基于STM32的智能風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計

張彬 宋振宇 黃興平 楊舒暢

摘要：近年來智能家居行業(yè)飛速發(fā)展，但市場上的風(fēng)扇功能簡單不夠智能。該智能風(fēng)扇以STM32單片機為核心實現(xiàn)風(fēng)扇的三種工作模式：自動模式下利用溫度傳感器檢測周圍的溫度的變化，單片機接受信息并調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到更好的工作效果。手動模式下，可以通過按鍵控制，也可以使用語音控制調(diào)整風(fēng)扇系統(tǒng)的運行。人體識別模式時，風(fēng)扇默認(rèn)關(guān)閉，當(dāng)有人接近風(fēng)扇時，風(fēng)扇便會轉(zhuǎn)動。此外智能風(fēng)扇還擁有定時功能，可以設(shè)置自動關(guān)閉的時間。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇;智能;STM32;聲控;自動控制;人體識別

中圖分類號：TP368.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0016-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

The Design of Intelligent Fan Based on STM32

ZHANG Bin， SONG Zhen-yu， HUANG Xing-ping， YANG Shu-chang

（School of Computer Science and Technology， Taizhou University， Taizhou 225300， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of smart home industry， But now the fans on the market are simple in function.This intelligent fan takes STM32 single chip microcomputer as the core to realize three working modes of the fan. In the automatic mode， the temperature sensor is used to detect the change of the surrounding temperature. The single chip microcomputer receives the information and adjusts the speed of the fan， so as to achieve better working effect. In manual mode， the operation of the fan system can be adjusted by pressing the key or by using voice control. In human recognition mode， the fan is off by default. When someone approaches the fan， the fan will turn. In addition， the intelligent fan also has the timing function， which can set the automatic shutdown time.

Key words： Fan; Intelligent; STM32; Voice control; Auto-control; Body recognition

1 引言

隨著社會和科技的飛速進(jìn)步，智能家居不僅繼承了傳統(tǒng)家居的簡單實用的特點，并且擁有智能化、人性化的等優(yōu)點。智能家居使生活更加的舒適、便捷。在基礎(chǔ)技術(shù)條件日漸成熟，外部市場環(huán)境不斷完善的當(dāng)下，產(chǎn)品端需要真正實現(xiàn)功能型產(chǎn)品向真正智能化的轉(zhuǎn)變，借助人工智能的力量去開創(chuàng)全行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，風(fēng)扇也應(yīng)順應(yīng)發(fā)展走向智能化[1]。本文設(shè)計的智能風(fēng)扇主要實現(xiàn)如下幾個功能：自動控制功能：通過檢測外界溫度的變化自動改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。溫度變高的時候風(fēng)扇擋位就會升高，溫度越低時，風(fēng)扇擋位就會變低;人體檢測功能;風(fēng)扇處于待機模式時，當(dāng)人體靠近傳感器時風(fēng)扇自動開啟，當(dāng)人體離開時候會自動關(guān)閉;聲音控制功能：由LD3320語音芯片識別語音，用戶只要說出關(guān)鍵字如打開風(fēng)扇、關(guān)閉風(fēng)扇等就可以控制風(fēng)扇的運行;燈光控制功能：可以通過語音或按鍵控制燈光的打開與關(guān)閉，在夜晚可以提供照明;睡眠定時功能：用戶根據(jù)需要選擇相應(yīng)的定時時間，定時結(jié)束后風(fēng)扇自動關(guān)閉。

2 系統(tǒng)設(shè)計

該設(shè)計選用的核心控制芯片是基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6，它是一款高性能、高兼容、易開發(fā)、低功耗、低工作電壓以及具有實時數(shù)字信號處理的32位閃存微控制器產(chǎn)品[2]。智能風(fēng)扇系統(tǒng)是由單片機、語音識別模塊、溫度傳感器模塊、紅外傳感器模塊等組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

2.1 語音識別模塊

語音識別模塊內(nèi)部包含LD3320芯片和STC11L08XE單片機，LD3320芯片由ICRoute公司設(shè)計，語音識別模塊集成麥克風(fēng)口、聲音輸出接口等外部電路[3]，該芯片通過特別的算法可以完成非特定的語音識別，語音識別無需事先訓(xùn)練和錄音，只要說出相應(yīng)關(guān)鍵字，語音識別就可以完成，使用起來非常方便。語音識別開始時，模塊的麥克風(fēng)接收周圍的聲音，這些聲音不一定是帶有關(guān)鍵字的聲音，也可能是一段沒有意義的聲音，語音識別芯片對接收的聲音進(jìn)行頻譜分解，根據(jù)聲音特征提取相應(yīng)的頻率，然后與芯片數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行關(guān)鍵字的匹配，將會對不同關(guān)鍵詞進(jìn)行打分，哪個分?jǐn)?shù)高就選擇相應(yīng)的結(jié)果作為輸出[4]。

2.2 DS18B20溫度傳感器

為了實現(xiàn)對周圍溫度的檢測該系統(tǒng)選用的是DS18B20可編程數(shù)字溫度傳感器，它具有抗干擾能力強、價格便宜、使用方便等優(yōu)勢[5]。傳感器測溫結(jié)果是通過其內(nèi)部精密晶振振動頻率隨溫度變化的特性得到的。傳感器內(nèi)部獨立包含一個獨立的測量芯片，芯片內(nèi)置存儲單元，包含64位的ROM和9字節(jié)的RAM，64位ROM用于存放產(chǎn)品編碼，9字節(jié)RAM的前兩字節(jié)用于保存溫度信息。溫度傳感器DS18B20 的高度集成化，大大降低了外接放大轉(zhuǎn)換等電路的誤差因素，測量出的溫度誤差很小[6]。檢測到的溫度數(shù)值可以在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量直接輸出，這樣方便了系統(tǒng)程序設(shè)計。溫度傳感器的詳細(xì)參數(shù)如下：

（1）DS18B20溫度傳感器與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

（2）工作電壓范圍 1.8V ～5.5 V。

（3）測溫范圍： -55 ～+125 °C，默認(rèn)測溫分辨率為0.5 °C。

（4）可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

（5）可以將多個傳感器并聯(lián)在一條總線上，測量多個地方的溫度。

（6）傳感器不會因為電源反接而損壞。

2.3 OLED顯示屏

屏幕選用的是4針9.6寸OLED屏幕，這是一種新型的屏幕技術(shù)，擁有自發(fā)光的特性，具有可視角度大、功耗低、對比度高等優(yōu)勢。對比lcd屏屏幕，OLED顯示效果更好、功耗更低、適合小系統(tǒng)。OLED屏幕支持3.3V ～5V供電，所以不用修改模塊電路。OLED屏幕包含4個引腳分別是GND、VCC、SCL和SDA。GND和VCC接地和電源，SCL連接PA0，SDA連接PA1。OLED屏幕可以根據(jù)需要顯示出字符、數(shù)字、漢字等，使用起來簡單方便。

2.4 紅外傳感器模塊

該系統(tǒng)選用紅外對管傳感器檢測人體，該傳感器具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點。紅外對管傳感器是由紅外發(fā)射管與光敏接收管等構(gòu)成，紅外對管傳感器工作時發(fā)射管會發(fā)出人眼不可見的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物時，紅外線就會反射回來被接收管接收，經(jīng)過LM393比較器電路處理之后，輸出指示燈會亮起，OUT口輸出低電平數(shù)字信號[7]。傳感器的工作電壓為3.3V～5V，傳感器模塊輸出端口可以與單片機IO口直接相連，傳感器模塊檢測到人體時會持續(xù)輸出低電平信息。

2.5 直流風(fēng)扇

目前，市面上的220V風(fēng)扇使用起來不安全且不容易控制，所以該系統(tǒng)選用的是一個5V供電的直流風(fēng)扇，這是一種小型風(fēng)扇，使用起來更加安全，并且容易被單片機所控制。因為是使用PWM波控制風(fēng)扇速度，所以直流風(fēng)扇可以有多種擋位選擇，可以根據(jù)自己需要調(diào)整合適的速度。直流風(fēng)扇的噪音很小，使用的時候不會影響到工作和休息，而且使得語音識別更加的可靠準(zhǔn)確。

2.6 燈光模塊

該系統(tǒng)選用一個5V供電的LED燈光用于照明，LED學(xué)名叫做發(fā)光二極管，這種發(fā)光材料由N、P、As等多種化合物制成，當(dāng)電子與空穴相遇就能夠產(chǎn)生光。這種燈光可以有多種顏色，本設(shè)計選用的是白色LED燈。設(shè)計選用的燈光可以用于在晚上閱讀時候照明，也可以用來裝飾家居環(huán)境等等，可以滿足大部分的照明需要。將照明功能加入智能風(fēng)扇當(dāng)中豐富了產(chǎn)品功能，還能夠節(jié)省臺燈占用的空間。智能風(fēng)扇中含有一個專門用于控制燈光的按鍵，除了按鍵之外，也可以用語音控制燈光，只要說出打開燈光、關(guān)閉燈光等關(guān)鍵詞就可以控制燈光運行。

2.7 按鍵模塊

該系統(tǒng)選用的是輕觸式開關(guān)，該按鍵內(nèi)部有彈簧，這種按鍵只需要施加一個很小的力就能夠使開關(guān)閉合，松手時按鍵會自動彈起，手感很好，有段落感，發(fā)出清脆的聲音，容易辨別。輕觸開關(guān)應(yīng)用于遙控器、玩具、家用電器等等，使用方面非常廣。影響輕觸按鍵使用的因素有很多，主要在于開關(guān)的防腐蝕性、壽命、按壓手感，一般開關(guān)為了降低接觸電阻，采用鍍銀方式，將按鍵引腳的基材進(jìn)行鍍銀。彈簧的好壞取決了按鍵的手感，目前使用最多的是日本的沖壓技術(shù)，采用這種技術(shù)的按鍵可承受數(shù)萬次的按壓，非常耐用手感也非常好。設(shè)計采用7個按鍵組成獨立式按鍵，每個按鍵直接用IO口線組成單個鍵盤電路，配置靈活，軟件設(shè)計非常方便。

2.8 電源控制模塊

該系統(tǒng)采用的5V的micro usb向stm32最小系統(tǒng)板供電，因為stm32f芯片需要3.3V的電壓才能正常工作，所以利用單片系統(tǒng)板上的線性穩(wěn)壓器將5V電壓轉(zhuǎn)化為3.3V。這種線性穩(wěn)壓器成本非常低，只需要幾分錢就可以買到，體積非常小，可以非常方便地安裝在其他器件上，工作的時候噪音很小，輸出電流可靠穩(wěn)定，因此十分適合在單片機系統(tǒng)上使用。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 單片機供電電路

單片機的正常工作的電壓是2.0～3.6V，斷電時VBAT引腳為RTC和備份寄存器提供電源。穩(wěn)定良好的電源供應(yīng)是實現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)，設(shè)計采用micro usb為系統(tǒng)板供電，供電電壓為5V，最小系統(tǒng)板內(nèi)部包含ME6211穩(wěn)壓芯片，該芯片可以將5V電壓轉(zhuǎn)化置3.3V，輸出電流為100MA，C1、C2、C3、C4均為濾波電容，過濾掉電流的交流部分，從而使得電流更加平滑。穩(wěn)壓芯片如圖2所示：

3.2 單片機復(fù)位電路

復(fù)位電路可以實現(xiàn)單片機的初始化，系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要上電復(fù)位和按鍵復(fù)位，圖中電路為低電平復(fù)位電路，通電時，由于電容兩端電壓無法突變，所以NRST為低電平復(fù)位，然后電容在緩慢充電，NRST端電壓緩慢升高，當(dāng)上升到一定的高電平時，單片機開始正常工作。當(dāng)按下RST時NRST又變?yōu)榈碗娖綇?fù)位，復(fù)位電路是系統(tǒng)中不可或缺的一部分。單片機的復(fù)位電路如圖3所示：

3.3 燈光控制模塊電路

燈光需要5V的電壓供電，單片機最多輸出3.3V的電壓，所以需要一個繼電器和三極管來控制電路，由此可以實現(xiàn)弱電控制強電。一般動觸點K1和常閉引腳閉合，電燈不工作。當(dāng)單片機IO口輸出信號時，繼電器產(chǎn)生磁效應(yīng)吸合銜鐵，動觸點K1和常開觸點閉合，電燈亮起。當(dāng)燈光停止工作時，為了防止繼電器的反電動勢對繼電器造成損害，所以并聯(lián)一個續(xù)流二極管保護(hù)繼電器。燈光控制電路如圖4所示。

3.4 溫度傳感器模塊電路

DS18B20智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器，全部傳感器原件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管集成電路內(nèi)，可以直接讀出數(shù)據(jù)，溫度傳感器的DQ口連接單片機PB6引腳[8]。溫度傳感器電路如圖5所示：

3.5 紅外對管傳感器電路