智能追踪调速风扇系统的设计

王浩　任慧月　韩淑华

【摘要】本设计利用温度传感器实时采集周围环境温度，热释红外传感器判断人群信息，当环境温度超过阀值且在有效范围内有人活动时立即启动风扇，根据环境温度进行自动调速并通过传感器追踪人群位置实现自动追踪功能。采取了两种工作模式，即手动调速模式，包括按键和遥控，实现了通过按键和遥控配合调速的功能；智能模式，根据检测到的温度与设定的温度的比较实现风扇电机的自动启动和停止及自動追踪人群位置，启停的温度界限可由用户通过按键设置，并能根据温度的变化自动改变风扇电机的转速；自然风模式，即风扇自动改变转速以模拟自然风，给人们的生活带来了极大的方便。

【关键词】单片机 温度检测 热释红外传感器 智能控制

1. 设计背景

1880年，美国人舒乐首次将叶片直接装在电动机上，再接上电源，叶片飞速转动，阵阵凉风扑面而来，这就是世界上第一台电风扇。

近年来，随着空调业的价格水平不断下降，其风头早已超过了风扇，但空调的强大制冷效果以及高耗电量、且封闭空间的弊端，使得传统的借助空气流动降低热量但通风效果和功耗低的风扇仍然存在很大的市场。部分风扇企业考虑到两者之间的差异性，就在现有的功能上借鉴并创造设计出了一些更具人性化和个性化的功能，形成了空调、风扇两者互补的局面，使两者相得益彰，共同发展，透过当今千姿百态的电风扇市场，我们可以预言：今后的电风扇一定会继续吹着创新设计风和人性功能风。

分析了人们的实际需求后，我们设计研发出这款自动追踪调速风扇。

2. 系统方案

本系统采用AT89S52单片机为控制器，分为主控台和工作区两部分。系统通过热释红外传感器定位人群信息，在主控台设置阈值温度、转速与温度的对应关系。通过主控单片机将信息发送至工作区，工作区电机工作并将DS18B20温度传感器检测到的温度回传给主控台，单片机将接收到的信号进行处理，进而控制直流电机的转速和舵机的转角。使人在一定范围内都能够一直吹到凉爽的风，使用起来更加方便灵活。

整个温度自动散热系统有检测模块 、环境温度采集模块、供电模块、主控制模块以及电机模块，显示模块这六大模块组成。

检测模块：采用热释红外传感器检测，它具有传输距离远，可靠性强，且能准确的进行人体移动探测。

环境温度采集模块：选用美国DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20，它具有测量范围广，且测量精度高，可采用单片机直接进行温度的读取，使用方便。

供电模块：供电模块采用220V＼50Hz经变压器得到5V直流电给主控模块供电，由主控模块给其他功能模块供电；

主控模块：整合处理控制各功能模块，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器它带有32个I＼O口，三个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量二级中断结构），全双工串行口，性价比高。

电机模块：采用舵机同直流电机搭配，舵机具有扭力大容易控制。小型直流减速电机，减速电机控制精度低，且速度均匀性好，控制简单，电源要求低，易于实现。

显示模块：采用12864液晶显示，此液晶显示器界面简洁，控制简单，在显示数字和汉字方面符合实际需求。

3.硬件电路设计

（1）驱动电路的设计

电机/舵机由STC89C52单片机控制。当进入工作状态后，热电释红外传感器检测人群的范围，单片机输出PWM信号，调节其占空比，可以改变舵机转动的角度。占空比越大，舵机转角越大；占空比越小，舵机转角越小。

温度传感器DS18B20将采集到的环境温度与设置的参数进行比对，然后由单片机输出PWM信号，调节占空比，改变直流电机的转动速度。电机的转速与PWM信号的占空比成正比关系，即占空比越大，转速越快。

（2）热释红外传感器电路的设计

热释红外传感器主要用来检测人群所处的位置信息。本系统共采用6个HC-SR501型热释红外传感器，按半圆形排列，每一个传感器感应30°范围内的人群信息。HC-SR501配有菲涅尔透镜，检测距离达到7米，在6个传感器的共

同作用下，最大检测扇角为180°，满足实际应用的需求。

（3）测温电路的设计

本系统采用DS18B20温度传感器检测工作区的环境温度信息。DS18B20是一种数字输出形式的温度传感器，所以抗干扰能力较强。本系统中DS18B20主要有两方面的作用，首先是在系统启动前检测环境温度，并将其与事先设定的阈值温度比较，当达到阈值温度时，系统开始运行。另一方面，当系统处于运行状态时，将实时的环境温度与设定好的转速调节温度相比较，根据不同等级，改变电机转速。

4.软件设计

软件部分重点在于主控台可以通过按键对工作区阈值温度、温度和转速的对应关系等信息进行设置。难点在于驱动电路方面，主要包括电机驱动和舵机驱动两部分。根据人群位置的信息，计算改变舵机的转角；根据环境温度的高低，调节风扇电机的转速。本系统程序主要包括主程序、DS18B20和红外热释电传感器的初始化、读传感器子程序、参数设置子程序、驱动电路子程序等等。由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证初始化及读写时序，否则将无法读取测温结果。

5.结束语

本系统是采用热释红外传感器定位人群位置，并用DS18B20实时采集环境温度，单片机STC89C52为数据处理中心，电机/舵机作为动力单元，加上显示单元构成的，设计难点在于电机转速根据温度变化的调节以及转向机构的实时精确控制。通过调节舵机转角和电机转速实现风扇只在人群的范围内转动，并根据环境温度开启关闭电源、调整风扇转速等。

【参考文献】

[1]郭天祥.51单片机C语言教程，2009

[2]韩九强，周杏鹏.传感器与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]基于DS18B20的温度测量模块设计.周润景.2010

黄淮学院2014学生科研项目