文/錢(qián)成國(guó) 田志勇

無(wú)葉風(fēng)扇作為一種新型風(fēng)扇，因無(wú)扇葉，因此不會(huì)吸附塵土，也不存在扇葉傷人的情況；采用無(wú)級(jí)變速控制，阻力小，無(wú)噪音，空氣流和傳統(tǒng)風(fēng)扇相比較更加平穩(wěn)，風(fēng)量均勻，能耗低，僅為傳統(tǒng)風(fēng)扇的一半，價(jià)格相仿，與空調(diào)相比性價(jià)比高，具有危險(xiǎn)系數(shù)低、污染小和節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受人們的喜愛(ài)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。然而，當(dāng)前市場(chǎng)上已有的無(wú)葉風(fēng)扇仍存在手動(dòng)設(shè)置風(fēng)速檔位、無(wú)法依據(jù)人體位置移動(dòng)而實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)力等情況。

針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的無(wú)葉風(fēng)扇控制器方案。該控制器既具備傳統(tǒng)無(wú)葉風(fēng)扇的控制功能，同時(shí)可依據(jù)人體位置變化從而實(shí)時(shí)地、智能地調(diào)節(jié)風(fēng)扇送風(fēng)風(fēng)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示為基于STM32的無(wú)葉風(fēng)扇控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。由圖可知，該控制器以ST公司生產(chǎn)的低功耗高性價(jià)比的STM32系列單片機(jī)為核心，輔以溫度采集電路、壓力采集電路、人體紅外檢測(cè)模塊、人機(jī)交互界面、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊等外圍模塊構(gòu)成。

圖1：總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2：人體監(jiān)測(cè)電路

系統(tǒng)可通過(guò)人機(jī)交互界面設(shè)置當(dāng)前系統(tǒng)工作模式、工作溫度和風(fēng)速檔位，也可通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)觀測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度和當(dāng)前風(fēng)速等信息。

若系統(tǒng)選擇為傳統(tǒng)工作模式，人體紅外檢測(cè)模塊作用僅為檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境下是否有人體存在。若無(wú)人存在，系統(tǒng)則不工作；若有人存在，微控制器則控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊啟動(dòng)電機(jī)，并根據(jù)當(dāng)前設(shè)置的溫度和風(fēng)速檔位，根據(jù)算法調(diào)整電機(jī)風(fēng)速。

若系統(tǒng)選擇為智能調(diào)節(jié)模式，人體紅外檢測(cè)模塊作用則主要通過(guò)檢測(cè)是否有人存在，并通過(guò)紅外測(cè)距傳感器檢測(cè)人體與風(fēng)扇之間的距離，并反饋給微控制器。微控制則通過(guò)當(dāng)前環(huán)境溫度、設(shè)置溫度、人體紅外信號(hào)、距離信息、當(dāng)前風(fēng)速等數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇角度及風(fēng)力。

圖3：傳感器信號(hào)處理電路

圖4：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 人體檢測(cè)電路

人體監(jiān)測(cè)電路包括人體感應(yīng)電路和紅外測(cè)距電路兩部分。人體感應(yīng)電路采用以LHI778探頭設(shè)計(jì)的HC-SR501模塊為核心設(shè)計(jì)。該模塊能監(jiān)測(cè)人體發(fā)射紅外線，將紅外轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，可感應(yīng)0～7m范圍，靈敏度高，可靠性強(qiáng)。紅外測(cè)距部分采用Sharp公司的GP2Y0A21YK0F紅外測(cè)距傳感器。該傳感器采用5V供電，能測(cè)量10～80cm范圍內(nèi)的距離，對(duì)應(yīng)輸出模擬電壓為2.4～0.5V。因在10cm以內(nèi)該傳感器存在盲區(qū)，無(wú)法精確測(cè)量出實(shí)際距離，故在設(shè)計(jì)時(shí)需將該傳感器安裝在距離無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口距離為10cm處。如圖2所示為人體監(jiān)測(cè)電路，HC-SR501模塊輸出端通過(guò)一限流電阻與三極管s8050連接，接至STM32的IO腳。當(dāng)人體進(jìn)入其感應(yīng)范圍，則STM32接收到低電平；當(dāng)人體離開(kāi)干感應(yīng)范圍，HCSR501模塊則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉，STM32接收到高電平。紅外測(cè)距模塊連接至STM32自帶的A/D轉(zhuǎn)換管腳。

圖5：人體檢測(cè)流程圖

圖6：電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序

2.2 壓力采集電路

本系統(tǒng)采用美國(guó)飛思卡爾MPXV7002DP集成硅阻式傳感器，應(yīng)用廣泛，最大測(cè)量壓差為8kPa，功輸出電壓范圍為0.5～4.5V。傳感器當(dāng)前測(cè)得壓力與輸出信號(hào)之間關(guān)系如式1所示。

其中VS為芯片工作電壓5V；P為測(cè)得的壓力，單位是kPa；VFSS為量程范圍，常用值為4V；由此可知，當(dāng)P=0時(shí)，VOUT=2.25V～2.75V。即上電后，輸出電壓（即補(bǔ)償電壓）為2.25V～2.75V。因壓力變化信號(hào)屬于一個(gè)小信號(hào)，不能直接送到微控制器進(jìn)行采樣，否則精度不夠或者無(wú)法識(shí)別，因此須先經(jīng)過(guò)放大電路對(duì)其進(jìn)行處理。如圖3所示為傳感器輸出信號(hào)的偏置補(bǔ)償和放大電路。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要用于調(diào)節(jié)無(wú)葉風(fēng)扇風(fēng)速，遵循“人近風(fēng)小，人遠(yuǎn)風(fēng)大”的原則，通過(guò)脈寬調(diào)制控制風(fēng)速，使人感受到恒定的風(fēng)速，如圖4所示為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。由+3.3V直流電通過(guò)LED1輸入到光耦TLP521-2，當(dāng)STM32單片機(jī)輸出低電平是光耦導(dǎo)通，一路通直流電機(jī)正極，另一路通負(fù)極并使IRF540導(dǎo)通，是強(qiáng)電部分直流電機(jī)工作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用MOSFET，提供大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；D1和D2為續(xù)流二極管，可有效的防止電壓電流突變，為其提供通路。通過(guò)此電路，可完成對(duì)電機(jī)的控制已經(jīng)對(duì)電機(jī)控制電路的保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括人體檢測(cè)程序、壓力采集程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、液晶顯示程序、按鍵掃描程序、溫度檢測(cè)程序等子程序。

3.1 人體檢測(cè)子程序

人體檢測(cè)子程序包含人體感應(yīng)子程序和距離檢測(cè)子程序兩部分，主要完成人體紅外感應(yīng)、人體與無(wú)葉風(fēng)扇之間距離的檢測(cè)。其流程如圖5所示。首先，單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)IO腳是否為高電平。若為高電平，代表當(dāng)前環(huán)境下無(wú)人則不啟動(dòng)無(wú)葉風(fēng)扇。若為低電平，則判斷是否是智能調(diào)節(jié)模式。若為智能調(diào)節(jié)模式，則通過(guò)單片機(jī)自帶的12位ADC獲取人體距離無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口的距離，并將此距離數(shù)據(jù)傳給風(fēng)速調(diào)節(jié)子函數(shù)。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序

電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序，即根據(jù)所檢測(cè)到的人與無(wú)葉風(fēng)扇之間的距離和當(dāng)前檢測(cè)到的壓力值，通過(guò)輸出相應(yīng)占空比的PWM波進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)速度的功能，其流程如圖6所示。

該部分程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用輸出固定頻率的PWM波，通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前壓力值和人體距離無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口距離或設(shè)定的壓力值兩者之間的對(duì)比，通過(guò)控制其高低電平輸出時(shí)間來(lái)控制PWM波的占空比，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行風(fēng)速調(diào)節(jié)。若設(shè)定的壓力值或當(dāng)前距離所需的壓力值大于當(dāng)前壓力值，則增大占空比，加快電機(jī)轉(zhuǎn)速，增大風(fēng)速；反之，若小于當(dāng)前壓力值，則減小占空比，降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少出風(fēng)量。

4 系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn)

系統(tǒng)主要進(jìn)行人體檢測(cè)電路、壓力采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和人機(jī)交互界面等功能進(jìn)行調(diào)試。

人體檢測(cè)電路主要測(cè)試在系統(tǒng)設(shè)定的最大感應(yīng)距離內(nèi)能否準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)有人，并能測(cè)量出當(dāng)前所在位置。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有人在距離無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口5m、左右50°角度范圍內(nèi)時(shí)，控制器均能感應(yīng)到有人，并且人機(jī)界面能正確顯示當(dāng)前人體所在位置。當(dāng)超出范圍時(shí)，無(wú)葉風(fēng)扇無(wú)法感應(yīng)到人體，因此停止出風(fēng)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要測(cè)試在人體距離無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口位置變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速即無(wú)葉風(fēng)扇風(fēng)速的變化情況。測(cè)試時(shí)，利用一臺(tái)風(fēng)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行記錄，在設(shè)備感應(yīng)范圍內(nèi)，人體隨機(jī)進(jìn)行移動(dòng)。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)人體在距離無(wú)葉風(fēng)扇出風(fēng)口1m以內(nèi)時(shí)，風(fēng)速隨著距離的增加而增加；當(dāng)超出1m范圍之后，風(fēng)速不再增加，恒定不變。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于STM32的新型無(wú)葉風(fēng)扇控制器方案。該控制器既具備傳統(tǒng)無(wú)葉風(fēng)扇的控制功能，同時(shí)可通過(guò)檢測(cè)人體位置的變化，控制PWM波占空比，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)風(fēng)扇送風(fēng)量。該控制器操作靈活，可靠性高，提高了無(wú)葉風(fēng)扇的智能化控制，可達(dá)到節(jié)約能源的效果。