基于单片机的智能风扇系统设计

郑安豫

(安徽电气工程职业技术学院 电力系，安徽 合肥 230051))

0 引 言

随着科技的发展，人们对家居的智能化与自动化要求也不断提高.电风扇作为一种常用的夏季降暑家用电器，除了简单的转速设定与定时功能，没有其他功能设置选项，已经无法满足使用者的需求.智能风扇的设计进入研究者的视线.

智能风扇的设计，一般都是基于环境温度来实现[1-2]的，随着环境温度的变化，控制风扇转速，以实现风扇的智能化.然而实际环境中，影响人体舒适度的，除了温度外，湿度扮演了另一个十分重要的角色；夏季中，温度不是特别高的情况下，如果相对湿度很高，会感觉闷热，十分不适.

本文提出了一种基于体感温度的智能风扇系统，实现了风扇转速的自动控制，环境数据、风扇转速液晶显示.弥补了一般智能风扇的只基于环境温度，忽视相对湿度的缺点，提高了使用者的舒适度.

1 背 景

1.1 体感温度

体感温度，是指人体通过感觉器官，主要是皮肤对外界环境温度的感受.体感温度往往与实际测量的温度有偏差.它除了受环境温度的影响外，还受其他因素，如相对湿度、风速、太阳辐射的影响[3].

仅考虑气象条件的影响下，体感温度的计算方法如下[3]:

Tg=Ts+T(u)+T(v)+T(r)

其中，Tg为体感温度，Ts为环境温度，T(u)为相对湿度修正项，T(v)为风速修正项，T(r)为太阳辐射修正项[3].由于本文只考虑风扇的使用场景，风扇都在室内使用，所以太阳辐射的修正可以忽略.

关于T(u)与T(v)计算方法，有大量文献提出了不同的计算方法[3-6].由于风扇是用来在炎热的夏季提升人体舒适度的工具，本文采用了基于人体舒适度的体感温度计算模型[6].

1.2 温湿度传感器

本系统采用的温湿度传感器是一款已校准数字信号输出的DHT11数字温湿度传感器.传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件.该产品具有响应快速、抗干扰能力强、性价比高等优点[7].

2 系统设计

为了实现温度、湿度数据收集、转速计算、风扇控制等一系列动作的智能化，需要中央处理器来处理，本系统中采用C51单片机作为中央处理器.为了实现内部数据(温度、湿度、风扇转速)的可视化，系统设计中添加了液晶显示器来显示各项数据.

系统设计如图1所示.

图1 系统设计结构图

单片机：由于本设计中，对单片机没有特殊要求，基于软件程序的大小，所以选用AT89C54.单片机引脚如图2所示.

图2 AT89C54

图3 手动复位电路

复位电路：单片机的复位电路一般有分为上电复位，手动复位.上电复位指单片机在上电瞬间，给复位引脚一个复位信号(一定时间的高电平或者低电平)，以实现单片机的复位，待稳定后，单片机开始执行程序；手动复位指在单片机的复位引脚接一个按键，手动按下该按键使单片机复位.本文设计中采用手动复位，风扇通电时，给单片机复位，发生故障时，能够手动重置单片机状态.手动复位电路图如图3所示

晶振电路：单片机工作时钟需要晶体振荡器提供工作脉冲信号，脉冲频率决定了单片机工作速度.晶振电路如图4所示.

液晶显示：采集的温度、湿度、以及现在的风扇转速，通过液晶显示屏显示.

风扇驱动：风扇驱动采用PWM(Pulse Width Modulation)控制直流电机的转速.由于C51单片机中没有PWM输出功能，本系统中采用定时器与软件控制来实现PWM的输出[8].

图4 晶振电路

图5 软件流程图

3 软件流程

单片机的软件设计流程如图5所示.

1)获取环境参数

单片机通过温湿度传感器，获取环境温度与湿度；

2)计算风扇转速

根据获取的环境参数，计算出舒适体感温度需要的理想风速.

3)控制风扇转速

根据理想风速，计算出风扇的转速

4)延时

两次计算间的延时间隔

4 小 结

针对普通电风扇的缺点，本文提出了一种基于体感温度的智能风扇设计方案.通过传感器实时获取环境温度与湿度，计算出合适的风扇转速；通过单片机自动控制风扇转速.该设计能够根据环境的变化，自适应地控制风扇转速，达到风扇智能化的目的.

[1]陈富忠，翁桂琴.智能温控调速风扇的设计[J].上海电机学院学报，2009(04):297-300.

[2]李娣娜，王洋.一种简易温控智能风扇控制系统的设计[J].现代电子技术，2012(21):119-120.

[3]陈莉，张海东，王承伟，等.体感温度客观分析方法研究[J].成都信息工程学院学报，2009(03):279-284.

[4]刘梅，于波，姚克敏.以热量平衡为基础的体感温度模型及气候要素的效应分析[J].南京气象学院学报，2001(04):527-535.

[5]王远飞，沈愈.上海市夏季温湿效应与人体舒适度[J].华东师范大学学报(自然科学版)，1998(03):60-66.

[6]马盼，王式功，张志薇，等.基于“黄金分割率”的体感温度计算方法及相应舒适度划分[C].创新驱动发展，提高气象灾害防御能力—S15气候环境变化与人体健康[A].2013-10-22.

[7]倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2010(6):60-62.

[8]吴育军.单片机PWM控制直流电机技术[J].通讯世界，2016(17)：253-254.