基于STM32智能窗簾控制系統的設計

翁利俠

（福建無線電設備有限公司，福建三明 365001）

0 引言

隨著科技的飛速發展，人類在向文明邁進，人們的生活質量有著很大的提高，不同時代對居住空間和環境的要求不同，越來越多的人們不拘于舊式居住環境，而提出了更高的要求[1]。人們生活質量的穩步提高是生活水平進步的必然發展過程，其中科技技術的發展更是給生活帶來舒適、環保和安全的同時也讓居住環境越發舒服和便捷[2]。窗簾充當著家庭生活中的門衛，是家居生活不可缺少的產品，它讓室內與外界隔絕，保持居室的私密性，同時又是家裝不可或缺的裝飾品，使得人們居住環境越發舒適和安全[3]。現在傳統窗簾必須人為地去手動拉動，為了滿足光線強度的舒適度和居住環境的隱私性，每天手動拉動窗簾也越發頻繁，尤其是在占地較大的別墅或復式公寓手動拉動窗簾比較麻煩[4]。基于以上原因，本文以單片機STM32F103作為系統的核心處理平臺，設計了一款具有多功能、穩定、安全、成本低等特點的智能窗簾控制系統。解決了人們每天手動拉動窗簾的問題，也可以通過外界的溫度和光照強度來控制窗簾的開關，使得室內光線和溫度智能化，讓人們處于一種較為舒適的生活環境，不僅提高了家居生活的私密性又能突顯生活的檔次，進一步滿足了人們的享受需要，提高了人們的生活質量和效率[5]。

1 系統總體設計

本文以STM32F103單片機為開發平臺，根據智能窗簾控制系統需要實現的功能，進行硬件電路的設計[6]。主要由3大部分組成，分別為數據采集、控制中心和執行結構。其中數據采集是由各類電子器件構成的電路組成，通過各種傳感器，分別對室內環境溫度、室內光照強度、室內聲音、紅外線信號和定時區間進行采集。經過單片機控制中心一系列分析處理后轉化外相應的數據信號，與產品設定的各種數據閾值進行比較，根據比較的結果，控制ULN2003A步進電機進行相關操作，通過電機的正轉或者反轉，從而控制窗簾的自動升降，并將處理后的數據信號在LCD1602液晶屏上顯示，可以清晰看到各種傳感器采集的數據，也可以判斷數據采集的準確性。該產品可以在顯示屏上準確獲得當時的時間、溫度、窗簾的動作狀態以及系統的工作模式等數據。圖1所示為智能窗簾系統總體框圖。

圖1 系統總體框圖

2 硬件設計

為實現方便可行的智能窗簾控制系統策略，本系統硬件電路以STM32F103為核心、由電源設計電路、數據采集電路、電機控制電路、液晶顯示電路等模塊組成，控制系統采用閉環控制[7]。

2.1 電源電路設計

控制系統采用5 V電壓供電。但STM32F103C8T6芯片拓展電路需要3.3 V供電，故設計一個降壓電路，把5 V電壓降壓到3.3 V，以滿足整個控制系統穩定運行。圖2所示為供電電源電路。選用輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩壓器AMS1117-3.3，圖3所示為AMS1117-3.3降壓電路圖，圖中為保證工作穩定性，接入一個10μF/16 V的鉭電容，兩個輸入電容C5和C7，C14和C8是輸出濾波電容[8]。

圖2 供電電源電路

圖3 AMS1117-3.3降壓電路

2.2 數據采集電路設計

系統數據參數采集包括溫度、光照強度、語音、紅外信號、定時時間區間等，并通過各類傳感器進行采集，并把采集到的數據發給控制中心處理[9]。

2.2.1 溫度采集電路的設計

采用單線數字溫度傳感器DS18B20。為一種新的“一線器件”，圖4所示為傳感器接線原理圖，DQ為主要通訊線路，主機可以通過控制DQ線路DQ高低電平時間來對DS進行讀取和寫入，外加一個上拉電阻，DS的總線采樣是在總線拉低后15μs開始的，其工作流程為：開始、DS18B20復位、跳過ROM匹配指令、輸入讀取溫度指令、讀取溫度值、顯示溫度值、結束[10]。

圖4 DS18B20接線原理

2.2.2 光照強度采集電路的設計

光照強度采集電路選用光敏電阻進行光照強度采集。只需要2個電極，工作原理是基于內光電效應。阻值與光照強度成反比即光照愈強，阻值就愈低，并且它對光線十分敏感，當它處于無光照條件下時，呈高阻值狀態，一般可到達1.5 MΩ，如圖5所示為光照采集電路原理圖，取電阻R8上的電壓差值即可判斷光強變化。因為檢測的是一個電壓信號，單片機不能直接處理，32單片機內部自帶AD，故直接接入AD輸入口即可。將接收到的所測光照強度信號，在數模轉換模塊的處理后，得到光線值[11]。

圖5 光照采集電路原理

2.2.3 語音識別電路的設計

采用非特定語音識別LD3320芯片，通過話筒收集聲音數據，經濾波、放大處理后發送到LD3320進行語音識別，把處理結果輸出到控制中心中。控制中心通過接收從語音識別芯片輸出的處理結果數據，進行解析，對ULN2003A步進電機發送相應的操作指令，完成窗簾的開和關動作[12]。

為了確認系統是否識別到聲音，設計中加入一個LED發光二極管，當LD3320收集到語音信號“小白”時，LED點亮，以此來提示有聲音發送。在指示燈亮時說對應的關鍵詞可以讓窗簾進行打開或者關閉，比如當指示燈亮時，說“開窗”時，系統檢測到會驅動電機進行正轉即窗簾打開，當指示燈亮時，說“關窗”時，系統檢測到時會驅動電機進行翻轉，即窗簾關閉，圖6所示為LD3320語音識別原理圖。

圖6 LD3320接線原理

2.2.4 紅外接收電路的設計

采用HX1838紅外接收頭為一體化紅外接收頭，解調信號輸出端接在單片機P3.2引腳上。紅外遙控系統主要分為3部分，分別為調制、發射和接收。利用外部中斷進行數據的接收[13]。圖7所示為紅外接收電路原理。

圖7 紅外接收電路原理

2.3 電機控制電路的設計

采用ULN2003A芯片用于步進電機驅動電路中。圖8所示為ULN2003A的電路原理。

圖8 ULN2003A電路原理

2.4 液晶顯示屏電路的設計

采用LCD1602液晶顯示屏。進行初始化，然后設置顯示的字符串即可控制顯示屏顯示想要的結果。該顯示器內部設有存儲器，其存儲器中存儲了英文字母、數字以及圖形等，這些數據共同構成了一個數據庫，當顯示器工作時，只需調用庫中的數據，即可實現對顯示屏的編輯[14]。圖9所示為LCD1602的電路原理。

圖9 LCD1602電路原理

3 系統測試和結果分析

3.1 系統功能測試

對整個系統進行測試，檢驗系統實現的功能是否達標，各個硬件電路，各種軟件設計以及軟件和硬件設計是否存在沖突，使得設計的控制系統更具有現實性。

3.2 手動模式測試

在顯示屏左下角可以看到系統當前模式，可以通過K4鍵位調節模式，在手動模式下主要通過手動、紅外線遙控、語音識別來關窗簾，開窗簾。其中，通過手動按鍵位K2可以實現開窗簾，按K3可以實現關窗簾；紅外遙控器上對應的1～4按鍵和實物上的K1～K4一一對應，遙控器可以通過對準HX1838紅外接收一體頭來實現紅外遙控控制；當我們說關鍵詞“小白”，語音對應的LED會亮，指示燈亮時需要再說“開窗”或“關窗”，就可以實現窗簾的開關。系統窗簾的開關狀態可以在顯示屏右下角看，ON表示系統窗簾打開，OFF則表示系統窗簾關閉。圖10所示為手動模式下實物測試下窗簾的打開。

圖10 手動模式下實物

3.3 自動模式測試

自動模式下主要通過溫度和光照強度控制窗簾的開和關。在檢測溫度功能前，需要提前設置溫度值，以確保功工作能正常運行。實物檢測溫度功能時，當外界溫度達不到設置的溫度值時，可以拿手指去捏DS18B20溫度傳感器，人為的去改變系統溫度，讓溫度到達系統要求，從而控制窗簾的關閉，以檢測該功能是否能正常運行。圖11所示為自動系統下，設定溫度值為30℃時系統關閉窗簾的實物圖。當圖中左上角的光敏電阻檢測到有光照時，電機會反轉即窗簾會關閉，當檢測到無光照時，電機會正轉即窗簾會打開。當出現設定的溫度和光照強度在都滿足系統控制窗簾條件下時，溫度的優先級會高于光照強度，

圖11 自動模式下實物

3.4 測試結果分析

在反復測試20次后，自動模式下各種操作都無異常，而在手動模式下的語言識別卻不太靈敏，在測試的20次中有8次出現異常，在更換手機充電器（5V 2A）后恢復正常，原使用手機充電器（5V 1.5A），推測原因是電壓供給系統各模塊電壓不穩定，導致語音識別以及溫度檢測出現不精確現象。

4 結束語

本文基于STM32F103設計了一款智能窗簾控制系統。設計硬件電路與軟件程序，其中硬件電路設計了系統電源電路、數據采集電路、最小組成系統電路以及系統外圍電機控制電路的設計。通過多種傳感器收集各種數據，控制電機正反轉以達到控制窗簾的自動升降。通過LCD1602顯示當前窗簾的時間、溫度、工作模式、工作狀態等信息。搭建系統實物測試平臺，測試硬件設計和軟件設計是否出現沖突的現象。根據測試到的數據結果，對本次課題設計進行調試、分析及改進。從實驗結果可以得出該系統性價比高、可靠性強。