智能追蹤調(diào)速風(fēng)扇系統(tǒng)的設(shè)計

王浩　任慧月　韓淑華

【摘要】本設(shè)計利用溫度傳感器實(shí)時采集周圍環(huán)境溫度，熱釋紅外傳感器判斷人群信息，當(dāng)環(huán)境溫度超過閥值且在有效范圍內(nèi)有人活動時立即啟動風(fēng)扇，根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行自動調(diào)速并通過傳感器追蹤人群位置實(shí)現(xiàn)自動追蹤功能。采取了兩種工作模式，即手動調(diào)速模式，包括按鍵和遙控，實(shí)現(xiàn)了通過按鍵和遙控配合調(diào)速的功能；智能模式，根據(jù)檢測到的溫度與設(shè)定的溫度的比較實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的自動啟動和停止及自動追蹤人群位置，啟停的溫度界限可由用戶通過按鍵設(shè)置，并能根據(jù)溫度的變化自動改變風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速；自然風(fēng)模式，即風(fēng)扇自動改變轉(zhuǎn)速以模擬自然風(fēng)，給人們的生活帶來了極大的方便。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 溫度檢測 熱釋紅外傳感器 智能控制

1. 設(shè)計背景

1880年，美國人舒樂首次將葉片直接裝在電動機(jī)上，再接上電源，葉片飛速轉(zhuǎn)動，陣陣涼風(fēng)撲面而來，這就是世界上第一臺電風(fēng)扇。

近年來，隨著空調(diào)業(yè)的價格水平不斷下降，其風(fēng)頭早已超過了風(fēng)扇，但空調(diào)的強(qiáng)大制冷效果以及高耗電量、且封閉空間的弊端，使得傳統(tǒng)的借助空氣流動降低熱量但通風(fēng)效果和功耗低的風(fēng)扇仍然存在很大的市場。部分風(fēng)扇企業(yè)考慮到兩者之間的差異性，就在現(xiàn)有的功能上借鑒并創(chuàng)造設(shè)計出了一些更具人性化和個性化的功能，形成了空調(diào)、風(fēng)扇兩者互補(bǔ)的局面，使兩者相得益彰，共同發(fā)展，透過當(dāng)今千姿百態(tài)的電風(fēng)扇市場，我們可以預(yù)言：今后的電風(fēng)扇一定會繼續(xù)吹著創(chuàng)新設(shè)計風(fēng)和人性功能風(fēng)。

分析了人們的實(shí)際需求后，我們設(shè)計研發(fā)出這款自動追蹤調(diào)速風(fēng)扇。

2. 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為控制器，分為主控臺和工作區(qū)兩部分。系統(tǒng)通過熱釋紅外傳感器定位人群信息，在主控臺設(shè)置閾值溫度、轉(zhuǎn)速與溫度的對應(yīng)關(guān)系。通過主控單片機(jī)將信息發(fā)送至工作區(qū)，工作區(qū)電機(jī)工作并將DS18B20溫度傳感器檢測到的溫度回傳給主控臺，單片機(jī)將接收到的信號進(jìn)行處理，進(jìn)而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和舵機(jī)的轉(zhuǎn)角。使人在一定范圍內(nèi)都能夠一直吹到?jīng)鏊娘L(fēng)，使用起來更加方便靈活。

整個溫度自動散熱系統(tǒng)有檢測模塊 、環(huán)境溫度采集模塊、供電模塊、主控制模塊以及電機(jī)模塊，顯示模塊這六大模塊組成。

檢測模塊：采用熱釋紅外傳感器檢測，它具有傳輸距離遠(yuǎn)，可靠性強(qiáng)，且能準(zhǔn)確的進(jìn)行人體移動探測。

環(huán)境溫度采集模塊：選用美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有測量范圍廣，且測量精度高，可采用單片機(jī)直接進(jìn)行溫度的讀取，使用方便。

供電模塊：供電模塊采用220V＼50Hz經(jīng)變壓器得到5V直流電給主控模塊供電，由主控模塊給其他功能模塊供電；

主控模塊：整合處理控制各功能模塊，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器它帶有32個I＼O口，三個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量二級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口，性價比高。

電機(jī)模塊：采用舵機(jī)同直流電機(jī)搭配，舵機(jī)具有扭力大容易控制。小型直流減速電機(jī)，減速電機(jī)控制精度低，且速度均勻性好，控制簡單，電源要求低，易于實(shí)現(xiàn)。

顯示模塊：采用12864液晶顯示，此液晶顯示器界面簡潔，控制簡單，在顯示數(shù)字和漢字方面符合實(shí)際需求。

3.硬件電路設(shè)計

（1）驅(qū)動電路的設(shè)計

電機(jī)/舵機(jī)由STC89C52單片機(jī)控制。當(dāng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，熱電釋紅外傳感器檢測人群的范圍，單片機(jī)輸出PWM信號，調(diào)節(jié)其占空比，可以改變舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。占空比越大，舵機(jī)轉(zhuǎn)角越大；占空比越小，舵機(jī)轉(zhuǎn)角越小。

溫度傳感器DS18B20將采集到的環(huán)境溫度與設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比對，然后由單片機(jī)輸出PWM信號，調(diào)節(jié)占空比，改變直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與PWM信號的占空比成正比關(guān)系，即占空比越大，轉(zhuǎn)速越快。

（2）熱釋紅外傳感器電路的設(shè)計

熱釋紅外傳感器主要用來檢測人群所處的位置信息。本系統(tǒng)共采用6個HC-SR501型熱釋紅外傳感器，按半圓形排列，每一個傳感器感應(yīng)30°范圍內(nèi)的人群信息。HC-SR501配有菲涅爾透鏡，檢測距離達(dá)到7米，在6個傳感器的共

同作用下，最大檢測扇角為180°，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

（3）測溫電路的設(shè)計

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器檢測工作區(qū)的環(huán)境溫度信息。DS18B20是一種數(shù)字輸出形式的溫度傳感器，所以抗干擾能力較強(qiáng)。本系統(tǒng)中DS18B20主要有兩方面的作用，首先是在系統(tǒng)啟動前檢測環(huán)境溫度，并將其與事先設(shè)定的閾值溫度比較，當(dāng)達(dá)到閾值溫度時，系統(tǒng)開始運(yùn)行。另一方面，當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時，將實(shí)時的環(huán)境溫度與設(shè)定好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)溫度相比較，根據(jù)不同等級，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4.軟件設(shè)計

軟件部分重點(diǎn)在于主控臺可以通過按鍵對工作區(qū)閾值溫度、溫度和轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系等信息進(jìn)行設(shè)置。難點(diǎn)在于驅(qū)動電路方面，主要包括電機(jī)驅(qū)動和舵機(jī)驅(qū)動兩部分。根據(jù)人群位置的信息，計算改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)角；根據(jù)環(huán)境溫度的高低，調(diào)節(jié)風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)程序主要包括主程序、DS18B20和紅外熱釋電傳感器的初始化、讀傳感器子程序、參數(shù)設(shè)置子程序、驅(qū)動電路子程序等等。由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，在對DS18B20進(jìn)行讀寫編程時，必須嚴(yán)格保證初始化及讀寫時序，否則將無法讀取測溫結(jié)果。

5.結(jié)束語

本系統(tǒng)是采用熱釋紅外傳感器定位人群位置，并用DS18B20實(shí)時采集環(huán)境溫度，單片機(jī)STC89C52為數(shù)據(jù)處理中心，電機(jī)/舵機(jī)作為動力單元，加上顯示單元構(gòu)成的，設(shè)計難點(diǎn)在于電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)溫度變化的調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的實(shí)時精確控制。通過調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)角和電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇只在人群的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，并根據(jù)環(huán)境溫度開啟關(guān)閉電源、調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等。

【參考文獻(xiàn)】

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黃淮學(xué)院2014學(xué)生科研項(xiàng)目