电动风扇的智能人体跟踪系统设计

电动风扇的智能人体跟踪系统设计

涂剑

广东美的生活电器制造有限公司广东中山528425

摘要：夏天的高温给人们的生活带来了一定的烦恼，随着人们生活水平的提高，空调已经步入了众多普通家庭，成为一种消除炎热、降温解暑的生活电器。空调的长期使用会导致人体出现“空调病”等问题，尤其老人、小孩子以及体质较弱的人群更不宜使用。相对于空调，电动风扇则是一种应用更为广泛的清凉解暑、空气流通的家用电器，它具有成本低、能耗小的优点，仍然是许多消费者的优先选择。但是，现有的电动风扇普遍存在空程浪费、利用率低、难以根据实际情况自动调节以及不满足人体运动特性的问题。针对上述问题，在原有电动风扇的基础上，本文设计一种能够自动调节与跟踪人体的智能系统，能够实时跟踪人体的运动，根据人体远近、温度等实际使用情况进行风速的自动调节。从而提高利用率和电动风扇的使用效果，并且在这个基础之上提出了下文中的一些内容，希望能够给予相同行业进行工作的人员提供出一定的参考。

关键词：电动风扇；智能人体；跟踪系统；设计；分析

1导言

电风扇在日常生活中使用广泛，市面上风扇种类繁多，目前资料显示，在进行环境散热产品比较时，多数人会用空调与电风扇进行比较，相比之下空调调节温度效果好，调节时间短，控制温度能力强，使用方便。电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，据市场调查表明，近两年出现了市场销售复苏的态势。究其主要原因：一是电风扇和空调的降温效果不同，空调有强大的制冷功能，可以快速有效地降低环境温度，但电风扇的风更柔和，更适合老人、儿童和体质较弱的人使用；二是电风扇价格低廉且相对省电，低碳环保，使用和放置都非常方便。调查也显示，因为空调耗电量大，仅适用于封闭空间环境的温度调节等，造成空调产品的滞销。目前人们所用风扇科技含量普遍不高，多为简单的电机设计搭配简单多点开关完成，成本虽低但智能性低。本文适应于市场需求，设计一款更绿色、环保，更易于人体健康的智能化电风扇。针对现有电动风扇操作不便、能源利用率低的问题，通过在现有电动风扇上加装智能人体跟踪系统设计，提高电动风扇使用的便捷性，保证能量的有效利用，实现节能环保。本系统设计简单，实用性强，具有一定的应用价值。

2程序设计思路

程序设计中，首先进行的是环境中人体的检测，检测是否有人活动在环境中，如果没有，则不进行下一步，在判断中循环，待机等待有人体出现再进行下一步动作。开始运行，优先采集温度，采集到温度信号传送到单片机，进行分析处理，通过计算得出应有的风速转换成PWM信号传送到74HC245控制成品桥BTS7960输出风扇的电压，电机根据控制电压进行速度改变，完成一个控制周期。控制周期不断循环，开启程序运行后存在两种状态，一种是等待确定环境合格，二是不断循环完成持续的控制周期。人体红外感应传感器有检测范围很大，可以自行进行信号的延时与信号的重复触发判断。

3系统电路设计

3.1主控模块

主控模块主要用于处理人体检测信号和室温检测信号，根据信号处理的结果来驱动电机进行跟踪和自动调节的目的。为此，本文选用意法半导体公司生产的STM32系列单片机作为主控芯片，该芯片功能强大、处理速度快、外围接口丰富，更为重要的是程序设计都是模块化、扩展灵活，且程序接口相对较为简单。其电源电压采用1.8-3.3V低电压，具有低功耗、可靠性高、性价比高等优点，广泛应用于电器的智能化控制领域。

3.2电源模块

电源模块主要为控制系统提供工作的电压。根据各个组成部分的功能，电源模块应提供STM32主控核心所需的3.3V、其他芯片工作所需的5V两种幅值的电压。因此，采用与电动风扇一致的直流电源220V作为供电电源，为了增加电源的可靠性，减少外界扰动的影响，在稳压芯片7805和LM1117的输入和输出两侧均布置有电容。

3.3温度检测模块

温度检测模块主要用于实时采集当前的室内温度值，送到主控模块，主控模块根据当前的温度信息来调整风速，达到节能的目的。本文选用DALLAS公司生产的数字式DS18B20温度传感器实现室内温度数据的采集。该传感器采用单总线接口，仅需占用一位I/O口便可完成与主控制器的双向数据通信，为室内温度的多点测量提供了有利条件。测温范围为-50～125℃，测温分辨率最高可达0.0625℃，完全满足测量精度，且检测电路简单。

3.4人体检测模块

人体检测模块主要用于检测风扇范围内人群所处的位置信息。根据人体能够散发红外信息的原理，本文选用型号为HC-SR501的热释红外传感器。采用6只型热释红外传感器，按半圆形排列构成人体检测模块。每一个传感器感应30°范围内的人群信息。HC-SR501配有菲涅尔透镜聚焦热释红外信号，检测距离可达7m，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。该传感器输出为数字信号，可直接经过电阻与主控模块的IO口进行连接。

4系统软件设计

在系统硬件电路设计完毕之后，通过对STM32单片机进行程序编程，利用人体运动检测模块实时检测的信息控制驱动二维方向的电机来调整电动风扇头的旋转方向，从而追踪人体运动。本系统控制算法主要采用差速控制，以此保证系统对人体运动的快速准确跟踪。同时，利用温度传感器得到室内温度的信息来调整电动风扇的速度，从而达到节能的目的。

5主要事项

使用过程中为了降低低噪音必须注意以下几点：系统阻抗：空气流动阻力会引起空气的流动噪音产生。气流的紊流：由于流道的设计不良造成空气的紊流会有高频噪音出现，如果流道不改善很难有质的提高。风扇的转速和尺寸：风扇的转速越快散热效果越好，风扇的尺寸越大风量越大，散热效果越好。风扇的转速越高噪音越大，尺寸越大噪音越大。温度的上升：温度上升后温差降低，则散热效果降低。振动：振动会造成风扇的噪音上升，寿命降低以及转速降低。电压波动：电压波动会造成风扇转速变化，使工作不稳定并且会产生额外的噪音。设计考虑：设计上的其它一些要求同样也必须考虑进去，以保证散热效果。

6结论

通过对上述的内容进行分析研究之后可以得出，系统改造设计后，达到的效果功能是在有人的环境下，进行风扇工作，当人长期处于环境中，但没有活动时（例如夜晚睡着后），则停止风扇工作；风扇工作时可以智能根据环境温度改变风扇转速。数码管显示当前温度，同时设置手动操作方便在自动控制过程中产生异常情况下的操作干预。当温度不在可控范围内或出现错误时蜂鸣器报警，提示环境中人进行适当操作。设计总而言之，为了改善现有电动风扇空转带来的能量利用率低的现状，本文设计了一款能够自动跟踪的电动风扇控制系统，详细介绍了系统的结构及软硬件设计过程。该系统利用或外热释电传感器检测人体的位置，自动摆动来跟踪人体位置的变化，在无人是停止工作，有人时直接跟踪人的位置，从而避免电动风扇空转到来的能源浪费问题，保证电动风扇始终是面对人体进行工作，同时，通过温度检测模块实时调整电动风扇的风速，从而起到环保节能的作用。

参考文献：

[1]史嘉瑞,马一诺,王哲.基于Wifi控制的电动风扇的智能寻踪系统设计[J].电子制作,2018(23):19-21.

[2]董国贵,尹爱勇.基于汽车发动机电动冷却风扇智能控制的研究[J].时代汽车,2017(10):75+77.

[3]余海洋,曹志良,刘绍波.汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统设计[J].电子器件,2016,39(06):1512-1515.

[4]彭菊生,潘法宝.汽车发动机电动冷却风扇智能控制系统研制[J].汽车电器,2016(05):67-69.