基于紅外熱電堆傳感器的人感控制器設計

李志逢 鄒宏亮

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

隨著科技的發展，人們的生活水平不斷提高，隨之而來的，人們對空調的智能化和使用舒適性要求越來越高[1]。在日常生活中，用戶移動了位置、人數量變化時掃風板角度已不再適合當前用戶的位置。只能手動調節掃風板角度來解決，隱形中給用戶增加了使用負擔。亟需有一種可實時檢測人體位置并可與空調掃風板聯動的控制器來解決此問題。本文以32位單片機TM4C123GH6PM為控制和數據處理器，通過紅外熱電堆傳感器MLX90640檢測空間熱源情況后采用熱源圖像處理算法識別人體位置來控制空調掃風角度，真正實現空調的智能化控制，并可在一定程度上提升用戶舒適性和產品競爭力。

1 紅外熱電堆陣列傳感器

紅外熱電堆傳感器是一種利用紅外線輻射能量來檢測物體溫度的傳感器，它由多個熱電偶串聯起來，它和熱電偶的原理都是基于物質溫差產生電動勢的效應（塞貝克效應）[2]；每個熱電偶都由兩種不同材料組成，其中一種材料是紅外線吸收材料，另一種材料是金屬導體，當紅外線射到紅外線吸收材料上時，它會被吸收并轉化成熱能，導致該材料的溫度升高，這個溫度差會導致熱電偶產生電勢差，從而產生電流，通過測量電流大小就可以測量物體的溫度。結構上由可透過特定波長范圍的紅外濾光片和紅外接收的熱電堆芯片組成。

1.1 MLX90460紅外熱電堆陣列傳感器

MLX90460傳感器是由邁來芯公司生產的一種完全校準的高分辨率紅外測溫陣列芯片，其內部集成32×24個紅外測溫單元，可精確檢測特定區域和溫度范圍內的目標物體[3][4]；集成了一個環境傳感器來測量芯片的環境溫度和供應傳感器來測量VDD，支持數字I2C總線接口讀取存儲在內部RAM的溫度數據和電壓數據；而且體積小使用4針工業級TO39封裝，便于開發設計產品，具體電器參數如表 1。

2 控制器硬件設計

人感控制器的應用對象是天井機，安裝位置在天井機的掃風面板的一個角上，主要由傳動控制模塊和檢測模塊組成,紅外熱電堆傳感器集成在檢測模板板上；而傳動模塊的作用是將檢測模塊及傳感器帶動到四個方向，實現360 °旋轉檢測，系統結構圖如圖1。

圖1 系統結構圖

檢測模塊是紅外熱電堆傳感器的載體，由于傳感器的檢測視角范圍是75 °，因此檢測模塊和垂直方向的夾角也為75 °，保證能夠檢測到傳感器正下方的熱源情況；控制器硬件方面主要講解傳動控制模塊。

2.1 傳動控制模塊硬件設計

傳動控制模塊由主芯片、步進電機、I2C通訊接口和HBS通訊接口組成。主芯片采用TI公司推出的32位基于ARM Cortex-M4內核的TM4C123GH6PM，該芯片擁有主頻80 MHz，256 KB Flash，32 KB SRAM，這些資源對于傳感器的多組檢測數據存儲和高速運算提供了有力保障；同時還擁有通用異步收發傳輸器器（universal asynchronous receiver /transmitter，UART）、同步串行接口（synchronous serial interface，SSI）/串行外設接口（serial peripheral interface，SPI） 、內部整合電路（inter-integrated circuit，I2C）等通用接口，可根據通訊對象靈活快速配置，方便和空調機組（UART）、紅外熱電堆傳感器（I2C）實現通訊。控制器的系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖

2.1.1 步進電機驅動電路

步進電機選用四相步進電機MP24AH，該電機步距角為5.625 °/64步，可滿足傳感器檢測模塊的360 °范圍內任意角度的轉動需求，驅動方式采用四相八拍，控制方式相對簡單且可保證力矩平穩和控制精度，減少失步風險。驅動芯片選用ULN2003,內部采用NPN型達林頓陣列驅動電路，單通道電流可達500 mA，且輸出端集成鉗位二極管，有效保護步進電機可靠工作，步進電機驅動電路如圖3所示。

圖3 步進電機驅動電路

2.1.2 HBS通訊電路

HBS（家庭總線系統,Home Bus System）是一種以低壓電力載波方式將差分信號加載到兩根通訊線上的通訊總線方式[5]，因其通訊距離長、抗干擾能力強，安全性高，對極性無要求等特點，在空調領域特別時中央空調產品中具有最廣泛的應用。選用Maxim公司的MAX22288收發器，內部集成有源電感和LDO模塊，可減少外圍電路的差模電感和電源轉換電路，便于控制器PCB小型化設計。并且具有可調整接收器閾值和驅動轉換速率，支持傳輸速率高達200 kbps，為芯片在復雜環境中可靠工作提供了有力保障，HBS通訊電路見圖4所示。

圖4 HBS通訊電路

表1 MLX90460傳感器電氣參數

2.2 傳動控制模塊軟件設計

軟件設計部分采用時間片架構模塊化設計；控制器上電后首先初始化MCU時鐘，最小系統啟動后，配置UART、GPIO和I2C等外設寄存器，并對使用的全局變量初始化；下發對紅外熱電堆傳感器初始化I2C指令，同時控制步進電機進行復位動作，當傳感器準備好且步進電機已完成復位后，按照時基任務進行調度任務；本文控制器作為HBS通訊的上位機，使用波特率為57 600 bps，發送數據周期為2 ms；步進電機驅動頻率為6 ms；步進電機每轉動90 °采集一次熱源信息，通過對采集到的熱源信號進行小信號數字濾波處理、四鄰域算法和背景差值算法并結合人體溫度閾值特征可識別到有效熱源信息；之后再依據掃風葉片角度和傳感器檢測范圍的地面投影位置映射關系，通過查表法可得出當前熱源需要的掃風板角度；人感控制器最后將掃風板需要動作到的角度發給空調機組，就完成了空調機組根據人體位置智能掃風的功能，軟件控制流程見圖5所示。

圖5 軟件控制流程圖

3 方案實現

通過以上方案設計，在實驗室（16～30）℃溫度范圍情況下，識別到以機組為圓心，半徑3 m內的人體識別率為98 %。控制環境溫度在（18～28）℃范圍內，人體分別坐在距離機組（0.4～4.5）m距離測試，當人體感受到有0.2 m/s的風速認為掃風板動作合理，最終結果表2顯示只有在距離機組特別近時會有感受不佳的情況，但是總體上已滿足了在較寬溫度范圍內，房間滿足空調制冷量的情況下，可實現空調智能送風的功能。

表2 人感風量檢測數據

4 結束語

本文采用MLX90460傳感器識別人體熱源信息，通過人感控制器帶動傳感器360 °檢測并能夠聯動空調機組，實現天井機組智能掃風，驗證了方案的可行性。但是在驗證過程發現其他熱源的干擾、人體根據環境發射紅外不確定性，穿衣薄厚的影響等都會影響人體檢測的準確性。空調機組送風風場的流動性等會影響用戶的直接感受；以上的問題是后續方案產品化需要研究的方向。