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buaa_smartfan's Introduction

智创大赛智能小风扇项目

作者：袁天宇 谢雨鑫

1.硬件选型和作品硬件结构框图

1.硬件清单
  • mcu：stm32f103c8t6 入门款stm32单片机
  • 电机驱动：TB6612fng 对扇叶进行驱动
  • 陀螺仪：MPU6050 用于角度感知 测量风扇倾角
  • 0.96寸OLED显示屏 状态参数显示界面，人机交互
  • MG996r舵机x2 风扇左右上下摆头
  • 4X4矩阵键盘 输入设备
  • 蓝牙模块 HC-05 和上位机无线通信
  • 人体红外感知模块HC-SR312 人体感知
  • 12V稳压电源/18650电池 Power supply
2.项目总体组织方式

在keilv5工程中，我们采用标准库开发的方法，模块化编程，把不同的外设功能函数放在不同的.c文件中，main.c中通过应用写有对应函数名对应的头文件调用，所有的操作逻辑都写在Menu_Proc( )函数中，通过轮询、中断和中断嵌套来完成所有功能。

由于作者水平有限，本项目没有采用RTOS（嵌入式实时操作系统），在项目调试中，随着外设功能的增多，代码的执行逻辑也越发复杂，为避免外设之间发生冲突，我们在调试过程中花费相当之多的时间，因此我们深感进一步学习嵌入式操作系统的必要，这也是我们之后学习的目标。

值得一提的是，由于作者尚未掌握绘制画PCB板子的这项技能，采用了面包板和杜邦线插接方法连接硬件电路，杜邦线数目之多令人眼花缭乱，即使是拆弹专家看了也摇头。这极大的影响了硬件的鲁棒性，调试过程中产生了相当之多的硬件Bug ，时常产生电线虚接的问题，令人叫苦不迭，因此学画板子将会是未来重点的学习内容。

3.硬件连接和引脚分配

外设 MCU引脚分配
电机驱动：TB6612fng(PWMA1,AIN1,AIN2) PA1,PA4,PA5
陀螺仪：MPU6050(SCL,SDA) PB10,PB11
OLED显示屏(SCL,SDA) PB8,PB9
MG996r舵机x2(Signal) PA7,PA9
4X4矩阵键盘 PB12,PB13,PB14,PB15,PA0,PA5,PA6,PA7
蓝牙模块 HC-05(RXD,TXD) PA9,PA10
人体红外感知模块HC-SR312 PA11
4.硬件功能函数

  • 矩阵键盘

    ​ 函数名：

    void Key_Init(void);//按键初始化
uint8_t Keyboard_Scan(void);//按键扫描
uint8_t  KeyboardtoNum(uint8_t key);//按键键值对应

    ​ 实现方式：状态机法详见 附录1

  • OLED显示屏

    调用了B站up主江协科技的OLED显示函数 及其底层iic通信协议

    主要调用:

    void OLED_ShowString(uint8_t X, uint8_t Y, char *String, uint8_t FontSize);//显示字符串
void OLED_ShowNum(uint8_t X, uint8_t Y, uint32_t Number, uint8_t Length, uint8_t FontSize);//显示数字
/*初始化函数*/
void OLED_Init(void);
/*更新函数*/
void OLED_Update(void);
void OLED_UpdateArea(uint8_t X, uint8_t Y, uint8_t Width, uint8_t Height);
/*显存控制函数*/
void OLED_Clear(void);

  • 舵机扫风

    void Fans_Init(void);//初始化
void Fans_Sweep(uint8_t mode);//摆头功能实现

    具体实现：

    void Fans_Sweep(u8 mode)
{
	mode -= 1;
	static int16_t angle[2] = {40, 30};
	static int8_t flag[2] = {1, 1};

	if (mode == 0)
	{
		Servo_Set1Angle(30);
		if (angle[mode] > 100 | angle[mode] < -20)
			flag[mode] = -flag[mode];
		angle[mode] += flag[mode] * 1;
		Servo_Set2Angle(angle[mode]);
	}
	else if (mode == 1)
	{
		Servo_Set2Angle(40);
		if (angle[mode] > 70 | angle[mode] <= 10)
			flag[mode] = -flag[mode];
		angle[mode] += flag[mode] * 1;
		Servo_Set1Angle(angle[mode]);
	}

}

  • 电机调速

    void Motor_Init(void);
void Motor_SetSpeed(int8_t Speed);

    底层为TIM通用定时器的输出比较功能调节占空比 ，PWM输出

    void PWM_Init(void);
void PWM_SetCompare2(uint16_t Compare);
void PWM_SetCompare1(uint16_t Compare);
void PWM_SetCompare3(uint16_t Compare);

  • 蓝牙收发

    void BLT_Init(void);//蓝牙初始化
void BLT_Upd(u16 *val);//数据采集更新

    通过valuepack 和USART 进行数据包的发送接受

    底层协议调用部分github及csdn开源代码

  • 人体感知

    void IR_Init(void);
void IR_Capture(void);

  • MPU6050角度感知（PID)

    void Balance(void);//风扇平衡函数
void MPU6050_WriteReg(uint8_t RegAddress, uint8_t Data);//写寄存器
uint8_t MPU6050_ReadReg(uint8_t RegAddress);//读寄存器

void MPU6050_Init(void);//初始化
void MPU6050_GetData(int16_t *AccX, int16_t *AccY, int16_t *AccZ,
					 int16_t *GyroX, int16_t *GyroY, int16_t *GyroZ);//获取角度数据

    在风扇倾角感知和水平调节中采用PID算法控制

2.代码执行流程

3.功能描述

基础部分：

1.全装置由移动电源供电，至少具有扇叶、支架和必要的控制面板。

8212b8247c6963a9ed932647fc1356c

dd2e7133f03b8a8e50e422be9665f71

2.可设置三档风扇转速，每档转速无定量标准，但应区别明显。

3.每次开启风扇，风扇可校准吹风方向为与地面平行，且相对自身水平朝向固定。

4.具有左右和上下扫风功能，可在左右共 120°和上下共 60°范围内扫风，扫风可 随时开启和关闭。扫风在任意时刻关闭后，风扇回到校准位。

5.具有定时功能，可在自定义时间后停转；每次定时后，到时前可取消定时。

6.配有显示工作状态的显示屏，可显示当前转速档位、扫风状态、是否处于定时状态。

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7.具有感知功能，当使用者离开风扇较远距离时，风扇自动停转，使用者回到较 近距离后风扇恢复工作，与停转前工作状态保持一致。

提高部分：

1.具有平衡功能，开启平衡功能后，在俯角或仰角不大于 30°的范围内整体倾斜风扇，风扇吹风方向可恢复至与地面平行。

2.具有无线控制功能，显示屏上需显示的所有内容可显示在手机上，且可通过手 机设置转速档位、扫风、定时。

（在这里补充张手机端的图）

**补充功能：**温度显示

4.总结和反思

这是我们首个基于STM32 CortexM3内核MCU的落地项目，在这个过程中做中学，学习完STM32CortexM3内核单片机的基本内容，从基础的GPIO，到了解TIM 和PWM ，再到学习USART 、IIC 、SPI 、蓝牙等常见的通信协议，尝试应用PID控制算法。从零开始搭建电路，照猫画虎建立工程，从一到多学习外设，反复摸索和调试，硬件Debug的能力和查阅资料解决问题的能力显著提升，为之后的嵌入式开发打下良好基础。

附录1 状态机法实现矩阵键盘

状态机法实现矩阵键盘按键检测

void Key_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    // hang
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12 | GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14 |GPIO_Pin_15;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
    // lie
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);
}
unsigned char Key_Scan()//定时器或者延时 几号秒检测一次
{
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_12,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_13,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_14,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_15,Bit_SET);
	unsigned char Key_temp = 0;
	static unsigned char Key_state;
	unsigned char Key_Value = 0;
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_12,Bit_RESET);
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_0)==0) Key_temp = 1;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_5)==0) Key_temp = 2;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_6)==0) Key_temp = 3;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_7)==0) Key_temp = 4;
	if(Key_temp ==0){
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_12,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_13,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_14,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_15,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_13,Bit_RESET);
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_0)==0) Key_temp = 5;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_5)==0) Key_temp = 6;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_6)==0) Key_temp = 7;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_7)==0) Key_temp = 8;
	}
	if(Key_temp ==0){
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_12,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_13,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_14,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_15,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_14,Bit_RESET);
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_0)==0) Key_temp = 9;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_5)==0) Key_temp = 10;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_6)==0) Key_temp = 11;
	if(GPIO_ReadInputDataBit( GPIOB,GPIO_Pin_7)==0) Key_temp = 12;
	}
	if(Key_temp ==0){
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_12,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_13,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_14,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_15,Bit_SET);
	GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_15,Bit_RESET);
	if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_0)==0) Key_temp = 13;
	if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_5)==0) Key_temp = 14;
	if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_6)==0) Key_temp = 15;
	if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,GPIO_Pin_7)==0) Key_temp = 16;
	}
	
	switch (Key_state){
		case 0:
			if( Key_temp !=0){
			Key_state = 1;
			}
			break;
		case 1:
			if(Key_temp == 0)
				Key_state = 0;
			else
			{
				Key_state = 2;
				switch (Key_temp )
				{
					case 1:
						Key_Value = 1;
						break;
					case 2:
						Key_Value = 2;
						break;
					case 3:
						Key_Value = 3;
						break;
					case 4:
						Key_Value = 4;
						break;
					case 5:
						Key_Value = 5;
						break;
					case 6:
						Key_Value = 6;
						break;
					case 7:
						Key_Value = 7;
						break;
					case 8:
						Key_Value = 8;
						break;
					case 9:
						Key_Value = 9;
						break;
					case 10:
						Key_Value = 10;
						break;
					case 11:
						Key_Value = 11;
						break;
					case 12:
						Key_Value = 12;
						break;
					case 13:
						Key_Value = 13;
						break;
					case 14:
						Key_Value = 14;
						break;
					case 15:
						Key_Value = 15;
						break;
					case 16:
						Key_Value = 16;
						break;
				}
			}
			break;
		case 2:
				if(Key_temp ==0)
				{
					Key_state = 0;
				}
			break;
	}
	return Key_Value;
}

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