【基于单片机STM32F103CET6的半导体制冷智能风扇设计9400字（论文）】

基于单片机STM32F103CET6的半导体制冷智能风扇设计目录TOC\o"1-3"\h\u前言 1第一章绪论 21.1半导体制冷智能风扇系统的研究背景 21.2半导体制冷智能风扇系统的研究意义 21.3设计任务 2第二章系统原理分析 32.1系统整体设计思路 32.2单片机最小系统模块 42.3电机驱动模块： 72.4传感器模块 82.4.1DHT11数字温湿度传感器简介 82.4.2传感器电路 82.5按键控制模块 92.6红外控制模块 102.7蓝牙控制模块 122.8半导体制冷模块 12第三章系统程序语言设计 133.1开发环境简介 133.2主程序流程图 13 13图3.1主程序工作流程 133.3蓝牙模块程序流程图 143.4DHT11传感器子程序流程图 153.5调试过程 16第四章总结 16参考文献 18摘要随着我国现代电子设备产业的不断壮大和发展,现代化社会对工作效率的要求也愈加严格,各个工程行业均因此而需要制作精良、可靠性好、工作效率高的技术和设备。作为落伍的家用电器,电风扇曾经有一段时间在市场上被认为已经成了与空调竞争下的一种淘汰物;然而电风扇却拥有成本较低、价格相当便宜、体积相当轻巧的优点。电风扇曾经被认为是受到空调产品冲击下的一种淘汰者;但是电风扇却具备价格低廉、体积小、摆放容易等特性REF_Ref18725\r\h[1]。由于大多数家庭收到生活成本的局限,电风扇仍然是成熟的家用电器的重要组成部分,在经济欠发达地区的消费市场将来的很长一段时间当中电风扇依旧在市场当中占据关键地位，然而传统电风扇由于功能相对来说比较简单，已经不能满足我们针对当前生活的需要。为了提升电风扇在市场上的竞争力，让电风扇变得更加智能化，并且被大范围的推广。本文智能风扇的设计主要采用单片机STM32F103CET6，经由数字温度传感设备对外部温度进行测量工作并记录，让它生成一个能够控制的自动化系统，让风扇能够依照温度变化达到自动控制的目的，实现可调节温度高低和风力大小的功能。除此之外，经由红外传感器、蓝牙设备与调节功能实现所有功能的开关，同时所有功能都能够通过遥控来控制，用户能够在规定的范围当中使用智能风扇的所有功能REF_Ref19388\r\h[2]。同时采用半导体制冷芯片可以使得风扇实现制冷功能。关键词：智能风扇系统；单片机；温度感应前言自上世纪五六十年代集成电路技术开始发展以来，单片机技术就已渐成雏形，随着本世纪高新技术产业的发展，单片机的应用已经蔓延到了生活中的各个领域，在各个行业中扮演着极其重要的角色，集成电路产业是当下信息技术产业的重中之重。随着科技的不断发展，生产力也正在逐步提升。科技正在逐渐向直接生产力转变。后疫情时代，当今世界格局越来越不稳定，在外部势力对我国集成电路、芯片日益管控的今天，为了不使集成电路被外部“卡脖子”，发展本国的集成电路技术就越来越重要，不仅可以实现芯片国产化，同时可以成为我国反制西方制裁的手段。第一章绪论1.1半导体制冷智能风扇系统的研究背景在我们的日常工作生活中，单片机的应用愈发广泛，因其体积较小、质量较轻、集成度高、抗干扰能力强且性价比高，非常适合使用于小型电子产品的生产制造。同时随着科技的迅猛发展，智能家居越来越多的应用于家庭生活之中，电风扇作为传统的家用电器设备，在新时代科技浪潮中也将迎来属于自己的智能化，也将变为智能化生活的重要组成部分。传统风扇一般都是手动模式，四五个不同的风力选择，用的是人工选择，无法感知室内温度，只能使用人工的方式来完成档位的选择控制，无法满足由于温度变化影响风扇转速大小的需求。自动感温调速风扇这个设计是风扇向智能化迈步的一个重要方向。智能风扇启停的自我控制，能够解决人们在入睡时因温度升高或下降导致的燥热或者受凉，或者需要从睡梦中醒来去调剂或关停风扇的问题，具有重要的现实意义。将智能控制技术应用到传统家用电器的控制中，单片机的运用使其转速控制更加精确。并且智能风扇的稳定性较强，用户操作起来也比较容易，并且耗电量较小，可以达到人们多样化的需求，在设计与价格方面都深得用户的喜爱。1.2半导体制冷智能风扇系统的研究意义春夏交替之时，白昼温度很高，电风扇应该保持高速旋转加大风力，使人能感觉到凉爽；夜晚温度降低，当人进入睡眠后，风扇应当减小功率，避免受凉感冒，传统风扇虽有拥有功率转换的功能，但需要人工完成功率调整，人们在入眠以后就不能再进行调整。同时人们正常情况下应用的定时功能，首先是在定时时间方面存在一定的限制，定时时间过短超出定时时间后仍需手动开启，定时时间过长温度降低以后不断吹风会诱发感冒。为了改善以上问题，本文当中介绍的智能风扇当中加入了智能温度感应系统。其中所采用的准确度较高的温度传感设备，采取单片机对其进行驱动，能准确展示当前温度并做出反应。1.3设计任务本次设计的重点就是该系统是利用温度传感设备去测量当前温度和湿度的，所测量的信息通过单片机进行处理，将其转化为可视化的文字，显示在液晶屏上。除此之外再添加键盘和红外、蓝牙控制功能以及半导体制冷功能。该系统具备手动模式和自动模式，硬件设计部分有一个按键为手动/自动转换键，在手动模式里我们可以根据自己的实际需要来设定最佳档位REF_Ref19512\r\h[3]；软件设计部分对最佳温度值进行了设置，进入自动调节模式之后，就自动转换到了默认设置上，再次利用温度传感设备去测量当前温度和湿度的，所测量的信息通过单片机进行处理，将其转化为可视化的文字，显示在液晶屏上，如果低于最佳温度就减小风速，高于最佳温度增大风速。制冷功能通过半导体制冷片来进行实现。第二章系统原理分析2.1系统整体设计思路本次设计根据要求确定了智能风扇系统的整体方案，该设计方案由单片机、温度传感器、红外和蓝牙及TF彩屏以及按键输入、半导体制冷等部分组成。因为单片机作为整个设计的控制中心，所以单片机的特点影响到整个系统的硬件设计和程序语言的编写。智能风扇系统所采用的是STM32F103单片机，主要是由温度感应模块、TFT屏幕显示模块、红外模块、按键开关模块、蓝牙模块、制冷芯片以及直流电机驱动七个部分所组成。温度感应采集模块的作用在于把感应到的温度值和默认温度值加以对比。假设感应到的温度值超出了默认温度值，那么智能风扇就会将档位对应的提高，反之则反，直到与默认温度值保持一致为止。TFT屏幕的功能在于将温度感应系统所传递的相关数据都显示在屏幕上。蓝牙模块的主要功能是与遥控设备进行蓝牙信号的收发，利用各种终端设备与智能风扇实现连接，进行远程控制。按键模块的主要功能是经由设定不同档位去控制智能风扇的风力。半导体制冷采用TEC1-12706芯片。总体设计的智能风扇功能原理图如图2.1所示。图2.1系统整体框图2.2单片机最小系统模块STM32单片机最小系统：其主要是指使单片机可以正常工作，但是要使用最少的模块去组成单片机。在最小系统确保无误的情况下，再不断的加入我们所需的功能模块，让单片机实现我们所需要的功能REF_Ref19717\r\h[4]。根据图2.2能够看出，复位电路的主要功能是使电路从初始状态开始工作，对该单片机NRST引脚写入低电平就可以完成复位的工作。图2.2

STM32F103单片机最小系统电源引脚：vdd代表的是单片机的电源电压，即正极，有5个引脚，vss代表的是公共连接，即负极，有5个引脚。vdda代表的是模拟电源的正极，其主要功能是为所有的模拟电路部分供电，vssa代表的是模拟电源的负极。有1个引脚，即vbat，其主要功能是用来连接电源正极REF_Ref23150\r\h[10]。根据图2.2所示，其中预留了一个CR1220纽扣锂电池，当主电源正常为设备供电的时候，是通过系统当中的VCC3.3为其供电REF_Ref20514\r\h[5]；然而当主电源没有正常供电的时候，就需要通过预留的纽扣电池为其实时闹钟模块供电，以此来确保实时时钟模块在主电源不正常工作的状态下仍然可以正常运行一段时间。然而假设仅仅是这样设计，其中还有一个问题值得注意。假设VBAT引脚直接和VCC3.3和CR1220连接，那么将出现下述情况：首先是当电池电压超过3.3V的时候，电池便将电流传递至AMS1117上，导致芯片出现发热发烫的情况，并且也会加速电量的损耗。其次是假设电池电压不超过3.3V的时候，AMS1117所提供电压为3.3V，那么将为电池供电，但是本文当中所设计的纽扣锂电池是无法进行充电的。为了改善上述情况，笔者把VBAT的供电电路重新进行优化设计，如图2.3所示：图2.3电源引脚图D1是为了预防CR1220锂电池的电流向AMS1117当中，D2是为了预防AMS1117所产生的3.3V流向CR1220锂电池当中。该设计的原因主要是，所利用的是“二极管的单向导通性”。在对产品进行设计时，所有电源引脚的周围，应当安放一个0.1uF的电容滤波，从而达到降噪的功能。复位引脚NRST：复位就相当于是重启。stm32复位引脚在运行的过程中，数字电路当中遇到一种情况就会发生复位。STM32F103单片机的放大设备发生复位，重点在于将该电路的初始状态转变为一个固定的状态。当发生复位的时候，其内部单片机就是把部分存放装置与部分寄存设备安装到生产者所预设的值中。一般而言，单片机的复位电路主要的作用之一就是把某个状态机的初始变换转移到某个空中。BOOT引脚：该单片机有2个BOOT引脚，分别是BOOT0与BOOT1，其数字电路中的高低电位0或者1，能够决定单片机是否发生复位。图2.5BOOT引脚图当启动模式选择引脚为BOOT1=X，BOOT0=0的时候，启动模式为主闪存存储器，当启动模式选择引脚为BOOT1=0，BOOT0=1的时候，启动模式为系统存储器REF_Ref20707\r\h[6]。单片机当中本身就有的BootLoader（即为我们一般情况下所说的ISP程序）在此启动模式下，假设产生程序硬件发生问题的情况下能够转换到BOOT0=1，在此模式当中重新烧写Flash也就能够回归正常。BootLoader的内容在单片机正式生产出来以后都没有对其进行修正甚至擦除，也就是它是一个只读内存区域。当启动模式选择引脚为BOOT1=1，BOOT0=1的时候，启动模式是单片机当中内嵌的静态随机存取存储器启动。这种模式可以使用调试工作。以上就是对单片机的最小系统的介绍，然而其组成成分还不足够，其还应当包括以下部分：电源电路：由于本设计所采用的单片机是采用3.3V供电，但是我们平时普遍见到的大多数都是5V电源，因此正常采取的AMS1117-3.3V稳压电源单片机5V降压成3.3V，这款芯片的封装一般是SOT-223三极管封装。下载电路：下载电路也是本设计当中的单片机的组成部分之一，其的下载模式有下述几类：首先是串口下载，运用串口下载单片机当中必须有程序的支持，而系统存储器里面就加入了该程序，通过ST在生产线当中写进去，主要功能是利用可用的串口对FlashMemory实施重新编程。其中必须要考虑的是：采取该模式必须要满足BOOT0=1，也就是说，必须有外部电路支持才能够达到串口下载的目的。其次是采用JLINK下载正常情况下采取在SWD方式下载程序。该模式具有一定的优势，重点在于仅需要三个引脚就能够满足程序的下载需求。2.3电机驱动模块：实验使用到开发板中电机驱动模块，驱动芯片为ULN2003，输入与输出电平相反，即输入高，输出为低REF_Ref21177\r\h[8]。图2.6电机驱动模块实验接线说明：直流电机接入到STM32I/O口。直流电机两个脚接电机驱动模块的输出5V和O1。STM32的PB5接电机驱动模块的输入I1。2.4传感器模块2.4.1DHT11数字温湿度传感器简介DHT11数字温湿度传感器是一种涵盖已经校准数字信号输出的能够测试出当前空气温度的传感设备。它所采用的是数字信息采集模式和温湿度感应模式，导致智能风扇的性能更加稳定。DHT11数字温湿度传感器当中还包括电阻模式的感应设备以及负温度系数温度测试设备，同时与一个高性能8位单片机加以关联REF_Ref21576\r\h[9]。由于只智能风扇具有品质较好、响应速度较快、降音降噪等诸多优势。所有传感器都是特别准确的湿度体验室里面实施调节。校对参数运用程序的模式放置于一次性密码存储器里面，传感器里面在测试信号期间应当有效运用该校对参数。单线制串行接口，让该系统集成变得非常简单。信号传输的距离能够超过20米，让它变成每种应用都能够达到的最佳的状态REF_Ref23293\r\h[14]。所以，笔者选取了这款传感器当成环境测试的传感器。2.4.2传感器电路测量范围：20-90%RH0-50℃测湿精度：±5%RH测温精度：±2℃分辨力：1（1）本设计所使用的传感器供电范围为3V~5.5V，针对单片机来说，VDD引脚接3.3V就能够满足；（2）本设计所使用的传感器的工作手册当中，SDA数据引脚接线的距离不超过20米的时候，采取5K上拉电阻。超过20米的时候依照真实状况选择恰当的上拉电阻；（3）本设计所使用的传感器在上电之后，必须等待1秒钟以来将状态稳定下来，在这个过程中不用发出任意信号；读取温度之后，复位后的值都是0，1秒钟之后温湿度值都能够恢复正常；（4）电源引脚之间能够放置一个100nF的电容，其主要功能是去耦滤波。图2.6DHT11电路引脚图2.5按键控制模块图2.7按键控制模块根据图2.7能够看出，按键K_UP与单片机的PA0引脚相互连接，按键K1、K2、K3分别连接在该芯片的PE2、PE3、PE4引脚上REF_Ref23395\r\h[15]。这里应当考虑以下几点：K_UP按键的另外一面连接在了3.3V的电源上，在开启这一功能的时候就是高电平；K_LEFT、K_DOWN、K_RIGHT按键的另外一面基本上都接在了电线接地端上，在开启这一功能的时候就是低电平。2.6红外控制模块本设计所使用的红外控制模块是一体化红外接收头VS1838B，接下来将对其进行介绍：其工作电压为2.7V~5.5V；图2.8红外接收应用电路编码标准红外接收头的型号较多，但其功能基本上没有太大的差异，仅仅是引脚封装有所区别而已。红外接收的编码形式相对来说比较一致，所运用的编码形式主要在于遥控器应用的芯片，其发挥的作用是一致的。智能风扇的遥控器所采用的是专门集成发射芯片去达到遥控的功能，一般情况下都适用的是智能风扇遥控信号的相互对接，就是把其中一个按键所对应的控制信号与系统码，将其控制在38KHz的一个特定频率的无线电波上，接着通过放大、驱动红外发射管把信号传递出去。由于遥控芯片的不同，正常情况下分为两类，其一是国家电气规范，其二是飞利浦规范。本设计当中所选择的遥控器模块运用的是国家电气规范。该红外一体化接收头，在收到有一个特定频率的无线电波的信号之时，将输出一个低电平，未工作时将输出高电平。NEC标准：其中一个控制开关被触动的时候，系统将传递出一个完整的全码，假设按键保持108ms之后还处于按下的状态，然后将要传递的代码可能是通过起始码(9ms)与结束码(2.5ms)相构成REF_Ref21465\r\h[11]。一个完整的全码=引导码+用户码+数据码+数据反码在上述公式当中，引导码高电平9ms，低电平4.5ms；用户码与数据码共32位；这里面前16位是用户识别码，可以区分出不一样的红外遥控装置，用来预防各不相同种类的遥控码之间相互影响。在后面的16位数据码是8位操作码以及8位操作反码，这将有利于校对数据能不能真正达到接收信号的效果。接收端依照数据码去做出所应当发出的反应。连续按键能够提醒接收端，其中一个按键正在被不断的触动。键码值输出：根据红外遥控的每一个按键，串口打印输出相应的按键值，我们将所有的按键重新计算，所有编码就能够得到网上的按键编码图了图2.9红外遥控按键编码然而笔者经由以上国家电气规范编码的介绍能够发现，国家电气规范当中指出低位帅选传递信号。因此图2.9当中打印输出的字节必须要将高低位反过来，假设第一个按键打印输162（10100010），那么高低位就必须要反过来，也就是第一个按键的二进制实际编码是：01000101，也就是十六进制的0x45。事实上用户这个时候仅仅需要所有按键都可以精确的获取一个不一样键码值，接着再程序里面依照不同的值，去实施不一样的流程就可以。2.7蓝牙控制模块首先硬件方面，蓝牙模块HC06有四个引脚，分别为VCC，GND，TXD，RXD。VCC连接3.3v电压，TXD，RXD分别为串口数据线，通过CH340芯片实现USB串口连接PC机。模块上电后，即可通过手机检测到HC06模块；检测后配对，密码一般为0000或1234，配对成功。软件方面，将TXD，RXD与串口的RXD，TXD连接，GND与主机GND连接后，加装双向同时通信的功能，其波特率是9600，数据位8，采用无奇偶校验位去检测计算机硬件的错误，停止位1。此时打开串口调试设备，查看收发数据情况。配对成功并开启串口后，LED指示灯一般都会由闪烁变为恒亮。蓝牙模块有效通信距离为10米左右，超出范围无法保证连接质量。其实我们主要设置的参数就是蓝牙模块的主从模式、通信的波特率、蓝牙的名称和密码。如果系统中用到一对HC06模块，那么需要一个作为主机模式(Master)，一个作为从机模式(Slave)；如果是和电脑、手机或者平板配合使用，那么HC06模块可以设置为从机模式(Slave)。2.8半导体制冷模块半导体制冷片也被称作热电制冷片，主要是采取其的皮尔贴效应，在直流电经由串联电偶的时候，在电偶的两端就能够自如调节温度高低，能够最终满足用户的需求。为了在最大程度上改善制冷片的质量，一般情况下在热电制冷片当中存在大量的通过n、p型半导体等部件所构成的制冷微控单元。它们被构造成阵列式地排序，彼此之间在电气上都是直接串联着。它们的冷端与热点端是并联到一起，夹两片陶瓷片之间的零件进行固定。图2.10左：一个制冷单元；右：串联在一起的制冷单元阵列本次设计采用的为最常见的TEC1-12706制冷片，正常工作电压12v。给制冷片的两根线通12V直流电，他就可以正常工作了，制冷片的一面是制冷面，另一面是发热面REF_Ref21001\r\h[7]。当本设计所采用的制冷片运行时，一面制冷，并且另一面将持续保持发热甚至发烫的状态，如果不对其加设散热功能，那么该器件将会被烧坏。故而，在我们进行设计的时候，自然也少不了散热装置。我所用到的散热装置就是一个“散热片”加一个“散热风扇”；同时在装制冷片的时候，为了让制冷和散热的效果更好，我们需要在制冷片的两个面均匀的涂上一下散热硅脂。第三章系统程序语言设计3.1开发环境简介Keil编程软件：单片机在开发的过程当中必定要有软件的参与，汇编语言源程序转变成CPU能够正确读取的机器码可以采取手工或者机器汇编两种措施，现阶段几乎已经不会再采取手工汇编的形式了。机器汇编是主要是使用相关软件把源程序转化成机器单片机的汇编软件A51，单片机的软件正处于不断升级的状态REF_Ref21876\r\h[12]。3.2主程序流程图图3.1主程序工作流程图3.1展示了系统的基本工作流程，首先要初始化系统各模块，等待用户操作，然后随着用户的操作，会不断地有数据写入到芯片之中。当我们通过各控制方式去修改档位的情况下，就会通过此程序去对PWM进行修改来改变档位。3.3蓝牙模块程序流程图图3.2蓝牙程序工作流程本模块程序所实现的功能如下所示：开机测试蓝牙模块到底可不可以正常使用，假设测试无法使用，那么就要进行报错处理。假设检测成功，那么显示屏上面将提示是否需要连接，其指示灯也会显示工作状态。开启KEY1的时候，就能够发送信号；开始KEY_UP的时候就能够改变当前状态。结合手机端蓝牙软件可以实现手机无线控制开发板。手机端蓝牙软件：E4A也被称为易安卓，在2013年的时候出现在大众面前，其主要是为公司、站长、开发者等提供安卓版的语言编程，其主要是借助谷歌Simple语言编译器，其目的是达到经由与易语言的Basic语法差不多的语言自如编程，比较容易操作。E4A和易语言的开发环境比较相似，并且二者都有一定的智能语法提示功能。用中文语言代替了英文，使其更加能够适应我们的思维逻辑，性价比较高。此次设计采用易安卓平台编写了一个简易的蓝牙控制APP来对风扇进行控制。可以达到温度显示、档位调节、自动/手动模式切换等功能。3.4DHT11传感器子程序流程图图3.3湿温度传感器程序流程图按照图3.3能够看出DHT11传感器的通讯原理，单片机系统通过输入/输出口不断的向外发出数据提示，以此来让DHT11传感器控制好数据线，接着再采用while循环语句对其开始测试，由此便能够获取最为精准的数据信息REF_Ref23548\r\h[16]。选择DHT11传感器收取用户所在环境的温湿度数据：系统工作以后，拉低引脚的电平，历经20ms以后将引脚的电平再提升到40ms，直到完全结束以后，系统检测管脚的电平是不是0，假设检测结果显示不是0，那么就要循环测试这一数据；假设检测信号是0，那么就直接实施辨别重复80us低电平有没有完成REF_Ref22026\r\h[13]；假设80us低电平的辨别完成，那么需要再次开启辨识保证80us高电平有没有完成，假设结果显示尚未结完成，那么循环执行这个信号；假设指令实施结束，那么智能风扇就会接收信号，同时把收到的信号根据十进制的方法存放至规定数据库当中，数据收集结束之后，系统将所收集到的信号实施保存工作。3.5调试过程该程序操作流程如下，打开KEILC51的主程序，新建一个工程文件，新建以后，再新建一个文本框，该文本框的主要功能是将程序写进去，程序写完之后必须要进行保存，然后将自动检测这个程序有没有出现错误的情况，这个程序确认无误之后将自动进入编译的步骤，最后能够得到一个可以烧入单片机的HEX文件。第四章总结2020年12月底，我我们学校开始了校内论文选题工作，从去年年底完成选题至今，毕业设计及其论文已大概完成。从刚开始的一头雾水，再到慢慢的积累所需知识并且进入状态，再到对设计和论文思路的逐渐成型清晰，整个设计不说呕心沥血也可以说充满艰辛。经过与导师的有效沟通，最终确定了我的论文题目，是：基于半导体制冷片的智能风扇设计与制作。自从老师开完开题会议以后，我便开始进行毕设有关知识的积累与查找，当时面对这个毕设，到网上观看了挺多相关的设计视频，一开始以为是挺简单的，并没有太过在意，但自从自己购买了毕设所需的硬件模块后，才发现没有事情是容易的，面对一对最小系统和各种设计模块我不知从哪里开始工作，于是我把这个困惑与导师进行了沟通，在导师细心指导之下，我开始了我的毕业设计制作。今年3月初，也就是本学期刚刚开学之时，对我来说是一个非常关键又煎熬的时刻，彼时考研成绩刚刚公布，自己的成绩无缘自己的心仪专业，所以就和同学和室友一起找工作，并且这个时候也正在筹备我的毕业论