基于STM32的智能風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計

近年來，智能家居行業(yè)迅速發(fā)展，但許多市場上的風(fēng)扇功能依然簡單。我們的智能風(fēng)扇以STM32單片機為核心，提供三種工作模式：自動模式通過溫度傳感器檢測環(huán)境溫度變化，自動調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以優(yōu)化效果；手動模式允許通過按鍵或語音控制調(diào)整風(fēng)扇設(shè)置；人體識別模式則在檢測到人靠近時自動啟動。額外的定時功能支持設(shè)置自動關(guān)閉時間，為用戶帶來更智能和便捷的使用體驗。

引言

本文設(shè)計的智能風(fēng)扇具備以下功能：自動控制，根據(jù)外界溫度調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；人體檢測，靠近時自動開啟，離開時自動關(guān)閉；聲音控制，利用LD3320語音芯片識別命令控制風(fēng)扇；燈光控制，通過語音或按鍵控制燈光；睡眠定時，設(shè)置定時時間后自動關(guān)閉風(fēng)扇。

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。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：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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，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)庫中進行關(guān)鍵字的匹配，將會對不同關(guān)鍵詞進行打分，哪個分數(shù)高就選擇相應(yīng)的結(jié)果作為輸出。

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。

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。

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。

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確。

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。

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。

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。

系統(tǒng)電路設(shè)計

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：

圖2 電源穩(wěn)壓芯片

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，當上升到一定的高電平時，單片機開始正常工作。

當按下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：

圖3 單片機復(fù)位電路

燈光控制模塊電路

圖4 燈光控制電路

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)流二極管保護繼電器。燈光控制電路如圖4所示。

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。溫度傳感器電路如圖5所示：

圖5 溫度傳感器電路

紅外對管傳感器電路

紅外對管傳感器采用3.3V供電，輸出端口連接單片機的PA6。紅外對管傳感器模塊電路如圖6所示：

圖6 紅外對管傳感器模塊電路

OLED屏幕電路

本設(shè)計采用4腳的0.96寸OLED屏幕作為顯示屏，它的分辨率為128x64，意思就是它有這么多的像素點，所有像素點都可以自發(fā)光，然后通過程序?qū)?yīng)像素點點亮就組成了自己想要的文字或圖案。

OLED的屏幕采用I2C通信方式，stm32作為主機輸入，OLED作為從機接收信息，采用軟件模擬I2C通信方式，將PA0設(shè)置為時鐘線，PA1設(shè)置為數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)傳輸是根據(jù)時鐘線的電平信息進行相應(yīng)的操作，數(shù)據(jù)線用于傳輸信息。OLED顯示電路如圖7所示:

圖7 OLED顯示模塊電路

系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序設(shè)計

風(fēng)扇系統(tǒng)的程序設(shè)計使用的是C語言編程。除主程序外，還有多種子程序，分別執(zhí)行溫度讀取，電機控制，定時設(shè)置等，風(fēng)扇一共有人體識別模式、手動模式和自動模式三種模式。系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示：

圖8 系統(tǒng)流程圖

電機驅(qū)動程序設(shè)計

電機設(shè)置由定時器TIM4產(chǎn)生的PWM波控制，首先利用Timer4＿Init(0,7200)初始化的TIM4定時器,設(shè)置定時器,使TIM4＿CH4輸出PWM波，TIM＿Set Compare4(TIM＿Type Def*TIMx,uint16＿t Compare4)函數(shù)可以調(diào)整輸出PWM波的占空比達到控制風(fēng)扇擋位的效果。

自動模式程序設(shè)計

自動模式下風(fēng)扇的擋位是根據(jù)溫度傳感器檢測到的周圍溫度變化而變化，并且傳感器檢測到周圍溫度低于20℃時，風(fēng)扇不會工作。溫度的讀取程序中，首先使用DS18B20＿Init（）初始化DS18B20,使能IO時鐘，設(shè)置IO口并根據(jù)時序檢測傳感器是否存在，若傳感器存在則通過DS18B20＿Get＿Temp()輸出溫度數(shù)值。單片機主函數(shù)中會一直讀取感器檢測到的溫度數(shù)值，并根據(jù)相應(yīng)的溫度數(shù)值改變風(fēng)扇至相應(yīng)的擋位，擋位選擇程序流程圖9所示：

圖9 擋位選擇流程圖

按鍵模塊程序

風(fēng)扇啟動時默認為手動模式，手動模式下可以通過語音和按鍵來控制風(fēng)扇。使用按鍵前先利用Init＿Key＿Pin()初始化按鍵IO,將IO設(shè)置為上拉輸入模式。主函數(shù)中通過循環(huán)While(1）執(zhí)行按鍵輸入判斷，當一個按鍵按下時，按鍵所處引腳接地，單片機通過讀取IO口處于電平變化判斷哪個按鍵被按下并執(zhí)行相應(yīng)的操作。為了消除按鍵機械抖動對判斷的影響，當檢測到按鍵被按下后會使用delay＿ms(10）函數(shù)延時10ms后再對IO口的電平進行一次判斷。

語音識別模式程序

語音識別模塊的LD3320芯片與51單片機采用SPI通信，語音識別模塊的程序是在其模塊內(nèi)部編譯的，使用前在51單片機程序中設(shè)置LD3320語音識別芯片寄存器，將關(guān)鍵字以字符串的形式保存在一個二維數(shù)組之中，并對每一個關(guān)鍵字設(shè)置相應(yīng)的識別碼。

主函數(shù)首先初始化系統(tǒng)，初始化51單片機，對LD3320芯片做復(fù)位操作激活其內(nèi)部DSP,51單片機反復(fù)啟動語音識別模塊的ASR（非特定人語音識別技術(shù)）識別，當識別到聲音時使用Process Int0（）函數(shù)發(fā)生中斷，讀取LD3320寄存器中的識別碼并返回到LD＿Get Result()函數(shù)中，根據(jù)語音識別碼選擇語音識別結(jié)果，并在對應(yīng)引腳輸出低電平信息，stm32根據(jù)接收到不同引腳的電平信息對風(fēng)扇系統(tǒng)做出相應(yīng)的操作。

5系統(tǒng)測試

智能風(fēng)扇的組成包括stm32最小系統(tǒng)板，語音識別模塊，PWM調(diào)速風(fēng)扇，led燈光等。

運行測試

智能風(fēng)扇包含三種工作模式，手動模式下通過按鍵和語音控制風(fēng)扇，自動模式下，風(fēng)扇擋位根據(jù)周圍溫度高低做出變化，人體識別模式是檢測到人出現(xiàn)在風(fēng)扇前就會啟動，當人離開時風(fēng)扇會自動關(guān)閉。本章主要對自動模式和人體識別模式進行測試。

自動模式測試

風(fēng)扇切換成自動模式時，風(fēng)扇開始自動轉(zhuǎn)動，OLED屏幕顯示擋位為1，周圍溫度為21℃。實物圖如圖10所示：

圖10 自動模式測試

用手將溫度傳感器捂熱，OLED屏幕顯示的溫度數(shù)值逐漸升高，當溫度到達25℃，擋位升至2檔，實物如圖11所示：

圖11 自動模式測試

將手松開后，OLED顯示的溫度在慢慢下降，最終回到21℃，風(fēng)扇擋位為1。

人體識別模式測試

風(fēng)扇切換成人體識別模式，OLED屏幕顯示模式為Introduction。沒有人體靠近時，風(fēng)扇默認為待機狀態(tài)，輸出信號指示燈為熄滅狀態(tài)，電源指示燈長亮，紅外傳感器運行實物如圖12所示：

圖12 人體識別模式測試

當用手靠近紅外傳感器時，傳感器輸出指示燈亮起，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，把手遠離紅外傳感器時，經(jīng)過5s后，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動。傳感器響應(yīng)時實物如圖13所示：

圖13 人體識別模式測試

該智能風(fēng)扇系統(tǒng)不僅支持傳統(tǒng)的手動模式下通過按鍵控制燈光、風(fēng)扇開關(guān)、風(fēng)扇擋位和定時功能，還提供了更先進的功能。語音識別系統(tǒng)可以準確識別指令，控制風(fēng)扇和燈光的運行。

在自動模式下，風(fēng)扇根據(jù)溫度傳感器檢測到的溫度自動調(diào)整擋位：溫度升高時增加擋位，溫度降低時減少擋位。人體識別模式通過紅外傳感器檢測到人體時啟動風(fēng)扇，若5秒內(nèi)未檢測到人體，則風(fēng)扇自動關(guān)閉。