人體及溫度感應式電風扇控制系統

付 麗，吳春鮮，楊雋瑩，吳友鑫

（重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044）

人體及溫度感應式電風扇控制系統

付 麗，吳春鮮，楊雋瑩，吳友鑫

（重慶大學光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044）

設計出一種能感應人體及環境溫度的電風扇控制系統。單片機處理器AT89C51為系統的檢測和控制核心，熱釋電紅外傳感器檢測人體，DS18B20數字溫度傳感器感應環境溫度。采用繼電器代替傳統電風扇的檔位開關，根據人體紅外感應信息控制風扇的開啟和關閉，依據環境溫度控制相應的繼電器處于吸合狀態，使風扇輸出對應的風速。該系統集成到傳統電風扇中，測試結果表明，系統實現了對風扇的自動啟停及自動調速控制，具有推廣應用價值。

控制系統；電風扇；紅外感應

為提高電風扇的智能化并降低能耗，有不少研究人員對電風扇的智能控制進行了研究［1－5］，但目前市面上仍沒有出現能夠根據環境溫度的變化和人體的存在與否進行自動調節的智能電風扇產品。為此，本文設計出一種能夠檢測人體和測量環境溫度的電風扇控制系統，并把該系統裝置集成到傳統電風扇中，構成具有自動和手動兩種模式的多功能電風扇。

1 系統總體設計

根據實現的功能，系統應具有環境溫度檢測模塊、人體紅外檢測模塊、電機轉速控制模塊等，電風扇控制系統原理框圖如圖1虛線框內所示。

系統工作原理：單片機獲取環境溫度檢測模塊和人體紅外檢測模塊所測信號，判斷其周圍是否有人和環境溫度所屬范圍。若有人，單片機根據環境溫度所屬范圍，對調速部分的繼電器進行控制，從而使電機控制風扇輸出不同的風力，同時計時時間清零，并在液晶屏上顯示所測溫度。若無人，單片機啟動定時中斷開始計時，當計時到設定時間，則關閉風扇。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

AT89C系列與MCS－51系列單片機相比片內程序存儲器采用閃速存儲器，使程序的寫入更加方便［6］。本系統中選用ATMEL公司的AT89C51，由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為很多嵌入式控制系統的設計提供了一種靈活性高且價廉的方案，廣泛應用于高性價比的場合［7］。

2.1 環境溫度檢測模塊

環境溫度檢測采用DS18B20溫度傳感器，該傳感器測量溫度范圍為－55℃～＋125℃，具有0.062 5℃的分辨率，在－10℃～＋85℃范圍內可獲得±0.5℃的精度［8］，適合用于電風扇控制系統。溫度傳感器電路如圖2所示，其中DS18B20芯片的2腳為數字信號輸入/輸出端，用一根I/O口線讀寫數據［9］，該引腳與單片機的IO口P2.1連接。

圖2 溫度檢測模塊

2.2 人體紅外檢測模塊

該模塊主要由一個熱釋電人體紅外傳感器和一個熱釋電處理芯片BISS0001構成，BISS0001是數模混合專用集成電路，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種傳感器匹配，進行信號預處理［10］。人體體溫一般在37℃左右，會發出特定波長（10μm）左右的紅外線。此波長的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應源熱釋電元件上，該元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續電路經檢測處理后就能產生報警信號［11］，由紅外檢測模塊2腳輸出，如圖3所示，該引腳連接到CD4069中非門的輸入，對應輸出端與單片機IO口P2.0連接。

圖3 紅外檢測模塊

2.3 非門模塊

由紅外檢測模塊的特性可知，當檢測到有人體存在時，紅外檢測模塊輸出電壓為3.3V，否則，輸出0V。系統中單片機能穩定識別：高電平電壓時為高于2/3VCC（VCC＝5V）電壓，低電平電壓時為低于1/3VCC電壓。所以紅外模塊輸出的高電平與單片機的高電平不匹配。經過多次試驗證明，當人體存在時，由于電平不匹配，單片機系統不能每次都正確地檢測到紅外模塊輸出的高電平。為此，在紅外模塊和單片機之間引入CMOS非門芯片CD4069（見圖3）。CD4069具有3～15V的寬范圍供給電源特性［12］，用＋5V供電可直接與單片機連接，能穩定地將紅外模塊輸出的3.3V轉換為0V輸出，而輸出的0V轉換為5V。這樣就將紅外模塊輸出的兩個邏輯電平轉化為單片機能完全匹配的2個邏輯電平。

2.4 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊顯示當前室溫和定時器計時時間。考慮到成本和功能，選用HJ1602A液晶顯示屏。當風扇處于關閉狀態時，液晶顯示屏處于關閉狀態；當風扇啟動時，溫度傳感器DS18B20測量的環境溫度顯示到液晶屏上；當紅外感應模塊檢測不到人的存在時，計時器開始計時，計時時間通過液晶顯示屏顯示。液晶顯示模塊和單片機的連接如圖4所示，其中數據口對應連接到單片機的P0口，控制引腳分別與單片機P2.4—P2.6連接。單片機P2.7口連接到三極管控制背光是否開啟。

2.5 繼電器模塊

圖4 液晶顯示器和單片機的接口

系統通過控制繼電器來使風扇輸出不同大小的風力。其設計思想是利用3個繼電器代替傳統風扇的3個檔位按鈕，單片機根據所測環境溫度使相應繼電器處于吸合狀態，從而使風扇輸出與環境溫度對應的風力。單片機與繼電器接口電路如圖5所示。利用單片機P1口低3位通過芯片ULN2003驅動輸出控制。

圖5 繼電器與單片機的接口

3 系統軟件設計

與匯編語言相比，C語言具備可讀性和可移植性，易于調試，編程簡單易懂［13］。軟件設計采用51單片機C語言編寫，并用Keil51軟件進行調試。軟件系統由主程序和定時器中斷服務程序組成。

3.1 主程序

主程序流程圖見圖6。

圖6 主程序流程圖

主程序主要包括以下模塊：溫度檢測與讀寫程序、繼電器控制和液晶顯示程序。其中flag0為計時時間到的標志位，當計時到達設定時間TIMER0時，在中斷服務程序中將flag0置1。flag1為定時中斷開啟的標志位，當其為“1”時表示定時中斷已經開啟，為“0”時則表示關閉。Tp1、Tp2、Tp3為設定的檔位切換臨界溫度值，且Tp1＜Tp2＜Tp3。從圖6可以看出：雖然沒有檢測到人，但是當定時時間未到時，此時若定時中斷已經打開，則需要繼續使風扇運行直到定時時間已到才關閉風扇。關閉風扇在程序中就是使3個繼電器處于釋放狀態。

3.2 中斷服務程序

中斷服務程序主要實現計時及標志位flag0置位功能。進入中斷服務程序后，首先使計時器的計數值增加，然后將計時時間與設定值TIME0比較，如果相等則關閉中斷且flag0標志位置位，然后中斷返回；否則顯示計時時間，然后中斷返回。

4 系統測試

風扇是否自動開啟是由環境溫度和是否檢測到人體共同決定，風扇輸出的風力大小由所測環境溫度決定。當同時滿足以下條件時風扇啟動：溫度傳感器所測得的溫度高于系統所設置的最低風扇啟動溫度；紅外感應傳感器在有效范圍內檢測到人的存在。當滿足以下條件之一時風扇停止：（1）溫度傳感器所測得的溫度低于系統所設置的風扇啟動溫度；（2）紅外感應傳感器在設定時間TIMER0（實驗設定5min）內沒有檢測到人的存在。

將本控制系統集成到傳統電風扇中，并將控制系統中的繼電器代替傳統電風扇的檔位按鈕，改裝后的風扇內部結構如圖7所示。為增強風扇的適用性，在電源輸入端中加入單刀雙擲開關以實現自動和傳統的手動兩種模式的切換。

圖7 電風扇內部結構圖

測試時用不同溫度的熱水袋和冰塊靠近溫度傳感器來改變傳感器周圍的溫度，以模擬不同環境溫度。設定最低風扇啟動溫度Tp1為當前室溫26℃，Tp2為29℃，Tp3為32℃。運行結果：當測得溫度達到26℃，且有人在離風扇約7m以內時，風扇自動開啟，且風力隨著環境溫度的升高而加大；當溫度傳感器測得的溫度低于26℃時，即使有人在風扇周圍，風扇也未能自動開啟；當人離開風扇距離約7m以上，環境溫度從26℃升到34℃，風扇也未能自動開啟。根據20次重復實驗得到的結果見表1所示，表中有0、1、2、3共4個風力檔位，其中檔位0表示風扇關閉，檔位1—3對應風力由低到高。系統運行時液晶顯示屏顯示溫度為26.5℃，且檢測到有人在規定范圍內活動時，風扇就轉動。

表1 不同環境溫度風扇運行狀態

5 結束語

具有溫度檢測和人體感應的電風扇智能控制系統，實現了風扇的自動開啟、關閉和調速功能。可使人們享受智能化風扇帶來便利的同時，避免因忘記關閉電風扇而造成的能源浪費。但由于熱釋電人體傳感器只能檢測和感應人體活動信息，因此人靜止時，控制系統無法使風扇開啟，因此如何采取措施使控制系統能感應靜止人體還有待進一步研究。

（References）

［1］張兆朋.基于AT89S52單片機的自動溫控電風扇設計［J］.現代電子技術，2009，32（3）：108－110.

［2］霍鵬飛，段光宇，滕敏，等.基于單片機的智能電風扇的設計［J］.河南科技學院學報，2010，38（4）：110－114.

［3］陳洪民，楊本全，吳淼清，等.基于C8051F020的紅外遙控電風扇設計［J］.現代電子技術，2011，34（19）：119－120.

［4］熊建橋，趙方偉，李小龍.基于STC89C52單片機的智能電風扇設計［J］.機電產品開發與創新，2011，24（1）：53－55.

［5］林建華.基于AT89S52單片機的智能溫控電風扇［J］.湖北廣播電視大學學報，2013，33（2）：157－158.

［6］任小青，王曉娟.基于AT89C51單片機的頻率計設計方法的研究［J］.青海大學學報：自然科學版，2009，27（1）：10－12.

［7］Atmel Corporation.8－bit Microcontroller with 4KBytes Flash AT89C51［EB/OL］.（2000－02）.http：//www.atmel.com/Images/.

［8］Maxim Integrated Corporation.DS18B20Programma－ble Resolution 1－Wire Digital Thermometer［EB/OL］.（2008－04－22）.http：//datasheets.maximintegrated.com/en/ds/.

［9］林倩，席春梅，趙鳳行，等.基于AT89C51的人造氣候小系統的研究與模擬［J］.實驗技術與管理，2010，27（3）：88－91.

［10］王芳，王旭，李丹，等.基于PSPICE的熱釋電紅外線探測器設計［J］.儀器儀表學報，2007，28（2）：363－366.

［11］于勝云，孫勝利.多路無線紅外探測智能安防系統設計［J］.激光與紅外，2008，38（4）：345－347.

［12］Fairchild Semiconductor Corporation.CD4069UBC Inve－rter Circuits［EB/OL］.（1999－01）.http：//www.fairchildsemi.com.

［13］王彥茹，胡體玲.基于單片機的語音記錄儀［J］.電子設計工程，2011，19（24）：190－192.

Electric fan control system with human body and temperature induction

Fu Li，Wu Chunxian，Yang Junying，Wu Youxin
（Key Laboratory for Optoelectricity Technology ＆System of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

In order to enhance the intelligence of the electric fans and reduce energy consumption，an electric fan control system which can detect the human body and the environmental temperature is designed.The core of detection and control of this system is the AT89C51MCU.The pyroelectric infrared sensor is used to detect the human body，and the DS18B20digital temperature sensor is used to test the environment temperature.The relays replace gear switches of the traditional electric fan.The opening and closing of the electric fan are controlled according to the human body infrared sensor information.The corresponding relay is controlled in a closed state in accordance with environment temperature size.Consequently，it makes the fan output correspond with the wind speed.The system is integrated to the traditional electric fans and is tested.The experimental results show that the system realizes the automatic start－stop and speed control function of the electric fan，and has the application value to be spread.

control system；electric fan；infrared sensing

TP273

A

1002－4956（2014）1－0083－04

2013－05－15 修改日期：2013－07－09

重慶市高等學校教學改革項目（09－03－010）；“重慶大學大學生科研訓練計劃”基金資助項目（CQU－SRTP－2011314）

付麗（1976—），女，四川巴中，在職博士研究生，工程師，主要研究方向為嵌入式系統及測試計量技術.

E－mail：310＿fl＠163.com