基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇設(shè)計與實(shí)現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\u1826摘要 126588第1章緒論 138261.1課題研究的背景及意義 1152441.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 116931.3課題的章節(jié)安排 320347第2章系統(tǒng)整體設(shè)計方案及選型 4247342.1系統(tǒng)整體設(shè)計方案 4277002.2系統(tǒng)各模塊選型 517891第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計 8223233.1STM32主控模塊 8197403.2紅外感應(yīng)模塊 979393.3溫濕度檢測模塊 10150683.4電機(jī)驅(qū)動模塊 11279893.5OLED顯示模塊 11214573.6WIFI模塊 1214042第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計 14229664.1系統(tǒng)總體流程圖 1479114.2WIFI模塊程序設(shè)計 15207234.3溫濕度檢測模塊程序設(shè)計 16217984.4紅外感應(yīng)模塊與舵機(jī)程序設(shè)計 17235474.5顯示模塊子程序設(shè)計 1796984.6平臺端數(shù)據(jù)處理 188942第5章系統(tǒng)調(diào)試 19311575.1硬件調(diào)試 19125605.2軟件調(diào)試 19101425.3功能驗(yàn)證 2016134第6章總結(jié)與展望 2221704參考文獻(xiàn) 2414218附錄一：原理圖 2631038附錄二：PCB圖 27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?；诖?，本文提出一款基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇的設(shè)計，該系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)為控制核心，具有紅外感應(yīng)模塊、溫濕度檢測模塊、電機(jī)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(jī)與手機(jī)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(shí)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(jī)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(jìn)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(rèn)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(diǎn)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(jī)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(fèi)。一般的風(fēng)扇都不能通過手機(jī)遠(yuǎn)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(yàn)。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，他通過各種器件對家庭設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)，雖然改進(jìn)的效果不理想但是為美國進(jìn)入鉆研智能家居的時代起到了推動的作用。1984年，美國正式設(shè)計出第一套智能家居產(chǎn)品。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。但是隨著中國經(jīng)濟(jì)水平快速發(fā)展，經(jīng)過了很快的時間，在智能家居領(lǐng)域上，在世界上就有了很重要的地位。在“十二五”計劃中，國家把智能家居作為發(fā)展目標(biāo)，我國全面發(fā)展智能家居，頒布各種政策，鼓勵科學(xué)研究，我國相繼研究出一系列智能家居產(chǎn)品[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(rèn)為是時代尾巴的產(chǎn)品。電風(fēng)扇的特點(diǎn)是價格比較低，安裝容易。它是一種成熟的電器成員，在中國的市場上依舊很受歡迎。因此中國電風(fēng)扇優(yōu)化研究非常活躍，智能風(fēng)扇已經(jīng)進(jìn)入市場，技術(shù)成熟。以后的研究會更加人性化，個性化，滿足不同需求。目前也有許多學(xué)者對智能風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行了研究，梁娟設(shè)計了基于單片機(jī)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，利用人體紅外傳感器檢測用戶位置，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇自動檢測用戶位置并根據(jù)環(huán)境溫度自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。劉晶與等人設(shè)計了基于單片機(jī)的智能溫控風(fēng)扇[6]。該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)作為主控模塊，通過DS18B20溫度傳感器感知溫變，實(shí)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)計了基于STC89C52單片機(jī)的智能風(fēng)扇系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)通過把STC89C52單片機(jī)作為主控模塊，結(jié)合紅外熱釋電傳感器，DS18B20溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇根據(jù)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(jìn)步，但是在功能上還是無法實(shí)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(lán)牙實(shí)現(xiàn)對APP的控制，實(shí)現(xiàn)了通過手機(jī)APP控制風(fēng)扇。戴南疆等人設(shè)計了基于單片機(jī)的智能跟蹤風(fēng)扇[9]，該系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)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(jìn)行實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了智能化，但是還無法實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇。厲俊設(shè)計了基于單片機(jī)的智能風(fēng)扇[10]，該系統(tǒng)采用AT89C52作為核心實(shí)現(xiàn)了溫控功能。胡慧之設(shè)計了基于單片機(jī)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(lán)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(jī)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(shí)現(xiàn)通過手機(jī)去控制風(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(shí)現(xiàn)用手機(jī)APP對風(fēng)扇的遠(yuǎn)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。基于此，本課題以STM32單片機(jī)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(jī)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(yàn)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(jī)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(jī)，風(fēng)扇與舵機(jī)都是利用PWM進(jìn)行調(diào)速與轉(zhuǎn)向，利用驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇和舵機(jī)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[12]。通過WIFI模塊作用于通信模塊OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺[13]，實(shí)現(xiàn)用手機(jī)APP對風(fēng)扇的遠(yuǎn)程控制[14]。最終目標(biāo)：（1）利用溫度傳感器實(shí)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(jìn)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(shí)現(xiàn)風(fēng)扇自動控制轉(zhuǎn)向；（3）建立手機(jī)APP與單片機(jī)的之間通信，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇的遠(yuǎn)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(shí)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(jī)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(fèi)，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(jìn)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系列單片機(jī)進(jìn)行本次“物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)”課題的設(shè)計。方案二：采用ARM系列的STM32單片機(jī)進(jìn)行本次“物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)”課題的設(shè)計。方案一的51系列單片機(jī)是一款8位單片機(jī)，51系列單片機(jī)內(nèi)部擁有一套全部分的按位的操作系統(tǒng)，具有32個通用I/O口，此外，此款單片機(jī)價格低廉。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的速度對于運(yùn)行相對較慢，且內(nèi)部沒有集成AD、EEPROM等功能，需要進(jìn)行外部擴(kuò)展，這會對系統(tǒng)造成一定影響，同時51系列單片機(jī)保護(hù)能力較差，當(dāng)出現(xiàn)過壓過流等問題，容易造成芯片燒壞。方案二的ARM系列的STM32單片機(jī)的制成是通過意法半導(dǎo)體集團(tuán)的研制而成，這樣的單片機(jī)價格比較便宜、性能相對較高、功耗相對較低，它的內(nèi)核為Cortex-M3，芯片內(nèi)部集成12位AD轉(zhuǎn)換功能且內(nèi)核最高工作頻率為72MHz。通過本設(shè)計擬采用的STM32F103為例，這款芯片內(nèi)部集成多路AD轉(zhuǎn)換、多路通用定時器、多路USART接口以及512KB的Flash存儲器，支持在線調(diào)試。綜上所述，在考慮各種因素的情況下，本課題采用STM32F103型號的單片機(jī)進(jìn)行本次“智能風(fēng)扇”課題的設(shè)計。2.2.2顯示模塊選型方案一：采用LCD1602模塊實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。方案二：采用OLED模塊[15]實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。方案三：采用TFT-LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示。方案一中LCD1602液晶的展現(xiàn)模塊是一款字符形式的顯示屏，可以一起顯示32個字符，劃分為2行16列，它是通過控制區(qū)域電壓并且通過利用液晶的物理特性來進(jìn)行顯示，能夠展現(xiàn)數(shù)字、字母及一些符號，然而不能用來展現(xiàn)漢字，此外，該模塊引腳數(shù)目較多，常見的有16引腳，體積大，耗電高，顯示內(nèi)容簡單。方案二中OLED液晶顯示模塊是諸多有機(jī)電激發(fā)光二極管構(gòu)成，該模塊具有自發(fā)光功能，無需背光源，其發(fā)光機(jī)制是有電荷通過有機(jī)電激發(fā)光二極管時，由于材料自身物理特性發(fā)出光亮，在通信模式主要有SPI、IIC模式，引腳數(shù)目少，節(jié)約MCU的I/O口資源，另外OLED液晶的顯示模塊主要具有體積小、功耗比較低、防震蕩等優(yōu)勢。方案三中TFT-LCD顯示屏又稱薄膜晶體管液晶顯示器，該顯示屏顯示效果雖然比以上兩個方案好，但其體積偏大，控制原理復(fù)雜，引腳數(shù)目較多，并且價格昂貴。綜上，在考慮諸多因素的情況下，本課題采用OLED模塊進(jìn)行本次課題“智能風(fēng)扇”相關(guān)數(shù)據(jù)信息的顯示。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，輸出數(shù)字信號的傳感器是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%，濕度測量誤差為+-5%RH；溫度測量誤差為+-2攝氏度，工作電壓范圍在3.3V至5V之間。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相對較低，響應(yīng)速度較快，抗干擾能力較強(qiáng)，信號傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)勢。方案二中，SHT20溫濕度傳感器是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的一款準(zhǔn)確度高的傳感器，其測量范圍相對較大，測量精度相對較小，通信方式為IIC數(shù)字形式，但該型號響應(yīng)時間較長，其中濕度響應(yīng)時間甚至達(dá)到8秒，價格昂貴。綜上所述，考慮到本設(shè)計的溫濕度的測量范圍、測量精度、測量環(huán)境以及性價比等因素，采用方案一中DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境檢測。2.2.4與云平臺通信選型方案一：采用W5500以太網(wǎng)模塊與云平臺通信。方案二：采用ESP8266-WiFi模塊與云平臺通信。方案一中，W5500以太網(wǎng)模塊是WIZnet推出的全硬件TCP/IP以太網(wǎng)控制器，內(nèi)部集成了TCP/TP協(xié)議棧，包括TCP、UDP、IPV4、PPPoE、IGMP、ICMP，模塊支持8端口通訊，串行外設(shè)SPI，傳輸速率快，但布線復(fù)雜，便利性低下、靈活性欠缺等缺點(diǎn)。方案二中，WiFi模塊的效果是憑借串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蠠o線通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)信息，內(nèi)置無線通信協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧、TCP/TP協(xié)議棧，本模塊工作電壓在3.3V和5V之間，擁護(hù)串口轉(zhuǎn)WiFiSTA、串口轉(zhuǎn)AP、串口轉(zhuǎn)WiFiSTA+AP三種模式。ESP8266-WiFi模塊無線傳輸速率最高可以達(dá)到11Mbps，工作溫度在-40℃~125℃范圍內(nèi)，工作濕度在10%~90%RH范圍內(nèi)，符合當(dāng)前氣候室內(nèi)工作環(huán)境，且該模塊成本低、功耗低、性價比高。綜上所述，通過對以上兩種方案進(jìn)行論證分析，在考慮到功耗、性價比、數(shù)據(jù)傳輸速率、靈活性等因素后，擬采用方案二中的WiFi模塊作為與云平臺通信的模塊。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(jī)優(yōu)秀，性價比高等引人矚目優(yōu)點(diǎn)。圖2STM32F103RBT6引腳圖3.1.2復(fù)位電路當(dāng)設(shè)定的程序跑飛，不可以正常的運(yùn)行時，就要通過手動來按鍵復(fù)位。STM32F103C8T6微控制器屬于低電平復(fù)位，只要芯片復(fù)位引腳上大于10ms的低電平，MCU的程序計數(shù)器會恢復(fù)到000h地址，系統(tǒng)重新運(yùn)行。如圖3所示電路，當(dāng)系統(tǒng)上電后，由于電容的濾波作用，NRST處的電壓不會發(fā)生突變，MCU初始狀態(tài)為低電平，上電后復(fù)位；電容由此來進(jìn)入一個充電的狀態(tài)，電壓逐漸升高，如果電容進(jìn)行的充電完畢后，NRST處電壓為3.3V，單片機(jī)就會進(jìn)入到一個正常的工作環(huán)境；當(dāng)程序在無法去正常的工作時，能夠通過按鍵進(jìn)行手動的復(fù)位，此時NRST處變成低電平，MCU復(fù)位。圖3復(fù)位電路原理圖3.1.3晶振電路晶振的大小能夠決定MCU的工作頻率，現(xiàn)如今大部分MCU內(nèi)部都集成有晶體振蕩器，也會有部分的單片機(jī)里面沒有集合晶振，如51系列單片機(jī)，需要外接晶振電路。STM32F103系列單片機(jī)內(nèi)部集成8MHz的晶振，當(dāng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)默認(rèn)優(yōu)先使用內(nèi)部晶振，如圖4所示，在MCU硬件設(shè)計上，外部連接了8MHz的晶振和32.768KHz的晶振，能夠調(diào)換到內(nèi)外部晶振，系統(tǒng)的頻率可以通過倍頻到72MHz，32.768KHz的晶振主要為STM32F103V8T6提供實(shí)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(jìn)一步實(shí)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。HC-SR501是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，采用德國進(jìn)口LH1778探頭設(shè)計，高靈敏度，高可靠性，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各種感應(yīng)電器設(shè)備。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溫濕度檢測模塊本設(shè)計選用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度和濕度復(fù)合傳感器，它采用特殊數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，保證物品的可靠性和完美的長時間穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式的感濕原件和一個NTC測溫元件，并且和一個性能較高的單片機(jī)連接。所以這個產(chǎn)品就擁有質(zhì)量好、響應(yīng)的速度敏捷、性價比比較高的優(yōu)點(diǎn)。DHT11傳感器單總線制串行接口，可以將系統(tǒng)簡單快速地整合起來，體積很小，功耗很少，是該類應(yīng)用中最佳的選擇。在電路設(shè)計上，一般在數(shù)據(jù)引腳上加一個上拉電阻，如圖6所示，本款模塊已經(jīng)內(nèi)置上拉電阻可直接與STM32微控制器連接，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(fù)極圖6DHT11原理圖3.4電機(jī)驅(qū)動模塊本系統(tǒng)采用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊為風(fēng)扇提供驅(qū)動，選用MG90S舵機(jī)，它可以為了更好的為實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的自動轉(zhuǎn)向提供更好的幫助。舵機(jī)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(diǎn)。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(jī)信號由MCU的PB6端口傳送到L298N模塊的INA接口，舵機(jī)的信號線連接L298N的OUTA端口，舵機(jī)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的顯示屏是通過有機(jī)電發(fā)光二極管來制作成的顯示屏。因?yàn)橥瑫r具備一些發(fā)光有機(jī)電激光發(fā)光二極管，不用背光源、含有好的對比度、厚度相對較薄、而且擁有寬闊的視角、反應(yīng)速度敏捷、可用于撓曲性面板、擁有的溫度范圍廣泛、結(jié)構(gòu)和工藝簡單的優(yōu)點(diǎn)OLED顯示屏在顯示方面的特點(diǎn)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(dá)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。模塊基本特性及功能如表2所示。表2ESP8266特性及功能表功能功能參數(shù)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無線標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n無線傳輸速率802.11b：最高可達(dá)11Mbps802.11b：最高可達(dá)54Mbps802.11b：最高可達(dá)HT20,MCS7發(fā)射功率11~18dbm頻率范圍2.412GHz-2.484GHz天線板載PCB天線通信接口TTL電平工作濕度10%~90%RH工作溫度-40℃~125℃WIFI工作模式WIFISTAWIFIAPWIFISTA+WIFIAP無線安全安全機(jī)制：WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK加密類型：WEP64/WEP128/TKIP/AES用戶配置AT+指令集,Web頁面Android/iOS終端,SmartLink智能配置APP串口波特率110-921600bps（默認(rèn)波特率115200）TCPClient5個固件升級本地串口，OTA遠(yuǎn)程升級ESP8266WiFi模塊可以通過ESPAT命令為外部主機(jī)MCU提供WI-FI連接功能，它還可以作為運(yùn)行獨(dú)立的WI-FIMCU運(yùn)行。我們可以容易的使用云連接、低功耗運(yùn)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為串口發(fā)送引腳，與STM32核心板的A10（RXD）引腳相連接，引腳5為相關(guān)串口的接收引腳，與A9（TXD）引腳相連接，引腳7為復(fù)位引腳RST，引腳6為IO口，用于進(jìn)入到一個固件的燒寫模式，引腳3是使能引腳EN，由于本系統(tǒng)中，用不到引腳7和引腳6，因此在設(shè)計電路時，此引腳可以不予考慮，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)總體流程圖本設(shè)計采用模塊化進(jìn)行，包括主控模塊、紅外感應(yīng)模塊、溫濕度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、OLED顯示模塊,WIFI模塊等模塊組成。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(jī)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(jī)復(fù)位。使其能夠和STM32F103進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(jìn)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(jìn)行調(diào)整；調(diào)整到模式2后，風(fēng)扇就會進(jìn)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(jī)，旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)角度，實(shí)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：（1）進(jìn)入AT模式，檢查WiFi模塊是否有效，能否正常工作。（2）進(jìn)入AT模式后，通過指令“AT+CWMODE=3\r\n”將ESP8266WIFI模塊的工作模式配置為STA+AP模式。（3）上一步完成后，通過指令"AT+CWJAP=\"wjh\",\"wjh1418634936\"\r\n"將ESP8266WIFI模塊需要連接的WiFi名稱和密碼配置完成。（4）通過指令"AT+CIPSTART=\"TCP\",\"\",876\r\n"進(jìn)入TCP連接，EDP服務(wù)器地址為9/876。（5）配置TCP連接成功后，配置透傳模式通過指令"AT+CIPMODE=1\r\n"完成，等待配置成功后，進(jìn)入透傳模式，至此ESP8266WiFi模塊初始化成功。初始化成功后，系統(tǒng)進(jìn)入自由模式?？衫檬謾C(jī)平臺和按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行操作。4.3溫濕度檢測模塊程序設(shè)計DHT11它作為一款具有單總線型的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)臏貪穸葌鞲衅?，它的通訊?ms左右，數(shù)據(jù)信息通過整數(shù)和小數(shù)的兩部分來組成，結(jié)束一次傳輸數(shù)據(jù)包為40bit。DHT11子程序設(shè)計框圖如圖11所示。圖11DHT11子程序設(shè)計框圖總線空閑時為高電平輸出，在初始化過程中，主機(jī)首先對總線進(jìn)行拉低處理，即發(fā)送開始信號，拉低時間必需大于18ms，之后將總線的電平來拉高并延時一段時間，等待延時后，DHT11拉低單總線發(fā)送響應(yīng)的信號，若完成響應(yīng)，便可進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸過程，當(dāng)40bit數(shù)據(jù)傳輸完成后，總線在進(jìn)行拉低后延時再拉高，使總線保持空閑狀態(tài)。4.4紅外感應(yīng)模塊與舵機(jī)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(jī)發(fā)送高電平，并保持一段時間，MCU接收到信號后給舵機(jī)發(fā)送PWM脈寬，實(shí)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(jī)子程序設(shè)計框圖如圖12所示。圖12熱釋電與舵機(jī)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，主要包含兩個部分，一部分是固定字符串的編寫，一部分是動態(tài)數(shù)據(jù)的編寫。系統(tǒng)采用的0.96寸OLED顯示屏內(nèi)置128*64個像素點(diǎn)組成，每行128個點(diǎn)，每列64個點(diǎn)，在顯示字符的編寫上利用取模軟件。在取模時采用C51格式、陰碼、逆向、列行式、十六進(jìn)制掃描的設(shè)置對字符進(jìn)行編寫，在程序上，OLED液晶顯示屏分成4行顯示，第一行顯示內(nèi)容為“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??；第四行主要顯示系統(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(diǎn)，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。它主要包括的部分為：連接請求、傳輸數(shù)據(jù)信號、調(diào)控命令等部分。平臺連接請求：在平臺配置應(yīng)用中，首先通過設(shè)備ID設(shè)備API地址關(guān)聯(lián)API。具體方式如下：本系統(tǒng)中設(shè)備ID為：417912設(shè)備API地址為：/devices/4179124.6.2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(jìn)行處理，具體的內(nèi)容如下：如果連接成功則會接收到為“20020000”的數(shù)據(jù)；如果接收到的數(shù)據(jù)是“2002000940011C”，則驗(yàn)證失敗-重新發(fā)送連接請求包如果可以接收信息數(shù)據(jù)為“20020009400114”則表示進(jìn)行驗(yàn)證自己失敗-協(xié)議分析錯誤如果收到的數(shù)據(jù)為"20020009400120"，則表示驗(yàn)證失敗-ID身份驗(yàn)證失敗。系統(tǒng)發(fā)送心跳請求“C000”成功則回應(yīng)心跳響應(yīng)“D000”。4.6.3數(shù)據(jù)處理在數(shù)據(jù)上傳格式上，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，采用type=3的方式進(jìn)行上傳。在命令下發(fā)的數(shù)據(jù)信息格式上，由于技術(shù)操作命令一般企業(yè)不會超過100位，只需判斷一個數(shù)據(jù)分析是否可以連續(xù)接收到2個00并且第三個數(shù)據(jù)大于0即可。

第5章系統(tǒng)調(diào)試在對硬件和軟件設(shè)計完成后，通過搭建電路，燒寫程序完成系統(tǒng)的初步設(shè)計，經(jīng)過多次調(diào)試最終實(shí)現(xiàn)課題的任務(wù)以及要求，下面從軟硬件兩個方面對系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析。5.1硬件調(diào)試在硬件調(diào)試中，主要分為以下幾個步驟：（1）檢查焊接過程中是否出現(xiàn)錯誤。在檢查過程中發(fā)現(xiàn)個別元器件焊點(diǎn)不夠飽滿，通過電表進(jìn)行測量，出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，容易導(dǎo)致電路出現(xiàn)斷路、接觸不良等問題。解決辦法：對這些有問題的焊點(diǎn)重新焊接，使每一個焊點(diǎn)飽滿、勻稱，確保電路不斷路，不短路。（2）通電測試。檢查是否有元器件發(fā)熱、不通電等問題，通過對元器件一個一個的排查，發(fā)現(xiàn)一開始購買的舵機(jī)消耗功率太大，自己設(shè)計的驅(qū)動電路帶不動，因此更換了功率小些的舵機(jī)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)試在軟件設(shè)計上，很容易出現(xiàn)各種各樣的問題，下面主要對設(shè)計過程中出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行分析：（1）在燒寫程序時出現(xiàn)燒寫不進(jìn)去程序的問題，這也是大部分人員容易出現(xiàn)的問題，通過分析發(fā)現(xiàn)共出現(xiàn)兩個錯誤：一是進(jìn)行在線仿真時，由于仿真器不能提供電源，需要單獨(dú)對系統(tǒng)進(jìn)行供電，確保電路系統(tǒng)在有電狀態(tài)下進(jìn)行仿真，否則便會出現(xiàn)如圖13所示錯誤；二是在仿真時keil5編程軟件中芯片型號是否和實(shí)際系統(tǒng)板主控芯片是否一致，如果不一致，也會導(dǎo)致燒寫程序出現(xiàn)錯誤，如圖14所示，這是在燒寫程序時出現(xiàn)的主要錯誤及解決辦法。圖13錯誤圖例1圖14錯誤圖例2連接干電池作為電機(jī)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(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一次數(shù)據(jù)傳輸完成后，沒有清理本次數(shù)據(jù)，下一次數(shù)據(jù)又開始傳輸，導(dǎo)致格式出現(xiàn)錯誤，從而斷開連接。重新對數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)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(yàn)證首先給智能風(fēng)扇連接電源，ESP8266WiFi模塊連接網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，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(jī)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(yàn)證成功。實(shí)物如圖16所示：圖16實(shí)物圖第6章總結(jié)與展望本文在基于對國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上對智能風(fēng)扇的設(shè)計進(jìn)行分析，設(shè)計了一款基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺的智能風(fēng)扇，用戶可以隨時通過登錄手機(jī)端APP或者PC端網(wǎng)頁查看家庭環(huán)境溫濕度參數(shù)，同時還可以遠(yuǎn)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，極大的方便了用戶對家中環(huán)境以及設(shè)備的掌控，整個系統(tǒng)以靈敏、輕巧、方便等優(yōu)點(diǎn)呈現(xiàn)在用戶眼前。在對系統(tǒng)制作以及論文的編寫上，主要完成了以下幾個方面：（1）分析并歸納了國內(nèi)外在智能風(fēng)扇方向的主要控制方式，如藍(lán)牙、WiFi、zigbee等主流控制手段，對上述方式進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，最終選擇WiFi作為本課題的研究方案。（2）確定課題后，在圖書館查閱相關(guān)資料，了解與課題有關(guān)的時代背景、研究意義、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。并閱讀與智能風(fēng)扇、物聯(lián)網(wǎng)平臺、無線通信相關(guān)的論文、期刊，了解別人的設(shè)計思路和方法。（3）確定系統(tǒng)方案，根據(jù)課題任務(wù)選擇對應(yīng)元器件，并分析各類元器件的選型優(yōu)缺點(diǎn)，針對不同工作環(huán)境參數(shù)，選擇各類元器件型號，同時確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案。（4）搭建硬件電路，根據(jù)設(shè)計要求和任務(wù)，選擇對應(yīng)的元器件，同時查閱數(shù)據(jù)手冊，確定電路連接，畫出系統(tǒng)原理圖和PCB，并根據(jù)所用元器件選擇對應(yīng)封裝，保證實(shí)物與PCB一致，最后完成焊接和硬件調(diào)試。（5）根據(jù)設(shè)計要求，編寫系統(tǒng)程序，按照模塊化處理的方式，首先對各個模塊進(jìn)行編程，如OLED顯示程序、DHT11溫濕度程序、WiFi子程序等，最后再整合各個模塊之間的聯(lián)系，從而完成整個系統(tǒng)。（6）對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試與分析，主要包含兩個方面：一是系統(tǒng)命令下發(fā)是否有效，在平臺下發(fā)對應(yīng)的開關(guān)指令，系統(tǒng)的模式切換和各項(xiàng)操作能否正確執(zhí)行；