智能电风扇 - 文章

智能电风扇

作者：东北大学王显巍贾殿龙陈俊

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摘要：本文介绍了一种智能电风扇的设计方案。该系统以Motorola MC68HC908AP64 为核心，应用Motorola 的电场传感器MC33794 和加速度传感器MMA1260D，为风扇提供了多方位的保护，也为用户提供了更智能化的管理。
关键词：MC68HC908AP64；MC33794；MMA1260D；电风扇；接近检测

引言

作为一种老式家电，电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积轻巧等特点。由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一个成熟的家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额。

面临庞大的市场需要的同时，也要提高电风扇的市场竞争力。使之在技术含量上有所提高，应使风扇不仅功能多样，操作简便，而且更加安全可靠。

为此，在现有市场上多功能电风扇的基础上，我们提出了一种新型的智能电风扇，该风扇功能更多，添加了很多人性化的设计，如安全保护，倾倒保护，智能照明等功能，使电风扇更加人性化，相信其丰富的功能，人性化的设计将会大大提高电风扇的市场竞争力。

功能描述

本设计主要目标是使普通的电风扇的功能更加强大，使操作简单化、智能化，主要实现以下几个部分的功能：

温度智控功能：风扇可以感知环境的温度，以调节风扇的转速，达到更好的工作效果。用户可以选择这种智能调速方式，也可以选择手动设定方式来控制转速。当选择手动设定方式时，该功能不发挥作用。

多种安全保护功能：当风扇的倾斜角度大于一定程度时，电机将停止工作，以保证安全；当风扇电机温度超过允许温度时，为保证安全使用，电机同样会停止工作。当有物体靠近或接触风扇防护罩时，电机也将停止运转。

智能照明功能：在晚间，当用户接近风扇时，风扇能够探测到人体的接近，从而启动微光照明，方便用户操作并避免用户和风扇或其他物体发生不必要的碰撞。

多级调速功能：提供更多的风力级别和风型，提高用户的舒适度。

定时工作功能：该定时功能可以让用户自己定制风扇工作时间的长短，以提供更人性化的服务。

液晶显示功能：使用液晶屏显示当前室温，风扇的转速，风扇的工作模式，当前时间，风扇工作时间等参数，美观大方。

红外遥控功能：提供远距离非接触式的风扇控制操作。

系统概述

系统框图如下：

图1 智能电风扇系统框图

智能电风扇主要由MCU，接近检测，倾倒检测，温度检测，人机接口等主要部分组成：

􀁺 MCU 使用Motorola 的8 位单片机MC68HC908AP64。
􀁺 接近检测模块使用Motorola 的电场传感器MC33794，利用电场成像技术实现对人体接近的检测。
􀁺 倾倒检测模块使用Motorola 的加速度传感器MMA1260D，对机身倾倒进行报警，强制电机停止工作。
􀁺 温度检测模块使用DS18B20，主要用来监测室温和电机温度。
􀁺 人机接口包括红外遥控，键盘模块和LCD 显示模块，实现电风扇与用户的信息交互。

硬件设计

在电风扇开发领域，很多业界采用的都是专用的风扇控制芯片，虽然它实现简单，但是跟我们所要设计的智能风扇相比，其处理计算能力就相差甚远了。在认真分析了功能需求和成本限制的基础上，我们决定选用Motorola 单片机MC68HC908AP64 作为本系统的核心控制部分，它具有以下特点：

􀂄 较高的8 MHZ 总线频率。
􀂄 丰富的片内资源：2K 片内RAM,62K 片内FLASH。
􀂄 2 路 16 位，双通道的时钟接口模块。
􀂄 串行通信接口模块,用于跟电场传感器 MC33794 进行串行通信。
􀂄 串行外设接口，外接一个74HC164 串转并转换芯片，与液晶屏连接。
􀂄 8 通道 10 位的 A/D 数模转换器。
􀂄 8 位键盘唤醒口；用于跟小键盘连接，对系统进行设置，控制风扇。

相关电路可以分为如下几个部分：

1) MC33794 模块电路

MC33794 控制模块的控制芯片选用的是MC68HC908QY4，在保证了对MC33794 很好的控制的同时，有效的控制了成本。

a) 由于MC33794 可以为外部电路提供5V 的电压，所以整个控制模块只要一个12V 的电压源即可。
b) MC33794 是通过对外发射低频的纯正的正弦波来实现电场成像的，连接在R_OSC 引脚上的调整电阻可以对正弦波的频率进行调整，以达到最优。
c) 控制芯片MC68HC908QY4 通过串口与主控制模块通信，采用双通道RS232电平转换芯片，通过PTA0 引脚来单线实现数据的串口模拟收发。

图2 MC33794 控制电路

2) 倾倒检测电路（MMA1260D）

本电路采用Motorola 的加速度传感器芯片MMA1260D，为了测量加速度传感器芯片的输出电压，我们将Vout 引脚与AP64 的A/D 口连接。管脚之间接一个电阻和电容，起滤波作用，以减小时钟噪声。电源与地之间的接一个0.01uF 的电容用于去耦。同时尽可能缩短了MMA1260D 与AP64 的距离。

我们将MMA1260D 竖直的固定在风扇机身，当风扇正常工作时，MMA1260D 测得的加速度为0，而当机身倾倒时，MMA1260D 测得的加速度将增大，由于加速度与输出电压成正比，则AP64 通过A/D 端口得到的电压值也会发生变化（根据倾倒方向的不同，测得的加速度值也会不同），然后将对应的电压值转换成相应的角度值，进行判断，即实现了倾倒检测。

图3 MMA1260D 连接电路

3) 串口模拟通信电路

主控制模块和MC33794 模块的通信采用的是串口通信。在AP64 端，可以通过SCI模块轻松实现稳定的串口数据的收发，而MC33794 控制模块端则不存在对应的SCI 模块，这样就需要一定的硬件电路来保证对串口通信的正确模拟，同时也为软件上实现高低电平的发送提供了基础。

串口发送，发送“1”时，将PTA0 设置为输入，PTA0 引脚为+5V，与Vcc 等电势，则RS232 发送输出端T1 为逻辑“1”；发送“0”时，将PTA0 设置为输出，RS232 发送端的电压值应该为1/(1+10) V，即0.45V。

串口接收，接收“1”时，RS232 的接收输出端引脚为逻辑“1”，则PTA0 输入为逻辑“1”；接收“0”时，RS232 的接收输出端引脚为逻辑“0”，则PTA0 输入为逻辑“0”。

图4 MC33794 控制模块串口通信电路

4) AP64 核心电路

采用Motorola 单片机MC68HC908AP64 作为本系统的核心控制部分，既充分的利用了AP64 的各引脚资源基础上，又控制了成本。

图5 AP64 核心电路

5) 定时器电路

采用MAXIM 公司DS1302 低功耗实时时钟芯片为本系统提供系统时间，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302 可以双电源供电，使用电池作为第二供电电源，保证了在系统不供电的情况下长时间维持时钟的正常工作。

图6 定时器DS1302 电路

6) 红外收/发电路

使用TC9148 编码芯片将按键信号调制在38KHz 的载波信号上通过三极管放大后发射出去。

图7 红外信号发射电路

红外接收电路采取红外接收器件HS0038，通过系统的输入捕捉接收红外遥控信号。

图8 红外信号接收电路

7) 电机控制电路

由CPU 来的控制信号经光电耦合器TLP521-4 耦合后，接可控硅MAC-97 的门极，以控制电机的运转。

图9 电机驱动电路

8) 液晶显示电路

根据本系统的设计，16×2 的液晶即可很好的实现所需功能，这里采用的是带有HD44780 控制芯片的FM1602C 液晶屏。

图10 液晶连接电路

9) 温度探测电路

单线数字温度传感器DS18B20 采用一线总线接口，大大节省了系统的I/O 资源。

图11 温度传感器DS18B20 电路

软件设计

1. 综述

本系统是在Motorola CPU MC68HC908AP64 上实现的，但是为了能够获得更好的可移植性，我们将系统设计为分层结构。如图所示：

图12 软件层次结构图

1) 硬件层：

硬件层是指具体的CPU 以及所使用的各种外设，这是所有设计的物理基础。一般情况下，硬件层是直接通过各个寄存器和物理地址来和其他部分进行数据和信息交互的。每一个寄存器和地址的意义与作用都是相对固定的。

2) 硬件驱动层：

对于我们的系统来说，只有硬件驱动层才是与真实硬件打交道的部分。我们利用硬件驱动层来有效读写硬件层提供的各种内外设和外外设。

对于一个系统而言，由于存在干扰等因素，某一个时刻的采样值并不一定就是我们所要的数据，甚至有可能与真实数据之间有相当大的差异。硬件驱动层就是负责从硬件层获得数据并进行数据有效性判断的一个软件层。对于不同的数据，硬件驱动层可能使用平均、加窗等不同的方法进行处理。而对于软件驱动层产生的终态来说，硬件驱动层可根据实际情况，依照不同的要求转化为对硬件层的处理时序。通过这一层的处理，我们一方面获得了所要的数据，另一方面，也将上一层软件层同真实物理层相隔离。

3) 软件驱动层：

硬件驱动层负责读写各种外设，但是这些数据并不一定能够直接使用，绝大部分都是需要进行一定的转化。软件驱动层就是负责这个事务的。也就是说软件驱动层完成的是将硬件驱动层获得的数据转化为实际应用所需要的数据和将应用层生成的控制逻辑转化为实际硬件的驱动数据的工作。从某种意义来说，已经将应用层同实际硬件的使用相隔离。达到更低的耦合性。

4) 应用层:
根据软件驱动层的数据结果，在一定的运行逻辑支配下对软件驱动层进行操纵，以达到对实际硬件的控制。

2. 软件总体流程描述

系统在如上的架构上，进行设计。软件总体框图如下图所示：

图13 软件主流程图

在主程序初始化之后，开始反复检测各模块相关部分的缓冲区的标志，如果缓冲区标志置位，说明有相应的数据需要处理，然后主程序调用相应的处理子模块。

这里，对于电场传感器，当检测到有异常情况的时候，实时的通过串口中断子程序将数据传给主程序，同时置电场缓冲区标志。然后主程序在反复检测的过程中，检测到电场缓冲区标志被置位，将调用对应的电场处理子模块进行相应的处理。

对于加速度传感器和温度传感器，我们采用定时采集数据的方法，在定时中断子程序中，采集相应的数据，并进行判断，如果是异常数据，则将数据保存在系统缓冲区，同时置对应的缓冲区标志。然后主程序将会调用相应的子程序进行处理。

当有按键按下的时候，采用键盘中断子程序扫描相应的键盘码，然后发给主程序，置对应的键盘按键标志位。在主程序中，当有按键按下的时候，调用对应的键盘处理子程序。

3. 软件子模块

1. MC33794 软件模块

程序在正确初始化之后，对于每一个电极，要先获得电极的基准A/D 值，用来作为后续的比较标准。在计算电极基准A/D 值的时候，没有直接应用原始的单个A/D 转换值，而是在等待A/D 转换稳定之后，每隔一个A/D 转换周期采样一次A/D 值，计算得到5 次采样的平均值，作为基准A/D 值。

然后，定时的对当前的A/D 值进行采样，并与先前得到的基准A/D 值进行比较，如果超出阈值α（阈值可以根据需求和经验值自定），则置对应的标志位为告警状态，否则置标志位为正常工作状态。

由于循环检测过程中，涉及到电极的切换，每次电极切换之后，A/D 转换会在一小段时间内产生扰动，导致读取的A/D 值异常。所以，我们在每次转换电极后，延时一段时间T，T 的选择既要保证实时性，又要保证正确性，具体数值根据程序的多次运行实验获得。

图14 MC33794 采样模块软件流程图

在主控制模块端，如果MC33794 数据缓冲区标志置位，表明有异常情况发生，主程序会进行相应的处理，具体流程如下图所示：

图15 MC33794 信号处理流程图

另外，MC33794 的控制模块与主控制模块之间的串口通信，采用双线直连方式。在MC33794 端，由于没有SCI 模块，所以要由软件来模拟RS232 串口通信。MC33794 控制模块的内部时钟频率是2.4576 MHz，即每个总线周期是0.4069us，这样对于波特率为9600 的串口通信，每一个位时（bit time）就是256 个周期。精确的位时（bit time）是串口模拟通信成功的保证。模拟串口发送程序流程如下：

图16 MC33794 串口模拟通信流程图

2. MMA1260D 模块

因为MMA1260D 主要根据输出电压值进行测量，当其竖直放置的时候，加速度为0，其输出电压为 2.5v，此时倾斜的角度为零；当其正向放置的时候，将会有一个g 的加速度，输出电压3.7v；而当反向放置时，将会产生一个-g 的加速度，输出电压为1.3v。这俩种情况下都认为倾斜角度为90 度。

所以，我们根据其不同的输出电压转换成对应的加速度值，用以判断倾斜的角度。

MMA1260D 模块的设计采用三层结构：硬件驱动层，软件驱动层，以及应用层。

硬件驱动层：主要负责与硬件通信，负责A/D 口数值的测量。然后提供给软件驱动层进行处理。
软件驱动层：这一层是硬件驱动层与应用层的中间层。它从缓冲区取出硬件驱动所读取的数据，然后转换成对应的角度。
应用层：软件驱动层提供给应用层加速度传感器的倾斜角度，应用层根据此倾斜角度判断是否需要停止电机工作。

在系统工作以后，首先会对MMA1260D 初始化，当系统进入正式工作状态以后，我们就可以通过此加速度传感器，进行倾倒检测。

其数据采集流程图如下：

图17 MMA1260D 软件流程图

3. 电机控制模块

电机涉及到转速和摆头两个方面。因为使用标准遥控风扇的电机组，所以摆头是由一个独立的电机来控制的，而风扇的转速则由主电机上的3 根分别为高、中、低的电源线控制。

在此基础上我们通过软件对风扇的转动进行精细的控制，以实现多种风类型。对于各种风类型我们依照如下定义：

正常风：风扇按设定之强、中、弱风互速运转。
自然风：风扇马达按预编电脑程序作不规则运转，配合风速键之设定，可分强自然风、中自然风、弱自然风，模仿大自然之风吹效果，令风量更柔更舒适。
睡眠风：风扇马达进入自然风电脑程序控制，其原理是人的体温会在入睡后慢慢下降。

风扇的风量亦会慢慢减弱，以免入睡后着凉，其减弱规律如下：

当最初设定为强风时，风扇按强自然风运转半小时，后转为中自然风，半小时后再变为弱自然风，直至预置时间结束，或被关掉为止；当最初设定中风时，风扇按中自然风运转半小时，转为弱自然风，直至预置时间结束，或被关掉为止；当最初设定为弱风时，风扇按弱自然风运转，直至预置时间结束，或被关掉为止。

从软件层角度来说，就是根据前一时刻风扇的状态以及用户的输入来确定当前时刻所要输出的风类型和风速。

从软件驱动层角度来说，就是根据软件层确定的当前时刻风类型和风速量化成所要输出的风速值。

从硬件驱动层角度来说，对于风扇转速的控制，最终是3 根高中低线的选通以及各线上可控硅导通时间的控制，也就是说，将软件驱动层量化出的风速值转换成3 根高中低线的选通以及选通的线上可控硅的导通时间。

图18 电机控制软件流程图

4. 人机接口

本部分功能主要便于用户使用电风扇，使用户只要简单的操作，就能实现需要的全部功能，主要有以下几个方面组成：

键盘操作模块

在电风扇底座部分也有一个3×3 小键盘，按键功能分配如下：

图19 风扇控制面板示意图

可以进行风的强度，类型，定时等系统设置。与之相对应的是键盘扫描处理模块。

基本思想如下：

如果有按键按下，中断处理子程序首先进行扫描按键，得到对应的正确的键盘扫描码，然后根据键盘扫描码得到对应的按键号，置有按键标志，并将按键号保持在全局变量中。系统不停的判断有按键标志，如果没有则跳过，如何有按键按下，则进行相应的按键处理，同时实时的在液晶屏显示，并将最终结果反馈到系统各部分。

对应的键盘处理过程的软件流程图如下：

图20 键盘处理模块软件流程图

5. 红外接收模块

红外接收软件使用输入捕捉中断处理红外遥控信号，根据不同的红外编码，可以完成调节风速，风型，时间，照明等功能。

红外输入捕捉中断模块的流程图如下：

图21 红外中断服务程序流程图

结束语

本设计利用Motorola 的MC33794 电场传感器和MMA1260D 加速度传感器，通过MC68HC908AP64 的控制，对传统电风扇进行了可控成本的功能改进。在电风扇原有功能的基础上，增加了接近检测保护，温度智能控制，机身倾倒保护等功能，使电风扇更具有市场竞争力。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/31/2005)


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