空調扇搖頭裝置搖頭角度控制研究

何博為 （河源廣播電視大學電子與信息工程系，廣東 河源517000）

紅外線探測技術是利用紅外線光譜識別技術對自然背景下的人體紅外輻射信號進行探測，并利用探測到的信號組成相關的點陣排布圖像，以確定人體所在方位［1］。利用單片機及其外圍電路來控制空調扇搖頭角度，調整送風口，使其與人體位置相一致，從而讓空調扇最大限度地對準人體送風。下面，筆者對空調扇搖頭裝置搖頭角度的控制進行了研究。

1 空調扇搖頭裝置工作原理

圖1 空調扇搖頭裝置工作原理圖

空調扇搖頭裝置主要由紅外感應模塊、信號比較器、單片機及其外圍電路、風扇直流電機、傳動機構、搖頭控制機構和角位移傳感器組成 （圖1）。當紅外感應模塊探測到物體產生的紅外輻射信號后，產生變化的電壓信號，將該變化的電壓信號傳入比較器中。比較器對信號進行判斷，當信號較弱 （如有小寵物經過或人體與空調扇距離較遠）時，將不發出工作指令，反之將工作指令發送給單片機及其外圍電路。單片機及其外圍電路啟動空調扇的直流電機使其運轉。傳動機構帶動搖頭控制機構，角位移傳感器將搖頭裝置的初始位置與紅外探測的信號位置進行對比追蹤，從而實現追蹤人體送風。

1．1 紅外感應模塊工作原理

紅外感應模塊的主要元件為熱釋電紅外傳感器 （PIR）和菲涅爾透鏡。PIR能將8～12μm的紅外輻射波探測信號轉化為電壓信號，同時對自然界的白光信號具有抑制作用。當無人移動時，PIR探測到的是自然背景溫度，當有人進入探測范圍時，PIR感應到人體輻射信號與自然背景信號的差異，從而控制空調扇直流電機是否工作。但是當自然界背景溫度高于37℃時，會產生誤報信號情況，為此要利用菲涅爾透鏡進行甄別。菲涅爾透鏡將紅外輻射探測信號折射和反射到PIR上，同時能將紅外感應模塊探測的范圍分為若干個明區和暗區［1］。當人進入空調扇的紅外模塊探測范圍時，由于探測的明區和暗區有變化，即對人體的移動以溫度變化的形式在PIR上產生變化的電壓信號；當自然背景的溫度達到37℃時，由于探測的明區和暗區無變化，則可認為沒有人進入探測區，由此防止誤報信號情況的發生。

紅外感應模塊電路內部由2級運放器、比較器、定時器、過零檢測、控制電路、系統時鐘等電路組成［2］。PIR傳感器檢測到人體移動引起的紅外輻射的變化并將其轉換為變化電壓信號，通過2級運放器選頻放大比較后將信號輸入到單片機及其外圍電路中，由單片機及其外圍電路輸出過零脈沖來觸發雙向可控硅導通。采用交流過零觸發能消除可控硅導通時產生的浪涌電流，從而延長直流電機的使用壽命。

用多普自動目標識別技術構造目標場景，即將紅外輻射信號的光譜轉化為特定的紅外光譜特征矩陣［3］。用矩陣Am（n）表示在焦平面上第m列第n行對應的像素點，當有變化的信號時記為1，沒有收到信號時記為0。當信號中出現1的值大于60%時即判定有人存在，并將風口對準1出現較為集中的方位。

為簡化過程，將紅外光譜探測信號的特征矩陣分為5個區域：A＝（T1，T2，T3，T4，T5）。當上述5個區域中有3個或3個以上區域有探測信號，則單片機系統控制搖頭裝置使其對準人體，并調整空調扇風口的掃風起點位置和終點位位置，使空調扇能在人體輻射信號集中的位置范圍內送風。反之，當探測信號所占的區域較小時則認為沒有人存在，空調扇將不會工作，以此達到節省能源的目的。此外，信號比較器將為單片機篩選信號，除去其他熱源干擾信號。

1．2 空調扇搖頭角度控制原理

由單片機和直流電機構成空調扇的搖頭控制裝置，其工作原理如下：由于角度位移傳感器安裝在搖頭裝置的轉軸上，其能感應搖頭裝置轉過的角度與初始位置的夾角并將此信號發送給單片機，單片機將人體位置信號與直流電機位置信號進行比較并用PD動態算法分析計算搖頭裝置的控制量［4］，通過功率放大器放大信號來驅動電機，使空調扇的搖頭裝置對準人體位置送風。

2 單片機系統工作流程

紅外感應模塊將探測到的人體紅外輻射信號數據傳輸給單片機，單片機接受的紅外輻射信號為其特征矩陣A＝ （T1，T2，T3，T4，T5），設 定T1，T2，T3，T4，T5的總和為sum，則：①當sum＝0時，單片機通過控制溫度控制器來控制送風裝置，使其在設定的延遲時間后能停止運轉。②當sum＝1時，送風位置與人體位置一致，搖頭裝置將不操作。③當sum＞1時，表示送風裝置要給多個位置送風，如3人站在空調扇周圍不同的位置，則單片機需要套用begin（）函數和end（）函數來確定起點送風和終點送風的位置，使空調扇在起點和終點之間來回送風。

單片機系統工作流程圖如圖2所示。

圖2 單片機系統工作流程圖

3 結 語

利用紅外線探測技術確定目標人體位置，利用單片機及其外圍電路控制空調扇搖頭角度來實現對人體的跟蹤送風。該設計使空調扇更加智能化和人性化，防止在無人情況下空調扇工作造成電能浪費。因此，通過該技術改進的空調扇可以廣泛應用在學校、醫院、公司和超市等人員流動較大的場所，從而實現最大程度地節約電能。

［1］吳川，尹雪霞 ．外測溫系統在空調中的應用 ［J］．電腦知識與技術，2009，14（5）：3802-3803．

［2］梁森，黃杭美 ．自動檢測與轉換技術 ［M］．北京：機械工業出版社，2007．

［3］武春風，張偉 ．遠紅外多普光譜圖像相關性的自動目標識別算法 ［J］．紅外與毫米波學報，2003，22（4）：265-267．

［4］胡壽濤 ．自動控制原理 ［M］．北京：科學出版社，2007．