基于STM8的智能风扇系统的研制

孙江锋　王子赟,2

(1.江南大学物联网工程学院自动化系　无锡　214122)(2.江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室　无锡　214122)

基于STM8的智能风扇系统的研制

孙江锋1王子赟1,2

(1.江南大学物联网工程学院自动化系无锡214122)(2.江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室无锡214122)

摘要为了解决夜间温度变化较大、睡眠状态下无法调节风扇转速的问题,论文设计了一种智能风扇系统。该系统以STM8为控制核心,使用霍尔传感器作为测速传感器反馈速度信息,采用PID算法对电机进行转速闭环控制,提高系统抗扰性,使用DS18B20作为温度传感器采集温度,并作为转速决策的重要依据,使用手机端App调节温度—转速曲线,满足个性化需求。此外,用户在手动模式下可以一键采集自己满意的温度和转速点,使得系统使用起来更加方便。

关键词STM8; 智能风扇系统; 温度检测; App调节

Class NumberTP391

1引言

近年来,随着科技水平不断提高,家用电器的款式、性能都有了很大改善,智能家居也渐渐走入人们日常生活之中。风扇作为最早的取凉用具,具有节能、促进空气流通、降温慢不易得病等优势,深受很多人的喜爱。但是传统的风扇属于有级调速,不能满足更高的要求,并且在一些不太方便手动调速的场合(例如睡觉、开车等情况),不能根据外界信息来改变转速,更是给生活带来了些许不便。目前国内市场很少见真正的智能风扇,大多风扇只是多了摇头、自然风等选项,仍然属于传统风扇的范畴。随着单片机应用的越来越广泛,近几年的文献中逐渐涌现一些智能风扇的设想—根据外界温度控制风扇开关[2]、使风扇根据温度进行无极调速[6～7]、甚至根据心率来控制电机转速[5]。对于不易控制两项交流电机,可以采用两项变频调速技术[1]。本文设计的智能风扇系统,在手动模式下可以进行无极调速,并且对速度进行闭环控制,可以达到高精度的要求。手动模式下还有一键采集功能,将适合自己的温度-转速点进行存储,作为手机App调节合适温度-转速曲线的参考。自动模式下风扇将根据温度-转速曲线来动态调节转速,满足每个人的需求。

本文设计的智能风扇与其他文献中的风扇设计相比,优点在于可以使用手机端App来控制、调节风扇,与其他智能家居系统可以完美连接,也使得使用、设置更加方便。此外,本设计也引入了温度-转速曲线,通过无极调速、闭环控制等策略,使用户做到对风扇的状态的完全掌控。

2硬件设计与选型

2.1系统总体框图

系统总体结构如图1所示,STM8作为控制核心,通过可控硅控制电压进以控制风扇转速。人机交互通过键盘、显示屏、电位器完成,完成手动模式下风扇控制。蓝牙模块作为与手机通信的通道,来进行数据采集与载入等。

图1　系统总体结构图

2.2风扇选择

本设计选择12V直流电扇作为控制对象。原因在于:直流电扇调速相对简单、精确,易于实现,并且风扇采用可选择的双电源供电,既可以通过220V交流电变换得到供电电压,同时也可以直接使用车载电平、12V直流电池直接供电,增大了风扇的使用空间。

2.3电力变换电路与器件选型

本文设计的智能风扇电力变换主电路如图2所示。采用桥式可逆PWM调速方式进行调速。主电路使用IRF540N组成H桥,In5819二极管提供续流通道。IRF540N开关速度快、能耗小。Q2、Q4导通时,风扇启动。

此外,电力变换驱动电路如图3所示。IRF540N需要12V及以上的的电平驱动。选择IR2104作为驱动芯片,可以符合要求。IR2104自带死区,因此控制过程安全、方便。

2.4测速模块

由于风扇结构特殊,齿轮以及对射光电传感器不容易安装,因此本文设计选择霍尔传感器作为测速模块。霍尔传感器实物图如图4所示,只要有磁场存在,就输出高电平信号,如此只需在风扇转动结构上安装一块小磁铁,便可通过霍尔传感器完成速度数据采集工作。

图2　电力变换主电路

图3　电力变换驱动电路

图4　霍尔传感器模块

2.5最小系统

单片机选择STM8S105C6,性价比高。具有多路PWM输出通道,多个输入捕获通道,每个输入输出引脚皆可设置中断。拥有串口、AD转换等功能,完全满足设计要求。最小系统如图5所示。

2.6测温模块

本文采用的测温模块是DS18B20芯片。DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可,节省引脚,测温范围-55℃～+125℃,固有测温误差1°,符合本次设计的要求,并且具有体积小、硬件开销低、抗干扰能力强、精度高等优点,其实物图如图6所示。

图5　最小系统

图6　DS18B20模块

3软件设计

3.1主程序

主程序主要完成各个模块的配置,液晶屏显示等功能,具体控制在中断程序中,主程序框图如图7所示。

主程序开始,首先是对单片机工作模式的设置,包括GPIO的输入输出方向、方式设定,PWM的频率、定时器初值等,用以完成复杂的工作。配置完成后开启中断,外部按键、液晶屏幕便开始工作。开机默认进入手动模式,手动模式标志置位,外部按键可以通过按键中断的方式对系统模式进行设置,以及采集数据。“需要发送”标志位会在手机端发送相应命令时置位,将采集的数据发送给手机。为了保证液晶屏幕显示的稳定,200ms进行一次刷新。

图7　主程序框图

3.2定时中断程序

定时中断程序主要完成速度闭环控制以及温度采集。具体功能框图如图8所示。

图8　定时中断程序

定时中断程序主要完成速度闭环控制。手动模式下,根据旋转电位器的电压值来改变设定速度,然后进行闭环控制。自动模式下根据测量温度值来控制设定速度。如果单片机正在接收手机端数据,暂时维持速度不变,待下载完成后再开始根据温度控制。温度更新为3s一次。

3.3外部中断程序

本设计采用的外部中断共四个,分别完成屏幕选择,关闭/开启屏幕,一键存储,关闭/开启蓝牙等基本操作,设计合理且易于实现。

3.4串口中断

串口中断主要接收手机端的命令,并根据命令更改标志位,或者根据命令接收温度-速度数据并存储。程序框图如图9所示。

图9　串口中断程序

串口中断需要逐位接收手机端发送的数据。如果正在下载,那么便将下载数据直接存储到指定数组中,直至下载结束,下载标志复位,完成一次下载。其他情况下,单片机默认发送的为控制命令,对命令进行译码。如果是下载数据,进入下载。如果是上传数据,那么上传标志位置位,在主程序下一循环开始上传,上传结束后清除上传标志位。其他开机、关机等辅助功能,只需更改相应标志位即可,没有体现在程序框图中。

3.5手机App功能

手机App主要将温度—速度数据转换为图像,并且可以手动更改图像形状并刷新数据,点击下载按钮后可以将更改后的数据传入单片机。

4结语

智能风扇系统在手动模式下可以进行无极调速,并且将满意的温度速度点进行存储。在手机端可以随意更改调速曲线,满足自己的要求。自动模式下可以根据温度-转速曲线调节转速,并且使用闭环控制策略,增强系统的抗扰性。设计中采用的12V直流电压则大大增加了它的使用场合。可以看出,个性化、节能、方便易用正是本文设计智能风扇系统的目的所在。

参 考 文 献

[1] 李文芳.两相感应电机变频调速系统设计与研究[D].武汉:武汉理工大学,2013.

LI Wenfang. Design and research of variable frequency speed control system of two phase induction motor[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology,2013.

[2] 李娣娜,王洋.一种简易温控智能风扇控制系统的设计[J].现代电子技术,2012,21:119-120.

LI Dina, WANG Yang. Design of a simple intelligent control system for temperature control fan[J]. Modern Electronic Technology,2012,21:119-120.

[3] 韩兴国,苏庆勇,王为庆.基于STC89C52单片机的智能风扇控制系统设计[J].装备制造技术,2013,3:52-54.

HAN Xingguo, SU Qingyong, WANG Weiqing. Design of intelligent fan control system based on STC89C52 MCU[J]. Equipment Manufacturing Technology,2013,3:52-54.

[4] 施君,艾信友,李杨,等.基于单片机温控智能风扇的设计[J].科技创新与应用,2015,10:75.

SHI Jun, AI Xinyou, LI Yang, et al. Design of intelligent temperature control fan based on single chip microcomputer[J]. Science and Technology Innovation and Application,2015,10:75.

[5] 聂军健.一种智能风扇控制技术[J].《IT时代周刊》论文专版(第300期),2014,2:1-2.

NIE Junjian. A smart fan control technology[J]. “IT times weekly” the Special 300th Edition,2014,2:1-2.

[6] 李圣普,王小辉.基于多传感器的智能温控风扇调速控制器设计[J].电子产品世界,2015,4:39-41.

WANG Xiaohui, LI Shengpu. Design of intelligent temperature control fan speed controller based on multi sensors[J]. Electronic Products World,2015,4:39-41.

[7] 王小辉,李玮瑶,李阳,等.一种轻量级智能温控风扇调速控制器的设计[J].信息技术,2015,8:44-46.

WANG Xiaohui, LI Weiyao, LI Yang, et al. A lightweight intelligent temperature control fan speed controller[J]. Information Technology,2015,8:44-46.

[8] 宗子力.基于手机蓝牙控制的智能电风扇[J].电子技术与软件工程,2014,13:163-165.

ZONG Zili. Intelligent electric fan based on Bluetooth control of mobile phone[J]. Electronic Technology and Software Engineering,2014,13:163-165.

[9] 陈富忠,翁桂琴.智能温控调速风扇的设计[J].上海电机学院学报,2009,4:297-300.

CHEN Fuzhong, WENG Guiqin. Design of intelligent temperature control and speed regulating fan[J]. Journal of Shanghai Dian Ji University,2009,4:297-300.

[10] 凌灵,尉宇,王涛,等.智能直流无刷风扇系统温度及湿度模块设计[J].计算机与数字工程,2009,4:155-157.

LING Ling, WEI Yu, WANG Tao, et al. Design of temperature and humidity module of Intelligent DC brushless fan system[J]. Computer and Digital Engineering,2009,4:155-157.

2016年全国软件分析测试与演化学术会议SATE 2016

Annual Conference on Software Analysis, Testing and Evolution

http://software.nju.edu.cn/lse/stae/index.html

全国软件分析测试与演化学术会议(SATE)是由中国计算机学会软件工程专委会、系统软件专委会、信息系统专委会主办的软件分析、测试与演化方面的专业学术年会,为广大软件工程领域学者、专业软件分析测试人员、软件开发实践工作者提供了一个展示研究成果、介绍实践经验、交流学术思想的平台。

第六届全国软件分析测试与演化学术会议(SATE 2016)将作为2016年全国软件与应用学术会议(NASAC 2016)的组成部分,于2016年11有3日到4日在云南昆明举行,会议诚邀全国软件工程及相关领域的学术研究者和产业实践者就软件分析测试与演化相关的研究和实践问题进行广泛的学术交流,内容包括理论研究、经验研究、新技术、案例分析和产业实践等。

SATE 2016接收与软件分析、测试与演化方面研究与实践相关的论文投稿,稿件可以是中文稿件或英文稿件。经会议程序委员会审稿后录用的中文论文将推荐到中文期刊发表;录用的英文稿件将由IEEECPS(Conference Publishing Services)发表,并将推荐优秀论文到国际知名SCI期刊发表。

除论文报告外,SATE 2016还将安排特邀报告、优秀国际会议论文报告、专题论坛等会议内容。

一、征文范围(包括但不限于)

软件分析测试的理论基础 基于互联网的测试

面向软件演化的分析测试大数据应用测试

源代码与目标代码分析技术移动应用测试

静态与动态软件分析软件分析测试工具

软件缺陷定位与修复软件设计质量与重构

测试用例演化代码克隆分析与管理

基于模型和规格的测试软件开发库挖掘

面向特定领域的分析测试软件演化数据分析与可视化

面向新型软件形态的分析测试软件运行时监控与动态演化

软件度量及其应用案例研究与产业实践

二、论文要求

1.论文未在期刊和会议上发表或被录用,并且未处于其他期刊杂志和会议的审稿过程中。

2.中文论文投稿必须附中英文摘要、关键词、资助基金与主要参考文献,注明作者及主要联系人姓名、工作单位、详细通信地址(包括Email地址)与作者简介。稿件要求采用PDF文件格式。论文长度不超过8000字,格式请参照《计算机科学》文章格式:http://www.jsjkx.com。

3.英文论文投稿求采用PDF文件格式,请使用IEEE CPS会议论文模板,论文长度不超过10页(含参考文献和附录)。

4.投稿地址:https://easychair.org/conferences/?conf=sate2016

5.中文录用论文根据质量分别推荐到《计算机科学》、《计算机与数字工程》发表。

6.英文录用论文全部由IEEE CPS(Conference Publishing Services)出版,优秀论文经扩展后推荐到国际期刊《IEEE Transactions on Reliability》、《ScienceChine: Information Science》、《International Journal on Software Engineering and Knowledge Engineering》发表。

三、重要日期

1.征文截止日期:2016年7月7日

2.录用通知发出日期:2016年8月20日

3.正式论文提交截止日期:2016年8月30日

4.会议召开日期:2016年11月3日—4日

Research and Design of Intelligent Fan System Based on STM8

SUN Jiangfeng1WANG Ziyun1,2

(1. Department of Automation Engineering, Jiangnan University, Wuxi214122)(2. Key Laboratory of Advanced Process Control of Light Industry, Ministry of Education, Jiangnan University, Wuxi214122)

AbstractIn order to solve the problem that the temperature change is greater and the speed of the fan can not be adjusted during the night, a type of intelligent fan system is designed in this paper. The system uses STM8 micro-controller core and uses Hall sensor as the speed sensor feed back speed information, then adopts PID closed-loopcontrol motor speedto improve thesystemimmunity. The DS18B20 is regarded as a temperature sensor to collect temperature to be an important basis for decision-making speed. The mobile terminal app is used to adjust the temperature-speed curveto meet individual needs. In addition, the users can gather the satisfaction with the temperature and speed points at the manual, and also makes the system more convenient to use.

Key WordsSTM8, intelligent fan system, temperature detection, App adjustment

收稿日期:2015年12月16日,修回日期:2016年1月25日

基金项目:江南大学自主科研基金(编号:JUSRP115A30);江苏高校品牌专业建设工程项目(编号:PPZY2015A036)资助。

作者简介:孙江锋,男,研究方向:复杂系统设计、智能控制。王子赟,男,博士,讲师,研究方向:传感器技术、电力变换技术。

中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.06.042