基于蓝牙控制的智能温控风扇设计

　摘要

伴随着智能时代的到来，人们的生活发生了巨大的变化，随着社会的快速发展，风扇作为一种普通的家用电器，在考虑到其具有价格便宜、体积小、质量轻、便于挪移等优点之外，也应当提高风扇的技术，从而提高其市场的竞争力，有的风扇实现的功能单一，模式也单一，只能笨拙的手动操作，不能满足大部分人的需求。

所以根据以上的不足，本课题设计一款智能蓝牙风扇，从而满足人们的需求。该设计以STM32F103C8T6单片机为核心主控，运用DHT11温湿度传感器、蓝牙HC-05、OLED显示屏等模块，应用到该智能风扇中。该设计有分别有手动模式和自动模式，手动模式下，使用者可以根据自己的需要进行对温度的自动调速、调速的控制方式、定时关闭；自动模式下可以根据周围的温度自动调节风速。辅以OLED显示屏让风扇的运行状态更加详细，使操作更加方便灵活。

　关键词：STM32C8T6，蓝牙，温湿度，OLED显示器

1绪论

　　1.1课题背景

最近几年大量出现的智能硬件、物联网系统逐渐出现在生活的每个方面，取代传统落后的生活用品，近些年来智能家居一词热度很大，发展也很迅速，由此可见，人们目前正在追求高品质的生活状态。风扇已经成了我们生活中必不可缺的家用电气。相对空调而言，风扇具有低功耗、低价格、轻巧、便于移动等特点，依然有广阔的应用市场。传统电风扇大多数功能单一，只有选档吹风、定时、定速等功能，不能根据温度变化调整转速，存在一定的健康隐患和能源浪费。例如，在天气较热的夜晚时用户只能凭感觉粗略定时、定速，设定的时间到了就停止工作。时间、风速设定不适宜，会影响人们的睡眠质量，甚至对身体健康造成损害。而且，传统风扇一般都不具备实时显示温度的功能，不能给用户提供定时、定速的参考温度值，不适宜的定时、定速都将会造成能源的浪费[1]。

针对目前风扇的控制系统的缺陷，将提出智能的设计思路，实现风扇的自动运转控制的细化，风扇会自动根据温度差调速，根据室温的变化而变化。设计这款风扇，使用单片机控制技术、蓝牙通信技术、OLED显示技术、传感器检测技术等，实现环境温度、湿度、风扇状态、定时、风扇挡位等信息的显示，还可以根据个人需要调整手动模式和自动模式。

1.2智能风扇的设计背景

该智能风扇系统主要涉及到单片机、物联网、智能硬件、蓝牙技术这四大领域。目前市场上的大部分风扇还是传统的、机械式的，不具有智能的元素，功能也比较单一。因此，本文提出了一款基于手机APP控制的智能温控风扇，除实现了传统风扇的功能外，一方面具备了定时功能，另一方面可以通过手机端实现风扇的自动模式和手动模式的任意切换。自动模式下，风扇根据外界温度自动调节风扇的转速，手动模式下，可以通过手机远程控制风扇的转速。另外，本次设计的产品具有便携性，适合用于居家、旅行、露营等各种生活环境。

1.3本课题的研究内容

本课题主要研究如何把单片机控制技术和蓝牙技术融合在一起，制作一个功能全面、实用性强、贴合现代科技发展的智能风扇系统。通过DHT11采集的数据传送到单片机上，由OLED显示，并和手机蓝牙端进行通信，收发指令。

2系统设计方案

　　2.1系统的整体构架

该系统核心控制器选择STM32F103C8T6单片机，该单片机具有低功耗、性价比高等特点，通过蓝牙模块通信，以此控制该系统；通过DHT11模块来完成环境温湿度数据的收集；辅助电路有OLED显示电路。通过蓝牙模块连接安卓客户端，传输相应信息指令，单片机会对蓝牙模块收来的数据进行分析，并做出相应的操作，控制风扇，实现风扇的远程控制。系统总体设计框图如图2.1所示。

框图主要功能：

(1)PWM调速：自动模式：根据设定的温度自动调速；手动模式：手机端远程调速。在控制电机的转速时，通过调节PWM波的占空比实现调速，占空比越大，转速就越快。定时功能：通过手机端对风扇进行定时，达到一定时间自动关闭。

(2)实时显示功能：OLED显示当前的温湿度、相关的风扇工作状态、转速以及定时时间。

(3)远程控制功能：无线传输器采用两块HC-O5主从一体蓝牙模块作为无线传输的器件。该模块可设置主从模式，进行主、从角色间的连接及发送接收。HC-O5主从一体蓝牙模块操作简单，功耗低，通信距离10米以内，适合本设计。通过安卓手机端和系统蓝牙技术进行远距离的控制风扇的调速以及定时设定温度阈值等运作状态。除此之外，手机端也可以显示该系统的工作状态。

图2.1系统设计总框图

　　2.2方案论证

　　2.2.1电源设计方案论证

电源是一个电子系统中重要组成部分之一，是能否正常工作的前提，所以一个好的电源方案能让电子系统工作的更加稳定和长久。该系统使用最为普遍的5V电压作为主输入电压，其中有两种方案可供选择。

方案一：使用USB输入5V，直接给系统供电。

方案二：采用18650锂电池给系统供电。

两种方案都有自己的优缺点。方案一直接供电方便、灵活，没有复杂的电路，可是在停电或者是要用电源去做别的工作的时候，系统没有电源输入，将无法提供任何智能服务。方案二需要给系统进行定时的充电，且板子的设计以及调试带来一些问题，锂电池空间也会占用一些空间。所以选用方案一更适合于本系统。

　2.2.2控制器设计方案论证

控制器是一个智能系统的主要核心，类似于人体的大脑，所有数据的处理和传输都要经过控制器。目前为止最常用的单片机控制器主要是以Intel公司8051为核心的51单片机和以ARM公司的高性能“Cortex-M3”为内核的STM32单片机。

方案一：采用STC89C51RC单片机作为该系统的核心控制器。

方案二：采用STM32F103C8T6单片机作为该系统的核心控制器。

这两方案都可以满足本设计的要求，方案一的STC89C51RC单片机是采用8051核心的可编程芯片，片内含4K的可反复擦写1000次的FLASH只读存储器。STC89C51RC是具有8051核的单片机，具有ISP特性，工作电压是3.4 V~5.5 V，工作频率在0~35 MHz之间，兼容标准MCS-51指令系统和80C51引脚，512 k B的RAM，2KB的EEPROM[2]，如果要往单片机内部下载程序，需要专用的下载芯片和驱动，因为此单片机和电脑端的系统不一样无法直接通信，所以电脑端需要安转CH340驱动并配合CH340下载器，然后再配合电脑端的控制程序才能下载程序到单片机中。

方案二的STM32F103C8T6是一款基于ARM 32位的Cortext M3内核的单片机，2.0~3.6 V的宽电压供电范围，CPU工作频率最大可达72 MHZ，具有单周期的乘法指令和硬件除法，以及优先级可编程的中断系统。同时它还具有64 KB的Flash存储器与20 KB的SRAM存储器，另外还集成了非常丰富的片内外设，如看门狗、定时器、GPIO口、DMA控制器、ADC、UART、SPI接口、IIC接口等,具有成本低、速度快、性价比高等优点[3]。

方案二所选用的单片机在内核、存储器以及调试模式上都要远优于方案一所选用的单片机。所以在本系统中方案二是最优选择。

　2.2.3显示模块方案论证

显示模块需要把用户需要的信息通过显示器显示出来，是人机交互的重要途径，在该系统中需要把环境的温湿度、模式以及挡位呈现到显示屏上。

方案一：选用LCD1602显示模块。

方案二：选用0.96寸OLED显示模块。

LCD1602是一种价格便宜的液晶显示屏，常用在智能性仪表、通信和微型自动化设备中，通常用来显示ASCII码字符，所以被称为“字符型显示器件”[4]。显示的内容为16×2，即可以显示两行，每行16个字符，占用PCB空间很大，且不能显示汉字。OLED是用I2C或SPI驱动，能够自发光，像素为128×64，汉字可以通过取模方式显示出来，SPI驱动方式的引脚数量只有7个。不仅更轻薄、能耗低、高性能、亮度高、发光率好、可以显示纯黑色。所以方案二更适合本设计要求。

2.2.4电机驱动方案论证

由于单片机的引脚输出电流是非常小的，一般在10~20mA左右，而直流电机的驱动电流在100mA以上。所以需要一个好的驱动模块。

方案一：选用L298N驱动板。

方案二：选用2路直流电机驱动板。

L298N具有较强的驱动能力，工作电压高，发热低，抗干扰能力强，但是对于本设计，占用空间太大。2路直流电机驱动板有较小的体积，两者相同工作下都可以发挥较好的性能，所以选用2路直流电机驱动板适合设计要求。

　2.2.5通信模块选择方案

方案一：使用WIFI-ESP8266模块控制。

方案二：选用蓝牙HC-05控制。

在本设计中，通信模块是主要的辅助模块，是与手机APP端连接的桥梁。ESP8266支持三种组网模式，分别是Soft AP模式、Station模式和Soft AP+Station模式，可将芯片设置为透传模式，这样ESP8266就相当于在互联网和UART(异步串行通信接口)之间搭建起了一座桥梁[5]。但是通信时由于空间中WiFi信号复杂，通信处理难度加大，易干扰，给编程带来不便。蓝牙HC-05它成本低，功耗小，通信距离十米，足以满足本设计的要求，也可以与手机端APP通信实现远程控制风扇。

综上所述选用蓝牙HC-05模块作为通信模块。

3硬件电路的设计

　　3.1单片机控制电路

单片机最小系统电路设计如图3.1所示，它是整个系统的大脑。

图3.1单片机控制电路

　　3.2蓝牙电路

采用HC-05蓝牙芯片通过单片机的串口通信实现和手机移动端的实时通信。打开手机APP蓝牙调节器，与手机端配对后作为从机，使用方法与串口一样，将蓝牙模块中的TXD端与单片机中的RXD端连接，而蓝牙模块中的RXD端

则与单片机中的TXD端连接，通过双向通信的蓝牙模块作用给芯片和手机，通过蓝牙传输给单片机采集到的数据，并且接收蓝牙手机的反馈[6]。电路图如图3.2.1所示，实物图如图3.2.2所示。

图3.2.1蓝牙通信电路

　　图3.2.2蓝牙实物图

　　3.3温湿度检测电路

DHT11是一种数字式温湿度传感器，由DTH11传感器和一个用于抗信号干扰的上拉电阻组成，在汽车，气象站，除湿器等各方面都有广泛的应用，本身既可以测量湿度数据同时也可以测量温度数据，可以把数据直接给单片机，其和单片机是通过单总线方式进行通信[7]。其温度和湿度数据的采集精度都是±0.1，完全满足本设计中对环境温湿度的数据精度的测量要求。

由于DTH11是一个集成的温湿度传感器，并且在标准的温湿度环境下进行过校准，所以其结构电路非常简单。内部已经集成好电路，其中OUT接单片机PA7引脚，电路图如图3.3.1所示，实物图如图3.3.2所示。

图3.3.1温湿度检测电路图3.3.2温湿度传感器实物

　　3.4电机电路

家居中常用的风扇一般通过调速电位器实现手动调速，风扇的电机无法实现无极调速[8]，所以本设计通过单片机的一个定时器产生一个脉冲宽度调制信号(PWM)，经该模块电路来驱动电机的转动，实现风扇的任意转速。

PWM输出的是高低电平的开关量，很多的控制技术，就是采用PWM控制，简而言之，就是对脉冲的宽度进行控制[9]。定时器TIMx通过通道3与compare3值比较输出PWM，控制compare3参数值就可控制脉冲宽度，控制占空比，就可以对电机调速。

由于单片机的I/O驱动能力有限不能驱动风扇正常运转，所以选用2路直流电机驱动板。根据设计，电机驱动模块只需用两个输出口个即可。该模块的OUT1和OUT2分别接直流电机，IN1、IN2为逻辑信号，分别接单片机的PB0、PB1引脚(PWM引脚)，控制单片机这两个引脚，设置脉冲宽度，产生PWM波，即可实现无级调速。电机电路如图3.4.1所示，电机模块实物图如图3.4.2所示。

图3.4.1电机电路图

　　图3.4.2电机模块实物图

　　3.5电源电路

电源开关选用拨动开关，插入双公头USB接口后拨动开关即可。

图3.5电源电路

　　3.6显示电路

显示电路采用SPI的0.96寸OLED液晶显示器，它尺寸小巧，结构紧凑，D0，D1，为SPI接口引脚，完成数据或者命令的传输，CS为片选引脚,拉低时传输才有效，DC用来选择写数据还是还是写命令，拉低为写命令，拉高为写数据，RES为复位引脚，低电平复位，在初始化时拉低一段时间实现复位，OLED显示电路如图3.6.1所示，实物图如图3.6.2所示。

该模块显示当前风扇的运行参数，如当前的温湿度、转速、定时信息和阈值。

　　图3.6.1 OLED显示电路图3.6.2 OLED实物图

　　4系统软件设计

　　4.1开发软件简介

该系统使用的开发软件为Keil5，能够把写好的C语言代码，编译成单片机能够识别的机器语言，即0和1。之后通过专用的下载器下载到单片机的FLASH中运行。Keil5界面如下图4.2所示。

图4.2 Keil5界面

　　4.2主程序设计

本设计以STM32C8T6芯片为主控芯片。首先初始化通用定时器，设置占空比，确保可以稳定输出PWM波，然后初始化对应的蓝牙通信引脚，确保可以和手机端通信，在初始化OLED对应的引脚，然后显示系统的初始化信息。程序是在while里由上到下循环执行的，加上中断服务函数。每隔一段时间，系统每次都要显示新的数据，如果检测到中断即刻跳出while循环去执行中断服务函数。在手动模式下可以用手机远程控制电机的速度；在自动模式下，可以设定温度阈值，如果大于阈值温度3℃时，占空比设为60%；如果大于阈值5℃时，占空比设定为40%；如果大于阈值温度超过8℃，占空比设为5%。根据收到的指令，选择指定的模式，从而调整电机的速度。然后继续检测定时功能是否打开。如果设置了定时功能，执行定时函数，到达时间后自动关闭定时功能。主程序流程图如图4.3所示。

图4.2主程序流程图

　4.3蓝牙接收子程序程序

首先初始化主控的USART外设，设置波特率、工作模式等，然后和手机端APP进行连接，若连接无误，单片机检测是否有数据发来，再解析各个数据相应的命令，对命令执行相应的操作，主要有风速调整模式切换、定时开启、信息发送。在于信息发送函数中，把读取到的温度、湿度、模式和速度参数发送给手机APP。蓝牙接收子程序如图4.3所示。

图4.3蓝牙接收子程序流程图

　4.4温湿度检测程序设计

DHT11直接输出的是数字信号，首先读取数据前由单片机发出开始命令，如果DHT11收到开始信号并发送响应信号，那么单片机就可以进行一次数据读取[10]，之后显示到OLED上，代码如下。

if(Read_DHT11(&DHT11_Data)==SUCCESS)

{

//温度读取显示

sprintf(cStr,”Temp:%d.%d C”,DHT11_Data.temp_int,DHT11_Data.temp_deci);

OLED_ShowString(0,0,cStr,16);

OLED_Refresh();

temp_buf=DHT11_Data.temp_int*10+DHT11_Data.temp_deci;

//湿度读取显示

sprintf(cStr,”Humi:%d.%d%%”,DHT11_Data.humi_int,DHT11_Data.humi_deci);

OLED_ShowString(0,20,cStr,16);

OLED_Refresh();

}

　5系统调试

系统的调试分为软件调试和硬件调试，在设计中缺一不可。如果硬件有问题，那么软件部分将无法运行，甚至会导致芯片或器件烧毁。软件部分作为整个系统的灵魂，如果软件调试不成功，系统将不会正常运行。

　5.1硬件调试

电路板的设计是一个很漫长的过程，需要把相应的模块主控等布置好，除此之外需要自己布线、焊接。本次设计的PCB采用的是国产嘉立创EDA软件，有强大的功能和库。

首先需要确定所需的元器件，然后在了解该元器件后进行布线、确定布局、画PCB，之后用万用表的蜂鸣挡测量一些关键的地方，查看是否有短路和虚焊的部分。之后上电观察系统的运行状态。PCB整体布局图如图5.1所示。

图5.1 PCB整体布局图

5.2软件调试

　　5.2.1蓝牙数据收发调试

蓝牙部分是系统和手机之间通信的桥梁，首先确保模块连接没有问题，在软件中设计中，包括中断的收命令和发送命令，重定向c函数库printf到串口，之后可以使用Printf函数发送命令。在数据收发的调试中分为系统的调试和手机端APP调试。本系统使用上位机是蓝牙调试器。

在代码中需要配置中断接收函数，设置好接收和发送的命令。如代码接收函数图5.2所示。在手机端的蓝牙调试器中定义好发送的命令，然后发送字符“A”，及速度按钮，查看电机的速度是或否有改变。如手机界面图5.3所示。若手机端可以看到返回的信息，说明中断接收和发送没有问题。

图5.2代码接收函数图图5.3手机界面图

　　5.2.2 OLED显示调试

本系统中OLED显示屏作为人机交互的界面，上电后将显示各个状态的下信息，如

图5.4显示电路图所示。界面显示当前的温度和湿度，屏幕右边显示温度阈值，在手机上可以更改，屏幕最下方显示系统运行的模式和电机的速度及状态。更改功能，屏幕将相应的变化。

图5.4显示电路图

　　5.2.3整体功能调试

在手机上按下定时后界面会显示倒计时，按下模式功能按钮将会切换对应的功能，按下定时按钮界面将会显示倒计时，为了方便调试，将缩小倒计时时间。如图5.5定时功能图所示。当倒计时结束后将关闭风扇。再次启动时需要按下调速按钮，将启动风扇。自动模式下在APP上按下温度加或减，屏幕上可以看到最右侧的阈值发生改变，如果检测到的温度值大于阈值温度，风扇将会打开。在当前界面上，速度按钮为调整风扇的速度，信息查询按钮可以返回检测到的温度、湿度、模式和电机的转速等，如手机接收信息图5.6所示。

图5.5定时功能图图5.6手机接收信息图

　　结论

本设计以STM32F103C8T6单片机为主控，辅助电路为DHT11温湿度检测电路OLED显示电路以及蓝牙通信电路。本系统控制调速有手动和自动两种模式，在手动模式下只能通过手机端发送命令进而调速；在自动模式下，可以通过手机设定温度阈值，然后周围环境的温度与该阈值来判定并设置PWM的占空比，有效的控制了在不同温差条件下的转速。在定时功能下，每次按下将增加定时的时长，定时结束后关闭风扇，这将不会担心忘记关闭风扇而浪费电等，此外手机可以发送信息查询命令，这将形成多功能的智能系统。

系统中涉及到了通信模块，如蓝牙HC-05，这是本系统的核心部件，也是设计中的难点。调试过程中也遇到了很多的困难，对此也学习了很多通信的知识，学会了各个模块的原理以及使用方法，除此之外，在编写程序的时候也遇到了很多问题，像DHT11的移植，在开发板上测试完后还需要移准确的植到本系统中，此外，在实际问题如果硬件有问题，程序即使对也不会出现效果。为了使系统能够协调的运行，需要在软件中设置很多个标志位，像定时时间标志位、电机标志位、定时累加标志位等，给程序带来了复杂性，这就需要不断的调试，每个功能逐个测试，最终实现全部的功能。即使如此，在实际的问题中也会存在不可预测的问题需要解决，这是下一步应该解决的。

　参考文献

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基于蓝牙控制的智能温控风扇设计

价格 ¥9.90 发布时间 2024年2月1日

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