基于CPLD的微型风扇智能控制系统设计

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摘要：随着社会的进步、人民生活水平的提高，人们对微型风扇的自动化、智能化和人性化控制系统的需求日益增加。本文基于cpld开发平台，利用温度、湿度和光强传感器，采用自动和手工调节两种工作模式，设计并实现了一套微型风扇智能控制系统，可实现加湿喷气（强加湿、中加湿、弱加湿、不加湿）、风速（高、中、低）和风种（微风、自然风、睡眠风）的自动调节和手工选择。

Abstract： With the progress of society and the improvement of people's living standards， people’s need for the micro fan's control system with automation， intelligence and humanization is increasing. In this paper， based on CPLD development platform， and by using temperature， humidity and light intensity sensor， as well as two kinds of automatic and manual adjustment modes， design and implement a set of micro fan intelligent control system， which can realize the automatic adjustment and manual selection of humidifying jet （strong humidification， medium humidification， weak humidification， non-humidification）， wind speed （high， medium， low） and wind type（a breeze， natural wind， sleep wind） automatic adjustment and manual selection.

关键词：微型风扇；智能控制；复杂可编程逻辑器件；传感器；矩阵键盘

Key words： micro fan；intelligent control；complex programmable logic device；sensor；matrix keyboard

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）34-0110-03

0 引言

随着社会的进步，科技的发展，人们的生活水平和对生活品质的要求也得到了很大提高。为达到人们的要求，家用电器产品也在不断的改革创新，逐渐趋向于自动化、智能化、环保化和人性化，由此微型风扇智能控制系统应运而生[1]。

我国人口众多，电风扇在我国具有巨大市场，因此对电风扇性能方面的优化与改善以及智能风扇的研发具有很好的应用前景[2]。如今，智能电风扇早已进入商品市场，而且设计智能风扇的技术也已日趋成熟，设计出的智能风扇功能也越来越全面。如基于MCS51单片机研发的智能风扇[3]，又如美的等家电企业推出的学生微型扇等[4]，这些就是针对不同人群专门研制的，具有智能化控制系统的电风扇。但是我们研究发现电风扇在智能化、微型化、人性化方面有更加宽广的拓展空间，如：温度智控功能、多种安全保护功能、智能照明功能、多级调速功能、红外遥控功能等[5]。本文基于CPLD开发平台[6-9]，利用温度、湿度和光强传感器，采用自动和手工调节两种工作模式，设计并实现了一套微型风扇智能控制系统。在自动工作模式时，系统根据温度、湿度、光强传感器的测量值，实时进行加湿喷气（强加湿、中加湿、弱加湿、不加湿）、风速（高、中、低）和风种（微风、自然风、睡眠风）的自动调节；在手动工作模式时，利用矩阵键盘和LCM进行人机交互，可实现微型风扇的手工调节。

1 系统设计

本文设计的微型风扇智能控制系统具有自动和手动两种工作模式：当系统工作于自动模式时，通过温度、湿度、光强传感器采集并监测外界环境参数，再将数据传送给CPLD开发平台，经CPLD数据处理后，将相关测量数据显示在LCM上，同时控制外部电机驱动电路工作，实现微型风扇的自动调节；当系统工作于手动模式时，用户通过矩阵键盘选择相应的风速、风种、加湿喷汽级别，CPLD处理后控制外部电机电路的工作，系统功能模块如图1所示。

本文采用模块化的设计思想将微型风扇智能控制系统分为7大模块，该智能风扇具有自动和手动两种工作模式，通过某个输入信号（如矩阵键盘的某按键）来区别，其中温度监测、湿度监测和光强监测模块属于自动模式的数据采集部分，而矩阵键盘则实现手动模式的数据采集。

1.1 温度监测模块设计

在自动工作模式时，系统根据温度传感器的测量值，会实时进行风速的调节。在温度监测模块设计中，采用DS18B20温度传感器进行温度采集，将数据传输至CPLD开发平台（硬件电路如图2a所示），再通过软件进行处理（封装模块如图2b所示），最后输出十进制的温度测量数据。

其中clk为时钟输入信号（50MHz），wireout为温度传感器DS18B20的数据输入（输出）端，temp_a[3..0]、temp_b[3..0]、temp_c[3..0]和temp_d[3..0]分别二进制表示百位、十位、个位和小数点后的温度值。

1.2 湿度监测模块设计

在自动工作模式时，系统根据湿度传感器的测量值，会实时进行加湿喷气。在湿度监测模块设计中，采用HTF3223湿度传感器进行湿度采集，将数据传输至CPLD开发平台（硬件电路如图3a所示），再进行软件处理（封装模块如图3b所示），最后输出十进制的湿度测量数据。

其中clk为时钟输入信号（50MHz），fsin1为湿度传感器HTF3223的数据输入端，根据频率与湿度的相互关系，得到测量湿度值，其十位和个位分别二进制表示为humidity_10[3..0]和humidity_1[3..0]。

1.3 光强监测模块设计

在自动工作模式时，系统根据光强传感器的测量值，会实时进行风种的调节。在光强监测模块设计中，采用MG45_14型光敏电阻进行光强采集，将数据传输至CPLD开发平台（硬件电路如图4a所示），再通过程序进行处理（封装模块如图4b所示），最后输出十进制的光强测量数据。

其中clk为时钟输入信号（50MHz），ina[7..0]为光强传感器经模数转换后的输入数据，EOC、ALE、Start、ck、OE都是连接并供给ADC0809芯片的信号，out_a[3..0]和out_b[3..0]分别为光强测量值的十位和个位。

1.4 矩阵键盘采集模块设计

通过矩阵键盘可实现对风扇的手动控制：矩阵键盘的“1”、“2”、“3”按键分别表示风速的“高速”、“中速”和“低速”（优先级依次递减）；矩阵键盘的“4”、“5”、“6”按键分别表示风种的“自然”、“微风”和“睡眠风”（优先级依次递减）；矩阵键盘的“7”、“8”、“9”、“0”按键分别表示加湿喷汽的“弱”、“中”、“强”和“不加湿”4个等级（优先级依次递减）。矩阵键盘的10种按键可以用4位BCD码表示。

1.5 数据处理与控制模块设计

该模块设置有一个模式控制符rst，当rst为1时，系统进入手动工作模式――通过矩阵键盘的按键来调节风速、风种以及加湿喷汽等级；当rst为0时，系统进入自动模式――通过温度、温度和光强监测模块的测量值以自动调节风速、风种以及加湿喷汽等级，同时测量结果在LCD液晶屏上显示。

该模块封装后如图5所示，其中输入temp_b_in、temp_c_in，outa、outb和show_10、show_1分别连接温度、温度和光强监测模块的对应输出；输入key_code连接矩阵键盘采集模块的4位BCD码输出；输出temp_b_out、temp_c_out，out_a、out_b和show_11、show_12分别连接到LCM显示模块，进行相关显示；输出di、gao和zhong分别连接到外部电机驱动电路模块实现风速、风种的选择；输出jsk通过脉宽调节方式，实现四种等级的加湿喷汽。

对于温度测量，当25℃≤温度测量值

LCM显示模块和外部电机驱动电路模块的设计，此处省略。

2 系统测试

当系统处于手动工作模式时，通过矩阵键盘可实现对风扇的手动控制；当系统处于自动工作模式时，传感器自动监测环境参数（温度、湿度、光强），实时控制风扇电机以及加湿喷汽端的工作。如图6所示，LCM显示温度为31℃，湿度为69%rh，光强为35cd，此时微型风扇的电机处于“微风、中速”工作状态、加湿喷汽不工作。

3 小结

近年来，随着社会的进步、人民生活水平的提高，人微型风扇的自动化、智能化和人性化控制系统的研究得到了蓬勃发展。本文基于CPLD开发平台，利用温度、湿度和光强传感器，采用自动和手工调节两种工作模式，设计并实现了一套微型风扇智能控制系统。后期我们准备将多种安全保护功能、智能照明功能和红外遥控功能融入该系统，使其具有更好的实际应用价值。

参考文献：

[1]谭煜民.电风扇的现代设计方法及发展现状[J].沿海企业与科技，2009，2（5）：42-44.

[2]李玉华，史国平.试论电风扇技术发展动向[J].家电科技，2009，5（3）：15-17.

[3]丁建军.基于AT89C51的智能电风扇控制系统[J].湖北工学院学报，2003，18（2）：60-61.

[4]刘进山.基于MCS-51电风扇智能调速器的设计[J].电子质量，2005，11（10）：71-72.

[5]杨全会，杨志欢.智能风扇控制器[J].电子制作，2013，11（12）：57-63.

[6]吴新华.基于CPLD的机房环境监控系统设计[J].信息技术，2012，2（11）：34-37.

[7]陈姚节，黄小童，张玉浩.基于CPLD的交通信号灯设计[J].教育教学论坛，2011，2（23）：62-63.

[8]Z，Zheng-wei， Z. Chen-yang. Gas Concentration Detection System of High Precision Based on CPLD[J]. Future Computer， Communication， Control and Automation， 2012：539-544.

[9]D， Han， G，Sun， D. Zhao. Design of the Driving Circuit Based on CPLD in Transmitter of Transient Electromagnetic Instrument[J]. Advances in Future Computer and Control Systems， 2012：443-449.