任务驱动式教学实践

王炳庭 邓圣

[摘           要]  设计了一种以STC89C52单片机为控制核心的智能风扇系统，在普通风扇的基础上增加空气温度和湿度检测功能，解决在不同环境中，风扇对室内温度、湿度的自适应调节;重点介绍了L298N对直流电机的驱动、DS18B20对温度检测的方法、DHT11对湿度的检测方法、HC-SR501对人体的检测方法以及加湿器的智能控制。该风扇系统已进行实物制作和测试，可实现对室内温度和湿度的调节及风速的自适应控制，具有节能和环保等特点。

[关    键   词]  温度检测;湿度检测;环保;任务驱动式

[中图分类号]  G642            [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2019）28-0001-03

一、引言

近年来，随着科技水平的不断提高，各种家用电器不仅在功能、款式等方面日趋完善和美观，而且逐步朝着健康、节能和环保等方向发展。风扇是人们炎炎夏日降温防暑的必要设备，现有的风扇多半是采用全硬件电路控制，电路复杂、功能单一[1]。

据调研显示，风扇系统的设计大多都针对某一功能进行研究，并没有对现有的这些功能进行综合。例如，在文章[2，3]中针对湿度和温度进行了比较深度的研究，并没有指出对湿度数据的利用，而本设计中对检测的湿度数据与设定的标准值进行比较，来决定加湿器是否工作;在文章[4]中通过风扇的风速和湿帘降温，但是这种湿帘降温的效果并不理想，本设计加湿器采用雾化板高频率震动，同时在加湿器中加入各种香薰和精华液，在降温的同时净化室内的空气质量。

炎炎夏日，人们对所处环境的舒适程度要求越来越高，然而现有的风扇只能解决人们对风速的要求，无法在一定程度上调节室内空气湿度[5，6]，且不具有改善室内空气质量的功能，无法满足人们在炎炎夏日对所处环境舒适度的需求。本文通过对风扇的功能进行创新和改善，使其具有改善室内空气环境质量，使人们所处环境更加适宜和环保。

本设计对现有风扇的不足进行了改进，使用STC89C52作为主控芯片，对传感器所采集到的室内温度和湿度数据进行处理[7]，来调节风扇的风速及加湿器的工作状态，实现室内温度湿度自适应调节;同时，加湿器中的液体可以添加空气清新成份或驱蚊成份，可以改善夏季空气环境质量，进而达到净化室内空气及驱蚊效果。

二、智能风扇系统总体设计

智能风扇系统的结构如图1所示，主要由主控模块（STC89C52）、温湿度检测模块、人体红外感应模块（HC-SR501）、电机驱动模块（L298）、液晶显示模块（LCD1602）、红外接收模块（HS3088）、继电器和加湿器等模块构成。其中温湿度检测模块、人体红外检测模块、红外接收模块和继电器模块为输入模块，单片机将各个输入模块采集到的数据经过一系列运算后，发送给各个输出模块（电机驱动模块、液晶显示模块和加湿器为输出模块），并进行一定的智能控制，进而实现智能风扇的功能。

（一）人体红外探测仪模块

本模块的重难点在于风扇对扇区内人体的感知能力，进而控制风扇的工作状态（启动或关闭）。如图2所示，本设计采用HC-SR501作为检测模块，它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，是利用热释电效应原理制成的一种传感器，可以迅速地检测到运动的人体所发出的红外线。感应范围：小于100度锥角2米之内（加入菲涅尔透镜之后，检测距离7米之内）。工作方式：当有人进入其扇形感应区域，它就会输出一个高电平，并一直保持这个状态（0.5～30秒），若检测没有人之后，它的输出变为低电平。主控芯片通过红外检测模块输出的高低电平判断扇区内是否有人，并通过温度、湿度条件决定是否启动风扇。

（二）温度传感器模块

如图3所示，该模块采用DS1820数字温度感测元件，该传感器的测温范围为-55℃～+125℃，测温分辨率为0.5℃，支持多点组网功能，可实现多点测温，测量结果以9～12位数字量串行方式传送。该传感器反应速度敏捷、占用主控芯片的端口少、节省大量的引线和逻辑电路。

在系统中DS1820的DQ端是与STC89C52芯片的P3^0端连接，温度信息经单总线接口送入STC89C52中，并将处理过后的实时数据在1602LCD上显示，主控芯片根据实时温度调控风扇的风速。

（三）湿度传感器模块

如图4所示，该模块采用DHT11湿度传感器，当DHT11湿度传感器接收到主控芯片发出的开始的信号后，将触发一次湿度采集操作，如果没有接收到开始信号，DHT11传感器将不会自主进行温度数据的采集。其进行数据采集后，将转换到低速模式，然后将读取的数据发送至主控芯片进行处理。从发送开始信号到读取数据仅要4ms左右，处理速度较快，占用资源较少。

主控芯片将得到的8bit湿度的数据经过转换后送至LCD1602上进行显示。主控芯片同时也会根据湿度数值，控制加湿器的工作状态（工作或暂停），进而达到调节室内湿度的要求。同时，加湿器中的液体可以添加空气清新成份或驱蚊成份，可以改善夏季空气舒适度，进而达到净化室内空气及驱蚊效果。

（四）电机调速模块

如图5所示，该模块利用L298模块驱动直流电机，同时MCU产生PWM（Pulse Width Moudulation）来实现对电机的速度控制，由于STC89C52没有专门产生PWM的模块，本设计采用STC89C52中的定时器1：首先给向TH1和TL1两个寄存器中写入要定时的数据（假设定时5000μs，即5000=（216-X）*12/11.0592，求得X=60925，转化为十六进制之后为0XEE00，其中0XEE装入TH1，0X00装入TL1），启用定时器后，定时器中的数据开始增加，当TH1和TL1中的数据达到0XFF之后，TF1置“1”，向MCU发送请求中断，这时對产生PWM的I/O取反，反复地这样取反，就可以产生不同的PWM波。

本设计中采用STC89C52中定时器1产生4种不同的PWM波，根据实时的温度，主控芯片将设定的PWM波输出给L298的ENA端，以达到改变风扇转速，最终实现智能降温。这种方式简单有效、可靠性高。

（五）接收模块

遥控的接收模块电路如图6所示，接收模块中采用HS0038一体化红外接收头，该接收头接收红外信号频率为38kHz，周期约26μs。

本设计中IRD端与主控芯片的P3^3（中断INTI）相接，当主控芯片接收到HS0038输出的高电平时，主控芯片将产生中断，接收来自遥控端的按键信息，同时根据按键信息调控风扇的模式以及风速。

遥控器利用NEC协议，NEC協议是一种简单的遥控的基带协议。NEC的数据格式包括了引导码、用户码、用户码（或者用户码反码）、按键键码和按键反码。将信号加载到38K载波上主要用于用户选择模式和风扇档位的选择。

（六）显示模块

如图7所示，该模块采用由长沙太阳人电子有限公司生产的字符型LCD液晶显示模块。该模块4～5端口连接P1^0和P1^1，用来向LCD发送读写命令;7～14接在主控的P0口，用来写入数据的。

主控芯片将收集的温度、湿度、风扇模式、风扇开关、风扇风速状态等数据在LCD上显示。该模块显示质量高、功耗低、体积小、重量轻。

三、结语

本设计是一次任务驱动式教学实践，文中设计了一种以STC89C52单片机为控制核心的环保型智能风扇，并对各个模块的电路原理及其功能进行详细的介绍，将风扇的功能进行改善，使其具有改善室内空气环境质量，使人们所处环境更加适宜和环保。通过智能风扇实物的制作及测试实验，该系统可实现对室内温度和湿度的调节及风速的自适应控制，具有节能和环保等特点。

参考文献：

[1]杨丕达.国内电风扇产品的现状分析[J].日用电器，2009（12）.

[2]陈富忠，翁桂琴.智能温控调速风扇的设计[J].上海电机学院报，2009（12）.

[3]凌灵.智能直流无刷风扇系统温度及湿度模块设计[J].计算机与数字工程，2009（4）.

[4]黄德华.智能空气净化加湿降温风扇的设计[J].电子制作，2013（12）.

[5]王金凤.国内电风扇市场简析[J].日用电器，2011（1）.

[6]吴望生.基于STC12型单片机的智能温控调速风扇设计[J].科教导刊，2014（27）.

[7]李圣普，王小辉.基于多传感器的智能温控风扇调速控制器设计[J].电子产品世界，2015（4）.

◎编辑 张 慧