空調(diào)扇搖頭裝置搖頭角度控制研究

何博為 （河源廣播電視大學(xué)電子與信息工程系，廣東 河源517000）

紅外線(xiàn)探測(cè)技術(shù)是利用紅外線(xiàn)光譜識(shí)別技術(shù)對(duì)自然背景下的人體紅外輻射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，并利用探測(cè)到的信號(hào)組成相關(guān)的點(diǎn)陣排布圖像，以確定人體所在方位［1］。利用單片機(jī)及其外圍電路來(lái)控制空調(diào)扇搖頭角度，調(diào)整送風(fēng)口，使其與人體位置相一致，從而讓空調(diào)扇最大限度地對(duì)準(zhǔn)人體送風(fēng)。下面，筆者對(duì)空調(diào)扇搖頭裝置搖頭角度的控制進(jìn)行了研究。

1 空調(diào)扇搖頭裝置工作原理

圖1 空調(diào)扇搖頭裝置工作原理圖

空調(diào)扇搖頭裝置主要由紅外感應(yīng)模塊、信號(hào)比較器、單片機(jī)及其外圍電路、風(fēng)扇直流電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、搖頭控制機(jī)構(gòu)和角位移傳感器組成 （圖1）。當(dāng)紅外感應(yīng)模塊探測(cè)到物體產(chǎn)生的紅外輻射信號(hào)后，產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)，將該變化的電壓信號(hào)傳入比較器中。比較器對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)信號(hào)較弱 （如有小寵物經(jīng)過(guò)或人體與空調(diào)扇距離較遠(yuǎn)）時(shí)，將不發(fā)出工作指令，反之將工作指令發(fā)送給單片機(jī)及其外圍電路。單片機(jī)及其外圍電路啟動(dòng)空調(diào)扇的直流電機(jī)使其運(yùn)轉(zhuǎn)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)搖頭控制機(jī)構(gòu)，角位移傳感器將搖頭裝置的初始位置與紅外探測(cè)的信號(hào)位置進(jìn)行對(duì)比追蹤，從而實(shí)現(xiàn)追蹤人體送風(fēng)。

1．1 紅外感應(yīng)模塊工作原理

紅外感應(yīng)模塊的主要元件為熱釋電紅外傳感器 （PIR）和菲涅爾透鏡。PIR能將8～12μm的紅外輻射波探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，同時(shí)對(duì)自然界的白光信號(hào)具有抑制作用。當(dāng)無(wú)人移動(dòng)時(shí)，PIR探測(cè)到的是自然背景溫度，當(dāng)有人進(jìn)入探測(cè)范圍時(shí)，PIR感應(yīng)到人體輻射信號(hào)與自然背景信號(hào)的差異，從而控制空調(diào)扇直流電機(jī)是否工作。但是當(dāng)自然界背景溫度高于37℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)信號(hào)情況，為此要利用菲涅爾透鏡進(jìn)行甄別。菲涅爾透鏡將紅外輻射探測(cè)信號(hào)折射和反射到PIR上，同時(shí)能將紅外感應(yīng)模塊探測(cè)的范圍分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)［1］。當(dāng)人進(jìn)入空調(diào)扇的紅外模塊探測(cè)范圍時(shí)，由于探測(cè)的明區(qū)和暗區(qū)有變化，即對(duì)人體的移動(dòng)以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化的電壓信號(hào)；當(dāng)自然背景的溫度達(dá)到37℃時(shí)，由于探測(cè)的明區(qū)和暗區(qū)無(wú)變化，則可認(rèn)為沒(méi)有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)，由此防止誤報(bào)信號(hào)情況的發(fā)生。

紅外感應(yīng)模塊電路內(nèi)部由2級(jí)運(yùn)放器、比較器、定時(shí)器、過(guò)零檢測(cè)、控制電路、系統(tǒng)時(shí)鐘等電路組成［2］。PIR傳感器檢測(cè)到人體移動(dòng)引起的紅外輻射的變化并將其轉(zhuǎn)換為變化電壓信號(hào)，通過(guò)2級(jí)運(yùn)放器選頻放大比較后將信號(hào)輸入到單片機(jī)及其外圍電路中，由單片機(jī)及其外圍電路輸出過(guò)零脈沖來(lái)觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通。采用交流過(guò)零觸發(fā)能消除可控硅導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流，從而延長(zhǎng)直流電機(jī)的使用壽命。

用多普自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)構(gòu)造目標(biāo)場(chǎng)景，即將紅外輻射信號(hào)的光譜轉(zhuǎn)化為特定的紅外光譜特征矩陣［3］。用矩陣Am（n）表示在焦平面上第m列第n行對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)，當(dāng)有變化的信號(hào)時(shí)記為1，沒(méi)有收到信號(hào)時(shí)記為0。當(dāng)信號(hào)中出現(xiàn)1的值大于60%時(shí)即判定有人存在，并將風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)1出現(xiàn)較為集中的方位。

為簡(jiǎn)化過(guò)程，將紅外光譜探測(cè)信號(hào)的特征矩陣分為5個(gè)區(qū)域：A＝（T1，T2，T3，T4，T5）。當(dāng)上述5個(gè)區(qū)域中有3個(gè)或3個(gè)以上區(qū)域有探測(cè)信號(hào)，則單片機(jī)系統(tǒng)控制搖頭裝置使其對(duì)準(zhǔn)人體，并調(diào)整空調(diào)扇風(fēng)口的掃風(fēng)起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位位置，使空調(diào)扇能在人體輻射信號(hào)集中的位置范圍內(nèi)送風(fēng)。反之，當(dāng)探測(cè)信號(hào)所占的區(qū)域較小時(shí)則認(rèn)為沒(méi)有人存在，空調(diào)扇將不會(huì)工作，以此達(dá)到節(jié)省能源的目的。此外，信號(hào)比較器將為單片機(jī)篩選信號(hào)，除去其他熱源干擾信號(hào)。

1．2 空調(diào)扇搖頭角度控制原理

由單片機(jī)和直流電機(jī)構(gòu)成空調(diào)扇的搖頭控制裝置，其工作原理如下：由于角度位移傳感器安裝在搖頭裝置的轉(zhuǎn)軸上，其能感應(yīng)搖頭裝置轉(zhuǎn)過(guò)的角度與初始位置的夾角并將此信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將人體位置信號(hào)與直流電機(jī)位置信號(hào)進(jìn)行比較并用PD動(dòng)態(tài)算法分析計(jì)算搖頭裝置的控制量［4］，通過(guò)功率放大器放大信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使空調(diào)扇的搖頭裝置對(duì)準(zhǔn)人體位置送風(fēng)。

2 單片機(jī)系統(tǒng)工作流程

紅外感應(yīng)模塊將探測(cè)到的人體紅外輻射信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)接受的紅外輻射信號(hào)為其特征矩陣A＝ （T1，T2，T3，T4，T5），設(shè) 定T1，T2，T3，T4，T5的總和為sum，則：①當(dāng)sum＝0時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制溫度控制器來(lái)控制送風(fēng)裝置，使其在設(shè)定的延遲時(shí)間后能停止運(yùn)轉(zhuǎn)。②當(dāng)sum＝1時(shí)，送風(fēng)位置與人體位置一致，搖頭裝置將不操作。③當(dāng)sum＞1時(shí)，表示送風(fēng)裝置要給多個(gè)位置送風(fēng)，如3人站在空調(diào)扇周?chē)煌奈恢?，則單片機(jī)需要套用begin（）函數(shù)和end（）函數(shù)來(lái)確定起點(diǎn)送風(fēng)和終點(diǎn)送風(fēng)的位置，使空調(diào)扇在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間來(lái)回送風(fēng)。

單片機(jī)系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)工作流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

利用紅外線(xiàn)探測(cè)技術(shù)確定目標(biāo)人體位置，利用單片機(jī)及其外圍電路控制空調(diào)扇搖頭角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的跟蹤送風(fēng)。該設(shè)計(jì)使空調(diào)扇更加智能化和人性化，防止在無(wú)人情況下空調(diào)扇工作造成電能浪費(fèi)。因此，通過(guò)該技術(shù)改進(jìn)的空調(diào)扇可以廣泛應(yīng)用在學(xué)校、醫(yī)院、公司和超市等人員流動(dòng)較大的場(chǎng)所，從而實(shí)現(xiàn)最大程度地節(jié)約電能。

［1］吳川，尹雪霞 ．外測(cè)溫系統(tǒng)在空調(diào)中的應(yīng)用 ［J］．電腦知識(shí)與技術(shù)，2009，14（5）：3802-3803．

［2］梁森，黃杭美 ．自動(dòng)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù) ［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［3］武春風(fēng)，張偉 ．遠(yuǎn)紅外多普光譜圖像相關(guān)性的自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法 ［J］．紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2003，22（4）：265-267．

［4］胡壽濤 ．自動(dòng)控制原理 ［M］．北京：科學(xué)出版社，2007．