【《基于STM32技术的智能风扇控制系统设计与调试研究》7100字（论文）】

基于STM32技术的智能风扇控制系统设计与调试研究目录TOC\o"1-3"\h\u322971绪论 3304471.1课题研究与应用前景 314981.2国内外研究现状 3225522智能电扇控制系统整体设计方案 4256792.1主要控制机方案论证 4304692.2温度传感器方案论证 462162.3调速方式方案论证 4271362.4显示电路方案论证 5202893智能电扇系统硬件设计 6244343.1硬件系统总体设计 6167613.2STM32主控芯片介绍 6113333.2.1STM32简介 679823.2.2STM32单片机主要特点和系统参数 7150323.2.3STM32单片机最小系统 783763.3DS18B20温度采集电路 8175543.3.1DS18B20简介 862413.3.2DS18B20工作原理 9235643.4显示电路设计 972213.4.1LCD液晶显示简介 984293.4.2LCD1602液晶屏显示电路 10202553.5电扇驱动电路 10111813.6人体红外模块 10194613.7按键模块 11180814智能电扇系统软件设计 1227664.1软件系统总体设计 1234454.2DS18B20子程序设计 1257394.3LCD液晶显示子程序设计 1334524.3.1LCD工作状态介绍 13256934.3.2LCD液晶显示程序设计流程图 1355494.4按键子程序设计流程图 14249184.5人体红外模块子程序设计流程图 1569715系统调试 1691835.1系统调试 16385.2Keil开发系统简述 16320425.3设计实物图 16131235.4系统调试总结 1785696总结 18摘要电扇在夏天对于每家每户来说，是一样必不可少的降暑利器。然而传统的电扇使用方法比较单一，不论太热还是太冷都需要人们自己去调节按钮来控制风力大小，对于夜晚睡觉的人们来说这显然是一件麻烦的问题，而且夜晚温差较大，一直开着电扇很容易使免疫力低的人感冒。现如今，科学的进步加上人们对于智能化生活水平的追求，智能化家居普遍出现在大众视野，智能电扇也脱颖而出逐渐走进各家各户，它可以根据人体的温度自动调节风力的大小、停止与启动。智能电扇大大减少了电量的消耗，节省了占用人们的作息时间，为人们的幸福生活提供了更方便的服务。本设计是以STM32单片机为核心控制器的一种智能风扇控制系统设计，其中人体红外模块用来感应周围是否有人，检测当前温度是用温度传感器DS18B20来实现，温度检测出来后用数码管显示，电扇驱动电路去改变电扇的旋转速度，温度的高低值也可以由人为设置，当周围人体温度达到设定最高值则电扇就会开启，其中添加了风速档位，当温度每高出最大值一度时档位就会增加一档，在最低值以下就算开启开关电扇也不会转动，这一流程下来，则可以实现电扇的自动调节风速大小停止与启动。关键词：电扇；STM32单片机；人体红外；温度传感器1绪论1.1课题研究与应用前景时代在进步，空调的出现让人们的生活幸福质量高出了一截，风扇在家庭生活中并没有很显著的地位，不过随着人们越来越关注绿色生活，遵循低碳生活，空调其用电多、产生超高二氧化碳、对臭氧层有极高破坏、会使人产生依赖得“空调病”各种弊端，这让用电少又“绿色”的电扇在市场中站稳了脚。家用风扇几乎都是需要人为手动调节风速和开关，功能单一化使用起来也不便捷。若是打开风扇却又懒的去关闭它，这既浪费电，长期开着还会损害电器容易引发火灾事故。在夏天夜里温差大的地方，人们在忙完一天的工作后想睡一个安稳的觉，所以在夜里熟睡的人们很难起来关掉电扇，这很容易使免疫力低的人发生感冒而且又浪费电。传统的电扇虽然也有定时按钮能控制电扇在使用一段时间后关闭，不过其定时时间有限，也不能根据温度的变化进行风速的调整。为了解决上述问题，我设计了这款智能电扇控制系统。这个系列包括人体红外感应，温度传感器，用单片机控制，可以把实时温度显现出来，还能基于使用者给定的温度值范围内自动在相应温度调整风速，自动开启与关闭，有高精确度，标准动作执行。智能电扇若是广泛应用并且普及到日常生活中将会给人们的生活提供较大的方便,其发展趋势可以根据其应用于不同的场合进行改进，由此可以收获大量的经济效益。1.2国内外研究现状电风扇有很长一段时间的发展史，人们通常称它为电扇，在日本和韩国都叫它扇风机，到了香港叫风扇，仔细一想它的存在已经有一百多年的历史了。以往它是家家户户的夏天必需品，但是如今随着空调和各种智能家居的出现，它开始淡出大众视野。机械电风扇起源于1830年，美国的詹姆斯拜伦发明了一种用发条使电扇得以运转可以挂在天花板上面的电扇，但是每当要使用风扇时都要爬到天花板上面很不方便。在1872年，法国的约瑟夫做出来了用齿轮链条控制的电扇。到了1880年，美国人舒乐将接电的电动机上放上风扇叶，叶片就被电动机带动起来，至此，风扇有了最初的雏形。1916年，中国人杨济川开办了华生电器制造厂，成为电扇行业领军者。电扇作为一种老式家电，比起现在的空调略显逊色，但它却有着比空调更便宜的价格、方便摆放，污染小的优点。随着国家科学技术的不断提高智能电扇的研发在市场上也显著出现，相信在不久的将来电扇将会往更智能化的方向发展。相比于中国，外国更注重于智能化，我国现在也开始进行智能化家电的研究，也在这一领域有了不少的突破。现如今，智能电扇的设计已经越发深入。在环境温度达到设定值时能自动开启电扇，还可以根据温度的升高自动调节转速档位加快扇叶的转动，而当环境温度降到一定值时，电扇就会自动停止节省了电量的消耗，实现智能控制，这一研究是电扇的功能显示了其既方便又节能的特点。2智能电扇控制系统整体设计方案2.1主要控制机方案论证方案一：主要控制机选取电压比较电路。温度传感器用热电偶，把温度信号转为电信号并放大，调节转速是用集成运放组成的比较电路，当电路检测到数值在指定范围内时电扇的风速就会自动转换到相应的档位。方案二：主要控制机选取STM32单片机。用端口赋值软件编程的方法实现。对于方案一，选用电压比较电路为主要控制机，其操作简单，电路不复杂很容易就做出来了，也不需要写程序代码编译这些工作，可是这样它的控制方式就比较单一和传统电扇有过之而不及，不能自主的变换风速，对使用者来说也是比较麻烦的。对于方案二，选取单片机为主要控制机，它可以编写程序代码将传感器测试到的温度准确的传输到显示电路上面，还能根据用户需求自己设置高低限制温度值，通过键盘端口实现电扇的不同转速，这一点大大提高了使用者的产品体验感。所以本设计选用方案二。2.2温度传感器方案论证方案一：温度传感器元件用热敏电阻，根据温度的升高或者降低来让电阻值改变，电压也就随之改变，依靠ADC0809转换芯片把模拟信号转为数字信号，再利用单片机进行处理。方案二：温度传感器用热电偶，利用单片机进行处理温度变化信号。方案三:温度传感器用DS18B20，用单片机去读取温度。对于方案一，热敏电阻方便获取，价格便宜，可是测不出来微乎其微的温度，如果数据采集不准确那么对于后面的运算放大电路和AD转换等过程最后的结果都会造成直接的影响，出现失真与误差。热敏电阻的非线性对温度测量也影响甚大，所以不适合本系统的设计。对于方案二，热电偶可以测量细微的温度，所以造成的误差也会相对较小，测试温度包括零下50摄氏度到1600摄氏度，不过其电路比较复杂而且本系统也不需要测如此大范围的温度变化，故不采用。对于方案三，数字式温度传感器DS18B20，其依靠高度集成化的特点可以大大减少测温度时产生的误差，对于温度的感应也极其敏感，电路也不复杂，当采集到温度值时，其内部就可以将温度值转变成数字直接输出，它还拥有单总线（1-WRIE）这个先进的技术，总体下来该传感器又可以抗干扰，操作又简单，对温度的捕捉又很精确。所以本设计选用方案三。2.3调速方式方案论证方案一：选择变压器调速，利用电磁感应原理来实现，不同的电压值有不同的转速，电扇连接到电压上就能实现电扇调速。方案二：选用软件编程驱动PWM实现转速控制，调节PWM的方波脉冲信号的占空比。占空比越小转速也就越小，反之要想加快转速就要使占空比变大。对于方案一，变压器的改变不能因人而异的调节，操作比较单一，长时间使用的话会使变压器发热，存在安全隐患，故不采用。对于方案二：PWM其操作都是在处理器上进行不需要进行数模转换，是纯软件的调速方式，不会有外在的安全隐患，性价比高可以显示单片机的性能，所以本设计选用方案二。2.4显示电路方案论证方案一：用LED数码管显示温度这种方案。方案二：用LCD来显示读取的温度。它是一种数字显示技术通过软件控制，可以在平面面板上产生图像画面。对于方案一，LED在市面上的价格不贵很便宜，便于使用者购买，而且显示出来的数字也清楚，不过因为是动态扫描所以数字显示出来是伴随着闪动的，不利于用户观察，所以不采用。对于方案二，LCD显示屏可以显示数字而且不会闪烁晃动，这是LED数码管不能相提并论的。如果需要显示字符的话，它也能满足用户的要求，而且硬件连接简单，性价比高。所以本设计选方案二。3智能电扇系统硬件设计3.1硬件系统总体设计本系统的主要控制芯片是STM32，加上人体红外传感器，温度传感器DS18B20采集温度，数码管LCD1602读取温度显示。当周围温度发生变化时，单片机进行数据处理通过PWM脉冲对风扇进行换挡调速。总体硬件设计如图3-1 图3-1总体硬件设计3.2STM32主控芯片介绍3.2.1STM32简介STM32是一种比8位单片机还要高级的一种集成电路芯片，它有32位。之所以说它比8位单片机高级，是因为它既可以给本身程序编程还可以为外界的原有文件库编程，这样大大方便了使用者对文件的各种操作。STM32还有个优点值得一提就是它的接口，它拥有本身互连系列和微控制器相同的标准接口，这一大特点就大大方便了使用者，因为在不同的多个设计中都可以使用同一个软件，这是很大的优势。STM32家族它们凭借着高运算速度，完整的模块化，开发简易但是性能又高易于上手的操作等等优点俘获了一大批使用者的热爱。STM32单片机如图3-2图3-2STM32引脚图3.2.2STM32单片机主要特点和系统参数特点：（1）STM32系列的起振晶部分采用了RTC，低负载的方式，而没有像传统的比较廉价的圆柱晶振。（2）引脚个数为40个。（3）工作频率为72MHZ。（4）单片具有3个普通定时器和1个高级定时器。（5）单片机具有2个2位/16通道的ADC模数转换。（6）使用了3.3V稳压芯片，可以保证最大输出300MA电流。（7）支持ST-LINK和JTAG调试下载。（8）存储资源为64kbbyteFLASH和20byteSram。参数：（1）电源指示灯LED(PWR通常为红色):如果电源指示灯亮亮说明单片机正常运行，如果较暗或者闪烁，表示此单片机可能存在故障。（2）PC13指示灯:这个功能的使用大大的方便了我们进行一些比较简单的功能测试，如单片机的运行状态等，方便初学者进行更好的测试。（3）单片机上采用了跳帽的方式，我们可以对stm32进行3种编程方式。如用户的SARM、闪存和系统的存储器。（4）8M晶振：主要是用于设置单片机系统的频率为72MHZ。（5）32.768KHz晶振：可供内置RTC使用，避免了需要专门的时钟芯片进行定时器处理等。3.2.3STM32单片机最小系统单片机最小系统由电源，时钟，调试，复位，以及控制芯片五大部分组成。电源由LDR(LowDropoutRegulator)低压差线性稳压器将5V转换为3.3V，为主控芯片供电。如图3-3图3-3电源系统时钟系统。该部分是一个基础，主要的控制芯片与CPU都要基于它才能进行操作是不可或缺的一个部分。如图3-4图3-4时钟电路图调试接口。程序开发的过程中，需要下载bin/hex文件，以及在线仿真调试，可采用SWD或者JTAG的方式。如图3-5图3-5调试接口图复位。本设计是低电平复位，里面包含硬件按键复位，下图中C2表示电容，它在这个电路图中是不能缺少的部分。它起到的作用就是为了防止操作者在按下按键时电平带来的震动导致不必要的麻烦，例如按键复位，这样会导致开关无法正常使用。如图3-6图3-6复位电路图3.3DS18B20温度采集电路3.3.1DS18B20简介DS18B20是一款新型的温度传感器。DS18B20是美国继DS1820出现后又一款实用性强的系统。经常用到的温度传感器是数字信号，它的体积不大，不会轻易受到外界的干扰所以能准确地获取温度信号。DS18B20可以在多种场合下使用，因为它接线简单又便利，型号又多可以根据需求灵活的改变外形。DS18B20封装起来可以在不同的温度下进行工作，但是不能是极高或者极低的温度情况下，不然会影响其的使用性能。因为它的本身优点有很多，现在已经广泛用于各个设备中。如图3-7图3-7DS18B20外形和管脚3.3.2DS18B20工作原理DS18B20之所以会稍微高级是因为它在原先DS1820的基础上将温度的转换延时时间降低了，分辨率也直接影响温度值的变化系数。其余的功能与DS1820大同小异测温原理也没有改变。DS18B20原理图如图3-8所示。图3-8DS18B20原理图3.4显示电路设计3.4.1LCD液晶显示简介1602液晶也叫1602字符型液晶，听名字就知道这是一款液晶显示屏，还能把字母、符号、数等体现出来。它点阵字符位有多种组合，其中5*7就是常用的一种，而且排列有序，行有行间，位有位间，每个字符都能清楚准确地通过点阵字符位来展现出来。不过它的不好的一点就是不可以显示图形，当然我们这个设计不需要显示图形所以这个缺点可以忽略不影响我们。如图3-9所示。图3-9LCD1602实物图3.4.2LCD1602液晶屏显示电路本设计的显示电路用到了LCD1602液晶显示电路，当芯片获取到了温度值后传到显示电路并且通过显示电路将温度值展示出来。，它可以展现出优美的文字和符号。它的硬件简单，软件也能控制又是用液晶字符式，因此本设计用LCD是最好的选择。如图3-10图3-10LCD液晶显示电路3.5电扇驱动电路本设计的驱动电路是选用三极管的放大电路实现，如图3-11图3-11驱动电路模块3.6人体红外模块红外传感器用的是热释电传感器，顾名思义是感应周围环境的温度从而使传感器进行工作。一般是由敏感元件、电阻和场效应管构成，当然还会有一块滤光片在里面，为了减少外界的干扰。菲涅尔透镜也是必不可少的部分，它可以让传感器更容易的去感应到人的存在感应到温度的变化，从而使设备正常工作。当人体红外感应到有人后，就会根据温度的高低输出高低电平然后传入到单片机，最后单片机进行数据分析去改变风扇的转速。3.7按键模块按键模块选用了独立按键方法，一个I/O口线接一个按键，这样每个按键各司其职，而且独立按键的软件编程也简单，对于使用者来说是方便的。唯一不足的是按键越多那么I/O口就越多，有点资源浪费并且单片机系统的I/O口也有限，好在本设计所需要的按键并不是很多，所以独立按键也可以接受。如图3-12图3-12独立按键电路图3.8原理图与PCB板设计图图3-13原理图图3-14PCB板4智能电扇系统软件设计4.1软件系统总体设计在软件设计中要对主程序和和各部分的子程序进行编程，因此需要用到的编程软件是C语言。采取直流电控制风扇速度、温度实时采集和显示温度值等功能，编译选取集成开发环境KEIL进行。总软件流程图如图4-1图4-1程序总体设计流程图4.2DS18B20子程序设计DS18B20的组成部分是有四个，里面的温度报警触发器可以实现对周围温度的感应，并且及时反应出来。首先要对DS18B20进行初始化操然后在执行ROM指令最后执行读取数值操作。若是一根总线上面想连接若干DS18B20，那么ROM就在其中起到了至关重要的作用。程序图如图4-2图4-2DS18B20程序流程图4.3LCD液晶显示子程序设计4.3.1LCD工作状态介绍LCD1602的引脚是一共有16个，当它与单片机连接在一起后起到了读写控制的是RS与RW。如表4-1RSRW操作命令00写入指令寄存器（清清屏等）01读busy(DB7)，以及读取位址计数器（DB0—DB6）的值10写入数据寄存器（显示各字符等）11从数据寄存器读取数据4.3.2LCD液晶显示程序设计流程图LCD1602要显示字符时，就要获得该字符的现实的RAM地址。LCD里面有很多控制指令，其中的清屏指令和显示指令是最直观的可以肉眼可见的外在指令。执行程序时LCD要开始初始化状态，通过延时程序进行检测是否要显示的数据。最重要的一点是，若是想令它正确进行工作就要确保它的忙标志位是低电平才可以。程序图如图4-3图4-3LCD程序流程图4.4按键子程序设计流程图按键子程序由KEYSCAN执行，程序图如图4-4图4-4按键程序设计流程图4.5人体红外模块子程序设计流程图人体红外模块工作时，如果感应到周围有人出现，温度达到一定值时，那它就会开始进行检测然后输出高电平在传入给单片机进行作业。如图4-5图4-5人体红外模块流程图5系统调试5.1系统调试本设计采用了KeiluVision5来进行智能电扇的程序调试。5.2Keil开发系统简述Keil是一款可以兼容单片机C语言的程序研发软件，它与其他的编程软件不同的是它本身有更多的优点，比如操作简单容易上手，这样就不会让使用者花太多的时间去学习使用它从而节省了使用者的工作时间，其次它的功能齐全，结构和保护性能上都有比其他软件有更好的优势。整个开发的环境是安全的，流程下来也是完整的。keiluVision5的使用步骤1.双击（KeiluVision5）打开软件。2.将鼠标移至页面左上角然后点击菜单里面的（Project）再点击（New

uVisionProject）。3.在跳出来的页面中新建一个文件夹，把新建的项目保存名字存为（example）。4.保存好之后