基于STM32智能窗帘控制系统的设计

翁利侠

（福建无线电设备有限公司，福建三明 365001）

0 引言

随着科技的飞速发展，人类在向文明迈进，人们的生活质量有着很大的提高，不同时代对居住空间和环境的要求不同，越来越多的人们不拘于旧式居住环境，而提出了更高的要求[1]。人们生活质量的稳步提高是生活水平进步的必然发展过程，其中科技技术的发展更是给生活带来舒适、环保和安全的同时也让居住环境越发舒服和便捷[2]。窗帘充当着家庭生活中的门卫，是家居生活不可缺少的产品，它让室内与外界隔绝，保持居室的私密性，同时又是家装不可或缺的装饰品，使得人们居住环境越发舒适和安全[3]。现在传统窗帘必须人为地去手动拉动，为了满足光线强度的舒适度和居住环境的隐私性，每天手动拉动窗帘也越发频繁，尤其是在占地较大的别墅或复式公寓手动拉动窗帘比较麻烦[4]。基于以上原因，本文以单片机STM32F103作为系统的核心处理平台，设计了一款具有多功能、稳定、安全、成本低等特点的智能窗帘控制系统。解决了人们每天手动拉动窗帘的问题，也可以通过外界的温度和光照强度来控制窗帘的开关，使得室内光线和温度智能化，让人们处于一种较为舒适的生活环境，不仅提高了家居生活的私密性又能突显生活的档次，进一步满足了人们的享受需要，提高了人们的生活质量和效率[5]。

1 系统总体设计

本文以STM32F103单片机为开发平台，根据智能窗帘控制系统需要实现的功能，进行硬件电路的设计[6]。主要由3大部分组成，分别为数据采集、控制中心和执行结构。其中数据采集是由各类电子器件构成的电路组成，通过各种传感器，分别对室内环境温度、室内光照强度、室内声音、红外线信号和定时区间进行采集。经过单片机控制中心一系列分析处理后转化外相应的数据信号，与产品设定的各种数据阈值进行比较，根据比较的结果，控制ULN2003A步进电机进行相关操作，通过电机的正转或者反转，从而控制窗帘的自动升降，并将处理后的数据信号在LCD1602液晶屏上显示，可以清晰看到各种传感器采集的数据，也可以判断数据采集的准确性。该产品可以在显示屏上准确获得当时的时间、温度、窗帘的动作状态以及系统的工作模式等数据。图1所示为智能窗帘系统总体框图。

图1 系统总体框图

2 硬件设计

为实现方便可行的智能窗帘控制系统策略，本系统硬件电路以STM32F103为核心、由电源设计电路、数据采集电路、电机控制电路、液晶显示电路等模块组成，控制系统采用闭环控制[7]。

2.1 电源电路设计

控制系统采用5 V电压供电。但STM32F103C8T6芯片拓展电路需要3.3 V供电，故设计一个降压电路，把5 V电压降压到3.3 V，以满足整个控制系统稳定运行。图2所示为供电电源电路。选用输出电压为3.3 V的正向低压降稳压器AMS1117-3.3，图3所示为AMS1117-3.3降压电路图，图中为保证工作稳定性，接入一个10μF/16 V的钽电容，两个输入电容C5和C7，C14和C8是输出滤波电容[8]。

图2 供电电源电路

图3 AMS1117-3.3降压电路

2.2 数据采集电路设计

系统数据参数采集包括温度、光照强度、语音、红外信号、定时时间区间等，并通过各类传感器进行采集，并把采集到的数据发给控制中心处理[9]。

2.2.1 温度采集电路的设计

采用单线数字温度传感器DS18B20。为一种新的“一线器件”，图4所示为传感器接线原理图，DQ为主要通讯线路，主机可以通过控制DQ线路DQ高低电平时间来对DS进行读取和写入，外加一个上拉电阻，DS的总线采样是在总线拉低后15μs开始的，其工作流程为：开始、DS18B20复位、跳过ROM匹配指令、输入读取温度指令、读取温度值、显示温度值、结束[10]。

图4 DS18B20接线原理

2.2.2 光照强度采集电路的设计

光照强度采集电路选用光敏电阻进行光照强度采集。只需要2个电极，工作原理是基于内光电效应。阻值与光照强度成反比即光照愈强，阻值就愈低，并且它对光线十分敏感，当它处于无光照条件下时，呈高阻值状态，一般可到达1.5 MΩ，如图5所示为光照采集电路原理图，取电阻R8上的电压差值即可判断光强变化。因为检测的是一个电压信号，单片机不能直接处理，32单片机内部自带AD，故直接接入AD输入口即可。将接收到的所测光照强度信号，在数模转换模块的处理后，得到光线值[11]。

图5 光照采集电路原理

2.2.3 语音识别电路的设计

采用非特定语音识别LD3320芯片，通过话筒收集声音数据，经滤波、放大处理后发送到LD3320进行语音识别，把处理结果输出到控制中心中。控制中心通过接收从语音识别芯片输出的处理结果数据，进行解析，对ULN2003A步进电机发送相应的操作指令，完成窗帘的开和关动作[12]。

为了确认系统是否识别到声音，设计中加入一个LED发光二极管，当LD3320收集到语音信号“小白”时，LED点亮，以此来提示有声音发送。在指示灯亮时说对应的关键词可以让窗帘进行打开或者关闭，比如当指示灯亮时，说“开窗”时，系统检测到会驱动电机进行正转即窗帘打开，当指示灯亮时，说“关窗”时，系统检测到时会驱动电机进行翻转，即窗帘关闭，图6所示为LD3320语音识别原理图。

图6 LD3320接线原理

2.2.4 红外接收电路的设计

采用HX1838红外接收头为一体化红外接收头，解调信号输出端接在单片机P3.2引脚上。红外遥控系统主要分为3部分，分别为调制、发射和接收。利用外部中断进行数据的接收[13]。图7所示为红外接收电路原理。

图7 红外接收电路原理

2.3 电机控制电路的设计

采用ULN2003A芯片用于步进电机驱动电路中。图8所示为ULN2003A的电路原理。

图8 ULN2003A电路原理

2.4 液晶显示屏电路的设计

采用LCD1602液晶显示屏。进行初始化，然后设置显示的字符串即可控制显示屏显示想要的结果。该显示器内部设有存储器，其存储器中存储了英文字母、数字以及图形等，这些数据共同构成了一个数据库，当显示器工作时，只需调用库中的数据，即可实现对显示屏的编辑[14]。图9所示为LCD1602的电路原理。

图9 LCD1602电路原理

3 系统测试和结果分析

3.1 系统功能测试

对整个系统进行测试，检验系统实现的功能是否达标，各个硬件电路，各种软件设计以及软件和硬件设计是否存在冲突，使得设计的控制系统更具有现实性。

3.2 手动模式测试

在显示屏左下角可以看到系统当前模式，可以通过K4键位调节模式，在手动模式下主要通过手动、红外线遥控、语音识别来关窗帘，开窗帘。其中，通过手动按键位K2可以实现开窗帘，按K3可以实现关窗帘；红外遥控器上对应的1～4按键和实物上的K1～K4一一对应，遥控器可以通过对准HX1838红外接收一体头来实现红外遥控控制；当我们说关键词“小白”，语音对应的LED会亮，指示灯亮时需要再说“开窗”或“关窗”，就可以实现窗帘的开关。系统窗帘的开关状态可以在显示屏右下角看，ON表示系统窗帘打开，OFF则表示系统窗帘关闭。图10所示为手动模式下实物测试下窗帘的打开。

图10 手动模式下实物

3.3 自动模式测试

自动模式下主要通过温度和光照强度控制窗帘的开和关。在检测温度功能前，需要提前设置温度值，以确保功工作能正常运行。实物检测温度功能时，当外界温度达不到设置的温度值时，可以拿手指去捏DS18B20温度传感器，人为的去改变系统温度，让温度到达系统要求，从而控制窗帘的关闭，以检测该功能是否能正常运行。图11所示为自动系统下，设定温度值为30℃时系统关闭窗帘的实物图。当图中左上角的光敏电阻检测到有光照时，电机会反转即窗帘会关闭，当检测到无光照时，电机会正转即窗帘会打开。当出现设定的温度和光照强度在都满足系统控制窗帘条件下时，温度的优先级会高于光照强度，

图11 自动模式下实物

3.4 测试结果分析

在反复测试20次后，自动模式下各种操作都无异常，而在手动模式下的语言识别却不太灵敏，在测试的20次中有8次出现异常，在更换手机充电器（5V 2A）后恢复正常，原使用手机充电器（5V 1.5A），推测原因是电压供给系统各模块电压不稳定，导致语音识别以及温度检测出现不精确现象。

4 结束语

本文基于STM32F103设计了一款智能窗帘控制系统。设计硬件电路与软件程序，其中硬件电路设计了系统电源电路、数据采集电路、最小组成系统电路以及系统外围电机控制电路的设计。通过多种传感器收集各种数据，控制电机正反转以达到控制窗帘的自动升降。通过LCD1602显示当前窗帘的时间、温度、工作模式、工作状态等信息。搭建系统实物测试平台，测试硬件设计和软件设计是否出现冲突的现象。根据测试到的数据结果，对本次课题设计进行调试、分析及改进。从实验结果可以得出该系统性价比高、可靠性强。