STM32單片機下智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計探析
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摘要：本文所設(shè)計的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)以stm32F103ZET6芯片為核心，集溫濕度檢測、人體感應(yīng)、語音識別、空氣加濕、手機交互等功能為一體。本系統(tǒng)具有手動控制以及智能控制兩種工作模式，智能控制模式下，通過溫度測量模塊的數(shù)據(jù)采集，對風(fēng)速與人體舒適度的關(guān)系進行建模，最終獲得匹配的最佳風(fēng)扇轉(zhuǎn)速數(shù)；在人工控制模式中，通過LCD觸摸屏、手機APP以及語音來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。經(jīng)反復(fù)實驗可得，該系統(tǒng)有較強的穩(wěn)定性和自適應(yīng)性，相對其他產(chǎn)品優(yōu)勢明顯。
關(guān)鍵詞：智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)；STM32；PWM控制
1系統(tǒng)總體設(shè)計
本文所設(shè)計的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)主要由七大模塊構(gòu)成，分別是溫濕度檢測模塊、人體感應(yīng)模塊、語音識別模塊、風(fēng)扇驅(qū)動模塊、空氣加濕模塊、LCD觸摸屏以及藍牙模塊。具體實現(xiàn)的功能有：（1）在LCD液晶屏上實時顯示溫濕度、風(fēng)扇工作模式、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、加濕功能是否開啟等相關(guān)信息；在藍牙連接的情況下會將這些信息發(fā)送給手機，在手機APP上實時更新顯示。（2）可通過語音、手機和LCD觸摸屏設(shè)置風(fēng)扇的模式和各部件的運作。（3）在手動模式下，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速根據(jù)用戶輸入的風(fēng)力等級指令來變化，一共有3級風(fēng)力等級可以設(shè)置。（4）在智能模式下，用戶可以自行建立風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與溫度的函數(shù)關(guān)系，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速將依照該函數(shù)隨溫度的變化而變化。（5）風(fēng)扇配備人體感應(yīng)模塊，可實現(xiàn)人來風(fēng)來、人走風(fēng)停的功能。
2硬件模塊設(shè)計
2.1主控芯片
本次選用的主控芯片是以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6單片機，該芯片不僅最高工作頻率可達72MHz，而且還具有64KBSRAM、512KBFLASH、8個定時器、5個串口、1個FSMC接口以及112個通用IO口等，資源相當豐富，從性能與功耗兩方面綜合考慮，該控制芯片是一個極佳的選擇。
2.2溫濕度測量模塊
DS18B20是一款高精度的數(shù)字溫度傳感器，它具有體積小、適用電壓寬、硬件開銷低、抗干擾能力強、接口簡單等優(yōu)點。DHT11是一款濕溫度一體化的低功耗數(shù)字傳感器，該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，與單片機進行簡單連接后，就能夠?qū)崟r地采集本地濕度和溫度。DS18B20和DHT11均具有“單總線”接口，僅需要一個I/O口便可以實現(xiàn)和STM32的通信，雙方之間的通信協(xié)議采用單總線協(xié)議。由于DHT11的溫度測量精度較低，故使用時只取其測量的濕度值，溫度值通過DS18B20獲得。
2.3人體感應(yīng)模塊
本次設(shè)計采用HC-SR505人體感應(yīng)模塊檢測人體，HC-SR505是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品，它具有靈敏度高、可靠性強、體積小，工作電壓低的優(yōu)點。設(shè)計時，將HC-SR05配置成可重復(fù)觸發(fā)方式：感應(yīng)到人體輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖健?/p>
2.4藍牙模塊
本次設(shè)計采用HC-05藍牙模塊與手機端進行交互，HC-05藍牙模塊可連接到微控制器的串行端口，并允許微控制器通過藍牙連接其他設(shè)備通信，其成本低、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、使用簡單便捷，在使用時，需將其RX和TX端與STM32的RX和TX端交替連接，配置并統(tǒng)一好通信格式后便可以很輕松地與手機進行交互，使用者可通過手機控制風(fēng)扇的運作。
2.5語音識別模塊
LD3320是基于非特定人體語音識別技術(shù)的語音識別芯片，LD3320芯片上集成了高精度的A/D和D/A接口，不再需要外接輔助的Flash和RAM，即可以實現(xiàn)語音識別以及人機對話功能，并且識別的關(guān)鍵詞語列表是可以動態(tài)編輯的。該模塊支持SPI與串口兩種通信接口，本次設(shè)計中采用SPI接口與STM32進行通信。
3軟件設(shè)計
3.1主程序設(shè)計
系統(tǒng)的主程序設(shè)計流程如圖1所示，在主程序中先初始化系統(tǒng)和各個模塊；然后，在主循環(huán)中進行溫度檢測；語音、藍牙、LCD觸摸屏的輸入檢測與處理，用戶可以通過語音、藍牙和LCD觸摸屏來設(shè)置風(fēng)扇的運行模式以及是否加濕空氣等其他功能；接下來，LCD屏更新溫濕度、風(fēng)扇工作模式等相關(guān)信息；隨后，判斷當前系統(tǒng)的工作模式，如果是在智能模式下，則計算出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，其中，v是風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，T是環(huán)境溫度，k和b是風(fēng)力調(diào)節(jié)參數(shù)，用戶可以通過語音、手機APP等方式，結(jié)合自身喜好修改該參數(shù)；如果是在手動模式下，系統(tǒng)則根據(jù)用戶輸入的風(fēng)力等級指令輸出標定好的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；最后，系統(tǒng)會采用PID算法控制輸出PWM波的占空比，以使風(fēng)扇達到期望的轉(zhuǎn)速。人體感應(yīng)信號作為外部中斷的觸發(fā)信號，外部中斷選擇雙邊沿觸發(fā)方式，進入中斷后再讀取感應(yīng)信號的電平，判斷是人靠近還是人離開，實現(xiàn)人來風(fēng)來、人走風(fēng)停的功能。
3.2PWM電機控制程序設(shè)計
STM32F103ZET6一共有8個定時器，其中6個定時器有4路輸出比較通道，即可以同時輸出4路PWM波，本次設(shè)計采用TIM3的CH1輸出PWM波控制風(fēng)扇電機的工作，其主要步驟如下：開啟TIM3時鐘，配置對應(yīng)引腳為復(fù)用輸出；初始化TIM3，設(shè)置TIM3的ARR和PSC；設(shè)置TIM3_CH1的PWM模式，使能TIM3的CH1輸出；使能TIM3，修改TIM3_CCR1來控制占空比。TIM_CCR1的裝載值是通過PID算法計算得出的，風(fēng)扇電機帶有檢測其轉(zhuǎn)速的編碼器，將TIM4配置為編碼器模式，讀取單位時間內(nèi)風(fēng)扇編碼器上的脈沖數(shù)，以此計算出風(fēng)扇的實際轉(zhuǎn)速，整定好PID各參數(shù)后，根據(jù)理想轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速采用位置式PID計算出TIM_CCR1的裝載值，以此輸出需要的PWM波，使風(fēng)扇快速達到穩(wěn)定、精準的轉(zhuǎn)速。
4結(jié)語
本次設(shè)計以STM32F103ZET6為核心控制芯片，是對傳統(tǒng)風(fēng)扇的智能化升級與改造。本系統(tǒng)的兩種運行模式，使風(fēng)扇能自如應(yīng)對生活中多樣化的需求，在智能控制下，能根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)相應(yīng)功能，而在人工模式下，則能通過液晶屏、手機APP、語音等多種手段，來自定義用戶最舒適的環(huán)境體驗。系統(tǒng)總體較為節(jié)能、高效，應(yīng)用場景廣泛，有著良好的市場前景。
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作者:萬方高 盧俊宇 盧俊誠 盧澤林 單位:哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院