1、齐 齐 哈 尔 大 学综合实践（论文）题 目 基于 STM32 的温控风扇学 院 通信与电子工程学院 专业班级 电子 123 学生姓名 欧明杰 学生学号 2012131006 指导教师 朱磊 综合实践(论文)I摘要：随着科技的日新月异，智能家居逐渐走入普通家庭，风扇作为基本的家用电器也将成为智能家居的一部分。这里介绍的是以 STM32 单片机为控制单元并结合嵌入式技术设计的一款具有温控调速、液晶显示温度等信息的智能电风扇。经过前期设计、制作和最终的测试得出，该风扇电源稳定性好，操作方便，运行可靠，功能强大，价格低廉，节约能耗，能够满足用户多元化的需求。该风扇具有的人性化设计和低廉的价格很适合普
2、通用户家庭使用。 关键词：STM32 单片机 电风扇 温控调速综合实践(论文)II目 录摘 要 .I第 1 章 绪论 .11.1 概述 .11.2 设计目的及应用 .1第 2 章 温控电风扇方案论证 .22.1 温度传感器的选择 .22.2 控制核心的选择 .22.3 显示电路的选择 .32.4 调速方式的选择 .3第 3 章 温控电风扇硬件设计 .53.1 硬件系统总体设计 .53.2 本系统各器件简介 .53.2.1 DS18B20 简介 .53.2.2 STM32 简介 .73.2.3 LCD1602 液晶屏简介 .83.3 各部分电路设计 .93.3.1 温度传感器的电路 .93.3.
3、2 LCD1602 液晶屏显示电路 .10第 4 章 温控电风扇软件设计 .114.1 软件系统总体设计 .114.2 系统初始化程序设计 .114.3 温度采集与显示程序设计 .12结论 .14参考文献 .15附录 1 .16附录 2 .25综合实践(论文)00第 1 章 绪论1.1 概述传统电风扇多采用机械控制，功能单一，噪声大，定时时间短，摇头模式固定，变档风速变化较大。针对这些缺点，本文采用了一款性价比高、功耗低的基于 ARM CortexM3 内核的 STM32 单片机作为控制单元制作了一台智能电风扇，该风扇巧妙地运用温度传感技术、液晶显示技术等，把智能控制技术应用到家用电器的控制中
4、，可以根据环境温度的采样实现风速的自动调整，并根据采集到的温度显示到液晶屏上。采用的芯片功能强大，方便进行功能扩展。 1.2 设计目的及意义春夏（夏秋）交替时节，白天温度依旧很高，电风扇应高转速、大风量，使人感到清凉；到了晚上，气温降低，当人入睡后，应该逐步减小转速，以免使人感冒。虽然电风扇都有调节不同档位的功能，但必须要人手动换档，睡着了就无能为力了，而普遍采用的定时器关闭的做法，一方面是定时时间长短有限制，一般是一两个小时；另一方面可能在一两个小时后气温依旧没有降低很多，而风扇就关闭了，使人在睡梦中热醒而不得不起床重新打开风扇，增加定时器时间，非常麻烦，而且可能多次定时后最后一次定时时间太
5、长，在温度降低以后风扇依旧继续吹风，使人感冒；第三方面是只有简单的到了定时时间就关闭风扇电源的单一功能，不能满足气温变化对风扇风速大小的不同要求。又比如在较大功率的电子产品散热方面，现在绝大多数都采用了风冷系统，利用风扇引起空气流动，带走热量，使电子产品不至于发热烧坏。要使电子产品保持较低的温度，必须用大功率、高转速、大风量的风扇，而风扇的噪音与其功率成正比。如果要低噪音，则要减小风扇转速，又会引起电子设备温度上升，不能两全其美。为解决上述问题，我们设计了这套温控自动风扇系统。本系统采用高精度集成温度传感器，用单片机控制，能显示实时温度，并根据使用者设定的温度自动在相应温度时作出小风、大风、停
6、机动作，精确度高，动作准确。 综合实践(论文)11第 2 章 温控电风扇方案论证2.1 温度传感器的选择温度传感器可由以下几种方案可供选择：方案一：选用热敏电阻作为感测温度的核心元件，通过运算放大器放大由于温度变化引起热敏电阻电阻的变化、进而导至的输出电压变化的微弱电压变化信号，再用AD 转换芯片 ADC0809 将模拟信号转化为数字信号输入单片机处理。方案二：采用热电偶作为感测温度的核心元件，配合桥式电路，运算放大电路和AD 转换电路，将温度变化信号送入单片机处理。方案三：采用数字式集成温度传感器 DS18B20 作为感测温度的核心元件，直接输出数字温度信号供单片机处理。对于方案一，采用热敏
7、电阻有价格便宜、元件易购的优点，但热敏电阻对温度的细微变化不敏感，在信号采集、放大、转换过程中还会产生失真和误差，并且由于热敏电阻的 R-T 关系的非线性，其本身电阻对温度的变化存在较大误差，虽然可以通过一定电路予以纠正，但不仅将使电路复杂稳定性降低，而且在人体所处温度环境温度变化中难以检测到小的温度变化。故该方案不适合本系统。对于方案二，采用热电偶和桥式测量电路相对于热敏电阻其对温度的敏感性和器件的非线性误差都有较大提高，其测温范围也非常宽，从-50 摄氏度到 1600 摄氏度均可测量。但是依然存在电路复杂，对温度敏感性达不到本系统要求的标准，故不采用该方案。 对于方案三，由于数字式集成温度
8、传感器 DS18B20 的高度集成化，大大降低了外接放大转换等电路的误差因素，温度误差很小，并且由于其感测温度的原理与上述两种方案的原理有着本质的不同，使得其温度分辨力极高。温度值在器件内部转换成数字量直接输出，简化了系统程序设计，又由于该传感器采用先进的单总线技术（1-WRIE） ，与单片机的接口变的非常简洁，抗干扰能力强。关于 DS18B20 的详细参数参看下面“硬件设计”中的器件介绍。22 控制核心的选择方案一：采用电压比较电路作为控制部件。温度传感器采用热敏电阻或热电偶等，温度信号转为电信号并放大，由集成运放组成的比较电路判决控制风扇转速，当高于或低于某值时将风扇切换到相应档位。方案二
9、：采用 STM32 单片机作为控制核心。以软件编程的方法进行温度判断，并综合实践(论文)22在端口输出控制信号。对于方案一，采用电压比较电路具有电路简单、易于实现，以及无需编写软件程序的特点，但控制方式过于单一，不能自由设置上下限动作温度，无法满足不同用户以及不同环境下的多种动作温度要求，故不在本系统中采用。对于方案二，以 STM32 单片机作为控制器，通过编写程序不但能将传感器感测到的温度通过显示电路显示出来，而且用户能通过键盘接口，自由设置上下限动作温度值，满足全方位的需求。并且通过程序判断温度具有极高的精准度，能精确把握环境温度的微小变化。故本系统采用方案二。23 显示电路的选择方案一：
10、采用五位共阳数码管显示温度，动态扫描显示方式。方案二：采用液晶显示屏 LCD 显示温度对于方案一，该方案成本低廉，显示温度明确醒目，在夜间也能看见，功耗极低，显示驱动程序的编写也相对简单，这种显示方式得到广泛应用。不足的地方是扫描显示方式是使五个 LED 逐个点亮，因此会有闪烁，但是人眼的视觉暂留时间为 20MS，当数码管扫描周期小于这个时间时人眼将感觉不到闪烁，因此可以通过增大扫描频率来消除闪烁感。对于方案二，液晶体显示屏具有显示字符优美，不但能显示数字还能显示字符甚至图形的优点，这是 LED 数码管无法比拟的。而且硬件连接简单，因此本系统采用方案二。24 调速方式的选择方案一：采用数模转化
11、芯片 DAC0832 来控制，由单片机根据当前环境温度值输出相应数字量到 DAC0832 中，再由 DAC0832 产生相应模拟信号控制晶闸管的导通角，从而通过无级调速电路实现风扇电机转速的自动调节。方案二：采用单片机软件编程实现 PWM（脉冲宽度调制）调速的方案。 PWM 为英文 Pulse Width Modulation 的缩写，它为按一定的规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调节方式，在 PWM 驱动控制的调节系统中，最常用的为矩形波 PWM 信号，在控制时需要调节 PWM 波得占空比。占空比为指高电平持续时间在一个周期时间内的百分比。在控制电机的转速时，占空比越大，转
12、速就越快，若全为高电平，占空比为 100%时，转速达到最大。用单片机 I/O 口输出 PWM 信号时，有如下两种方案：(1) 利用软件延时。当高电平延时时间到时，对 I/O 口电平取反，使其变成低电平，综合实践(论文)33然后再延时一定时间；当低电平延时时间到时，再对该 I/O 口电平取反，如此循环即可得到 PWM 信号。在本设计中应用了此方案。(2) 利用定时器。控制方案与(1) 相同，只为在该方案中利用单片机的定时器来定时进行高低电平的转变，而不为用软件延时。应用此方案时编程相对复杂。对于方案一，该方案能够实现对直流风扇电机的无级调速，速率变化灵敏，但为D/A 转化芯片的价格较高，与其温控
13、状态下无级调速性能相比性价比不高。对于方案二，相对于其他用硬件或者软硬件相结合的方案实现对电机进行调速而言，采用 PWM 用纯软件的方案来实现调速过程，具有更大的灵活性，并可大大降低成本，能够充分发挥单片机的性能，对于简单速率控制系统的实现提供了一种有效的途径。综合考虑选用方案二。综合实践(论文)44第 3 章 温控电风扇硬件设计3.1 硬件系统总体设计本次设计采用 STM32 单片机做主控芯片，通过 DS18B20 采集温度，将温度显示在 LCD1602 上。根据温度的不同，利用 STM32 对风扇进行调速，总体硬件设计如图1 所示：图 1 系统总体结构框图3.2 本系统各器件简介3.2.1
14、 DS18B20 简介DS18B20 是美国 DALLAS 半导体公司继 DS1820 之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位的数字值读数方式。可以分别在 93.75 ms 和 750 ms 内完成 9 位和 12 位的数字量，并且从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的 DS18B20 供电，而无需额外电源，因而使用 DS18B20 可使系统结构更趋简单可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离
15、、分辨率等方面较 DS1820 有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。 DS18B20 简介：（1）独特的单线接口方式：DS18B20 与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯。综合实践(论文)55（2）在使用中不需要任何外围元件。（3）可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。（4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率为 0.5 。（5）通过编程可实现 912 位的数字读数方式。（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。（7）支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。（8）负压特性，
16、电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。单线（1wire)技术：该技术采用单根信号线，既可传输时钟，也能传输数据，而且是双向传输。适用于单主机系统，主机能够控制一个或多个从机设备，通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能释放该线，而让其他设备使用。单线通常要求外接一个 5K 的上拉电阻，这样当该线空闲时，其状态为高电平。主机和从机之间的通讯分成三个步骤：初始化单线器件、识别单线器件和单线数据传输。单线 1wire 协议由复位脉冲、应答脉冲、写 0、写 1、读 0、读 1，这几种信号类型实现，这些信号中除了应答脉冲其他都由主机发起，并且所有指令和数据字节
17、都是低位在前。DS18B20 直接将测量温度值转化为数字量提交给单片机，工作时必须严格遵守单总线器件的工作时序。DS18B20 内部结构及管脚如图 2，图 3 所示：图 2 DS18B20 内部结构图综合实践(论文)66图 3 DS18B20 外形及管脚图3.2.2 STM32 简介STM32 系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M 内核，其中 STM32F1 系列有：STM32F103“增强型”系列，STM32F101“基本型”系列， STM32F105、STM32F107“互联型”系列。增强型系列时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性能最高
18、的产品；基本型时钟频率为 36MHz，以 16 位产品的价格得到比 16 位产品大幅提升的性能，是 32 位产品用户的最佳选择。两个系列都内置 32K 到 128K 的闪存，不同的是 SRAM 的最大容量和外设接口的组合。时钟频率 72MHz 时，从闪存执行代码，STM32 功耗 36mA，是 32位市场上功耗最低的产品，相当于 0.5mA/MHz。内核：ARM32 位 Cortex-M3 CPU，最高工作频率 72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。存储器：片上集成 32-512KB 的 Flash 存储器。6-64KB 的 SRAM 存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V 的电源供电和 I/O 接口的驱动电压。POR 、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz 的晶振。内嵌出厂前调校的 8MHz RC 振荡电路。内部 40 kHz 的 RC 振荡电路。用于 CPU 时钟的 PLL。带校准用于 RTC 的32kHz 的晶振。低功耗：3 种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为 RTC 和备份寄存器供电的VBAT。调试模式：串行调试（SWD）和 JTAG 接口。
