基于STM32的智能空調(diào)送風(fēng)裝置設(shè)計

孫長城，鄧 玲，牛牧原，李全彬

（江蘇師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 徐州 221100）

0 引 言

作為生活必需品，空調(diào)逐漸成為對抗酷暑與寒冬的利器，但如果長時間處于空調(diào)直吹環(huán)境，很有可能產(chǎn)生皮膚干燥、關(guān)節(jié)疼痛、頭暈頭痛等不良反應(yīng)。尤其是兒童、老人、孕婦等特殊群體，如果長時間受到空調(diào)直吹，在自身免疫力低下時極易感染疾病，存在健康隱患。

目前市面上已存在的空調(diào)外置擋風(fēng)板雖然可以實現(xiàn)擋風(fēng)的基本需求，但卻無法靈活移動。如空調(diào)直吹范圍內(nèi)無人，且室內(nèi)需要快速降溫時，就需要減少空調(diào)外置擋風(fēng)板的阻風(fēng)性，現(xiàn)有設(shè)計均需要人為手動或遙控調(diào)節(jié)擋風(fēng)板。實際應(yīng)用中，對于老人、兒童、孕婦等群體，手動調(diào)節(jié)不方便也不安全。此外，當(dāng)人體體溫偏高時，需要適量的微風(fēng)吹拂身體，因此，很有必要對擋風(fēng)板的開啟和送風(fēng)的稀疏程度進行合理控制。

為避免空調(diào)直吹帶來的健康危害，并且靈活適配現(xiàn)實生活場景，本文設(shè)計了基于STM32的智能空調(diào)送風(fēng)裝置，可實現(xiàn)自動控制擋風(fēng)板的升降，并根據(jù)人體溫度變化合理控制送風(fēng)稀疏程度，在降低空調(diào)直吹風(fēng)危害的同時提高了生活品質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計以STM32F103RCT6為核心控制器。首先，利用OpenMV4判斷空調(diào)直吹范圍之內(nèi)是否有人存在。若無人，則擋風(fēng)板保持升起狀態(tài)；若有人，則擋風(fēng)板下降至空調(diào)出風(fēng)口處，同時，OpenMV4返回視野人體中心坐標(biāo)至STM32F103RCT6。其次，STM32F103RCT6驅(qū)動舵機帶動MLX90614、超聲波測距模塊與OpenMV4旋轉(zhuǎn)至人體坐標(biāo)與視野中心坐標(biāo)重合的位置，利用MLX90614與超聲波測距模塊獲得體溫數(shù)據(jù)和人體與空調(diào)外擋板之間的距離，并且結(jié)合距離對MLX90614測得的體溫數(shù)據(jù)進行溫度補償，得出最終體溫數(shù)據(jù)，根據(jù)最終體溫數(shù)據(jù)控制擋風(fēng)板送風(fēng)的稀疏程度，從而達到防直吹的效果。系統(tǒng)流程設(shè)計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 STM32F103RCT6核心控制模塊

STM32F103是一種高性能、低成本、低功耗的32位單片機，擁有主流Cortex內(nèi)核及強大的軟件支持與豐富的軟件包。內(nèi)置 256 KB的 FLASH、48 KB的RAM、3×12位ADC、1×12位DAC、2個16位基本定時器、2個DMA控制器、3個SPI、2個IC、3路USART通信口、5個串口、1個USB，時鐘頻率最高可達72 MHz。STM32F103的每個I/O都可以作為外部中斷的中斷輸入口，STM32F103的中斷控制器支持19個外部中斷/事件請求，每個中斷設(shè)有狀態(tài)位，每個中斷/事件都有獨立的觸發(fā)和屏蔽設(shè)置。

2.2 OpenMV4機器視覺模塊

OpenMV4是一個開源、低成本、功能強大的機器視覺模塊。以STM32F767CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語言高效實現(xiàn)了核心機器視覺算法，提供Python編程接口。OpenMV4上的機器視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測、眼球跟蹤、邊緣檢測、標(biāo)志跟蹤等，可以用來實現(xiàn)非法入侵檢測、殘次品篩選、跟蹤固定標(biāo)記物等。OpenMV采用的STM32F427擁有豐富的硬件資源，引出UART，IC，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴展外圍功能。USB接口用于連接電腦上的集成開發(fā)環(huán)境OpenMVIDE，協(xié)助完成編程、調(diào)試和更新固件等工作。TF卡槽支持大容量TF卡，可用于存放程序和保存照片等。

2.3 MLX90614溫度采集模塊

MLX90614是一款紅外非接觸溫度計。TO-39金屬封裝同時集成了紅外感應(yīng)熱電堆探測器芯片和信號處理專用集成芯片。溫度計出廠校準(zhǔn)，包括數(shù)字PWM和SMBus輸出模式。配置為10位的PWM輸出格式用于連續(xù)傳送溫度范圍為-20～120 °C的物體溫度，供電電壓為3 V，具有溫度梯度補償功能，分辨率為 0.01 °C，標(biāo)準(zhǔn)精度為 ±0.5 °C。該模塊具有體積小、成本低、易集成、高精度和高分辨率等優(yōu)點。MLX90614只有4個管腳，分別是供電端VDD，數(shù)字信號輸入輸出端SDA，時鐘信號輸入端SCL，接地端VSS，電路如圖3所示。為保證SDA與SCL在總線空閑時為高電平，使用2個上拉電阻與電源相連。MLX90614電路如圖3所示。

圖3 MLX90614電路

2.4 超聲波模塊HC-SR04

在測距模塊的選擇上，由于激光測距會影響人體皮膚溫度，于是本設(shè)計采用超聲波測距。HC-SR04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3 mm。超聲波測距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波立即停止計時。根據(jù)時間差和超聲波的速度可以估算出發(fā)射位置到障礙物的距離。超聲波測距原理如圖4所示。

圖4 超聲波測距原理

超聲波發(fā)射電路如圖5所示。當(dāng)HC-SR04接收到單片機傳輸?shù)?0 kHz的PWM方波時，將驅(qū)動CD4049芯片，反相器CD4049在方波的驅(qū)動下輸出交流電壓到超聲波發(fā)射器，使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。當(dāng)HC-SR04接收到回波信號時，輸出回波信號，回波信號的脈沖寬度和距離成正比。

圖5 超聲波測距發(fā)射電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

完善的軟件控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)平穩(wěn)運行的核心。本系統(tǒng)基于Keil μVision5編程環(huán)境，運用C語言編寫代碼。軟件總體設(shè)計流程如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計流程

3.1 人像檢測功能設(shè)計

本系統(tǒng)通過OpenMV4人像識別檢測視野內(nèi)是否有人活動，若視野中同時出現(xiàn)多個人時以最近者為準(zhǔn)。該功能利用OpenMV4的haar算子實現(xiàn)人像識別，一旦檢測到人就會將其框住并返回當(dāng)前坐標(biāo)到STM32F103RCT6。人像檢測功能反饋效果如圖7、圖8所示。

圖7 框選人體返回坐標(biāo)

圖8 舵機追蹤人體

3.2 人體測溫功能設(shè)計MLX90614

應(yīng)用MLX90614 紅外測溫模塊與超聲波測距模塊制作了人體測溫系統(tǒng)，由于距離因素會影響MLX90614的測溫精度，為了讓MLX90614在空調(diào)直吹范圍內(nèi)發(fā)揮最大性能，本文通過測量人體與空調(diào)出風(fēng)口之間的距離進行對應(yīng)的溫度補償。人體測溫系統(tǒng)流程如圖9所示。

圖9 人體測溫系統(tǒng)流程

3.3 擋風(fēng)板的控制設(shè)計

單片機接收到OpenMV4傳回的數(shù)據(jù)時進行判斷。若空調(diào)直吹范圍內(nèi)無人，則舵機保持初始狀態(tài)，即空調(diào)擋風(fēng)板保持抬升狀態(tài)；若空調(diào)直吹范圍內(nèi)有人，則調(diào)用人體測溫功能，且單片機實時接收人體溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合人體溫度調(diào)節(jié)次擋風(fēng)板舵機的旋轉(zhuǎn)角度來實時控制空調(diào)送風(fēng)的疏密程度。擋風(fēng)板控制流程如圖10所示。

圖10 擋板控制流程

4 實驗過程

現(xiàn)場測試時，測試對象為2名青年男女。本實驗分成3種情況：（1）空調(diào)直吹范圍內(nèi)無人；（2）青年女性為正常體溫，出現(xiàn)在空調(diào)直吹范圍內(nèi)；（3）青年男性模擬劇烈運動后出現(xiàn)在空調(diào)直吹范圍內(nèi)。整體裝置如圖11所示。

圖11 整體裝置

第一種場景是OpenMV4視野內(nèi)無人活動。此時舵機保持初始狀態(tài)，空調(diào)擋風(fēng)板持續(xù)抬升。場景一裝置反饋結(jié)果如圖12所示。

圖12 場景一：視野內(nèi)無人活動

第二種場景是OpenMV4視野內(nèi)有人且被測對象體溫在正常范圍內(nèi)。此時舵機帶動OpenMV4追蹤人像，并用白框?qū)崟r框住人像，舵機帶動擋風(fēng)板下降至空調(diào)出風(fēng)口處，由于被測者體溫在正常范圍內(nèi)，無需過多送風(fēng)，故擋風(fēng)板的小孔處于部分封閉狀態(tài)，這時送風(fēng)程度比較稀疏。場景二裝置反饋結(jié)果如圖13所示

圖13 場景二：有人且被測對象體溫在正常范圍內(nèi)

第三種場景是OpenMV4視野內(nèi)有人且被測對象體溫偏高，例如劇烈運動后或者炎熱的夏天。此時舵機帶動OpenMV4追蹤人像，并用白框?qū)崟r框住人像，舵機帶動擋風(fēng)板下降至空調(diào)出風(fēng)口處，由于被測者體溫較高，需要稍大的送風(fēng)量降暑，故擋風(fēng)板的小孔處于全部打開狀態(tài)，這時送風(fēng)強度高。場景三裝置反饋結(jié)果如圖14所示。

圖14 場景三：有人且被測對象體溫偏高

以上是本設(shè)計模擬的3種比較典型的生活場景，根據(jù)實驗結(jié)果表明，本設(shè)計能夠根據(jù)不同的生活場景很好地實現(xiàn)其對應(yīng)的功能。

5 結(jié) 語

本設(shè)計以控制空調(diào)擋風(fēng)板的升降和送風(fēng)疏密程度為主要內(nèi)容，智能空調(diào)送風(fēng)設(shè)計的研究不僅要考慮當(dāng)前室溫，還要考慮人與空調(diào)的距離。本文通過超聲波測距與紅外測溫模塊相互配合，由二者反饋的數(shù)據(jù)進行溫度補償，從而控制擋風(fēng)板的疏密程度，達到防直吹的效果。STM32F103RCT6作為核心控制器，能實時接收、處理各模塊返回的數(shù)據(jù)，且可以根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)有效控制各模塊的運作。

本設(shè)計具有自動控制擋風(fēng)板升降、根據(jù)體溫變化合理控制送風(fēng)稀疏程度的功能，集智能化、個性化于一體，致力于為用戶打造安全、便捷的空調(diào)使用環(huán)境，在保障基本需求的同時帶給用戶更舒適的體驗，應(yīng)用前景廣闊。