智能控溫?zé)o葉風(fēng)扇的設(shè)計與實現(xiàn)

張文奎，孫小羊，易照龍，張小龍

（三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京210012）

引言

智能溫控?zé)o葉風(fēng)扇簡單來說就是沒有葉片的風(fēng)扇，是在傳統(tǒng)風(fēng)扇的基礎(chǔ)上加以改進的新型風(fēng)扇。它是一款能夠進行智能化感應(yīng)控制的風(fēng)扇。

雖然類似空調(diào)這種大型智能化升降溫電器快速占領(lǐng)市場，但是風(fēng)扇因為價格便宜，輕巧便利等特點使其仍舊占領(lǐng)大部分的市場。多數(shù)有老人及兒童的家庭會選擇節(jié)能，環(huán)保，安全，便利，價格便宜的風(fēng)扇。

目前，我國市場上已有部分無葉風(fēng)扇售出，相比于國外我們的智能化產(chǎn)品有些落后，市面上的風(fēng)扇智能化極低，它們不能自主控制風(fēng)速大小，只能通過手動檔位設(shè)定達到目的，而且普通風(fēng)扇只能通過機械性的左右擺動進行送風(fēng)，不能根據(jù)人所在的位置進行調(diào)節(jié)，所以送風(fēng)范圍有限，不能滿足人們。因此，我們提出了智能溫控?zé)o葉風(fēng)扇設(shè)計的方案。將多種傳感器和處理器結(jié)合，并將其嵌入電器中。當人進入風(fēng)扇所在區(qū)域，引起周圍環(huán)境發(fā)生變化達到某一設(shè)定時，風(fēng)扇將迅速運行，智能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和送風(fēng)量，來達到全方位且快速送風(fēng)降溫效果，當檢測到人體離開時風(fēng)扇自動停止工作，節(jié)約能源。該智能無業(yè)溫控風(fēng)扇模擬輸送自然風(fēng)，在低噪音的前提下保證了舒適度。除此以外它構(gòu)造簡單，易拆卸清洗，應(yīng)用價值極高，且擁有客觀的市場前景。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研究設(shè)計了一種基于STM32 單片機多傳感器控制的無葉風(fēng)扇控制系統(tǒng)，如圖1 所示。以STM32 單片機為核心，連接熱釋電紅外感應(yīng)電路、溫度檢測電路、距離檢測電路、按鍵與復(fù)位電路、數(shù)碼管顯示電路、人機交互界面、電機驅(qū)動模塊和電源模塊等外圍模塊，組成了一個完整的智能物業(yè)風(fēng)扇系統(tǒng)。

圖1 智能無葉風(fēng)扇系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 熱釋電人體感應(yīng)電路

圖3 DS18B20 測溫原理圖

當有人進入，系統(tǒng)的熱釋電感應(yīng)電路和溫度檢測電路就開始工作。首先是溫度檢測電路檢測人體溫度，當人體溫度小于設(shè)定溫度時，則熱釋電感應(yīng)開關(guān)不工作，溫度檢測電路繼續(xù)檢測當前溫度；當人體溫度大于設(shè)定溫度時，則觸發(fā)熱釋電開關(guān)，然后再根據(jù)人體溫度的高低和人與風(fēng)扇之間的距離實現(xiàn)風(fēng)扇送風(fēng)量的無極調(diào)節(jié)。不僅如此，還可以通過人機交互技術(shù)，實現(xiàn)語音控制風(fēng)扇的出風(fēng)速度。同時，在系統(tǒng)添加的數(shù)碼管顯示電路中還可以清晰的看到當前環(huán)境溫度、人與風(fēng)扇之間的距離、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速等一系列信息[1-2]。

2 系統(tǒng)相關(guān)電路

2.1 熱釋電人體感應(yīng)電路

熱釋電效應(yīng)顧名思義是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋電人體感應(yīng)電路主要檢測當有人出現(xiàn)在傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有ΔT 的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱的電壓ΔV，進而實現(xiàn)人體感應(yīng)開關(guān)的功能。而傳感器HCSR501 是一款基于熱釋電效應(yīng)的人體熱釋運動傳感器，能檢測到人體身上發(fā)出的紅外線，還可以檢測到人的位置變化。因此，本系統(tǒng)采用傳感器HC-SR501 熱釋電模塊進而實現(xiàn)控制開關(guān)的功能，其工作原理如圖2 所示。

圖2 中熱釋電傳感器HC-SR501 接入4.5-20V（工作電壓范圍）直流電壓在正負極之間，其OUT 端口通過限流電阻R1 接到NPN 型三極管的基極，把三極管的集電極結(jié)合PWM 技術(shù)接到STM32 單片機。光敏電阻和溫度補償電阻可在有需要時使用，而本次實驗在一定條件下，對熱釋電傳感器感應(yīng)距離和感應(yīng)延遲時間做出了相應(yīng)的調(diào)節(jié)。當檢測范圍內(nèi)有人出現(xiàn)時，熱釋電傳感器的OUT 端會輸出3.3V的高電平，則三極管的基極為高電平，連接單片機一端被拉到高電平，無葉風(fēng)扇開始工作；相反，當范圍內(nèi)檢測到無人時，熱釋電傳感器的OUT 端輸出低電平，則三極管不導(dǎo)通，單片機連接電動機一端PWM 占空比為0，此時無葉風(fēng)扇不工作[3]。

2.2 溫度檢測電路

溫度檢測電路主要用于檢測人體溫度高低，改變電機驅(qū)動功率，進而控制無葉風(fēng)扇送風(fēng)量。由于DALLAS 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20 溫度傳感器具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的特點[4]。本次實驗采用四組溫度范圍控制對應(yīng)的四段PWM 信號波，進而實現(xiàn)了風(fēng)扇的四級調(diào)節(jié)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

DS18B20 的測溫原理中低溫度系數(shù)振蕩器的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)振蕩器隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2 的脈沖輸入。首先要在溫度寄存器和計時器1 中預(yù)置一個基數(shù)值，當計時器1預(yù)置的值減為0 時，溫度寄存器的值加1，此時計時器1 的預(yù)置值變?yōu)槌跏贾?，如此循環(huán)，直到計時器2 的值為0 時，溫度寄存器的值不再變化，此時的溫度即為檢測到的溫度。

2.3 距離檢測電路

距離檢測電路主要特點：紅外傳感器通過發(fā)射紅外線到人體，再由人體反射回來的紅外線所用的時間，再根據(jù)公式D=（C·Δt）/2 求得人與無葉風(fēng)扇之間的距離。隨著人體逐漸靠近無葉風(fēng)扇時，紅外傳感器就會逐漸減小輸出電壓，STM32 單片機連接電動機一端高電平占比越小。由于單片機連接電動機PWM 占空比隨著距離減小而減少，所以電動機的轉(zhuǎn)速也由距離減小而減小，進而實現(xiàn)了人體位置變化智能地控制無葉風(fēng)扇。

圖4 紅外測距檢測工作原理

2.4 人機交互

本系統(tǒng)利用人機交互技術(shù)，更好的滿足人們對智能化的需求。人機交互運用了語音識別模塊對語音信息進行識別，通過串口傳輸?shù)絊TM32 單片機，再由STM32 單片機結(jié)合PWM 技術(shù)，控制電動機的占空比，進而實現(xiàn)語音控制風(fēng)扇送風(fēng)量的大小，之后再由語音合成模塊將信息傳到數(shù)碼顯示屏上并語音播報當前風(fēng)扇轉(zhuǎn)速[5-6]。

設(shè)置“打開風(fēng)扇”“關(guān)閉風(fēng)扇”“增大風(fēng)速”“減小風(fēng)速”等多個控制指令，用事先寫好的代碼控制STM32 單片機輸出四種PWM 占空比，分別為：100%、75%、50%、25%。當用戶說出“打開風(fēng)扇”指令時，默認為高電壓占比為25%的PWM波，還可以根據(jù)用戶的意愿增大或減小風(fēng)扇，實現(xiàn)風(fēng)扇的越級調(diào)節(jié)。

3 溫度檢測程序

圖5 紅外發(fā)射電路

溫度檢測程序首先主要完成數(shù)碼管初始化，防止上電的時候STM32 單片機引腳默認輸出高電壓。先用C 語言寫一段初始化的語句，在溫度檢測不工作之前，讓數(shù)碼管顯示0000，然后系統(tǒng)啟動溫度轉(zhuǎn)換，此處涉及DS18B20 的初始化、寫操作和讀操作。第一步從初始化序列開始，先將總線拉至高電平“1”，稍延時后發(fā)送復(fù)位脈沖將總線拉至低電平“0”，再延時700us 后再拉至“1”，等待15-60us 并做超時控制，防止進入死循環(huán)。第二步ROM 執(zhí)行寫操作命令，同樣將總線拉至高電平“1”，設(shè)置在另一個周期開始前有2us 的高電平重置時間。開始時被拉至低電平“0”，之后預(yù)留15-60us對數(shù)據(jù)采樣，每寫一個bit 要循環(huán)8 次，最少需要延時60us。第三步執(zhí)行讀操作命令，與寫操作類似，所讀出的高電平和低電平數(shù)據(jù)要一位一位的移進。其輸入端采用16 進制轉(zhuǎn)化10 進制顯示出讀取的溫度，存入暫存器，進行下一次溫度采集，如此循環(huán)[7]。

4 系統(tǒng)測試

結(jié)合所學(xué)知識，進一步對無葉風(fēng)扇運行進行測試并加以修改，以驗證其性能的優(yōu)良性，根據(jù)設(shè)計系統(tǒng)的檢測范圍與電機轉(zhuǎn)速做出如圖6 的關(guān)系圖。為了驗證其系統(tǒng)的準確性，我們將檢測距離縮短到5m（實際檢測距離能達到7m）。首先進行的是距離遠近對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的影響，為了滿足人們在較熱情況下會靠近風(fēng)扇吹風(fēng)的需求，設(shè)計了人與風(fēng)扇在0-2m 范圍內(nèi)風(fēng)扇不會隨著人體位置變化而改變轉(zhuǎn)速，達到以1500r/min 的恒定吹風(fēng)效果。在2-5m 范圍內(nèi)，由于在2m 臨界處有一段PWM 信號占空比的變化，輸入電壓減小，電機轉(zhuǎn)速略有降低，之后隨著人的距離變遠而增大。但電機有額定的轉(zhuǎn)速3000r/min，并不能實現(xiàn)超遠距離吹風(fēng)，所以人處于5m 以外，此時PWM 信號占空比為100%，風(fēng)扇速度達到最快。

圖6 語音控制電機轉(zhuǎn)速原理圖

圖7 人體溫度和距離與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系

溫度檢測在熱釋電人體紅外感應(yīng)基礎(chǔ)上，當人體溫度達到30°C 時，風(fēng)扇自動開啟，以分段式溫度設(shè)定控制風(fēng)扇送風(fēng)量。在30-35°C 環(huán)境下，PWM 信號占空比為25%，此時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1000r/min；在35-37°C 環(huán)境下，PWM 占空比為50%，此時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1500r/min；在37-40°C 環(huán)境下，PWM占空比為75%，此時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2500r/min；在40°C 以上環(huán)境下，PWM 占空比達到100%，此時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速最大為3000r/min。以這種分段式更好的結(jié)合語音交互功能，利用語音控制相應(yīng)的風(fēng)速[8]。

測試結(jié)果表明：該產(chǎn)品能夠自動檢測人體位置變化并做出無葉風(fēng)扇對應(yīng)的吹風(fēng)角度調(diào)整，除此之外，還能夠判斷出人與無葉風(fēng)扇之間的距離從而控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，根據(jù)人體溫度產(chǎn)生不同送風(fēng)量，智能識別語音來控制大小，徹底解放雙手。

5 結(jié)束語

研究智能無葉風(fēng)扇是智能化時代發(fā)展的必然趨勢，它為人們生活增光添彩。正如手機從按鍵手機到智能手機的發(fā)展，手表從電子手表到智能手表發(fā)展一樣，風(fēng)扇也是從普通落地風(fēng)扇到智能無葉風(fēng)扇。將普通風(fēng)扇的按鍵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換為能同時根據(jù)人體溫度高低、人與風(fēng)扇之間的距離，以及語音交互系統(tǒng)等智能控制風(fēng)扇送風(fēng)量，為風(fēng)扇在與時俱進的智能時代發(fā)展開辟了嶄新的空間。

展望：在互聯(lián)網(wǎng)+時代，以互聯(lián)網(wǎng)為手段，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將智能無葉風(fēng)扇結(jié)合到智能手機APP 必然大勢所趨，在各種應(yīng)用平臺應(yīng)運而生的同時，便攜實用、方便快捷、精準運行成為智能時代的新時尚。