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单片机模拟风扇控制系统的实现与源码详解

单片机：实现模拟风扇控制系统

1. 项目背景与目标

风扇控制系统广泛应用于温控、通风等场景。在现代嵌入式系统中，我们可以利用单片机来实现一个智能的风扇控制系统。系统通过采集环境温度或湿度数据，根据不同的条件调节风扇的转速或开启/关闭状态。常见的实现方式是通过PWM（脉冲宽度调制）信号控制风扇的电机转速，达到调节风速的效果。

在本项目中，我们将实现一个基于STM32单片机的模拟风扇控制系统，主要包括：

  • 通过温度传感器（例如LM35）读取环境温度。
  • 根据温度自动调节风扇的转速，使用PWM控制风扇电机。
  • 在一定温度范围内，风扇启动并以不同的转速工作；当温度过低时，风扇停止工作。
    • 2. 硬件设计
    2.1 硬件组件
  • 单片机：STM32系列单片机（如STM32F103）。
  • 温度传感器：例如LM35温度传感器，用于采集环境温度。
  • 风扇电机：常用的直流风扇电机，配合MOSFET或继电器进行控制。
  • PWM控制模块：STM32内部的PWM输出用于控制风扇转速。
  • 电源模块：提供给风扇电机的稳定电源。
    • 2.2 硬件连接
  • 温度传感器（LM35）：连接至单片机的ADC输入引脚（如PA0）。
  • 风扇控制：使用PWM信号通过MOSFET或继电器控制风扇电机的启停和转速。
  • 显示模块（可选）：LCD或串口显示用于展示实时温度和风扇状态。
    • 3. PWM控制原理

    PWM（脉冲宽度调制）信号是一种控制信号，其占空比（即高电平的时间比率）决定了其输出的平均电压。通过调节PWM信号的占空比，可以有效控制风扇电机的转速。占空比越大，电机转速越高；占空比越小，电机转速越低。

  • PWM占空比与转速的关系：
  • 占空比 0%：风扇停止。
  • 占空比 100%：风扇以最大速度运行。
  • 在0%到100%之间，风扇的转速与占空比成正比。
    • 4. 软件设计
    4.1 设计思路
    1. 配置ADC读取温度传感器的数据。
    2. 根据读取到的温度值，计算需要的风扇转速（通过PWM占空比调整）。
    3. 配置PWM输出控制风扇转速。
    4. 显示当前温度和风扇状态。
    4.2 代码实现

    以下代码示例基于STM32 HAL库实现了风扇控制系统，使用LM35温度传感器采集温度，并通过PWM控制风扇转速。

    #include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdio.h>

#define ADC_CHANNEL   ADC_CHANNEL_0  // 选择通道0（PA0）
#define PWM_FREQUENCY 1000          // PWM频率，1kHz
#define MAX_FAN_SPEED 100           // 最大风扇转速

// ADC句柄
ADC_HandleTypeDef hadc1;
// PWM句柄
TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;

// 初始化ADC
void ADC_Init(void) {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();  // 启用ADC1的时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 启用GPIOA时钟

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    // 配置PA0为模拟输入模式
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置ADC参数
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;  // 12位分辨率
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;  // 单通道模式
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;  // 非连续转换模式
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T1_CC1;  // 外部触发模式
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;  // 数据对齐方式：右对齐
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;  // 进行单次转换
    hadc1.Init.DMAContinuousRequests = DISABLE;  // 不使用DMA

    HAL_ADC_Init(&hadc1);

    ADC_ChannelConfig();
}

// 配置ADC通道
void ADC_ChannelConfig(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL;  // 设置通道
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;  // 第1通道
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_3CYCLES;  // 设置采样时间
    sConfig.Offset = 0;

    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

// 获取ADC值
uint32_t ADC_Read(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);  // 启动ADC转换
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 1000) == HAL_OK) {
        return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);  // 获取ADC值
    }
    return 0;  // 如果转换失败，返回0
}

// 初始化PWM
void PWM_Init(void) {
    __HAL_RCC_TIM1_CLK_ENABLE();  // 启用TIM1时钟

    // 配置PWM引脚（假设使用PA8）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();  // 启用GPIOA时钟
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;  // 配置PA8为PWM输出
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;  // 复用推挽输出
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    // 配置TIM1为PWM模式
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 84 - 1;  // 设置预分频器，PWM频率为1kHz
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 1000 - 1;  // 设置PWM周期
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim1);

    // 配置PWM输出通道
    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(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);

    // 启动PWM输出
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

// 设置PWM占空比
void Set_Fan_Speed(uint32_t speed) {
    if (speed > 100) {
        speed = 100;  // 限制最大占空比为100%
    }
    // 设置PWM占空比
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, speed * 10);  // 0-1000的占空比范围
}

// 主函数
int main(void) {
    HAL_Init();  // 初始化HAL库
    ADC_Init();  // 初始化ADC
    PWM_Init();  // 初始化PWM

    // 主循环
    while (1) {
        uint32_t adc_value = ADC_Read();  // 获取温度传感器值

        // 计算温度（假设ADC为12位，0-3.3V对应0-4095的ADC值）
        float voltage = (float)adc_value * 3.3f / 4095.0f;
        float temperature = voltage * 100.0f;  // LM35温度传感器，1V=10°C

        // 根据温度调整风扇速度
        uint32_t fan_speed = 0;
        if (temperature < 25.0f) {
            fan_speed = 0;  // 温度低于25°C，关闭风扇
        } else if (temperature < 30.0f) {
            fan_speed = 30;  // 温度在25°C到30°C之间，设置30%的风速
        } else if (temperature < 35.0f) {
            fan_speed = 60;  // 温度在30°C到35°C之间，设置60%的风速
        } else {
            fan_speed = 100;  // 温度大于35°C，设置100%的风速
        }

        Set_Fan_Speed(fan_speed);  // 设置风扇转速

        HAL_Delay(1000);  // 每秒读取一次温度
    }
}
    5. 代码解释

    1. ADC初始化与读取：

    2. ADC_Init()初始化了ADC模块，配置了温度传感器（LM35）所连接的引脚为模拟输入模式。
    3. ADC_Read()函数启动ADC转换并获取转换结果。

    4. PWM初始化与设置：

    5. PWM_Init()函数配置了TIM1定时器为PWM模式，并设置PWM频率为1kHz，输出通道为PA8。
    6. Set_Fan_Speed()函数根据给定的占空比来调整风扇的转速。PWM的占空比是根据温度变化动态调整的。

    7. 温度控制与风扇调节：

    8. main()函数中，读取温度传感器的值并计算温度值。
    9. 根据温度范围，选择相应的风扇转速：
    10. 低于25°C：关闭风扇。
    11. 25°C到30°C：风扇以30%转速运行。
    12. 30°C到35°C：风扇以60%转速运行。
    13. 高于35°C：风扇以100%转速运行。
    6. 优化与扩展
  • 多温度传感器：可以添加多个温度传感器，通过加权平均的方式对多个区域的温度进行控制。
  • 显示模块：可以通过LCD或OLED屏显示当前温度和风扇状态，提供更友好的用户界面。
  • 风扇启停延时：为了避免频繁启停风扇，可以添加延时或延迟响应，避免不必要的操作。
    • 7. 总结

    本项目通过STM32单片机实现了一个模拟风扇控制系统，基于温度传感器（LM35）读取环境温度，并使用PWM信号控制风扇的转速。系统根据温度自动调节风扇速度，以实现节能和温控功能。通过此项目，掌握了如何使用PWM控制直流电机转速以及如何结合传感器数据进行自动化控制。

    作者：Katie。

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