基于stm32的紅外遙控風(fēng)扇設(shè)計(jì)說(shuō)明

./基于Android的紅外智能風(fēng)扇摘要：為了解決家用電器在遙控方面的缺陷,結(jié)合智能家居的相關(guān)概念和技術(shù),本文提出了一種基于Android手機(jī)的紅外智能風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案。利用Android平臺(tái)的應(yīng)用軟件,將智能風(fēng)扇分為兩種模式,一種模式是手動(dòng)調(diào)節(jié)模式,通過(guò)紅外模塊把控制信號(hào)發(fā)送到STM32控制模塊,而后由主控芯片STM32控制風(fēng)扇的啟停以及速度調(diào)節(jié)；另一種模式是智能模式,利用人體紅外感應(yīng)器和溫濕度傳感器,當(dāng)檢測(cè)到是否有人存在,且當(dāng)前的溫濕度〔可通過(guò)設(shè)置數(shù)值大小是否超出設(shè)定值,風(fēng)扇將自動(dòng)開(kāi)關(guān),調(diào)節(jié)風(fēng)速大小,從而實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)遙控電器的功能。關(guān)鍵詞：智能家居；Android；紅外線(xiàn)；STM32；風(fēng)扇第一章概述目前,市面上的家用電器如電視、空調(diào)、DVD等都有自己專(zhuān)用的紅外遙控器；另外,還有一種叫萬(wàn)能遙控器,可以實(shí)現(xiàn)控制不同品牌的家用電器。但是遙控器過(guò)多,也給用戶(hù)帶了不便,可以通過(guò)手機(jī)集成紅外遙控功能,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。該方法通過(guò)手機(jī)發(fā)射紅外信號(hào),主控芯片接受到該紅外信號(hào)后,對(duì)與之連接各種電器設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制。Android系統(tǒng)是Google公司推出的開(kāi)源手機(jī)平臺(tái),采用Linux核,是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的、開(kāi)放式的手機(jī)平臺(tái)[1]。它具有強(qiáng)大的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)接入能力,豐富、便捷的開(kāi)發(fā)工具,和開(kāi)放的平臺(tái)等特點(diǎn)。STM32F1系列屬于中低端的32位ARM微控制器,該系列芯片是意法半導(dǎo)體〔ST公司出品,其核是Cortex-M3。該控制芯片具有低功耗、高穩(wěn)定、大容量等特點(diǎn),適合多場(chǎng)合的控制應(yīng)用?；诋?dāng)前安卓智能手機(jī)的普及,為了滿(mǎn)足智能家居的需求,本文設(shè)計(jì)了一款基于Android手機(jī)控制的智能風(fēng)扇。把安卓智能手機(jī)作為控制平臺(tái),采用紅外通信接口,把安卓智能手機(jī)與家用電器結(jié)合在一起,從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)的無(wú)線(xiàn)智能遙控的功能。另外,本文還對(duì)風(fēng)扇工作的模式進(jìn)行了拓展,使其能夠紅外遙控調(diào)節(jié)模式與智能調(diào)節(jié)模式之間切換。第二章硬件設(shè)計(jì)2.1方案選擇紅外協(xié)議需要載波調(diào)制信息,設(shè)計(jì)方案有：方案一：采用555定時(shí)器調(diào)制38KHz載波信號(hào)供單片機(jī)加載信息；555

定時(shí)器成本低,性能可靠,但占空比調(diào)制困難,頻率確定無(wú)法改變。方案二：采用單片機(jī)部的PWM機(jī)制調(diào)制38KHz載波信號(hào)加載信息；這個(gè)方案節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng),可隨時(shí)改變頻率與占空比,但程序不易編寫(xiě)眾多遙控器一體對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)需求大,方案設(shè)計(jì)有：方案一：采用AT24Cxx擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器；方案二：采用自帶高存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器；綜合以上考慮,本設(shè)計(jì)采用STM32系列單片機(jī),這款單片機(jī)有脈寬調(diào)節(jié)模式,能滿(mǎn)足本方案的38KHz需求,且此單片機(jī)Flash程序存儲(chǔ)區(qū)有512K,不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)空間也能滿(mǎn)足加載萬(wàn)能遙控器的數(shù)據(jù)庫(kù)。功能滿(mǎn)足的情況下,也為了不讓硬件過(guò)剩的原則,我們采用了載波方案二和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)方案二。2.2電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)總模塊框圖圖2-1總模塊框圖電路設(shè)計(jì)主要分為電源模塊,紅外接受模塊、STM32控制模塊、人體感應(yīng)模塊、DHT11溫濕度檢測(cè)模塊和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊組成。其中電源模塊采用電源適配器負(fù)責(zé)為其他模塊電路提供穩(wěn)定的5V電壓。紅外模塊負(fù)責(zé)與手機(jī)紅外經(jīng)行相互通信,傳遞控制信息；單片機(jī)控制模塊負(fù)責(zé)識(shí)別以及處理從紅外模塊傳遞過(guò)來(lái)的控制信息。手機(jī)加載數(shù)據(jù)庫(kù)信息到PWM調(diào)制38KHz載波上驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射模塊進(jìn)行紅外波發(fā)射。單片機(jī)模塊單片機(jī)模塊中的單片機(jī)采用STM32F103ZET6芯片,如圖2-2所示。它是基于ARMCortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封裝,512K片F(xiàn)LASH〔相當(dāng)于硬盤(pán),64K片RAM〔相當(dāng)于存,片F(xiàn)LASH支持在線(xiàn)編程<IAP>；高達(dá)72M的頻率,數(shù)據(jù),指令分別走不同的流水線(xiàn),以確保CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大化；通過(guò)片BOOT區(qū),可實(shí)現(xiàn)串口下載程序<ISP>；片雙RC晶振,提供8M和32K的頻率；支持片外高速晶振<8M>,和片外低速晶振<32K>.其中片外低速晶振可用于CPU的實(shí)時(shí)時(shí)鐘,帶后備電源引腳,用于掉電后的時(shí)鐘行走；42個(gè)16位的后備寄存器<可以理解為電池保存的RAM>,利用外置的紐扣電池,和實(shí)現(xiàn)掉電數(shù)據(jù)保存功能；多達(dá)80個(gè)IO,4個(gè)通用定時(shí)器,2個(gè)高級(jí)定時(shí)器,2個(gè)基本定時(shí)器,3路SPI接口,2路I2S接口,2路I2C接口,5路USART,一個(gè)USB從設(shè)備接口,一個(gè)CAN接口,SDIO接口,可兼容SRAM,NOR和NANDFlash接口的16位總線(xiàn)-FSMC；3路共16通道的12位AD輸入,2路共2通道的12位DA輸出.支持片外獨(dú)立電壓基準(zhǔn)；CPU操作電壓圍:2.0-3.6V。圖2-2STM32F103V單片機(jī)封裝圖時(shí)鐘電路STM32F103ZET6芯片上有兩種時(shí)鐘源,如圖2-3所示：〔18MHz晶振X2作為MCU的時(shí)鐘源〔232.768KHz晶振X1作為RTC的時(shí)鐘源圖2-3時(shí)鐘電路電源電路本設(shè)計(jì)模塊通過(guò)USB線(xiàn)供電,如圖2-4所示。為保證芯片因電壓過(guò)高不被燒毀,設(shè)置一個(gè)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲,在電路短路的情況下,自恢復(fù)保險(xiǎn)絲發(fā)熱斷開(kāi),保護(hù)了硬件和電腦的USB接口免遭燒毀。圖2-4電源模塊紅外接收模塊本設(shè)計(jì)的紅外接收模塊是基于HL-A838紅外一體化接收頭的紅外接收模塊,電路圖如圖2-5所示。與單片機(jī)相連時(shí),接PA3引腳?？山邮占t外發(fā)射模塊〔發(fā)來(lái)的調(diào)制成38KHz的紅外信號(hào),并解調(diào)成邏輯電平,即收到調(diào)制的紅外信號(hào)即輸出低電平,否則輸出高電平,在程序上應(yīng)用編解碼即可完成紅外遙控功能。模塊特點(diǎn)如下：低功耗、寬角度及長(zhǎng)距離接收供電電壓可為3.3V~5.5V輸出匹配TTL,CMOS電平,低電平有效4個(gè)M2螺絲定位孔,便于安裝。發(fā)射的紅外線(xiàn)信號(hào)是手機(jī)通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)的紅外二極管發(fā)射的。具體實(shí)物圖如圖2-6所示。圖2-5紅外發(fā)射接收電路圖圖2-6本設(shè)計(jì)自制的紅外發(fā)送模塊溫濕度檢測(cè)模塊溫濕度檢測(cè)模塊采用DHT11溫濕度傳感器,它包括一個(gè)電阻式測(cè)濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件,并與單片機(jī)的PA4引腳相連接。通過(guò)單片機(jī)等微處理器簡(jiǎn)單的電路連接就能夠?qū)崟r(shí)的采集本地濕度和溫度。DHT11與單片機(jī)之間能采用簡(jiǎn)單的單總線(xiàn)進(jìn)行通信,僅僅需要一個(gè)I/O口。傳感器部濕度和溫度數(shù)據(jù)40Bit的數(shù)據(jù)一次性傳給單片機(jī),數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn),有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT11功耗很低,5V電源電壓下,工作平均最大電流0.5mA。圖2-7溫濕度傳感器的連接圖人體紅外感應(yīng)模塊圖2-8人體紅外感應(yīng)模塊人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外線(xiàn)技術(shù)的自動(dòng)控制模塊,電路圖如圖2-8所示。與單片機(jī)PA2引腳相連,電源采用5V電壓供電,其功能特點(diǎn)：1、全自動(dòng)感應(yīng):人進(jìn)入其感應(yīng)圍則輸出高電平,人離開(kāi)感應(yīng)圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平,輸出低電平。2、溫度補(bǔ)償：在夏天當(dāng)環(huán)境溫度升高至30～32℃,探測(cè)距離稍變短,溫度補(bǔ)償可作一定的性能補(bǔ)償。3、兩種觸發(fā)方式：〔可跳線(xiàn)選擇a、不可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)輸出高電平后,延時(shí)時(shí)間段一結(jié)束,輸出將自動(dòng)從高電平變成低電平；b、可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后,在延時(shí)時(shí)間段,如果有人體在其感應(yīng)圍活動(dòng),其輸出將一直保持高電平,直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖健哺袘?yīng)模塊檢測(cè)到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段,并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn)>。4、具有感應(yīng)封鎖時(shí)間<默認(rèn)設(shè)置:2.5S封鎖時(shí)間>：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后〔高電平變成低電平,可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段,在此時(shí)間段感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號(hào)。此功能可以實(shí)現(xiàn)"感應(yīng)輸出時(shí)間"和"封鎖時(shí)間"兩者的間隔工作,可應(yīng)用于間隔探測(cè)產(chǎn)品；同時(shí)此功能可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。<此時(shí)間可設(shè)置在零點(diǎn)幾秒—幾十秒鐘>。風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路風(fēng)扇電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊比較簡(jiǎn)單,與紅外接受模塊的電路類(lèi)似,就是主控芯片控制一個(gè)三極管的通斷實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇啟停。此外,可通過(guò)調(diào)制PWM波的方式對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)。為了豐富風(fēng)扇的功能,除了紅外遙控風(fēng)扇開(kāi)關(guān)和調(diào)速外,本設(shè)計(jì)引入智能控制模式,即無(wú)需手動(dòng)調(diào)節(jié),通過(guò)人體感應(yīng)傳感器和DHT11溫濕度傳感器檢測(cè)風(fēng)扇下有無(wú)人員,及當(dāng)前溫度和濕度。在檢測(cè)到有人的前提下,主控芯片根據(jù)當(dāng)前的溫度和濕度值給出相應(yīng)的PWM來(lái)控制風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電機(jī)的智能運(yùn)行。系統(tǒng)的總體實(shí)物圖如2-9所示。圖2-9系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖第三章遙控器軟件設(shè)計(jì)STM32程序主要是用來(lái)接收、分析、處理紅外模塊過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),完成以后通過(guò)給出相應(yīng)的控制信號(hào)到電器上,最終達(dá)到遙控電器的目的。3.1遙控器軟件流程框圖軟件采用模塊化編程,把系統(tǒng)運(yùn)行分成兩種模式：智能模式：用戶(hù)無(wú)需調(diào)節(jié)風(fēng)扇,主控芯片會(huì)對(duì)人體傳感器與DHT11傳感器的信號(hào)處理,并根據(jù)其給出相應(yīng)的速度信號(hào)給風(fēng)扇。手動(dòng)控制模式：該模式下,用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)對(duì)風(fēng)扇的啟停、速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制另外,兩種模式間的切換只需要手機(jī)應(yīng)用端調(diào)節(jié)。圖3-1遙控器軟件流程框圖 3.2紅外編碼程序本軟件包含了3種紅外編碼格式：三星的TC9012,松下的LC7464M和NEC的uPD6121G。受篇幅限制,這里主要介紹TC9012編碼。1、紅外載波程序⑴TC9012載波要求：頻率38KHz占空比1/3圖3-2載波波形參考圖:38KHz1/3載波實(shí)測(cè)波形圖：38.46KHz1/3占空比由載波實(shí)測(cè)波形圖可以看出,實(shí)測(cè)波形與參考波形頻率誤差為1.2%,占空比誤差為-0.6%,滿(mǎn)足TC9012載波要求,說(shuō)明我們用PWM產(chǎn)生的38KHz載波的程序是正確的,下面是具體的程序代碼。⑵38KHz載波核心代碼：SYSclk=22118400Hz,PWM0頻率為：SYSclk/<65536-[TH0,TL0]>/64=22118400/<65536-[TH0,TL0]>/64=38400Hz2、紅外發(fā)送數(shù)據(jù)程序TC9012的一幀數(shù)據(jù)中含有32位碼,包含兩次8位用戶(hù)碼,8位數(shù)據(jù)碼各8位數(shù)據(jù)碼的反碼。引導(dǎo)碼由4.5ms的載波和4.5的載波關(guān)斷波形所構(gòu)成,以作為用戶(hù)碼、數(shù)據(jù)碼的先導(dǎo)。圖3-3引導(dǎo)碼參考圖圖3-4引導(dǎo)碼實(shí)測(cè)：有載波4.52ms圖3-5引導(dǎo)碼實(shí)測(cè)：無(wú)載波4.52ms由以上兩實(shí)測(cè)圖可以看到,引導(dǎo)碼有載波誤差0.4%,無(wú)載波誤差0.4%,是滿(mǎn)足TC9012引導(dǎo)碼開(kāi)載波4.5ms+關(guān)載波4.5ms的要求的。圖3-6數(shù)據(jù)0實(shí)測(cè)：高電平0.56ms圖3-7數(shù)據(jù)0實(shí)測(cè)：高低電平總長(zhǎng)1.14ms由以上兩實(shí)測(cè)圖可以看到,數(shù)據(jù)0高電平誤差0%,高低電平總長(zhǎng)誤差1.3%,是滿(mǎn)足TC9012數(shù)據(jù)0高0.56ms,總長(zhǎng)1.125ms的要求的。圖3-8數(shù)據(jù)1實(shí)測(cè)：高電平0.56ms圖3-9數(shù)據(jù)1實(shí)測(cè)：高低電平總長(zhǎng)2.26ms由以上兩實(shí)測(cè)圖可以看到,數(shù)據(jù)0高電平誤差0%,高低電平總長(zhǎng)誤差0.4%,是滿(mǎn)足TC9012數(shù)據(jù)1高0.56ms,總長(zhǎng)2.25ms的要求的。第四章Android應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)本應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)是為了使我們的手機(jī)能夠發(fā)射紅外信號(hào)給主控芯片,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制目的。開(kāi)發(fā)工具：Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,JDK,Android-SDK。編譯版本：android。4.1Android應(yīng)用流程介紹下面是應(yīng)用的具體流程；圖4-1應(yīng)用流程圖圖4-2應(yīng)用界面4.2資源規(guī)劃和權(quán)限配置為了兼容不同手機(jī)屏幕尺寸和分辨率,放了三套不同分辨率和尺寸的圖片分放在res/drawable-hdpi,res/drawable-mdpi,res/drawable-xhdpi目錄。本應(yīng)用設(shè)計(jì)用到本地紅外適配器功能,多分辨率支持功能,窗體縱向顯示功能的使用,在AndroidMainfest.xml中添加允許使用紅外功能的權(quán)限<uses-permissionandroid:name="android.permission.BLUETOOTH"/><uses-permissionandroid:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/>。并且界面的窗體均為縱向顯示,這里設(shè)置窗體顯示通過(guò)<activity>標(biāo)簽屬性android:screenOrientation="portrait"。設(shè)置多屏幕分辨率支持<supports-screensandroid:smallScreens="true"android:normalScreens="true"android:largeScreens="true"android:anyDensity="true"/>4.3歡迎窗體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)應(yīng)用啟動(dòng)后是一個(gè)歡迎窗體,歡迎窗體全屏顯示,3秒鐘后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到TV主窗體。歡迎窗體的實(shí)現(xiàn)：在onCreate<>方法中初始化窗體信息,加載background為drawable目錄下的welcome圖片的布局文件activity_welcom.xml。創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程類(lèi)實(shí)現(xiàn)3秒后自動(dòng)跳轉(zhuǎn)。4.4紅外服務(wù)紅外服務(wù)是一個(gè)service類(lèi),提供紅外的連接,狀態(tài)反饋,線(xiàn)程讀寫(xiě)數(shù)據(jù),啟動(dòng)和停止方法。紅外連接：device.createRfcommSocketToServiceRecord<MY_UUID>獲取套接口,mySocket.connect<>套接口遠(yuǎn)程連接遙控器。并且通過(guò)bundler傳遞message給UI界面更新。獲取連接狀態(tài)方法：返回當(dāng)前紅外服務(wù)的狀態(tài)。Start和Stop方法：線(xiàn)程的初始化和關(guān)閉線(xiàn)程。同步Write方法：防止多線(xiàn)程的干擾,采用關(guān)鍵字synchronized同步寫(xiě)方法。創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程類(lèi),傳遞參數(shù)byte[]寫(xiě)到套接口的字節(jié)流outputstream中。第五章實(shí)物調(diào)試5.1手動(dòng)控制模式手動(dòng)控制模式下風(fēng)扇的啟停與速度調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖如圖所示：圖5-1風(fēng)扇停止工作與正常工作圖5-3上位機(jī)顯示風(fēng)扇手動(dòng)模式下各工作狀態(tài)5.2智能模式智能模式下風(fēng)扇的啟停與速度自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖如圖所示：圖5-1風(fēng)扇智能模式下的啟停圖5-3上位機(jī)顯示智能模式下風(fēng)扇運(yùn)行狀況第六章總結(jié)本文設(shè)計(jì)的基于Android的紅外智能風(fēng)扇,通過(guò)手機(jī)客戶(hù)端發(fā)射紅外信號(hào)給STM32主控芯片,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種操作,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的手動(dòng)調(diào)節(jié)控制,并能夠進(jìn)行模式切換。實(shí)驗(yàn)調(diào)試能夠?qū)崿F(xiàn)各模式的功能,基本滿(mǎn)足預(yù)期實(shí)驗(yàn)要求?；诎沧渴謾C(jī)的智能遙控器設(shè)計(jì)新穎,實(shí)用方便,倡導(dǎo)綠色、環(huán)保的生活理念,具有經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。從用戶(hù)的角度出發(fā),多功能、低成本、強(qiáng)適應(yīng)和人性化使得該產(chǎn)品將會(huì)獲得發(fā)展契機(jī)