一种APP控制的多功能智能温控风扇系统设计

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(东华理工大学 机械与电子工程学院，南昌 230026)

引　言

随着人们生活水平的提高和生活质量的改善，风扇的设计已经趋向节能化、智能化和多功能化，市场上也先后出现了各种功能各异的风扇[1-8]。参考文献[1]作者设计了一种可以根据温度高低来对风扇进行调速的控制器，其优点在于温度较高时可以喷出水雾，其设计的不足之处在于不能显示当前风扇的档位，也不能手动设定风扇的档位；参考文献[2]在参考文献[1]的基础上加入了人体红外感应，也就是说只有在探测到有人的情况下才开启风扇，其特点在于个性化定制，更加节能，不足之处在于红外感应具有距离的限制，当人短暂性离开风扇的探测范围时，风扇也会停止工作；参考文献[5]设计了一款既可以温度自动调节转速，又可以实现手动控制的智能风扇，其优点是可以实现自动和手动双控制，其缺点是手动的控制还是停留在传统的按键控制上，离现在流行的智能家居还有很大的距离；参考文献[6]设计了一款既可以吹热风，又可以吹出冷风的智能风扇，其优点不言而喻，就是可以在冬天做取暖用，不足之处在于 Pt10的使用导致了整套系的功率变大。参考文献[7]重点设计温控调速电机，参考文献[8]主要是设计物联网智能家居，这两篇都有创新点；参考文献[9]和参考文献[10]对风扇进行了更加深入的设计。

综上分析，目前市场上的大部分风扇还是传统的、机械式的，不具有智能的元素，功能也比较单一。因此，本文提出了一款基于手机APP控制的智能温控风扇，除实现了传统风扇的功能外，一方面具备了驱蚊功能，另一方面可以通过手机端实现风扇的自动模式和手动模式的任意切换。自动模式下，风扇根据外界温度自动调节风扇的转速，手动模式下，可以通过手机远程控制风扇的转速。另外，本次设计的产品具有便携性，适合用于居家、旅行、露营等各种生活环境。

1　总体框架设计

系统采用STC89C52作为主控芯片，按照功能需求，外围设计了温度采集电路来实时采集温度，利用超声波驱蚊电路来完成小范围内的驱蚊，LCD1602显示电路实时显示温度；电源管理电路实现了电源的有效切换。本次设计的亮点是蓝牙通信电路实现了手机和单片机的实时通信，可调节风扇的转速，这样摆脱了传统的手动调节风扇档位的弊端，实现了远程无线遥控。系统结构图如图1所示。

图1　多功能智能风扇的结构图

如图1所示，STC89C52芯片片内资源丰富，该设计很好地实现了端口拓展，大大减少了外围电路的设计和系统的功耗，提高了系统的实用性和二次开发的可能。利用软件编程也节约了大量的资源和多功能实现的快速性和可行性。图2为智能风扇工作的模拟情境图。

图2　智能风扇工作的模拟情境图

2　硬件电路设计

本次设计是以STC89C52芯片为主控芯片，搭载电源模块、温度传感器模块、显示模块、超声波驱蚊模块和蓝牙模块，可以选择风扇的两种工作模式，自动模式和手动模式。自动模式下，风扇的档位通过手机端来控制；手动模式下，风扇的档位随着温度的变化而变化。

① 主控电路。本系统采用的是8位的STC89C52芯片，用于数据处理、手机蓝牙端的通信和外围电路的控制。

② 驱蚊电路。超声波驱蚊电路的设计主要是根据蚊子的两个生理特点：一是怀孕的雌性蚊子吸取人和动物的血液，且怀孕期间雌性蚊子讨厌雄性蚊子(雄性蚊子发出的声波在21～23 kHz)；其二是蚊子的天敌发出的声波在24 kHz以上。考虑到人耳的接收声波在20 Hz～20 kHz，因此，我们设计用超声波发射管发射大约40 kHz的方波来模拟蚊子天敌发出的声波来达到驱蚊的效果。根据变频技术，在STC89C52单片机的某个I/O口产生固定占空比的方波经过NPN三极管驱动电路,经超声波发射管进行驱蚊[2]。

③ 显示电路。本次设计采用的是LCD1602液晶显示器作为温度的实时显示。

④ 温度采集电路。本次设计采用的是DS18B20温度传感器，该传感器是单总线结构，将采集到的温度实时送给单片机，单片机将收到的数据经过处理后实时地在液晶上显示出来并控制风扇的转速[3]。

⑤ 风扇驱动电路。本次设计采用的是两线直流电机驱动风扇的转动。通过单片机的I/O口产生一个脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，经三极管驱动电路来驱动电机的转动。

⑥ 蓝牙通信电路。本次设计采用HC-06蓝牙芯片通过单片机的串口通信实现和手机移动端的实时通信。APP的控制也是通过蓝牙来实现的。首先，移动设备端的蓝牙模块和单片机负载的蓝牙模块连接，然后APP内发送指令传输到单片机实现对风扇转速的调节。

⑦ 系统电源电路。为了实现室内和户外的各种环境的用电，本系统设计了外部供电电路和内部供电电路。首先外部供电，我们采用7805降压滤波电路将220 V交流电转换成5 V的直流电,供风扇在室内工作；对于户外环境，我们设计可充电的锂离子电池来提供稳定的5 V电压为单片机、液晶等模块供电[4]。

图3为硬件电路的硬件设计图。其中P3.7和DS18B20温度传感器相连接，实现了对温度的采集，单片机将采集到的温度进行处理，在和P0口相连的LCD1602液晶上显示出来，P1.0和电机的驱动电路相连接，通过输出PWM波来实现转速的调控[5]；P2.0和超声波驱蚊电路连接，该I/O口不断地输出22 kHz的方波发送到超声波发射电路来实现驱蚊的功能。

最后是单片机的蓝牙模块，单片机的TXD和RXD引脚分别和蓝牙HC-06相连。

当系统上电后，单片机进行初始化操作，超声波模块开启，全天24小时驱蚊，之后温度传感器开始采集温度，并在液晶上实时显示采集到的温度；初上电时，程序设计的标志位为“flag=0”，表示系统实行自动模式，当检测到温度在20～25 ℃时，风扇以一档转动；25～29 ℃时，风扇以二档转动；30～32 ℃时，风扇以三档转动；32～35 ℃时，风扇以四档转动。

此后在大循环中，每一次循环都检测“flag”的值，如果

“flag”的值为0，则风扇是自动模式，即温度控制；如果手机端按下了模式切换键的话，单片机的RXD和TXD引脚相连接，实现了数据的收发。

图3　硬件设计电路图

对于此次设计方案的正确性，还进行了仿真测试，如图4所示，当温度达到28 ℃时，风扇旋转在二档，成功地实现了温控的功能。

图4　仿真测试图

3　系统流程图

3.1　主程序流程图

“flag”取反置1，风扇的转速由手机端控制，温度对风扇转速不起作用；再次按下模式切换键，则“flag”取反又变为0，系统是温度控制。程序流程图如图5所示。

图5　主流程图

3.2　蓝牙子程序程序流程图

手机通过蓝牙和单片机通信，通过串口中断来实现。在主程序中，开始“flag=0”，风扇工作在自动模式，单片机每隔50 ms访问一次串口中断程序，判断模式切换键是否按下，如果是则flag取反，即“flag=1”；如果“flag=1”，则风扇工作在手动模式，温度不对风扇的工作方式起作用。在手动模式中，可以选择风扇的工作方式，也可以切换工作方式选择自动模式。蓝牙子程序流程图如图6所示。

图6　蓝牙子程序流程图

3.3　PWM波子程序

PWM波的产生是依靠单片机的定时器0来发生的，在主程序中，单片机定时器0每隔80 ms清零一次并重新计时。中断定时时间和预设的PWM变量值进行比较，大于预设值输出0，小于PWM值则输出1，以此方式来输出高低脉冲，产生PWM波。在主程序中，温度的大小和手机APP的输入都会改变PWM变量的值。因此变量PWM是一个可改变的量，以此产生脉宽调制信号。图7为PWM波产生子程序流程图。

图7　PWM波产生子程序流程图

4　智能风扇的实现与测试

根据上述设计，制作电路板，连接实验电路完成调试，同时对驱蚊、测温、温度显示、温度控制风扇、手机APP控制等系统的关键电路进行测试。

4.1　LCD 液晶显示模块调试

检查液晶显示屏与单片机的引脚连接是否正确。其中7～14引脚分别接单片机P0.0～P0.7端口，RS接P2.3口，R/W接单片机P2.4口，EN接单片机P2.5口。单片机上电时，液晶点亮并且显示温度，当风扇转动时显示风扇的档位，当风扇停止时，显示“stop”。在调试的过程中，开始接的背光电阻阻值是1 kΩ，发现液晶无法显示，整个液晶背光，如图8所示。后经调试发现，接入10 kΩ的可调电阻，可以调整液晶的背光效果，成功地实现了液晶的显示功能，如图9所示。

图8　LCD调试前

图9　LCD调试后

4.2　电机模块调试

本设计采用的是两线双极性电机，经过单片机的PWM波驱动使电机转动。当温度大于预设值时，风扇要工作在相应的档位，本次调试中的难点在于电机的驱动电路对PWM波的设计。

在调试过程中发现，当占空比较低时，即有效电压比较小，是无法驱动电机旋转的。在对电机的驱动电路调试时发现，由于电机本身存在一定内阻，因此在三极管的基极上即使不加电阻也能驱动电机旋转而不烧坏电机。图10为当室温达到27.5 ℃时，电机以2档的转速转动。

图10　实物调试图

4.3　APP控制测试

通过蓝牙连接后，可以通过手机APP实现手动挡和自动挡的切换，并对风扇档位进行控制。图11为手机控制风扇以四档转动，液晶显示是四档，图12为手机控制风扇停止，液晶显“stop”。

图11　液晶显示风扇档位为二档

图12　液晶显示风扇停止转动

4.4　超声波驱蚊电路的测试

测试现场为平常晚上蚊子较多的办公室，办公室约20 mm2，在办公室蚊子多的一角安放超声波驱蚊装置。结果显示，在没有开启驱蚊装置的时候，出现了蚊子叮咬的情况，在开启驱蚊装置的两小时内，没有出现蚊子叮咬的情况，办公桌下也难见蚊子飞舞，说明驱蚊装置起到了驱蚊的效果。

图13为用LDS20610手提式宽带数字存储示波器测试,得到的超声波发射器发出的波形，频率为40 kHz,经测试，达到了驱蚊的效果。

图13　超声波发射器输出的波形40 kHz

结　语

本设计基于单片机的多功能智能温控风扇在实现功能的同时利用了节能、智能化、多功能化的思想设计，提出

的是一种以时下流行的手机APP为亮点实现手动控制和自动控制两种模式的智能风扇。

[1] 邹心遥，黄俊辉，陈敬伟.基于单片机的多功能节能电风扇的设计[J].科技创新与应用，2015(35)：36-37.

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刘国权(讲师)，主要研究方向为智能家居, 神经网络、鲁棒控制等。