電風扇科技論文
隨著科技的日新月異，智慧家居逐漸走入普通家庭，風扇作為基本的家用電器也將成為智慧家居的一部分。這是小編為大家整理的，僅供參考!
篇一
基於STM32的智慧電風扇設計
摘 要： 隨著科技的日新月異，智慧家居逐漸走入普通家庭，風扇作為基本的家用電器也將成為智慧家居的一部分。這裡介紹的是以STM32微控制器為控制單元並結合嵌入式技術設計的一款具有溫控調速、自動追蹤人體位置、智慧啟停、液晶顯示時間、溫度等資訊的智慧電風扇。經過前期設計、製作和最終的測試得出，該風扇電源穩定性好，操作方便，執行可靠，功能強大，價格低廉，節約能耗，能夠滿足使用者多元化的需求。該風扇具有的人性化設計和低廉的價格很適合普通使用者家庭使用。
關鍵詞： STM32微控制器; 電風扇; 智慧控制; 人性化設計
中圖分類號： TN830.1?34; TP23 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X***2014***21?0108?03
Design of intelligent electric fan based on STM32 MCU
LIU Hui?yong， YANG Hong
***Faculty of Science， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101， China***
Abstract：The intelligent home goes into ordinary family gradually with the rapid change of science and technology. The fan as the basic household appliance will also become a part of the intelligent home. The intelligent fan taking STM32 MCU as a control chip and combining the embedded technology is introduced， which has functions of speed regulation with temperature， automatic tracking of human body position， smart start?stop， liquid crystal display of time， temperature and other information. The final test results show that the fan has a stable power， convenient operation， reliable operation， strong function， low price and energy cost. It can meet the needs of users. The fan with humanized design and low price is very suitable for ordinary family.
Keywords： STM32 MCU; electric fan; intelligent control; humanization design
0 引 言
傳統電風扇多采用機械控制，功能單一，噪聲大，定時時間短，搖頭模式固定，變檔風速變化較大。針對這些缺點，本文采用了一款價效比高、功耗低的基於ARM Cortex?M3核心的STM32微控制器[1]作為控制單元製作了一臺智慧電風扇，該風扇巧妙地運用人體紅外感應技術、微機控制技術、無級調速技術[2]、溫度感測技術、液晶顯示技術。把智慧控制技術應用到家用電器的控制中，可以根據感應人體紅外實現風扇的搖頭或定位，可以根據環境溫度的取樣實現風速的自動調整，可以根據不同人群的使用要求自行設定風扇的間歇工作時間;能夠顯示時間、環境以及工作狀態的資訊，具有友好互動介面;採用的晶片功能強大，方便進行功能擴充套件。
1 總體設計
該風扇採用模組化設計[3]，通過各個功能模組的呼叫來實現風扇的功能，對於控制調整功能尤其如此。系統呼叫程式以基於ARM Cortex?M3核心的控制器STM32為核心，系統總的框圖如圖1所示。
圖1 控制系統總體框圖
2 硬體設計
該智慧電風扇是由STM32微控制器作為中央處理單元，由直流電機與步進電機驅動風扇工作，能夠通過溫度感測器和紅外感測器等感測單元感知環境資訊，通過功能按鍵和TFT液晶顯示屏，能夠很好地實現人機互動。
2.1 控制晶片
控制系統的核心是STM32晶片，該晶片具有低功耗、低成本、高效能、整合度高、體積小、可靠性強的優點，有很高的價效比。STM32採用了新型的單線除錯***Single Wire***技術，節約了大筆的除錯工具費用;同時，STM32中還集成了大部分儲存器控制器，可以直接在MCU外連線Flash，降低了設計難度和應用障礙。
2.2 電機控制電路
電機調速是整個控制系統中的一個重要的方面，是電風扇的重要功能組成，主要包括直流電機和步進電機[4]兩部分。直流電機的控制是通過脈寬調製的方式實現的，通過讀取溫度感測器或者按鍵的值調整脈寬的佔空比來實現直流電機的轉速改變;步進電機是將電脈衝訊號轉變為角位移或者線位移的開環控制元件[5]，通過紅外感應模組感知人體的方位來確定步進電機的轉動方向及轉動步數，實現風扇的定位或者搖頭。
2.3 溫度控制電路
溫度感測器採用數字式整合溫度感測器[6]DS18B20，電路如圖2所示。它在使用中不需要任何外圍元件。其高度整合化大大降低了外接放大轉換等電路的誤差因素，且溫度誤差小，分辨力高;測量到的溫度值可以在器件內部轉換成數字量直接輸出，簡化了系統程式設計;同時採用先進的單匯流排技術，具有較強的抗干擾能力。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。DS18B20在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、解析度等方面均可滿足電風扇溫度檢測的要求。
圖2 DS18b20溫度測量電路
2.4 紅外感應電路
紅外線感應模組採用了熱釋電人體紅外線感測元件整合模組 HC?SR501。熱釋電效應同壓電效應類似，是指由於溫度的變化而引起晶體表面荷電的現象。該模組可以有效地探測電風扇影響範圍內人體的活動，監控範圍大，隱蔽性好，能可靠地將運動的人和飄落的物體進行區別，抗干擾能力強，誤報率低;模組內部還集成了光敏電阻，夜晚也能可靠工作[7]。通過設定，若有人在其電風扇有效範圍內活動，模組輸出高電平，可做到人來電風扇開啟，直到人離開後才延時將高電平變為低電平，即人離開監控範圍電風扇延時關停;延時時間可調。
2.5 液晶顯示電路
液晶顯示模組採用帶有R61505U控制晶片的3.2寸TFT液晶顯示屏，320×240的液晶可以很好地顯示風扇的各個功能狀態[8]：工作狀態***Manu、Auto、Sleep***，睡眠模式下的定時時間***Work、Sleep***，手動模式下風扇的檔位***Speed***，同時還顯示年、月、日、星期、時間、溫度等資訊。
3 軟體設計
控制系統軟體使用C語言程式設計。模組化設計，除主程式外，還有各功能子程式，分別執行按鍵處理、直流電機驅動調速及步進電機的定位、溫度、時間、功能等資訊顯示、睡眠模式設定等相應功能。系統軟體主程式流程如圖3所示，按鍵中斷程式如圖4所示。
圖3 系統軟體主程式流程圖
按鍵中斷模式有自動模式、手動模式、睡眠模式。
自動模式下把風扇正面180°空間分為三個紅外感應區，當人進入任意一個紅外感應區時，風扇開始工作。如果三個紅外感應區只有一個區域檢測到有人，風扇會判斷現在處於單人模式，該模式下風扇會始終轉到檢測到人的區域，以實現實時追蹤的目的。如果檢測到不止一個紅外感應區域有人時，風扇會判斷現在處於多人模式。如果檢測到兩個區域有人，風扇就在兩個區域間擺頭，如果是相鄰區域，則就在小角度擺頭;如果是在不相鄰的區域檢測到有人，則在大角度擺頭;當三個區域都感應到有人時同樣會大角度擺頭。風扇的智慧啟停、小角度擺頭、單區域追蹤都使得風扇既人性化又能夠避免能源浪費。
手動模式下風扇實現的是手動調節風扇的轉速，有增速和減速兩個按鍵，可以實現風扇七個檔級的調速。
睡眠模式下根據不同使用者的需求如老年人、兒童身體較弱，不能長時間吹風，可以設定風扇工作時間短一些，休眠時間長一些，風扇會在設定好的時間內間歇性工作，避免了長時間吹風帶來的不適。所以使用者可以根據自己的需求自行設定風扇工作時間和睡眠時間，以達到最佳舒適度。
4 實物除錯
以STM32為核心設計電路[9]並印製電路板，加工製作出電風扇[10]，如圖5所示。採用C語言模組化編寫的程式下載到晶片中，接好電風扇後進行測試。測試如下：開啟電風扇，當有人靠近電風扇時，風扇開始工作;當人遠離電風扇時，風扇就停止工作。將電烙鐵或冰塊放在溫度感測器DS18B20附近，電風扇能根據溫度變化調整風扇轉速。按下手動模式按鍵，選擇手動模式下的調速按鍵，可以調整風扇轉速。按下自動模式按鍵，風扇能夠根據人的位置來實現風扇的追蹤或者搖頭。按下睡眠模式按鍵，設定風扇的工作和休眠時間，可以看到風扇以設定的工作和休眠時間為週期，迴圈工作。
圖5 實物展示
通過測試表明，該電風扇能夠智慧啟停，按照設定的各個模式正常工作，正常顯示溫度時間等資訊且反應靈敏，簡單實用，達到了預期的設計目的。
5 結 論
本專案採用STM32微控制器，結合溫度感測器、紅外感測器等，通過對傳統電風扇原有功能的改進，設計了此智慧電風扇。
該智慧電風扇有如下幾個突出的特點：
***1*** 價效比高。控制系統的核心是STM32晶片，該晶片具有低功耗、低成本、高效能、整合度高、體積小、可靠性強的優點，有很高的價效比。
***2*** 智慧。該風扇能夠通過紅外感應智慧啟停，避免了忘記關風扇而造成的能源浪費;並且可以根據人員的位置實時跟蹤或者搖頭，以最大程度滿足使用者的要求，可以讓使用者實時感受到吹風的感覺。
***3*** 特有的睡眠模式。該風扇設計的睡眠模式大大改進了傳統風扇定時的缺點。為了滿足不同人群的需求，該風扇可以自行設定風扇的工作時間和休眠時間，使風扇在設定好的時間內迴圈工作，不用再擔心因長時間吹風帶來的不適問題。
參考文獻
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篇二
無葉片電風扇的創新設計
摘 要：無葉片電風扇沒有傳統電風扇的葉片，氣流柔和，無衝擊感覺，使用安全可靠，拆卸清洗方便。本設計針對目前市場上的立式無葉片電風扇的缺點進行了創新改造，將立式改成臥式結構，可以放置在軟基面上，不容易被碰倒;採用相切進風方式，減少了空氣及自身的反向阻力，提高了工作效率，節約能源。
關鍵詞：無葉片電風扇 臥式 創新設計
中圖分類號：O657.31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X***2012***12***b***-00-02
Innovative Design Of The No Blade Fanner
Duan Shao-li
Mechanical and Electronic Engineering Department of Wuhan Technical College of Communications wuhan 430065
Abstract：The no blade fanner has the blades as the traditional fanner. The airflow is soft， no shock feeling， using safely and reliable， convenient to dismounting and cleaning. Aiming to the shortcoming of the vertical no blade fanner in the current market， the design has some innovation as following： ***1*** translating the vertical blade fanner into a horizontal structure， which can be placed on a soft surface， not easy to be knocked down; ***2*** using air inlet mode tangentally， which reduces the air and its reverse resistance， improving the work efficiency and saving energy.
Keywords：no blade fanner horizontal innovative design
怎樣既能清爽度過炎熱的夏天，又易於清洗、環保節能、安全可靠，是目前大家共同關注的問題。目前市面上的無葉片電風扇多采用立式結構，主體的圓筒直徑要遠小於風扇頭的直徑，這樣風扇只能放在桌子上等硬基面上，稍微不小心的觸碰就容易傾倒;且電機帶動的風是以垂直的方式吹入出風環的進風口，很大一部分風碰到出風環的內壁後又反向，增加了空氣流動的阻力，從而使風速大大降低，只有開大檔位才能獲得更大的風速，這樣就需要更多的電能。
本次設計的無葉片電風扇***臥式***可放置在床上等軟基面上，且採用相切方式進風，減少了反向風的阻力，從而更加節能環保。臥式無葉片電風扇適用於家庭、學校等場合，既安全可靠、又環保節能。
1 研究思路和設計方案
無葉片電風扇多采用空氣增壓機的原理，使風力加大，從而擁有更好的風力效果。但是在市面上的無葉片電風扇中還是存在有一些缺陷，例如風扇底座的接觸面積較小造成其底座不是十分穩定易造成倒地的危險;加上在電風扇的高度造成的重心偏高，使電機轉動時震動過大更加不穩定。針對市面上的無葉片電風扇的缺點，專案組進行了改造。
***1***經過與傳統風扇的比較，專案組決定採用臥式箱體底座取代原來的立式底座，這樣就改變了原來頭與座的比例，且增大接觸面積，使其放在桌面上更平穩，甚至在床鋪等軟基面上也可以平穩放置，不容易倒翻。
***2***對於電動機在工作時的震動引起噪音問題，我們則用鉤套使電動機固定，鉤套採用軟橡膠材料更有利於吸震，減小了噪音。
***3***由於採用臥式的底座，電機放置在底座中，這樣從電機吸進來的空氣與進風環***圓環***進風口之間成90°的夾角關係，由於內環的阻擋，不利於進風，對此我們聯想到鼓風機的結構原理，使空氣以相切的方式進入進風環，這樣既減少了風力損失，又增大了進風量。且將風扇的雙向進風口改為單口增壓進風。
***4***電機安裝空間的佈置。內部安裝時，儘量利用空間使其結構更加緊湊，以便於最大化利用空間，有利於風扇向小型化合的方向發展。
***5***外形設計。在設計外形時，本著美觀實用，儘量減少體積的原則，主體採用箱體結構，連線處採用弧面連線，適用於家庭用。
2 結構設計
無葉片電風扇***如圖1所示***由底座***進風口***、支座、電機、百葉扇、導風管、出風環***出風口***、轉頭立柱、控制板、遙控器等組成，具有風速調節、轉頭、定時等功能，也可通過遙控器進行遙控。
底座8採用臥式結構，改變了原來無葉片電風扇頭大座細，容易傾翻的缺點。另外，在底座的側面開有進風孔7，當電機旋轉時，空氣便從進風孔被吸入。電機4用支座11和鉤套5固定，並以30°的傾斜角度安放在底座8裡，外界空氣通過電機4帶動從進風孔7被吸入，通過百葉扇3沿著弧狀導風管2相切進入出風環1，出風環的邊緣上有1毫米寬的細縫，進入出風環的空氣在壓力的作用下就從該細縫中高速吹出，並帶動周圍的空氣一起流動，從而使吹出的實際風量增倍。
為了保證電機成30°的傾斜角度安放在底座中，從而使從電機出來的空氣成一定角度沿著導風管以相切的方式進入出風環的進風口，設計瞭如圖1所示的支座11和導風管2。兩個支座的下表面都設計成30°斜面，支座1的中間銑有一個半圓和卡槽，用來安放電機下端;兩端銑有兩個鉤套，利用鉤套將電機固定。支座中間銑有一個半圓，用來安放電機的上端。這樣通過兩個支座以及膠皮圈就可將電機固定。導風管大頭連線電機出風口，小端連接出風環的進風口，起導向風的作用。
3 創新點
臥式無葉片電風扇具有如下創新點：
***1***將原來的立式改為臥式，改良了之前頭大身小的缺點，這樣即使放置在床上等軟基面上也不容易傾翻，更穩固;
***2***設計30°支座來支撐並固定電機，使電機傾斜30°放置在底座中;
***3***如圖2所示，採用弧狀導風管，進入出風環中的風與出風環相切，使進入出風環中的風速基本無減速，從而保證出風環中壓力能迅速增加，增加了風速，與立式無葉片電風扇相比，消耗同樣的電能吹出的風大，可節能能源。
4 結語
本產品具有立式無葉片電風扇的特點，且在它的基礎上進行了改良，採用相切進風方式，減少了風損失，提高了電風扇的工作效率，降低了能耗;同時本產品改善了原有產品的頭大座細易碰倒的缺點，採用臥式底座，改變了原有的頭與座的比例，可以放置在床鋪等軟基面上，即使放在桌面上不小心的觸碰也不容易傾翻。因此，本產品具有清潔方便、使用安全可靠，風力更大、節能環保等優點，適用場合更廣泛，更實用。
參考文獻
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