暖风机干手器设计

硬件设计辅导猿

158人浏览 · 2026-09-06 12:14:24

硬件设计辅导猿 · 2026-09-06 12:14:24 发布

红外感应+冷热风切换+湿度联锁——附"PIR原理配对管选型、继电器直推IO"翻车实录

暖风机干手器：红外感应+冷热风切换+湿度联锁，附"PIR原理配对管选型、继电器直推IO"翻车实录

暖风机干手器设计：红外感应+冷热风切换+湿度联锁——附"PIR原理配对管选型、继电器直推IO"翻车实录

一、系统功能拆解

先看整体架构，再逐个拆功能点：

功能模块	实现方式	设计要点
手部检测	TCRT5000 红外对管 ×1	漫反射式，检测距离 1~15mm，比 PIR 更适合"手伸进出风口"这种近距离场景
湿度监测	DHT11 数字温湿度传感器	单总线接口，1 路读出湿度+温度，用于显示和环境补偿
冷风/热风切换	独立按键 + 状态机	默认冷风，按键切换热风（继电器吸合加热模块）
风扇控制	GPIO + NPN 三极管驱动	检测到手 → 开风；手离开 + 延时 3s → 停风
加热控制	SRD-05VDC-SL-C 继电器	必须加三极管驱动（原文直接接 IO，是硬伤，后文详述）
状态显示	OLED12864（I2C，SSD1306）	显示当前模式、湿度、手部检测状态、运行倒计时

核心控制逻辑（修正版），我把它整理成一个三态状态机：

待机(STANDBY) ──检测到手──> 运行(RUN，冷风或热风) ──手离开且3s倒计时结束──> 待机
     │                          │
     └──── 按键切换 冷风/热风 ────┘（任意状态可切）
     
安全联锁（硬性规则，优先级最高）：
  1. 加热继电器吸合 ⇒ 风扇必须同时运转（禁止"只加热不吹风"，否则外壳过热）
  2. 风扇停 ⇒ 先断加热，风扇再吹 5s 余风散热后才完全停转

二、模块选型对比（含成本）

2.1 主控：STM32F103C8T6 vs NXP LPC1768

参数	STM32F103C8T6	NXP LPC1768（/实际✅）
主频	72MHz	96MHz
Flash	64KB	实际 512KB✅
SRAM	20KB	实际 64KB✅
价格	~15元（板）	~40元（板）
生态	标准库/HAL + 社区资料海量	资料相对少

本系统 GPIO + 单总线 + I2C 的需求，C8T6 的 20KB SRAM 绰绰有余，选它主要因为便宜一半 + 开发资料多。

2.2 湿度：DHT11 vs SHT30

参数	DHT11	SHT30
湿度精度	±5%RH	±2%RH
湿度量程	20~80%RH	0~100%RH
响应时间	~2s	~0.5s
接口	单总线	I2C
价格	~4元	~12元

干手器场景只做显示和环境参考，DHT11 够用，选 DHT11。这条原文选型没问题（终于有一条没翻车的）。

2.3 手部检测：TCRT5000 对管 vs E3F 对射式

选 TCRT5000，理由：

检测距离短（1~15mm，靠板载电位器调）恰好匹配"手伸进出风口"场景——对射式 E3F 是量程可达几十厘米的"光幕"，杀鸡用牛刀且安装要求两端对齐；
漫反射式只需要单边安装，结构简单。

2.4 显示：OLED12864（I2C）vs TFT LCD160x80（SPI）

选 OLED12864：I2C 只占 2 根线、3.3V 直供、黑白显示本场景足够。选型正确。

2.5 BOM 成本清单

器件	型号/规格	数量	参考价
主控板	STM32F103C8T6 最小系统板	1	¥15
湿度传感器	DHT11	1	¥4
红外对管	TCRT5000 模块	1	¥2
显示屏	0.96" OLED12864 I2C	1	¥10
继电器	SRD-05VDC-SL-C 模块（含驱动）	1	¥3
风扇	5V 直流风扇 8025	1	¥8
加热模块	5V PTC 加热片（150~300mA 小功率演示级）	1	¥10
按键、电阻、三极管、杜邦线、洞洞板	杂	若干	¥12
合计			≈¥64

演示原型建议用低压 PTC + 5V 风扇。真要接 220V 加热丝，必须加光耦隔离 + 熔断器 + 温度保险丝，这是安全红线，毕设答辩演示阶段别碰市电。

三、硬件接线（含原文翻车点修正）

3.1 接线总表

STM32 引脚	外设	说明
PA0	DHT11 DATA	单总线，4.7k~10kΩ 上拉到 3.3V
PA1	TCRT5000 OUT	数字输出（多数模块低电平=有障碍物，以实测为准）
PA2	模式按键 KEY_MODE	一端接 PA2，另一端接 GND，内部上拉输入
PA3	继电器控制 IN	经三极管驱动（见 3.2）
PA4	风扇控制	经 NPN 三极管（S8050）驱动风扇
PB6	OLED SCL	I2C1_SCL，4.7kΩ 上拉
PB7	OLED SDA	I2C1_SDA，4.7kΩ 上拉
3.3V/5V/GND	各模块供电	OLED 用 3.3V；TCRT5000、继电器模块用 5V（模块自带电平兼容）

3.2 接线坑 ①：继电器绝不能直接怼 IO 口

方案 A（推荐，最省事）：直接买带驱动电路的继电器模块（三块钱那种，板载 NPN 三极管 + 续流二极管 + 光耦），模块 IN 脚输入几 mA 即可驱动，低电平触发的居多——下单前看清楚触发逻辑。

方案 B（自己搭）：IO → 1kΩ → S8050 基极；S8050 集电极 → 继电器线圈 → 5V；发射极 → GND；线圈两端并联 1N4007 续流二极管（负极接 5V 侧），否则线圈断电瞬间的反电动势会打穿三极管。

/* 继电器控制（方案B，高电平导通示例）*/
#define HEATER_RELAY_PIN   GPIO_Pin_3
#define HEATER_RELAY_PORT  GPIOA

void Heater_Relay_On(void)  { GPIO_SetBits(HEATER_RELAY_PORT, HEATER_RELAY_PIN); }
void Heater_Relay_Off(void) { GPIO_ResetBits(HEATER_RELAY_PORT, HEATER_RELAY_PIN); }

3.3 接线坑 ②：按键上拉/下拉写反

下拉电阻接地 + 未按下是高电平？这在电学上讲不通：下拉电阻的作用就是把引脚拉到低电平。原文把"内部上拉"的接法（按键另一端接 GND，未按下读高、按下读低）和"下拉"这个词焊在了一起。

3.4 接线坑 ③：加热与风扇必须硬联锁

这是干手器的安全设计底线：加热片上电而没有风流过，PTC 表面温度会在几秒内飙升，塑料外壳/海绵/纸巾靠近就是火灾隐患。接线层面我们用一路 GPIO 同时约束：

/* 安全联锁：任何情况下，开加热前必须先开风扇 */
void Safe_SetHeater(FunctionalState on)
{
    if (on == ENABLE) {
        Fan_On();              /* 先开风扇 */
        delay_ms(200);         /* 风流建立后再加热 */
        Heater_Relay_On();
    } else {
        Heater_Relay_Off();    /* 先断加热 */
        /* 风扇余风散热的延时由状态机处理，这里不直接关风扇 */
    }
}

四、软件设计（完整源码）

开发环境：Keil MDK + STM32 标准外设库。程序分 5 块：主状态机、DHT11 单总线读取、TCRT5000 手部检测（消抖）、按键扫描、OLED 显示。

4.1 主程序（含三态状态机 + 安全联锁）

#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#include "dht11.h"
#include "oled.h"
#include "key.h"
#include "hand_detect.h"
#include "fan.h"
#include "heater.h"

typedef enum { MODE_COOL = 0, MODE_HEAT } DryMode;
typedef enum { ST_STANDBY, ST_RUN, ST_COOLDOWN } SysState;

static SysState  g_state = ST_STANDBY;
static DryMode   g_mode  = MODE_COOL;
static uint32_t  g_stopTick  = 0;   /* 手离开时间戳 */
static uint8_t   g_humidity = 50;
static int16_t   g_temp10   = 250;  /* 温度x10 */

#define HAND_LEAVE_DELAY_MS  3000   /* 手离开后延时停风 */
#define HEATER_TAIL_DELAY_MS 5000   /* 断加热后余风散热时间 */

int main(void)
{
    SysTick_Init();
    OLED_Init();
    DHT11_Init();
    Key_Init();
    HandDetect_Init();
    Fan_Init();
    Heater_Init();
    Fan_Off();            /* 上电安全态：风扇加热全关 */
    Heater_Relay_Off();

    uint32_t lastDht = 0;
    while (1)
    {
        /* ---- 1. 湿度采集（DHT11 最快 1Hz，别刷太快）---- */
        if (GetTick() - lastDht >= 1500) {
            lastDht = GetTick();
            uint8_t hum, tmp;
            if (DHT11_Read(&hum, &tmp) == 0) { g_humidity = hum; g_temp10 = tmp * 10; }
        }

        /* ---- 2. 按键：冷/热模式切换 ---- */
        if (Key_Scan() == KEY_PRESSED) {
            g_mode = (g_mode == MODE_COOL) ? MODE_HEAT : MODE_COOL;
            if (g_state == ST_RUN && g_mode == MODE_HEAT)
                Safe_SetHeater(ENABLE);           /* 热风：联锁开加热 */
            if (g_state == ST_RUN && g_mode == MODE_COOL)
                Safe_SetHeater(DISABLE);          /* 回冷风：只断加热，风不停 */
        }

        /* ---- 3. 状态机 ---- */
        switch (g_state)
        {
        case ST_STANDBY:
            if (HandDetect_IsPresent()) {
                Fan_On();
                if (g_mode == MODE_HEAT) Safe_SetHeater(ENABLE);
                g_state = ST_RUN;
            }
            break;

        case ST_RUN:
            if (HandDetect_IsPresent()) {
                g_stopTick = GetTick();           /* 手在，刷新时间戳 */
            } else if (GetTick() - g_stopTick >= HAND_LEAVE_DELAY_MS) {
                Safe_SetHeater(DISABLE);          /* 先断加热 */
                g_stopTick = GetTick();
                g_state = ST_COOLDOWN;            /* 余风散热 */
            }
            break;

        case ST_COOLDOWN:
            if (HandDetect_IsPresent()) {         /* 散热中又伸手：立即恢复 */
                Fan_On();
                if (g_mode == MODE_HEAT) Safe_SetHeater(ENABLE);
                g_state = ST_RUN;
            } else if (GetTick() - g_stopTick >= HEATER_TAIL_DELAY_MS) {
                Fan_Off();                        /* 散热完成，全停 */
                g_state = ST_STANDBY;
            }
            break;
        }

        /* ---- 4. OLED 显示 ---- */
        OLED_Show();
        delay_ms(10);
    }
}

4.2 DHT11 单总线读取（时序关键）

DHT11 时序是毕设经典翻车区。主机拉低至少 18ms → 释放拉高 20~40μs → DHT11 拉低 80μs → 拉高 80μs → 连续 40bit 数据。每个 bit 以 50μs 低电平开始，高电平持续 26~28μs 表示"0"、70μs 表示"1"。

#include "dht11.h"
#include "delay.h"

#define DHT_PIN   GPIO_Pin_0
#define DHT_PORT  GPIOA

/* 引脚方向切换：单总线全靠这个 */
static void DHT_SetOutput(void) {
    GPIO_InitTypeDef g;
    g.GPIO_Pin = DHT_PIN; g.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    g.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_Init(DHT_PORT, &g);
}
static void DHT_SetInput(void) {
    GPIO_InitTypeDef g;
    g.GPIO_Pin = DHT_PIN;
    g.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;          /* 输入上拉 */
    GPIO_Init(DHT_PORT, &g);
}
#define DHT_HIGH()  GPIO_SetBits(DHT_PORT, DHT_PIN)
#define DHT_LOW()   GPIO_ResetBits(DHT_PORT, DHT_PIN)
#define DHT_READ()  GPIO_ReadInputDataBit(DHT_PORT, DHT_PIN)

/* 返回0=成功；hum湿度整数，tmp温度整数 */
uint8_t DHT11_Read(uint8_t *hum, uint8_t *tmp)
{
    uint8_t buf[5] = {0};
    uint8_t i, j, t;

    /* 1. 主机起始信号 */
    DHT_SetOutput();
    DHT_LOW();
    delay_ms(20);            /* >=18ms */
    DHT_HIGH();
    delay_us(30);            /* 20~40us */
    DHT_SetInput();

    /* 2. 等 DHT11 响应：先80us低，再80us高 */
    t = 0; while (!DHT_READ()) { delay_us(2); if (++t > 50) return 1; }
    t = 0; while ( DHT_READ()) { delay_us(2); if (++t > 50) return 1; }

    /* 3. 读40bit：每bit前导50us低，高电平宽度判0/1 */
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        for (j = 0; j < 8; j++) {
            t = 0; while (!DHT_READ()) { delay_us(2); if (++t > 40) return 2; }
            t = 0; while ( DHT_READ()) { delay_us(2); if (++t > 40) return 2; }
            buf[i] <<= 1;
            if (t > 15) buf[i] |= 0x01;   /* 高电平>30us记为1（t单位2us） */
        }
    }

    /* 4. 校验 */
    if ((uint8_t)(buf[0]+buf[1]+buf[2]+buf[3]) != buf[4]) return 3;
    *hum = buf[0];
    *tmp = buf[2];
    return 0;
}

两个实战注意点：

中断要关：如果工程里开了 SysTick 之外的中断，读 DHT11 前后用 __disable_irq()/__enable_irq() 包住时序段，一次中断打进来，整帧数据错位；
读的频率别超过 1Hz：DHT11 采集周期约 1s~2s，主循环里加 1.5s 间隔判断（见 main 代码），连读只会拿到重复值或校验错。

4.3 TCRT5000 手部检测（带消抖）

原文的消抖思路（检测到低电平 → 延时 10ms → 再确认）是对的，直接沿用并规范化：

#include "hand_detect.h"
#include "delay.h"

#define HAND_PIN   GPIO_Pin_1
#define HAND_PORT  GPIOA
#define HAND_ACTIVE_LEVEL  0        /* 多数TCRT5000模块：有障碍=低电平，实测为准 */

void HandDetect_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef g;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    g.GPIO_Pin  = HAND_PIN;
    g.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;    /* 内部上拉输入 */
    GPIO_Init(HAND_PORT, &g);
}

/* 返回1=检测到手（障碍物），0=无 */
uint8_t HandDetect_IsPresent(void)
{
    if (GPIO_ReadInputDataBit(HAND_PORT, HAND_PIN) == HAND_ACTIVE_LEVEL) {
        delay_ms(10);               /* 消抖 */
        if (GPIO_ReadInputDataBit(HAND_PORT, HAND_PIN) == HAND_ACTIVE_LEVEL)
            return 1;
    }
    return 0;
}

delay_ms(10) 阻塞式消抖在本项目里可接受（状态机 10ms 粒度）；如果你的系统还挂着别的实时任务，把它改成"连续 N 次采样一致才更新标志"的非阻塞写法。

4.4 按键扫描（10ms 消抖 + 单次触发）

#include "key.h"
#include "delay.h"

#define KEY_PIN   GPIO_Pin_2
#define KEY_PORT  GPIOA

void Key_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef g;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    g.GPIO_Pin  = KEY_PIN;
    g.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;    /* 内部上拉，按下=低 */
    GPIO_Init(KEY_PORT, &g);
}

/* 返回 KEY_PRESSED(1) 或 KEY_IDLE(0)，松手才算一次有效按（防长按连切） */
uint8_t Key_Scan(void)
{
    static uint8_t last = 1;        /* 上次电平，初始高 */
    uint8_t now = GPIO_ReadInputDataBit(KEY_PORT, KEY_PIN);

    if (last == 0 && now == 1) {    /* 检测到上升沿：松手瞬间 */
        delay_ms(10);               /* 消抖 */
        if (GPIO_ReadInputDataBit(KEY_PORT, KEY_PIN) == 1) {
            last = now;
            return KEY_PRESSED;
        }
    }
    last = now;
    return KEY_IDLE;
}

4.5 OLED 显示（I2C + SSD1306）

用现成的 ssd1306 标准库驱动（I2C 地址 0x78/0x3C，看你买的模块），显示层只需刷新四个字段：

void OLED_Show(void)
{
    OLED_ShowString(0,  0, "Hand Dryer  v1.0");
    OLED_ShowString(0, 16, g_mode == MODE_HEAT ? "Mode: HOT " : "Mode: COOL");
    OLED_ShowString(0, 28, "Hum : xx %RH");
    OLED_ShowNum(56, 28, g_humidity, 2);
    OLED_ShowString(0, 40, "Temp: xx.x C");
    OLED_ShowNum(56, 40, g_temp10 / 10, 2);
    OLED_ShowChar(68, 40, '.');
    OLED_ShowNum(74, 40, g_temp10 % 10, 1);
    OLED_ShowString(0, 56,
        g_state == ST_STANDBY  ? "State: STANDBY " :
        g_state == ST_RUN      ? "State: RUNNING " :
                                 "State: COOLDOWN ");
}

五、系统调试与验证

按模块 → 联调的顺序推进，每步都有明确的"通过标准"：

调试项	方法	通过标准	常见不通过原因
TCRT5000 灵敏度	手从 15cm 缓慢靠近出风口	距离 5~8cm 处 OLED 状态跳变，且黑布/白纸测试差异不大	电位器没调好；深色/湿手反射弱，调灵敏度或缩短安装距离
DHT11 读取	连续读 20 次	成功率 ≥95%，校验错误 ≤1 次	延时函数误差大（用逻辑分析仪核对 20ms/30μs）；上拉电阻漏焊
继电器驱动	手动拉高/拉低 PA3	继电器"咔哒"干脆，万用表测 COM-NO 通断正常	触发电平搞反（很多模块低电平触发）；驱动电流不够（用了裸继电器）
冷/热切换	运行态按按键	冷→热：先风后热（间隔约 0.2s）；热→冷：加热断、风不停	联锁顺序写反
停风逻辑	手移开	3s 后断热 → 余风 5s → 全停	时间戳没刷新导致立即停风
安全联锁	热风运行中直接拔风扇供电	加热必须同步断（保险测试，仅限演示级 PTC）	联锁只在切换路径上做了，没覆盖异常路径
整机联调	模拟 20 次伸手/缩手	无一次误触发、无一次"只加热不吹风"	按键长按连切（松手检测没做）

调灵敏度时的一个实用技巧：TCRT5000 模块一般有指示灯，先不接单片机，单独供电调电位器到"手距 6cm 灯亮、10cm 灯灭"，再装到整机里，比在整机上盲调快得多。

六、可扩展方向

这套 70 元的原型跑通之后，还能往这几个方向加料（每一个都够写一节"系统优化"）：

真正的"按干没干"停风：DHT11 不行，但 SHT30 + 出风口温湿度双点对比可以粗略估计水分蒸发状态；或者直接上 2.4 寸以上的红外测温阵列（MLX90640），手表面温度回升速率和干燥程度强相关——预算 150 元左右，作为毕设创新点很能打。
无级调速风扇：把风扇 GPIO 换成 TIM3_CH1 PWM 输出，按红外反射强度估计手距，距离越近风速越高，模拟商用干手器的体验。
加热功率闭环：加一路 DS18B20 贴在出风口，用简单的位式控制（PWM 占空比分三档）把出风温度稳定在 45±3℃，避免 PTC 满功率直吹烫手。
使用统计：外部 Flash 或 EEPROM 记录每日使用次数、单次时长，OLED 加一个统计页面——商业设备运营数据的雏形。
低功耗待机：待机态 MCU 进 Stop 模式，TCRT5000 上升沿唤醒（EXTI），整机待机电流从几十 mA 压到 mA 级，做"电池供电版"就有戏了。

七、资料内容完整工程资料（原理图、PCB、代码、元件清单）

八、资料获取方式

AI硬件创业社区

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