劉慧勇+楊虹

摘 要： 隨著科技的日新月異，智能家居逐漸走入普通家庭，風(fēng)扇作為基本的家用電器也將成為智能家居的一部分。這里介紹的是以STM32單片機(jī)為控制單元并結(jié)合嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)的一款具有溫控調(diào)速、自動(dòng)追蹤人體位置、智能啟停、液晶顯示時(shí)間、溫度等信息的智能電風(fēng)扇。經(jīng)過(guò)前期設(shè)計(jì)、制作和最終的測(cè)試得出，該風(fēng)扇電源穩(wěn)定性好，操作方便，運(yùn)行可靠，功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，節(jié)約能耗，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)多元化的需求。該風(fēng)扇具有的人性化設(shè)計(jì)和低廉的價(jià)格很適合普通用戶(hù)家庭使用。

關(guān)鍵詞： STM32單片機(jī)； 電風(fēng)扇； 智能控制； 人性化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN830.1?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）21?0108?03

Design of intelligent electric fan based on STM32 MCU

LIU Hui?yong， YANG Hong

（Faculty of Science， Beijing Information Science and Technology University， Beijing 100101， China）

Abstract：The intelligent home goes into ordinary family gradually with the rapid change of science and technology. The fan as the basic household appliance will also become a part of the intelligent home. The intelligent fan taking STM32 MCU as a control chip and combining the embedded technology is introduced， which has functions of speed regulation with temperature， automatic tracking of human body position， smart start?stop， liquid crystal display of time， temperature and other information. The final test results show that the fan has a stable power， convenient operation， reliable operation， strong function， low price and energy cost. It can meet the needs of users. The fan with humanized design and low price is very suitable for ordinary family.

Keywords： STM32 MCU； electric fan； intelligent control； humanization design

0 引 言

傳統(tǒng)電風(fēng)扇多采用機(jī)械控制，功能單一，噪聲大，定時(shí)時(shí)間短，搖頭模式固定，變檔風(fēng)速變化較大。針對(duì)這些缺點(diǎn)，本文采用了一款性?xún)r(jià)比高、功耗低的基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)[1]作為控制單元制作了一臺(tái)智能電風(fēng)扇，該風(fēng)扇巧妙地運(yùn)用人體紅外感應(yīng)技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)、無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)[2]、溫度傳感技術(shù)、液晶顯示技術(shù)。把智能控制技術(shù)應(yīng)用到家用電器的控制中，可以根據(jù)感應(yīng)人體紅外實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的搖頭或定位，可以根據(jù)環(huán)境溫度的采樣實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的自動(dòng)調(diào)整，可以根據(jù)不同人群的使用要求自行設(shè)定風(fēng)扇的間歇工作時(shí)間；能夠顯示時(shí)間、環(huán)境以及工作狀態(tài)的信息，具有友好交互界面；采用的芯片功能強(qiáng)大，方便進(jìn)行功能擴(kuò)展。

1 總體設(shè)計(jì)

該風(fēng)扇采用模塊化設(shè)計(jì)[3]，通過(guò)各個(gè)功能模塊的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的功能，對(duì)于控制調(diào)整功能尤其如此。系統(tǒng)調(diào)用程序以基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的控制器STM32為核心，系統(tǒng)總的框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

該智能電風(fēng)扇是由STM32單片機(jī)作為中央處理單元，由直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作，能夠通過(guò)溫度傳感器和紅外傳感器等傳感單元感知環(huán)境信息，通過(guò)功能按鍵和TFT液晶顯示屏，能夠很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2.1 控制芯片

控制系統(tǒng)的核心是STM32芯片，該芯片具有低功耗、低成本、高性能、集成度高、體積小、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有很高的性?xún)r(jià)比。STM32采用了新型的單線調(diào)試（Single Wire）技術(shù)，節(jié)約了大筆的調(diào)試工具費(fèi)用；同時(shí)，STM32中還集成了大部分存儲(chǔ)器控制器，可以直接在MCU外連接Flash，降低了設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用障礙。

2.2 電機(jī)控制電路

電機(jī)調(diào)速是整個(gè)控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要的方面，是電風(fēng)扇的重要功能組成，主要包括直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)[4]兩部分。直流電機(jī)的控制是通過(guò)脈寬調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)讀取溫度傳感器或者按鍵的值調(diào)整脈寬的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變；步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移的開(kāi)環(huán)控制元件[5]，通過(guò)紅外感應(yīng)模塊感知人體的方位來(lái)確定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的定位或者搖頭。

2.3 溫度控制電路

溫度傳感器采用數(shù)字式集成溫度傳感器[6]DS18B20，電路如圖2所示。它在使用中不需要任何外圍元件。其高度集成化大大降低了外接放大轉(zhuǎn)換等電路的誤差因素，且溫度誤差小，分辨力高；測(cè)量到的溫度值可以在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接輸出，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)；同時(shí)采用先進(jìn)的單總線技術(shù)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。DS18B20在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面均可滿(mǎn)足電風(fēng)扇溫度檢測(cè)的要求。

圖2 DS18b20溫度測(cè)量電路

2.4 紅外感應(yīng)電路

紅外線感應(yīng)模塊采用了熱釋電人體紅外線傳感元件集成模塊 HC?SR501。熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類(lèi)似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。該模塊可以有效地探測(cè)電風(fēng)扇影響范圍內(nèi)人體的活動(dòng)，監(jiān)控范圍大，隱蔽性好，能可靠地將運(yùn)動(dòng)的人和飄落的物體進(jìn)行區(qū)別，抗干擾能力強(qiáng)，誤報(bào)率低；模塊內(nèi)部還集成了光敏電阻，夜晚也能可靠工作[7]。通過(guò)設(shè)置，若有人在其電風(fēng)扇有效范圍內(nèi)活動(dòng)，模塊輸出高電平，可做到人來(lái)電風(fēng)扇開(kāi)啟，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?，即人離開(kāi)監(jiān)控范圍電風(fēng)扇延時(shí)關(guān)停；延時(shí)時(shí)間可調(diào)。

2.5 液晶顯示電路

液晶顯示模塊采用帶有R61505U控制芯片的3.2寸TFT液晶顯示屏，320×240的液晶可以很好地顯示風(fēng)扇的各個(gè)功能狀態(tài)[8]：工作狀態(tài)（Manu、Auto、Sleep），睡眠模式下的定時(shí)時(shí)間（Work、Sleep），手動(dòng)模式下風(fēng)扇的檔位（Speed），同時(shí)還顯示年、月、日、星期、時(shí)間、溫度等信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言編程。模塊化設(shè)計(jì)，除主程序外，還有各功能子程序，分別執(zhí)行按鍵處理、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速及步進(jìn)電機(jī)的定位、溫度、時(shí)間、功能等信息顯示、睡眠模式設(shè)定等相應(yīng)功能。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖3所示，按鍵中斷程序如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

按鍵中斷模式有自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、睡眠模式。

自動(dòng)模式下把風(fēng)扇正面180°空間分為三個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)，當(dāng)人進(jìn)入任意一個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始工作。如果三個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)只有一個(gè)區(qū)域檢測(cè)到有人，風(fēng)扇會(huì)判斷現(xiàn)在處于單人模式，該模式下風(fēng)扇會(huì)始終轉(zhuǎn)到檢測(cè)到人的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤的目的。如果檢測(cè)到不止一個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)域有人時(shí)，風(fēng)扇會(huì)判斷現(xiàn)在處于多人模式。如果檢測(cè)到兩個(gè)區(qū)域有人，風(fēng)扇就在兩個(gè)區(qū)域間擺頭，如果是相鄰區(qū)域，則就在小角度擺頭；如果是在不相鄰的區(qū)域檢測(cè)到有人，則在大角度擺頭；當(dāng)三個(gè)區(qū)域都感應(yīng)到有人時(shí)同樣會(huì)大角度擺頭。風(fēng)扇的智能啟停、小角度擺頭、單區(qū)域追蹤都使得風(fēng)扇既人性化又能夠避免能源浪費(fèi)。

手動(dòng)模式下風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)的是手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，有增速和減速兩個(gè)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇七個(gè)檔級(jí)的調(diào)速。

睡眠模式下根據(jù)不同用戶(hù)的需求如老年人、兒童身體較弱，不能長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)，可以設(shè)定風(fēng)扇工作時(shí)間短一些，休眠時(shí)間長(zhǎng)一些，風(fēng)扇會(huì)在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)間歇性工作，避免了長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)帶來(lái)的不適。所以用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求自行設(shè)定風(fēng)扇工作時(shí)間和睡眠時(shí)間，以達(dá)到最佳舒適度。

4 實(shí)物調(diào)試

以STM32為核心設(shè)計(jì)電路[9]并印制電路板，加工制作出電風(fēng)扇[10]，如圖5所示。采用C語(yǔ)言模塊化編寫(xiě)的程序下載到芯片中，接好電風(fēng)扇后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試如下：打開(kāi)電風(fēng)扇，當(dāng)有人靠近電風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始工作；當(dāng)人遠(yuǎn)離電風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇就停止工作。將電烙鐵或冰塊放在溫度傳感器DS18B20附近，電風(fēng)扇能根據(jù)溫度變化調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。按下手動(dòng)模式按鍵，選擇手動(dòng)模式下的調(diào)速按鍵，可以調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。按下自動(dòng)模式按鍵，風(fēng)扇能夠根據(jù)人的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的追蹤或者搖頭。按下睡眠模式按鍵，設(shè)定風(fēng)扇的工作和休眠時(shí)間，可以看到風(fēng)扇以設(shè)定的工作和休眠時(shí)間為周期，循環(huán)工作。

圖5 實(shí)物展示

通過(guò)測(cè)試表明，該電風(fēng)扇能夠智能啟停，按照設(shè)定的各個(gè)模式正常工作，正常顯示溫度時(shí)間等信息且反應(yīng)靈敏，簡(jiǎn)單實(shí)用，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目采用STM32單片機(jī)，結(jié)合溫度傳感器、紅外傳感器等，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電風(fēng)扇原有功能的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了此智能電風(fēng)扇。

該智能電風(fēng)扇有如下幾個(gè)突出的特點(diǎn)：

（1） 性?xún)r(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)的核心是STM32芯片，該芯片具有低功耗、低成本、高性能、集成度高、體積小、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有很高的性?xún)r(jià)比。

（2） 智能。該風(fēng)扇能夠通過(guò)紅外感應(yīng)智能啟停，避免了忘記關(guān)風(fēng)扇而造成的能源浪費(fèi)；并且可以根據(jù)人員的位置實(shí)時(shí)跟蹤或者搖頭，以最大程度滿(mǎn)足使用者的要求，可以讓使用者實(shí)時(shí)感受到吹風(fēng)的感覺(jué)。

（3） 特有的睡眠模式。該風(fēng)扇設(shè)計(jì)的睡眠模式大大改進(jìn)了傳統(tǒng)風(fēng)扇定時(shí)的缺點(diǎn)。為了滿(mǎn)足不同人群的需求，該風(fēng)扇可以自行設(shè)定風(fēng)扇的工作時(shí)間和休眠時(shí)間，使風(fēng)扇在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)循環(huán)工作，不用再擔(dān)心因長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)帶來(lái)的不適問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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圖2 DS18b20溫度測(cè)量電路

2.4 紅外感應(yīng)電路

紅外線感應(yīng)模塊采用了熱釋電人體紅外線傳感元件集成模塊 HC?SR501。熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類(lèi)似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。該模塊可以有效地探測(cè)電風(fēng)扇影響范圍內(nèi)人體的活動(dòng)，監(jiān)控范圍大，隱蔽性好，能可靠地將運(yùn)動(dòng)的人和飄落的物體進(jìn)行區(qū)別，抗干擾能力強(qiáng)，誤報(bào)率低；模塊內(nèi)部還集成了光敏電阻，夜晚也能可靠工作[7]。通過(guò)設(shè)置，若有人在其電風(fēng)扇有效范圍內(nèi)活動(dòng)，模塊輸出高電平，可做到人來(lái)電風(fēng)扇開(kāi)啟，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?，即人離開(kāi)監(jiān)控范圍電風(fēng)扇延時(shí)關(guān)停；延時(shí)時(shí)間可調(diào)。

2.5 液晶顯示電路

液晶顯示模塊采用帶有R61505U控制芯片的3.2寸TFT液晶顯示屏，320×240的液晶可以很好地顯示風(fēng)扇的各個(gè)功能狀態(tài)[8]：工作狀態(tài)（Manu、Auto、Sleep），睡眠模式下的定時(shí)時(shí)間（Work、Sleep），手動(dòng)模式下風(fēng)扇的檔位（Speed），同時(shí)還顯示年、月、日、星期、時(shí)間、溫度等信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言編程。模塊化設(shè)計(jì)，除主程序外，還有各功能子程序，分別執(zhí)行按鍵處理、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速及步進(jìn)電機(jī)的定位、溫度、時(shí)間、功能等信息顯示、睡眠模式設(shè)定等相應(yīng)功能。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖3所示，按鍵中斷程序如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

按鍵中斷模式有自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、睡眠模式。

自動(dòng)模式下把風(fēng)扇正面180°空間分為三個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)，當(dāng)人進(jìn)入任意一個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始工作。如果三個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)只有一個(gè)區(qū)域檢測(cè)到有人，風(fēng)扇會(huì)判斷現(xiàn)在處于單人模式，該模式下風(fēng)扇會(huì)始終轉(zhuǎn)到檢測(cè)到人的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤的目的。如果檢測(cè)到不止一個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)域有人時(shí)，風(fēng)扇會(huì)判斷現(xiàn)在處于多人模式。如果檢測(cè)到兩個(gè)區(qū)域有人，風(fēng)扇就在兩個(gè)區(qū)域間擺頭，如果是相鄰區(qū)域，則就在小角度擺頭；如果是在不相鄰的區(qū)域檢測(cè)到有人，則在大角度擺頭；當(dāng)三個(gè)區(qū)域都感應(yīng)到有人時(shí)同樣會(huì)大角度擺頭。風(fēng)扇的智能啟停、小角度擺頭、單區(qū)域追蹤都使得風(fēng)扇既人性化又能夠避免能源浪費(fèi)。

手動(dòng)模式下風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)的是手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，有增速和減速兩個(gè)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇七個(gè)檔級(jí)的調(diào)速。

睡眠模式下根據(jù)不同用戶(hù)的需求如老年人、兒童身體較弱，不能長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)，可以設(shè)定風(fēng)扇工作時(shí)間短一些，休眠時(shí)間長(zhǎng)一些，風(fēng)扇會(huì)在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)間歇性工作，避免了長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)帶來(lái)的不適。所以用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求自行設(shè)定風(fēng)扇工作時(shí)間和睡眠時(shí)間，以達(dá)到最佳舒適度。

4 實(shí)物調(diào)試

以STM32為核心設(shè)計(jì)電路[9]并印制電路板，加工制作出電風(fēng)扇[10]，如圖5所示。采用C語(yǔ)言模塊化編寫(xiě)的程序下載到芯片中，接好電風(fēng)扇后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試如下：打開(kāi)電風(fēng)扇，當(dāng)有人靠近電風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始工作；當(dāng)人遠(yuǎn)離電風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇就停止工作。將電烙鐵或冰塊放在溫度傳感器DS18B20附近，電風(fēng)扇能根據(jù)溫度變化調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。按下手動(dòng)模式按鍵，選擇手動(dòng)模式下的調(diào)速按鍵，可以調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。按下自動(dòng)模式按鍵，風(fēng)扇能夠根據(jù)人的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的追蹤或者搖頭。按下睡眠模式按鍵，設(shè)定風(fēng)扇的工作和休眠時(shí)間，可以看到風(fēng)扇以設(shè)定的工作和休眠時(shí)間為周期，循環(huán)工作。

圖5 實(shí)物展示

通過(guò)測(cè)試表明，該電風(fēng)扇能夠智能啟停，按照設(shè)定的各個(gè)模式正常工作，正常顯示溫度時(shí)間等信息且反應(yīng)靈敏，簡(jiǎn)單實(shí)用，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目采用STM32單片機(jī)，結(jié)合溫度傳感器、紅外傳感器等，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電風(fēng)扇原有功能的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了此智能電風(fēng)扇。

該智能電風(fēng)扇有如下幾個(gè)突出的特點(diǎn)：

（1） 性?xún)r(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)的核心是STM32芯片，該芯片具有低功耗、低成本、高性能、集成度高、體積小、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有很高的性?xún)r(jià)比。

（2） 智能。該風(fēng)扇能夠通過(guò)紅外感應(yīng)智能啟停，避免了忘記關(guān)風(fēng)扇而造成的能源浪費(fèi)；并且可以根據(jù)人員的位置實(shí)時(shí)跟蹤或者搖頭，以最大程度滿(mǎn)足使用者的要求，可以讓使用者實(shí)時(shí)感受到吹風(fēng)的感覺(jué)。

（3） 特有的睡眠模式。該風(fēng)扇設(shè)計(jì)的睡眠模式大大改進(jìn)了傳統(tǒng)風(fēng)扇定時(shí)的缺點(diǎn)。為了滿(mǎn)足不同人群的需求，該風(fēng)扇可以自行設(shè)定風(fēng)扇的工作時(shí)間和休眠時(shí)間，使風(fēng)扇在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)循環(huán)工作，不用再擔(dān)心因長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)帶來(lái)的不適問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫書(shū)鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013，31（12）：59?63.

[2] 岳東海，顏鵬.直流電機(jī)PWM無(wú)級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2010（2）：135?136.

[3] 張舞杰，南亦民.基于STM32F103VB的應(yīng)用編程技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009（10）：2820?2822.

[4] 張錫勇，王叢嶺.基于單片機(jī)和CPLD的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（9）：80?82.

[5] 陳志聰.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用設(shè)計(jì)研究[D].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)，2008.

[6] 呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：117?119.

[7] 陳龍.基于無(wú)線熱釋電紅外傳感器人體目標(biāo)識(shí)別的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[8] 蔡春波.基于ARM的液晶顯示模塊測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

[9] 趙家貴.電子電路設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2004.

[10] 魯賢.電風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)仿真[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2012（7）：65?67.

圖2 DS18b20溫度測(cè)量電路

2.4 紅外感應(yīng)電路

紅外線感應(yīng)模塊采用了熱釋電人體紅外線傳感元件集成模塊 HC?SR501。熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類(lèi)似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。該模塊可以有效地探測(cè)電風(fēng)扇影響范圍內(nèi)人體的活動(dòng)，監(jiān)控范圍大，隱蔽性好，能可靠地將運(yùn)動(dòng)的人和飄落的物體進(jìn)行區(qū)別，抗干擾能力強(qiáng)，誤報(bào)率低；模塊內(nèi)部還集成了光敏電阻，夜晚也能可靠工作[7]。通過(guò)設(shè)置，若有人在其電風(fēng)扇有效范圍內(nèi)活動(dòng)，模塊輸出高電平，可做到人來(lái)電風(fēng)扇開(kāi)啟，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?，即人離開(kāi)監(jiān)控范圍電風(fēng)扇延時(shí)關(guān)停；延時(shí)時(shí)間可調(diào)。

2.5 液晶顯示電路

液晶顯示模塊采用帶有R61505U控制芯片的3.2寸TFT液晶顯示屏，320×240的液晶可以很好地顯示風(fēng)扇的各個(gè)功能狀態(tài)[8]：工作狀態(tài)（Manu、Auto、Sleep），睡眠模式下的定時(shí)時(shí)間（Work、Sleep），手動(dòng)模式下風(fēng)扇的檔位（Speed），同時(shí)還顯示年、月、日、星期、時(shí)間、溫度等信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件使用C語(yǔ)言編程。模塊化設(shè)計(jì)，除主程序外，還有各功能子程序，分別執(zhí)行按鍵處理、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速及步進(jìn)電機(jī)的定位、溫度、時(shí)間、功能等信息顯示、睡眠模式設(shè)定等相應(yīng)功能。系統(tǒng)軟件主程序流程如圖3所示，按鍵中斷程序如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)軟件主程序流程圖

按鍵中斷模式有自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、睡眠模式。

自動(dòng)模式下把風(fēng)扇正面180°空間分為三個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)，當(dāng)人進(jìn)入任意一個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始工作。如果三個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)只有一個(gè)區(qū)域檢測(cè)到有人，風(fēng)扇會(huì)判斷現(xiàn)在處于單人模式，該模式下風(fēng)扇會(huì)始終轉(zhuǎn)到檢測(cè)到人的區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤的目的。如果檢測(cè)到不止一個(gè)紅外感應(yīng)區(qū)域有人時(shí)，風(fēng)扇會(huì)判斷現(xiàn)在處于多人模式。如果檢測(cè)到兩個(gè)區(qū)域有人，風(fēng)扇就在兩個(gè)區(qū)域間擺頭，如果是相鄰區(qū)域，則就在小角度擺頭；如果是在不相鄰的區(qū)域檢測(cè)到有人，則在大角度擺頭；當(dāng)三個(gè)區(qū)域都感應(yīng)到有人時(shí)同樣會(huì)大角度擺頭。風(fēng)扇的智能啟停、小角度擺頭、單區(qū)域追蹤都使得風(fēng)扇既人性化又能夠避免能源浪費(fèi)。

手動(dòng)模式下風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)的是手動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，有增速和減速兩個(gè)按鍵，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇七個(gè)檔級(jí)的調(diào)速。

睡眠模式下根據(jù)不同用戶(hù)的需求如老年人、兒童身體較弱，不能長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)，可以設(shè)定風(fēng)扇工作時(shí)間短一些，休眠時(shí)間長(zhǎng)一些，風(fēng)扇會(huì)在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)間歇性工作，避免了長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)帶來(lái)的不適。所以用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求自行設(shè)定風(fēng)扇工作時(shí)間和睡眠時(shí)間，以達(dá)到最佳舒適度。

4 實(shí)物調(diào)試

以STM32為核心設(shè)計(jì)電路[9]并印制電路板，加工制作出電風(fēng)扇[10]，如圖5所示。采用C語(yǔ)言模塊化編寫(xiě)的程序下載到芯片中，接好電風(fēng)扇后進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試如下：打開(kāi)電風(fēng)扇，當(dāng)有人靠近電風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始工作；當(dāng)人遠(yuǎn)離電風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇就停止工作。將電烙鐵或冰塊放在溫度傳感器DS18B20附近，電風(fēng)扇能根據(jù)溫度變化調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。按下手動(dòng)模式按鍵，選擇手動(dòng)模式下的調(diào)速按鍵，可以調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。按下自動(dòng)模式按鍵，風(fēng)扇能夠根據(jù)人的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的追蹤或者搖頭。按下睡眠模式按鍵，設(shè)定風(fēng)扇的工作和休眠時(shí)間，可以看到風(fēng)扇以設(shè)定的工作和休眠時(shí)間為周期，循環(huán)工作。

圖5 實(shí)物展示

通過(guò)測(cè)試表明，該電風(fēng)扇能夠智能啟停，按照設(shè)定的各個(gè)模式正常工作，正常顯示溫度時(shí)間等信息且反應(yīng)靈敏，簡(jiǎn)單實(shí)用，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目采用STM32單片機(jī)，結(jié)合溫度傳感器、紅外傳感器等，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)電風(fēng)扇原有功能的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了此智能電風(fēng)扇。

該智能電風(fēng)扇有如下幾個(gè)突出的特點(diǎn)：

（1） 性?xún)r(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)的核心是STM32芯片，該芯片具有低功耗、低成本、高性能、集成度高、體積小、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有很高的性?xún)r(jià)比。

（2） 智能。該風(fēng)扇能夠通過(guò)紅外感應(yīng)智能啟停，避免了忘記關(guān)風(fēng)扇而造成的能源浪費(fèi)；并且可以根據(jù)人員的位置實(shí)時(shí)跟蹤或者搖頭，以最大程度滿(mǎn)足使用者的要求，可以讓使用者實(shí)時(shí)感受到吹風(fēng)的感覺(jué)。

（3） 特有的睡眠模式。該風(fēng)扇設(shè)計(jì)的睡眠模式大大改進(jìn)了傳統(tǒng)風(fēng)扇定時(shí)的缺點(diǎn)。為了滿(mǎn)足不同人群的需求，該風(fēng)扇可以自行設(shè)定風(fēng)扇的工作時(shí)間和休眠時(shí)間，使風(fēng)扇在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)循環(huán)工作，不用再擔(dān)心因長(zhǎng)時(shí)間吹風(fēng)帶來(lái)的不適問(wèn)題。

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[4] 張錫勇，王叢嶺.基于單片機(jī)和CPLD的步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（9）：80?82.

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[6] 呂建波.基于單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：117?119.

[7] 陳龍.基于無(wú)線熱釋電紅外傳感器人體目標(biāo)識(shí)別的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

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[10] 魯賢.電風(fēng)扇運(yùn)動(dòng)仿真[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2012（7）：65?67.