智能控温风扇系统设计研究

智能控温风扇系统设计研究

甄俊杰

广东绿岛风空气系统股份有限公司 529249

摘要：在计算机技术和通信技术飞速发展、广泛应用的背景下，人们对日常生活质量要求日益提高，随着人们环保意识的增强，智能风扇逐渐走入大众视野。基于此，本文从实际工作经验出发，简单阐述当前市场对智能风扇的现实需求，深入研究智能控温风扇系统设计，改变传统机械风扇手动调节档位和定时器定时关闭功能，引入单片机，通过脉冲信号的输出控制风扇转速，同时设计应用温度传感器采集空间温度，实现智能控温，增强风扇智能化与人性化程度，为人们带来舒适室内温度。

关键词：风扇系统；智能控温；单片机

引言：机械风扇最早诞生于十九世纪，纵观其发展历程共经历五个阶段，从最初的吊扇发展为空调扇。温控风扇是现阶段主要发展方向，从当前研究现状来看，国外曾研发出声音控制电扇，但施工期间对声音距离有要求。国内电风扇行业起步较晚，刀锋电扇是显著成果之一，国内智能风扇多用于CPU散热。笔者针对传统风扇手动开关机、噪音大、费电等缺陷，结合计算机智能技术改进产品，依托于智能调温与遥控功能，优化风扇产品使用体验，减少能耗浪费。

1.风扇市场现实需求

自环境保护、能源节约上升至国家战略高度以后，家用电风扇在外观和功能上都更追求个性化、智能化，实用功能更加丰富，比如自然风、睡眠风、驱蚊、照明等，故家用电风扇市场销售复苏。根据全拓数据调查统计，截止至2021年，家用电风扇产量高达24970.8万台，风扇作为家庭普及率较高的小家电，未来也将成为智能家居场景中的重要一环。这主要是因为电风扇的风力更为温和，且价格优势明显，安装、使用便利，随着人们对家用电风扇关注与需求的增加，风扇显示需求可总结如下：

在智能家居的发展环境下，相较于传统风扇增加控制与功能，家用电器产品正处于人性化、智能化、自动化、环保化发展趋势，基于微机控制的智能风扇出现在大众视野被获得广泛关注。传统的控温风扇利用风扇轴承附近的测温探头侦测风扇的进风口温度，调节风扇转速，调节精度不够，且转速仅为两级变速，智能温控方面仍具有一定上升空间。为便于风扇使用，以及转速的精准控制，风扇不仅要涵盖手动式的温度设置功能，还要在用户端实时显示温度，增强风扇对温度感应的灵敏性，提高其自动、智能控温灵敏性，一旦室内温度小于下限，则自动停转风扇；当室内温度在用户设置的上限和下限之间50%时，则自动（保持）转动；当室内温度大于上限，风扇则自动调整为全速转动[1]。

2.研究智能控温风扇系统设计

2.1传统控温风扇优化方案

以单片机为基础，结合使用数字温度传感器增强风扇温度感知，面向用户提供无线遥控远程控制功能，利用一体化红外接收头为用户与单片机之间的交互提供基础。系统框架如图1所示：

图 1 系统框架

在该优化框架下，通过MCU处理器，温度采集模块可获取风扇CPU实时温度信息，温度分析更加精准，同时，由处理器降温度信息反馈给调速驱动模块，实现智能控温，自动化调节风扇风速。

2.2硬件结构设计

2.2.1主控设计

主控模块是智能控温风扇正常运作的基础，负责控制各系统模块，由单一微机和最小系统电路组成。设计过程中，可选用可编程芯片，借助其重复擦写功能，满足程序编制、运行需要。同时，设计应用八位中央处理器（通用）和ISP Flash内存模块，增强智能控温风扇系统的可编程特性。需要注意的是，在选择可编程芯片时，做好芯片优选，确保其抗干扰能力强、处理能力优，并分析其性价比以及能耗，增强嵌入式系统的灵活性，同时降低系统开发成本。

2.2.2温度传感器等组合设计

温度传感器是智能风扇精准控制转速的前提保障，所以在实际设计过程中，可与其他相关电路同步设计，组成温度采集模块，负责对室内温度数据进行读取和发送。为提高温度参与读取准确性，优选数字温度传感器，以此为基础将温度数据传输至主控芯片，实时显示给用户。其中，在优选数字温度传感器时，要判断其是否适用于室内空气温度分布网络测量，以及是否能够提供方便的组网功能、优化风扇内部结构、降低其复杂程度，然后借助多功能装置的设计使用丰富电扇使用场景。本文选用DS18B20温度感应器，其不仅具备数字化功能，同时也是一款改进型智能式温度传感器，能够实时读取被测温度。其检测跨度较大，零下55摄氏度到零上125摄氏度区间内均可准确检测，适用性较强。利用该感应器的单线接口读写模块，可实现与数据总线的交互，实时获得准确的温度转换功率，外加总线本就具备供电功能，无需额外供电接口与装置，故智能控温风扇整个结构更为简便、可靠[2]。

2.2.3显示模块设计

对于家用式风扇，在设计选用显示模块时，要优选显示效果好、功能强大的显示屏。根据笔者工作经验，可以液晶显示屏为主，目前，常用的此类显示模块以字符类工业液晶和真彩液晶等为主，前者最高可显示三十二个符号，支持多种指令格式与功用，但照片显示存在短板；后者包括真彩液晶显示屏和薄膜晶体管液晶显示器，视觉效果强，具有较高的对比度，本身有十六位80并口驱动。但在本文设计中，选用OLED显示屏，主要目的在于借助OLED技术的可视角度降低屏幕日常运行功耗，不仅如此，从物理结构来看，可视角度更为理想，外观优美，兼具透明、柔性等特征，优化用户风扇使用体验，更具美观性的产品外观能够进一步吸引潜在消费者。为清晰展示风扇运行模式和风速参数，沿着水平方向在屏幕像素矩阵上划分八个页面，在温控模式下，显示屏还将显示用户设定的阈值和实时温度。

2.2.4电机设计

对于智能风扇控温系统而言，电机设计包括电机控制设计与电机电路设计。

（1）电机控制模块

电机驱动电路和直流电机构成电机控制模块。本次系统设计采用PWM波控制信号，由于本文设计的智能风扇控温系统引入单片机，所以可以借助单片机对PWM占空比予以调整，实现三极管通断控制，在该情况下，风扇即便处于最大风力，一旦检测到室内温度低于下限，也可直接调整为关闭，满足“自由风”需求。当数字温度传感器检测出环境温度并传输给可编程芯片后，芯片将立即开展相应的运算，若是运算结果发现超出用户设定的温度上限，发电机将全速工作；若是运算结果在用户设置的温度上限和下限之间时，发电机将根据温度实际升高或降低情况随之发生改变，温度升高则加快转速，反之则降低转速；若是运算结果发现低于用户设定的温度下限，发电机将停止转动，若是温度回升，则根据温度回升情况自动缓慢运行，调整转速。在该设计程序下，PWM信息占空比调节灵活，改善电机转速的同时，减少不必要的能耗浪费[3]。

（2）PWM电路设计

为便于电机控制，可选用旋转式直流电机将电能转变为机械能，一方面用以产生磁场的电磁铁绕组，另一方面分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。在磁场作用下，其在电枢鼠笼式铝框中有电流通过并受磁场的作用而使其转动。

2.2.5红外设计

基于智能控温风扇系统的红外设计，从组成结构来看，其主要分为两方面，一是接收头设计，二是遥控设计。

（1）红外接收头设计

作为一种非接触式的控制方法，需要落实红外接收头设计。本文选用一体化红外接收头实现智能控温风扇系统无线遥控远程控制功能，选用原因在于一体化红外接收头不仅具有红外控制的显著功能，其整体体积也相对较小，外接元件也相对较少，设计应用十分便利。红外遥控信号的本质是二进制脉冲，通常先将其调制在特定的载波频率上，然后再经红外发射二极管发射出去，接收装置接收红外信号的同时，滤除其他杂波，对接收的频率信号具有特定性，针对目标信号，将自动还原成二进制脉冲码，然后执行相关指令。在本文设计的智能控温风扇系统中，红外传感接收头主要用于接收由无线遥控输出的信号，实现用户和单片的交互作用，用来对单片机发出指令。

（2）红外遥控设计

在智能控温风扇系统中，控制优选无线、非接触式的技术装置，本文涉及使用红外遥控，凭借器耗电量少、抗干扰功能强、设计应用成本低、信号传递安全等优势，目前被广泛用于多种家电产品中，且大多植入在手机控制系统或是电脑控制系统中。在本文的设计中，为提高控制便利程度，设计使用红外线遥控控制，强化控温系统的人性化程度。

2.3软件结构设计

2.3.1模式设计

对于智能控温风扇，其系统应包括手动模式和自动模式，为用户灵活提供控制功能服务。其中，手动模式设计实现路径为按键设置，通过在风扇机身或是遥控系统中设置按键，实现对风扇转动、扫描模式、返回界面等功能的控制。当用户选用手动模式时，根据需求可按加速键加大风扇风力，共设置四档，分别为低速、中速、高速、停止。其中，扫风控制单独设置按键，按一次意味着风扇系统进入扫风模式，按两次意味着停止扫风。对于自动模式而言，要在舵机的桨上将电机和红外模块粘上在该情况下，自动模式与温度传感器等子控制系统联动，在自动模式下，系统将对周围环境进行自动化检测，根据检测结果判断是否进入扫风模式以及风扇是否调整。低速模式主要面向环境温度在27℃到29℃的室内环境，中速模式则面向环境温度在29℃到31℃的室内环境，高速模式则面向环境温度在31℃以上的室内环境[4]。

2.3.2界面设计

在界面设计方面，主要围绕风扇模式选择界面进行设计，根据按键和模式需求编制代码。

2.4调试与测试

2.4.1系统调试

初始化智能控温风扇系统，当软件模块和硬件模块正常运行后，调试各个模块，判断各项设计功能能否顺利实现。初始化温度采集模块后，清零已读取数据，目的在于避免数据读取有误等现象的发生，显示子程序的初始化是对显示参数值清零，便于用户实时观察温度变化情况。顺利通过温度采集装置完成室内温度数据采集后，单片机读取相关数据并处理分析，将其同步输出给电机与显示的程序模块。在该环节，数据读取和处理后立刻传输，然后由显示程序模块处理为数码管显示指令和语句，保证用户查看相关参数的体验，使其明确获得温度数值。当智能风扇应用过程中，其大多应用于家庭环境，故温度参数范畴为零上10℃到零上50℃，因此，根据使用场景的指向性，选用四位数码管即可满足温度数据的动态显示需求。在数据传输的同时，智能控温风扇系统也将设置的温度上下限和接收的数据在单片机进行分析判断，对比分析用户设置的温度阈值，判断是否全速运转、缓慢运转、停转，根据系统的设计功能不断循环反复，由此来实现风扇速度的控制和电机驱动。

2.4.2模拟仿真

为验证系统设计有效性，各项功能是否顺利发挥作用，采用Proteus开展实物测试工作，测试流程为：模拟仿真——实物测试。开展具体测试工作前，根据产品的应用场景，对其上限温度和下限温度进行设置，上限为32℃，下限为15℃。启动风扇，采集当前室内环境的温度数据，待单片机收到温度信号后，简单处理后同步传输给显示终端，经过数码管屏幕获得室内实际温度数值，数据精准到小数点后两位。通过实物显示的温度数据可知，22.6℃并未超过提前设定好的上限和下限数据，故电机处于平稳运转状态。发现，借助灵敏的智能温度传感器装置和数码管显示功能，利用单片机的数据分析与控制作用，能够自动化控制风扇转速，实现温控功能。根据用户对风扇的使用需求，可自由设定上下限阈值，使风扇风速随着外界温度的变化一同调整。而且，上述设计方案不仅装置成本较低，性能也较为稳定，借助红外等控制手段，能够准确控制风扇转速，使用简单、维护容易，应用体验良好。

结论：综上所述，为改善传统温控机械风扇在风速控制精准性差等缺陷，本文设计一种智能温控风扇系统，整合应用温度感测装置与数码管，以单片机为核心提高风扇控制自动化、智能化水平，优化风扇运行性能，降低风扇设计生产成本与使用能耗。

参考文献：

[1] 姜楚华,楼应侯,方庆朕,等. 智能电风扇控制系统设计[J]. 机械工程师,2022(3):59-62.

[2] 龙巧玲,牛德雄,林利云. 基于OneNET云平台与物联网MQTT协议的智慧节能控制系统[J]. 计算机测量与控制,2021,29(7):127-130,135.

[3] 张文奎,孙小羊,易照龙,等. 智能控温无叶风扇的设计与实现[J]. 科技创新与应用,2021(8):114-117.

[4] 吉毅. 基于物联网的智能家用风扇控制系统设计分析[J]. 造纸装备及材料,2020,49(4):112-113.