基于單片機(jī)的可遠(yuǎn)程控制的自動調(diào)溫電風(fēng)扇設(shè)計

緒論1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電風(fēng)扇作為日常生活中最為普遍的降溫工具，其身影隨處可見，并且從吊扇到現(xiàn)在的各種USB風(fēng)扇，其發(fā)展也日益多樣化，雖然空調(diào)已經(jīng)走進(jìn)了大多數(shù)家庭，但風(fēng)扇的地位時至今日依舊無法取代，相比于空調(diào)，電風(fēng)扇依舊是一種比較節(jié)能環(huán)保且簡單廉價的電器。但傳統(tǒng)電風(fēng)扇其功能相對簡單，無法做到自動調(diào)速自動啟停。隨著時代的發(fā)展，具有多功能的電風(fēng)扇已經(jīng)取代了老舊的傳統(tǒng)風(fēng)扇。通過對單片機(jī)的使用，電風(fēng)扇已經(jīng)逐漸走向了智能化，不單單是電風(fēng)扇，我們所認(rèn)知的絕大多數(shù)電器實際上都在朝這個方向前進(jìn)，智能化已是大勢所趨。如今國內(nèi)外市場上已經(jīng)出現(xiàn)了許多多功能風(fēng)扇，其功能日益完善，其制作之方法也多種多樣，但相對而言，具有人性化且智能化的風(fēng)扇相對來說還是不多的，在家居逐漸走向智能化的今天，電風(fēng)扇的智能化不應(yīng)該被拋棄，相反應(yīng)該繼續(xù)向前邁步。作為一個快速發(fā)展的發(fā)展中國家，人民生活水平的發(fā)展仍然存在明顯差距，這意味著電風(fēng)扇在我國的市場上仍然占有很大的份額，尤其是在中小型城市。在這樣的情況下，為了加強(qiáng)自身的競爭力，提高電風(fēng)扇的技術(shù)含量從而達(dá)到滿足人們對智能產(chǎn)品的需求是十分必要的。1.2本次設(shè)計的目的及意義正如前面所說，我國作為世界上最大的發(fā)展中國家，我國擁有著巨大的市場，智能電風(fēng)扇在這個市場里依舊是不可或缺的一部分，人們對智能電風(fēng)扇的需求量也依然不小。在眾多智能產(chǎn)品中，遠(yuǎn)程控制和自動控制是無法繞過的話題，因此本次設(shè)計自然也無法避免這個問題。所以，本次設(shè)計對這兩項功能都進(jìn)行了設(shè)計。但本設(shè)計所包含的系統(tǒng)其實并不僅僅局限于電風(fēng)扇，在其他某些自動控制的范圍內(nèi)都可以使用。比如就遠(yuǎn)程控制而言，本文的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)也一樣可以應(yīng)用在某些場合，比如宿舍的空調(diào)、教室的電風(fēng)扇甚至是家里的空調(diào)或熱水器等，我們不必總是要使用遙控器或者站在實物面前才可以對他們進(jìn)行操作，我們只需要一臺可以連接WIFI的手機(jī)，即可實現(xiàn)在任意地點任意時間對電器產(chǎn)品進(jìn)行諸如溫度、濕度、開關(guān)等各方面的控制。所以，本設(shè)計所包含的系統(tǒng)是具有通用性的，只需進(jìn)行稍加修改后即可運用在其他場合，這樣一來便可以改善人們的家居體驗。隨著時間前進(jìn)的步伐，作為人生中有著重大意義的本科階段終于來到了最后時刻，我們在這里生活學(xué)習(xí)了將近四年，為了檢驗自身的學(xué)習(xí)情況，并基于對智能化及價格的考慮，我決定設(shè)計一款電風(fēng)扇，這款電風(fēng)扇結(jié)合單片機(jī)，綜合各器件目的在于實現(xiàn)溫度的自動調(diào)控，在無人時可以自動關(guān)閉，并且可以通過手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇的啟動和停止等功能。1.3總體方案設(shè)計這次設(shè)計的主要思路是：接上電源，按下開關(guān)后，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，同時溫度傳感器開始采集環(huán)境溫度并傳輸給單片機(jī)，這時我們可以通過+1和-1兩個按鍵對我們想要得到的溫度進(jìn)行設(shè)置，這個溫度也叫預(yù)設(shè)置溫度，顯示屏將會實時的顯示環(huán)境溫度和預(yù)設(shè)置溫度。接著人體紅外傳感器將對出風(fēng)范圍進(jìn)行檢測，如果檢測到有人，系統(tǒng)就把環(huán)境溫度和預(yù)設(shè)置溫度進(jìn)行對比并，根據(jù)二者的溫差啟動并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使得環(huán)境溫度逐漸達(dá)到預(yù)設(shè)置溫度；如果檢測不到有人存在，則電機(jī)不工作。電機(jī)開始工作后，我們還可以通過按鍵對風(fēng)扇的工作時間進(jìn)行定時，定時時間到后，風(fēng)扇自動關(guān)閉。使用完畢后，按下開關(guān)則系統(tǒng)停止工作。此外，在接入電源后，系統(tǒng)還會啟動一個無線網(wǎng)絡(luò)，將手機(jī)連接上這個網(wǎng)絡(luò)后，就可以在APP上對電風(fēng)扇進(jìn)行以上的控制。。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1.3.1所示。圖1.3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2硬件選擇2.1溫度傳感器的選擇這里可供選擇的主要有兩個：方案一：熱敏電阻熱敏電阻本身特性是其電阻隨著溫度的改變，經(jīng)轉(zhuǎn)換后可得到相應(yīng)溫度值。但熱敏電阻存在變化曲線方面的的缺陷，可以通過某些軟件進(jìn)行修正，但這必然使得電路顯得更加復(fù)雜。方案二：DS18B20數(shù)字溫度傳感器這是一款單總線結(jié)構(gòu)的傳感器，在檢測溫度結(jié)束后可以直接將溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并輸出給單片機(jī)，不需要再經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換模塊，這一點相比與熱敏電阻則是一個優(yōu)點。而且DS18B20具有精度更高、且反應(yīng)靈敏。在抗擾動這方面的能力也比較強(qiáng)，而且適用范圍也比較廣、接線簡潔明了等特點。二者相比之下，決定使用后者。2.2顯示器的選擇方案一：LCD1602液晶顯示屏LCD用來顯示字母、數(shù)字、符號的話比較有優(yōu)勢，我們?nèi)粘Ｖ薪?jīng)常用來顯示滾動的文字。但LCD也存在著明顯的缺陷，那就是相比于其他的顯示屏它無法更好的顯示圖形。方案二：OLED顯示屏相比與LCD顯示屏，OLED是固態(tài)結(jié)構(gòu)的，所以其抗震性能更優(yōu)越，而且從不同的角度觀察屏幕也不會導(dǎo)致失真，此外OLED響應(yīng)的時間比LCD要短，不會出現(xiàn)拖影的現(xiàn)象。所以選用OLED作為本次設(shè)計的顯示屏。2.3調(diào)速方式的選擇方案一：PID調(diào)速PID就是利用系統(tǒng)運行過程中前后產(chǎn)生的誤差，然后通過P（比例）、I（積分）、D（微分）三種方式計算出應(yīng)該使用的控制量，進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行控制的控制方式。方案二：PWM調(diào)速PWM調(diào)速主要是通過調(diào)整單片機(jī)I/O口輸出的脈沖信號的占空比來實現(xiàn)調(diào)速的，例如當(dāng)我們把某段時間內(nèi)的占空比調(diào)大的時候，則在這段時間內(nèi)脈沖到來后，高電平將占有更大的時間比列。所以通過控制輸出脈沖的占空比即可實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。PID是一種線性的控制方式，但顯示中大多數(shù)是非線性的，相比之下。PWM更直觀，也比較容易上手。2.4驅(qū)動方式的選擇方案一：ULN2803這是一款反向驅(qū)動器，設(shè)計之初原本是計劃使用這款驅(qū)動器的，但在這后來的實際使用中卻效果并不理想，轉(zhuǎn)速的調(diào)整沒有達(dá)到理想的效果。方案二：L298N驅(qū)動模塊該模塊驅(qū)動能力比較突出，它可以同時驅(qū)動多臺電機(jī)，調(diào)速效果也比較明顯，而且啟動時的性能也很強(qiáng)，而且電路簡單，使用方便。兩者相比之下，最終選擇了后者。2.5紅外傳感器的選擇方案一：對射式光電開關(guān)對射式光電開關(guān)主要通過光的發(fā)射與接收來進(jìn)行工作的，當(dāng)有物體擋在發(fā)射管與接收管之間時，會發(fā)出電平信號，單片機(jī)接收到后，通過判斷高低電平來確定是否有人。方案二：HC-SR501紅外傳感器HC-SR501紅外傳感器通過檢測某種特定波長的紅外輻射，然后輸出信號的傳感器，進(jìn)而判斷是否有人的一種傳感器。這種傳感器是使用頻率較高的傳感器之一，它在很多領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣泛的。它具有靈敏度高、可靠性高、低電壓工作的特點。使用對射式光電開關(guān)的話，如果擋在電風(fēng)扇前的不是人體而是其他物體，那么對射式光電開關(guān)也會產(chǎn)生電平信號，而后者卻不會，而且在現(xiàn)實中的電風(fēng)扇也不可能使用對射的形式來檢測是否有人，所以采用后者。2.6單片機(jī)選擇方案一：51系列單片機(jī)51單片機(jī)是比較基礎(chǔ)的入門的單片機(jī)。51單片機(jī)應(yīng)用比較廣泛，而且只要具有一定的C語言基礎(chǔ)就可以使用它來進(jìn)行開發(fā)學(xué)習(xí)。方案二：STM32系列單片機(jī)STM32系列單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的。相比于51單片機(jī)，STM32可以查找到的各種資料更多，而且體積更小，價格也不高。所以在這里選用STM32系列的單片機(jī)作為本次設(shè)計的控制芯片。2.7WIFI模塊選擇ESP8266是一款功耗低、集成程度高的WIFI芯片，它搭載了性能強(qiáng)大的處理器，以及穩(wěn)定的工作性能，而且價格經(jīng)濟(jì)實惠。由于和WIFI模塊的接觸較少,所以經(jīng)一定了解、及同學(xué)的推薦后，本文決定使用ESP8266WIFI模塊。2.8本章小結(jié)本章主要是制定論述了研究的總體方案，明確了設(shè)計思路，確定了各部分需要實現(xiàn)的功能，最后分析并選用了實現(xiàn)這些功能所需要用到的合適的各種硬件。3硬件設(shè)計3.1STM323.1.1簡介STM32系列的單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司通過采用cortex-M技術(shù)并以此制造生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，為32位微控制器。實物圖如圖3.1.1所示。這款產(chǎn)品細(xì)分之下可以分成這么四個類型，這四種類型分別為：基本型系列、增強(qiáng)型系列、USB基本型系列、互補(bǔ)型系列。本文使用STM32F103ZET6芯片則屬于增強(qiáng)型系列。圖3.1.1STM32F103ZET6實物圖3.1.2STM32F103ZET6的引腳及功能圖3.1.2STM32F103ZET6引腳圖STM32F103ZET6的引腳如圖3.1.2所示，從圖可見STM32F103ZET6擁有很多管腳，這些管腳所對應(yīng)的功能可以通過芯片數(shù)據(jù)手冊查找，在此不累述。3.1.3STM32F103ZET6內(nèi)部資源內(nèi)部資源包含以下這些：（1）內(nèi)核：32位高性能ARMCortex-M3處理器。時鐘：高達(dá)72M,實際還以超頻一點。單周期乘法和硬件除法。（2）I/O口：STM32F103ZET6:144引腳、112個、IO，大部分I/O口都耐5V(模擬通道除外)，支持調(diào)試：SWD和JTAG，SWD只要2根數(shù)據(jù)線。（3）存儲器容量：512KFLASH，64KSRAM。（4）時鐘，復(fù)位和電源管理：①2.0~3.6V電源和IO電壓。②上電復(fù)位，掉電復(fù)位和可編程的電壓監(jiān)控。③強(qiáng)大的時鐘系統(tǒng)。4~16M的外部高速晶振。內(nèi)部8MHz的高速RC振蕩器。內(nèi)部40KHz低速RC振蕩器，看門狗時鐘。內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL，倍頻），一般系統(tǒng)時鐘都是外部或者內(nèi)部高速。時鐘經(jīng)過PLL倍頻后得到。外部低速32.768K的晶振，主要做RTC時鐘源（5）低功耗：睡眠，停止和待機(jī)三種低功耗模式?？捎秒姵貫镽TC和備份寄存器供電。（6）AD:3個12位AD（多達(dá)21個外部測量通道）轉(zhuǎn)換范圍：0-3.6V（參考電源電壓）內(nèi)部通道可以用于內(nèi)部溫度測量內(nèi)置參考電壓（7）DA:2個12位DA。（8）DMA:12個DMA通道（7通道DMA1，5通道DMA2），支持外設(shè)：定時器，ADC,DAC，SDIO,I2S,SPI,I2C,和USART（9）定時器：多達(dá)11個定時器。4個通用定時器；2個基本定時器；2個高級定時器；1個系統(tǒng)定時器；2個看門狗定時器。（10）通信接口：多達(dá)13個通信接口2個I2C接口；5個串口；3個SPI接口；1個CAN2.0；1個USBFS；1個SDIO。3.1.4最小系統(tǒng)（包含晶振、復(fù)位、電源、及按鍵電路）最小系統(tǒng)如圖3.1.2。其中給單片機(jī)供電的5V直流電壓是L298N驅(qū)動模塊的5V電源端口，這個端口會在L298N驅(qū)動模塊部分作出說明。圖3.1.2STM32F103ZET6最小系統(tǒng)3.2DS18B20數(shù)字溫度傳感器3.2.1簡介對于大多數(shù)人來說DS18B20數(shù)字溫度傳感器也許接觸得機(jī)會不多，但對于我們來說卻是比較常見、常用的，我認(rèn)為它最方便的地方在于它輸出的不是模擬信號而是數(shù)字信號，這樣子我們就不需要再經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換。實物圖如圖3.2.1所示。圖3.2.1DS18B20實物圖3.2.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)及典型的溫度讀取順序內(nèi)部結(jié)構(gòu)：DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.2.2所示。其中ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列號。DS18B20的內(nèi)部存儲器包括一個高速的暫存器RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPROM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和配置寄存器；配置寄存器則是配置不同的位數(shù)來確定溫度和數(shù)字的轉(zhuǎn)化。圖3.2.2DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖基于本身單總線的特點，DS18B20的工作流程必須嚴(yán)格遵守信號時序，所以首先需要初始化時序，DS18B20的通信是從這里開始的。通過一系列電平、延時的調(diào)整后，微控制器打開接收模式，開始接收數(shù)據(jù)；其次開始寫時序，為發(fā)讀時序做準(zhǔn)備。寫完時序后，就到了讀時序部分，在微控制器發(fā)出讀時序后，DS18B20通過與單片機(jī)相連的DQ管腳開始向微控制器傳輸數(shù)據(jù)。比較典型的讀取順序如下：復(fù)位→發(fā)SKIPROM命令（0XCC）→發(fā)開始轉(zhuǎn)換命令（0X44）→延時→復(fù)位→發(fā)送SKIPROM命令（0XCC）→發(fā)讀存儲器命令（0XBE）→連續(xù)讀出兩個字節(jié)數(shù)據(jù)(即溫度)→結(jié)束。DS18B20溫度/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如表3.2.1所示。表3.2.1DS18B20溫度/數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系表溫度轉(zhuǎn)換的計算方法：首先找到我們所需要計算的溫度值所對應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)，再將這個十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的十進(jìn)制，最后將這個十進(jìn)制數(shù)乘以相應(yīng)的分辨率即可得到我們所計算的溫度值。3.2.3各引腳功能DS18B20各引腳功能如圖3.2.3所示。圖3.2.3DS18B20引腳功能3.2.4DS18B20電路圖電路圖如圖3.2.3所示。圖3.2.3DS18B20電路圖這部分線路連接比較簡單，DS18B20在這里三個管腳的連接方式和前面功能表一樣，GND接至單片機(jī)的共地端，VCC外接5.0V電壓，DQ接至單片PG11口即可。但在這里VCC和DQ之間需要接上一個10K的上拉電阻，這里主要是為了DS18B20輸出1時，將其上拉為高電平。再完成溫度采集和數(shù)據(jù)處理后，數(shù)據(jù)將由PG11口輸出給單片機(jī)。3.3L298N驅(qū)動模塊3.3.1簡介本系統(tǒng)原先計劃使用的是L298N芯片并自行焊接驅(qū)動電路，但在后續(xù)相關(guān)的硬件電路制作中，由電路設(shè)計錯誤或者焊接方式不當(dāng)導(dǎo)致該芯片無法正常工作，所以最終選擇L298N驅(qū)動模塊，該模塊的核心也還是L298N芯片。L298N驅(qū)動模塊是一款比較常用的產(chǎn)品，它的主要用途就是用于電機(jī)的驅(qū)動。在驅(qū)動能力上，L298N可以同時驅(qū)動多臺電機(jī)，并且單片機(jī)可以通過I/O口給它提供控制信號。通過調(diào)整輸入端的邏輯電平即可實現(xiàn)某些功能，比如正反轉(zhuǎn)。還有一點是，L298N模塊接線簡單，使用比較方便，上手也比較快。L298N驅(qū)動模塊實物圖及各個接口如圖3.3.1所示。圖3.3.1L298N驅(qū)動模塊實物圖該模塊的電路結(jié)構(gòu)為半橋型，輸入類型為非反相，其輸出的數(shù)量可以達(dá)到4個，電流輸出穩(wěn)定在2A，最高為3A，電源電壓適用范圍在4.5V~46V之間，工作環(huán)境溫度為-25°C~130°C。3.3.2L298N模塊的引腳功能引腳功能表如表3.3.1所示。ENA使能通道AENB使能通道BIN1~IN4邏輯輸入OUT1~OUT4輸出5V5V供電VCC12V供電表3.3.1L298N模塊引腳功能表L298N擁有四個輸出引腳，這四個引腳都是用于驅(qū)動電機(jī)的，從這里可以看出L298N并非只能驅(qū)動一臺電機(jī)，實際上它可以同時驅(qū)動多臺電機(jī)，這也體現(xiàn)了它強(qiáng)大的驅(qū)動能力但在次我們僅用于驅(qū)動一臺電機(jī)。邏輯輸入端口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)等。3.3.3L298N模塊電路圖如圖3.3.2所示。圖3.3.2L298N模塊電路圖各個引腳接線已經(jīng)在圖中標(biāo)出，需要說明的一點是的是當(dāng)L298N驅(qū)動模塊使用12V直流電源端口進(jìn)行供電時，模塊上的5V直流電源端口將作為輸出端口輸出5V直流電，可以為其他器件供電，所以本系統(tǒng)將這個5V直流電作為單片機(jī)的電源向單片機(jī)供電。3.4OLED顯示屏3.4.1簡介柯達(dá)公司使用有機(jī)聚合物作為發(fā)光二極管中的半導(dǎo)體材料，從而研發(fā)出的一種顯示技術(shù)，柯達(dá)公司也這因這項而獲得相應(yīng)的專利權(quán)，項技術(shù)專利便是OLED顯示技術(shù)，并生產(chǎn)出了現(xiàn)在所使用的各種OLED。在我們亞洲地區(qū)主要集中的是低分子OLED技術(shù)，我們中國在這方面起步比較晚，盡管目前已經(jīng)擁有了一定的OLED產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，但就國內(nèi)而言，我們相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)的發(fā)展卻并不完善，我們在核心技術(shù)方面依舊無法獲得突破，所以目前我們所使用的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備大多都還是國外的，比如日韓以及歐洲等。OLED實物圖如3.4.1所示。圖3.4.1OLED實物圖3.4.2結(jié)構(gòu)特點OLED的制作工藝使用的是將有機(jī)材料涂層及玻璃基板制造成厚度很薄的結(jié)構(gòu)形式，這樣一來，當(dāng)有電流通過時，這些被制作成這種結(jié)構(gòu)的有機(jī)材料將會自行發(fā)光，也就不再需要其他條件，這也就是OLED顯示技術(shù)的自發(fā)光特性。此外，當(dāng)我們從不同的角度觀察OLED顯示屏?xí)r，都不會影響觀察效果，這也就是它可視角度大的特點，而且節(jié)能效果明顯，這一點從多年前的MP3音樂播放器開始使用這項顯示技術(shù)便可得知。本文中使用的是某品牌的0.96寸OLED顯示屏，這款顯示屏的分辨率為128*64，可以選擇使用的顏色有黃、藍(lán)、白三種，可供的接口方式有多種，本文使用的是IIC這種通信方式，因為這種接線方式僅僅需要接兩根線即可實現(xiàn)對OLED的控制，這樣可節(jié)省部分時間。3.4.3OLED的管腳定義管腳定義如表3.4.1所示。表3.4.1OLED管腳定義表3.4.4OLED電路圖如圖3.4.2所示。圖3.4.2OLED電路圖在這里OLED采用的通信方式是IIC，而IIC通信方式由SCL和SDA來構(gòu)成，將他們分別連接至PB6、PB7，并通過這兩個I/O口來模擬IIC通信方式。3.5熱釋電紅外傳感器HC-SR5013.5.1工作原理HC-SR501主要是通過對某波長的紅外輻射進(jìn)行檢測而工作的，具體如下：人是一種恒溫動物，人的體通常維持在37攝氏度左右。在這個溫度下，人體將會向外發(fā)出波長約為10UM的紅外線，而HC-RS501上的被動式紅外探頭對波長為10UM的紅外線比較敏感，所有它可以輕易的檢測出這種特定波長的紅外線。此外，HC-SR501還裝設(shè)了菲泥爾濾光鏡，而我們所發(fā)出的紅外線在通過菲泥爾濾光片后，將會得到增強(qiáng)，并聚集到紅外感應(yīng)源上，紅外感應(yīng)源在接收到紅外線后，可以感應(yīng)出人體紅外輻射發(fā)生的變化，然后向外釋放電荷，失去電荷平衡，再由后續(xù)的電路經(jīng)過檢測及處理后發(fā)出報警信號。圖3.5.1HC-RS501實物圖3.5.2HC-SR501的參數(shù)HC-SR501各參數(shù)如表3.5.1所示。表3.5.1HC-SR501參數(shù)表HC-SR501的檢測范圍為上限至7米下限至3米，這個檢測范圍我們可以通過HC-SR501上的調(diào)整旋鈕自行調(diào)節(jié)。3.5.3HC-SR501的管腳定義管腳定義如表3.5.2所示。表3.5.2HC-SR501管腳定義表3.5.4HC-SR501電路圖電路圖如圖3.5.2。圖3.5.2HC-SR501電路圖HC-SR501在檢測到有人存在后，它的輸出端將由低電平跳至高電平，如果檢測范圍內(nèi)的人離開后，HC-SR501檢測不到特定的紅外輻射，那么它的輸出端將自動跳至低電平，而單片機(jī)通過識別與之相連的PB5管腳來判斷電平信號進(jìn)而做出下一步動作。3.6ESP8266WIFI模塊3.6.1簡介ESP8266是一個高度集成的模塊，從天線開關(guān)到電源管理轉(zhuǎn)換器，再到前端模塊，或者是其他部分器件，這些都集成在一個一個小小的片內(nèi)。ESP8266作為一個完整且獨立的WIFI網(wǎng)絡(luò)解決方案，他可以解決大多數(shù)WIFI問題。它能夠以slave的形式，和其他的Host一起工作。在承擔(dān)無線網(wǎng)絡(luò)WIFI適配器時，可以直接添加到其他已有微控制器的設(shè)計中去，可以通過SPI/SDIO也可以經(jīng)中央處理器的AHB橋接口，再經(jīng)過簡單的連線就可以起到相應(yīng)作用。ESP8266擁有強(qiáng)大的處理能力及存儲能力，這一點從它可以通過GPIO口集成傳感器或者其他應(yīng)用的設(shè)備可以體現(xiàn)出來，這樣一來就可以有效的減少系統(tǒng)占用資源，降低前期的資源消耗。ESP8266實物圖如圖3.6.1所示。圖3.6.1ESP8266實物圖3.6.2引腳功能引腳功能如表3.6.1所示。表3.6.1ESP8266引腳功能表3.6.3ESP8266電路圖電路圖如圖3.6.2所示，圖中僅畫出需要使用的引腳。圖3.6.2ESP8266電路圖3.7本章小結(jié)本章主要了解并論述了系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和功能，列出了他們的I/O管腳定義并對各部分硬件進(jìn)行了電路的設(shè)計。4軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)本設(shè)計的系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1.1所示。圖4.1.1系統(tǒng)軟件框圖由圖可看出本系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)包含了五個子程序，其中：溫度預(yù)設(shè)置子程序通過配置I/O口的高電平來對預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行設(shè)定；溫度采集子程序主要通過配置DS18B20傳感器來采集環(huán)境溫度；人體紅外感應(yīng)子程序負(fù)責(zé)配置HC-SR501模塊對檢測范圍內(nèi)的人體紅外輻射進(jìn)行檢測；電機(jī)控制子程序通過進(jìn)行溫度的對比，再配置驅(qū)動模塊和不同的占空比輸出，從而對電機(jī)進(jìn)行自動控制；而系統(tǒng)初始化則囊括在主程序中，主要包含了系統(tǒng)時鐘初始化、延時函數(shù)初始化等。主程序流程圖如圖4.1.2所示。圖4.1.2主程序流程圖4.2溫度預(yù)設(shè)子程序預(yù)設(shè)溫度這部分主要是通過兩個獨立按鍵來進(jìn)行的，在按鍵按下的時它們與單片機(jī)相連的I/O口的電平信號發(fā)生跳變，單片機(jī)通過判斷高低電平再決定下一步處理。本文將初始的預(yù)設(shè)置溫度調(diào)整為50攝氏度，即開機(jī)時將顯示50的字樣，，這是為了避免系統(tǒng)直接啟動，后續(xù)的溫度調(diào)整將在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行。當(dāng)我們按下+1或者-1按鍵后，系統(tǒng)將會根據(jù)先前的人為操作，對預(yù)設(shè)值進(jìn)行+1或者-1處理，并將處理后的數(shù)值顯示在顯示屏上。圖4.2.1溫度預(yù)設(shè)流程圖4.3人體紅外感應(yīng)子程序人體紅外感應(yīng)子程序主要是圍繞HC-SR501輸出的電平信號而編寫的，當(dāng)HC-SR501檢測不到人體紅外輻射時，HC-SR501輸出低電平，當(dāng)HC-SR501檢測到人體紅外輻射時，輸出將由低電平跳變至高電平，并發(fā)送給控制芯片，控制芯片對高低電平進(jìn)行判斷后再進(jìn)行下一步動作。流程圖如4.3.1所示。圖4.3.1人體紅外感應(yīng)流程圖4.4環(huán)境溫度檢測子程序這部分子程序分成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩部分。采集部分負(fù)責(zé)將DS18B20采集到的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并存儲在寄存器中。數(shù)據(jù)處理部分則將原先存儲在寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將讀到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制并傳輸給控制芯片，再由顯示屏顯示出來。流程圖如圖4.4.1所示。圖4.4.1DS18B20流程圖4.5電機(jī)控制子程序這部分程序主要包含兩個過程，第一過程為溫度對比，第二個過程是PWM調(diào)速。第一過程中需要在溫度預(yù)設(shè)值完畢后，將DS18B20讀取到的數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比較，只有在實際溫度大于預(yù)設(shè)溫度的時候，電機(jī)才會啟動。首先PWM調(diào)速原理如下：電樞電壓：其中即為PWM波形的占空比，我們只需要改變占空比就可改變轉(zhuǎn)速。所以第二個過程則需要對輸出的占空比進(jìn)行調(diào)整，本系統(tǒng)將電機(jī)的占空比設(shè)置成五個檔位，根據(jù)環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)置溫度對比所得的大小差值自行切換不同的檔位。這五個檔位所對應(yīng)的占空比如表4.5.1所示。檔位占空比1檔198/10002檔386/10003檔594/10004檔801/10005檔1000/1000表4.5.1各檔位占空比對照表這里系統(tǒng)每隔100ms就會產(chǎn)生一次定時中斷，并根據(jù)環(huán)境溫度與預(yù)設(shè)溫度的差值，輸出對應(yīng)的下一個PWM波形，輸出頻率為10Hz。電機(jī)控制流程圖如圖4.5.1所示。圖4.5.1電機(jī)控制流程圖4.6遠(yuǎn)程控制子程序本文實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的構(gòu)想主要有包括以下這幾個步驟：由于需要實現(xiàn)的是以手機(jī)為終端的遠(yuǎn)程控制，所以重要的一點是手機(jī)必須連接上ESP8266發(fā)出的WIFI網(wǎng)絡(luò)，在連接這個WIFI之前，還需要配合電腦、手機(jī)及串口助手等相關(guān)軟硬件對ESP8266的WIFI網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置，配置完成后才開始連接網(wǎng)絡(luò)，并通過手機(jī)上的APP建立起Socket鏈接，這樣第一步就基本完成了。完成連接后，在手機(jī)上的APP把需要的數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8266，ESP8266再把WIFI信號轉(zhuǎn)換成串口信號，再經(jīng)串行通信傳送給單片機(jī)。單片機(jī)開始處理收到的指令數(shù)據(jù)。處理完成后，單片機(jī)將處理結(jié)果經(jīng)WIFI無線網(wǎng)絡(luò)反饋到手機(jī)終端。經(jīng)過以上幾個步驟，我們可以建立起手機(jī)與ESP8266、單片機(jī)之間的通信和控制。流程圖如圖3.5.1所示。圖4.6.1遠(yuǎn)程控制流程圖4.7本章小結(jié)本章主要對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了論述，并對其做出了說明，對某些主要的部分進(jìn)行了流程圖的繪制和說明。5系統(tǒng)調(diào)試5.1調(diào)試準(zhǔn)備在調(diào)試之前，我們需要從兩個方面進(jìn)行準(zhǔn)備，首先是硬件部分。在硬件部分我們需要準(zhǔn)備好整個過程中需要用到的各種器件，比如焊接工具、若干可供替換的元器件、一臺計算機(jī)等，并且需要確保每一部分的電路連接是正確的。軟件方面的準(zhǔn)備有程序編譯軟件、串口調(diào)試助手及相關(guān)資料等。這些主要用于程序的編寫、編譯、燒錄調(diào)試以及串口通信這幾個方面的調(diào)試。測試項目為系統(tǒng)的幾個主要部分。在測試之前需要將該系統(tǒng)放置在一個無強(qiáng)光照射、無大風(fēng)的環(huán)境中，避免特殊環(huán)境對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。5.2溫度采集的調(diào)試這個項調(diào)試直接在已焊接好的電路板上進(jìn)行，具體操作方法是，用手指輕輕捏住DS18B20溫度傳感器的黑色部分，以此來給傳感器加溫，若顯示屏上顯示的溫度有明顯的上升則為成功。調(diào)試結(jié)果：經(jīng)過具體操作后，可以清晰的看到OLED上顯示的溫度以一定的頻率逐漸上升，且溫度變化明顯（屏幕的上方數(shù)字為采集到的溫度，下方數(shù)字為預(yù)設(shè)溫度），如圖5.1.1、5.1.2、5.1.3、5.1.4。圖5.2.1起始溫度圖5.2.2加熱少些時間后圖5.2.3加熱一定時間后圖5.2.4加熱一段時間后調(diào)試結(jié)果：成功。5.3人體感應(yīng)的調(diào)試使用人體感應(yīng)部分電路進(jìn)行測試，若探頭檢測不到人的存在，電機(jī)將不會啟動，系統(tǒng)待機(jī)；如果檢測到人，則電機(jī)啟動，系統(tǒng)開始工作，則調(diào)試成功。首先，將探頭前方清空，避免有其他遮擋物體影響測試結(jié)果，人需站在探頭無法檢測到的位置，并事先對系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行調(diào)整，使得實際溫度大于預(yù)設(shè)溫度。一切準(zhǔn)備完畢開始測試。調(diào)試結(jié)果：剛開始探頭前方無人時，電機(jī)不轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。然后將手緩慢的擋在探頭前方，這時電機(jī)啟動，系統(tǒng)開始工作。調(diào)試結(jié)果：成功。5.4溫度預(yù)設(shè)置的調(diào)試這個測試在按鍵電路電路上直接進(jìn)行。按鍵電路是用于對預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行設(shè)置的，所以在按下相應(yīng)的按鍵時，OLED上顯示的預(yù)設(shè)溫度也應(yīng)當(dāng)隨之改變。我們在這里設(shè)置初始狀態(tài)為30度（上方顯示的數(shù)字為采集到的實際溫度，下方顯示的數(shù)字即為預(yù)設(shè)溫度），如圖5.3.1。調(diào)試結(jié)果：按下加1鍵，原本OLED顯示屏上的顯示的預(yù)設(shè)溫度加1，此時顯示為31。如圖5.3.2。再按下減1鍵，OLED顯示屏上的預(yù)設(shè)溫度減1，溫度預(yù)設(shè)值回到30。如圖3.5.3。圖5.3.1初始狀態(tài)圖5.3.2按下加1鍵后圖3.5.3按下減1鍵后調(diào)試結(jié)果：成功。5.5電機(jī)控制部分的調(diào)試這部分，需保持預(yù)設(shè)溫度一直低于實際溫度，并將預(yù)設(shè)置溫度不斷降低，如果隨著預(yù)設(shè)溫度逐漸降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速按照對應(yīng)的檔位逐漸提升，環(huán)境溫度值也開始降低并逐漸接近預(yù)設(shè)溫度值，則測試成功。逐漸將預(yù)設(shè)溫度降低，電機(jī)轉(zhuǎn)速以階梯般的形式明顯的提升，符合檔位設(shè)置的要求，且OLED顯示屏上顯示的環(huán)境溫度開始降低并逐漸接近預(yù)設(shè)溫度值。調(diào)試結(jié)果：成功。5.6本章小結(jié)本章主要對設(shè)計的主要部分進(jìn)行了測試，經(jīng)過各項測試，各部分電路的工作情況及其實現(xiàn)的功能均已達(dá)到預(yù)期效果。6結(jié)束語經(jīng)過對國內(nèi)市場的初步了解，智能化風(fēng)扇這以相關(guān)產(chǎn)品雖然已經(jīng)起步，但總體來說大多數(shù)的的類產(chǎn)品其智能化水平普遍不高。經(jīng)過了解相關(guān)情況后發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)老百姓家中使用的電風(fēng)扇仍然是老式的、經(jīng)典樣式的電風(fēng)扇，所以本文提出了基于單片機(jī)可遠(yuǎn)程控制的自動調(diào)溫風(fēng)扇這個命題，并進(jìn)行了相關(guān)的研究和設(shè)計，目的在于提供更好的產(chǎn)品理念，及改善人們對風(fēng)扇的使用體驗。本次設(shè)計中包含了人體檢測、自動控溫及遠(yuǎn)程控制這幾種功能，通過這幾項功能，人們不必像使用老式電風(fēng)扇那樣需要在特定位置進(jìn)行反復(fù)的操作，我們只需要在手機(jī)上連接WIFI后即可完成全部操作。這些在眾多同類產(chǎn)品中也是不多見的，只可惜在后續(xù)的設(shè)計制作過程中，由于條件有限，控制精度還是不太理想，及遠(yuǎn)程控制部分功能未能完全實現(xiàn)，實屬遺憾。若日后有機(jī)會對其進(jìn)行改善，我將加強(qiáng)對WIFI部分相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，實現(xiàn)所有預(yù)想中的功能。本次設(shè)計主要進(jìn)行了以下這些工作：確定命題后，對產(chǎn)品系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能及系統(tǒng)進(jìn)行了綜合分析，并制定出了以單片機(jī)為核心的設(shè)計方案。其次，對硬件各部分進(jìn)行了方案論證，并綜合了各方面的情況，如系統(tǒng)要求、開發(fā)難度、及制作成本等，最終確定了本次設(shè)計所需的各種電子元器件。對系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行了分析，這部分的工作主要包括了解器件的工作方式及不同器件之間的連接方式，再查找相關(guān)的書籍，制定了各部分的硬件電路。對系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了分析和設(shè)計，通過繪制系統(tǒng)框圖、流程圖等對系統(tǒng)的工作流程進(jìn)行了闡述，并通過編程軟件編寫編譯了相關(guān)的的程序。在完成以上工作后，我開始對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。在做好調(diào)試準(zhǔn)備工作后，對系統(tǒng)的幾個主要部分進(jìn)行了調(diào)試，并分析結(jié)果，總結(jié)了調(diào)試結(jié)果。總結(jié)工作情況，并開始著手論文的撰寫。經(jīng)過以上的工作，我的畢業(yè)設(shè)計也走到了尾聲，這段時間的學(xué)習(xí)使我收獲了很多，在以后的工作學(xué)習(xí)里，我仍需要發(fā)揮積極向上的學(xué)習(xí)態(tài)度，面對生活的各種風(fēng)浪。致謝時光荏苒，曾經(jīng)感嘆時間漫長，但四年的學(xué)習(xí)生活終究還是走到了結(jié)尾。從懵懂的高中生到獨立的大學(xué)生，再到即將步入社會的現(xiàn)在，我們在這段時間里學(xué)到了很多東西，不僅僅是專業(yè)知識，也有人生的知識，這些也將為我們未來的人生道路積累經(jīng)驗。在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，我遇到了許多困難。從起初的選題、到無從下手，再初具規(guī)模，最后基本完成，這整個過程中遇到了個各種各樣的問題。所幸的是，我得到了這些人的幫助。起初，我也曾因選題而感到迷茫，經(jīng)過和指導(dǎo)老師談?wù)摵螅也诺靡源_定本次課題，在后來的一系列工作中我的指導(dǎo)老師還提出了十分有價值的建議，促使我更好的完成這次畢業(yè)設(shè)計，所以首先要感謝的是我的指導(dǎo)老師馮老師。其次要感謝的是我的幾個舍友，很多次在技術(shù)層面上遇到問題的時候，我得到了他們的的幫助，尤其是在軟件編程部分，多虧他們我才得以解決相應(yīng)問題。在解決問題的過程中，他們也推薦給我很多資料，這也促使我更好的完成了我的畢業(yè)設(shè)計，毫不吝嗇的說，他們簡直就是我的技術(shù)顧問團(tuán)隊，我十分感謝他們給予我的幫助。最后感謝學(xué)校這幾年的栽培和各科任老師的耐心解答，由衷感謝。參考文獻(xiàn)[1]史寶玲，DS18B20數(shù)字傳感器技術(shù)分析[J].中國技術(shù)新產(chǎn)品，2011，（4）：52.[2]夏莉英，陳雁，基于DS18B20的溫度測控系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2011，（1）：115-117.[3]蔣松云，基于單片機(jī)溫度和煙霧檢測報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子制作，2017，（11）：21-22.[4]邢睦紳.基于打磨片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計分析[J].中國新通信，2015,17，（13）：109.[5]張小明.探究基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)[J].電子制作.2015（01）：271-272.[6]湘江.基于DS18B20的無線溫度監(jiān)控系統(tǒn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