基于STM32的智能风扇系统设计
张彬 宋振宇 黄兴平 杨舒畅
摘要：近年来智能家居行业飞速发展，但市场上的风扇功能简单不够智能。该智能风扇以STM32单片机为核心实现风扇的三种工作模式：自动模式下利用温度传感器检测周围的温度的变化，单片机接受信息并调整风扇的转速，从而达到更好的工作效果。手动模式下，可以通过按键控制，也可以使用语音控制调整风扇系统的运行。人体识别模式时，风扇默认关闭，当有人接近风扇时，风扇便会转动。此外智能风扇还拥有定时功能，可以设置自动关闭的时间。
关键词：风扇;智能;STM32;声控;自动控制;人体识别
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）16-0016-05
开放科学（资源服务）标识码（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
隨着社会和科技的飞速进步，智能家居不仅继承了传统家居的简单实用的特点，并且拥有智能化、人性化的等优点。智能家居使生活更加的舒适、便捷。在基础技术条件日渐成熟，外部市场环境不断完善的当下，产品端需要真正实现功能型产品向真正智能化的转变，借助人工智能的力量去开创全行业的转型升级，风扇也应顺应发展走向智能化[1]。本文设计的智能风扇主要实现如下几个功能：自动控制功能：通过检测外界温度的变化自动改变风扇的转速。温度变高的时候风扇挡位就会升高，温度越低时，风扇挡位就会变低;人体检测功能;风扇处于待机模式时，当人体靠近传感器时风扇自动开启，当人体离开时候会自动关闭;声音控制功能：由LD3320语音芯片识别语音，用户只要说出关键字如打开风扇、关闭风扇等就可以控制风扇的运行;灯光控制功能：可以通过语音或按键控制灯光的打开与关闭，在夜晚可以提供照明;睡眠定时功能：用户根据需要选择相应的定时时间，定时结束后风扇自动关闭。
2 系统设计
该设计选用的核心控制芯片是基于Cortex-M3内核的STM32F103C8T6，它是一款高性能、高兼容、易开发、低功耗、低工作电压以及具有实时数字信号处理的32位闪存微控制器产品[2]。智能风扇系统是由单片机、语音识别模块、温度传感器模块、红外传感器模块等组成，系统的结构图如图1所示：
2.1 语音识别模块
语音识别模块内部包含LD3320芯片和STC11L08XE单片机，LD3320芯片由ICRoute公司设计，语音识别模块集成麦克风口、声音输出接口等外部电路[3]，该芯片通过特别的算法可以完成非特定的语音识别，语音识别无需事先训练和录音，只要说出相应关键字，语音识别就可以完成，使用起来非常方便。语音识别开始时，模块的麦克风接收周围的声音，这些声音不一定是带有关键字的声音，也可能是一段没有意义的声音，语音识别芯片对接收的声音进行频谱分解，根据声音特征提取相应的频率，然后与芯片数据库中进行关键字的匹配，将会对不同关键词进行打分，哪个分数高就选择相应的结果作为输出[4]。
2.2 DS18B20温度传感器
为了实现对周围温度的检测该系统选用的是DS18B20可编程数字温度传感器，它具有抗干扰能力强、价格便宜、使用方便等优势[5]。传感器测温结果是通过其内部精密晶振振动频率随温度变化的特性得到的。传感器内部独立包含一个独立的测量芯片，芯片内置存储单元，包含64位的ROM和9字节的RAM，64位ROM用于存放产品编码，9字节RAM的前两字节用于保存温度信息。温度传感器DS18B20 的高度集成化，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，测量出的温度误差很小[6]。检测到的温度数值可以在器件内部转换成数字量直接输出，这样方便了系统程序设计。温度传感器的详细参数如下：
（1）DS18B20温度传感器与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）工作电压范围 1.8V ～5.5 V。
（3）测温范围：
-55 ～+125 °C，默认测温分辨率为0.5 °C。
（4）可实现9～12位的数字读数方式。
（5）可以将多个传感器并联在一条总线上，测量多个地方的温度。
（6）传感器不会因为电源反接而损坏。
2.3 OLED显示屏
屏幕选用的是4针9.6寸OLED屏幕，这是一种新型的屏幕技术，拥有自发光的特性，具有可视角度大、功耗低、对比度高等优势。对比lcd屏屏幕，OLED显示效果更好、功耗更低、适合小系统。OLED屏幕支持3.3V ～5V供电，所以不用修改模块电路。OLED屏幕包含4个引脚分别是GND、VCC、SCL和SDA。GND和VCC接地和电源，SCL连接PA0，SDA连接PA1。OLED屏幕可以根据需要显示出字符、数字、汉字等，使用起来简单方便。
2.4 红外传感器模块
该系统选用红外对管传感器检测人体，该传感器具有干扰小、便于装配、使用方便等特点。红外对管传感器是由红外发射管与光敏接收管等构成，红外对管传感器工作时发射管会发出人眼不可见的红外线，当检测方向遇到障碍物时，红外线就会反射回来被接收管接收，经过LM393比较器电路处理之后，输出指示灯会亮起，OUT口输出低电平数字信号[7]。传感器的工作电压为3.3V～5V，传感器模块输出端口可以与单片机IO口直接相连，传感器模块检测到人体时会持续输出低电平信息。
2.5 直流风扇
目前，市面上的220V风扇使用起来不安全且不容易控制，所以该系统选用的是一个5V供电的直流风扇，这是一种小型风扇，使用起来更加安全，并且容易被单片机所控制。因为是使用PWM波控制风扇速度，所以直流风扇可以有多种挡位选择，可以根据自己需要调整合适的速度。直流风扇的噪音很小，使用的时候不会影响到工作和休息，而且使得语音识别更加的可靠准确。
2.6 灯光模块
该系统选用一个5V供电的LED灯光用于照明，LED学名叫做发光二极管，这种发光材料由N、P、As等多种化合物制成，当电子与空穴相遇就能够产生光。这种灯光可以有多种颜色，本设计选用的是白色LED灯。设计选用的灯光可以用于在晚上阅读时候照明，也可以用来装饰家居环境等等，可以满足大部分的照明需要。将照明功能加入智能风扇当中丰富了产品功能，还能够节省台灯占用的空间。智能风扇中含有一个专门用于控制灯光的按键，除了按键之外，也可以用语音控制灯光，只要说出打开灯光、关闭灯光等关键词就可以控制灯光运行。
2.7 按键模块
该系统选用的是轻触式开关，该按键内部有弹簧，这种按键只需要施加一个很小的力就能够使开关闭合，松手时按键会自动弹起，手感很好，有段落感，发出清脆的声音，容易辨别。轻触开关应用于遥控器、玩具、家用电器等等，使用方面非常广。影响轻触按键使用的因素有很多，主要在于开关的防腐蚀性、寿命、按压手感，一般开关为了降低接触电阻，采用镀银方式，将按键引脚的基材进行镀银。弹簧的好坏取决了按键的手感，目前使用最多的是日本的冲压技术，采用这种技术的按键可承受数万次的按压，非常耐用手感也非常好。设计采用7个按键组成独立式按键，每个按键直接用IO口线组成单个键盘电路，配置灵活，软件设计非常方便。
2.8 电源控制模块
该系统采用的5V的micro usb向stm32最小系统板供电，因为stm32f芯片需要3.3V的电压才能正常工作，所以利用单片系统板上的线性稳压器将5V电压转化为3.3V。这种线性稳压器成本非常低，只需要几分钱就可以买到，体积非常小，可以非常方便地安装在其他器件上，工作的时候噪音很小，输出电流可靠稳定，因此十分适合在单片机系统上使用。
3 系统电路设计
3.1 单片机供电电路
单片机的正常工作的电压是2.0～3.6V，断电时VBAT引脚为RTC和备份寄存器提供电源。稳定良好的电源供应是实现各种功能的基础，设计采用micro usb为系统板供电，供电电压为5V，最小系统板内部包含ME6211稳压芯片，该芯片可以将5V电压转化置3.3V，输出电流为100MA，C1、C2、C3、C4均为滤波电容，过滤掉电流的交流部分，从而使得电流更加平滑。稳压芯片如图2所示：
3.2 单片机复位电路
复位电路可以实现单片机的初始化，系统稳定运行需要上电复位和按键复位，图中电路为低电平复位电路，通电时，由于电容两端电压无法突变，所以NRST为低电平复位，然后电容在缓慢充电，NRST端电压缓慢升高，当上升到一定的高电平时，单片机开始正常工作。当按下RST时NRST又变为低电平复位，复位电路是系统中不可或缺的一部分。单片机的复位电路如图3所示：
3.3 灯光控制模块电路
灯光需要5V的電压供电，单片机最多输出3.3V的电压，所以需要一个继电器和三极管来控制电路，由此可以实现弱电控制强电。一般动触点K1和常闭引脚闭合，电灯不工作。当单片机IO口输出信号时，继电器产生磁效应吸合衔铁，动触点K1和常开触点闭合，电灯亮起。当灯光停止工作时，为了防止继电器的反电动势对继电器造成损害，所以并联一个续流二极管保护继电器。灯光控制电路如图4所示。
3.4 温度传感器模块电路
DS18B20智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，全部传感器原件及转换电路集成在形如一只三极管集成电路内，可以直接读出数据，温度传感器的DQ口连接单片机PB6引脚[8]。温度传感器电路如图5所示：
3.5 红外对管传感器电路
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