基于STM32的智能节能风扇设计及应用

基于STM32的智能节能风扇的设计与实现

摘要：
随着智能家居的普及，智能风扇作为其中的一员，越来越受到人们的关注。本文设计并实现了一款基于STM32的智能节能风扇，具有自动风速调节、节能模式、定时开关等功能。文章从设计思路、硬件选型、电路设计、软件编程等方面进行了详细阐述，并给出了具体的实现方案和测试结果。

一、引言

智能风扇作为智能家居的重要组成部分，不仅要求具备基本的风扇功能，还需要能够根据环境和使用者的需求进行智能调节。本文旨在设计一款集节能、智能于一体的风扇，以满足现代家居的需求。

二、设计思路

1. 自动风速调节：通过温度传感器和湿度传感器实时监测环境温湿度，根据预设的舒适区间自动调节风扇的风速。
2. 节能模式：在无人或环境温湿度适宜时，风扇自动进入低功耗模式，减少能源浪费。
3. 定时开关：用户可以通过按键或手机APP设置风扇的开关时间，实现定时功能。

三、硬件选型

1. 主控芯片：选用STM32F103C8T6作为主控芯片，其性价比高，功能强大，满足设计要求。
2. 传感器：选用DHT11温湿度传感器，用于实时监测环境温湿度。
3. 电机驱动：采用L298N电机驱动模块，能够稳定驱动风扇电机。
4. 电源模块：采用12V开关电源供电，通过降压稳压电路为各模块提供稳定的工作电压。
5. 其他：包括按键、LED指示灯、蜂鸣器等辅助元件。

四、电路设计

1. 电源电路：设计降压稳压电路，将12V输入电压转换为5V和3.3V，分别为电机驱动模块和主控芯片供电。
2. 传感器电路：DHT11温湿度传感器与STM32的GPIO口连接，实现数据传输。
3. 电机驱动电路：L298N电机驱动模块的输入端与STM32的PWM输出口连接，控制风扇电机的转速；输出端接风扇电机。
4. 按键与指示电路：设计按键输入电路和LED指示电路，实现用户交互功能。

五、软件编程

1. 系统初始化：配置STM32的GPIO、PWM、定时器、中断等资源，初始化传感器和电机驱动模块。
2. 传感器数据读取：编写DHT11传感器的驱动程序，实时读取环境温湿度数据。
3. 自动风速调节算法：根据读取的温湿度数据，判断当前环境是否处于舒适区间，并据此调节风扇的风速。
4. 节能模式实现：通过检测环境温湿度和人体红外传感器来判断是否需要进入节能模式。
5. 定时功能实现：利用STM32的定时器功能，实现风扇的定时开关功能。用户可以通过按键或手机APP设置定时时间。
6. 手机APP设计：设计一款与风扇配套的手机APP，用户可以通过APP远程控制风扇的开关、风速、定时等功能。APP与风扇之间通过蓝牙或WiFi进行通信。

六、测试与结果分析

1. 功能测试：对风扇的自动风速调节、节能模式、定时开关等功能进行逐一测试，确保各项功能正常工作。
2. 性能测试：在不同温湿度环境下测试风扇的响应速度和调节精度，以及在不同风速下的功耗情况。结果表明，风扇能够快速响应环境变化，准确调节风速，且在节能模式下具有较低的功耗。
3. 用户体验测试：邀请多名用户使用风扇并填写体验问卷，收集用户对风扇的外观、操作便捷性、舒适度等方面的反馈意见。根据用户反馈进行针对性优化改进。

七、结论与展望

本文设计并实现了一款基于STM32的智能节能风扇，通过温湿度传感器实时监测环境温湿度并自动调节风速，实现了节能和智能调节的功能。测试结果表明，该风扇具有良好的性能和用户体验。未来可以进一步研究如何将更多智能家居设备接入同一平台，实现家居设备的互联互通和智能化管理。、

以下是一个简化版的代码示例，涵盖了STM32的初始化、风扇驱动控制以及基于温度读取的智能调速逻辑。由于实际的工程代码较为复杂，并且依赖于具体的硬件连接方式和库函数版本，此示例代码主要用于说明结构和逻辑，而非直接可用的完整代码。

请注意，这里的代码是使用C语言编写的，并假定你已经配置了STM32CubeMX或相应的HAL库。

#include "stm32f1xx_hal.h"  
  
// 假设PWM控制的GPIO和定时器已经通过STM32CubeMX配置好  
extern TIM_HandleTypeDef htimx; // x 是定时器的实例编号  
  
// 风扇PWM控制函数  
void Fan_Control(uint8_t speed) {  
    // 将0-100的速度值转换为PWM的占空比  
    uint16_t pwmValue = (uint16_t)((speed * (htimx.Init.Period + 1)) / 100);  
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htimx, TIM_CHANNEL_x, pwmValue); // x 是PWM通道的编号  
}  
  
// 读取温度值（伪代码，需要替换为具体的传感器读取函数）  
float Read_Temperature(void) {  
    // 假设这里有一个函数可以返回温度值  
    float temperature = 0.0f; // 这里应该是从传感器读取的实际值  
    // ... 读取温度的代码 ...  
    return temperature;  
}  
  
// 智能节能算法  
void Smart_Energy_Saving(void) {  
    float temperature = Read_Temperature();  
    uint8_t fanSpeed = 0;  
  
    // 根据温度设置风扇速度  
    if (temperature >= 30.0f) {  
        fanSpeed = 100; // 最大速度  
    } else if (temperature >= 25.0f) {  
        fanSpeed = 75; // 中等速度  
    } else if (temperature >= 20.0f) {  
        fanSpeed = 50; // 低速  
    } else {  
        fanSpeed = 0;  // 关闭风扇  
    }  
  
    // 控制风扇  
    Fan_Control(fanSpeed);  
}  
  
// 主函数  
int main(void) {  
    // HAL库初始化  
    HAL_Init();  
  
    // 配置系统时钟（根据实际情况，可能是HSE、HSI、PLL等）  
    // ...  
  
    // 初始化GPIO（如果使用STM32CubeMX，此步骤会自动生成）  
    // ...  
  
    // 初始化PWM（如果使用STM32CubeMX，此步骤会自动生成）  
    // ...  
  
    // 初始化其他外设（如果需要）  
    // ...  
  
    // 主循环  
    while (1) {  
        // 智能节能控制算法  
        Smart_Energy_Saving();  
  
        // 其他任务（如果需要）  
        // ...  
  
        HAL_Delay(1000); // 延时1秒（可根据需要调整）  
    }  
}

这段代码中的Read_Temperature函数是伪代码，需要根据你实际使用的温度传感器来编写读取逻辑。Fan_Control函数控制风扇的PWM输出，以达到调节速度的目的。Smart_Energy_Saving函数是智能节能算法的核心，它根据读取到的温度值来设置风扇的速度。

由于STM32的HAL库提供了丰富的函数来配置和控制各种外设，强烈建议使用STM32CubeMX来生成初始化代码，并在生成的基础上添加自己的逻辑代码。

另外，STM32CubeMX还可以生成对应的FreeRTOS或裸机代码框架，允许你在多任务环境中运行智能风扇的控制逻辑，这样可以更容易地处理定时任务、用户交互等复杂功能。

为了提供一个更完整的代码示例，我们需要详细定义如何初始化STM32的硬件外设，包括GPIO、PWM定时器以及（可选的）温度传感器的初始化。以下是一个扩展的代码框架，它包括了这些初始化步骤和一个简单的温度读取与风扇控制逻辑。

请注意，以下代码是基于STM32 HAL库的，并且需要根据你实际使用的STM32型号、温度传感器型号以及接线方式进行适当的修改。

#include "stm32f1xx_hal.h"  
  
// 假设PWM控制使用TIM3的CH1  
#define FAN_PWM_HTIM          htim3  
#define FAN_PWM_CHANNEL       TIM_CHANNEL_1  
  
// 温度传感器DHT11的引脚定义（需要根据实际连接修改）  
#define DHT11_PORT            GPIOA  
#define DHT11_PIN             GPIO_PIN_0  
#define DHT11_GPIO_CLK_ENABLE __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE  
  
// 初始化PWM定时器  
void MX_TIM3_Init(void) {  
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};  
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};  
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};  
  
    htim3.Instance = TIM3;  
    htim3.Init.Prescaler = 7199; // 假设时钟为72MHz，这里设置为7199得到10kHz的PWM频率  
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;  
    htim3.Init.Period = 999; // 设置PWM周期为1000，即频率为1kHz  
    htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;  
    HAL_TIM_Base_Init(&htim3);  
  
    sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;  
    HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim3, &sClockSourceConfig);  
  
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);  
  
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;  
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;  
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim3, &sMasterConfig);  
  
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;  
    sConfigOC.Pulse = 0; // 初始占空比为0  
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;  
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;  
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, FAN_PWM_CHANNEL);  
  
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, FAN_PWM_CHANNEL);  
}  
  
// 初始化DHT11的GPIO（仅初始化，读取逻辑需要另外实现）  
void MX_GPIO_Init(void) {  
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};  
  
    DHT11_GPIO_CLK_ENABLE();  
  
    GPIO_InitStruct.Pin = DHT11_PIN;  
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; // DHT11的数据线需要设置为输入来读取数据  
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; // 通常DHT11不需要上拉或下拉电阻  
    HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStruct);  
  
    // 这里还需要实现DHT11的读取逻辑，包括开始信号、响应等待和数据读取等步骤。  
}  
  
// 风扇PWM控制函数（0-100的百分比）  
void Fan_Control(uint8_t speed_percent) {  
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&FAN_PWM_HTIM, FAN_PWM_CHANNEL, (uint16_t)((speed_percent * 1000) / 100));  
}  
  
// 从DHT11读取温度值（伪代码，需要实现具体的读取逻辑）  
float Read_Temperature_From_DHT11(void) {  
    // 这里需要实现DHT11的完整读取逻辑，并返回温度值。  
    float temperature = 0.0f; // 伪代码，应替换为实际读取到的温度值。  
    return temperature;  
}  
  
// 智能节能算法实现  
void Smart_Energy_Saving_Algorithm(void) {  
    float temperature = Read_Temperature_From_DHT11(); // 读取温度值（需要实现该函数）  
    uint8_t fan_speed = 0; // 风扇速度百分比（0%-100%）  
  
    if (temperature >= 30.0f) {  
        fan_speed = 100; // 温度大于或等于30度时，风扇全速运转。  
    } else if (temperature >= 25.0f) {  
        fan_speed = 75; // 温度在25度到30度之间时，风扇以75%的速度运转。  
    } else if (temperature >= 20.0f) {  
        fan_speed = 50; // 温度在20度到25度之间时，风扇以50%的速度运转。  
    } else {  
        fan_speed = 0; // 温度低于20度时，风扇关闭。  
    }  
  
    Fan_Control(fan_speed); // 控制风扇速度  
}  
  
int main(void) {  
    HAL_Init(); // 初始化HAL库  
  
    // 配置系统时钟（根据具体的STM32型号和时钟树配置）  
    // ... (这里需要添加时钟配置代码)  
  
    // 初始化外设  
    MX_GPIO_Init(); // 初始化GPIO（包括DHT11的引脚）  
    MX_TIM3_Init(); // 初始化TIM3为PWM输出控制风扇  
  
    // 主循环  
    while (1) {  
        Smart_Energy_Saving_Algorithm(); // 调用智能节能算法调整风扇速度  
        HAL_Delay(1000); // 延时1秒（可以根据需要调整延时时间）  
    }  
}

请注意，这段代码中的Read_Temperature_From_DHT11函数是伪代码，表示你需要根据DHT11传感器的数据手册来实现具体的读取逻辑。DHT11传感器通常通过一根数据线与STM32通信，通信过程包括发送开始信号、等待传感器响应、读取数据等步骤。实现这个函数时，你可能需要使用到GPIO的模拟输入功能以及定时器的延时功能来确保正确读取数据。此外，还需要处理读取到的原始数据，将其转换为实际的温度值。由于这涉及到底层的硬件通信，所以具体实现会比较复杂，并且需要参考DHT11的数据手册。

为了继续展开代码，我们需要实现DHT11传感器的读取逻辑。DHT11是一个常见的温湿度传感器，它通过一根数据线与微控制器通信。以下是一个基于STM32 HAL库的DHT11读取函数实现示例。请注意，这个函数假设你已经定义了必要的GPIO和延时函数。

首先，我们需要定义DHT11的数据线引脚和相关的GPIO设置。然后，实现一个读取DHT11传感器数据的函数。这个函数将包括发送开始信号、等待响应、读取数据以及校验数据的步骤。

#include "stm32f1xx_hal.h"  
  
// DHT11定义  
#define DHT11_PORT GPIOA  
#define DHT11_PIN GPIO_PIN_0  
  
// 设置DHT11的GPIO为输入模式  
void DHT11_GPIO_InputMode(void) {  
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};  
    DHT11_GPIO_CLK_ENABLE(); // 确保时钟已经使能，这个函数需要根据具体的GPIO来定义  
  
    GPIO_InitStruct.Pin = DHT11_PIN;  
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;  
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 上拉电阻，用于确保在没有数据传输时线路保持高电平  
    HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStruct);  
}  
  
// 设置DHT11的GPIO为输出模式  
void DHT11_GPIO_OutputMode(void) {  
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};  
  
    GPIO_InitStruct.Pin = DHT11_PIN;  
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // 推挽输出  
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; // 低速  
    HAL_GPIO_Init(DHT11_PORT, &GPIO_InitStruct);  
}  
  
// DHT11开始信号  
void DHT11_StartSignal(void) {  
    DHT11_GPIO_OutputMode(); // 设置为输出模式  
    HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_RESET); // 拉低数据线至少18ms  
    HAL_Delay(20); // 延时20ms  
    HAL_GPIO_WritePin(DHT11_PORT, DHT11_PIN, GPIO_PIN_SET); // 拉高数据线20-40us  
    HAL_Delay(25); // 这里使用稍微长一点的延时以确保稳定  
    DHT11_GPIO_InputMode(); // 设置为输入模式，准备读取数据  
}  
  
// 检查DHT11是否有响应  
uint8_t DHT11_CheckResponse(void) {  
    uint8_t response = 0;  
    HAL_Delay(40); // 等待DHT11的响应信号，低电平80us  
    if (!(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN))) { // 检查是否为低电平  
        HAL_Delay(80); // 等待80us  
        if (!(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN))) { // 再次检查确保是DHT11的响应  
            response = 1; // 有响应  
            while (!(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN))); // 等待数据线变为高电平  
        }  
    }  
    return response;  
}  
  
// 从DHT11读取一个字节的数据  
uint8_t DHT11_ReadByte(void) {  
    uint8_t i, byte = 0;  
    for (i = 0; i < 8; i++) {  
        while (!(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN))); // 等待数据线从低电平跳变到高电平  
        HAL_Delay(40); // 等待40us  
        if (!(HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN))) { // 数据线为低表示读取到0  
            byte &= ~(1 << (7 - i)); // 将对应的位清零  
        } else {  
            byte |= (1 << (7 - i)); // 将对应的位置1  
        }  
        while (HAL_GPIO_ReadPin(DHT11_PORT, DHT11_PIN)); // 等待数据线变为低电平，准备读取下一位  
    }  
    return byte;  
}  
  
// 读取DHT11的温度和湿度数据  
uint8_t DHT11_Read(float *temperature, float *humidity) {  
    uint8_t checksum, byte;  
    DHT11_StartSignal(); // 发送开始信号  
    if (!DHT11_CheckResponse()) return 0; // 检查DHT11是否有响应  
  
    byte = DHT11_ReadByte(); // 读取第一个字节，应该是0x00  
    if (byte != 0x00) return 0; // 如果不是0x00，则读取失败  
  
    byte = DHT11_ReadByte(); // 读取第二个字节，应该是0x80（湿度整数部分）  
    if (byte != 0x80) return 0; // 如果不是0x80，则读取失败  
  
    *humidity = DHT11_ReadByte(); // 读取湿度的小数部分（实际上是整数的后8位，但DHT11的小数部分为0）  
    *temperature = DHT11_ReadByte(); // 读取温度的整数部分（一个字节表示）  
    *(temperature + 1) = DHT11_ReadByte(); // 读取温度的小数部分（DHT11没有小数部分，这里读取的是0）  
    checksum = DHT11_ReadByte(); // 读取校验和  
  
    // 校验数据  
    if ((byte + *humidity + *temperature + *(temperature + 1)) != checksum) return 0; // 校验失败  
  
    // 转换数据格式（根据DHT11的数据手册，温度和湿度数据需要特定的转换）  
    *humidity = (*humidity) / 10.0f; // 将湿度从0-1000转换为0-100的百分比  
    *temperature = ((*temperature) & 0x7F); // 移除温度的最高位（符号位），DHT11只支持正温度  
    if ((*temperature) & 0x80) { // 如果读取到的是负数（实际上DHT11不会返回负数，这里是为了完整性）  
        *temperature = -((~*temperature) + 1); // 将补码转换为负整数（但DHT11不会返回这样的值，所以这部分代码实际上不会被执行）  
    }  
    // 注意：DHT11的温度值实际上是以摄氏度为单位的整数，没有小数部分。如果需要小数部分，可以通过插值或其他方法估算。  
    // 由于DHT11不提供小数部分的温度读数，我们可以将整数部分直接作为温度值（忽略小数部分）。或者，如果需要更高的精度，可以使用其他传感器。  
    // 在这里，我们简单地将读取到的整数部分作为温度值，并忽略小数部分。同时，我们也将湿度值除以10以得到正确的百分比表示。  
    // 另外，请注意DHT11的返回值是基于其自己的标定和线性化算法的，因此在某些条件下可能会有一定的误差。在实际应用中可能需要进行校准或调整。  
    // 最后，请确保在调用此函数之前已经正确配置了GPIO和相关的时钟设置。此外，还需要注意DHT11的数据手册中关于时序和电气特性的要求以确保正确读取数据。  
    // 由于STM32的HAL库提供了方便的GPIO和延时函数接口，我们可以直接使用这些函数来与DHT11通信而无需直接操作底层硬件寄存器。这使得代码更加简洁易读且易于维护。但是仍然需要仔细处理时序以确保与DHT11的正确通信。特别是延时的准确性对于读取DHT11的数据至关重要。在某些情况下可能需要调整延时函数的实现以获得最佳效果。此外还需要注意DHT11的供电电压和接口类型以确保与STM32的兼容性和稳定性。在实际应用中还需要考虑环境因素如温度和湿度变化对DHT11性能的影响以及可能的校准需求。总之实现与DHT11的通信需要综合考虑多个方面的因素以确保准确性和稳定性。  
    return 1; // 读取成功  
}

上面的代码提供了与DHT11传感器通信的基本框架。但是，请注意，由于DHT11的特性和STM32的具体实现细节，这段代码可能需要根据实际情况进行调整和优化。特别是延时函数和数据读取部分的时序可能需要根据DHT11的数据手册和STM32的时钟设置进行精确调整。此外，错误处理和数据校验部分也需要根据具体应用的需求进行完善。在实际应用中，还需要考虑如何定期或按需调用这个函数以及如何处理读取到的温度和湿度数据。最后，请注意这段代码没有考虑STM32的中断处理和并发访问问题，这在高并发或实时性要求较高的应用中可能是必要的考虑因素。

作者：科创工作室li