多功能智能风扇的设计与实现

王艳

（汕尾职业技术学院，广东汕尾，516600）

0 引言

随着科技的快速发展，物联网技术的成熟，人们对美好生活的需要，家用电器不仅要求外观精美，还希望使用更智能化和人性化。随着 1880 年的第一台风扇问世，风扇已经成了我们生活中必不可缺的家用电气。相对空调而言，风扇具有低功耗、低价格、轻巧、便于移动等特点，依然有广阔的应用市场。目前市场上大部分风扇仍然采用传统的机械按键控制、功能单一、控制方式单一，不够智能化和人性化。该设计的这款风扇，使用单片机控制技术、蓝牙通信技术、智能触摸屏技术、传感器检测技术等，实现环境温度、湿度、时钟、风扇状态、风扇挡位等信息的显示。有手动按键控制、触摸屏控制、自动控制、蓝牙遥控等多种控制方式，具有定时功能。自动控制方式时，用户可以根据个人需要调整控制的上线温度值和下线温度值，根据环境温度控制风扇开关和调速。采用了模块化的硬件搭建方式，便于开发者进行设备的调试和维护。

1 总体设计方案

该设计核心控制器选用了 STC15F2K60S2 单片机。该单片机是一款具有低功耗、低价格、高性价比等特点的 8 位微处理器。采用温湿度传感器 DHT11 实现对当前环境温度和湿度的检测。采用了 HMI 智能触摸串口屏实现时钟、湿度、温度、风扇状态、风扇挡位等信息显示，HMI 智能串口触摸屏设计了多个控制界面，完成风扇的开启、关闭、调速、定时、自动控制等设置。使用蓝牙通信技术和手机APP 技术实现对风扇的遥控，遥控风扇开关和调速。采用 4 位独立触摸按键实现风扇的手动调速和开关。本设计的总体结构框图如图 1 所示。

图1 总体结构框图

2 硬件模块的实现

■2.1 单片机最小系统

单片机最小系统选择了宏晶公司 STC15F2K60S2 单片机，是一款 8 位的微处理器。其特点是：价格低、功耗低、高速率。其内部集成有高精度时钟电路和高可靠复位电路[1]。该单片机最小系统无需设计时钟电路和复位电路，系统的硬件更加简单。该单片机内部有两个相互独立的串行通信接口 UART0和 UART1，分别用于连接蓝牙模块和 HMI 智能触摸串口屏。

■2.2 人机交互显示电路

人机交互使用 HMI 触摸屏实现人与风扇之间的信息交互，实时显示当前温度、湿度、时间、风扇状态、风扇转速等信息。HMI 触摸屏选用了深圳市淘晶驰电子有限公司的电阻式 HMI 智能触摸串口屏 TJC4024K032_011R，尺寸为 3.2寸，400×240 像素，可进行 100 级亮度调节。HMI 触摸串口屏 TJC4024K032_011R 集成了显示屏、触摸屏、CPU、存储器和RTC 的独立显示器件，具有使用字符串指令、使用 C 语言指令、数据结构精简、控件属性赋值支持简单运算等特点。

TJC4024K032_011R 串口屏与 STC15F2K60S2 单片机的 UART1 串口交互指令。STC15F2K60S2 单片机的 UART1的 P3.6（RXD）、P3.7(TXD)分别连接触摸屏的串口引脚RXD、TXD。

■2.3 过零点检测与电源模块

图2 电路为整个系统提供 220V 交流电源和 5V 直流稳压电源，并检测 220V 交流电源的零点输出脉冲信号 Utb。首先 220V 交流电源通过降压变压器出输出为 9V 交流电，VD2～VD5 为桥式整流电路，再对 9V 的交流电进行整流，最后通过三端稳压器 7805 进行稳压，C4、C5 为滤波电容，最终输出+5V 直流稳压电源，为单片机等设备提供工作电源。通过三极管 VT1,VT2 获得交流电源过零点时的同步脉冲信号Utb，脉冲信号 Utb 送入单片机的外部中断 0 引脚，作为单片机的外部中断 0 的中断信号。

图2 过零点检测与电源电路原理图

使用数字示波器对过输入220V 交流电压信号和输出脉冲信号Utb 进行检测，信号波形图如图 3 所示。其中蓝色正弦波为 220V 交流电信号波形，黄色的脉冲信号为同步脉冲信号 Utb 的信号波形。脉冲信号 Utb 的频率为 100Hz，在交流电源零点时脉冲信号为低电平。

图3 交流过零点检测波形图

■2.4 温湿度检测模块

温湿度检测采用了温湿度复合传感器 DHT11。DHT11 具有体积小、低功耗的特点。DHT11 有较宽的工作电压 3V～5.5V，信号传输距离可达 20 米，与单片机之间进行单总线数据通信。如图 4 所示，单片机与DHT11 之间通过 DATA 端进行通讯和同步,其中 R12 为上了电阻，一般取 5kΩ。DHT11 每次的通信数据总共40bit，按照从高到低的顺序，包括 16 位的湿度数据、16 位温度数据、8 位校验和三部分数据。

图4 温湿度传感器模块设计原理

DHT11 不会主动进行信息采集，初始模式为低功耗模式。当单片机发送一次开始信号，DHT11进入高速模式，准备采集数据信息。开始信号结束后，DHT11 开始采集温湿度数据信息，送出 40bit 的数据[3]。信息采集结束后，DHT11 自动进入低功耗模式。

■2.5 电机驱动模块

风扇系统电机驱动电路如图 5 所示。当电机达到启动条件时，外部中断 0 被开启，同步脉冲 Ucf 控制外部中断 0 来启动定时器 0 开始定时，同时 Ucf 信号送入光电耦合器 MOC3020的引脚 2，光电耦合器将触发脉冲信号送到 MAC97A6D2 的触发极。触发极接收到高电平时，MAC97A6D2 晶闸管导通；触发极接收到低电平时，MAC97A6D2 晶闸管截至，即交流过零点时双向晶闸管关断。定时器 0 以交流过零点时为起点启动定时，对触发脉冲 Ucf 进行延时，延时时长通过单片机程序进行自动调整。比如：自动控制方式时，随着温度升高延时时间变短，温度降低延时时间变长，从而控制双向晶闸管的导通角度在 0～180℃之间。导通角度越大，输出端电压越高，风扇的转速越快，反之风扇速度越小。即当温度高时，双向晶闸管导通的角度就大，电机转速快；档温度低时，双向晶闸管导通角度小，电机转速慢。从而实现风扇根据当前温度进行自动调速。

图5 电机控制电路

■2.6 蓝牙模块

使用了 HC-06 蓝牙模块，与单片机的串口 1 连接，实现单片机和蓝牙模块之间的信息交互。STC15F2K60S2 单片机的UART0 的 P3.0（RXD）、P3.1(TXD)分别连接蓝牙模块 HC-06 的引脚 RXD、TXD,实现单片机与手机之间无线通信，通过手机 APP 控制风扇的开关、调速等。

■2.7 独立按键模块

独立按键模块采用了触摸按键，触摸按键控制便捷、寿命长、无机械抖动等优点。该设计使用独立的 4 键触摸开关模块。该模块的特点是：低功耗、宽电压（2V～5.5V）、正反面均可触摸。该模块 4 个键的初始状态为低功耗模式。当用手触摸相应按键时，转换为高速模式。在高速模式下如果持续12 秒内没有再触摸相应按键，将再次进入低功耗模式[4]。即当用手触摸时对应端口输出高电平，手放开时输出低电平。4 个按键的功能分别是：S1 键---停止；S2 键---低速档位；S3 键---中速挡位；S4 键---高速挡位。

3 软件设计

■3.1 人机交互界面设计

人机交互界面使用了 HMI 智能触摸串口屏 TJCTJC40 24K032_0 11R，实现人与风扇之间交互信息。TJCTJC40 24K032_011R 的界面设计软件搭配的是 USART HMI，是淘晶驰提供的智能串口屏集成开发环境，具有串口屏界面设计、编程、调试、下载等界面开发所有功能。USART HMI软件有丰富的控件、自定义字库、C 语言指令等。利用这些功能可以快速的开发出图形界面，避免使用复杂的函数来编写。

图6 为该设计的主界面。该设计界面有 8 个界面，包括主界面、控制界面、检测界面、功能界面、设置界面、时钟调整界面、温控界面、定时界面等。实现温度、湿度、时钟、风扇状态、风扇转速等信息显示，实现时钟的调整、风扇的启动和调速、温控的温度设置和开启、定时时间设置等功能，完成人与风扇之间的信息交互。

图6 HMI 屏的主界面

■3.2 手机 APP 设计

Google 推出的一款软件工具 App Inventor，可以进行在线的手机 APP 的设计和开发。该软件工具是完全在线开发的Android 编程环境，摒弃了复杂的程式代码，采用图形化编程的方式实现 Android 程式。

使用 App Inventor 开发一个手机 APP 首先从浏览器开始。先设计程序的外观，程序外观全部采用拖拽的方式进行设计和调整，即组件设计[5]。接着设计程序行为，这部分使用图形化编程方式，不需要设计者学习过编程知识，只需要有一定的逻辑思维就可以完成程序设计，即逻辑设计。最后打包 apk 并生成一个二维码，手机扫码就将程序安装到手机上了。图 7 为控制风扇的 APP 界面，使用手机的蓝牙进行通信，实现风扇的开关、调速、温湿度显示。

图7 APP 界面

■3.3 单片机系统设计

单片机系统采用移植性强的 C 语言编程。当检测到交流过零点时，外部中断 0 产生中断，控制双向晶闸管截止，并启动定时器 0。定时器 0 中断用于控制电机的导通角度的大小，定时器 0 定时时间越长，双向晶闸管导通时间也就越长，风扇的转速就会越快，反之风扇转速降低，实现风扇的调速功能。定时器 2 用于串行通信的频率发生器，UART0 和 UART1 串口通信从波特率均为 9600bps。

4 功能与使用

■4.1 温湿度、时钟等信息显示

手机 APP 上可以实时显示当前环境温度和湿度，使用者可以方便、及时的了解当前环境信息。HMI 智能串口屏显示当前环境温湿度和时钟等信息，风扇可以设置为自动模式，并设置开启风扇和关闭风扇的温度值，这样风扇就可以根据设置的温度值自动开启、关闭风扇和风扇调速。风扇具有定时功能，可以设定风扇的开启时间，当定时时间到，风扇会自动关闭。

■4.2 控制方式

该系统可以实现自动控制、手动按键控制、触摸屏控制、手机 APP 遥控、定时控制等多种控制方式。自动控制方式时可以设定开启和关闭温度值，风扇就进入自动开关、调速状态。手动控制方式可以按键控制，通过外围 4 个按键实现风扇开启、停止、调速等；也可以通过 HMI 触摸屏界面实现风扇开启、停止、调速等。手机 APP 实现无线遥控电风扇的开启、停止、调速等。可以设定定时时间的长短，定时时间到，风扇自动关闭。多种控制方式相结合，方便了用户的使用，使我们的生活更加便捷、灵活多样、智能化和人性化。

5 结束语

该设计的风扇系统是在传统的风扇的基础上进行了改进和创新，结合蓝牙技术、智能触摸串口屏技术、APP 技术、传感器技术当，设计了非常人性化的人机交互界面，可以显示当前环境温度、湿度和时间（年月日时分秒）等信息。具有自动控制、手动按键控制、触摸屏控制、手机 APP 遥控和定时控制等多种控制方式多种控制。经实践证明，该多功能电风扇使用方便，操作灵活多样，成本低，智能化人性化。温控模式特别适合夜间使用，当温度较低时，风扇会自动关闭，温度过高时风扇会自动开启，并根据温度值调整风扇转速。使人们生活更加便捷、人性化、智能化，为人们的生活带来更多乐趣和便利。