基于STM32的智能风扇设计与实现

基于STM32的智能风扇设计与实现

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/linzhengchao/article/details/139904421

随着科技的不断发展，智能家居和物联网技术逐渐渗透到人们的日常生活中。作为智能家居的重要组成部分，智能温控风扇以其智能化的温度控制、节能环保及人性化的使用体验，越来越受到消费者的青睐。本文将详细介绍基于STM32微控制器的智能风扇设计，包括系统架构、硬件实现和软件开发等关键环节。

项目背景

在智能家居时代，家电产品正经历着从传统到智能的转型，其中风扇作为日常生活中不可或缺的电器之一，也在经历着一场技术革命。传统风扇，虽然在过去数十年间为千家万户带来了凉爽，但在智能化、个性化以及能效方面逐渐显示出其局限性。

智能温控风扇的研究与应用具有广泛的现实意义。首先，随着人们对生活品质的追求不断提高，对于家居环境的舒适性和智能化程度有了更高的要求。智能温控风扇能够根据环境温度自动调节风速和风向，提供更加舒适的使用体验。其次，在能源紧张和环保意识日益增强的今天，智能温控风扇通过精确的温度控制，实现了能源的合理利用和节能减排，符合绿色发展的时代潮流。

系统设计方案

本系统采用STM32F103C8T6芯片作为主控单元，通过STLINK-v2下载器进行程序烧录。系统主要包括以下几个模块：

• 报警系统模块：采用有源蜂鸣器，在温度超标时发出警报。
• 风扇旋钮开关模块：使用360度旋转编码器实现风扇的正反转控制。
• 风扇温度测量模块：通过热敏电阻传感器监测环境温度。
• 数据显示模块：采用OLED显示屏显示温度、风扇转速等信息。
• TB6612FNG电机驱动模块：用于控制风扇电机的转速。
• 电源电路模块：通过USB供电，经STLINK-v2下载器进行电源管理。

系统设计框图如下：

图2-1 系统框图

硬件设计

报警系统模块设计

有源蜂鸣器作为报警系统的关键部件，内置高效振荡器。一旦系统检测到异常，如温度超标或安全威胁，便会迅速激活蜂鸣器。此时，振荡器启动产生高频电信号，通过驱动电路放大后，驱动蜂鸣器发出急促的报警声。

风扇旋钮开关模块设计

360度旋转编码器模块作为风扇旋钮开关的核心部件，其原理在于将用户的旋转动作转化为电信号，进而控制风扇的运行状态。当用户旋转风扇旋钮时，编码器内部的机械结构会随之转动，产生一系列脉冲信号。这些脉冲信号的频率和方向与旋钮的旋转速度和方向密切相关。

风扇温度测量模块设计

热敏电阻传感器模块作为风扇温度测量模块的核心，其工作原理基于热敏电阻的电阻值随温度变化的特性。当风扇工作环境温度变化时，热敏电阻的阻值会相应发生改变。这种变化通过测量电路被捕捉并转化为电信号。系统接收到这些电信号后，经过处理和分析，便能准确得知风扇当前的温度情况。

TB6612FNG电机驱动模块设计

TB6612FNG电机驱动模块驱动电机它能够有效提高电机的运行效率，降低能耗，同时保证电机的稳定运行。 TB6612FNG电机模块是一种先进的电机驱动模块，其核心原理在于利用双H桥结构实现对电机的精确控制。该模块通过控制内部晶体管的通断，可以灵活调整电机电流的方向和大小，从而控制电机的正反转和转速。

数据显示模块设计

OLED显示屏作为数据显示模块的原理，可以简单理解为：在OLED屏幕中，有机材料涂层在电流的作用下会发光。当有电流通过时，电子和空穴分别从阳极和阴极注入，并在发光层中相遇形成激子，激发发光分子发出可见光。这种发光过程使得OLED显示屏能够呈现出丰富的色彩和清晰的图像。

软件设计

系统总体根据功能设计主要分为液晶屏显示程序、风扇温度测量程序、报警系统程序、 风扇旋钮开关程序、TB6612FNG电机程序等五个部分。系统软件设计的主程序流程图如图4-1所示。

图4-1 系统总体流程图

液晶屏显示程序设计

本系统采用OLED显示液晶屏模块显示，采用I2C总线通信驱动。在程序开始时，需要对OLED模块进行设置初始化，将准备好的数据通过SPI接口发送到OLED进行显示。

报警系统程序设计

在微控制器驱动的智能风扇系统中，报警功能是通过有源蜂鸣器实现的。系统启动并完成初始化后，首先配置蜂鸣器驱动引脚为输出模式。接着，程序会实时获取环境温度数据，这通常依赖于热敏电阻传感器或其他温度测量手段。一旦温度超过预设的安全阈值，系统会触发报警机制。此时，程序会向蜂鸣器驱动引脚发送相应信号，激活蜂鸣器发出报警声音。

风扇温度测量设计

在微控制器驱动的智能风扇系统中，温度测量采用热敏电阻传感器。系统启动后，首先进行初始化，配置ADC模块以准备接收热敏电阻的模拟信号。随后，系统发送启动信号至传感器，确保其准备进行温度检测。接着，程序读取ADC转换后的电压值，并通过校准算法转换为温度值。

旋转编码器程序设计

旋转编码器控制设置了二种状态:顺时针扭动的时候风扇为正转，当速度达到一百的时候会停止转动，逆时针扭动风扇则为反向转动。在检测到旋转或按钮动作后，延迟一段时间（例如10ms）再确认状态，避免因机械抖动导致的误操作。最后执行完功能后，程序提供适当的反馈。

实验结果与分析

实验中，温度传感器的测量结果与标准温度计的比较表明，在室温至40°C范围内，测量误差小于±0.5°C，满足设计要求。测试不同温度阈值下PWM信号的变化的时候，结果显示，当环境温度超过预设上限时，风扇转速迅速增加，反之则减慢，响应时间小于2秒。在不同工作状态下（静止、低速、高速）测量了系统的功耗，结果表明，与恒速风扇相比，智能风扇在低需求时显著降低了功耗。

结论

本设计成功实现了基于STM32微控制器的智能温控风扇系统。通过综合运用嵌入式系统设计、温度传感技术、PWM调速控制以及人机交互界面，我们构建了一款能够自动响应环境温度变化并调节风扇速度的智能设备。系统经过全面的测试，包括电源稳定性、传感器精度、电机驱动性能以及远程控制功能测试，均表现出良好的稳定性和可靠性。用户体验测试反馈积极，证明了系统的实用性和便捷性。

主程序代码

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Motor.h"
#include "Key.h"
#include "Encoder.h"
#include "AD.h"
#include "TIMER.h"
uint8_t KeyNum;		//定义用于接收按键键码的变量
int8_t Speed;		//定义速度变量
float Voltage;				//定义电压变量
uint16_t ADValue;			//定义AD值变量
int flag=0;					//用来防止温度传感和旋转编码冲突的
int i=0;					//控制蜂鸣器翻转频率
int main(void)
{
    /*模块初始化*/
    OLED_Init();		//OLED初始化
    Motor_Init();		//直流电机初始化
    Key_Init();			//按键初始化（没用到）
    Encoder_Init();		//旋转编码器初始化
    Timer_Init();		//定时器初始化（用于蜂鸣器）
    AD_Init();				//AD初始化（用于温度传感器）
    /*显示静态字符串*/
    OLED_ShowString(1, 1, "----Motor---");
    OLED_ShowString(2, 1, "Speed:");		//2行1列显示字符串Speed:
    OLED_ShowString(3, 1, "Voltage:");		//3行1列显示字符串Voltage:（温度变量）
    while (1)
    {
        ADValue = AD_GetValue();				//获取AD转换的值
        Voltage =100-((ADValue-1730)/2.1);		//将AD值线性变换到0~100的范围
        KeyNum = Key_GetNum();					//获取按键键码
        if(Voltage>25){
        if(Voltage>40)							//温度变量达到40以上
        {
        flag=1;									//蜂鸣器标志位
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8);		//LED红灯亮
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);
        }
        if(Voltage>30&&Voltage<40){GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);}
        if(Voltage<40)
        {
        flag=0;
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8);	//LED红灯不亮
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);
        }
        Speed=Voltage;
        if(Voltage>=100){Speed=99;}				//边界判断
        }
        if(Voltage<=25&&Voltage>=20){Speed=0;}
        if(Voltage<20){
        Speed+=4*Encoder_Get();
        }
        if(Speed>=100||Speed<=-100){Speed=0;}
        Motor_SetSpeed(Speed);				//设置直流电机的速度为速度变量
        OLED_ShowSignedNum(2, 7, Speed, 3);	//OLED显示速度变量
        OLED_ShowNum(3, 9, Voltage, 3);				//显示电压值的整数部分
    }
}
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
    {
        i++;
        if(flag==1){
        TIM_SetAutoreload(TIM2,190);					//中央C的蜂鸣器音调（可自调节）
        if(i%2==0){GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);}
        if(i%2==1){GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);}
        
        }
        if(flag==0){
            GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);				//红LED不亮
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_9);
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8);
        }
        
        
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
    
}