基于单片机的智能跟踪风扇设计

近年来空调的价格水平不断下降，加上其更优越的制冷效果，成为了降温的理想家用电器。但是空调的高耗电量及其需在封闭空间使用的弊端，使得空调在一些农村家庭及室外工作场所中不宜使用，而通风效果更好而且功耗更低的电风扇则更适宜在这些场合使用。在市面上的电风扇，大多数都是手动开关，且只有人为的几挡调速。而且现有的大多数电风扇，只能按照设定的方式在一定角度范围内进行来回吹风，无论是有人还是无人，无论是温度高还是温度低，它都是按照设定的风速吹风，不停地来回送风，让人使用起来十分的不方便。如果人离开后忘记了关闭风扇，则风扇会一直转，不仅造成资源的浪费，甚至有可能会引发安全事故。使用电风扇的时候，大多是天气炎热的夏天。同时蚊子活动最频繁的季节也是夏天，蚊子携带大量细菌病毒，能传播各种可以致死的传染病，对人类的健康造成巨大的危害。而目前家庭常用的驱蚊方法是使用蚊香，但蚊香在使用时会有烟的产生和有特殊的气味产生，往往含有对人体有害的物质，这些常会使人感到不适。因而，设计出一台可以实现风向自动跟随使用者的、风速自动调整的、结合了无毒害、污染的驱蚊功能的风扇显得很有必要。

一、智能跟踪风扇设计组成及功能

本设计采用STC89C52RC单片机为主要控制芯片，通过STC89C52RC单片机编定的特定程序，结合热释红外传感器、温度传感器和超声波探头进行实时智能检测与调节，使风扇具有自动跟踪、温度调速和驱蚊的功能。对现有的小型风扇进行机械结构设计和改造，加以灵活安装的旋转台，使风扇能够实现上述功能。

二、基于单片机的智能风扇系统设计

系统通过热释红外传感器判断使用者的位置信息，在有限检测范围内有人活动时立即启动风扇。通过传感器实现自动追踪功能，当人的位置有变化时，连接风扇的转台便会自动转动及时调整风向，最终使得风扇能时刻把风送到使用者身上。当人沿着远离风扇的方向移动时，若超出检测有效范围，风扇就会停止转动，实现节能环保。同时利用温度传感器采集周围环境温度，根据环境温度采用PWM的模式进行自动调整风扇的风速。且可设定启动温度，结合热释红外传感器，实现风扇的自动启动。装载超声波发生器，使超声波发生器发出蚊子敏感的特定频率的超声波以实现对使用者周围环境进行驱蚊的功能。通过各传感器采集的数据传递给STC89C52RC单片机处理分析，从而实现智能控制。

三、智能跟踪风扇硬件设计

3.1转台设计

采用两层式结构，即上下两块底板，中间装有云台电机，靠电机转动带动上层底板，从而形成转台。为减少摩擦，更便于转动，两底板用推力球轴承连接。上层底板上有螺丝孔，便于上螺丝固定上面的风扇。S T C89C52单片机输出P W M波形到L298N芯片进而控制转台的电机，当进入工作状态后，热释红外传感器检测人群的范围，并将信息发送给单片机，由单片机I/O输出高低电平给电机驱动，从而控制电机的可调速地进行左转、右转及停止转动。在所述可旋转转台上水平设有两个热释电红外感应器，所述热释红外传感器不采用菲涅尔透镜，因为用了菲涅尔透镜会使检测范围大大增加，不能达到准确跟踪人的目的。当两个热释传感器都检测到人时，都向单片机输出高电平，说明风扇已经正对着人了，转台停止转动。当人有移动时，左右两边的传感器会先后检测不到人，单片机接收到的信号为0和1或1和0。如当左边的更先 检测不到人，瞬间左边传感器输出的信号为低电平，而右边传感器输出的信号为高电平，说明人往右边移动，接收到信号单片机马上输出信号给电机驱动，控制转台往右边转动，同理，当人往左边移动，转台左转。直至都检测到人，停止转动，使得风扇能时刻把风送到使用者身上。不用手动去移动风扇，大大方便了使用者。

3.2风扇设计

风扇采用可拆卸方式装在转台上面，采用该结构主要是考虑到有些风扇不要求跟着人转，这样就可以不用购买转台，节省开支。电风扇与转台结合使用，可以跟踪人体的移动而转动。在风扇正中央处装有一个热释红外传感器用来检测人所在的位置，该传感器装有菲涅尔透镜，使检测范围尽可能增大。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在P I R上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在P I R上产生变化热释红外信号。使用该传感器的主要作用是用来检测所在区域是否有人，用于判断风扇的启动与停止。同时结合了温度传感器用P W M对风扇进行调速。当有人进入其检测范围内，输出高电平给单片机，控制风扇转动，即启动风扇。当人沿着远离风扇的方向走开，若传感器检测不到人，风扇停止转动，实现节能环保。同时也消除了风扇持续转动引发的安全隐患。

3.3测温调速系统设计

本系统采用DS18B20温度传感器检测工作区周围的环境温度信息，DS18B20是一种数字输出形式的温度传感器，所以抗干扰能力较强。本系统中DS18B20的作用，首先是在系统启动前检测环境温度，并将其与事先设定的启动温度比较，当达到启动温度时，且热释红外传感器检测到人时，系统开始运行。另一方面，当系统处于运行状态时，将检测到的温度值送入STC89C52RC单片机中，经单片机处理后可以显示此时温度值，然后由单片机输出PWM信号，调节占空比，改变直流电机的转动速度。电机的转速与PWM信号的占空比成正比关系，即占空比越大，转速越快。从而改变电机转速，即实时控制风扇的风速。

3.4驱蚊功能设计

夏天，是蚊子活动活跃时期，且易传播其携带的病毒细菌给人类。夏天蚊子叮人最狠的是怀孕期间的母蚊子，此时母蚊子会躲避公蚊子，利用这一特点，设计电子变频线路，使超声波发射器产生与公蚊子拍动翅膀频率相似的超声波，达到驱赶母蚊子之目的。而公蚊子的翅膀振动频率常在22kHz以上。蚊子对其天敌发出的22kHz的频率很敏感，结合一般超声波发射器发射的超声波的范围，可考虑通过安装超声波发射器，发出频率在22kHz～40kHz之间来回变化的超声波信号时，起到一定的驱蚊作用。

利用单片机内部的定时器周期性地输出频率为22kHz～40kHz的方波信号，并通过放大器电路增大驱动后送入超声波发射器探头来模拟蚊子天敌发出的超声波，进而达到驱蚊的作用。由于超声波传播的途径是直线，故为了让驱蚊效果更好，在转台四面上都装有可移动式的超声波探头，达到全面驱蚊。