基于STM32单片机的智能语音控制风扇

1. 功能介绍

本系统基于STM32F103C8T6单片机，结合ASRPRO语音识别模块、温度传感器、HC-SR501人体红外感应模块、LCD1602显示屏、风扇驱动电路、按键电路及蜂鸣器，构建了一个智能语音控制风扇系统。该设计融合了自动控制、手动操作、语音识别、人体检测以及温度感应等多种功能，能够根据不同的使用场景灵活调整风扇运行方式，具有良好的实用性与拓展性。

主要功能如下：

1. 电源指示灯：系统通电时点亮LED，指示设备处于工作状态。

2. 多模式切换：通过按键可选择手动模式、自动模式或语音模式。

3. 手动模式：用户通过三个档位按键控制风扇速度。若有人体进入传感器感应范围，风扇运行；若无人，风扇停止。

4. 自动模式：系统实时检测温度和人体存在情况，在有人时根据温度区间自动调节风扇档位：

   • 20℃＜T＜25℃：一档
   • 25℃＜T＜30℃：二档
   • 30℃＜T＜40℃：三档
   • T＞40℃：蜂鸣器报警，风扇停止

5. 语音模式：利用ASRPRO语音识别模块识别用户语音命令，替代手动按钮实现档位调节与开关控制。

6. 定时功能：任意模式下均可进入定时模式，支持最长60秒的定时运行，定时结束后风扇自动停止。

7. LCD1602显示：用于实时显示温度、风扇档位、当前运行模式以及剩余定时时间，增强人机交互体验。

该系统不仅适用于家庭场景，还能应用于办公室、实验室等场所，实现舒适、节能和智能化的风扇控制。

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2. 系统电路设计

2.1 STM32F103C8T6核心控制模块

STM32F103C8T6作为系统核心，负责各传感器数据采集、模式逻辑控制和外设驱动。其主要职责包括：

• 通过ADC接口读取温度传感器数据；
• 通过GPIO口采集HC-SR501红外人体感应信号；
• 通过UART与ASRPRO语音识别模块通信；
• 通过GPIO驱动蜂鸣器和风扇电路；
• 通过I²C总线控制LCD1602显示屏；
• 响应按键输入，切换运行模式和档位。

2.2 ASRPRO语音识别模块

ASRPRO语音识别模块可识别预设的语音指令，如“开风扇”、“一档”、“二档”、“三档”、“关风扇”等，并将结果通过串口返回给STM32，STM32根据识别结果执行对应的控制逻辑。

2.3 温度传感器电路

温度传感器（如DS18B20或模拟NTC）用于实时采集环境温度。其输出信号由STM32读取后，作为自动模式下调速和报警的依据。

2.4 HC-SR501人体红外感应模块

HC-SR501用于检测人体是否进入感应区域。当有人存在时输出高电平信号，STM32据此判断风扇是否需要运行。在无人时，风扇停止工作，从而节省能源。

2.5 LCD1602液晶显示电路

LCD1602通过I²C接口与STM32通信，实时显示温度、风扇档位、模式状态及定时时间。该模块为用户提供直观的操作反馈。

2.6 风扇电路

风扇电路通过三档继电器或PWM驱动实现调速。STM32根据不同档位输出对应的控制信号，调整风扇转速。

2.7 按键电路

按键分为模式切换键、定时键和档位控制键。在手动模式下，档位按键直接控制风扇速度；在设置过程中，按键用于进入定时模式或选择模式。

2.8 蜂鸣器报警电路

蜂鸣器作为超温报警装置，当温度超过40℃时由STM32驱动发声，同时风扇停止运转，提示用户当前温度异常。

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3. 程序设计

程序采用模块化结构，分为主程序、模式管理、传感器采集、语音控制、LCD显示、定时功能及报警控制等部分。

3.1 主程序结构

主循环不断执行数据采集、模式判断、显示更新和定时控制，确保系统在不同模式下的逻辑正确。

int main(void) {
    System_Init();  // 初始化外设
    LCD_Init();
    Sensor_Init();
    Voice_Init();
    
    while (1) {
        Read_Temperature();
        Human_Detect();
        Key_Scan();
        Voice_Receive();
        
        Mode_Process();
        Display_Update();
        Timer_Check();
    }
}

3.2 模式管理程序

系统提供手动、自动和语音三种模式，根据按键或语音命令进行切换。

typedef enum { MODE_MANUAL, MODE_AUTO, MODE_VOICE } Mode;
Mode currentMode = MODE_MANUAL;

void Mode_Process(void) {
    switch (currentMode) {
        case MODE_MANUAL: Manual_Control(); break;
        case MODE_AUTO: Auto_Control(); break;
        case MODE_VOICE: Voice_Control(); break;
    }
}

3.3 手动模式程序

在手动模式下，用户通过按键选择档位，同时结合人体感应器控制风扇开关。

void Manual_Control(void) {
    if (humanDetected) {
        if (keyLevel == 1) Fan_SetSpeed(1);
        else if (keyLevel == 2) Fan_SetSpeed(2);
        else if (keyLevel == 3) Fan_SetSpeed(3);
        else Fan_Stop();
    } else {
        Fan_Stop();
    }
}

3.4 自动模式程序

自动模式下根据温度区间调节档位，当温度过高触发报警。

void Auto_Control(void) {
    if (!humanDetected) {
        Fan_Stop();
        return;
    }
    if (temperature > 40) {
        Buzzer_On();
        Fan_Stop();
    } else if (temperature > 30) {
        Fan_SetSpeed(3);
    } else if (temperature > 25) {
        Fan_SetSpeed(2);
    } else if (temperature > 20) {
        Fan_SetSpeed(1);
    } else {
        Fan_Stop();
    }
}

3.5 语音控制程序

语音控制模式通过串口接收ASRPRO识别结果，执行相应指令。

void Voice_Control(void) {
    char command = Voice_GetCommand();
    if (command == CMD_ON) Fan_SetSpeed(1);
    else if (command == CMD_OFF) Fan_Stop();
    else if (command == CMD_SPEED1) Fan_SetSpeed(1);
    else if (command == CMD_SPEED2) Fan_SetSpeed(2);
    else if (command == CMD_SPEED3) Fan_SetSpeed(3);
}

3.6 LCD显示程序

LCD显示实时温度、档位、模式和定时时间。

void Display_Update(void) {
    LCD_ShowString(0, 0, "Temp:");
    LCD_ShowNum(5, 0, temperature, 2);
    
    LCD_ShowString(0, 1, "Mode:");
    if (currentMode == MODE_MANUAL) LCD_ShowString(5, 1, "Manual");
    else if (currentMode == MODE_AUTO) LCD_ShowString(5, 1, "Auto");
    else LCD_ShowString(5, 1, "Voice");
    
    LCD_ShowString(12, 1, "T:");
    LCD_ShowNum(14, 1, timerCount, 2);
}

3.7 定时功能程序

定时功能在任意模式下均可开启，运行到达设定时间后风扇关闭。

uint16_t timerCount = 0;

void Timer_Check(void) {
    if (timerCount > 0) {
        timerCount--;
        if (timerCount == 0) {
            Fan_Stop();
        }
    }
}

3.8 报警控制程序

当温度超过阈值时蜂鸣器报警，并在LCD上提示。

void Alarm_Check(void) {
    if (temperature > 40) {
        Buzzer_On();
        LCD_ShowString(0, 0, "TEMP HIGH!");
    } else {
        Buzzer_Off();
    }
}

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4. 总结

本设计基于STM32单片机，集成了语音识别、温度检测、人体感应、自动与手动模式切换、定时功能以及报警功能，实现了智能语音控制风扇系统的完整方案。其主要特点在于：

1. 多模式运行：手动、自动和语音模式灵活切换，满足不同用户的操作需求。
2. 智能化控制：通过温度与人体感应器实现节能控制，避免无人时风扇空转。
3. 语音交互：语音识别模块使用户可以通过语音直接操作，提升交互便捷性。
4. 安全与可靠：温度过高时蜂鸣器报警，防止设备长时间高温运行带来的风险。
5. 人机交互友好：LCD1602提供实时信息显示，直观清晰。

整体来看，该系统功能全面、逻辑清晰、实用性强，能够在日常生活中带来更加舒适和智能的使用体验，同时也为嵌入式系统与智能家居方向的研究提供了良好的参考价值。