基于STM32的無葉風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)

文/錢成國 田志勇

無葉風(fēng)扇作為一種新型風(fēng)扇，因無扇葉，因此不會吸附塵土，也不存在扇葉傷人的情況；采用無級變速控制，阻力小，無噪音，空氣流和傳統(tǒng)風(fēng)扇相比較更加平穩(wěn)，風(fēng)量均勻，能耗低，僅為傳統(tǒng)風(fēng)扇的一半，價格相仿，與空調(diào)相比性價比高，具有危險系數(shù)低、污染小和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，越來越受人們的喜愛，具有廣闊的市場前景。然而，當(dāng)前市場上已有的無葉風(fēng)扇仍存在手動設(shè)置風(fēng)速檔位、無法依據(jù)人體位置移動而實(shí)時調(diào)整風(fēng)力等情況。

針對以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無葉風(fēng)扇控制器方案。該控制器既具備傳統(tǒng)無葉風(fēng)扇的控制功能，同時可依據(jù)人體位置變化從而實(shí)時地、智能地調(diào)節(jié)風(fēng)扇送風(fēng)風(fēng)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示為基于STM32的無葉風(fēng)扇控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。由圖可知，該控制器以ST公司生產(chǎn)的低功耗高性價比的STM32系列單片機(jī)為核心，輔以溫度采集電路、壓力采集電路、人體紅外檢測模塊、人機(jī)交互界面、電機(jī)驅(qū)動模塊和電源模塊等外圍模塊構(gòu)成。

圖1：總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2：人體監(jiān)測電路

系統(tǒng)可通過人機(jī)交互界面設(shè)置當(dāng)前系統(tǒng)工作模式、工作溫度和風(fēng)速檔位，也可通過人機(jī)交互界面實(shí)時觀測當(dāng)前環(huán)境溫度和當(dāng)前風(fēng)速等信息。

若系統(tǒng)選擇為傳統(tǒng)工作模式，人體紅外檢測模塊作用僅為檢測當(dāng)前環(huán)境下是否有人體存在。若無人存在，系統(tǒng)則不工作；若有人存在，微控制器則控制電機(jī)驅(qū)動模塊啟動電機(jī)，并根據(jù)當(dāng)前設(shè)置的溫度和風(fēng)速檔位，根據(jù)算法調(diào)整電機(jī)風(fēng)速。

若系統(tǒng)選擇為智能調(diào)節(jié)模式，人體紅外檢測模塊作用則主要通過檢測是否有人存在，并通過紅外測距傳感器檢測人體與風(fēng)扇之間的距離，并反饋給微控制器。微控制則通過當(dāng)前環(huán)境溫度、設(shè)置溫度、人體紅外信號、距離信息、當(dāng)前風(fēng)速等數(shù)據(jù)，自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇角度及風(fēng)力。

圖3：傳感器信號處理電路

圖4：電機(jī)驅(qū)動電路

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 人體檢測電路

人體監(jiān)測電路包括人體感應(yīng)電路和紅外測距電路兩部分。人體感應(yīng)電路采用以LHI778探頭設(shè)計(jì)的HC-SR501模塊為核心設(shè)計(jì)。該模塊能監(jiān)測人體發(fā)射紅外線，將紅外轉(zhuǎn)化為電信號輸出，可感應(yīng)0～7m范圍，靈敏度高，可靠性強(qiáng)。紅外測距部分采用Sharp公司的GP2Y0A21YK0F紅外測距傳感器。該傳感器采用5V供電，能測量10～80cm范圍內(nèi)的距離，對應(yīng)輸出模擬電壓為2.4～0.5V。因在10cm以內(nèi)該傳感器存在盲區(qū)，無法精確測量出實(shí)際距離，故在設(shè)計(jì)時需將該傳感器安裝在距離無葉風(fēng)扇出風(fēng)口距離為10cm處。如圖2所示為人體監(jiān)測電路，HC-SR501模塊輸出端通過一限流電阻與三極管s8050連接，接至STM32的IO腳。當(dāng)人體進(jìn)入其感應(yīng)范圍，則STM32接收到低電平；當(dāng)人體離開干感應(yīng)范圍，HCSR501模塊則自動延時關(guān)閉，STM32接收到高電平。紅外測距模塊連接至STM32自帶的A/D轉(zhuǎn)換管腳。

圖5：人體檢測流程圖

圖6：電機(jī)驅(qū)動子程序

2.2 壓力采集電路

本系統(tǒng)采用美國飛思卡爾MPXV7002DP集成硅阻式傳感器，應(yīng)用廣泛，最大測量壓差為8kPa，功輸出電壓范圍為0.5～4.5V。傳感器當(dāng)前測得壓力與輸出信號之間關(guān)系如式1所示。

其中VS為芯片工作電壓5V；P為測得的壓力，單位是kPa；VFSS為量程范圍，常用值為4V；由此可知，當(dāng)P=0時，VOUT=2.25V～2.75V。即上電后，輸出電壓（即補(bǔ)償電壓）為2.25V～2.75V。因壓力變化信號屬于一個小信號，不能直接送到微控制器進(jìn)行采樣，否則精度不夠或者無法識別，因此須先經(jīng)過放大電路對其進(jìn)行處理。如圖3所示為傳感器輸出信號的偏置補(bǔ)償和放大電路。

2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動電路主要用于調(diào)節(jié)無葉風(fēng)扇風(fēng)速，遵循“人近風(fēng)小，人遠(yuǎn)風(fēng)大”的原則，通過脈寬調(diào)制控制風(fēng)速，使人感受到恒定的風(fēng)速，如圖4所示為電機(jī)驅(qū)動電路。由+3.3V直流電通過LED1輸入到光耦TLP521-2，當(dāng)STM32單片機(jī)輸出低電平是光耦導(dǎo)通，一路通直流電機(jī)正極，另一路通負(fù)極并使IRF540導(dǎo)通，是強(qiáng)電部分直流電機(jī)工作。電機(jī)驅(qū)動使用MOSFET，提供大電流來驅(qū)動電動機(jī)；D1和D2為續(xù)流二極管，可有效的防止電壓電流突變，為其提供通路。通過此電路，可完成對電機(jī)的控制已經(jīng)對電機(jī)控制電路的保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括人體檢測程序、壓力采集程序、電機(jī)驅(qū)動程序、液晶顯示程序、按鍵掃描程序、溫度檢測程序等子程序。

3.1 人體檢測子程序

人體檢測子程序包含人體感應(yīng)子程序和距離檢測子程序兩部分，主要完成人體紅外感應(yīng)、人體與無葉風(fēng)扇之間距離的檢測。其流程如圖5所示。首先，單片機(jī)通過檢測IO腳是否為高電平。若為高電平，代表當(dāng)前環(huán)境下無人則不啟動無葉風(fēng)扇。若為低電平，則判斷是否是智能調(diào)節(jié)模式。若為智能調(diào)節(jié)模式，則通過單片機(jī)自帶的12位ADC獲取人體距離無葉風(fēng)扇出風(fēng)口的距離，并將此距離數(shù)據(jù)傳給風(fēng)速調(diào)節(jié)子函數(shù)。

3.2 電機(jī)驅(qū)動子程序

電機(jī)驅(qū)動子程序，即根據(jù)所檢測到的人與無葉風(fēng)扇之間的距離和當(dāng)前檢測到的壓力值，通過輸出相應(yīng)占空比的PWM波進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無葉風(fēng)扇出風(fēng)速度的功能，其流程如圖6所示。

該部分程序設(shè)計(jì)時，采用輸出固定頻率的PWM波，通過檢測當(dāng)前壓力值和人體距離無葉風(fēng)扇出風(fēng)口距離或設(shè)定的壓力值兩者之間的對比，通過控制其高低電平輸出時間來控制PWM波的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)。若設(shè)定的壓力值或當(dāng)前距離所需的壓力值大于當(dāng)前壓力值，則增大占空比，加快電機(jī)轉(zhuǎn)速，增大風(fēng)速；反之，若小于當(dāng)前壓力值，則減小占空比，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少出風(fēng)量。

4 系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)

系統(tǒng)主要進(jìn)行人體檢測電路、壓力采集電路、電機(jī)驅(qū)動電路和人機(jī)交互界面等功能進(jìn)行調(diào)試。

人體檢測電路主要測試在系統(tǒng)設(shè)定的最大感應(yīng)距離內(nèi)能否準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)有人，并能測量出當(dāng)前所在位置。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有人在距離無葉風(fēng)扇出風(fēng)口5m、左右50°角度范圍內(nèi)時，控制器均能感應(yīng)到有人，并且人機(jī)界面能正確顯示當(dāng)前人體所在位置。當(dāng)超出范圍時，無葉風(fēng)扇無法感應(yīng)到人體，因此停止出風(fēng)。

電機(jī)驅(qū)動電路主要測試在人體距離無葉風(fēng)扇出風(fēng)口位置變化時，電機(jī)轉(zhuǎn)速即無葉風(fēng)扇風(fēng)速的變化情況。測試時，利用一臺風(fēng)速測量儀進(jìn)行記錄，在設(shè)備感應(yīng)范圍內(nèi)，人體隨機(jī)進(jìn)行移動。經(jīng)測試，當(dāng)人體在距離無葉風(fēng)扇出風(fēng)口1m以內(nèi)時，風(fēng)速隨著距離的增加而增加；當(dāng)超出1m范圍之后，風(fēng)速不再增加，恒定不變。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于STM32的新型無葉風(fēng)扇控制器方案。該控制器既具備傳統(tǒng)無葉風(fēng)扇的控制功能，同時可通過檢測人體位置的變化，控制PWM波占空比，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)風(fēng)扇送風(fēng)量。該控制器操作靈活，可靠性高，提高了無葉風(fēng)扇的智能化控制，可達(dá)到節(jié)約能源的效果。