基于STM8的智能風扇系統的研制

孫江鋒　王子赟,2

(1.江南大學物聯網工程學院自動化系　無錫　214122)(2.江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室　無錫　214122)

基于STM8的智能風扇系統的研制

孫江鋒1王子赟1,2

(1.江南大學物聯網工程學院自動化系無錫214122)(2.江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室無錫214122)

摘要為了解決夜間溫度變化較大、睡眠狀態下無法調節風扇轉速的問題,論文設計了一種智能風扇系統。該系統以STM8為控制核心,使用霍爾傳感器作為測速傳感器反饋速度信息,采用PID算法對電機進行轉速閉環控制,提高系統抗擾性,使用DS18B20作為溫度傳感器采集溫度,并作為轉速決策的重要依據,使用手機端App調節溫度—轉速曲線,滿足個性化需求。此外,用戶在手動模式下可以一鍵采集自己滿意的溫度和轉速點,使得系統使用起來更加方便。

關鍵詞STM8; 智能風扇系統; 溫度檢測; App調節

Class NumberTP391

1引言

近年來,隨著科技水平不斷提高,家用電器的款式、性能都有了很大改善,智能家居也漸漸走入人們日常生活之中。風扇作為最早的取涼用具,具有節能、促進空氣流通、降溫慢不易得病等優勢,深受很多人的喜愛。但是傳統的風扇屬于有級調速,不能滿足更高的要求,并且在一些不太方便手動調速的場合(例如睡覺、開車等情況),不能根據外界信息來改變轉速,更是給生活帶來了些許不便。目前國內市場很少見真正的智能風扇,大多風扇只是多了搖頭、自然風等選項,仍然屬于傳統風扇的范疇。隨著單片機應用的越來越廣泛,近幾年的文獻中逐漸涌現一些智能風扇的設想—根據外界溫度控制風扇開關[2]、使風扇根據溫度進行無極調速[6～7]、甚至根據心率來控制電機轉速[5]。對于不易控制兩項交流電機,可以采用兩項變頻調速技術[1]。本文設計的智能風扇系統,在手動模式下可以進行無極調速,并且對速度進行閉環控制,可以達到高精度的要求。手動模式下還有一鍵采集功能,將適合自己的溫度-轉速點進行存儲,作為手機App調節合適溫度-轉速曲線的參考。自動模式下風扇將根據溫度-轉速曲線來動態調節轉速,滿足每個人的需求。

本文設計的智能風扇與其他文獻中的風扇設計相比,優點在于可以使用手機端App來控制、調節風扇,與其他智能家居系統可以完美連接,也使得使用、設置更加方便。此外,本設計也引入了溫度-轉速曲線,通過無極調速、閉環控制等策略,使用戶做到對風扇的狀態的完全掌控。

2硬件設計與選型

2.1系統總體框圖

系統總體結構如圖1所示,STM8作為控制核心,通過可控硅控制電壓進以控制風扇轉速。人機交互通過鍵盤、顯示屏、電位器完成,完成手動模式下風扇控制。藍牙模塊作為與手機通信的通道,來進行數據采集與載入等。

圖1　系統總體結構圖

2.2風扇選擇

本設計選擇12V直流電扇作為控制對象。原因在于:直流電扇調速相對簡單、精確,易于實現,并且風扇采用可選擇的雙電源供電,既可以通過220V交流電變換得到供電電壓,同時也可以直接使用車載電平、12V直流電池直接供電,增大了風扇的使用空間。

2.3電力變換電路與器件選型

本文設計的智能風扇電力變換主電路如圖2所示。采用橋式可逆PWM調速方式進行調速。主電路使用IRF540N組成H橋,In5819二極管提供續流通道。IRF540N開關速度快、能耗小。Q2、Q4導通時,風扇啟動。

此外,電力變換驅動電路如圖3所示。IRF540N需要12V及以上的的電平驅動。選擇IR2104作為驅動芯片,可以符合要求。IR2104自帶死區,因此控制過程安全、方便。

2.4測速模塊

由于風扇結構特殊,齒輪以及對射光電傳感器不容易安裝,因此本文設計選擇霍爾傳感器作為測速模塊。霍爾傳感器實物圖如圖4所示,只要有磁場存在,就輸出高電平信號,如此只需在風扇轉動結構上安裝一塊小磁鐵,便可通過霍爾傳感器完成速度數據采集工作。

圖2　電力變換主電路

圖3　電力變換驅動電路

圖4　霍爾傳感器模塊

2.5最小系統

單片機選擇STM8S105C6,性價比高。具有多路PWM輸出通道,多個輸入捕獲通道,每個輸入輸出引腳皆可設置中斷。擁有串口、AD轉換等功能,完全滿足設計要求。最小系統如圖5所示。

2.6測溫模塊

本文采用的測溫模塊是DS18B20芯片。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可,節省引腳,測溫范圍-55℃～+125℃,固有測溫誤差1°,符合本次設計的要求,并且具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等優點,其實物圖如圖6所示。

圖5　最小系統

圖6　DS18B20模塊

3軟件設計

3.1主程序

主程序主要完成各個模塊的配置,液晶屏顯示等功能,具體控制在中斷程序中,主程序框圖如圖7所示。

主程序開始,首先是對單片機工作模式的設置,包括GPIO的輸入輸出方向、方式設定,PWM的頻率、定時器初值等,用以完成復雜的工作。配置完成后開啟中斷,外部按鍵、液晶屏幕便開始工作。開機默認進入手動模式,手動模式標志置位,外部按鍵可以通過按鍵中斷的方式對系統模式進行設置,以及采集數據。“需要發送”標志位會在手機端發送相應命令時置位,將采集的數據發送給手機。為了保證液晶屏幕顯示的穩定,200ms進行一次刷新。

圖7　主程序框圖

3.2定時中斷程序

定時中斷程序主要完成速度閉環控制以及溫度采集。具體功能框圖如圖8所示。

圖8　定時中斷程序

定時中斷程序主要完成速度閉環控制。手動模式下,根據旋轉電位器的電壓值來改變設定速度,然后進行閉環控制。自動模式下根據測量溫度值來控制設定速度。如果單片機正在接收手機端數據,暫時維持速度不變,待下載完成后再開始根據溫度控制。溫度更新為3s一次。

3.3外部中斷程序

本設計采用的外部中斷共四個,分別完成屏幕選擇,關閉/開啟屏幕,一鍵存儲,關閉/開啟藍牙等基本操作,設計合理且易于實現。

3.4串口中斷

串口中斷主要接收手機端的命令,并根據命令更改標志位,或者根據命令接收溫度-速度數據并存儲。程序框圖如圖9所示。

圖9　串口中斷程序

串口中斷需要逐位接收手機端發送的數據。如果正在下載,那么便將下載數據直接存儲到指定數組中,直至下載結束,下載標志復位,完成一次下載。其他情況下,單片機默認發送的為控制命令,對命令進行譯碼。如果是下載數據,進入下載。如果是上傳數據,那么上傳標志位置位,在主程序下一循環開始上傳,上傳結束后清除上傳標志位。其他開機、關機等輔助功能,只需更改相應標志位即可,沒有體現在程序框圖中。

3.5手機App功能

手機App主要將溫度—速度數據轉換為圖像,并且可以手動更改圖像形狀并刷新數據,點擊下載按鈕后可以將更改后的數據傳入單片機。

4結語

智能風扇系統在手動模式下可以進行無極調速,并且將滿意的溫度速度點進行存儲。在手機端可以隨意更改調速曲線,滿足自己的要求。自動模式下可以根據溫度-轉速曲線調節轉速,并且使用閉環控制策略,增強系統的抗擾性。設計中采用的12V直流電壓則大大增加了它的使用場合。可以看出,個性化、節能、方便易用正是本文設計智能風扇系統的目的所在。

參 考 文 獻

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2016年全國軟件分析測試與演化學術會議SATE 2016

Annual Conference on Software Analysis, Testing and Evolution

http://software.nju.edu.cn/lse/stae/index.html

全國軟件分析測試與演化學術會議(SATE)是由中國計算機學會軟件工程專委會、系統軟件專委會、信息系統專委會主辦的軟件分析、測試與演化方面的專業學術年會,為廣大軟件工程領域學者、專業軟件分析測試人員、軟件開發實踐工作者提供了一個展示研究成果、介紹實踐經驗、交流學術思想的平臺。

第六屆全國軟件分析測試與演化學術會議(SATE 2016)將作為2016年全國軟件與應用學術會議(NASAC 2016)的組成部分,于2016年11有3日到4日在云南昆明舉行,會議誠邀全國軟件工程及相關領域的學術研究者和產業實踐者就軟件分析測試與演化相關的研究和實踐問題進行廣泛的學術交流,內容包括理論研究、經驗研究、新技術、案例分析和產業實踐等。

SATE 2016接收與軟件分析、測試與演化方面研究與實踐相關的論文投稿,稿件可以是中文稿件或英文稿件。經會議程序委員會審稿后錄用的中文論文將推薦到中文期刊發表;錄用的英文稿件將由IEEECPS(Conference Publishing Services)發表,并將推薦優秀論文到國際知名SCI期刊發表。

除論文報告外,SATE 2016還將安排特邀報告、優秀國際會議論文報告、專題論壇等會議內容。

一、征文范圍(包括但不限于)

軟件分析測試的理論基礎 基于互聯網的測試

面向軟件演化的分析測試大數據應用測試

源代碼與目標代碼分析技術移動應用測試

靜態與動態軟件分析軟件分析測試工具

軟件缺陷定位與修復軟件設計質量與重構

測試用例演化代碼克隆分析與管理

基于模型和規格的測試軟件開發庫挖掘

面向特定領域的分析測試軟件演化數據分析與可視化

面向新型軟件形態的分析測試軟件運行時監控與動態演化

軟件度量及其應用案例研究與產業實踐

二、論文要求

1.論文未在期刊和會議上發表或被錄用,并且未處于其他期刊雜志和會議的審稿過程中。

2.中文論文投稿必須附中英文摘要、關鍵詞、資助基金與主要參考文獻,注明作者及主要聯系人姓名、工作單位、詳細通信地址(包括Email地址)與作者簡介。稿件要求采用PDF文件格式。論文長度不超過8000字,格式請參照《計算機科學》文章格式:http://www.jsjkx.com。

3.英文論文投稿求采用PDF文件格式,請使用IEEE CPS會議論文模板,論文長度不超過10頁(含參考文獻和附錄)。

4.投稿地址:https://easychair.org/conferences/?conf=sate2016

5.中文錄用論文根據質量分別推薦到《計算機科學》、《計算機與數字工程》發表。

6.英文錄用論文全部由IEEE CPS(Conference Publishing Services)出版,優秀論文經擴展后推薦到國際期刊《IEEE Transactions on Reliability》、《ScienceChine: Information Science》、《International Journal on Software Engineering and Knowledge Engineering》發表。

三、重要日期

1.征文截止日期:2016年7月7日

2.錄用通知發出日期:2016年8月20日

3.正式論文提交截止日期:2016年8月30日

4.會議召開日期:2016年11月3日—4日

Research and Design of Intelligent Fan System Based on STM8

SUN Jiangfeng1WANG Ziyun1,2

(1. Department of Automation Engineering, Jiangnan University, Wuxi214122)(2. Key Laboratory of Advanced Process Control of Light Industry, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi214122)

AbstractIn order to solve the problem that the temperature change is greater and the speed of the fan can not be adjusted during the night, a type of intelligent fan system is designed in this paper. The system uses STM8 micro-controller core and uses Hall sensor as the speed sensor feed back speed information, then adopts PID closed-loopcontrol motor speedto improve thesystemimmunity. The DS18B20 is regarded as a temperature sensor to collect temperature to be an important basis for decision-making speed. The mobile terminal app is used to adjust the temperature-speed curveto meet individual needs. In addition, the users can gather the satisfaction with the temperature and speed points at the manual, and also makes the system more convenient to use.

Key WordsSTM8, intelligent fan system, temperature detection, App adjustment

收稿日期:2015年12月16日,修回日期:2016年1月25日

基金項目:江南大學自主科研基金(編號:JUSRP115A30);江蘇高校品牌專業建設工程項目(編號:PPZY2015A036)資助。

作者簡介:孫江鋒,男,研究方向:復雜系統設計、智能控制。王子赟,男,博士,講師,研究方向:傳感器技術、電力變換技術。

中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.042