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蓝牙技术

智能温控风扇设计


蓝牙数据传输智能温控风扇系统的设计

本文设计的蓝牙数据传输智能温控风扇系统是由2块STC15F2K60S2单片机分别作为主控制器、从控制器,采用体温传感模块作为温度采集器件,HC-05主从一体蓝牙串口模块发送接收风扇档位信息,通过系统预设温度与系统检测到的体温的比对,完成风扇电机转速的自动调节以及自动启停,并通过三极管控制风扇电机的运转。并将风扇档位、预设的温度、检测到的体温同时显示在LCD1602上。

一、智能温控风扇系统整体设计思路

利用体温传感模块采集人体温度并输出电压数据给主控制器(STC15F2K60S2)进行A/D转化及计算,在LCD1602上显示当前人体温度值、预设温度限值及风扇档位。其中预设温度限值和检测到的当前人体温度都可精确到小数点后两位。通过主角色蓝牙发送档位给从角色蓝牙,直流风扇电机的转速通过控制器(STC15F2K60S2)根据档位采用PWM脉宽调制方式来变动。系统预设温度限值通过三个按键改变,第一个移动改变限值对应的位置,第二个提高预设限值,第三个降低预设限值。系统结构方框如图1所示。

图1 智能温控风扇系统构成方框图

二、蓝牙智能温控风扇系统设计方案

本设计要用蓝牙的无线短距离传输智能的完成风扇电机的温度控制,通过采用温度变化分辨率较高且性能稳定的换挡停机控制部件,实现风扇电机根据人体温度的变化自动改变转速及启停。

(1)温度传感器的选择:温度传感器采用体温传感模块,该模块体积小,与主控制器连接只需一个采集口,加上电源正、负两个脚共三个脚就能工作。人体只要触摸到其探头,该模块就能采集数据,数据经过主控制器A/D转化及计算后能精确到小数点后两位。

(2)控制器的选择:控制器采用两块STC15F2K60S2单片机分别作为主控制器、从控制器,通过软件编程的方法进行体温数据转化、计算和比较,同时通过主角色蓝牙在其串口输出档位信号。STC15F2K60S2单片机内含2048字节的随机数据存储器RAM,性能高,工作电压低,不需外部晶振,单片价格实惠,适用于本文的设计系统。

(3)显示器件的选择:本设计采用LCD1602液晶显示屏显示温度、设置限值、档位。该液晶显示屏能够显示16x02即32个字符,功耗极低,显示的数据明确醒目,显示程序的编写也相对简单,不仅可以显示数字而且还能显示字符甚至图形,同时其显示字符美观。

(4)调速方式的选择:本设计采用单片机软件编程来实现PWM(脉冲宽度调制)的调速方法。最常用的就是矩形波PWM信号,在控制电机的转速时,通过调节PWM波的占空比实现调速,占空比越大,转速就越快。通过采用软件延时方法,实现高、低电平延时时间与I/O口电平循环变动得到PWM信号。

(5)无线传输器件的选择:无线传输器采用两块HC-O5主从一体蓝牙模块作为无线传输的器件。该模块可设置主从模式,进行主、从角色间的连接及发送接收。HC-O5主从一体蓝牙模块操作简单,功耗低,通信距离10米以内,适合本设计。

三、智能温控风扇系统软件设计

程序设计有主控制器、从控制器两部分:

3.1主控制器程序流程图(如图2所示)

图2 智能温控风扇主控制器程序流程图

3.2从控制器程序流程图(如图3所示)

图3 智能温控风扇从控制器程序流程图

四、智能温控风扇系统软件调试

(1)按键显示的调试:根据本设计编写的系统程序:程序的按键接口采用主控制器的P2.5、P2.4、P2.3口,LCD1602显示数据口采用P0口,RS端接P4.5口,RW端接P2.7口,E端接P2.6口,从而完成按键功能及LCD1602的显示。通过编译未出错,进而把接口改为仿真调试的接口,LCD1602能正常显示预设温度上下限值、档位及程序给定的温度。按键功能也实现了,当按下设置键时,光标闪烁,再按下加、减键时也能对光标闪烁中的数进行加一、减一,再按下设置键,光标右移(光标移动的位置有8个),对温度的上下限进行修改。

(2)体温传感模块采集部分的调试:由于体温传感模块的集成化,调式极为简便。其高精度、低功耗、小体积的特性为实现控制电机的高稳定和高精度提供了可能。采用主控制器P1.4口为模拟输入口,由于需要对输入的模拟信号进行AD转化和处理才能显示体温,因此需要增加体温转化程序。通过软件程序设计完成对人体温度的持续检测,LCD1602会显示到温度的百分位部分。将该模块接入电路,LCD1602会显示一温度,但这并不是环境温度,本设计中该模块只能检测人体温度。待人将手指捏住(或人体其他部位接触)该模块的探头后,LCD1602能显示当前检测到的人体温度。

(3)风扇电机调速电路的调试:本设计采用两个三极管驱动风扇直流电机。软件设置了P0.0口输出不同的PWM波形给两个三极管来驱动风扇电机的转动。软件设定根据不同温度输出不同的PWM波得到不同的占空比来控制风扇电机,占空比越大档位越高。程序实现了P0.0口的PWM波形输出,当人体温度低于下限温度时,风扇自动停止转动(0档);当人体温度高于下限并低于中限温度时,风扇低速转动(1档)或是自动开始转动;当人体温度高于中限并低于上限时,风扇中速转动(2档);当人体温度高于上限时,风扇全速转动(3档)。

本设计系统的风扇电机的转速可进行四级调速,根据系统预设的上下温度限值与体温传感模块检测的温度的比较,完成转速变换。在程序中改变从控制器接收的档位信息,风扇电机能实现对应档位的调速。

(4)主、从角色蓝牙电路的调试:主控制器将现得出的档位与上一次比较,若档位发生变化,则通过主角色蓝牙把变化的档位发送给从控制器,从角色蓝牙接收主角色蓝牙发出的档位信息,然后传给从控制器,当有档位给从控制器时,从控制器将输出与档位对应的PWM波。在主控制器侧产生档位(可通过LCD1602的显示得知),然后用串口助手连接从角色蓝牙,可得到一致的档位信息,再将从角色蓝牙接入从控制器电路,风扇电机也可实现对应的转速。

五、智能温控风扇系统硬件调试

5.1按键显示的调试

系统按键部分实现了以下功能:按下设置键即接主控制器P2.5口的按键,进行温度上下限值的设置(进行LCD光标移动并闪烁);按加键即P2.4口的按键,实现了光标闪烁的值加一;按减键即P2.3口的按键实现相应值的减一。若按键时间过长,光标不是移动一位,而是增加二位,主要原因是按键的去抖动延时时间过长,可将对应的按键去抖动延时时间适量增加作为改进方法。

本设计实现了LCD1602可显示温度上下限值、档位及人体温度,温度上下限值能根据不同的需求通过按键进行调整,且LCD1602的显示效果很好,很稳定。

5.2体温传感模块温度采集部分的调试

将体温传感模块的AD口通过方形排母间接接在主控制器的P1.4口。方形排母在主控制器的右侧四口即为体温传感模块的AD、GND、DC、VCC口,可将模块直接插在该排母上。系统调试中为验证模块是否能在主控制器板上工作,将人的手指捏住(或身体其他部位)该模块的探头,即可发现LCD1602显示的数值也随着变化,待稳定后即为检测到的人体体温,由此验证了该模块能在系统板上正常工作。由于该模块只有4个引脚,因此在调试过程中因注意其各个引脚的对应位置,以免将其接反导致模块不能工作甚至烧毁模块。

5.3风扇电机调速电路的调试

由于调速电路的设计中主要在于软件设计,所以外围的驱动电路只是简单的将传输来的PWM信号放大进而驱动风扇电机转动。当人体温度高于系统预设温度下限值时,电机开始转动,由于人体的温度较恒定,不会发生太大的变化,因此风扇电机的档位也不会发生过于频繁的变化。风扇的转速会随着档位的切换而变化。将手指(身体其他部位)离开体温传感模块的探头时,发现检测的温度先增大然后减小直到稳定,原因是该模块本身电路的设计,不过这变化的时间很短,并不影响该系统的性能。

六、智能温控风扇系统功能

(1)系统实现的功能:本设计可实现单片机系统检测人体温度的变化,根据体温变化,通过无线蓝牙传输档位信号来控制风扇直流电机的启停和调速。通过单片机输出不同的占空比,从而产生不同的转速;还可通过按键预设不同的温度上下限值,再根据设置的温度限值与检测到的人体温度的比较调节档位来控制电机转速。当体温低于预设温度下限时,电机停止转动;当体温高于预设温度下限时,单片机P0.0口输出不同占空比的PWM信号,从而调控风扇的转速。系统还能动态的显示当前人体温度、设置温度限值及档位。

(2)系统功能分析:系统总体上由主控制器侧、从控制器侧两大部分组成。主控制器侧由五部分组成,既主控制器(单片机)、LCD1602显示电路、体温检测模块体温采集电路、独立按键电路、主角色蓝牙连接电路;从控制器侧由三部分组成,即从角色蓝牙连接电路、从控制器(单片机)、风扇电机调速电路。人体温度检测模块中的体温采集电路是整个设计系统的首要部分。首先要检测到体温,才能用主控制器与温度限值比较得出档位,从控制器通过档位信号来控制直流风扇电机的转速;接着是主、从角色蓝牙连接电路,该部分使用主从角色蓝牙间的通信。主控制器的档位信号通过主角色蓝牙发送给从角色蓝牙,进而传给从控制器;再次是风扇电机驱动电路,这部分通过外围电路将从控制器输出的PWM波放大输出,不同的PWM波得到不同的电机转速。电路设计采用两个三极管完成较好的控制效果;最后LCD1602的动态显示电路实现了设置温度限值、人体温度及风扇电机档位的显示,还有独立按键可根据不同的需求实现温度限值的调整。

总结

设计的本系统以单片机为控制元件,根据体温传感模块检测到的人体温度与设置温度限值的比较得出档位,通过蓝牙间的无线传输来传输档位,在一定距离内实现了风扇转速的调节。本系统的设计可推广到家庭的风扇电机控制系统中,实现风扇转速的的智能控制调节,亦可实现人体温度的监测(特别是小孩及老人群体)。

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