空调扇摇头装置摇头角度控制研究

何博为 （河源广播电视大学电子与信息工程系，广东 河源517000）

红外线探测技术是利用红外线光谱识别技术对自然背景下的人体红外辐射信号进行探测，并利用探测到的信号组成相关的点阵排布图像，以确定人体所在方位［1］。利用单片机及其外围电路来控制空调扇摇头角度，调整送风口，使其与人体位置相一致，从而让空调扇最大限度地对准人体送风。下面，笔者对空调扇摇头装置摇头角度的控制进行了研究。

1 空调扇摇头装置工作原理

图1 空调扇摇头装置工作原理图

空调扇摇头装置主要由红外感应模块、信号比较器、单片机及其外围电路、风扇直流电机、传动机构、摇头控制机构和角位移传感器组成 （图1）。当红外感应模块探测到物体产生的红外辐射信号后，产生变化的电压信号，将该变化的电压信号传入比较器中。比较器对信号进行判断，当信号较弱 （如有小宠物经过或人体与空调扇距离较远）时，将不发出工作指令，反之将工作指令发送给单片机及其外围电路。单片机及其外围电路启动空调扇的直流电机使其运转。传动机构带动摇头控制机构，角位移传感器将摇头装置的初始位置与红外探测的信号位置进行对比追踪，从而实现追踪人体送风。

1．1 红外感应模块工作原理

红外感应模块的主要元件为热释电红外传感器 （PIR）和菲涅尔透镜。PIR能将8～12μm的红外辐射波探测信号转化为电压信号，同时对自然界的白光信号具有抑制作用。当无人移动时，PIR探测到的是自然背景温度，当有人进入探测范围时，PIR感应到人体辐射信号与自然背景信号的差异，从而控制空调扇直流电机是否工作。但是当自然界背景温度高于37℃时，会产生误报信号情况，为此要利用菲涅尔透镜进行甄别。菲涅尔透镜将红外辐射探测信号折射和反射到PIR上，同时能将红外感应模块探测的范围分为若干个明区和暗区［1］。当人进入空调扇的红外模块探测范围时，由于探测的明区和暗区有变化，即对人体的移动以温度变化的形式在PIR上产生变化的电压信号；当自然背景的温度达到37℃时，由于探测的明区和暗区无变化，则可认为没有人进入探测区，由此防止误报信号情况的发生。

红外感应模块电路内部由2级运放器、比较器、定时器、过零检测、控制电路、系统时钟等电路组成［2］。PIR传感器检测到人体移动引起的红外辐射的变化并将其转换为变化电压信号，通过2级运放器选频放大比较后将信号输入到单片机及其外围电路中，由单片机及其外围电路输出过零脉冲来触发双向可控硅导通。采用交流过零触发能消除可控硅导通时产生的浪涌电流，从而延长直流电机的使用寿命。

用多普自动目标识别技术构造目标场景，即将红外辐射信号的光谱转化为特定的红外光谱特征矩阵［3］。用矩阵Am（n）表示在焦平面上第m列第n行对应的像素点，当有变化的信号时记为1，没有收到信号时记为0。当信号中出现1的值大于60%时即判定有人存在，并将风口对准1出现较为集中的方位。

为简化过程，将红外光谱探测信号的特征矩阵分为5个区域：A＝（T1，T2，T3，T4，T5）。当上述5个区域中有3个或3个以上区域有探测信号，则单片机系统控制摇头装置使其对准人体，并调整空调扇风口的扫风起点位置和终点位位置，使空调扇能在人体辐射信号集中的位置范围内送风。反之，当探测信号所占的区域较小时则认为没有人存在，空调扇将不会工作，以此达到节省能源的目的。此外，信号比较器将为单片机筛选信号，除去其他热源干扰信号。

1．2 空调扇摇头角度控制原理

由单片机和直流电机构成空调扇的摇头控制装置，其工作原理如下：由于角度位移传感器安装在摇头装置的转轴上，其能感应摇头装置转过的角度与初始位置的夹角并将此信号发送给单片机，单片机将人体位置信号与直流电机位置信号进行比较并用PD动态算法分析计算摇头装置的控制量［4］，通过功率放大器放大信号来驱动电机，使空调扇的摇头装置对准人体位置送风。

2 单片机系统工作流程

红外感应模块将探测到的人体红外辐射信号数据传输给单片机，单片机接受的红外辐射信号为其特征矩阵A＝ （T1，T2，T3，T4，T5），设 定T1，T2，T3，T4，T5的总和为sum，则：①当sum＝0时，单片机通过控制温度控制器来控制送风装置，使其在设定的延迟时间后能停止运转。②当sum＝1时，送风位置与人体位置一致，摇头装置将不操作。③当sum＞1时，表示送风装置要给多个位置送风，如3人站在空调扇周围不同的位置，则单片机需要套用begin（）函数和end（）函数来确定起点送风和终点送风的位置，使空调扇在起点和终点之间来回送风。

单片机系统工作流程图如图2所示。

图2 单片机系统工作流程图

3 结 语

利用红外线探测技术确定目标人体位置，利用单片机及其外围电路控制空调扇摇头角度来实现对人体的跟踪送风。该设计使空调扇更加智能化和人性化，防止在无人情况下空调扇工作造成电能浪费。因此，通过该技术改进的空调扇可以广泛应用在学校、医院、公司和超市等人员流动较大的场所，从而实现最大程度地节约电能。

［1］吴川，尹雪霞 ．外测温系统在空调中的应用 ［J］．电脑知识与技术，2009，14（5）：3802-3803．

［2］梁森，黄杭美 ．自动检测与转换技术 ［M］．北京：机械工业出版社，2007．

［3］武春风，张伟 ．远红外多普光谱图像相关性的自动目标识别算法 ［J］．红外与毫米波学报，2003，22（4）：265-267．

［4］胡寿涛 ．自动控制原理 ［M］．北京：科学出版社，2007．