一种低成本的多功能智能风扇控制系统＊

席 豪，阎昌国，朱成银，汪家晗，张鑫豹

（遵义师范学院工学院，贵州 遵义 563006）

近年来，随着科学技术的快速发展与物质生活水平的不断提升，智能家居的理念正在逐步影响着人们的精神世界，使人们对美好的生活越来越向往，人们在忙于工作之后也希望自己的家居生活体验更加的智能化、自动化与舒适化[1-4]。在炎热的夏天，为改善家居生活环境温度的舒适度，人们常需要借助一些电气设备来实现降温解暑，空调作为家居生活中常用的一种降温解暑的电气设备，目前虽已在很多的家庭中得到了普及和应用，但同时很多人也对其表现得并不是很适应，有的甚至还滋生出了“空调病”[5-7]。另外一种在家居生活中用于降温解暑的电气设备就是风扇，相对于空调来说，风扇存在费用较低、占地空间小、容易搬移等优点，在较多精准扶贫的家庭受到了更为广泛的欢迎[8-9]。但是，受经济收入的影响，较多的精准扶贫家庭仍采用的是传统的人工调控风扇，极大降低了他们对家居生活的自动化与智能化的体验。因此，设计出一款成本相对较低而功能又相对较多的智能温控风扇，对于改善广大精准扶贫家庭家居生活的体验度与舒适度，更好地满足他们对智能家居生活的美好向往，具有十分重要的实际应用价值。

基于此，本文提出了以单片机控制器为核心的智能风扇控制系统制作方案，该方案可准确地依靠多个电气设备检测居室生活所处的温度、人体方位、有无人体等环境信息的变化，进而依靠单片机控制器对风扇的启停、转向、调速等状态做出相应的自动控制。本文给出了该方案的总体架构框图，详细阐述了系统部分主要电路的工作原理，并通过搭建实验系统来证实该方案的正确性、可行性与有效性。

1 系统架构

智能风扇是机电一体化程度相对较高的电气设备装置，其控制系统的设计与实现对整个装置综合性能的影响起着十分重要的作用[10-12]。图1为该控制系统总体架构原理框图，它由单片机最小系统电路、按键模块、温度检测模块、红外光电检测模块、显示模块、电机驱动模块及风扇驱动模块等组成。其中，单片机为系统的控制器，是整个制作方案的核心，其主芯片采用了一款集成本低、体积小、控制简单、应用方便等优点于一身的性价比较高的单片机STC89C52，它主要依据外设多个电路模块检测居室生活所处的温度、人体方位、有无人体等环境信息的变化，通过控制实现对风扇的启停、调速、转向等功能。此外，在此次脱贫攻坚工作中，受对精准扶贫家庭家居生活体验进行改善的工作启示，该方案还预留有可扩展外设区域（如图1中虚线框的部分所示），在使用过程中，用户可根据需要在该扩展的外设区域内嵌入远程控制模块与智能手机进行相互通信，通过手机端所对应的APP对风扇做出相应控制，如在炎热的夏天，可以通过手机APP远距离查看风扇工作状态，并远程控制风扇启停，不仅能有效降低家庭电力成本，还能有效改善居室的温度环境。

图1 系统总体架构原理框图

2 主要电路设计

2.1 检测电路设计

此低成本的多功能智能风扇控制系统的检测电路包括温度检测模块与红外光电检测模块2部分，其电路原理如图2所示，图中VCC为5 V的参考电压。温度检测电路选用了一款检测范围大、体积小、成本低、精度高、抗干扰能力强的12位数字温度传感器DS18B20，该部分电路根据所检测的居室环境实际温度与系统预设的温度进行比较，单片机控制器依据比较的结果去控制风扇转速，从而改善居室的温度。而红外光电检测模块主要用于检测人体方位，系统选用了3个探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、集发射与接收于一体的红外光电传感器E18-D80NK，它们分别对风扇所处环境前方的左、中、右方位的人体进行180°的全方位红外检测，该部分电路根据所检测到人体的方位，触发子程序产生相应的控制信号，告知单片机去控制风扇转动以实现定位送风。

图2 检测电路原理图

2.2 电机驱动电路设计

在进行电机驱动电路设计时，系统选用了成本相对较低的单极性的永磁减速型4相5线制8拍的异步电机28BYJ-48，它依靠一款高压大电流、耐温范围宽、带负载能力强的达林顿晶体管阵列芯片ULN2003来驱动，具体电路原理如图3所示。该部分电路的工作原理为：单片机的P1口输出的高低电平信号经芯片ULN2003驱动放大后送入步进电机28BYJ-48，步进电机依据接收到的驱动脉冲信号按照时序工作，旋转一个与之对应的步距角，以实现对电机的启停、正转与反转的控制。

图3 电机驱动电路原理图

2.3 风扇驱动电路设计

风扇驱动电路原理如图4所示，其由3个电阻与2个三极管、1个指示LED灯组成。该部分电路的工作原理为：当单片机的P3.2口输出为高电平时，三极管Q1导通，将a点的电平拉为低电平，同时，三极管Q2也导通，LED指示灯亮，风扇通电启动；当单片机的P3.2口输出为低电平时，三极管Q1截止，a点的电平随之变为高电平，三极管Q2也随之截止，LED指示灯灭，风扇断电停止。

图4 风扇驱动电路原理图

2.4 可扩展电路设计

为了说明该方案所提出的可扩展外设区域的有效性与可行性，在制作实验装置时，选用了一款功耗低、性价比高、集成度好的Wi-Fi控制芯片ESP8266，其电路原理如图5所示。该部分电路的工作原理为：5 V参考电压经电源管理芯片1117MBSTT3输出3.3 V电压给Wi-Fi控制芯片ESP8266供电，单片机通过P3.0与P3.1口与ESP8266进行串口通信，通过接收与发送AT指令，以实现风扇的远程控制功能。

图5 可扩展外设电路原理图

3 实验结果

基于上述理论分析，在PROTEL软件中绘制了所提方案架构的实验系统，原理图如图6所示。基于该原理图，为了验证所提方案架构的正确性与可行性，搭建了一个简易的实验系统装置，如图7所示。实验时通过按键预设居室温度为25℃，并通过加减按键来改变温度的值，测试结果如图8所示。

图6 实验系统原理图

图7 实验系统装置

图8 实验测试波形

由图8可知，当居室温度超过预设值25℃时，单片机触发中断程序，其P3.2口输出为高电平，LED指示灯亮，其端电压约为0 V，表明风扇通电送风；当温度低于预设值25℃时，单片机P3.2口输出为低电平，LED指示灯灭，其端电压约为0.5 V，表明风扇断电。这说明基于所提方案，控制系统能准确根据所处环境温度的变化而做出相应的自动控制，与理论分析相互一致。

4 结束语

本文以单片机为核心控制器，提出了一个低成本的多功能智能风扇控制系统设计方案。该方案集电、光、机、温等技术于一体，兼顾了自动化与智能化，能根据周围环境的温度、人体及人体方位等条件实现对风扇的自动控制、智能控制及远程控制，成本低、扩展性好、有较好的应用价值，可为智能风扇控制系统的开发与设计提供技术理论指导。