一种新型智能风扇耳机的设计

一种新型智能风扇耳机的设计

姓名：贺元婷  聂奎营  张广笔  刘灿

单位:兴义民族师范学院邮编：562400

摘  要:跑步作为一种简单高效的锻炼方式深受大众喜爱，但在运动过程中既想保持清爽舒适的环境又兼顾娱乐享受却难以实现。针对这种情况，本文设计了一种新型智能风扇耳机，利用STC89C51单片机作为核心控制器，采用HC-SR501人体感应传感器，确保风扇和耳机在用户需要时自动开启，通过DS18B20数字温度传感器实时采集环境信息以控制风扇运作。在音频播放方面，本设计选用MH-018蓝牙音乐播放模块，同时整合ARS01语音识别模块，可以通过语音指令控制风扇和耳机的各项功能。

关键词：单片机 物联网 智能控制 风扇耳机系统

Design of a new type of intelligent fan headphone 

HEYuantingNIE KuiyingZHANGGuangbiLIUCan

Abstract:Running,asasimpleandefficientwayofexercising,isdeeplylovedbythepublic,butitisdifficulttomaintainacleanandcomfortableenvironmentwhilealsoenjoyingentertainmentduringexercise.Inresponsetothissituation,thisarticledesignsanewtypeofintelligentfanearphone,whichusesSTC89C51microcontrollerasthecorecontrollerandHC-SR501humanbodysensingsensortoensurethatthefanandearphoneautomaticallyturnonwhentheuserneedsthem.TheDS18B20digitaltemperaturesensorcollectsreal-timeenvironmentalinformationtocontroltheoperationofthefan.Intermsofaudioplayback,thisdesignusestheMH-018BluetoothmusicplaybackmoduleandintegratestheARS01voicerecognitionmodule,whichcancontrolthevariousfunctionsofthefanandheadphonesthroughvoicecommands.

Key words:Microcontroller; Internet of Things (IoT); Intelligent Control; Fan Headphone System

目前市场上，蓝牙耳机以无线便捷性以及多样化的功能逐渐成为运动人士的标配，尤其是主动降噪技术的广泛应用，极大提升了聆听体验；然而，在炎热夏季运动时，用户还需要额外携带风扇以降低体温，这无疑增加了运动负担。一种新型智能风扇耳机的设计研发应运而生，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。首先，从科学层面看，该项目融合了物联网技术以及人工智能技术，通过研究如何借助STC89C51单片机实现对风扇和耳机的智能控制，探索温度传感器DS18B20与人体感应模块HC-SR501的数据采集和处理机制，以及ARS01语音识别模块在移动设备上的交互应用，旨在推进智能硬件设备的研发进程。从应用前景角度看，智能风扇耳机系统有望革新现有的运动配件市场格局，它将风扇与耳机合二为一，创造性地解决了用户在运动过程中的散热需求与音乐享受之间的矛盾，显著提高了锻炼时的舒适度。利用温度传感器自动调整风扇风速，使之更加贴合个体的实际需求，同时通过人体感应技术实现设备的自动启停，大大提升了产品的节能性能与用户体验。

1系统设计

1.1系统总体结构设计

一种新型智能风扇耳机的设计是一套集成了环境感知、智能控制、音频播放、人体感应等多项先进技术的复合型智能设备。主要由温度采集模块、语音控制模块、人体感应模块、电源电路模块、扬声器模块、无线蓝牙模块和电机驱动模块组成，如图1所示。系统通过单片机作为核心控制单元，实现各模块之间的信息交互和协调控制。系统总体设计旨在实现耳机的舒适佩戴、智能调节风扇转速、便捷的语音交互以及与其他智能设备的无线连接。

图1系统总体结构图

1.2温度采集模块

温度采集模块以DS18B20数字温度传感器为核心器件，负责实时监测环境周围的温度，其结构图如图2所示。该模块将采集到的温度数据转化为电信号，并通过微型处理器进行精密处理和分析。单片机根据检测到的温度数据，结合预设的温度阈值，控制风扇的转速，以确保最佳的散热效果。实现步骤大致如下：初始化单片机和温度传感器；设置定时任务，定期读取温度传感器的数据；对读取的温度数据进行滤波处理，减少干扰和噪声；将处理后的温度数据与用户设定的温度阈值进行比较；根据比较结果，控制风扇转速。当温度超过阈值时，启动或加速风扇；当温度低于阈值时，关闭或减速风扇。

图2温度采集模块结构图

1.3语音控制模块

语音控制模块使用语音识别芯片或语音识别算法来识别用户的语音指令，其结构图如图3所示。用户可以通过语音指令来控制风扇的转速。单片机接收到语音指令后，解析并执行相应的操作。这种设计使得用户能够以更快捷的方式控制风扇，从而提高用户体验和便捷性。语音识别是基于关键词语列表识别的技术，只要把需要识别的关键词用字符的形式送到语音识别芯片的内部，就可以对关键词识别。该设计采用ARS01语音识别芯片，该芯片采用高性能的数字信号处理器（DSP）作为核心，能够实现高效的语音识别算法，并且具有高处理速度和低功耗的特点。同时，芯片还采用了先进的语音识别算法和模型，能够对多种语言和口音进行识别，并且具有较高的识别准确率，以满足用户需求。通过软件编程可以实现：当用户发出指令时，“增大风速”“降低风速”，单片机能通过控制逻辑电路调整或耳机的音频输出。

图3语音控制模块结构图

1.4人体感应模块

人体感应模块使用红外对管传感器来检测用户的存在，主要由红外发射管和红外接收管组成。发射管发射红外光线，当有人体或其他物体阻挡光线时，接收管接收不到信号，从而触发感应电路，其结构图如图4所示。单片机作为整个系统的核心，负责控制红外对管传感器的工作、处理感应信号以及驱动风扇的启动与停止。设计时，首先需要将红外对管传感器与单片机进行连接，确保传感器输出的信号能够被单片机准确接收。接着，通过编程实现对感应信号的处理，当传感器感应到人体时，单片机向风扇模块发送启动信号；当传感器未感应到人体时，单片机发送停止信号。这种设计使得风扇能够在用户靠近时自动启动，从而提高能效和舒适度。

图4人体感应模块结构图

1.5电机驱动模块

电机驱动模块是智能风扇耳机的核心部分，负责控制风扇的旋转速度，以及耳机的声音播放，其结构图如图5所示。其核心元件是电机，通过单片机发出指令，驱动电机转动，从而带动风扇叶片旋转，为用户带来清凉的风。基于耳机的便携性和续航能力，一般选择体积小、效率高、功耗低的直流无刷电机。这种电机具有转动平稳、噪音小等优点，非常适合用在智能风扇耳机中。在设计电路时，电机驱动模块需要考虑到电机的驱动电压、电流以及单片机的接口电平。通常，单片机会通过PWM（脉冲宽度调制）信号控制电机的转速。在电路中，需要加入适当的驱动电路和保护电路，以确保电机在各种工作环境下都能稳定运行，并防止电机因过载或短路而损坏。

图5电机驱动模块结构图

1.6无线蓝牙模块

无线蓝牙模块使用蓝牙芯片来实现智能风扇耳机、手机、平板等设备的无线连接，其结构图如图6所示。蓝牙芯片通过UART、SPI等接口与单片机进行通信，实现音频数据的传输和控制指令的接收。天线设计则关系到蓝牙信号的传输距离和稳定性，一般采用PCB天线或外置天线。电源电路需要为蓝牙芯片提供稳定的工作电压，同时考虑低功耗设计。蓝牙协议栈是实现蓝牙功能的基础，它包括基带层、链路管理层、逻辑链路控制和适配协议层、安全管理层等。在单片机上实现蓝牙协议栈，需要编写相应的代码来处理蓝牙信号的收发、连接、断开等操作。通过蓝牙连接，用户可以使用手机等设备播放音乐或暂停音乐。单片机通过蓝牙模块接收和发送数据，实现与手机的通信。这种设计使得用户可以通过手机等设备远程控制音乐播放或暂停，从而实现更加便捷的操控体验。

图6无线蓝牙模块结构图

2 原理图和实物图

图7是智能风扇耳机系统的原理图，其组成包括单片机最小系统、蓝牙模块、语音模块、直流风扇模块、红外对管模块、温度传感器模块、电源电路模块。STC89C51单片机作为智能风扇耳机系统的核心处理器，负责接收传感器数据、解析语音指令、控制风扇和耳机的工作状态以及蓝牙通信等功能。它通过GPIO引脚与其他硬件模块连接，实现对整个系统的管理和协调，方便实物焊接。

图7智能风扇系统总原理图

接通电源后，通过电路板的2个按键来控制风扇的转速，还可以通过人体感应模块检测人体是否存在来控制风扇开或关，另外还可以通过唤醒音乐识别系统来控制风扇的转速和音乐播放或暂停，实物图如图8所示。

图8实物图

3 结语

经过测试，设计的新型智能风扇耳机成功实现了预期的目标，即集成风扇降温与蓝牙耳机听歌功能于一体，打造出一款具备智能温控、语音识别、人体感应、等多种先进特性的穿戴设备。系统采用了STC89C51单片机作为主控制器，通过DS18B20数字温度传感器进行环境温度的实时监测，智能调节风扇转速；同时，借助ARS01语音识别模块实现语音控制，提升了用户体验；人体感应模块HC-SR501则确保了设备在用户佩戴时自动启动相关功能，而蓝牙音乐播放模块MH-018保障了无线音频传输的顺畅和高品质音乐播放，可以给用户带来了更好的使用体验，相信在未来也有更好的发展前景。

参考文献

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