利用人體自身紅外輻射的智能風扇

田嘉晨，周厚滿，林創挺

（武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 項目背景

傳統電風扇在設計時均設定了掃風模式和直風模式，掃風模式下，風扇按照既定的角度旋轉，風扇空吹造成了能源的浪費；直風模式下，風扇的風速調節缺乏智能化。通過市場調研，能耗大、能量轉換率低的傳統風扇占據主要市場，實現電風扇的智能化、人性化及節能效果變得十分必要。

本設計基于現有風扇存在的問題，根據人體自身紅外輻射的特性，通過紅外熱釋電傳感器實現人體的實時追蹤，從而間接控制風扇的風速、轉向、高度，實現風扇的智能調節。人體散發的波長在紅外熱釋電傳感器的感應范圍內能夠較好地實現人體的定位，并且其具有經濟實用、低功耗的優點。

2 系統設計

2.1 整體設計

本設計利用人體自身紅外輻射的特性實現風扇的智能控制，系統的主要組成模塊包括熱釋電傳感器檢測模塊、轉向模塊、垂直升降模塊、電機模塊。

2.2 模塊設計

2.2.1 人體自身紅外輻射特性

在自然界中，任何高于絕對零度（－273℃）的物體都會以電磁波的形式向外輻射能量。而紅外輻射具有一定的規律性，基爾霍夫定律指出，在一定溫度下，達到熱平衡的物體輻射本領與吸收本領成正比，即發射率等于吸收率，而人體自身是一個紅外輻射源。皮膚的紅外發射率很高，接近黑體。人體裸露皮膚溫度通常為32～33℃。赤身人體的輻射面積等于人體投影面積，成年人約為0.6 m2。室內環境在21℃時，人體皮膚溫度約為32℃，根據基爾霍夫定律可以得出平均輻射強度為93.5 W/sr，約為32%的人體輻射在8～13 μm波段，1%的在3.2～4.8μm波段。

本設計利用人體自身紅外輻射的特性，通過傳感器檢測人體信號，實現智能擺角控制，減少風扇擺頭空程。

2.2.2 熱釋電傳感器檢測模塊

熱釋電傳感器應用熱釋電效應[1]，當傳感器檢測范圍內溫度有ΔT的變化時，因熱釋電效應會在2個電極上產生電荷ΔQ，即在2個電極間產生微弱的ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷ΔQ會隨空氣中的離子結合而消失，當環境溫度穩定不變時，ΔT＝0，傳感器無輸出。

2.2.3 轉向模塊結構設計

人體對象追蹤是通過轉向模塊與傳感器檢測模塊協作完成的，可精確控制的轉向模塊是必不可少的組成部分，它由電機、傳動機構和轉盤3部分組成。轉向模塊設計的目標是使得傳感器平面及風扇平面可以在一定范圍內精確擺動。轉向模塊由步進電機、大齒輪、小齒輪構成。

2.2.4 垂直升降模塊設計

風扇主體由底座、立柱、電扇頭以及水平方向和豎直方向的電機組成，控制系統以MSP430單片機為主控器[2]。在電扇頭中間部分安裝人體運動檢測模塊，可檢測人體的運動信息，控制系統根據人體運動檢測模塊的信號控制豎直方向的電機來調整電扇的高度，使得電扇在豎直方向上自動追蹤人體的運動。風扇開始工作時，系統控制風扇在垂直方向上上下掃動，同時紅外傳感器搜索人體信號，當傳感器檢測到人體紅外信號時，單片機控制步進電機，使風扇頭在有信號的范圍內垂直升降。

2.2.5 電機模塊

根據左右2個傳感器的輸入信號不同，通過STC89C52控制器控制轉向電機的轉動。當人正對風扇時，恰好位于2個傳感器的檢測范圍外，并且在傳感器的檢測范圍內無運動熱源物體，因此輸出為低電平。當人向左側移動時，進入左側傳感器檢測范圍，左側傳感器輸出高電平，控制器控制電機左轉。

3 實驗分析

3.1 PIR探頭人體紅外信號采集

為探究人體紅外參數與傳感器的對應關系，先進行PIR探頭人體紅外信號的采集。測試時，用手指靠近PIR的檢測元表面，用示波器直接測量輸出端對地電壓。

實驗結果表明，當手指靠近不動或遠離探頭時，傳感器輸出為一條直線。當目標靠近時，輸出的是一個類似于正弦波周期的波形；而沒有靠近時，由于探頭沒有感應到信號，因此輸出為直線。而在靜止的情況下，由于2個敏感元件感應到的輻射能量基本相同，互相抵消，因此無信號輸出，輸出也為一條直線；相反，當檢測對象出現在探頭前端時，由于感應到的輻射能量不同，因此有信號輸出。

圖1 傳感器模塊輸出數字波形圖

3.2 傳感器模塊輸出信號采集分析

將信號調理電路增加到PIR探頭上時，傳感器最終輸出數字信號，并將其輸入到控制器中處理。圖1所示為人在傳感器前經過時傳感器輸出的數字波形圖，其中，圖（a）為人進入檢測范圍后靜止不動，而圖（b）為人在進入檢測范圍后做小幅度的抖動。由（a）（b）2幅圖的波形可以看出，傳感器模塊在人未進入范圍時輸出低電平；當人走進或走出檢測范圍時，才檢測到有信號輸入，輸出高電平脈沖。但是當人在檢測范圍內靜止不動時，則不產生電平變化，一直輸出低電平。

4 結束語

本智能風扇利用人體紅外輻射的特性，綜合運用了智能控制、傳感器、機電一體化等技術，創新性地應用了熱釋電傳感器來達成智能擺角、垂直升降、調節風速的功能，破除了單一地將熱釋電傳感器應用于防盜報警等方面，為熱釋電傳感器的應用提供了更多的可能性。本設計提出的智能風扇通過了國家檢測的各項指標，節能減排效益明顯。市場調研顯示，市民對本智能風扇的期望值較高，由于其能夠提高用戶的體驗，市場前景廣闊。

參考文獻：

［1］徐志剛，黃濤.基于單片機的智能風扇［J］.電子設計工程，2016，24（11）：154-156，159.

［2］李振興，譚洪，李開成，等.基于熱釋電紅外傳感器的人體追蹤電機控制的應用［J］.電測與儀表，2017，54（10）：108-112.