人體及溫度感應(yīng)式電風扇控制系統(tǒng)

付 麗，吳春鮮，楊雋瑩，吳友鑫

（重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400044）

人體及溫度感應(yīng)式電風扇控制系統(tǒng)

付 麗，吳春鮮，楊雋瑩，吳友鑫

（重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400044）

設(shè)計出一種能感應(yīng)人體及環(huán)境溫度的電風扇控制系統(tǒng)。單片機處理器AT89C51為系統(tǒng)的檢測和控制核心，熱釋電紅外傳感器檢測人體，DS18B20數(shù)字溫度傳感器感應(yīng)環(huán)境溫度。采用繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電風扇的檔位開關(guān)，根據(jù)人體紅外感應(yīng)信息控制風扇的開啟和關(guān)閉，依據(jù)環(huán)境溫度控制相應(yīng)的繼電器處于吸合狀態(tài)，使風扇輸出對應(yīng)的風速。該系統(tǒng)集成到傳統(tǒng)電風扇中，測試結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了對風扇的自動啟停及自動調(diào)速控制，具有推廣應(yīng)用價值。

控制系統(tǒng)；電風扇；紅外感應(yīng)

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(xiàn)能夠根據(jù)環(huán)境溫度的變化和人體的存在與否進行自動調(diào)節(jié)的智能電風扇產(chǎn)品。為此，本文設(shè)計出一種能夠檢測人體和測量環(huán)境溫度的電風扇控制系統(tǒng)，并把該系統(tǒng)裝置集成到傳統(tǒng)電風扇中，構(gòu)成具有自動和手動兩種模式的多功能電風扇。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)實現(xiàn)的功能，系統(tǒng)應(yīng)具有環(huán)境溫度檢測模塊、人體紅外檢測模塊、電機轉(zhuǎn)速控制模塊等，電風扇控制系統(tǒng)原理框圖如圖1虛線框內(nèi)所示。

系統(tǒng)工作原理：單片機獲取環(huán)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(huán)境溫度所屬范圍。若有人，單片機根據(jù)環(huán)境溫度所屬范圍，對調(diào)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(shè)定時間，則關(guān)閉風扇。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

AT89C系列與MCS－51系列單片機相比片內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計提供了一種靈活性高且價廉的方案，廣泛應(yīng)用于高性價比的場合［7］。

2.1 環(huán)境溫度檢測模塊

環(huán)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(nèi)可獲得±0.5℃的精度［8］，適合用于電風扇控制系統(tǒng)。溫度傳感器電路如圖2所示，其中DS18B20芯片的2腳為數(shù)字信號輸入/輸出端，用一根I/O口線讀寫數(shù)據(jù)［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(gòu)成，BISS0001是數(shù)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(yù)處理［10］。人體體溫一般在37℃左右，會發(fā)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(yīng)源熱釋電元件上，該元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)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(yīng)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(tǒng)中單片機能穩(wěn)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(jīng)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(tǒng)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(wěn)定地將紅外模塊輸出的3.3V轉(zhuǎn)換為0V輸出，而輸出的0V轉(zhuǎn)換為5V。這樣就將紅外模塊輸出的兩個邏輯電平轉(zhuǎn)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?？紤]到成本和功能，選用HJ1602A液晶顯示屏。當風扇處于關(guān)閉狀態(tài)時，液晶顯示屏處于關(guān)閉狀態(tài)；當風扇啟動時，溫度傳感器DS18B20測量的環(huán)境溫度顯示到液晶屏上；當紅外感應(yīng)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(shù)據(jù)口對應(yīng)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(tǒng)通過控制繼電器來使風扇輸出不同大小的風力。其設(shè)計思想是利用3個繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)風扇的3個檔位按鈕，單片機根據(jù)所測環(huán)境溫度使相應(yīng)繼電器處于吸合狀態(tài)，從而使風扇輸出與環(huán)境溫度對應(yīng)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(qū)動輸出控制。

圖5 繼電器與單片機的接口

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

與匯編語言相比，C語言具備可讀性和可移植性，易于調(diào)試，編程簡單易懂［13］。軟件設(shè)計采用51單片機C語言編寫，并用Keil51軟件進行調(diào)試。軟件系統(tǒng)由主程序和定時器中斷服務(wù)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(shè)定時間TIMER0時，在中斷服務(wù)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(jīng)開啟，為“0”時則表示關(guān)閉。Tp1、Tp2、Tp3為設(shè)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(jīng)打開，則需要繼續(xù)使風扇運行直到定時時間已到才關(guān)閉風扇。關(guān)閉風扇在程序中就是使3個繼電器處于釋放狀態(tài)。

3.2 中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序主要實現(xiàn)計時及標志位flag0置位功能。進入中斷服務(wù)程序后，首先使計時器的計數(shù)值增加，然后將計時時間與設(shè)定值TIME0比較，如果相等則關(guān)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(tǒng)測試

風扇是否自動開啟是由環(huán)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(huán)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(tǒng)所設(shè)置的最低風扇啟動溫度；紅外感應(yīng)傳感器在有效范圍內(nèi)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(tǒng)所設(shè)置的風扇啟動溫度；（2）紅外感應(yīng)傳感器在設(shè)定時間TIMER0（實驗設(shè)定5min）內(nèi)沒有檢測到人的存在。

將本控制系統(tǒng)集成到傳統(tǒng)電風扇中，并將控制系統(tǒng)中的繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)電風扇的檔位按鈕，改裝后的風扇內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(guān)以實現(xiàn)自動和傳統(tǒng)的手動兩種模式的切換。

圖7 電風扇內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(huán)境溫度。設(shè)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(jié)果：當測得溫度達到26℃，且有人在離風扇約7m以內(nèi)時，風扇自動開啟，且風力隨著環(huán)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(huán)境溫度從26℃升到34℃，風扇也未能自動開啟。根據(jù)20次重復(fù)實驗得到的結(jié)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(guān)閉，檔位1—3對應(yīng)風力由低到高。系統(tǒng)運行時液晶顯示屏顯示溫度為26.5℃，且檢測到有人在規(guī)定范圍內(nèi)活動時，風扇就轉(zhuǎn)動。

表1 不同環(huán)境溫度風扇運行狀態(tài)

5 結(jié)束語

具有溫度檢測和人體感應(yīng)的電風扇智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了風扇的自動開啟、關(guān)閉和調(diào)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(guān)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(yīng)人體活動信息，因此人靜止時，控制系統(tǒng)無法使風扇開啟，因此如何采取措施使控制系統(tǒng)能感應(yīng)靜止人體還有待進一步研究。

（References）

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［2］霍鵬飛，段光宇，滕敏，等.基于單片機的智能電風扇的設(shè)計［J］.河南科技學(xué)院學(xué)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(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（19）：119－120.

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

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

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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(xué)校教學(xué)改革項目（09－03－010）；“重慶大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)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(tǒng)及測試計量技術(shù).

E－mail：310＿fl＠163.com