【基于單片機的智能風(fēng)扇設(shè)計10000字（論文）】

基于單片機的智能風(fēng)扇設(shè)計與實現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\u第1章緒論 11.1課題研究的背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3課題的章節(jié)安排 3第2章系統(tǒng)整體設(shè)計方案及選型 42.1系統(tǒng)整體設(shè)計方案 42.2系統(tǒng)各模塊選型 5第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計 83.1STM32主控模塊 83.2紅外感應(yīng)模塊 93.3溫濕度檢測模塊 103.4電機驅(qū)動模塊 103.5OLED顯示模塊 113.6WIFI模塊 11第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計 134.1系統(tǒng)總體流程圖 134.2WIFI模塊程序設(shè)計 144.3溫濕度檢測模塊程序設(shè)計 154.4紅外感應(yīng)模塊與舵機程序設(shè)計 154.5顯示模塊子程序設(shè)計 164.6平臺端數(shù)據(jù)處理 16第5章系統(tǒng)調(diào)試 185.1硬件調(diào)試 185.2軟件調(diào)試 185.3功能驗證 19第6章總結(jié) 21參考文獻 23致謝 24附錄一：原理圖 25附錄二：PCB圖 26摘要伴隨著科技的不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求也在不斷提高。傳統(tǒng)風(fēng)扇功能單一，使用不夠方便。基于此，本文提出一款基于單片機的智能風(fēng)扇的設(shè)計，該系統(tǒng)采用STM32單片機為控制核心，具有紅外感應(yīng)模塊、溫濕度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊與WIFI等模塊。本設(shè)計利用紅外熱釋電傳感器感應(yīng)用戶的位置，溫濕度傳感器檢測環(huán)境溫度，以WIFI模塊作為主控制器與通信模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，建立了單片機與手機的通信。該系統(tǒng)具有人工控制與智能控制兩種控制模式，在智能控制模式下，風(fēng)扇會根據(jù)檢測到的環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使環(huán)境溫度保持在人體舒適的范圍內(nèi)，并且風(fēng)扇會根據(jù)用戶的位置實現(xiàn)風(fēng)扇轉(zhuǎn)向的自動跟蹤。在人工控制模式下，用戶可通過按鍵、手機app控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。此外風(fēng)扇還可以預(yù)設(shè)溫度，高于預(yù)設(shè)溫度風(fēng)扇會自動開啟，低于預(yù)設(shè)溫度風(fēng)扇會自動關(guān)閉。關(guān)鍵詞：智能風(fēng)扇；STM32微控制器；紅外感應(yīng)；溫濕度檢測；WIFI 第1章緒論1.1課題研究的背景及意義近些年智能家居逐步走進人們的生活[1]，人們對于家居的要求已經(jīng)不局限于傳統(tǒng)的常見功能。人們可以看到越來越多的簡便操作的家居[2]，可以說智能家居是一種社會所推動的發(fā)展趨勢。在智能家居中風(fēng)扇越來越受人們歡迎，風(fēng)扇會在炎熱的夏天為用戶降溫解暑，如果人們處在自己所認為舒服的溫度下工作、娛樂與休息，人們的工作效率、學(xué)習(xí)效率、睡眠質(zhì)量都可以得到保證，有助于人們的身心健康。風(fēng)扇體積小，價格低，能耗低，對環(huán)境與空氣無污染并且所適用的場合與地點不受限制，在小城鎮(zhèn)與農(nóng)村居多的國內(nèi)大部分地區(qū)，風(fēng)扇在人們的日常生活中使用的更為普遍。在智能家居已經(jīng)逐漸成為一種趨勢的當(dāng)今時代[3]，用戶對風(fēng)扇的要求也在與日俱增，傳統(tǒng)風(fēng)扇已經(jīng)無法滿足用戶對生活智能化、便捷化的要求。傳統(tǒng)風(fēng)扇具有的功能單一，一般只有通過手動調(diào)節(jié)機械檔位來調(diào)速，不能根據(jù)環(huán)境溫度的變化自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)向功能有很大的局限性，不能跟隨用戶位置的移動而自動跟蹤轉(zhuǎn)向，在用戶離開時風(fēng)扇不會自動關(guān)閉造成資源浪費。一般的風(fēng)扇都不能通過手機遠程控制，需要人工調(diào)速。風(fēng)扇在人們的日常生活使用普遍，所以用戶需要一款智能風(fēng)扇為生活帶來更好的體驗。智能風(fēng)扇操作簡單，智能功能多，會讓我們的生活變得輕松。綜上所述，設(shè)計一款智能風(fēng)扇可以為人們的日常生活帶來更多的便捷，也在社會發(fā)展與生產(chǎn)中起到很大的作用，具有重要意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能家居的概念由美國的EmilMathias在1950年提出，利用電子器件改進家庭電氣，雖然不甚理想但是推動了智能家居理念在美國的興起。伴隨著科技發(fā)展的延伸，美國越來越多的廠家都加大了對智能家居的投入，其在智能家居領(lǐng)域的發(fā)展水平處在世界領(lǐng)先地位。德國，日本，韓國等國家在近些年也十分注重智能家居的發(fā)展，為推動智能家居市場發(fā)展起到了推動作用。中國在智能家居領(lǐng)域的起步較晚，相對落后。但是隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國智能家居領(lǐng)域在世界上就有了很重要的地位。目前國家智能家居公司數(shù)不勝數(shù)，各地政府都推行各項政策，鼓勵該領(lǐng)域提高研究水平，我國智能家居產(chǎn)品的推出此起彼伏[4]。風(fēng)扇也是智能家居的一種，風(fēng)扇的發(fā)展有著很長的歷史,它可以在炎熱的夏天為我們降溫解暑，所以電風(fēng)扇幾乎是每家每戶都會用到的電器。近些年，空調(diào)優(yōu)秀的制冷效果越來越被人們喜愛，電風(fēng)扇的市場開始逐漸衰退起來。但相比于那些智能家電，風(fēng)扇也同樣可以在炎炎夏日為人們帶來涼爽，風(fēng)扇不污染環(huán)境，能耗低，適用的場合不受限制，使用起來非常方便，隨著社會的發(fā)展，電風(fēng)扇也在不斷發(fā)展。中國的第一臺風(fēng)扇是1916年生產(chǎn)的，它是老式家電，對于空調(diào)產(chǎn)品的一些沖擊，電風(fēng)扇被認為是時代尾巴的產(chǎn)品。電風(fēng)扇的特點是價格比較低，安裝容易。它是一種成熟的家庭電器成員，而智能風(fēng)扇目前已經(jīng)進入普通群眾家中。以后的研究會更加人性化，個性化，滿足不同需求。目前智能風(fēng)扇系統(tǒng)引起許多學(xué)者對其進行研究，梁娟提出了十分小巧的智能溫控風(fēng)扇[5]。該系統(tǒng)以AT89C51為主控模塊，通過DS18B20為溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，利用紅外傳感器檢測使用者的位置，實現(xiàn)了系統(tǒng)自動檢測位置和風(fēng)扇自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。劉晶與等人設(shè)計了基于單片機的智能溫控風(fēng)扇[6]。該系統(tǒng)以AT89C51單片機作為主控模塊，通過DS18B20溫度傳感器感知溫變，實現(xiàn)感溫調(diào)節(jié)。這款智能溫控風(fēng)扇在傳統(tǒng)風(fēng)扇的基礎(chǔ)上添加了智能功能，但是智能功能單一不夠多元化。李曉赫等人設(shè)計的單片機控制的智能風(fēng)扇系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)以STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控模塊，結(jié)合紅外傳感器，DS18B20溫度傳感器，使風(fēng)扇能夠檢測環(huán)境溫度的高低自動調(diào)節(jié)風(fēng)速，并可以通過感應(yīng)人體信號控制風(fēng)扇的啟動與停止。這款智能風(fēng)扇相比于傳統(tǒng)風(fēng)扇已經(jīng)有了很大的進步，但是在功能上還是無法實現(xiàn)風(fēng)扇跟隨用戶位置的改變而自動改變轉(zhuǎn)向。劉國權(quán)等人設(shè)計了用APP控制的智能溫控風(fēng)扇系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)以AT89C52為核心，通過藍牙實現(xiàn)對APP的控制，實現(xiàn)了通過手機APP控制風(fēng)扇。戴南疆等人設(shè)計十分新穎的智能跟蹤風(fēng)扇[9]，該系統(tǒng)利用STC89C52單片機作為主控模塊，通過熱釋紅外傳感器、溫度傳感器并結(jié)合超聲波探頭進行實時檢測與調(diào)控。這款智能風(fēng)扇用兩個熱釋電傳感器判斷用戶的位置信息，通過傳感器實現(xiàn)風(fēng)扇對人的自動追蹤功能，當(dāng)用戶的位置發(fā)生變化時，風(fēng)扇會在轉(zhuǎn)臺上自動跟隨用戶的位置變化而自動改變轉(zhuǎn)向，并且這款智能風(fēng)扇還具有驅(qū)蚊功能。戴南疆所設(shè)計的智能跟蹤風(fēng)扇系統(tǒng)已經(jīng)在功能上已經(jīng)實現(xiàn)了智能化，但是還無法實現(xiàn)通過手機遠程控制風(fēng)扇。厲俊設(shè)計了基于單片機的智能風(fēng)扇[10]，該系統(tǒng)采用AT89C52作為核心實現(xiàn)了溫控功能。胡慧之設(shè)計了基于單片機的智能風(fēng)扇[11]。該系統(tǒng)是以STM32F407為主控模塊，該系統(tǒng)由溫度檢測模塊、感應(yīng)模塊、藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K組成。這款智能風(fēng)扇有兩個控制模式，在智能模式下，風(fēng)扇會根據(jù)周圍環(huán)境的溫度自動調(diào)節(jié)風(fēng)速。在人工模式下，用戶可利用觸摸屏與手機APP人為控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動速度。這個系統(tǒng)也同樣具備人體感應(yīng)功能，通過紅外熱釋電傳感器感應(yīng)人是否在風(fēng)扇的工作范圍之內(nèi)，如果人在范圍內(nèi)的話風(fēng)扇正常工作，當(dāng)人離開時，風(fēng)扇會隨即關(guān)閉。胡慧之所設(shè)計的這款智能風(fēng)扇在功能上更加的智能化，雖然沒有自動跟蹤功能，但是已經(jīng)可以實現(xiàn)利用無線通信控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。市場上的智能風(fēng)扇有些通過所采集到的環(huán)境溫度采用PWM的模式自動調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動速度[12]。有的風(fēng)扇通過WIFI模塊作用于通信模塊OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺[13]，實現(xiàn)用手機APP對風(fēng)扇的遠程控制[14]。綜上所述，當(dāng)前大部分智能風(fēng)扇功能都相對單一，不夠多元化?；诖耍菊n題以STM32單片機為主控模塊,研究并設(shè)計一款功能全面的智能風(fēng)扇。1.3課題的章節(jié)安排第一章主要的主要內(nèi)容有研究智能風(fēng)扇系統(tǒng)的背景及意義。第二章介紹了我們對于于智能風(fēng)扇系統(tǒng)的思路，與智能風(fēng)扇系統(tǒng)各模塊選型。第三章介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計與各模塊與單片機之間的聯(lián)系。第四章介紹系統(tǒng)的軟件的設(shè)計。第五章介紹了系統(tǒng)的硬件的調(diào)試、軟件的相關(guān)調(diào)試與智能風(fēng)扇的功能驗證。

第2章系統(tǒng)整體設(shè)計方案及選型2.1系統(tǒng)整體設(shè)計方案本智能風(fēng)扇系統(tǒng)基于單片機為主控模塊，利用溫濕度傳感器來收集環(huán)境溫度與濕度，紅外熱釋電傳感器感應(yīng)用戶位置，轉(zhuǎn)向控制采用了數(shù)字舵機，風(fēng)扇與舵機都是利用PWM進行調(diào)速與轉(zhuǎn)向，利用驅(qū)動模塊實現(xiàn)風(fēng)扇和舵機的驅(qū)動。通過所采集到的環(huán)境溫度采用PWM的模式自動調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動速度。通過WIFI模塊作用于通信模塊OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)用手機APP對風(fēng)扇的遠程控制。最終目標(biāo)：（1）利用溫度傳感器實現(xiàn)環(huán)境溫度的檢測以及紅外熱釋電傳感器對周圍人體進行檢測；（2）對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速在一定條件下自動調(diào)整，檢測用戶位置實現(xiàn)風(fēng)扇自動控制轉(zhuǎn)向；（3）建立手機APP與單片機的之間通信，實現(xiàn)對風(fēng)扇的遠程控制以及顯示本地系統(tǒng)的參數(shù)。本系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)框圖紅外感應(yīng)模塊中的兩個熱釋電傳感器來感應(yīng)用戶所在的位置方向，本系統(tǒng)的熱釋電傳感器位置處在風(fēng)扇左右兩側(cè)45°的位置，如果在熱釋電所覆蓋的區(qū)域內(nèi)感應(yīng)到了用戶的活動，風(fēng)扇會立即自動啟動。實現(xiàn)了用熱釋電傳感器成功的完成了自動感應(yīng)功能。當(dāng)用戶的位置左移或者右移，處在舵機上的風(fēng)扇會自動地跟著用戶的位置的變化而轉(zhuǎn)向，這樣人們在日常生活中不用頻繁地挪動風(fēng)扇的位置來獲取涼爽的風(fēng)，風(fēng)扇會自動地跟隨著人們移動，當(dāng)人們在無意中走出了熱釋電傳感器所覆蓋的范圍，風(fēng)扇會立即停止轉(zhuǎn)動，充分的利用了資源，不造成資源浪費，起到了節(jié)能的作用。溫濕度檢測模塊中的溫濕度傳感器采集收納用戶附近的環(huán)境溫度，通過所采集到的環(huán)境溫度采用PWM的模式自動調(diào)整風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動速度。WIFI模塊是主控模塊與通信模塊數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。系統(tǒng)相關(guān)信息通過顯示模塊進行數(shù)據(jù)的顯示。2.2系統(tǒng)各模塊選型2.2.1主控模塊選型方案一：采用51單片機作為“智能風(fēng)扇”課題的主控制器。方案二：采用STM32F103微控制器對本次“智能風(fēng)扇”系統(tǒng)的主控制器。方案一的51單片機是一款8位微控制器，51單片機擁有32個通用I/O口，以及8個功能口。但是單片機的處理速度相對較慢，且內(nèi)部沒有集成AD轉(zhuǎn)換、EEPROM存儲等功能，需要進行外部擴展，這會對系統(tǒng)造成一定影響，同時51單片機無法對過壓過流等問題做出保護，容易燒壞芯片。方案二的STM32F103微控制器是意法半導(dǎo)體出品，該系列微控制器價格便宜、性能高、功耗低，它的內(nèi)核為ARM系列的Cortex-M3，內(nèi)部集成了12個AD轉(zhuǎn)換模塊，而且芯片最高工作頻率可以達到72MHz。例如本系統(tǒng)使用的STM32F103微控制器支持多路通用定時器、多路串口通信接口以及內(nèi)部集成的512KB大小的Flash存儲器，并且支持在線調(diào)試。綜上，在考慮性價比和功能需求的情況下，本課題采用STM32F103微控制器作為本次“智能風(fēng)扇”課題主控芯片。2.2.2顯示模塊選型方案一：采用LCD1602液晶顯示模塊對相關(guān)數(shù)據(jù)進行顯示。方案二：采用OLED液晶顯示模塊[15]對相關(guān)數(shù)據(jù)的進行顯示。方案一中LCD1602液晶顯示模塊是一款可調(diào)背光字符式顯示模塊，最多可以顯示顯示32個字符，通過控制顯示屏各像素點電壓的大小并利用液晶的物理特性顯示數(shù)字、字母及一些符號，但是該模塊無法顯示漢字，此外，該模塊有16個引腳，體積大。方案二中OLED液晶顯示模塊中的顯示單元由若干有機電激發(fā)光二極管構(gòu)成，該模塊顯示時不需要背光源，其發(fā)光機制是電荷通過有機電激發(fā)光二極管時，材料自身利用其特性物理特性發(fā)光。OLED模塊的通信模式有SPI、IIC模式，引腳數(shù)目少，能夠省下多個MCU的I/O口資源，該顯示模塊具有體積小、功耗低、抗震動等優(yōu)勢。綜上，本課題采用OLED液晶顯示模塊作為本次課題“智能風(fēng)扇”系統(tǒng)的顯示模塊。2.2.3溫濕度模塊選型方案一：采用DHT11溫濕度傳感器來檢測室內(nèi)環(huán)境的溫度與濕度。方案二：采用SHT30溫濕度傳感器檢測室內(nèi)環(huán)境的溫度與濕度。方案一中DHT11溫濕度傳感器，輸出來的信號通過一些內(nèi)部校準(zhǔn)，在溫度為0攝氏度至50攝氏度范圍內(nèi)的環(huán)境下，濕度測量范圍為20%至95%，濕度誤差范圍為±5%；溫度誤差范圍為±2℃，工作電壓為3.3V至5V。DHT11溫濕度傳感器在它的內(nèi)部集成了一個NTC測量溫度元的器件，此溫濕度傳感器具有成本低，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強等優(yōu)勢。方案二中，SHT20溫濕度傳感器是一款高精準(zhǔn)度的傳感器模塊，測量范圍較大，與MCU之間的通信方式為IIC模式，該模塊的獲得數(shù)據(jù)后的響應(yīng)時間較長，且價格昂貴。綜上所述，根據(jù)本設(shè)計所處的測量環(huán)境等因素，方案一中DHT11溫濕度傳感器模塊對室內(nèi)環(huán)境檢測更適合本次課題。2.2.4與云平臺通信選型方案一：采用ESP8266-WiFi模塊與云平臺通信。方案一中，本課題要求通過手機無線控制系統(tǒng)，因此不進行方案對比，采用ESP8266-WiFi模塊。WiFi模塊利用串口通信將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)闊o線通信的數(shù)據(jù)信息，模塊內(nèi)置無線通信協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧、TCP/TP協(xié)議棧，本模塊工作電壓為3.3V到5V，支持三種串口通信轉(zhuǎn)WiFiSTA模式、串口通信轉(zhuǎn)AP模式、串口通信轉(zhuǎn)WiFiSTA+AP模式。ESP8266-WiFi模塊無線傳輸速度最快11Mbps，工作溫度-40℃~125℃，工作濕度10%~90%RH，具有高性價比的特點。

第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1STM32主控模塊3.1.1STM32F103C8T6微控制器本智能風(fēng)扇系統(tǒng)所采用的主控模塊是STM32F103C8T6微控制器。它是一款基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位的微控制器，屬于STM32系列。其程序存儲器FLASH容量是64KB（64k×8bit），RAM容量是20KB（20k×8bit），2個12bitADC合計12路通道，37個通用I/O口，4個16bit定時器。它具有封裝體積小，價格相對低廉，性能比8位單片機優(yōu)秀，性價比高等引人矚目優(yōu)點。圖2STM32F103RBT6引腳圖3.1.2復(fù)位電路當(dāng)設(shè)定的程序無法正常運行時，需要手動按動復(fù)位按鍵對系統(tǒng)復(fù)位。STM32F103C8T6微控制器屬于低電平復(fù)位，需要在芯片復(fù)位引腳給出大于10ms的低電平，系統(tǒng)重新運行。如圖3所示電路，當(dāng)系統(tǒng)上電后，在電容的濾波作用下，NRST處的點位會緩慢上升。此時會出現(xiàn)MCU初始狀態(tài)為低電平，上電后系統(tǒng)自動復(fù)位的情況；電容進入充電狀態(tài)，電壓緩緩升高，電容充電完畢后，NRST為高電平，MCU開始正常工作；當(dāng)程序出現(xiàn)錯誤無法正常工作時，通過手動按鍵對系統(tǒng)進行復(fù)位，NRST變?yōu)榈碗娖?，MCU復(fù)位，系統(tǒng)重新運行。圖3復(fù)位電路原理圖3.1.3晶振電路晶振是決定MCU工作頻率的核心器件，如今市面上多數(shù)MCU內(nèi)部都集成了晶體振蕩器。STM32F103系列MCU內(nèi)部集成了8MHz的晶振，程序運行時，系統(tǒng)默認使用內(nèi)部晶振，如圖4所示，在MCU最小系統(tǒng)硬件設(shè)計上，外部連接了8MHz和32.768KHz的晶振，內(nèi)外部晶振能夠調(diào)換，而且可以通過倍頻，系統(tǒng)的工作頻率達到72MHz，32.768KHz的晶振為MCU提供實時時鐘（RTC）。圖4晶振電路原理圖3.2紅外感應(yīng)模塊選用兩個HC-SR501紅外熱釋電傳感器來感應(yīng)用戶位置，利用單總線通信給MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，從而進一步實現(xiàn)風(fēng)扇根據(jù)人所在的位置完成自動轉(zhuǎn)向功能。熱釋電接口原理圖如圖5所示。兩個熱釋電模塊的單總線引腳分別連接了MCU的PB11和PB3引腳。圖5熱釋電接口原理圖3.3溫濕度檢測模塊DHT11溫濕度傳感器包括電阻式的感濕原件和NTC測溫元件，并且與MCU連接。DHT11傳感器單總線制串行接口，如圖6所示，該模塊已內(nèi)置上拉電阻可以直接與MCU連接，選用MCU中C9引腳與DHT11模塊數(shù)據(jù)引腳連接。DHT11模塊為3針單排引腳封裝。如下表1所示。表1DHT11溫濕度傳感器模塊引腳定義引腳編號引腳定義引腳功能1VDD供電正極2DATA單總線接口3GND供電負極圖6DHT11原理圖3.4電機驅(qū)動模塊本系統(tǒng)采用L298N電機驅(qū)動模塊為風(fēng)扇提供驅(qū)動，選用MG90S舵機，它可以為了更好的為實現(xiàn)風(fēng)扇的自動轉(zhuǎn)向提供更好的幫助。舵機的設(shè)置操作一個20ms左右的時基脈沖，這個脈沖的高電平的部分大部分為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度來控制脈沖部分，總間隔為2ms，旋轉(zhuǎn)角度為180°。風(fēng)扇采用直流無刷散熱風(fēng)扇，具有效率高，輕便等優(yōu)點。驅(qū)動模塊外接9V直流電源，風(fēng)扇信號由連接MCU的PA7端口傳送給L298N模塊的INC接口，而風(fēng)扇連接了L298N的OUTC和OUTD接口。舵機信號由MCU的PB6端口傳送到L298N模塊的INA接口，舵機的信號線連接L298N的OUTA端口，舵機的VCC和GND接口連接驅(qū)動模塊電源輸出端口。3.5OLED顯示模塊OLED是與CRT、LED、液晶技術(shù)不同的新型發(fā)光原理，OLED顯示屏在顯示方面的特點有主動照明、寬視角、響應(yīng)速度迅速、圖形平穩(wěn)、亮度大、色彩種類多、分辨率高，并且適應(yīng)性十分全面。如圖7電路圖所示，OLED模塊1引腳和2引腳接入系統(tǒng)GND和５V電源，引腳３和引腳４作為數(shù)據(jù)傳輸位連接MCU的PA1腳和PA2腳，引腳5加入MCU的PA3腳作為復(fù)位腳，引腳6作為數(shù)據(jù)接口連接PA4腳，第7個引腳連接了MCU的PA5腳。圖7OLED原理圖3.6WIFI模塊ESP8266芯片是內(nèi)置功耗很低的32位RISC處理器，使用功率消耗非常低的TensilicaL106芯片，CPU時鐘速度最高可以達到160mhz。本模塊密集聚合了天線開關(guān)與濾波器等無線頻率模塊，模塊體積小。ESP8266WiFi模塊可以通過ESPAT命令為外部主機MCU提供WI-FI連接功能，它還可以作為運行獨立的WI-FIMCU運行。我們可以容易的使用云連接、低功耗運行模式，以及包含WPA3在內(nèi)的WI-FI安全支持等功能。在電路設(shè)計上，如圖8所示，WiFi模塊VCC引腳接入3.3V工作電壓，GND引腳與系統(tǒng)共地。引腳4為模塊與MCU串口通信的發(fā)送引腳，需要與MCU的接收引腳PA10連接，引腳5為模塊與MCU串口通信的接收引腳，與MCU的發(fā)射引腳PA9相連接，為進入固件燒寫模式，引腳3作為使能引腳連接MCU的PB14引腳，由于本系統(tǒng)中不需要引腳7、引腳6和引腳2的功能，懸空即可。圖8WIFI模塊原理圖

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)總體流程圖本系統(tǒng)程序采用模塊化編程，包括主程序模塊、紅外感應(yīng)模塊、溫濕度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、OLED顯示模塊、WIFI模塊組成。各模塊功能如下，紅外感應(yīng)模塊能感應(yīng)用戶位置。溫濕度傳感器采集環(huán)境溫度與濕度，顯示部分采用OLED液晶模塊。驅(qū)動模塊為風(fēng)扇和舵機提供驅(qū)動。主控模塊為系統(tǒng)的核心模塊，對各個模塊協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)軟件流程框圖如圖9所示。圖9系統(tǒng)主程序框圖初始狀態(tài)下，當(dāng)整個系統(tǒng)上電后，對OLED、DHT11、紅外熱釋電、WiFi模塊初始化，舵機復(fù)位。使其能夠和STM32F103進行正常的數(shù)據(jù)通信。配置完成后，WiFi模塊自動連接無線局域網(wǎng)，連接完成后DHT11開始采集環(huán)境溫濕度，通過單總線通信把數(shù)據(jù)回傳到MCU中，MCU對數(shù)據(jù)進行處理解析。完成以上工作后OLED開始顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。默認模式為模式0，風(fēng)扇不工作；調(diào)整到模式1后，風(fēng)扇就會進入到用戶操控的手動模式，用手動的一些按鍵來對風(fēng)扇控制開關(guān)，轉(zhuǎn)速進行調(diào)整；調(diào)整到模式2后，風(fēng)扇就會進入自動的模式，環(huán)境溫度超過模式3設(shè)定的溫度上限后那么風(fēng)扇就會旋轉(zhuǎn)；調(diào)整到模式3為模式2提供溫度上限的調(diào)整；調(diào)整到模式4后，風(fēng)扇打開，紅外熱釋電檢測周為是否有人，信號回傳給到MCU，MCU發(fā)送相應(yīng)PWM波給舵機，旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度，實現(xiàn)風(fēng)扇的自動轉(zhuǎn)向。4.2WIFI模塊程序設(shè)計ESP8266WIFI模塊初始化過程中，其子程序流程圖如圖10所示。圖10WiFi子程序設(shè)計流程圖程序主要分為以下幾步：進入AT指令集模式，檢查WiFi模塊能否正常工作，接收數(shù)據(jù)。依次向WiFi模塊發(fā)送AT指令“AT+CWMODE=3\r\n”；"AT+CWJAP=\"wjh\",\"wjh1418634936\"\r\n"；"AT+CIPSTART=\"TCP\",\"\",876\r\n"設(shè)置為STA+AP工作模式，配置WiFi模塊連接的熱點名稱和密碼，進入TCP連接，EDP服務(wù)器地址為9/876，連接成功后，配置透傳模式通過指令"AT+CIPMODE=1\r\n"，成功后，進入透傳模式，完成初始化。初始化成功后，系統(tǒng)進入自由模式。可利用手機平臺和按鍵對系統(tǒng)進行操作。4.3溫濕度檢測模塊程序設(shè)計DHT11作為一款單總線通信的溫濕度傳感器，它的通訊時長為4ms。DHT11子程序設(shè)計框圖如圖11所示。圖11DHT11子程序設(shè)計框圖初始化過程中，總線初始狀態(tài)為高電平，MCU首先對總線電平拉低，命令發(fā)送開始，拉低時間大于18ms，之后電平恢復(fù)到高電平并維持，延時后，繼續(xù)拉低單總線發(fā)送至MCU開始響應(yīng)，若完成響應(yīng)，開始進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸結(jié)束后，總線短暫維持低電平后恢復(fù)高電平，恢復(fù)至初始狀態(tài)。4.4紅外感應(yīng)模塊與舵機程序設(shè)計紅外熱釋電模塊作為單總線型數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境檢測傳感器，設(shè)置延時時間為2.5s?？偩€空閑時為低電平，檢測到周圍有人時，會往主機發(fā)送高電平，并保持一段時間，MCU接收到信號后給舵機發(fā)送PWM脈寬，實現(xiàn)風(fēng)扇的自動轉(zhuǎn)向控制。調(diào)整出模式4后，紅外熱釋電總線連接MCU的I/O口會停止檢測高電平，使MCU處于空閑狀態(tài)。熱釋電與舵機子程序設(shè)計框圖如圖12所示。圖12熱釋電與舵機子程序設(shè)計框圖4.5顯示模塊子程序設(shè)計在本系統(tǒng)的顯示程序設(shè)計中，主要包含編寫固定字符串和動態(tài)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用的0.96寸128＊64像素OLED顯示屏，在顯示字符的編寫上利用取模軟件。OLED液晶顯示屏分成四行顯示，第一行顯示為“智能小風(fēng)扇”作為設(shè)備名稱；第二行主要顯示學(xué)號；第三行主要顯示傳感器檢測到的溫度與濕度的大?。坏谒男兄饕@示系統(tǒng)模式和溫度控制上限。4.6平臺端數(shù)據(jù)處理4.6.1平臺連接OneNET云平有不同的應(yīng)用方法，考慮到系統(tǒng)的特點，選擇EDP協(xié)議是為了在平臺和設(shè)備之間保持長時間的聯(lián)系。平臺連接請求：在平臺配置應(yīng)用中，首先通過設(shè)備ID關(guān)聯(lián)API地址。本系統(tǒng)中設(shè)備ID為：417912。4.6.2平臺連接響應(yīng)格式通過串行端口調(diào)試助手接收到的數(shù)據(jù)進行處理，具體的內(nèi)容如下：（1）接收到“20020000”后，表示連接成功；（2）接收到（1）中數(shù)據(jù)而后綴“0940011C”時，表示驗證失敗需要重新發(fā)送連接請求。（3）接收到（1）中數(shù)據(jù)而后綴“09400114”時，表示進行驗證失敗導(dǎo)致協(xié)議分析錯誤。（4）收到（1）中數(shù)據(jù)而后綴“09400120"時，無法正確驗證ID身份。4.6.3數(shù)據(jù)處理為了更容易處理數(shù)據(jù)，并且由于溫濕度均為數(shù)值格式，數(shù)據(jù)上傳格式采用type=3的方式進行上傳。而數(shù)據(jù)下發(fā)格式，因為操作命令正常情況下不會超過100位，所以判斷數(shù)據(jù)可以連續(xù)接收到4個0且接收到的第五位大于0。

第5章系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試分為以下兩步：（1）檢查電路板中是否出現(xiàn)焊接錯誤。發(fā)現(xiàn)個別元器件焊點出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，通過電表進行測量后，電路經(jīng)常出現(xiàn)斷路問題。且在一些引腳較密集的區(qū)域出現(xiàn)了焊錫連在一起的現(xiàn)象。解決辦法：對有問題的元件、排針和排母重新焊接，確保電路不出現(xiàn)斷路、短路的現(xiàn)象。使用洗板水對電路板進行清洗，確保電路板中不會出現(xiàn)焊點黏在焊油上導(dǎo)致短路的情況。為防止電路板接觸到導(dǎo)電桌面以致短路的情況出現(xiàn)，在電路板的邊角使用熱熔膠墊高。（2）通電測試。檢查是否有發(fā)熱、斷路等問題，通過逐步排查，發(fā)現(xiàn)一開始購買的舵機功率太大，驅(qū)動電路無法驅(qū)動，因此更換了功率較小的舵機和新的電路驅(qū)動L298N后，調(diào)試無問題。至此，硬件調(diào)試完畢。5.2軟件調(diào)試在程序編寫上，容易出現(xiàn)各類問題，分析程序編寫過程中出現(xiàn)的幾個問題：（1）在燒寫程序時出現(xiàn)無法燒錄和檢測不到下載器的問題，通過查找資料，閱讀論壇發(fā)現(xiàn)錯誤：一是進行在線仿真時，系統(tǒng)未加電而且仿真器電壓較低，且無法驅(qū)動電路，因此需要額外供電驅(qū)動系統(tǒng)，確保系統(tǒng)能夠成功進行仿真燒錄，圖13所示即為該問題系統(tǒng)報錯；二是在仿真時MDK5軟件中芯片選型和Flash文件是否和主控芯片一致，且是否正確加載Flash文件，如果不行，也會導(dǎo)致燒寫程序出現(xiàn)錯誤，如圖14所示。圖13錯誤圖例1圖14錯誤圖例2連接干電池作為電機驅(qū)動電源時，由于消耗較大，且所需電流較高。因此采取學(xué)生電源供電，保證系統(tǒng)的正常工作，連接平臺后一有數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與平臺的連接便會斷開，判斷問題出現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸方面，對該部分的程序進行分析后發(fā)現(xiàn)，沒有及時清理傳輸數(shù)據(jù)，隨即又開始傳輸數(shù)據(jù)，致使數(shù)據(jù)格式判斷錯誤，導(dǎo)致平臺與系統(tǒng)失去連接。重新對數(shù)據(jù)傳輸模塊進行編程，及時清除寄存器上次傳輸數(shù)據(jù)，為加載下一次數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備，從而解決該問題。軟件調(diào)試完畢。5.3功能驗證實物如圖16所示：圖16實物圖首先給智能風(fēng)扇連接電源，ESP8266WiFi模塊連接網(wǎng)絡(luò)熱點，連接成功后，OLED顯示屏亮起，在顯示屏上顯示著當(dāng)前模式、溫度、濕度與預(yù)設(shè)溫度。手動按下按鍵改變風(fēng)扇工作模式，在工作模式一中按下加鍵，風(fēng)扇風(fēng)速加快，按下減鍵，風(fēng)扇風(fēng)速變慢。調(diào)制到工作模式三設(shè)定預(yù)設(shè)溫度為28℃，然后調(diào)回至工作模式二，檢測到環(huán)境當(dāng)前溫度為26℃，低于28℃風(fēng)扇不會開啟。調(diào)至工作模式四，風(fēng)扇會根據(jù)用戶位置的改變而改變轉(zhuǎn)向，并可以通過手機APP調(diào)節(jié)風(fēng)扇工作模式、轉(zhuǎn)速大小、預(yù)設(shè)溫度的高低，驗證成功。

第6章總結(jié)本文在基于現(xiàn)實生活需求以及對相應(yīng)研究的基礎(chǔ)上對智能風(fēng)扇系統(tǒng)進行分析，設(shè)計了一款可以無線控制，且能實時在手機APP中查看相關(guān)數(shù)據(jù)的智能風(fēng)扇，使用者可以登錄手機APP和電腦網(wǎng)頁端查看家庭環(huán)境各項參數(shù)，同時還可以遠程控制系統(tǒng)設(shè)備，在本設(shè)計中用戶可以控制系統(tǒng)模式，溫度上限的更改，為使用者及時了解家庭環(huán)境以及設(shè)備工作狀態(tài)提供了極大的便利，而且本系統(tǒng)體積小巧，放置方便以及反應(yīng)靈敏，可以為使用者帶來身體和精神上的愉悅與放松。在整個系統(tǒng)的設(shè)計制作與論文的編寫方面，主要做出了如下工作：（1）確定課題之后，在文獻檢索網(wǎng)站和學(xué)校圖書館查閱相關(guān)資料，了解課題的相關(guān)背景、目前的研究現(xiàn)狀、明確本課題的研究意義。并下載相關(guān)論文、借閱相關(guān)書籍，了解不同的設(shè)計方法、研究思路。（2）了解并分析了目前在無線通信方面的各項研究，以及控制方式：如藍牙、無線局域網(wǎng)、移動通信等。通過論證分析，選擇適合本方案的無線通信方式，并確定模塊型號。（3）根據(jù)課題要求了解系統(tǒng)使用環(huán)境的溫度、濕度等各項信息，選擇適合的元件型號。最終確定系統(tǒng)方案。｛4｝根據(jù)課題要求和設(shè)計任務(wù)，以及確定的元器件型號的數(shù)據(jù)手冊，對電路原理圖和電路PCB圖進行設(shè)計，打印出電路板后檢查是否有斷線。最后對電路板完成焊接，并將各元器件連接電路板后，進行硬件調(diào)試。（5）根據(jù)任務(wù)書要求，采用模塊化編程的思想編寫各個模塊的程序。分別編寫顯示模塊子程序、各傳感器模塊子程序、WiFi模塊子程序，最后將各個模塊組合起來進行調(diào)試，解決完各項程序問題后，完成軟件設(shè)計，燒錄至硬件。（6）完成以上步驟后，對系統(tǒng)整體進行聯(lián)調(diào)。測試系統(tǒng)各項功能能否正常工作。WiFi是否能夠有效傳輸數(shù)據(jù)，完成各項指令。測試各個傳感器模塊能否正常工作，獲取數(shù)據(jù)。完成整個系統(tǒng)的制作與調(diào)試。未來本研究的前進方向與改進目標(biāo)如下：（1）在轉(zhuǎn)向自動控制方面未能達到更加靈敏的效果，且未能達到對任意角度的旋轉(zhuǎn)。未來將實現(xiàn)對人體的方位檢測，達到更加迅速任意角度下的位置跟蹤。（2）未能開發(fā)屬于自己的手機APP，畫面不夠精美與人性化。