一种新型智能风扇台灯的设计

任烔 聂奎营 张甜甜 邓堯 杨思怡 赵文江

(兴义民族师范学院物理与工程技术学院 贵州兴义 562400)

一个舒适的学习环境对学生非常重要，智能风扇台灯在炎热的环境能给学生带来凉爽感，良好的学习环境也会提高学习效率。目前，市场上现有的风扇和台灯大都是分开的，不能很好地满足人们的需要。据相关数据显示，在2019 年，中国智能台灯行业的销售额为20.96亿元，销售量为60万台，中国智能台灯占台灯总销售额和总销售量的比重分别为37.0%和6.6%。这样看来，智能化风扇台灯凭借自己智能化、功能多、保护视力等特点，可以为用户解决在生活当中出现的诸多问题，在将来必定会受到广大用户的喜欢。

1 系统设计

1.1 系统总体结构设计

设计的智能风扇台灯由以下几个分系统组成，即风扇系统、温度显示系统、红外线遥控系统和语音系统，各个系统间相互联系，又能独立工作，如图1所示。当使用该风扇台灯时，使用者可以通过独立按键来使电机转动正转或反转，从而使风扇系统开始工作；台灯的打开方式有3种：一是通过独立按键来控制，二是通过红外线遥控打开，三是通过语音系统来唤醒；显示系统则是显示使用者所处环境的温度、风扇的正转或反转和台灯的亮度。

图1 系统总体结构图

1.2 语音控制系统设计

语音控制系统主要是由语音识别模块、单片机组成，语音模块识别语音指令后发送给单片机进行处理[1]，其结构图如图2所示。语音识别是基于关键词语列表识别的技术，只要把需要识别的关键词用字符的形式送到语音识别芯片的内部，就可以对关键词识别。该设计采用LD3320语言识别模块，该芯片集成了语音识别处理器，不需要再外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别、声控、人机对话功能，通过LD3320语音模块完成语音信息的识别与采集[2-3]，单片机作为主控芯片完成对采集信息的处理。语音识别控制的关键点在于语音识别的准确率。而LD3320的识别准确率在95%以上，能够满足用户需求。通过软件编程可以实现以下功能：当说出一级唤醒指令“小杰”时，语音模块指示灯常亮，表示可以说出指令；当再次说出事先编写好的二级指令“开灯”时，语音模块收到指令经单片机信息处理后，从而控制LED灯发光；当说出二级指令“关灯”时，LED灯熄灭。

图2 语音控制系统结构图

1.3 红外线遥控系统设计

红外线遥控系统主要是利用红外接收管和红外发射管来进行信息传输，当按下指令键时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。当红外遥控器发射信号，被红外线接收器接收[4]，在数据输出引脚上输出一个高低电平的脉冲信号，脉冲信号就会传送给单片机，单片机接收到信号后控制风扇的正反转和调节LED 灯的亮度，其结构图如图3所示。复位模块在电路中起到的作用就是使电路恢复到起始状态，使程序重新开始运行。

图3 红外遥控系统结构图

1.4 显示系统设计

显示系统主要由LCD1602 液晶模块、单片机、型号为DS18B20 的温度传感器组成，其结构图如图4 所示，温度采集单元主要是以DS18B20 为核心进行的[5]。采用LCD1602 液晶显示系统显示当前检测环境温度值、风扇电机正转或者反转指示、风扇工作与停止指示、LED 灯光强度等级指示[6]。该系统主要由数字温度传感器DS18B20 对温度进行监测，监测到的温度值和LED 灯光强强度等级以及风扇的工作状态经过单片机进行判断和处理后，通过LCD1602 液晶显示屏进行显示。其中参数t 后面显示的数字表示温度，ZF 后面显示的Z 表示正转F 是反转，FS 后面显示的Y 是表示工作状态，N 是关闭状态，GQDJ 后面显示的数字0 表示LED 灯处于关闭状态，显示的1、2、3分别表示LED 灯强度等级为1、2、3 级，数值越大LED灯越亮。LCD1602液晶模块显示参数如图5所示。

图4 显示系统结构图

图5 LCD1602液晶模块显示参数

1.5 风扇系统设计

风扇系统主要是由电机风扇模块、风扇叶片、单片机、独立按键、风扇总线接口组成。其系统结构图如图6所示，其中4个按键按从左至右分别是控制风扇的启动、风扇的正反转、LED 灯开启及灯光强度增强、灯光强度减弱及关闭。当接通电源时，按下对应按键，所按下的对应信息经过单片机处理，从而达到控制相应功能的目的。电风扇的主要部件是电机风扇模块。其工作原理是：电风扇模块经接插口与4根传送线连接，而接插口与单片机的I/O口是相连接的，只要编程实现对应端口的控制，风扇系统功能便可得到相应的控制。

图6 风扇系统结构图

2 原理图和实物图

图7 是智能风扇台灯系统的原理图，其组成包括单片机最小系统、LCD1602液晶显示模块、语音模块、5个并联的LED灯模块、按键模块、直流电机总线插口模块、红外接收头模块、温度传感器模块、电源电路模块。单片机最小系统中的上拉电阻，是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，输入电流时起到限流作用，还可以提供一个泄流通道，防止高电平干扰；由电阻和电容串联起来的复位电路连接在单片机的9 号引脚，电阻阻值为10 kΩ；电容是10 μF，由此可得电容充电时间为10 kΩ×10 μF=0.1 s,充电过程中，电阻两端的电压由5 V 逐渐减小，单片机此时的第9 号引脚RST处于低电平，单片机正常工作，当电容放电时，使得电阻两端电压变大，RST 引脚处于高电平，电路进入复位状态；时钟电路，由两个22 pF 的电容和一个11.0592 MHz 的晶振并联在一起，用来产生时钟信号，产生的时钟信号由XTAL2 引脚送入内部时钟电路，XTAL1 接地，从而驱动单片机工作；在P0 的IO 口处增加了一组排针，目的是将P0 引脚引出，方便实物焊接。

图7 智能风扇系统总原理图

接通电源后，通过电路板右侧的4 个按键来对风扇的正反转和开关、台灯的亮度和开关进行调控；还可以通过红外线遥控来控制风扇的正反转和LED灯的亮度；另外还可以通过唤醒语音识别系统来调控LED灯。实物图如图8所示。

图8 风扇台灯系统实物图

3 结语

该文所设计的智能风扇台灯系统功能已经通过实验实现，可以实现传统风扇的开关和正反转、台灯的开关和亮度调节功能，并且具有语音唤醒功能，当说出一级唤醒指令“小杰”时，语音模块指示灯常亮，再说出二级指令，可以控制台灯的打开和关闭。该智能风扇台灯系统是利用单片机作为中央控制单元，与普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，可以给用户带来了更好的使用体验，相信在未来也会有更好的发展前景。