人体及温度感应式电风扇控制系统

付 丽，吴春鲜，杨隽莹，吴友鑫

（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044）

人体及温度感应式电风扇控制系统

付 丽，吴春鲜，杨隽莹，吴友鑫

（重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044）

设计出一种能感应人体及环境温度的电风扇控制系统。单片机处理器AT89C51为系统的检测和控制核心，热释电红外传感器检测人体，DS18B20数字温度传感器感应环境温度。采用继电器代替传统电风扇的档位开关，根据人体红外感应信息控制风扇的开启和关闭，依据环境温度控制相应的继电器处于吸合状态，使风扇输出对应的风速。该系统集成到传统电风扇中，测试结果表明，系统实现了对风扇的自动启停及自动调速控制，具有推广应用价值。

控制系统；电风扇；红外感应

为提高电风扇的智能化并降低能耗，有不少研究人员对电风扇的智能控制进行了研究［1－5］，但目前市面上仍没有出现能够根据环境温度的变化和人体的存在与否进行自动调节的智能电风扇产品。为此，本文设计出一种能够检测人体和测量环境温度的电风扇控制系统，并把该系统装置集成到传统电风扇中，构成具有自动和手动两种模式的多功能电风扇。

1 系统总体设计

根据实现的功能，系统应具有环境温度检测模块、人体红外检测模块、电机转速控制模块等，电风扇控制系统原理框图如图1虚线框内所示。

系统工作原理：单片机获取环境温度检测模块和人体红外检测模块所测信号，判断其周围是否有人和环境温度所属范围。若有人，单片机根据环境温度所属范围，对调速部分的继电器进行控制，从而使电机控制风扇输出不同的风力，同时计时时间清零，并在液晶屏上显示所测温度。若无人，单片机启动定时中断开始计时，当计时到设定时间，则关闭风扇。

图1 系统原理框图

2 系统硬件设计

AT89C系列与MCS－51系列单片机相比片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便［6］。本系统中选用ATMEL公司的AT89C51，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为很多嵌入式控制系统的设计提供了一种灵活性高且价廉的方案，广泛应用于高性价比的场合［7］。

2.1 环境温度检测模块

环境温度检测采用DS18B20温度传感器，该传感器测量温度范围为－55℃～＋125℃，具有0.062 5℃的分辨率，在－10℃～＋85℃范围内可获得±0.5℃的精度［8］，适合用于电风扇控制系统。温度传感器电路如图2所示，其中DS18B20芯片的2脚为数字信号输入/输出端，用一根I/O口线读写数据［9］，该引脚与单片机的IO口P2.1连接。

图2 温度检测模块

2.2 人体红外检测模块

该模块主要由一个热释电人体红外传感器和一个热释电处理芯片BISS0001构成，BISS0001是数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理［10］。人体体温一般在37℃左右，会发出特定波长（10μm）左右的红外线。此波长的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源热释电元件上，该元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号［11］，由红外检测模块2脚输出，如图3所示，该引脚连接到CD4069中非门的输入，对应输出端与单片机IO口P2.0连接。

图3 红外检测模块

2.3 非门模块

由红外检测模块的特性可知，当检测到有人体存在时，红外检测模块输出电压为3.3V，否则，输出0V。系统中单片机能稳定识别：高电平电压时为高于2/3VCC（VCC＝5V）电压，低电平电压时为低于1/3VCC电压。所以红外模块输出的高电平与单片机的高电平不匹配。经过多次试验证明，当人体存在时，由于电平不匹配，单片机系统不能每次都正确地检测到红外模块输出的高电平。为此，在红外模块和单片机之间引入CMOS非门芯片CD4069（见图3）。CD4069具有3～15V的宽范围供给电源特性［12］，用＋5V供电可直接与单片机连接，能稳定地将红外模块输出的3.3V转换为0V输出，而输出的0V转换为5V。这样就将红外模块输出的两个逻辑电平转化为单片机能完全匹配的2个逻辑电平。

2.4 液晶显示模块

液晶显示模块显示当前室温和定时器计时时间。考虑到成本和功能，选用HJ1602A液晶显示屏。当风扇处于关闭状态时，液晶显示屏处于关闭状态；当风扇启动时，温度传感器DS18B20测量的环境温度显示到液晶屏上；当红外感应模块检测不到人的存在时，计时器开始计时，计时时间通过液晶显示屏显示。液晶显示模块和单片机的连接如图4所示，其中数据口对应连接到单片机的P0口，控制引脚分别与单片机P2.4—P2.6连接。单片机P2.7口连接到三极管控制背光是否开启。

2.5 继电器模块

图4 液晶显示器和单片机的接口

系统通过控制继电器来使风扇输出不同大小的风力。其设计思想是利用3个继电器代替传统风扇的3个档位按钮，单片机根据所测环境温度使相应继电器处于吸合状态，从而使风扇输出与环境温度对应的风力。单片机与继电器接口电路如图5所示。利用单片机P1口低3位通过芯片ULN2003驱动输出控制。

图5 继电器与单片机的接口

3 系统软件设计

与汇编语言相比，C语言具备可读性和可移植性，易于调试，编程简单易懂［13］。软件设计采用51单片机C语言编写，并用Keil51软件进行调试。软件系统由主程序和定时器中断服务程序组成。

3.1 主程序

主程序流程图见图6。

图6 主程序流程图

主程序主要包括以下模块：温度检测与读写程序、继电器控制和液晶显示程序。其中flag0为计时时间到的标志位，当计时到达设定时间TIMER0时，在中断服务程序中将flag0置1。flag1为定时中断开启的标志位，当其为“1”时表示定时中断已经开启，为“0”时则表示关闭。Tp1、Tp2、Tp3为设定的档位切换临界温度值，且Tp1＜Tp2＜Tp3。从图6可以看出：虽然没有检测到人，但是当定时时间未到时，此时若定时中断已经打开，则需要继续使风扇运行直到定时时间已到才关闭风扇。关闭风扇在程序中就是使3个继电器处于释放状态。

3.2 中断服务程序

中断服务程序主要实现计时及标志位flag0置位功能。进入中断服务程序后，首先使计时器的计数值增加，然后将计时时间与设定值TIME0比较，如果相等则关闭中断且flag0标志位置位，然后中断返回；否则显示计时时间，然后中断返回。

4 系统测试

风扇是否自动开启是由环境温度和是否检测到人体共同决定，风扇输出的风力大小由所测环境温度决定。当同时满足以下条件时风扇启动：温度传感器所测得的温度高于系统所设置的最低风扇启动温度；红外感应传感器在有效范围内检测到人的存在。当满足以下条件之一时风扇停止：（1）温度传感器所测得的温度低于系统所设置的风扇启动温度；（2）红外感应传感器在设定时间TIMER0（实验设定5min）内没有检测到人的存在。

将本控制系统集成到传统电风扇中，并将控制系统中的继电器代替传统电风扇的档位按钮，改装后的风扇内部结构如图7所示。为增强风扇的适用性，在电源输入端中加入单刀双掷开关以实现自动和传统的手动两种模式的切换。

图7 电风扇内部结构图

测试时用不同温度的热水袋和冰块靠近温度传感器来改变传感器周围的温度，以模拟不同环境温度。设定最低风扇启动温度Tp1为当前室温26℃，Tp2为29℃，Tp3为32℃。运行结果：当测得温度达到26℃，且有人在离风扇约7m以内时，风扇自动开启，且风力随着环境温度的升高而加大；当温度传感器测得的温度低于26℃时，即使有人在风扇周围，风扇也未能自动开启；当人离开风扇距离约7m以上，环境温度从26℃升到34℃，风扇也未能自动开启。根据20次重复实验得到的结果见表1所示，表中有0、1、2、3共4个风力档位，其中档位0表示风扇关闭，档位1—3对应风力由低到高。系统运行时液晶显示屏显示温度为26.5℃，且检测到有人在规定范围内活动时，风扇就转动。

表1 不同环境温度风扇运行状态

5 结束语

具有温度检测和人体感应的电风扇智能控制系统，实现了风扇的自动开启、关闭和调速功能。可使人们享受智能化风扇带来便利的同时，避免因忘记关闭电风扇而造成的能源浪费。但由于热释电人体传感器只能检测和感应人体活动信息，因此人静止时，控制系统无法使风扇开启，因此如何采取措施使控制系统能感应静止人体还有待进一步研究。

（References）

［1］张兆朋.基于AT89S52单片机的自动温控电风扇设计［J］.现代电子技术，2009，32（3）：108－110.

［2］霍鹏飞，段光宇，滕敏，等.基于单片机的智能电风扇的设计［J］.河南科技学院学报，2010，38（4）：110－114.

［3］陈洪民，杨本全，吴淼清，等.基于C8051F020的红外遥控电风扇设计［J］.现代电子技术，2011，34（19）：119－120.

［4］熊建桥，赵方伟，李小龙.基于STC89C52单片机的智能电风扇设计［J］.机电产品开发与创新，2011，24（1）：53－55.

［5］林建华.基于AT89S52单片机的智能温控电风扇［J］.湖北广播电视大学学报，2013，33（2）：157－158.

［6］任小青，王晓娟.基于AT89C51单片机的频率计设计方法的研究［J］.青海大学学报：自然科学版，2009，27（1）：10－12.

［7］Atmel Corporation.8－bit Microcontroller with 4KBytes Flash AT89C51［EB/OL］.（2000－02）.http：//www.atmel.com/Images/.

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

［9］林倩，席春梅，赵凤行，等.基于AT89C51的人造气候小系统的研究与模拟［J］.实验技术与管理，2010，27（3）：88－91.

［10］王芳，王旭，李丹，等.基于PSPICE的热释电红外线探测器设计［J］.仪器仪表学报，2007，28（2）：363－366.

［11］于胜云，孙胜利.多路无线红外探测智能安防系统设计［J］.激光与红外，2008，38（4）：345－347.

［12］Fairchild Semiconductor Corporation.CD4069UBC Inve－rter Circuits［EB/OL］.（1999－01）.http：//www.fairchildsemi.com.

［13］王彦茹，胡体玲.基于单片机的语音记录仪［J］.电子设计工程，2011，19（24）：190－192.

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

重庆市高等学校教学改革项目（09－03－010）；“重庆大学大学生科研训练计划”基金资助项目（CQU－SRTP－2011314）

付丽（1976—），女，四川巴中，在职博士研究生，工程师，主要研究方向为嵌入式系统及测试计量技术.

E－mail：310＿fl＠163.com