基于STM32单片机的智能电风扇设计研究

基于STM32单片机的智能电风扇设计研究

王琳,杨伟业,张从武,丁龙龙

珠海格力新材料有限公司  广东 珠海 519000

摘要：电子处理器具有功耗低、体积小、处理速率高等性能优势，通过将电子处理器、各类传感器与家用电器融合应用，能够帮助电器在不经过人为干预的情况下为用户提供更舒适的服务。本文以STM32单片机为核心提出了一种智能电风扇的设计方法，借助STM32实现对各传感器、显示屏等模块的精准控制；该智能电风扇搭载了红外感应与温度检测模块，能够实现对人体位置与温度的有效追踪，液晶显示模块则能够为用户提供良好的人机交互界面，电机控制模块能够实现对风扇转速与角度的精准调节，多样化的功能模块有效满足了用户的多样化需求，对相关生产单位具有参考价值。

关键词：STM32单片机；风扇；智能设计

引言

家用电风扇的功能性相对单一，机械控制的模式使其在定时时限、摇头模式等方面存在较多限制，运行过程中还存在风速档位调节幅度大、噪音高等问题，本文结合传统家用电风扇存在的众多问题，提出了基于STM32单片机设计一款低功耗、高性能的智能电风扇设计思路，该电风扇实现了对无级调速、人体红外干预、温度传感、微机控制、液晶显示等各类技术手段的融合应用，能够在红外感应的基础上结合用户与电风扇之间的位置变化情况对风扇的朝向进行自动调整，能够结合环境温度对风扇转速进行适当优化，同时也可以在液晶界面中为用户提供风扇启停间歇时间的自由配置，能够有效满足用户对电风扇功能的多样化需求，为用户提供优质的电风扇服务体验。

1.基于单片机控制的智能家用电风扇的研究意义分析

智能家居相关技术手段是现代社会相关生产企业或研究单位所研究和应用的重点技术，技术发展为人们带来了更优质的物质生活水平，人们对于家居用品安全性、便利性、舒适性的要求也随之提升，基于电子控制芯片进行智能化控制的晾衣架、监控系统、空调、电视等产品在社会中得到广泛的推广应用，物联网技术的发展实现了家用电器与网络的有效连接，增强家用电器智能化水平的同时为用户带来更优质的体验。在实际应用过程中，用户可以异地借助互联网实现对家用电器的自动控制，满足用户对家内情况的掌握需求，也可以通过互联网实现对家用电器功能效果的进一步增强[1]。由此可见，基于电子芯片控制的智能电器改变了人们的生活，符合人们对家用电器的需求，具有较高的市场价值。

单片机具有价格低廉、功耗低微、尺寸微小等特点，在工业、军事乃至家电领域中均发挥重要作用。家用电器生产单位可以在单片机的帮助下使得简单的硬件控制电路转化为能够软件程序融合应用的数字电路，能够搭载众多智能化的控制算法实现对电器的可靠控制。家用电风扇具有多样化的种类，虽然空调的应用满足了用户在炎炎夏季的降温需求，但电风扇仪器价格低、使用方便、节能等特性在市场中依然具有较大的需求，当前市场中的电风扇大多是功能简单的纯硬件控制电器，虽然具备一定的降温效果，但在实际操作过程中依然难以满足用户的需求，存在功能单一、体验不佳等问题。为此，相关电器生产单位有必要针对现有的电风扇进行优化改进，利用价格、能耗与功能适宜的STM32单片机设计改善用户体验的智能电风扇。

2.基于STM32单片机控制的智能家用电风扇总体设计

在设计过程中，本文选择基于模块化的设计方式完成智能电风扇的设计功能，以STM32单片机为核心搭载各功能模块，相关设计框图详见图1。如图1所示，该智能大幅度具有供电单元、红外检测单元、温度检测单元、按键单元、显示单元、直流电机驱动单元、步进电机驱动单元等众多模块[2]。其中，电机驱动单元（步进、直流）能够通过控制电机实现对电风扇转速与朝向的调整；温度检测单元能够实现对环境温度的感知，为电机发出转速控制信号；红外传感器则能够实现对人员位置的感知，以此来为电机发出朝向控制信号，供电单元满足电风扇各模块的用电需求，按键与显示单元则用于提供人机交互界面，满足用户对电风扇配置的自由调整需求。

图1 控制系统总体框图

3.基于STM32单片机控制的智能家用电风扇硬件设计

3.1控制芯片

智能电风扇所应用的控制芯片为STM32单片机，该芯片具有较高的集成度，尺寸小、安全可靠、性能高、成本低且能耗较少，符合家用电风扇的市场定位。同时，应用单线调试技术STM32单片机为调试工作提供了便利，避免产生较多不必要的调试工具费用支出，而且其自带的存储控制器能够在MCU外部实现与Flash的连接，为智能电风扇的设计应用提供了便利[3]。

3.2电机控制模块

电风扇的朝向与扇叶转速控制是智能电风扇设计过程中需要重点关注的内容，也是智能电风扇的关键功能模块，该智能电风扇主要借助步进电机驱动单元与直流电机驱动单元实现对电风扇转速与朝向的精准控制。其中，直流电机驱动单元采取脉宽调制的方式对电机转速进行控制，脉宽的占空比数值调节需要基于按键设定值或温度传感器对环境温度的感应数值来实现；步进电机驱动单元基于线位移、角位移开环控制模式对电机进行控制，实际运行过程中需要结合人体红外感应模块提供的用户位置信号实现对电机转动步数与方向的调整， 以此来满足智能电费单的朝向调整需求。

3.3环境温度感应模块

为满足环境温度检测需求，智能电风扇所应用DS18B20传感器进行温度检测，该传感器为数字式集成传感器，测量电路详见图2，较高的集成度使得该传感器无需外接其他元器件，能够有效规避外接元件所产生的信号放大误差，能够满足电风扇对环境检测温度的精度需求。同时，该传感器能够以数字量的形式将所检测的温度直接输出，降低了电风扇程序的设计难度，在抗干扰方面也借助单总线技术实现了优化改进。因此，本设计所应用的DS18B20传感器在分辨率、精度、传输距离、测量转换时间等各方面功能均符合智能电风扇设计需求[4]。

图2 温度传感器测量电路

3.4 人体红外感应模块

本设计应用HC-SR501红外线传感元件对人体位置进行检查，该模块的工作原理为热释电效应，能够基于温度变化使电荷形成于晶体表面，在人体位置监测过程中具有较大的监控范围和较强的抗干扰能力，能够精准实现外物与人体之间差异性的识别。同时，内部集成配置的光敏电阻满足了该模块在夜间的工作需求。在实际配置应用过程中，模块在检测到来人的过程中设定输出高电平，反之为低电平，由此满足人来人去时的电风扇启停控制需求，具体延时时限可以结合用户需求自由配置。

3.5 液晶显示模块

为满足人机交互需求，智能电风扇应用了液晶显示模块，液晶显示屏型号为3.2寸TFT，能够显示睡眠、自动、手动等不同状态模块，睡眠模式能够对定时时限进行调整，手动模式能够对风扇档位进行调整，显示屏中还能够对温度、时间等进行实时显示。

4.基于STM32单片机控制的智能家用电风扇软件设计

为满足智能电风扇的控制需求，本设计采用C语言完成了软件编程工作，主程序工作流程详见图3，主要包括初始化、打开显示、结合红外感应、温度控制风扇、时间显示与更新、睡眠模式设定等。

控制系统软件使用C语言编程。模块化设计，除主程序外，还有各功能子程序，分别执行按键处理、直流电机驱动调速及步进电机的定位、温度、时间、功能等信息显示、睡眠模式设定等相应功能。系统软件主程序流程如图3所示，按键中断程序如图4所示。

图3 系统软件主程序流程图

按键中断程序详见图4，主要包括睡眠、手动与自动三种运行模式。其中，在自动模式之中，智能电风扇将所面对的180°空间等量划分为三个区域进行红外感应，当人员进入感应区域范围内时，风扇将开始运行。如果仅一个区域感应到人员，智能电风扇将自身调整为单人模式，始终将风扇对准人员所在区域进行实时追踪；如果多个区域感应到人员，智能电风扇将自身调整为多人模式，能够在不同区域之间进行朝向自动调整。在手动模式之中，电风扇设有增速与减速按键，能够结合用户需求实现对七个不同挡级风速的调整。在睡眠模式之中，电风扇设有工作与睡眠按键，用户可以结合需求设定电风扇的工作与睡眠时间。

图4 按键中断程序流程图

5.实物调试

本文选择以STM32单片为核心设计了一款智能电风扇，基于硬件电路完成了电路板的印制与相关模块与芯片的搭载连接工作，并将所编制的程序下载至芯片之中，完成电风扇的制作。在测试过程中发现，电风扇能够在人员接近的情况下自动开始工作，也能够在人员远离的情况下自动停止。工作人员利用冰块、热水袋调整电风扇所感应到的环境温度，电风扇能够结合温度变化情况对转速进行自动调整。在手动模式之中，用户通过调速按键能够实现对电风扇转速增加或降低的控制需求；在自动模式之中，电风扇能够结合人员位置情况自动调整朝向；在睡眠模式之中，电风扇所设定的睡眠与工作时间与实际动作时间相一致。电风扇显示屏中所显示的温度、时间等也较为精准且变化灵敏，最终得到的产品符合预期。

6.结语

综上所述，基于STM32单片机设计的智能电风扇具有较高的性价比，通过红外感应模块能够有效定位用户位置，并结合程序中三个等分区域的设定，实现对单人位置的追踪控制与多人位置的摇摆控制，能够在人员远离自动关闭的模式以及结合环境温度自动调整转速的模式实现了电风扇节能效果的进一步增强。此外，智能电风扇搭载的睡眠模式与手动模式也满足了不同用户群体的多样化需求，产品的整体性能符合市场需求。

参考文献：

[1]沈钰,孟樱,王睿晗,朋琦,陈迪,欣龙,邱意敏.基于模糊控制的智能电风扇的设计[J].湘南学院学报,2022,43(02):104-111.

[1]王鹏亮,安国昊,夏永祥.智能加湿、摆头的台式电风扇电路设计[J].南方农机,2021,52(21):133-135.

[1]王鹏亮,安国昊,夏永祥.基于Arduino智能控制电风扇的研发与设计[J].信息记录材料,2020,21(09):116-117.

[1]朱丽华,程芳,邹汪平,吴志光.基于三自由度运动平台的智能电风扇设计与应用[J].黄河科技学院学报,2019,21(02):29-33.