基于STM32的智能風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張彬 宋振宇 黃興平 楊舒暢

摘要：近年來(lái)智能家居行業(yè)飛速發(fā)展，但市場(chǎng)上的風(fēng)扇功能簡(jiǎn)單不夠智能。該智能風(fēng)扇以STM32單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的三種工作模式：自動(dòng)模式下利用溫度傳感器檢測(cè)周圍的溫度的變化，單片機(jī)接受信息并調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到更好的工作效果。手動(dòng)模式下，可以通過(guò)按鍵控制，也可以使用語(yǔ)音控制調(diào)整風(fēng)扇系統(tǒng)的運(yùn)行。人體識(shí)別模式時(shí)，風(fēng)扇默認(rèn)關(guān)閉，當(dāng)有人接近風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇便會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。此外智能風(fēng)扇還擁有定時(shí)功能，可以設(shè)置自動(dòng)關(guān)閉的時(shí)間。

關(guān)鍵詞：風(fēng)扇;智能;STM32;聲控;自動(dòng)控制;人體識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP368.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）16-0016-05

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

The Design of Intelligent Fan Based on STM32

ZHANG Bin， SONG Zhen-yu， HUANG Xing-ping， YANG Shu-chang

（School of Computer Science and Technology， Taizhou University， Taizhou 225300， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of smart home industry， But now the fans on the market are simple in function.This intelligent fan takes STM32 single chip microcomputer as the core to realize three working modes of the fan. In the automatic mode， the temperature sensor is used to detect the change of the surrounding temperature. The single chip microcomputer receives the information and adjusts the speed of the fan， so as to achieve better working effect. In manual mode， the operation of the fan system can be adjusted by pressing the key or by using voice control. In human recognition mode， the fan is off by default. When someone approaches the fan， the fan will turn. In addition， the intelligent fan also has the timing function， which can set the automatic shutdown time.

Key words： Fan; Intelligent; STM32; Voice control; Auto-control; Body recognition

1 引言

隨著社會(huì)和科技的飛速進(jìn)步，智能家居不僅繼承了傳統(tǒng)家居的簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，并且擁有智能化、人性化的等優(yōu)點(diǎn)。智能家居使生活更加的舒適、便捷。在基礎(chǔ)技術(shù)條件日漸成熟，外部市場(chǎng)環(huán)境不斷完善的當(dāng)下，產(chǎn)品端需要真正實(shí)現(xiàn)功能型產(chǎn)品向真正智能化的轉(zhuǎn)變，借助人工智能的力量去開(kāi)創(chuàng)全行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，風(fēng)扇也應(yīng)順應(yīng)發(fā)展走向智能化[1]。本文設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇主要實(shí)現(xiàn)如下幾個(gè)功能：自動(dòng)控制功能：通過(guò)檢測(cè)外界溫度的變化自動(dòng)改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。溫度變高的時(shí)候風(fēng)扇擋位就會(huì)升高，溫度越低時(shí)，風(fēng)扇擋位就會(huì)變低;人體檢測(cè)功能;風(fēng)扇處于待機(jī)模式時(shí)，當(dāng)人體靠近傳感器時(shí)風(fēng)扇自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)人體離開(kāi)時(shí)候會(huì)自動(dòng)關(guān)閉;聲音控制功能：由LD3320語(yǔ)音芯片識(shí)別語(yǔ)音，用戶只要說(shuō)出關(guān)鍵字如打開(kāi)風(fēng)扇、關(guān)閉風(fēng)扇等就可以控制風(fēng)扇的運(yùn)行;燈光控制功能：可以通過(guò)語(yǔ)音或按鍵控制燈光的打開(kāi)與關(guān)閉，在夜晚可以提供照明;睡眠定時(shí)功能：用戶根據(jù)需要選擇相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間，定時(shí)結(jié)束后風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)、低功耗、低工作電壓以及具有實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的32位閃存微控制器產(chǎn)品[2]。智能風(fēng)扇系統(tǒng)是由單片機(jī)、語(yǔ)音識(shí)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：

2.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊內(nèi)部包含LD3320芯片和STC11L08XE單片機(jī)，LD3320芯片由ICRoute公司設(shè)計(jì)，語(yǔ)音識(shí)別模塊集成麥克風(fēng)口、聲音輸出接口等外部電路[3]，該芯片通過(guò)特別的算法可以完成非特定的語(yǔ)音識(shí)別，語(yǔ)音識(shí)別無(wú)需事先訓(xùn)練和錄音，只要說(shuō)出相應(yīng)關(guān)鍵字，語(yǔ)音識(shí)別就可以完成，使用起來(lái)非常方便。語(yǔ)音識(shí)別開(kāi)始時(shí)，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(méi)有意義的聲音，語(yǔ)音識(shí)別芯片對(duì)接收的聲音進(jìn)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(kù)中進(jìn)行關(guān)鍵字的匹配，將會(huì)對(duì)不同關(guān)鍵詞進(jìn)行打分，哪個(gè)分?jǐn)?shù)高就選擇相應(yīng)的結(jié)果作為輸出[4]。

2.2 DS18B20溫度傳感器

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍溫度的檢測(cè)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(qiáng)、價(jià)格便宜、使用方便等優(yōu)勢(shì)[5]。傳感器測(cè)溫結(jié)果是通過(guò)其內(nèi)部精密晶振振動(dòng)頻率隨溫度變化的特性得到的。傳感器內(nèi)部獨(dú)立包含一個(gè)獨(dú)立的測(cè)量芯片，芯片內(nèi)置存儲(chǔ)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(cè)量出的溫度誤差很小[6]。檢測(cè)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(jì)。溫度傳感器的詳細(xì)參數(shù)如下：

（1）DS18B20溫度傳感器與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)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(cè)溫范圍： -55 ～+125 °C，默認(rèn)測(cè)溫分辨率為0.5 °C。

（4）可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀數(shù)方式。

（5）可以將多個(gè)傳感器并聯(lián)在一條總線上，測(cè)量多個(gè)地方的溫度。

（6）傳感器不會(huì)因?yàn)殡娫捶唇佣鴵p壞。

2.3 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(duì)比度高等優(yōu)勢(shì)。對(duì)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(gè)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(lái)簡(jiǎn)單方便。

2.4 紅外傳感器模塊

該系統(tǒng)選用紅外對(duì)管傳感器檢測(cè)人體，該傳感器具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。紅外對(duì)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(duì)管傳感器工作時(shí)發(fā)射管會(huì)發(fā)出人眼不可見(jiàn)的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外線就會(huì)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)LM393比較器電路處理之后，輸出指示燈會(huì)亮起，OUT口輸出低電平數(shù)字信號(hào)[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(jī)IO口直接相連，傳感器模塊檢測(cè)到人體時(shí)會(huì)持續(xù)輸出低電平信息。

2.5 直流風(fēng)扇

目前，市面上的220V風(fēng)扇使用起來(lái)不安全且不容易控制，所以該系統(tǒng)選用的是一個(gè)5V供電的直流風(fēng)扇，這是一種小型風(fēng)扇，使用起來(lái)更加安全，并且容易被單片機(jī)所控制。因?yàn)槭鞘褂肞WM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(shí)候不會(huì)影響到工作和休息，而且使得語(yǔ)音識(shí)別更加的可靠準(zhǔn)確。

2.6 燈光模塊

該系統(tǒng)選用一個(gè)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(dāng)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(jì)選用的是白色LED燈。設(shè)計(jì)選用的燈光可以用于在晚上閱讀時(shí)候照明，也可以用來(lái)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(dāng)中豐富了產(chǎn)品功能，還能夠節(jié)省臺(tái)燈占用的空間。智能風(fēng)扇中含有一個(gè)專門用于控制燈光的按鍵，除了按鍵之外，也可以用語(yǔ)音控制燈光，只要說(shuō)出打開(kāi)燈光、關(guān)閉燈光等關(guān)鍵詞就可以控制燈光運(yùn)行。

2.7 按鍵模塊

該系統(tǒng)選用的是輕觸式開(kāi)關(guān)，該按鍵內(nèi)部有彈簧，這種按鍵只需要施加一個(gè)很小的力就能夠使開(kāi)關(guān)閉合，松手時(shí)按鍵會(huì)自動(dòng)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(kāi)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(kāi)關(guān)的防腐蝕性、壽命、按壓手感，一般開(kāi)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(jìn)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(wàn)次的按壓，非常耐用手感也非常好。設(shè)計(jì)采用7個(gè)按鍵組成獨(dú)立式按鍵，每個(gè)按鍵直接用IO口線組成單個(gè)鍵盤(pán)電路，配置靈活，軟件設(shè)計(jì)非常方便。

2.8 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?yàn)閟tm32f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(shí)候噪音很小，輸出電流可靠穩(wěn)定，因此十分適合在單片機(jī)系統(tǒng)上使用。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)供電電路

單片機(jī)的正常工作的電壓是2.0～3.6V，斷電時(shí)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(shí)現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)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(guò)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：

3.2 單片機(jī)復(fù)位電路

復(fù)位電路可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的初始化，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(shí)，由于電容兩端電壓無(wú)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(dāng)上升到一定的高電平時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始正常工作。當(dāng)按下RST時(shí)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(jī)的復(fù)位電路如圖3所示：

3.3 燈光控制模塊電路

燈光需要5V的電壓供電，單片機(jī)最多輸出3.3V的電壓，所以需要一個(gè)繼電器和三極管來(lái)控制電路，由此可以實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。一般動(dòng)觸點(diǎn)K1和常閉引腳閉合，電燈不工作。當(dāng)單片機(jī)IO口輸出信號(hào)時(shí)，繼電器產(chǎn)生磁效應(yīng)吸合銜鐵，動(dòng)觸點(diǎn)K1和常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電燈亮起。當(dāng)燈光停止工作時(shí)，為了防止繼電器的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)繼電器造成損害，所以并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管保護(hù)繼電器。燈光控制電路如圖4所示。

3.4 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(jī)PB6引腳[8]。溫度傳感器電路如圖5所示：

3.5 紅外對(duì)管傳感器電路