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生活電器

智能電風扇研發設計


傳統電風扇多采用機械控制,功能單一,噪聲大,定時時間短,搖頭模式固定,變檔風速變化較大。針對這些缺點,本文采用了一款性價比高、功耗低的基于ARM Cortex?M3內核的STM32單片機作為控制單元制作了一臺智能電風扇,該風扇巧妙地運用人體紅外感應技術、微機控制技術、無級調速技術、溫度傳感技術、液晶顯示技術。把智能控制技術應用到家用電器的控制中,可以根據感應人體紅外實現風扇的搖頭或定位,可以根據環境溫度的采樣實現風速的自動調整,可以根據不同人群的使用要求自行設定風扇的間歇工作時間;能夠顯示時間、環境以及工作狀態的信息,具有友好交互界面;采用的芯片功能強大,方便進行功能擴展。

一、智能電風扇總體設計

該風扇采用模塊化設計,通過各個功能模塊的調用來實現風扇的功能,對于控制調整功能尤其如此。系統調用程序以基于ARM Cortex?M3內核的控制器STM32為核心,系統總的框圖如圖1所示。

圖 1 控制系統總體框圖

二、智能電風扇硬件設計

該智能電風扇是由STM32單片機作為中央處理單元,由直流電機與步進電機驅動風扇工作,能夠通過溫度傳感器和紅外傳感器等傳感單元感知環境信息,通過功能按鍵和TFT液晶顯示屏,能夠很好地實現人機交互。

2.1控制芯片

控制系統的核心是STM32芯片,該芯片具有低功耗、低成本、高性能、集成度高、體積小、可靠性強的優點,有很高的性價比。STM32采用了新型的單線調試(Single Wire)技術,節約了大筆的調試工具費用;同時,STM32中還集成了大部分存儲器控制器,可以直接在MCU外連接Flash,降低了設計難度和應用障礙。

2.2電機控制電路

電機調速是整個控制系統中的一個重要的方面,是電風扇的重要功能組成,主要包括直流電機和步進電機兩部分。直流電機的控制是通過脈寬調制的方式實現的,通過讀取溫度傳感器或者按鍵的值調整脈寬的占空比來實現直流電機的轉速改變;步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或者線位移的開環控制元件,通過紅外感應模塊感知人體的方位來確定步進電機的轉動方向及轉動步數,實現風扇的定位或者搖頭。

2.3溫度控制電路

溫度傳感器采用數字式集成溫度傳感器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換等電路的誤差因素,且溫度誤差小,分辨力高;測量到的溫度值可以在器件內部轉換成數字量直接輸出,簡化了系統程序設計;同時采用先進的單總線技術,具有較強的抗干擾能力。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單,可靠性更高。DS18B20在測溫精度、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面均可滿足電風扇溫度檢測的要求。

圖 2 DS18b20溫度測量電路

2.4紅外感應電路

紅外線感應模塊采用了熱釋電人體紅外線傳感元件集成模塊HC?SR501。熱釋電效應同壓電效應類似,是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現象。該模塊可以有效地探測電風扇影響范圍內人體的活動,監控范圍大,隱蔽性好,能可靠地將運動的人和飄落的物體進行區別,抗干擾能力強,誤報率低;模塊內部還集成了光敏電阻,夜晚也能可靠工作。通過設置,若有人在其電風扇有效范圍內活動,模塊輸出高電平,可做到人來電風扇開啟,直到人離開后才延時將高電平變為低電平,即人離開監控范圍電風扇延時關停;延時時間可調。

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扇的各個功能狀態:工作狀態(Manu、Auto、Sleep),睡眠模式下的定時時間(Work、Sleep),手動模式下風扇的檔位(Speed),同時還顯示年、月、日、星期、時間、溫度等信息。

三、智能電風扇軟件設計

控制系統軟件使用C語言編程。模塊化設計,除主程序外,還有各功能子程序,分別執行按鍵處理、直流電機驅動調速及步進電機的定位、溫度、時間、功能等信息顯示、睡眠模式設定等相應功能。系統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 系統軟件主程序流程圖

按鍵中斷模式有自動模式、手動模式、睡眠模式。自動模式下把風扇正面180°空間分為三個紅外感應區,當人進入任意一個紅外感應區時,風扇開始工作。如果三個紅外感應區只有一個區域檢測到有人,風扇會判斷現在處于單人模式,該模式下風扇會始終轉到檢測到人的區域,以實現實時追蹤的目的。如果檢測到不止一個紅外感應區域有人時,風扇會判斷現在處于多人模式。如果檢測到兩個區域有人,風扇就在兩個區域間擺頭,如果是相鄰區域,則就在小角度擺頭;如果是在不相鄰的區域檢測到有人,則在大角度擺頭;當三個區域都感應到有人時同樣會大角度擺頭。風扇的智能啟停、小角度擺頭、單區域追蹤都使得風扇既人性化又能夠避免能源浪費。

圖 4 按鍵中斷程序流程圖

手動模式下風扇實現的是手動調節風扇的轉速,有增速和減速兩個按鍵,可以實現風扇七個檔級的調速。

睡眠模式下根據不同用戶的需求如老年人、兒童身體較弱,不能長時間吹風,可以設定風扇工作時間短一些,休眠時間長一些,風扇會在設定好的時間內間歇性工作,避免了長時間吹風帶來的不適。所以用戶可以根據自己的需求自行設定風扇工作時間和睡眠時間,以達到最佳舒適度。

四、風扇調試

以STM32為核心設計電路并印制電路板,加工制作出電風扇。采用C語言模塊化編寫的程序下載到芯片中,接好電風扇后進行測試。測試如下:打開電風扇,當有人靠近電風扇時,風扇開始工作;當人遠離電風扇時,風扇就停止工作。將電烙鐵或冰塊放在溫度傳感器DS18B20附近,電風扇能根據溫度變化調整風扇轉速。按下手動模式按鍵,選擇手動模式下的調速按鍵,可以調整風扇轉速。按下自動模式按鍵,風扇能夠根據人的位置來實現風扇的追蹤或者搖頭。按下睡眠模式按鍵,設定風扇的工作和休眠時間,可以看到風扇以設定的工作和休眠時間為周期,循環工作。

通過測試表明,該電風扇能夠智能啟停,按照設定的各個模式正常工作,正常顯示溫度時間等信息且反應靈敏,簡單實用,達到了預期的設計目的。

總結

本項目采用STM32單片機,結合溫度傳感器、紅外傳感器等,通過對傳統電風扇原有功能的改進,設計了此智能電風扇。

該智能電風扇有如下幾個突出的特點:(1)性價比高。控制系統的核心是STM32芯片,該芯片具有低功耗、低成本、高性能、集成度高、體積小、可靠性強的優點,有很高的性價比。(2)智能。該風扇能夠通過紅外感應智能啟停,避免了忘記關風扇而造成的能源浪費;并且可以根據人員的位置實時跟蹤或者搖頭,以最大程度滿足使用者的要求,可以讓使用者實時感受到吹風的感覺。(3)特有的睡眠模式。該風扇設計的睡眠模式大大改進了傳統風扇定時的缺點。為了滿足不同人群的需求,該風扇可以自行設定風扇的工作時間和休眠時間,使風扇在設定好的時間內循環工作,不用再擔心因長時間吹風帶來的不適問題。

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