#第一届立创大赛#家用风扇温控/手动同步调速插座(完稿)

选题唠叨思路：
1.家里孩子抵抗力低，开空调(科龙老式空调，噪音大，控温不准)容易感冒，还是风扇实在；
2.风扇统一3个档位：大中小。一档风力感觉足够了，但是半夜气温凉下来后就感到风力稍大了，因此需要进行风扇风速二次调节；
3.晚上睡觉，气温降下来时候，希望风扇风速也能够自动降下来，甚至不转，这样既能省电，又可以安稳睡觉，因此需加入温度检测；
4.不想破坏风扇内部元件，做成控制器方式又得开模，干脆做成插座形式，方便！
5.总得有旋钮手动调节风速，这样就变成2个旋钮了：一个调速，一个调温；
6.电源得琢磨怎么简化，又得安全；
7.自家用，管他是否被落选，实用就好，同时也与大家分享软硬件设计过程；
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方案选定：
1.插座外壳选定，要求留有足够空间放置3段LED数码管，旋钮，且价格便宜，先确认这家吧（https://item.taobao.com/item.htm?spm=a230r.1.14.28.VmtQkI&id=42284174107&ns=1&abbucket=19#detail），￥6.78元，格子大，后续还可以扩展到红外：

2.MCU需要3.3V供电，因此需要220 AC 转 5.0Vdc电源，电流设计200mA足够了！RC阻容降压便宜，但是不隔离且家用，不考虑。还是用LNK304PN吧，到时候自己绕变压器就行（随便去拆个充电器就有高频变压器磁芯，呵呵，简单），查了下商城里面也才****￥3.49，可以；
3.MCU选自己熟悉的，用LPC812M101JDH20（￥5.02 ，20个脚，小型封装），商城也有卖，后期再换为STM8系列，先图个快捷；
4.风扇调速得用双向可控硅，因为必须可控，因此选用TLP525G（￥3.41）+ BT136S（****￥1.00 ，600V耐压 6A ，够了）；
5.可控硅导通的控制信号需要进行市电同步锁相导通，而且必须隔离，选用EL817光耦（￥0.30），也便宜；
6.2个旋钮？感觉多了，想了想，用单个旋钮起始也可以解决问题。到时候拆一个市面上的风扇调速旋钮就可以，先不考虑；
7.数码显示用3段式LED数码管，这样可以显示1~99℃，足够了。查到FJ3361BH（****￥2.18 ，3位0.36英寸），暂定了；
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确认MCU引脚是否足够：
数码显示用了11个IO + 可控硅1个IO+采样3个IO+同步1个IO = 16个IO；

满足要求！！！
下一步设计原理图！！
//===============================================================================2016年9月30日 13:46:05=====================================================================
感谢 （1）独钓千古愁 提示用MOC3021替代****TLP525G！
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2016年10月4日，更新如下：
1.选用LPC822M101JDH20单片机；
2.芯片电源选用LNK623DG-TL;
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//=============================原理图关键部分详细说明==============================================
1.可控硅驱动设计原理图：

设计说明：
1）这里采用MOC3021光耦触发，资料见英文部分：
2)  为了能够做到任意相位点触发可控硅，触发信号trac必须是短时脉冲，且触发时间不能超过下一周期；

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2.按键+旋钮设置原理图
设计说明：
1）除了具备无极调节风扇功能外，我们还需要对温度进行配置，或者其他高级功能配置，因此需要这么硬件具备这么几个功能：设置、浏览、调整；
2) 所选单片机硬件吃紧，因此这里采用单引脚实现上述功能：T2外接10KΩ电位器，按S1键时，adj_ADC剧增；按S2时，adj_ADC剧减；单片机检测跳跃值进行功能切换判断；

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3.电源+过零检测电路：
设计说明：
1）电源芯片采用LNK623PG，采用ER108+P6KE200A进行钳位；
2）过零检测使用EL817进行同步检测，这里拟采用PID算法进行锁频锁相，实时跟踪市电相位，然后相应触发可控硅；

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4.数码显示+MCU芯片电路：
设计说明：
1）数码显示是为了更好实现人机互动效果；

//==================================================================变压器设计：
纯粹玩数字电路没意思，这里跟大家分享下变压器(反激式)的设计过程：
1.输入参数(详见LNK623手册)：
输入低压：Umin = 100Vdc
输入高压：Umax = 400Vdc
最大占空比：Dmax = 50%
开关频率：f = 50kHz
最小转换效率：η = 80%
输出绕组1：5.0Vdc/500mA
输出绕组2：8.0Vdc/100mA
2.计算变压器输出功率：
Pout = 5*0.5+8*0.1=3.3W
3.计算最小工作比：
输入电压变化系数Kv = Umax/Umin =400/100 = 4;
计算最小工作比：Dmin = Dmax/((1-Dmax)Kv + Dmax) = 0.2
4.计算初级电感量：
Lpri = (Umin*Dmax)^2*η/(2*Pout*f)
       = (100*0.5)^2*0.8/(2*3.3*50000)
       = 6.1mH
5.计算初级峰值电流：
Ipk = Umin*Dmax/(Lpri*f)
     = 100*0.5/(6.1*10^(-3)*50000)
    = 0.1639A
6.选取磁感应强度：
  选取PC40磁芯，饱和磁感应强度为390mT，剩磁为60mT(100℃下)。设计选择磁感应强度系数为B = KB*Bm = 0.57*390mT = 222mT。
7.计算磁芯Ap值，选取磁芯骨架：
  
Ap = 1.1*3.3*0.5*10^3/(0.8*0.5*0.6*0.4*3*0.22*50) = 572.9167mm^4 = 0.05cm^4
查询高频变压器磁芯参数：

显然EE13磁芯满足要求。选之！！
8.计算磁芯气隙： 
  Lgap = 0.4*3.14*Lpri*Ipk^2/(Ae*ΔB^2)
          = 0.4*3.14*6.1*10^(-3)*0.1639^2/((17.10/100)*0.22^2)
          = 0.0249 cm
9.计算初级绕组匝数：
  Np = Lpri*Ipk/( Ae*ΔB) 
       = 6.1*10^(-3)*0.1639*10^4/((17.10/100)*0.22)
       = 265.7602 匝
10.计算次级绕组匝数：
  Ns = Np*(Us/Umin)*((1-Dmax)/(Dmax)) 
      = 266*(5.7/100)*((1-0.5)/0.5)
      = 15.1620匝
11.选取电流密度为J=5A/mm^2（计算过程略）
12.初级绕组线径：
   初级绕组有效电流：I1=Ipk*sqrt(Dmax/3) = 0.1639*sqrt(0.5/3) = 0.0669A;
_   d1 = 1.13sqrt(I1/j)
       = 1.13_sqrt(0.0669/5)
       = 0.1307mm
 13.计算次级绕组线径：
_   d2= 1.13_sqrt(0.5/5)
       = 0.3573mm
14.计算导线电流穿透深度：
   d = 66.1/sqrt(f)
       = 66.1/sqrt(50000)
       = 0.2956mm
 15.选取导线规格：
    根据导线直径需小于两倍的电流趋肤深度，因此无需采用多股漆包线；
    选择初级线径为0.12mm，选择次级线径为0.35mm

16.制作变压器（自己绕制）
17.完成！！



更新原理图如下：

PCB如下：

背板：

元件下单：

PCB订单：

等着回来了



1.电源调试：
高频变压器是直接拆卸手机充电器上的变压器，焊接完板子后，上电测试，发现没有波形，用LCR电桥测试变压器同名端，发现原理图的变压器与所用变压器同名端不一致，因此只能割线，新改的原理图电源部分如下：

所拆卸的变压器如下：

实际测试C9电解电容器有6.4Vdc电压，纹波有点大，但是经过LDO 3.3V线性稳压管后，电压波形还是非常漂亮的：

备注：蓝色探头为3.3V电压波形，黄色探头为光耦电压过零波形。
2.检验可控硅是否可以控制：
将40W灯泡接入Load端，接着将R9电阻从LPC822引脚跳开，测试灯泡应该不亮：

测试结果正确！！
接着将R9使用跳线接到3.3V直接驱动可控硅，灯泡应该亮：

漂亮的测试结果！！
整个焊接板子算完成了！！板子焊接成形如下：
正面：

背面：

突然想起原理图有个缺陷，PIO0_10脚与PIO0_11脚默认使用做I2C功能，因此它没有内部上拉电阻，而且我原理图忘记画了，这里还需要手工补焊接。



2.市电同步锁相锁频：
想希望可控硅按照我们预期的导通角进行导通，就需要对市电采样波形进行同步，同步方式有很多种，早期UPS里面常常采用VCO的方法，现代数字技术的发展已经很少采用这种方法了，取而代之的是直接采样过零点脉冲，然后使用定时器做同步，学过自动控制原理的应该知道，这个过程其实就是设计一个随动系统。
1）首先，你得有基本电压过零脉冲波形：
2）接着你的MCU必须有1路定时器，如果有2路定时器，那么同步效果就更好；
参考点均是电压波形的过零点，实时同步的结果是定时器虚拟的中断应该与参考点波形一致，达到稳态结果。但问题是这么多脉冲波形，直接取电压过零点作为参考点？答案是否定的！！我们只以单个周波进行比较匹配，但是记住比较误差值不是定时器虚拟波形的上升沿-参考波形的上升沿 或者这两者的下降沿，这样计算得到的误差值也是可以用，但是MCU的定时器计数值都是无符号整型的，这么相减就有可能得到负数值，对处理结果只会加大难度！！
正确的做法是使两者波形误差达到180°，例如：取定时器虚拟波形上升沿 - 参考波形的下降沿 = 半波周期值
这样你也可以随意设定所需要的相位误差值（该值即为自动控制原理的基准值），然后经过PID控制定时器周期进行同步参考波形了。
测试实际同步波形如下：

设定参考相位点为45°后：

3.可控硅调试结果：
独钓千古愁 提示用MOC3021替代TLP525G！这个结果是错误的，调试半天还是不出波形，采用反并联可控硅也还是不行，折腾了一天，更换光耦驱动为MOC3023完美输出斩波波形：
(注：为了配合按键高度，把LED数码管使用废旧PCB抬高！)
手动模式下，显示屏显示手动调节角度，可调角度为0~180度，实测结果如下：

可控硅测试续集：
接入55W落地扇，调试风扇到1档，接着调节相位角0150任意调节，风扇风速明显可以改变！！愉快的一天！！
等装到外壳里面后，估计就漂亮了！！



￥14买了一个定时器控制器插座，把里面的垃圾器件去掉，只要外壳，然后把我的板子整进去：


大功告成！！



功能介绍：
该产品结合赵工的意见以及实际应用情况，设置为3种模式：
1.手动调速模式：
   该模式直接手动控制可控硅导通角，从0°150°全可控触发，触发脉冲时长为100uS，触发完成后立即关闭触发信号，正负半波分别触发，如此得到半周期10ms全可控斩波，风扇速度也就全控了。
  说明：由于触发时间为100us，从150度后会影响正负半波交叉点，因此这里只做到0~150度触发，实际测试结果150度已经接近关闭，满足要求！！
2.温度恒速模式：
该模式分为3个控制区间：
    温度低于TL时，关闭风扇；
    温度高于TH时，全速运行风扇；
    温度∈[TH ,TL]时，计算公式： (TH - TL)/100 = (t - TL)/Radio ，解出Radio即可得到控制风扇速度！！
3.模拟自然风模式：
规律性的风速我归结为正弦波算法，所不同的是周期不一致。上面所绘制的控制算法正半波与负半波时间是可以随便设定的，单位为秒。算法如下：
1）温度低于TL时，停止风扇；
2) 温度高于TH时，风速峰值 = 100%；
3）温度∈[TH ,TL]时，计算公式： (TH - TL)/100 = (t - TL)/Radio ，解得到该环境温度下的风速峰值；
程序初始化时，根据正半波设置周期时间生成正弦表，接着按照正弦表-时间轴进行间歇性往复运行：缓慢加速到风速峰值---->缓慢减速到风速峰值------>停止运行负半波设定时间周期



1.作品简介

（没有PCV贴膜，用油性笔随意写上一些信息，作为第一版本的留念）
作品催生于以下几个方面：
1.家里小孩微微发烧，不敢开空调，又不能直吹风扇，开摇头1档，还是感觉风力大了。不开风扇，夏季酷热无风还真是折腾！！！
2.冷暖交替季节，晚上睡觉，无风，吹风扇半夜又容易受凉，风扇定时旋钮不能根据温度自动关闭风扇，折腾！！
3.办公室有规定，早上不能开空调，酷热天，直吹风扇也不舒服。
4.淘宝上找不到带温控的风扇调速插座！
于是就萌生了改进风扇调速插座的想法，作品中使用可控硅进行风扇调速功能，同时增加了热敏电阻实时采样环境温度，如此就可以用于低温条件下自动关闭风扇。有了这两大块功能，软件就可以做出梦寐以求的效果：模拟自然风！！
作为家用风扇调速，就应该满足大部分使用场合，因此产品设置了如下几个功能模式：

1. 手动调速模式：用于人为手动干预自动调节风力大小，解决风扇死板的三档调速问题；
2. 温度恒速模式：根据温度上下限进行自动调节风力大小；
3. 模拟自然风模式：采用正弦波应用到风力大小调节上，模拟自然风效果，提高舒适度；
   实测效果感触：吹风扇就跟坐在树荫底下微风徐徐一样，孩子再也不怕着凉了，晚上睡觉也非常舒服，夏季开着风扇晚上自动根据环境温度自适应调整风速，低温时候自动关闭，冷暖呵护，舒服！！
   现在作品开发用途仅仅是针对风扇无极调速并模拟自然风，后续采用可控硅并联扩流，将插座功能普及化，做成智能插座，可以实现更多功能，比如：
   1）返璞归真，不进行斩波控制，还原普通插座功能，想带什么负载就什么负载；
   2）定时功能，可以定时烧水，定时关灯，定时关电视，定时关充电器等等；
   3）预约开电功能；
   4）风扇风速0180度根据用户自定义曲线进行风速控制，随心随意让风扇风速吹出满意的自然风。
   2.作品亮点市场上产品良莠不齐，好产品价格不亲民，低价产品功能阉割，列出的以下产品，大家看看：
                          
   
   除了变频，随意改变风扇风速的另一个手段就是采用可控硅控制，而且这种方案价格低廉，容易接受。可控硅导通后过零自然关断，总所周知，市电正负半波上指定角度触发即可改变输出电压有效值，进而达到调节风扇风速作用。同样是可控硅控制，同样是风扇调速，但是加入特殊软件算法后，小作品也可以实现大作用！！
   本作品亮点有：
   1)技术上，作品中采用UPS市电锁频锁相方式进行移相触发可控硅导通，实现了任意角度(0360度)实时触发可控硅作用。有个这技术，就可以随意控制风扇风速大小，进而使得风扇吹出接近自然风的风速风力，而且这技术使得可控硅触发精度非常精准！！
      （题外话：没学过控制算法的，基本上都会用电压过零进行定时器控制，例如市电电压过零延迟1ms后触发可控硅，这种方法固然可以控制，但是不尽人意。市电频率是实时改变的，前一周期电压过零点与下一周期过零点会有几百us偏差，这种普通算法就不能随心所欲控制风精度）
   2)创新性：
      a)作品通过软件控制算法模拟自然风去控制风扇风速，使得风扇吹风更加舒适；（加入自定义曲线，用户可以随意设置符合自己需求的自然风风扇，更加人性化！）
      b)手动调速模式能够解决普通风扇不能任意调速的诟病；
      c)加入温度控制，低温时自动关闭风扇，使得吹风入眠更加舒适；
   3)优化软件算法，使得程序运行更加快速，控制更加得心应手！
   4)低成本：作品成本低廉，适合市场推广；
   3.系统构架图****
   参赛作品的PCB构成图（当做鼻祖吧）：
   
   系统构成图：
   
   它是插座，因此你可以把它当做普通插座使用。加入了软件算法后，它就如同如虎添翼，可以实现更多的意想不到的功能，但是现在它仅仅作为风扇调速插座进行参赛，后期扩展软件功能后，它将不再不仅仅是风扇调速插座，而是智能插座了！！
   4、原理图
   
   （备注：R26、R27为手工焊接进去）
   实现原理：
   1）LNK623PG电源部分用于产生5Vdc/500mA工作电源，该电压经过CJA1117-3.3V降到系统工作电压3.3V;
   2）EL817用于市电过零采样，采样脉冲经过LPC822进行市电同步；
   3）FJ3361BH用于人机界面显示；
   4）BT136S双向可控硅采用MOC3023光耦驱动，驱动信号为200us同步脉冲；
   5）采用电位器进行手动风速调节，同时增加按钮，用于系统参数设置以及模式切换；
   6）T1为热敏电阻，这里必须将热敏电阻受温部分引出到外部，避免受到插座内部温度的影响；
   系统工作过程：
   LPC822实时采样环境温度、市电过零信号，同时同步输出Trac可控硅驱动信号，控制外部电压的斩波状态。5.实物图材料清单
   关键元器件：
   1.高频变压器拆卸于通用手机充电器，如果有条件也可以自己绕制。
   2.LPC822M101JDH20单片机(改PCB板可直接用立创商城的LPC824M201JHI33E（￥5.06）替代)
   LPC824购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_81525.html
   (以下器件均在立创商城上)
   3.3段式LED数码管显示: FJ3361BH（￥2.18）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_11249.html
   4. EL817光耦（￥0.309）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_64331.html
   5. CJA1117-3.3V稳压管（￥0.644）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_24993.html
   6. NPN三极管S9013W（￥0.136）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_38614.html
   7. 光耦驱动MOC3023（￥1.69）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_41684.html
   8. 双向可控硅BT136S（￥1.00）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_24160.html
   9. 电位器R09-C103-3P(5K)（￥0.694）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_38497.html
   10.热敏电阻NTC 热敏电阻/MF52 100K ±1%（￥0.215）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_14073.html
   11. 抑制管P6KE200A（￥0.298）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_79522.html
   12. 电源管理芯片LNK623DG-TL（￥2.84）
   购买地址：http://www.szlcsc.com/product/details_69205.html
   关键元器件共计：￥15.0660
   除此之外，PCB板打样，外壳，一些常用电阻电容，￥35可以侧地拿下硬件（除了变压器，立创商城制版焊接可以一条龙服务）

6、PCB实物图

FAN_CTRL.rar **
7.软件部分的描述
1）市电同步锁相锁频原理见18楼帖子；
2）可控硅调试过程见21楼帖子；
3）3种工作模式算法见29楼帖子；
4）热敏电阻采样程序：
    热敏电阻采样都是通过B值计算得到测试的温度，关键点是如何快速？看我的程序：
TemperatureA.rar
这里用到了fast_log函数：
static float fast_log(float val)
{
int x = *(int *)&val;
register float log_2 = ((float)(((x >> 23) & 255) - 128)) * 0.693147181f;
x  &= 0x807FFFFF;
x  += 0x3F800000;
val = *(float *)&x;
log_2 += ((-0.232778773f) * val + 1.38629436f) * val  - 0.456588242f;

return (log_2);
}
实际测测试比C语言的log速度快5~7倍。5) 模拟自然风程序中需要计算三角函数，如果采用C语言的库，那么势必也会减缓系统运行速度，这里使用CORDIC迭代求正余弦，实际测试非常理想，详细的介绍见：
    http://www.cnblogs.com/huangqiwei/p/4177067.html
**8.**作品演示
操作说明：
系统支持3种模式：
“E 0”为手动调速；“E 1”为温度恒速；“E 2”为模拟自然风；  手动模式下LED数码显示纯数字，模式菜单下显示“E 0”字样，剩下的4个菜单页显示的是：温度上限设置、温度下限设置、模拟自然风运行时间、模拟自然风停止时间。
 视频里面分别演示了这3种模式，而且配合示波器、日光灯、风扇，效果一目了然，有兴趣的同仁可以借鉴：
http://v.youku.com/v_show/id_XMTc3OTM1NDk4MA==.html
9.总结
DIY体会：
    “要么忙着活，要么忙着死”，总是把工作忙挂在嘴边，有新想法后跟别人分享，但是自己却没有亲自去动手，隔几天后想法变成死法，沉寂在天天加班的轮回旋律中。生活中缺少了DIY能力，工作上习惯于公司布置项目，然后整日整夜加班忙于老板的项目，如此的我们容易迷失生活中的自我。如果你有想法，你有创造力，那么挤出一点时间去DIY吧！拖到明天你永远别想拥有自己的作品。
作品未来规划：
     1.将LED显示数码管替换为OLED屏，并联可控硅扩流，扩展插座功能，未来智能插座会具备如下功能：
     a)定时功能：适用于定时烧水壶、定时煮饭、定时吹风等用户；
     b)预约功能：预约功能用于早晨自动煮粥，自动开启电视，或者自动开灯等；
     c)开关功能：模拟插座上的开关按键，恢复插座普通的任意带负载功能；
     d)风扇功能：增加用户自定义风速-时间曲线，让用户随心所欲自定义自己心目中的自然风，比如梯形变化风速、三角波变化风速、双曲线变化风速等等；最高理想是随意在屏幕上绘制曲线，风扇按照曲线吹出曲线变化的风速；
     2.后续继续完善作品，并做成产品，适用一个月后就发布到淘宝网上，惠民价格，科技改变生活!!

给主办方的建议：
生活中很多产品还有有待于我们去改进，如果一味以技术热点来评判，势必会忽略许多优秀的作品。好的产品就应该是用来改善生活质量，造福百姓!!
更多项目详情见链接：http://club.szlcsc.com/article/details_491_1.html
本项目归立创社区“老酒”所有