基于STM32 單片機(jī)的教室智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉艷峰

（甘肅省太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

智能家電是指將計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)運(yùn)用到家用電器中，使其在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集等功能，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。目前我國(guó)正在加快推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略和信息化建設(shè)步伐，為推動(dòng)智能家居行業(yè)發(fā)展提供了良好契機(jī)，同時(shí)也帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[1]。

傳統(tǒng)的電風(fēng)扇大都是手動(dòng)換擋或者開(kāi)關(guān)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平不斷提高，人們對(duì)生活質(zhì)量有了更多追求，對(duì)舒適度要求不斷提高和節(jié)能環(huán)保理念越來(lái)越深入人心，因此傳統(tǒng)手動(dòng)擋位式風(fēng)扇已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代消費(fèi)者需求。為了提高電風(fēng)扇的工作效率以及減少維護(hù)成本，我們應(yīng)該對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析并加以解決。綜上所述，設(shè)計(jì)了一種基于STM32 單片機(jī)的教室智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)。首先介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及主要功能，然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)原理，重點(diǎn)討論了該系統(tǒng)中各個(gè)模塊的選取原則，最后詳細(xì)論述了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案以及控制方法[2]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

教室智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)包括主控制器模塊、傳感器模塊和電機(jī)模塊[3]。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，由若干功能模塊組成，各功能部分均獨(dú)立完成各自所需的任務(wù)。在設(shè)計(jì)中，以STM32 單片機(jī)為核心控制單元，利用單片機(jī)的可編程性和嵌入式系統(tǒng)特點(diǎn)，將單片機(jī)與傳統(tǒng)的傳感器及控制軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能風(fēng)扇電機(jī)進(jìn)行智能化管理。通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)（溫度信號(hào)和人體檢測(cè)信號(hào)），再利用單片機(jī)處理后輸出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行相關(guān)操作；當(dāng)電機(jī)工作時(shí)，主控制器模塊根據(jù)傳感器信息計(jì)算出相應(yīng)轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速反饋到主控板上。傳感器模塊還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，從而可自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，使風(fēng)扇運(yùn)行更平穩(wěn)、更加舒適。同時(shí)還增加紅外遙控模塊，使用戶(hù)可以手動(dòng)開(kāi)關(guān)風(fēng)扇。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用，具有良好的穩(wěn)定性、安全性和很高的實(shí)用性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行自動(dòng)控制，可廣泛地用于教室內(nèi)的風(fēng)扇節(jié)能控制中。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.2 主控制器模塊

教室智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)是一種集智能感應(yīng)、溫度控制、風(fēng)速調(diào)節(jié)為一體的系統(tǒng)，它的主控制器采用STM32 單片機(jī)，STM32F103R8T6 單片機(jī)是一款高性能、低成本的32位微控制器，具有高可靠性和功耗低的優(yōu)勢(shì)[4]。具有集成的ADC，可以實(shí)現(xiàn)模擬量的采集；具有超高的內(nèi)存容量，外掛的Flash 可以達(dá)到128K；還具有高速的處理能力，最高處理速度可達(dá)到72M/s。此外，單片機(jī)還支持多種輸入輸出模式，可以靈活控制多種外設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)多種功能。最小系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)最小電路圖

1.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊采用DS18B20 溫度傳感器[5]。DS18B20溫度傳感器是一種常用的溫度測(cè)量傳感器，具有單總線(xiàn)操作、高精度、低功耗、體積小、重量輕、使用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。采用高精度溫度傳感元件與精密控溫電路相結(jié)合，使其具有很高的精確度和可靠性，在測(cè)溫精度方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前國(guó)內(nèi)外使用的各種傳感器。通過(guò)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行采樣并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理。它的工作電壓范圍可以是3.5～5V，采樣精度可以達(dá)到±0.5℃，可以有效抑制外部環(huán)境對(duì)溫度測(cè)量的干擾，并且可以在-55℃~125℃的范圍內(nèi)檢測(cè)溫度。電路原理圖如圖3 所示。

圖3 溫度傳感器電路圖

1.4 人體紅外感應(yīng)模塊

人體檢測(cè)采用HC-SR501 人體紅外感應(yīng)模塊，其采用PIR（熱釋電）技術(shù)，能夠監(jiān)測(cè)到人體的熱釋電波，實(shí)現(xiàn)智能感應(yīng)控制[6]。 它具有較高的靈敏度，可以響應(yīng)7 米以?xún)?nèi)的人體活動(dòng)，而且功耗低，靜態(tài)電流小于50μA，能夠非常精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到人體移動(dòng)。 此外，它還可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)時(shí)間，可以有效避免誤觸發(fā)，提高模塊的可靠性。HC-SR501 芯片還具有溫度補(bǔ)償功能，可以根據(jù)環(huán)境溫度變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，以確保模塊穩(wěn)定可靠地工作。它具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，是智能家居、安防系統(tǒng)等多種場(chǎng)合的理想選擇。電路原理圖如圖4 所示。

圖4 人體紅外感應(yīng)電路圖

1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)控制模塊由直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成[7]。 電機(jī)的控制是通過(guò)脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)通過(guò)改變PWM 信號(hào)的占空比來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。單片機(jī)根據(jù)電機(jī)工作時(shí)所需電壓大小以及電源頻率變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)PWM 輸出脈沖寬度及幅值。PWM 信號(hào)的占空比可以由用戶(hù)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)精確控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和方向。驅(qū)動(dòng)模塊使用L9110S 電機(jī)驅(qū)動(dòng)，L9110S 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是一款采用小型雙路H 橋驅(qū)動(dòng)，節(jié)省PCB 空間的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及速度，可接入外部PWM 信號(hào)控制，也可以采用模擬信號(hào)控制，適用于微型直流電機(jī)的控制，支持多種電壓范圍，支持2.5 ～12V 范圍的電壓，可應(yīng)用于多種智能機(jī)器人，智能小車(chē)，智能無(wú)人機(jī)等，具有低成本，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是智能裝置的不錯(cuò)選擇。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖5 所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.6 紅外遙控模塊

紅外遙控技術(shù)具有體積小，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，操作方便以及可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)外應(yīng)用廣泛[8]。紅外遙控模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇，它可以通過(guò)紅外信號(hào)控制智能風(fēng)扇的開(kāi)啟、關(guān)閉、調(diào)節(jié)風(fēng)速等功能。紅外遙控系統(tǒng)的工作原理：在一個(gè)固定距離內(nèi)發(fā)射紅外光線(xiàn)后，接收來(lái)自接收器的探測(cè)信息進(jìn)行處理，然后將所獲得的數(shù)據(jù)傳給處理器。處理器根據(jù)接收到的信號(hào)判斷是否需要進(jìn)一步操作。

該模塊使用HS0038 紅外接收頭接收信息，HS0038 紅外接收頭是一種接收紅外光信號(hào)的小型電子元件，它可以接收紅外輻射，然后將它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，供電子設(shè)備使用。它可以用于控制遙控器、遙控玩具等設(shè)備。HS0038 紅外接收頭具有較低的功耗、低延遲、可靠的連接性能等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。紅外遙控電路圖如圖6 所示。

圖6 紅外遙控電路圖

1.7 顯示模塊

顯示模塊主要用來(lái)顯示教室實(shí)時(shí)溫度和風(fēng)扇相關(guān)的參數(shù)。采用LCD1602 液晶顯示屏。LCD1602 液晶顯示模塊是一種常用的高性?xún)r(jià)比的顯示器，它能夠顯示字母和數(shù)字等信息，可以適應(yīng)不同的電路控制，是電子行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種顯示器件。它的原理是利用液晶顯示技術(shù)，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路，將數(shù)字和字母等信息進(jìn)行顯示，從而實(shí)現(xiàn)顯示效果。 LCD1602 液晶顯示模塊主要由液晶顯示屏和控制電路組成，液晶顯示屏采用多行多列的矩陣顯示，可以清晰顯示多種字母和數(shù)字信息；控制電路是核心，它可以控制顯示屏的顯示內(nèi)容，并負(fù)責(zé)液晶顯示屏的點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)。顯示模塊電路圖如圖7 所示。

圖7 顯示模塊電路圖

1.8 按鍵模塊

按鍵模塊的主要功能是用來(lái)設(shè)置溫度的上下限。按鍵電路的原理是當(dāng)按鍵被按下時(shí)，它就會(huì)將外部電源的電壓信號(hào)輸入到單片機(jī)端口，單片機(jī)端口檢測(cè)到電壓信號(hào)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)按鍵的功能。按鍵設(shè)置電路有3 個(gè)按鍵，分別為K1 鍵、K2 鍵、K3 鍵，其中K1 和K2 鍵可根據(jù)需要選擇加一或減一，K3 鍵為溫度設(shè)置鍵。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可根據(jù)需要對(duì)這三個(gè)按鍵進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到設(shè)定溫度的目的。當(dāng)按鍵設(shè)定好溫度后，單片機(jī)會(huì)根據(jù)設(shè)定的溫度輸出相應(yīng)的量，并顯示在液晶屏上。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值以后，單片機(jī)根據(jù)所測(cè)量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并發(fā)出控制命令，控制風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)。按鍵控制是一種簡(jiǎn)單方便、操作靈活且無(wú)需專(zhuān)門(mén)維護(hù)的電子控制技術(shù)。它具有體積小、功耗低、可靠性高、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。按鍵模塊電路圖如圖8 所示。

圖8 按鍵模塊電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，并通過(guò)串口通信技術(shù)將各功能模塊連接起來(lái)進(jìn)行工作，利用C 語(yǔ)言編程完成了整個(gè)軟件系統(tǒng)的編寫(xiě)[9]。教室智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)軟件部分的主要功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制風(fēng)扇的運(yùn)行，根據(jù)教室的溫度變化，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的速度。此外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供及時(shí)的報(bào)警和故障提示。另外，還可以通過(guò)設(shè)置溫度閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)風(fēng)扇的功能，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。同時(shí)也可以通過(guò)紅外遙控模塊手動(dòng)操作對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行控制。

首先，系統(tǒng)上電初始化，用戶(hù)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置教室溫度閾值，系統(tǒng)開(kāi)始采集教室環(huán)境溫度，通過(guò)溫度傳感器DS18B20 檢測(cè)環(huán)境溫度，并可在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度情況，經(jīng)處理后送入單片機(jī)進(jìn)行比較判斷，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時(shí)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇工作；而當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇工作，使室內(nèi)保持在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)，以達(dá)到節(jié)約能源和提高教學(xué)效率的目的。通過(guò)人體紅外感應(yīng)模塊檢測(cè)是否有人，來(lái)控制風(fēng)扇的開(kāi)關(guān)。在人體進(jìn)入一定范圍內(nèi)（即有紅外線(xiàn)發(fā)射源），紅外感應(yīng)模塊將信號(hào)傳遞給控制器，控制器根據(jù)該信號(hào)強(qiáng)度，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)的風(fēng)扇；當(dāng)人體離開(kāi)一定距離時(shí)（如無(wú)紅外線(xiàn)發(fā)射源，則不啟動(dòng)風(fēng)扇），紅外感應(yīng)裝置不再輸出信號(hào)，從而達(dá)到安全保護(hù)目的。由于人體具有很強(qiáng)的隱蔽性，該模塊可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到人在什么時(shí)候進(jìn)入了教室或者是離開(kāi)了教室。整個(gè)過(guò)程中，控制器對(duì)各個(gè)傳感器所獲取的信息都能準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，且具有很好的節(jié)能效果。主程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件如下：測(cè)試環(huán)境溫度為33℃，且環(huán)境中始終有人，風(fēng)扇控制系統(tǒng)上電后，通過(guò)按鍵模塊設(shè)定預(yù)期溫度為25℃，通過(guò)溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)環(huán)境溫度，單片機(jī)對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行處理，并發(fā)出控制信號(hào)，控制風(fēng)扇工作，在640s 的時(shí)候，測(cè)試環(huán)境的溫度趨于穩(wěn)定，達(dá)到系統(tǒng)初始設(shè)定的溫度值25℃。溫度控制曲線(xiàn)圖如圖10 所示。

圖10 溫度控制曲線(xiàn)圖（設(shè)定溫度為25℃）

當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定的溫度值，并且系統(tǒng)檢測(cè)到有人時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，并且根據(jù)實(shí)時(shí)溫度的不同區(qū)間，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的擋位也不同，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的擋位分為0、1、2、3 四個(gè)擋位。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表1 所示。

表1 測(cè)試環(huán)境溫度對(duì)風(fēng)扇狀態(tài)的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于STM32 單片機(jī)的教室智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以根據(jù)教室溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，也可以根據(jù)是否有人控制風(fēng)扇開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，提升學(xué)習(xí)環(huán)境，可以更加便捷和高效地滿(mǎn)足教室的風(fēng)扇需求。此外，系統(tǒng)還可以進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，方便對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出合理的調(diào)控策略，使教室得到更加舒適的環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）當(dāng)教室一直處于有人狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度，通過(guò)控制風(fēng)扇的開(kāi)啟和關(guān)閉，可以使教室保持恒定的溫度；（2）系統(tǒng)根據(jù)教室環(huán)境實(shí)時(shí)溫度和檢測(cè)風(fēng)扇周?chē)欠裼腥藖?lái)精準(zhǔn)控制風(fēng)扇的啟停，一定程度上避免了電能的浪費(fèi)。（3）通過(guò)紅外遙控可以任意控制風(fēng)扇的啟停。