基于STM32 单片机的教室智能风扇控制系统的设计

刘艳峰

（甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室酒泉职业技术学院，甘肃酒泉，735000）

0 引言

智能家电是指将计算机及相关技术运用到家用电器中，使其在一定程度上实现自动控制、数据采集等功能，从而达到节能环保的目的。目前我国正在加快推进“互联网+”战略和信息化建设步伐，为推动智能家居行业发展提供了良好契机，同时也带来了巨大挑战[1]。

传统的电风扇大都是手动换挡或者开关，随着我国经济社会发展水平不断提高，人们对生活质量有了更多追求，对舒适度要求不断提高和节能环保理念越来越深入人心，因此传统手动挡位式风扇已经不能满足现代消费者需求。为了提高电风扇的工作效率以及减少维护成本，我们应该对这些问题进行分析并加以解决。综上所述，设计了一种基于STM32 单片机的教室智能风扇控制系统。首先介绍了系统总体结构及主要功能，然后详细阐述了系统硬件电路和软件设计原理，重点讨论了该系统中各个模块的选取原则，最后详细论述了系统的软硬件实现方案以及控制方法[2]。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件总体设计

教室智能风扇控制系统包括主控制器模块、传感器模块和电机模块[3]。整个系统采用模块化结构，由若干功能模块组成，各功能部分均独立完成各自所需的任务。在设计中，以STM32 单片机为核心控制单元，利用单片机的可编程性和嵌入式系统特点，将单片机与传统的传感器及控制软件相结合，实现了对智能风扇电机进行智能化管理。通过传感器采集的数据（温度信号和人体检测信号），再利用单片机处理后输出控制信号给电机驱动模块进行相关操作；当电机工作时，主控制器模块根据传感器信息计算出相应转速，并将转速反馈到主控板上。传感器模块还可以实时监测室内温度，从而可自动调节风扇运转状态，使风扇运行更平稳、更加舒适。同时还增加红外遥控模块，使用户可以手动开关风扇。该系统设计简单实用，具有良好的稳定性、安全性和很高的实用性，能够实现对风扇进行自动控制，可广泛地用于教室内的风扇节能控制中。系统硬件设计框图如图1 所示。

图1 系统硬件框图

1.2 主控制器模块

教室智能风扇控制系统是一种集智能感应、温度控制、风速调节为一体的系统，它的主控制器采用STM32 单片机，STM32F103R8T6 单片机是一款高性能、低成本的32位微控制器，具有高可靠性和功耗低的优势[4]。具有集成的ADC，可以实现模拟量的采集；具有超高的内存容量，外挂的Flash 可以达到128K；还具有高速的处理能力，最高处理速度可达到72M/s。此外，单片机还支持多种输入输出模式，可以灵活控制多种外设，从而实现多种功能。最小系统电路图如图2 所示。

图2 单片机最小电路图

1.3 温度采集模块

温度采集模块采用DS18B20 温度传感器[5]。DS18B20温度传感器是一种常用的温度测量传感器，具有单总线操作、高精度、低功耗、体积小、重量轻、使用简便等特点。采用高精度温度传感元件与精密控温电路相结合，使其具有很高的精确度和可靠性，在测温精度方面远远优于目前国内外使用的各种传感器。通过对温度信号进行采样并经过A/D转换后送入单片机处理。它的工作电压范围可以是3.5～5V，采样精度可以达到±0.5℃，可以有效抑制外部环境对温度测量的干扰，并且可以在-55℃~125℃的范围内检测温度。电路原理图如图3 所示。

图3 温度传感器电路图

1.4 人体红外感应模块

人体检测采用HC-SR501 人体红外感应模块，其采用PIR（热释电）技术，能够监测到人体的热释电波，实现智能感应控制[6]。 它具有较高的灵敏度，可以响应7 米以内的人体活动，而且功耗低，静态电流小于50μA，能够非常精准地监测到人体移动。 此外，它还可以根据实际应用场合来调节检测时间，可以有效避免误触发，提高模块的可靠性。HC-SR501 芯片还具有温度补偿功能，可以根据环境温度变化而自动调节，以确保模块稳定可靠地工作。它具有体积小、结构简单、价格低廉的特点，是智能家居、安防系统等多种场合的理想选择。电路原理图如图4 所示。

图4 人体红外感应电路图

1.5 电机驱动模块

电机控制模块由直流电机和电机驱动电路构成[7]。 电机的控制是通过脉宽调制信号（PWM）来实现的，单片机通过改变PWM 信号的占空比来控制电机的转速和方向。单片机根据电机工作时所需电压大小以及电源频率变化而自动调节PWM 输出脉冲宽度及幅值。PWM 信号的占空比可以由用户设定，从而实现精确控制电机的旋转速度和方向。驱动模块使用L9110S 电机驱动，L9110S 电机驱动模块是一款采用小型双路H 桥驱动，节省PCB 空间的电机驱动模块，可以控制电机的正反转及速度，可接入外部PWM 信号控制，也可以采用模拟信号控制，适用于微型直流电机的控制，支持多种电压范围，支持2.5 ～12V 范围的电压，可应用于多种智能机器人，智能小车，智能无人机等，具有低成本，使用方便等优点，是智能装置的不错选择。

电机驱动电路图如图5 所示。

图5 电机驱动电路图

1.6 红外遥控模块

红外遥控技术具有体积小，功耗低，抗干扰能力强，操作方便以及可实现远程遥控等优点，目前在国外应用广泛[8]。红外遥控模块可以实现远程控制风扇，它可以通过红外信号控制智能风扇的开启、关闭、调节风速等功能。红外遥控系统的工作原理：在一个固定距离内发射红外光线后，接收来自接收器的探测信息进行处理，然后将所获得的数据传给处理器。处理器根据接收到的信号判断是否需要进一步操作。

该模块使用HS0038 红外接收头接收信息，HS0038 红外接收头是一种接收红外光信号的小型电子元件，它可以接收红外辐射，然后将它转换为电信号，供电子设备使用。它可以用于控制遥控器、遥控玩具等设备。HS0038 红外接收头具有较低的功耗、低延迟、可靠的连接性能等特点，可以满足不同的应用需求。红外遥控电路图如图6 所示。

图6 红外遥控电路图

1.7 显示模块

显示模块主要用来显示教室实时温度和风扇相关的参数。采用LCD1602 液晶显示屏。LCD1602 液晶显示模块是一种常用的高性价比的显示器，它能够显示字母和数字等信息，可以适应不同的电路控制，是电子行业中广泛应用的一种显示器件。它的原理是利用液晶显示技术，通过控制驱动电路，将数字和字母等信息进行显示，从而实现显示效果。 LCD1602 液晶显示模块主要由液晶显示屏和控制电路组成，液晶显示屏采用多行多列的矩阵显示，可以清晰显示多种字母和数字信息；控制电路是核心，它可以控制显示屏的显示内容，并负责液晶显示屏的点阵驱动。显示模块电路图如图7 所示。

图7 显示模块电路图

1.8 按键模块

按键模块的主要功能是用来设置温度的上下限。按键电路的原理是当按键被按下时，它就会将外部电源的电压信号输入到单片机端口，单片机端口检测到电压信号发生变化，从而实现按键的功能。按键设置电路有3 个按键，分别为K1 键、K2 键、K3 键，其中K1 和K2 键可根据需要选择加一或减一，K3 键为温度设置键。在实际应用中，我们可根据需要对这三个按键进行调节来达到设定温度的目的。当按键设定好温度后，单片机会根据设定的温度输出相应的量，并显示在液晶屏上。当温度达到设定值以后，单片机根据所测量出的数据进行运算并发出控制命令，控制风扇的开关。按键控制是一种简单方便、操作灵活且无需专门维护的电子控制技术。它具有体积小、功耗低、可靠性高、便于集成等优点。按键模块电路图如图8 所示。

图8 按键模块电路图

2 系统软件设计

软件程序采用模块化设计思想，并通过串口通信技术将各功能模块连接起来进行工作，利用C 语言编程完成了整个软件系统的编写[9]。教室智能风扇控制系统软件部分的主要功能是实现自动控制风扇的运行，根据教室的温度变化，可以自动调节风扇的速度。此外，还可以实现对风扇的运行状态的实时监控，提供及时的报警和故障提示。另外，还可以通过设置温度阈值来实现自动开关风扇的功能，以实现节能效果。同时也可以通过红外遥控模块手动操作对风扇进行控制。

首先，系统上电初始化，用户根据实际需要设置教室温度阈值，系统开始采集教室环境温度，通过温度传感器DS18B20 检测环境温度，并可在显示屏上实时显示当前温度情况，经处理后送入单片机进行比较判断，当环境温度高于设定值时驱动风扇工作；而当温度低于设定值时关闭风扇工作，使室内保持在适当温度范围内，以达到节约能源和提高教学效率的目的。通过人体红外感应模块检测是否有人，来控制风扇的开关。在人体进入一定范围内（即有红外线发射源），红外感应模块将信号传递给控制器，控制器根据该信号强度，自动开启或关闭相应的风扇；当人体离开一定距离时（如无红外线发射源，则不启动风扇），红外感应装置不再输出信号，从而达到安全保护目的。由于人体具有很强的隐蔽性，该模块可以准确地检测到人在什么时候进入了教室或者是离开了教室。整个过程中，控制器对各个传感器所获取的信息都能准确地识别出来，从而实现了智能监控功能，实现了自动控制，且具有很好的节能效果。主程序流程图如图9 所示。

图9 主程序流程图

3 实验测试与分析

实验测试条件如下：测试环境温度为33℃，且环境中始终有人，风扇控制系统上电后，通过按键模块设定预期温度为25℃，通过温度检测模块检测环境温度，单片机对温度信号进行处理，并发出控制信号，控制风扇工作，在640s 的时候，测试环境的温度趋于稳定，达到系统初始设定的温度值25℃。温度控制曲线图如图10 所示。

图10 温度控制曲线图（设定温度为25℃）

当环境温度高于设定的温度值，并且系统检测到有人时，风扇开始转动，并且根据实时温度的不同区间，风扇转速的挡位也不同，风扇转速的挡位分为0、1、2、3 四个挡位。实验现象如表1 所示。

表1 测试环境温度对风扇状态的影响

4 结束语

本文提出了一种基于STM32 单片机的教室智能风扇控制系统。该系统既可以根据教室温度实时调节风扇转速，也可以根据是否有人控制风扇开关，实现节能效果，提升学习环境，可以更加便捷和高效地满足教室的风扇需求。此外，系统还可以进行温度数据的采集和存储，方便对环境数据进行分析，做出合理的调控策略，使教室得到更加舒适的环境。

实验结果表明：（1）当教室一直处于有人状态时，系统预设目标温度，通过控制风扇的开启和关闭，可以使教室保持恒定的温度；（2）系统根据教室环境实时温度和检测风扇周围是否有人来精准控制风扇的启停，一定程度上避免了电能的浪费。（3）通过红外遥控可以任意控制风扇的启停。