利用人体自身红外辐射的智能风扇

田嘉晨，周厚满，林创挺

（武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 项目背景

传统电风扇在设计时均设定了扫风模式和直风模式，扫风模式下，风扇按照既定的角度旋转，风扇空吹造成了能源的浪费；直风模式下，风扇的风速调节缺乏智能化。通过市场调研，能耗大、能量转换率低的传统风扇占据主要市场，实现电风扇的智能化、人性化及节能效果变得十分必要。

本设计基于现有风扇存在的问题，根据人体自身红外辐射的特性，通过红外热释电传感器实现人体的实时追踪，从而间接控制风扇的风速、转向、高度，实现风扇的智能调节。人体散发的波长在红外热释电传感器的感应范围内能够较好地实现人体的定位，并且其具有经济实用、低功耗的优点。

2 系统设计

2.1 整体设计

本设计利用人体自身红外辐射的特性实现风扇的智能控制，系统的主要组成模块包括热释电传感器检测模块、转向模块、垂直升降模块、电机模块。

2.2 模块设计

2.2.1 人体自身红外辐射特性

在自然界中，任何高于绝对零度（－273℃）的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量。而红外辐射具有一定的规律性，基尔霍夫定律指出，在一定温度下，达到热平衡的物体辐射本领与吸收本领成正比，即发射率等于吸收率，而人体自身是一个红外辐射源。皮肤的红外发射率很高，接近黑体。人体裸露皮肤温度通常为32～33℃。赤身人体的辐射面积等于人体投影面积，成年人约为0.6 m2。室内环境在21℃时，人体皮肤温度约为32℃，根据基尔霍夫定律可以得出平均辐射强度为93.5 W/sr，约为32%的人体辐射在8～13 μm波段，1%的在3.2～4.8μm波段。

本设计利用人体自身红外辐射的特性，通过传感器检测人体信号，实现智能摆角控制，减少风扇摆头空程。

2.2.2 热释电传感器检测模块

热释电传感器应用热释电效应[1]，当传感器检测范围内温度有ΔT的变化时，因热释电效应会在2个电极上产生电荷ΔQ，即在2个电极间产生微弱的ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会随空气中的离子结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT＝0，传感器无输出。

2.2.3 转向模块结构设计

人体对象追踪是通过转向模块与传感器检测模块协作完成的，可精确控制的转向模块是必不可少的组成部分，它由电机、传动机构和转盘3部分组成。转向模块设计的目标是使得传感器平面及风扇平面可以在一定范围内精确摆动。转向模块由步进电机、大齿轮、小齿轮构成。

2.2.4 垂直升降模块设计

风扇主体由底座、立柱、电扇头以及水平方向和竖直方向的电机组成，控制系统以MSP430单片机为主控器[2]。在电扇头中间部分安装人体运动检测模块，可检测人体的运动信息，控制系统根据人体运动检测模块的信号控制竖直方向的电机来调整电扇的高度，使得电扇在竖直方向上自动追踪人体的运动。风扇开始工作时，系统控制风扇在垂直方向上上下扫动，同时红外传感器搜索人体信号，当传感器检测到人体红外信号时，单片机控制步进电机，使风扇头在有信号的范围内垂直升降。

2.2.5 电机模块

根据左右2个传感器的输入信号不同，通过STC89C52控制器控制转向电机的转动。当人正对风扇时，恰好位于2个传感器的检测范围外，并且在传感器的检测范围内无运动热源物体，因此输出为低电平。当人向左侧移动时，进入左侧传感器检测范围，左侧传感器输出高电平，控制器控制电机左转。

3 实验分析

3.1 PIR探头人体红外信号采集

为探究人体红外参数与传感器的对应关系，先进行PIR探头人体红外信号的采集。测试时，用手指靠近PIR的检测元表面，用示波器直接测量输出端对地电压。

实验结果表明，当手指靠近不动或远离探头时，传感器输出为一条直线。当目标靠近时，输出的是一个类似于正弦波周期的波形；而没有靠近时，由于探头没有感应到信号，因此输出为直线。而在静止的情况下，由于2个敏感元件感应到的辐射能量基本相同，互相抵消，因此无信号输出，输出也为一条直线；相反，当检测对象出现在探头前端时，由于感应到的辐射能量不同，因此有信号输出。

图1 传感器模块输出数字波形图

3.2 传感器模块输出信号采集分析

将信号调理电路增加到PIR探头上时，传感器最终输出数字信号，并将其输入到控制器中处理。图1所示为人在传感器前经过时传感器输出的数字波形图，其中，图（a）为人进入检测范围后静止不动，而图（b）为人在进入检测范围后做小幅度的抖动。由（a）（b）2幅图的波形可以看出，传感器模块在人未进入范围时输出低电平；当人走进或走出检测范围时，才检测到有信号输入，输出高电平脉冲。但是当人在检测范围内静止不动时，则不产生电平变化，一直输出低电平。

4 结束语

本智能风扇利用人体红外辐射的特性，综合运用了智能控制、传感器、机电一体化等技术，创新性地应用了热释电传感器来达成智能摆角、垂直升降、调节风速的功能，破除了单一地将热释电传感器应用于防盗报警等方面，为热释电传感器的应用提供了更多的可能性。本设计提出的智能风扇通过了国家检测的各项指标，节能减排效益明显。市场调研显示，市民对本智能风扇的期望值较高，由于其能够提高用户的体验，市场前景广阔。

参考文献：

［1］徐志刚，黄涛.基于单片机的智能风扇［J］.电子设计工程，2016，24（11）：154-156，159.

［2］李振兴，谭洪，李开成，等.基于热释电红外传感器的人体追踪电机控制的应用［J］.电测与仪表，2017，54（10）：108-112.