STM32單片機下智能風扇控制系統設計探析

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摘要：本文所設計的智能風扇控制系統以stm32F103ZET6芯片為核心，集溫濕度檢測、人體感應、語音識別、空氣加濕、手機交互等功能為一體。本系統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據采集，對風速與人體舒適度的關系進行建模，最終獲得匹配的最佳風扇轉速數；在人工控制模式中，通過LCD觸摸屏、手機APP以及語音來控制風扇轉速。經反復實驗可得，該系統有較強的穩定性和自適應性，相對其他產品優勢明顯。

關鍵詞：智能風扇控制系統；STM32；PWM控制

1系統總體設計

本文所設計的智能風扇控制系統主要由七大模塊構成，分別是溫濕度檢測模塊、人體感應模塊、語音識別模塊、風扇驅動模塊、空氣加濕模塊、LCD觸摸屏以及藍牙模塊。具體實現的功能有：（1）在LCD液晶屏上實時顯示溫濕度、風扇工作模式、風扇轉速、加濕功能是否開啟等相關信息；在藍牙連接的情況下會將這些信息發送給手機，在手機APP上實時更新顯示。（2）可通過語音、手機和LCD觸摸屏設置風扇的模式和各部件的運作。（3）在手動模式下，風扇的轉速根據用戶輸入的風力等級指令來變化，一共有3級風力等級可以設置。（4）在智能模式下，用戶可以自行建立風扇轉速與溫度的函數關系，風扇轉速將依照該函數隨溫度的變化而變化。（5）風扇配備人體感應模塊，可實現人來風來、人走風停的功能。

2硬件模塊設計

2.1主控芯片

本次選用的主控芯片是以Cortex-M3為內核的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、接口簡單等優點。DHT11是一款濕溫度一體化的低功耗數字傳感器，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，就能夠實時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口便可以實現和STM32的通信，雙方之間的通信協議采用單總線協議。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人體感應模塊

本次設計采用HC-SR505人體感應模塊檢測人體，HC-SR505是基于紅外線技術的自動控制產品，它具有靈敏度高、可靠性強、體積小，工作電壓低的優點。設計時，將HC-SR05配置成可重復觸發方式：感應到人體輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍活動，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為低電平。

2.4藍牙模塊

本次設計采用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備通信，其成本低、傳輸數據穩定、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，即可以實現語音識別以及人機對話功能，并且識別的關鍵詞語列表是可以動態編輯的。該模塊支持SPI與串口兩種通信接口，本次設計中采用SPI接口與STM32進行通信。

3軟件設計

3.1主程序設計

系統的主程序設計流程如圖1所示，在主程序中先初始化系統和各個模塊；然后，在主循環中進行溫度檢測；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觸摸屏來設置風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、風扇工作模式等相關信息；隨后，判斷當前系統的工作模式，如果是在智能模式下，則計算出風扇的轉速，其中，v是風扇的轉速，T是環境溫度，k和b是風力調節參數，用戶可以通過語音、手機APP等方式，結合自身喜好修改該參數；如果是在手動模式下，系統則根據用戶輸入的風力等級指令輸出標定好的風扇轉速；最后，系統會采用PID算法控制輸出PWM波的占空比，以使風扇達到期望的轉速。人體感應信號作為外部中斷的觸發信號，外部中斷選擇雙邊沿觸發方式，進入中斷后再讀取感應信號的電平，判斷是人靠近還是人離開，實現人來風來、人走風停的功能。

3.2PWM電機控制程序設計

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，本次設計采用TIM3的CH1輸出PWM波控制風扇電機的工作，其主要步驟如下：開啟TIM3時鐘，配置對應引腳為復用輸出；初始化TIM3，設置TIM3的ARR和PSC；設置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，風扇電機帶有檢測其轉速的編碼器，將TIM4配置為編碼器模式，讀取單位時間內風扇編碼器上的脈沖數，以此計算出風扇的實際轉速，整定好PID各參數后，根據理想轉速與實際轉速采用位置式PID計算出TIM_CCR1的裝載值，以此輸出需要的PWM波，使風扇快速達到穩定、精準的轉速。

4結語

本次設計以STM32F103ZET6為核心控制芯片，是對傳統風扇的智能化升級與改造。本系統的兩種運行模式，使風扇能自如應對生活中多樣化的需求，在智能控制下，能根據環境溫度自動調節相應功能，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境體驗。系統總體較為節能、高效，應用場景廣泛，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:哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院