基于STC单片机的智能风扇系统实验设计

高庆华，商云晶，秦晓梅，崔承毅，程春雨，周晓丹

（大连理工大学 电子信息与电气工程学部 电工电子实验中心，辽宁 大连 116023）

单片机综合设计性实验是我校自动化专业、通信工程专业以及电子专业的必修实践课程，该课程能够将单片机原理、模拟电子线路、数字电路和C语言等理论知识紧密结合起来，旨在培养学生的综合设计能力和创新能力[1-4]。为了使学生尽早适应社会需求，单片机综合设计性实验模拟工程项目开发，教师只给定实验项目需求，鼓励学生自主查阅资料，确定设计方案，然后进行焊接、程序编写、系统联机调试，最终完成实验项目。

单片机综合设计性实验的教学理念是以学生为本，利用实验项目实现方法的多样性，鼓励学生自主学习，充分发挥主观能动性和积极性，创造性地采用多元化方法完成实验任务[5-8]。为了激发学生实验兴趣，开设了源于实际生活的实验项目——基于STC单片机的智能风扇系统的实验设计，通过设计电源电路、显示电路、电机控制电路、传感器电路等构建智能风扇系统，实现风扇智能控制的各种功能。

1 实验系统总体设计

1.1 智能风扇系统整体结构

基于 STC单片机的智能风扇实验系统由稳压电源模块、LCD显示模块、风扇驱动模块、无线通信模块、传感器模块等构成，系统功能库框图如图1所示。其中控制核心选用的是 STC15W4K32S4系列单片机中的IAP15W4K58S4，这款单片机功耗低、速度快、性能高，具有在线仿真调试功能；选用LCD1602显示相关内容；选用L298N驱动风扇；选用蓝牙进行无线通信；选用DS18B20检测环境温度；选用HC-SR501人体红外感应模块检测人员。

图1 系统功能库框图

1.2 智能风扇系统实验项目功能要求

实验项目功能设计尊重学生的个性化发展要求，采用层次化教学方式，包括基础层、提高层和拓展层。基础层要求学生实现按键控制风扇运行模式，包括启停、低速、中速、高速、自动运行；通过温度传感器检测环境温度并在LCD上显示对应温度值；设定风扇高低温阈值，风扇运行过程中当环境温度低于设定的低温值时风扇停止，环境温度高于设定的高温值时风扇正常运行，如果设置的温度值不在监测范围内或者风扇运行速度超过一定值时系统报警。提高层要求学生实现利用蓝牙发送命令到单片机，进而远程控制风扇的各种运行模式；设置人员监测开关，当风扇处于运行状态时，若通过红外人体监测传感器检测到人员，风扇保持原状态，未检测到人员时，风扇延时关闭。拓展层要求学生根据个人能力进行选择开发，如手机App功能开发等。基于STC15单片机的智能风扇系统功能要求如图2所示。

图2 智能风扇系统功能要求

2 实验系统硬件设计

2.1 IAP15W4K58S4单片机最小系统模块

单片机是整个智能小车系统的核心，控制整个系统其他模块的工作。本系统选用的IAP15W4K58S4单片机是宏晶公司生产的单时钟/机器周期的新一代8051单片机，内部集成时钟，无需外部晶振和复位电路，并集成了8路10位PWM、8路10位A/D转换和4路高速异步串口通信端口，相比普通51单片机功能更强大，使用更方便[9-12]。由于IAP15W4K58S4单片机内部集成了时钟晶振和复位电路，只需将单片机与电源和地连接即可构建最小系统。

2.2 稳压电源模块

智能风扇系统中各功能模块均采用 5 V电压供电，稳压电源电路如图3所示，采用的是LM7805三端稳压芯片，其内部有过流、过热及调整管的保护电路，使用方便可靠。采用 IN4007二极管实现全波整流，通过电容滤波后，利用LM7805三端稳压器实现电压转换，为整个系统提供稳定的5 V电压。

图3 电源模块电路

2.3 风扇驱动模块

实验系统中采用PWM信号加电机驱动电路方式对风扇进行驱动。驱动电路可使用三极管搭建H桥形式实现，也可使用专用芯片驱动，考虑到前者电路设计复杂，稳定性低，本系统设计采用电机专用驱动芯片L298N对风扇进行驱动，如图4所示。该芯片输出电流大、功率强、电路简单、使用方便，可驱动1个四相电机，也可驱动2个二相电机。本设计可以将风扇接在A位置或B位置，相应地通过单片机发送PWM波到IN1、IN2或IN3、IN4，控制各种风扇运行状态。

图4 风扇驱动电路

2.4 显示模块

实验系统中采用 LCD1602液晶显示当前检测环境温度值和风扇运行状态，此款液晶能够同时显示16×2即32个字符，通常用来显示字符、数字、符号等信息。LCD1602液晶的第3引脚为显示对比度调节端，通过调节电位器来调整对比度，7—14引脚为数据段，15和16引脚为背光电源正、负极，液晶显示模块电路如图5所示。

图5 液晶显示电路

2.5 蓝牙无线通信模块

实验系统采用主从一体的蓝牙转串口模块 HC05实现无线数据收发，进而控制风扇各种运行状态。HC05模块与单片机的串口相连进行通信，当手机与蓝牙配对成功后，可以通过手机串口助手App向单片机发送指令，蓝牙模块如图6所示。

2.6 传感器模块

实验系统中的环境温度检测采用 DS18B20温度传感器，它具有低功耗、高性能、能够多点测温等优点，温度检测范围为-55～+125°，可编程分辨率为9—12位，可直接输出数字量。温度检测电路如图7所示。

图6 蓝牙无线通信模块

实验系统中采用HC-SR501红外人体感应模块实现对周边人员的检测，采用LH1778红外探头实现人体红外探测。模块启动后，当有人员进入探测范围时该模块会输出高电平，其触发方式、探测距离以及感应延时均可调节。红外人体检测模块如图8所示。

图7 温度传感器电路

图8 红外人体检测模块

3 实验教学效果

经过几年的本科学习，学生的综合能力有较大差别，兴趣爱好也各不相同，因此实施层次化教学方法。要求所有学生都要完成基础层实验内容，并至少选择实现1项提高层实验内容，鼓励部分有余力的学生自主开发拓展层实验。各层次实验内容的实现方式不作具体规定，具有开放性。实验中，无论能力如何，学生都能设计出一个完整的风扇系统，能力弱的学生设计的系统虽然功能少一些，但动手能力和综合设计能力得到了锻炼；能力强的学生设计的系统功能丰富，综合设计能力和创新能力能够得到提高。

4 结语

单片机综合设计性实验在培养学生综合设计能力和创新能力方面发挥了重要作用，从智能风扇系统设计来看，实验项目具有层次性、开放性，能够融入本科教学多门课程知识点，实现方案多样化，并能充分尊重学生的个性化发展需求，有效地提高了学生的动手能力、综合设计能力、工程开发能力和创新能力。