基于STM32智能窗簾控制系統(tǒng)的設(shè)計

翁利俠

（福建無線電設(shè)備有限公司，福建三明 365001）

0 引言

隨著科技的飛速發(fā)展，人類在向文明邁進(jìn)，人們的生活質(zhì)量有著很大的提高，不同時代對居住空間和環(huán)境的要求不同，越來越多的人們不拘于舊式居住環(huán)境，而提出了更高的要求[1]。人們生活質(zhì)量的穩(wěn)步提高是生活水平進(jìn)步的必然發(fā)展過程，其中科技技術(shù)的發(fā)展更是給生活帶來舒適、環(huán)保和安全的同時也讓居住環(huán)境越發(fā)舒服和便捷[2]。窗簾充當(dāng)著家庭生活中的門衛(wèi)，是家居生活不可缺少的產(chǎn)品，它讓室內(nèi)與外界隔絕，保持居室的私密性，同時又是家裝不可或缺的裝飾品，使得人們居住環(huán)境越發(fā)舒適和安全[3]?，F(xiàn)在傳統(tǒng)窗簾必須人為地去手動拉動，為了滿足光線強度的舒適度和居住環(huán)境的隱私性，每天手動拉動窗簾也越發(fā)頻繁，尤其是在占地較大的別墅或復(fù)式公寓手動拉動窗簾比較麻煩[4]?；谝陨显?，本文以單片機STM32F103作為系統(tǒng)的核心處理平臺，設(shè)計了一款具有多功能、穩(wěn)定、安全、成本低等特點的智能窗簾控制系統(tǒng)。解決了人們每天手動拉動窗簾的問題，也可以通過外界的溫度和光照強度來控制窗簾的開關(guān)，使得室內(nèi)光線和溫度智能化，讓人們處于一種較為舒適的生活環(huán)境，不僅提高了家居生活的私密性又能突顯生活的檔次，進(jìn)一步滿足了人們的享受需要，提高了人們的生活質(zhì)量和效率[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文以STM32F103單片機為開發(fā)平臺，根據(jù)智能窗簾控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能，進(jìn)行硬件電路的設(shè)計[6]。主要由3大部分組成，分別為數(shù)據(jù)采集、控制中心和執(zhí)行結(jié)構(gòu)。其中數(shù)據(jù)采集是由各類電子器件構(gòu)成的電路組成，通過各種傳感器，分別對室內(nèi)環(huán)境溫度、室內(nèi)光照強度、室內(nèi)聲音、紅外線信號和定時區(qū)間進(jìn)行采集。經(jīng)過單片機控制中心一系列分析處理后轉(zhuǎn)化外相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號，與產(chǎn)品設(shè)定的各種數(shù)據(jù)閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，控制ULN2003A步進(jìn)電機進(jìn)行相關(guān)操作，通過電機的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而控制窗簾的自動升降，并將處理后的數(shù)據(jù)信號在LCD1602液晶屏上顯示，可以清晰看到各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，也可以判斷數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。該產(chǎn)品可以在顯示屏上準(zhǔn)確獲得當(dāng)時的時間、溫度、窗簾的動作狀態(tài)以及系統(tǒng)的工作模式等數(shù)據(jù)。圖1所示為智能窗簾系統(tǒng)總體框圖。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計

為實現(xiàn)方便可行的智能窗簾控制系統(tǒng)策略，本系統(tǒng)硬件電路以STM32F103為核心、由電源設(shè)計電路、數(shù)據(jù)采集電路、電機控制電路、液晶顯示電路等模塊組成，控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制[7]。

2.1 電源電路設(shè)計

控制系統(tǒng)采用5 V電壓供電。但STM32F103C8T6芯片拓展電路需要3.3 V供電，故設(shè)計一個降壓電路，把5 V電壓降壓到3.3 V，以滿足整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行。圖2所示為供電電源電路。選用輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117-3.3，圖3所示為AMS1117-3.3降壓電路圖，圖中為保證工作穩(wěn)定性，接入一個10μF/16 V的鉭電容，兩個輸入電容C5和C7，C14和C8是輸出濾波電容[8]。

圖2 供電電源電路

圖3 AMS1117-3.3降壓電路

2.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)參數(shù)采集包括溫度、光照強度、語音、紅外信號、定時時間區(qū)間等，并通過各類傳感器進(jìn)行采集，并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)給控制中心處理[9]。

2.2.1 溫度采集電路的設(shè)計

采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。為一種新的“一線器件”，圖4所示為傳感器接線原理圖，DQ為主要通訊線路，主機可以通過控制DQ線路DQ高低電平時間來對DS進(jìn)行讀取和寫入，外加一個上拉電阻，DS的總線采樣是在總線拉低后15μs開始的，其工作流程為：開始、DS18B20復(fù)位、跳過ROM匹配指令、輸入讀取溫度指令、讀取溫度值、顯示溫度值、結(jié)束[10]。

圖4 DS18B20接線原理

2.2.2 光照強度采集電路的設(shè)計

光照強度采集電路選用光敏電阻進(jìn)行光照強度采集。只需要2個電極，工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。阻值與光照強度成反比即光照愈強，阻值就愈低，并且它對光線十分敏感，當(dāng)它處于無光照條件下時，呈高阻值狀態(tài)，一般可到達(dá)1.5 MΩ，如圖5所示為光照采集電路原理圖，取電阻R8上的電壓差值即可判斷光強變化。因為檢測的是一個電壓信號，單片機不能直接處理，32單片機內(nèi)部自帶AD，故直接接入AD輸入口即可。將接收到的所測光照強度信號，在數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的處理后，得到光線值[11]。

圖5 光照采集電路原理

2.2.3 語音識別電路的設(shè)計

采用非特定語音識別LD3320芯片，通過話筒收集聲音數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、放大處理后發(fā)送到LD3320進(jìn)行語音識別，把處理結(jié)果輸出到控制中心中?？刂浦行耐ㄟ^接收從語音識別芯片輸出的處理結(jié)果數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析，對ULN2003A步進(jìn)電機發(fā)送相應(yīng)的操作指令，完成窗簾的開和關(guān)動作[12]。

為了確認(rèn)系統(tǒng)是否識別到聲音，設(shè)計中加入一個LED發(fā)光二極管，當(dāng)LD3320收集到語音信號“小白”時，LED點亮，以此來提示有聲音發(fā)送。在指示燈亮?xí)r說對應(yīng)的關(guān)鍵詞可以讓窗簾進(jìn)行打開或者關(guān)閉，比如當(dāng)指示燈亮?xí)r，說“開窗”時，系統(tǒng)檢測到會驅(qū)動電機進(jìn)行正轉(zhuǎn)即窗簾打開，當(dāng)指示燈亮?xí)r，說“關(guān)窗”時，系統(tǒng)檢測到時會驅(qū)動電機進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，即窗簾關(guān)閉，圖6所示為LD3320語音識別原理圖。

圖6 LD3320接線原理

2.2.4 紅外接收電路的設(shè)計

采用HX1838紅外接收頭為一體化紅外接收頭，解調(diào)信號輸出端接在單片機P3.2引腳上。紅外遙控系統(tǒng)主要分為3部分，分別為調(diào)制、發(fā)射和接收。利用外部中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收[13]。圖7所示為紅外接收電路原理。

圖7 紅外接收電路原理

2.3 電機控制電路的設(shè)計

采用ULN2003A芯片用于步進(jìn)電機驅(qū)動電路中。圖8所示為ULN2003A的電路原理。

圖8 ULN2003A電路原理

2.4 液晶顯示屏電路的設(shè)計

采用LCD1602液晶顯示屏。進(jìn)行初始化，然后設(shè)置顯示的字符串即可控制顯示屏顯示想要的結(jié)果。該顯示器內(nèi)部設(shè)有存儲器，其存儲器中存儲了英文字母、數(shù)字以及圖形等，這些數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了一個數(shù)據(jù)庫，當(dāng)顯示器工作時，只需調(diào)用庫中的數(shù)據(jù)，即可實現(xiàn)對顯示屏的編輯[14]。圖9所示為LCD1602的電路原理。

圖9 LCD1602電路原理

3 系統(tǒng)測試和結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)功能測試

對整個系統(tǒng)進(jìn)行測試，檢驗系統(tǒng)實現(xiàn)的功能是否達(dá)標(biāo)，各個硬件電路，各種軟件設(shè)計以及軟件和硬件設(shè)計是否存在沖突，使得設(shè)計的控制系統(tǒng)更具有現(xiàn)實性。

3.2 手動模式測試

在顯示屏左下角可以看到系統(tǒng)當(dāng)前模式，可以通過K4鍵位調(diào)節(jié)模式，在手動模式下主要通過手動、紅外線遙控、語音識別來關(guān)窗簾，開窗簾。其中，通過手動按鍵位K2可以實現(xiàn)開窗簾，按K3可以實現(xiàn)關(guān)窗簾；紅外遙控器上對應(yīng)的1～4按鍵和實物上的K1～K4一一對應(yīng)，遙控器可以通過對準(zhǔn)HX1838紅外接收一體頭來實現(xiàn)紅外遙控控制；當(dāng)我們說關(guān)鍵詞“小白”，語音對應(yīng)的LED會亮，指示燈亮?xí)r需要再說“開窗”或“關(guān)窗”，就可以實現(xiàn)窗簾的開關(guān)。系統(tǒng)窗簾的開關(guān)狀態(tài)可以在顯示屏右下角看，ON表示系統(tǒng)窗簾打開，OFF則表示系統(tǒng)窗簾關(guān)閉。圖10所示為手動模式下實物測試下窗簾的打開。

圖10 手動模式下實物

3.3 自動模式測試

自動模式下主要通過溫度和光照強度控制窗簾的開和關(guān)。在檢測溫度功能前，需要提前設(shè)置溫度值，以確保功工作能正常運行。實物檢測溫度功能時，當(dāng)外界溫度達(dá)不到設(shè)置的溫度值時，可以拿手指去捏DS18B20溫度傳感器，人為的去改變系統(tǒng)溫度，讓溫度到達(dá)系統(tǒng)要求，從而控制窗簾的關(guān)閉，以檢測該功能是否能正常運行。圖11所示為自動系統(tǒng)下，設(shè)定溫度值為30℃時系統(tǒng)關(guān)閉窗簾的實物圖。當(dāng)圖中左上角的光敏電阻檢測到有光照時，電機會反轉(zhuǎn)即窗簾會關(guān)閉，當(dāng)檢測到無光照時，電機會正轉(zhuǎn)即窗簾會打開。當(dāng)出現(xiàn)設(shè)定的溫度和光照強度在都滿足系統(tǒng)控制窗簾條件下時，溫度的優(yōu)先級會高于光照強度，

圖11 自動模式下實物

3.4 測試結(jié)果分析

在反復(fù)測試20次后，自動模式下各種操作都無異常，而在手動模式下的語言識別卻不太靈敏，在測試的20次中有8次出現(xiàn)異常，在更換手機充電器（5V 2A）后恢復(fù)正常，原使用手機充電器（5V 1.5A），推測原因是電壓供給系統(tǒng)各模塊電壓不穩(wěn)定，導(dǎo)致語音識別以及溫度檢測出現(xiàn)不精確現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文基于STM32F103設(shè)計了一款智能窗簾控制系統(tǒng)。設(shè)計硬件電路與軟件程序，其中硬件電路設(shè)計了系統(tǒng)電源電路、數(shù)據(jù)采集電路、最小組成系統(tǒng)電路以及系統(tǒng)外圍電機控制電路的設(shè)計。通過多種傳感器收集各種數(shù)據(jù)，控制電機正反轉(zhuǎn)以達(dá)到控制窗簾的自動升降。通過LCD1602顯示當(dāng)前窗簾的時間、溫度、工作模式、工作狀態(tài)等信息。搭建系統(tǒng)實物測試平臺，測試硬件設(shè)計和軟件設(shè)計是否出現(xiàn)沖突的現(xiàn)象。根據(jù)測試到的數(shù)據(jù)結(jié)果，對本次課題設(shè)計進(jìn)行調(diào)試、分析及改進(jìn)。從實驗結(jié)果可以得出該系統(tǒng)性價比高、可靠性強。