智能控温无叶风扇的设计与实现

张文奎，孙小羊，易照龙，张小龙

（三江学院 电子信息工程学院，江苏 南京210012）

引言

智能温控无叶风扇简单来说就是没有叶片的风扇，是在传统风扇的基础上加以改进的新型风扇。它是一款能够进行智能化感应控制的风扇。

虽然类似空调这种大型智能化升降温电器快速占领市场，但是风扇因为价格便宜，轻巧便利等特点使其仍旧占领大部分的市场。多数有老人及儿童的家庭会选择节能，环保，安全，便利，价格便宜的风扇。

目前，我国市场上已有部分无叶风扇售出，相比于国外我们的智能化产品有些落后，市面上的风扇智能化极低，它们不能自主控制风速大小，只能通过手动档位设定达到目的，而且普通风扇只能通过机械性的左右摆动进行送风，不能根据人所在的位置进行调节，所以送风范围有限，不能满足人们。因此，我们提出了智能温控无叶风扇设计的方案。将多种传感器和处理器结合，并将其嵌入电器中。当人进入风扇所在区域，引起周围环境发生变化达到某一设定时，风扇将迅速运行，智能调节转速和送风量，来达到全方位且快速送风降温效果，当检测到人体离开时风扇自动停止工作，节约能源。该智能无业温控风扇模拟输送自然风，在低噪音的前提下保证了舒适度。除此以外它构造简单，易拆卸清洗，应用价值极高，且拥有客观的市场前景。

1 系统结构及工作原理

本文研究设计了一种基于STM32 单片机多传感器控制的无叶风扇控制系统，如图1 所示。以STM32 单片机为核心，连接热释电红外感应电路、温度检测电路、距离检测电路、按键与复位电路、数码管显示电路、人机交互界面、电机驱动模块和电源模块等外围模块，组成了一个完整的智能物业风扇系统。

图1 智能无叶风扇系统结构

图2 热释电人体感应电路

图3 DS18B20 测温原理图

当有人进入，系统的热释电感应电路和温度检测电路就开始工作。首先是温度检测电路检测人体温度，当人体温度小于设定温度时，则热释电感应开关不工作，温度检测电路继续检测当前温度；当人体温度大于设定温度时，则触发热释电开关，然后再根据人体温度的高低和人与风扇之间的距离实现风扇送风量的无极调节。不仅如此，还可以通过人机交互技术，实现语音控制风扇的出风速度。同时，在系统添加的数码管显示电路中还可以清晰的看到当前环境温度、人与风扇之间的距离、风扇的转速等一系列信息[1-2]。

2 系统相关电路

2.1 热释电人体感应电路

热释电效应顾名思义是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电人体感应电路主要检测当有人出现在传感器监测范围内温度有ΔT 的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生微弱的电压ΔV，进而实现人体感应开关的功能。而传感器HCSR501 是一款基于热释电效应的人体热释运动传感器，能检测到人体身上发出的红外线，还可以检测到人的位置变化。因此，本系统采用传感器HC-SR501 热释电模块进而实现控制开关的功能，其工作原理如图2 所示。

图2 中热释电传感器HC-SR501 接入4.5-20V（工作电压范围）直流电压在正负极之间，其OUT 端口通过限流电阻R1 接到NPN 型三极管的基极，把三极管的集电极结合PWM 技术接到STM32 单片机。光敏电阻和温度补偿电阻可在有需要时使用，而本次实验在一定条件下，对热释电传感器感应距离和感应延迟时间做出了相应的调节。当检测范围内有人出现时，热释电传感器的OUT 端会输出3.3V的高电平，则三极管的基极为高电平，连接单片机一端被拉到高电平，无叶风扇开始工作；相反，当范围内检测到无人时，热释电传感器的OUT 端输出低电平，则三极管不导通，单片机连接电动机一端PWM 占空比为0，此时无叶风扇不工作[3]。

2.2 温度检测电路

温度检测电路主要用于检测人体温度高低，改变电机驱动功率，进而控制无叶风扇送风量。由于DALLAS 半导体公司生产的DS18B20 温度传感器具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高的特点[4]。本次实验采用四组温度范围控制对应的四段PWM 信号波，进而实现了风扇的四级调节。其内部结构如图3 所示。

DS18B20 的测温原理中低温度系数振荡器的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数振荡器随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2 的脉冲输入。首先要在温度寄存器和计时器1 中预置一个基数值，当计时器1预置的值减为0 时，温度寄存器的值加1，此时计时器1 的预置值变为初始值，如此循环，直到计时器2 的值为0 时，温度寄存器的值不再变化，此时的温度即为检测到的温度。

2.3 距离检测电路

距离检测电路主要特点：红外传感器通过发射红外线到人体，再由人体反射回来的红外线所用的时间，再根据公式D=（C·Δt）/2 求得人与无叶风扇之间的距离。随着人体逐渐靠近无叶风扇时，红外传感器就会逐渐减小输出电压，STM32 单片机连接电动机一端高电平占比越小。由于单片机连接电动机PWM 占空比随着距离减小而减少，所以电动机的转速也由距离减小而减小，进而实现了人体位置变化智能地控制无叶风扇。

图4 红外测距检测工作原理

2.4 人机交互

本系统利用人机交互技术，更好的满足人们对智能化的需求。人机交互运用了语音识别模块对语音信息进行识别，通过串口传输到STM32 单片机，再由STM32 单片机结合PWM 技术，控制电动机的占空比，进而实现语音控制风扇送风量的大小，之后再由语音合成模块将信息传到数码显示屏上并语音播报当前风扇转速[5-6]。

设置“打开风扇”“关闭风扇”“增大风速”“减小风速”等多个控制指令，用事先写好的代码控制STM32 单片机输出四种PWM 占空比，分别为：100%、75%、50%、25%。当用户说出“打开风扇”指令时，默认为高电压占比为25%的PWM波，还可以根据用户的意愿增大或减小风扇，实现风扇的越级调节。

3 温度检测程序

图5 红外发射电路

温度检测程序首先主要完成数码管初始化，防止上电的时候STM32 单片机引脚默认输出高电压。先用C 语言写一段初始化的语句，在温度检测不工作之前，让数码管显示0000，然后系统启动温度转换，此处涉及DS18B20 的初始化、写操作和读操作。第一步从初始化序列开始，先将总线拉至高电平“1”，稍延时后发送复位脉冲将总线拉至低电平“0”，再延时700us 后再拉至“1”，等待15-60us 并做超时控制，防止进入死循环。第二步ROM 执行写操作命令，同样将总线拉至高电平“1”，设置在另一个周期开始前有2us 的高电平重置时间。开始时被拉至低电平“0”，之后预留15-60us对数据采样，每写一个bit 要循环8 次，最少需要延时60us。第三步执行读操作命令，与写操作类似，所读出的高电平和低电平数据要一位一位的移进。其输入端采用16 进制转化10 进制显示出读取的温度，存入暂存器，进行下一次温度采集，如此循环[7]。

4 系统测试

结合所学知识，进一步对无叶风扇运行进行测试并加以修改，以验证其性能的优良性，根据设计系统的检测范围与电机转速做出如图6 的关系图。为了验证其系统的准确性，我们将检测距离缩短到5m（实际检测距离能达到7m）。首先进行的是距离远近对风扇转速所产生的影响，为了满足人们在较热情况下会靠近风扇吹风的需求，设计了人与风扇在0-2m 范围内风扇不会随着人体位置变化而改变转速，达到以1500r/min 的恒定吹风效果。在2-5m 范围内，由于在2m 临界处有一段PWM 信号占空比的变化，输入电压减小，电机转速略有降低，之后随着人的距离变远而增大。但电机有额定的转速3000r/min，并不能实现超远距离吹风，所以人处于5m 以外，此时PWM 信号占空比为100%，风扇速度达到最快。

图6 语音控制电机转速原理图

图7 人体温度和距离与风扇转速的关系

温度检测在热释电人体红外感应基础上，当人体温度达到30°C 时，风扇自动开启，以分段式温度设定控制风扇送风量。在30-35°C 环境下，PWM 信号占空比为25%，此时风扇转速为1000r/min；在35-37°C 环境下，PWM 占空比为50%，此时风扇转速为1500r/min；在37-40°C 环境下，PWM占空比为75%，此时风扇转速为2500r/min；在40°C 以上环境下，PWM 占空比达到100%，此时风扇转速最大为3000r/min。以这种分段式更好的结合语音交互功能，利用语音控制相应的风速[8]。

测试结果表明：该产品能够自动检测人体位置变化并做出无叶风扇对应的吹风角度调整，除此之外，还能够判断出人与无叶风扇之间的距离从而控制风扇转速，根据人体温度产生不同送风量，智能识别语音来控制大小，彻底解放双手。

5 结束语

研究智能无叶风扇是智能化时代发展的必然趋势，它为人们生活增光添彩。正如手机从按键手机到智能手机的发展，手表从电子手表到智能手表发展一样，风扇也是从普通落地风扇到智能无叶风扇。将普通风扇的按键调节转换为能同时根据人体温度高低、人与风扇之间的距离，以及语音交互系统等智能控制风扇送风量，为风扇在与时俱进的智能时代发展开辟了崭新的空间。

展望：在互联网+时代，以互联网为手段，以物联网为基础，将智能无叶风扇结合到智能手机APP 必然大势所趋，在各种应用平台应运而生的同时，便携实用、方便快捷、精准运行成为智能时代的新时尚。