智能控溫無葉風扇的設計與實現

張文奎，孫小羊，易照龍，張小龍

（三江學院 電子信息工程學院，江蘇 南京210012）

引言

智能溫控無葉風扇簡單來說就是沒有葉片的風扇，是在傳統風扇的基礎上加以改進的新型風扇。它是一款能夠進行智能化感應控制的風扇。

雖然類似空調這種大型智能化升降溫電器快速占領市場，但是風扇因為價格便宜，輕巧便利等特點使其仍舊占領大部分的市場。多數有老人及兒童的家庭會選擇節能，環保，安全，便利，價格便宜的風扇。

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

1 系統結構及工作原理

本文研究設計了一種基于STM32 單片機多傳感器控制的無葉風扇控制系統，如圖1 所示。以STM32 單片機為核心，連接熱釋電紅外感應電路、溫度檢測電路、距離檢測電路、按鍵與復位電路、數碼管顯示電路、人機交互界面、電機驅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風扇系統。

圖1 智能無葉風扇系統結構

圖2 熱釋電人體感應電路

圖3 DS18B20 測溫原理圖

當有人進入，系統的熱釋電感應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，當人體溫度小于設定溫度時，則熱釋電感應開關不工作，溫度檢測電路繼續檢測當前溫度；當人體溫度大于設定溫度時，則觸發熱釋電開關，然后再根據人體溫度的高低和人與風扇之間的距離實現風扇送風量的無極調節。不僅如此，還可以通過人機交互技術，實現語音控制風扇的出風速度。同時，在系統添加的數碼管顯示電路中還可以清晰的看到當前環境溫度、人與風扇之間的距離、風扇的轉速等一系列信息[1-2]。

2 系統相關電路

2.1 熱釋電人體感應電路

熱釋電效應顧名思義是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現象。熱釋電人體感應電路主要檢測當有人出現在傳感器監測范圍內溫度有ΔT 的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產生電荷ΔQ，即在兩電極之間產生微弱的電壓ΔV，進而實現人體感應開關的功能。而傳感器HCSR501 是一款基于熱釋電效應的人體熱釋運動傳感器，能檢測到人體身上發出的紅外線，還可以檢測到人的位置變化。因此，本系統采用傳感器HC-SR501 熱釋電模塊進而實現控制開關的功能，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合PWM 技術接到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距離和感應延遲時間做出了相應的調節。當檢測范圍內有人出現時，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，無葉風扇開始工作；相反，當范圍內檢測到無人時，熱釋電傳感器的OUT 端輸出低電平，則三極管不導通，單片機連接電動機一端PWM 占空比為0，此時無葉風扇不工作[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，改變電機驅動功率，進而控制無葉風扇送風量。由于DALLAS 半導體公司生產的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的四段PWM 信號波，進而實現了風扇的四級調節。其內部結構如圖3 所示。

DS18B20 的測溫原理中低溫度系數振蕩器的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給減法計數器1，高溫度系數振蕩器隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產生的信號作為減法計數器2 的脈沖輸入。首先要在溫度寄存器和計時器1 中預置一個基數值，當計時器1預置的值減為0 時，溫度寄存器的值加1，此時計時器1 的預置值變為初始值，如此循環，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，再根據公式D=（C·Δt）/2 求得人與無葉風扇之間的距離。隨著人體逐漸靠近無葉風扇時，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，所以電動機的轉速也由距離減小而減小，進而實現了人體位置變化智能地控制無葉風扇。

圖4 紅外測距檢測工作原理

2.4 人機交互

本系統利用人機交互技術，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，通過串口傳輸到STM32 單片機，再由STM32 單片機結合PWM 技術，控制電動機的占空比，進而實現語音控制風扇送風量的大小，之后再由語音合成模塊將信息傳到數碼顯示屏上并語音播報當前風扇轉速[5-6]。

設置“打開風扇”“關閉風扇”“增大風速”“減小風速”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“打開風扇”指令時，默認為高電壓占比為25%的PWM波，還可以根據用戶的意愿增大或減小風扇，實現風扇的越級調節。

3 溫度檢測程序

圖5 紅外發射電路

溫度檢測程序首先主要完成數碼管初始化，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，讓數碼管顯示0000，然后系統啟動溫度轉換，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”，稍延時后發送復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。第二步ROM 執行寫操作命令，同樣將總線拉至高電平“1”，設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”，之后預留15-60us對數據采樣，每寫一個bit 要循環8 次，最少需要延時60us。第三步執行讀操作命令，與寫操作類似，所讀出的高電平和低電平數據要一位一位的移進。其輸入端采用16 進制轉化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[7]。

4 系統測試

結合所學知識，進一步對無葉風扇運行進行測試并加以修改，以驗證其性能的優良性，根據設計系統的檢測范圍與電機轉速做出如圖6 的關系圖。為了驗證其系統的準確性，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扇轉速所產生的影響，為了滿足人們在較熱情況下會靠近風扇吹風的需求，設計了人與風扇在0-2m 范圍內風扇不會隨著人體位置變化而改變轉速，達到以1500r/min 的恒定吹風效果。在2-5m 范圍內，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。但電機有額定的轉速3000r/min，并不能實現超遠距離吹風，所以人處于5m 以外，此時PWM 信號占空比為100%，風扇速度達到最快。

圖6 語音控制電機轉速原理圖

圖7 人體溫度和距離與風扇轉速的關系

溫度檢測在熱釋電人體紅外感應基礎上，當人體溫度達到30°C 時，風扇自動開啟，以分段式溫度設定控制風扇送風量。在30-35°C 環境下，PWM 信號占空比為25%，此時風扇轉速為1000r/min；在35-37°C 環境下，PWM 占空比為50%，此時風扇轉速為1500r/min；在37-40°C 環境下，PWM占空比為75%，此時風扇轉速為2500r/min；在40°C 以上環境下，PWM 占空比達到100%，此時風扇轉速最大為3000r/min。以這種分段式更好的結合語音交互功能，利用語音控制相應的風速[8]。

測試結果表明：該產品能夠自動檢測人體位置變化并做出無葉風扇對應的吹風角度調整，除此之外，還能夠判斷出人與無葉風扇之間的距離從而控制風扇轉速，根據人體溫度產生不同送風量，智能識別語音來控制大小，徹底解放雙手。

5 結束語

研究智能無葉風扇是智能化時代發展的必然趨勢，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展，手表從電子手表到智能手表發展一樣，風扇也是從普通落地風扇到智能無葉風扇。將普通風扇的按鍵調節轉換為能同時根據人體溫度高低、人與風扇之間的距離，以及語音交互系統等智能控制風扇送風量，為風扇在與時俱進的智能時代發展開辟了嶄新的空間。

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