曹佳璐，余寶蓮，邵佳慧，陳姝羽，馬華紅

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

隨著5G技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活方式逐漸發(fā)生改變，傳統(tǒng)家居已經(jīng)不能滿足人們對(duì)美好生活的向往。智能家居基于生活環(huán)境，通過(guò)控制技術(shù)、傳感器等對(duì)家居進(jìn)行控制，提高了家居的便利性、實(shí)用性和拓展性[1]。目前的智能風(fēng)扇研究和應(yīng)用，在功能上具有智能感溫感濕、節(jié)能、降噪等特點(diǎn)，在控制方面具有紅外遙控、語(yǔ)音控制等控制方式[2]。智能風(fēng)扇在功能方面大同小異，在控制方面缺少控制方式的多樣性。本設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)選擇比較符合人們生活習(xí)慣的多種控制方式，適合各類用戶群體。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)使用STM32F103ZET6作為主控芯片，智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)的功能模塊有電源模塊、人體檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、按鍵檢測(cè)模塊、用戶指示燈模塊、串口調(diào)試模塊、電機(jī)模塊、觸摸顯示屏模塊。電源模塊為智能風(fēng)扇系統(tǒng)各個(gè)模塊供電；用戶指示燈用于指示系統(tǒng)工作狀態(tài)；串口調(diào)試模塊用于調(diào)試程序功能；觸摸顯示屏模塊實(shí)時(shí)顯示溫濕度、工作模式及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等相關(guān)信息。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

智能風(fēng)扇系統(tǒng)的供電電源是電壓為5 V的USB電源。單片機(jī)正常工作的電源是3.3 V，其他模塊的供電范圍均是5 V或者3.3 V。電源轉(zhuǎn)換芯片使用AMS1117-3.3，只需少量的外圍器件，就可以實(shí)現(xiàn)將5 V電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的3.3 V電源，使用方便，輸出電壓穩(wěn)定。

2.2 主控模塊

本設(shè)計(jì)采用STM32F103ZET6為主控芯片，包含電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備以及CAN和USB全速接口。STM32系列ARM Cortex-M3 32位閃存微控制器工作時(shí)具有低功率、低電壓，并結(jié)合了實(shí)時(shí)功能的極佳性能。其中電源電路采用0 Ω電阻保護(hù)MCU的供電，并采用多個(gè)電容并聯(lián)達(dá)到電源濾波效果，下載電路采用SWD下載電路。

2.3 人體檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用HC-SR501紅外檢測(cè)模塊進(jìn)行人體檢測(cè)[3]。該模塊是全自動(dòng)模塊，當(dāng)有人進(jìn)入其工作范圍則輸出高電平，當(dāng)人離開(kāi)后則開(kāi)啟延時(shí)，輸出低電平。通過(guò)跳線對(duì)其功能進(jìn)行選擇，采用重復(fù)觸發(fā)模式，即在人體離開(kāi)其工作范圍后，在其延時(shí)開(kāi)啟過(guò)程中，若再次有人體出現(xiàn)在其工作范圍內(nèi)，則繼續(xù)保持輸出端的高電平。人體檢測(cè)模塊接口如圖3。

圖2 主控電路

圖3 人體檢測(cè)模塊接口

2.4 溫度檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用DHT11模塊為溫度檢測(cè)模塊，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器檢測(cè)到超出建議的工作范圍可能導(dǎo)致高達(dá)3%RH的臨時(shí)性漂移信號(hào)，返回正常工作條后，傳感器會(huì)緩慢地向校準(zhǔn)狀態(tài)恢復(fù)。DHT11的溫度測(cè)量范圍是-20 ℃～60 ℃，誤差是±2 ℃度。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本模塊采用L9110S全橋驅(qū)動(dòng)芯片，電路如圖4。該芯片抗干擾性極佳，輸入由兩個(gè)TTL/CMOS共容電平組成，其中兩個(gè)信號(hào)輸出端可以通過(guò)對(duì)高低電平的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。在本設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)輸入驅(qū)動(dòng)的不同占空比的PWM信號(hào)值進(jìn)行調(diào)控，L9110S輸出相同且滿足電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)的PWM信號(hào)[4-5]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。

圖4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.6 觸摸顯示屏模塊

顯示屏的驅(qū)動(dòng)芯片選擇的是ILI9341，顯示屏是2.8英寸，其分辨率為240*320，顏色深度是16位RGB565，本設(shè)計(jì)采用8080并口時(shí)序驅(qū)動(dòng)LCD顯示。STM32F103ZET6自帶有FSMC外設(shè)，使用FSMC_NE4，內(nèi)部地址接A10，操作內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)，就可以模擬8080并口的讀寫(xiě)時(shí)序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示屏數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。

2.7 用戶指示燈模塊

用戶指示燈模塊是為了顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。LED用戶燈指示智能風(fēng)扇系統(tǒng)是否正常工作，智能風(fēng)扇系統(tǒng)正常工作的時(shí)候，LED1指示燈慢閃。

2.8 W25Q64存儲(chǔ)模塊

W25Q64芯片的內(nèi)存大小是64 MB，其讀寫(xiě)方式采用4線SPI串行同步的通信方式，標(biāo)準(zhǔn)SPI讀寫(xiě)速度最高支持80 MHz。本設(shè)計(jì)將W25Q64的SPI通信管腳與STM32F103ZET6的SPI2外設(shè)相連。

2.9 按鍵檢測(cè)模塊

該模塊采用上拉電阻，用戶可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)該產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)控制，風(fēng)力調(diào)節(jié)等功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的方法采用“模塊化編程”的思想，同時(shí)使用系統(tǒng)定時(shí)器給每個(gè)模塊任務(wù)都分配一個(gè)“時(shí)間片”，在主循環(huán)中持續(xù)輪詢時(shí)間片，任務(wù)時(shí)間到來(lái)就立即執(zhí)行任務(wù)。系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。在傳感器自動(dòng)控制方面，獲取環(huán)境因素作為人體檢測(cè)結(jié)果，從而決定風(fēng)扇是否運(yùn)轉(zhuǎn)。檢測(cè)無(wú)人時(shí)，輸出低電平關(guān)閉風(fēng)扇；檢測(cè)有人時(shí)，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速。在用戶界面控制方面，通過(guò)移植STemWin界面程序，獲取當(dāng)前觸摸點(diǎn)的信息，界面狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入回調(diào)函數(shù)，查找到被觸摸的位置后控制風(fēng)扇的運(yùn)行狀態(tài)和轉(zhuǎn)速，并在界面系統(tǒng)中實(shí)時(shí)更新設(shè)備的狀態(tài)。

圖5 程序設(shè)計(jì)框圖

3.2 人體檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

將人體檢測(cè)模塊與MCU相連的控制管腳為PD12，配置為下拉輸入。主控每秒讀取一次輸入管腳的電平，判斷輸出狀態(tài)。MCU讀取到PD12管腳對(duì)應(yīng)電平設(shè)置風(fēng)扇狀態(tài)及轉(zhuǎn)速。

3.3 溫度檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)模塊與MCU相連的控制管腳為PG11，MCU配置PG11管腳為輸出模式并發(fā)送“起始信號(hào)”，DHT11溫濕度傳感器檢測(cè)到起始信號(hào)之后，會(huì)持續(xù)輸出40 bit的數(shù)據(jù)；MCU配置PG11管腳為輸入模式并接收40 bit的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)使用非線性變換將環(huán)境溫度值轉(zhuǎn)換為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值，具體轉(zhuǎn)換為：在溫度值小于20 ℃的時(shí)候，將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)置為0%；在溫度值小于25 ℃的時(shí)候，溫度值與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系為6*T-100；當(dāng)溫度值小于40 ℃的時(shí)候，溫度值與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系為2*T；其中T表示環(huán)境溫度值。

3.4 轉(zhuǎn)速控制程序設(shè)計(jì)

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片使用的是L9110S，通過(guò)改變輸出電壓的占空比從而控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。M_IA對(duì)應(yīng)管腳輸出低電平設(shè)置風(fēng)扇正轉(zhuǎn)，控制M_IB對(duì)應(yīng)管腳輸出的PWM信號(hào)占空比，調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。獲取當(dāng)前狀態(tài)下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，進(jìn)行轉(zhuǎn)速限幅處理。通過(guò)改變TIM4->CCR3寄存器的值，控制M_IB輸出不同占空比的PWM信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制。

3.5 結(jié)果測(cè)試

打開(kāi)電源，發(fā)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)并傳送自然風(fēng)，溫度也開(kāi)始實(shí)時(shí)顯示，說(shuō)明按鍵模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊還有溫度傳感器功能正常。之后測(cè)試溫度傳感器功能，用手觸摸溫度傳感器部分，當(dāng)溫度升高時(shí)，會(huì)自動(dòng)改變風(fēng)速。此次測(cè)試電機(jī)能按照本次設(shè)計(jì)要求進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明各項(xiàng)功能完好，本次初步成功。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)是基于STM32對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)扇的智能優(yōu)化，主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇的智能控制，能根據(jù)環(huán)境自動(dòng)設(shè)定相應(yīng)功能。多功能和多種控制方式并存的智能風(fēng)扇系統(tǒng)，能自如應(yīng)對(duì)生活中的多樣化，給用戶提供更多選擇的同時(shí)，也讓用戶體驗(yàn)到快節(jié)奏時(shí)代的便利和快感。