应用时无需外部元件，可直接用数据总线进行供电，因此无需备用电源。该传感器的电压范围为3.0 V～5.5 V，测量温度范围为-55 ℃～+125 ℃，可编程的分辨率为9位～12位，温度转换为12位数字格式时分辨率最高，其值为0.062 5 ℃。由于风扇一般在炎热的夏天使用，因此本设计所需测量温度范围在20 ℃～40 ℃即可，DS18B20满足设计需求，因而选用该温度传感器模块。DS18B20测量电路如图4所示。

图3 STC89C51单片机最小系统

图4 DS18B20测量电路

2.2.3 直流电机驱动模块

本设计中带动风扇扇叶的电机驱动芯片采用L298N双H桥直流电机驱动芯片,驱动部分的端子供电范围为+5 V～+35 V,如需要板内取电，则供电范围为+7 V～+35 V。

若要对直流电机进行PWM调速，需设置IN1和IN2，首先应确定电机转动方向，然后对使能控制端输出PWM脉冲即可实现调速。需要注意的是:当使能信号为0或者使能信号为1，且IN1和IN2为00或11时，电机处于自由停止或者制动状态，不会正常工作，L298N电机工作状态如表1所示。

表1 L298N电机工作状态表

2.2.4 步进电机驱动模块

本设计采用ULN2003作为步进电机驱动芯片，驱动部分端子的供电范围为+5 V～+50 V;ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500 mA，并且能够在关态时承受50 V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

2.2.5 LCM1602液晶显示模块

本次设计中的显示模块采用1602液晶显示屏，该模块内部的字符发生存储器(CGROM)已经存储了许多常用的符号，包括日文假名、英文字母的大小写、阿拉伯数字等，共有160个不同的点阵字符图形以固定的ASCII码的形式存在。在本次设计中，将使用该模块显示当前的室温。LCM1602显示模块如图5所示。

图5 LCM1602显示模块

2.2.6 红外光电开关模块

利用该传感器模块来控制风扇摆头范围，当发射管发射出一定频率的红外线射到风扇头部(反射面)时，红外线就会反射回来，然后被接收管接收，最后经过比较器电路的处理之后，信号输出接口将会输出一个低电平的数字信号。该模块的检测距离可通过电位器旋钮调节，调整方便，灵活性较好。

3 智能电风扇控制系统软件设计

系统初始化后，若选择自动模式，则风扇通过温度传感器自动调节风速，并且以慢速360°旋转摆头，当寻到人体位置后停止摆头；若选择手动模式，则通过按键调节，可以调节所需角度及风速。智能电风扇控制系统软件流程如图6所示。

图6 智能电风扇控制系统软件流程

由图6可知，本设计包含3种运行模式，一种为手动控制模式，另外两种为自动控制模式。其中，第一种手动模式同传统风扇功能类似，便于习惯用传统风扇的人群使用。第二种模式主要是实现自动温控变速功能，无需人工调节风速，方便用户使用。根据当前的室温，风速可分为三档，当室温低于25 ℃时，风速为1档；当室温在25 ℃～30 ℃之间时，风速为2档；当室温超过30 ℃时，风速为3档。第三种模式主要是实现自动寻人功能，通过红外传感器对环境光线的适应能力，发射并接收光线，来检测周围是否有人，一旦找到目标，风扇便开始工作。

4 智能电风扇实物调试

智能电风扇实物如图7所示。调试运行过程如下：首先，接通电源，启动风扇，初始时默认为手动模式，可通过按键手动调节风速、是否进行摆头操作等；然后，通过按键进行模式选择，选择自动模式1，风扇的转速将根据温度传感器检测到的当前室温进行自动调节；选择自动模式2，风扇将会进行摆头操作，当风扇头部的红外传感器扫射到人体时，便会停止摆头、开始工作，从而实现自动寻人功能。另外，风扇还装有显示屏，可以实时显示当前室温。测试结果表明:本设计实现了温控变速与自动寻人功能。