零知开源——基于STM32F103RBT6的智能风扇控制系统设计与实现
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目录
一、硬件连接部分
1.1 硬件清单
1.2 接线方案
1.3 具体接线图
1.4 接线实物图
二、关键代码解析
2.1 主循环设计
2.2 红外信号处理
2.3 显示更新优化
2.4 风扇驱动控制
2.5 系统完整代码
三、项目结果演示
3.1 操作流程
3.2 界面展示
3.3 视频演示
四、JQC-3FF-S-Z工作原理
4.1 基本结构
4.2 动作机制
五、常见问题解答
Q1: 如何调整光控的灵敏度？
Q2: 如何修改定时时间？
Q3: 舵机转动不流畅怎么办？
（1）项目概述
本项目基于STM32F103RBT6主控芯片（零知标准板），设计并实现了一个功能丰富的智能风扇控制系统。融合了红外遥控、自动光控、定时关闭、睡眠模式等多种智能控制方式。系统采用JQC-3FF-S-Z继电器作为主要控制元件，通过红外遥控器实现远程控制，同时集成了光敏传感器实现环境光线自适应控制。
（2）项目难点及解决方案
问题描述：系统需要同时处理红外信号接收、舵机控制、传感器数据采集和显示更新等多个任务。
解决方案： 采用基于millis()的时间管理方法，避免使用delay()，确保系统响应及时
一、硬件连接部分
1.1 硬件清单
| 组件名称 | 型号/规格 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 主控板 | 零知标准板(STM32F103RBT6) | 1 | 核心控制单元 |
| 继电器模块 | JQC-3FF-S-Z | 1 | 控制风扇电源 |
| TFT显示屏 | ST7789 240x240 | 1 | 用户界面显示 |
| 红外控制模块 | IR Receiver红外接收模块 | 1 | 接收红外信号 |
| 舵机 | SG90 | 1 | 实现风扇摇头功能 |
| 光敏电阻 | 光敏电阻模块 | 1 | 环境光线检测 |
| 直流电机 | 3.3V | 1 | 被控对象 |
1.2 接线方案
注意：JQC-3FF-S-Z的D+接5V，其他器件电源接3.3V
| 组件 | 零知标准板引脚 | 说明 |
|---|---|---|
| 继电器IN | 6 | 继电器控制引脚 |
| 红外接收DATA | 3 | 红外信号输入 |
| 舵机信号 | 5 | 舵机控制 |
| TFT_SCL | 13 | 显示屏时钟线 |
| TFT_SDA | 11 | 显示屏数据输入 |
| TFT_CS | 10 | 显示屏片选 |
| TFT_DC | 9 | 显示屏数据/命令 |
| TFT_RST | 8 | 显示屏复位 |
| 光敏电阻OUT | 0 | 光线传感器信号 |
1.3 具体接线图
PS：直流电机的其中一极接3.3V电源，另一极接JQC-3FF-S-Z继电器的COM公共端
1.4 接线实物图
二、关键代码解析
2.1 主循环设计
void loop() {// 处理红外信号if (irrecv.decode(&results)) {handleIRCommand(results.value);irrecv.resume();redrawNeeded = true;}// 处理舵机摆动handleSwing();// 处理定时器handleTimer();// 处理睡眠模式handleSleepMode();// 读取光线传感器数据readLightSensor();// 自动模式处理if (operationMode == MODE_LIGHT_AUTO) {handleAutoMode();}// 更新显示updateDisplay();delay(100); // 短暂延迟以减少CPU使用率
}主循环采用非阻塞设计，通过状态标志控制各功能的执行，确保系统响应及时。
2.2 红外信号处理
void handleIRCommand(unsigned long value) {Serial.print("IR Code Received: 0x");Serial.println(value, HEX);switch(value) {case BTN_POWER:togglePower();break;// 其他按键处理...}
}红外信号处理函数通过switch-case结构解析不同按键的功能，代码结构清晰易懂。
2.3 显示更新优化
void updateDisplay() {// 只在需要时重绘if (!redrawNeeded) {// 对于定时器模式，每秒更新一次时间显示if (operationMode == MODE_TIMER && timerActive) {unsigned long currentTime = millis();if (currentTime - lastTimerUpdate >= 1000) {lastTimerUpdate = currentTime;updateTimerDisplay();}}// 省略其他模式...return;}// 全屏刷新逻辑...
}显示更新函数通过redrawNeeded标志控制刷新频率，避免不必要的屏幕刷新，提高系统效率。
2.4 风扇驱动控制
void turnOffFan() {digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);fanState = FAN_OFF;swingState = SWING_OFF; // 关闭风扇时也停止摆动timerActive = false; // 取消定时sleepActive = false; // 取消睡眠模式Serial.println("Fan Turned OFF");
}void turnOnFan() {digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);fanState = FAN_ON;Serial.println("Fan Turned ON");
}void handleSwing() {if (swingState == SWING_OFF) return;unsigned long currentTime = millis();if (currentTime - lastSwingTime >= swingSpeed) {lastSwingTime = currentTime;// 摆动范围 20-160 度static int direction = 1; // 1为增加角度，-1为减少角度swingAngle += direction;myservo.write(swingAngle);// 到达边界时改变方向if (swingAngle >= 160 || swingAngle <= 20) {direction = -direction;}}
}
JQC-3FF-S-Z继电器模块控制风扇电源并设置标志位
2.5 系统完整代码
#include "IRremote.h"
#include "Servo.h"
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_ST7789.h>// 引脚定义
#define IR_RECV_PIN 3 // 红外接收 DAT 引脚
#define RELAY_PIN 6 // 继电器控制引脚
#define SERVO_PIN 5 // 舵机控制引脚
#define TFT_CS 10 // TFT显示屏片选引脚
#define TFT_DC 9 // TFT显示屏数据/命令引脚
#define TFT_RST 8 // TFT显示屏复位引脚
#define LIGHT_SENSOR A0 // 光敏电阻引脚// 红外按键编码
enum IR_CODES {BTN_POWER = 0xFF30CF, // 按键1 - 电源开关BTN_SWING = 0xFF18E7, // 按键2 - 摇头开关BTN_TIMER_10 = 0xFF7A85, // 按键3 - 10秒定时BTN_TIMER_30 = 0xFF10EF, // 按键4 - 30秒定时BTN_MODE = 0xFF38C7, // 按键5 - 模式切换BTN_SLEEP = 0xFF4AB5 // 按键8 - 睡眠模式
};// 系统状态
enum FAN_STATE {FAN_OFF,FAN_ON
};enum SWING_STATE {SWING_OFF,SWING_ON
};enum OPERATION_MODE {MODE_NORMAL,MODE_LIGHT_AUTO,MODE_TIMER,MODE_SLEEP
};// 全局变量
IRreceiver irrecv(IR_RECV_PIN);
IRdecode_results results;
Servo myservo;
Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);int fanState = FAN_OFF;
int swingState = SWING_OFF;
int operationMode = MODE_NORMAL;
int swingAngle = 90; // 舵机角度
int swingSpeed = 15; // 舵机速度 (ms延迟，值越小越快)
unsigned long lastSwingTime = 0;
unsigned long timerStartTime = 0;
unsigned long timerDuration = 0;
bool timerActive = false;
unsigned long sleepStartTime = 0;
unsigned long sleepDuration = 5 * 1000; // 8小时睡眠模式 8 * 60 * 60 * 1000
bool sleepActive = false;
int lightLevel = 0;
int lastLightLevel = 0;
unsigned long lastTimerUpdate = 0;
bool redrawNeeded = true;// 显示区域定义
#define STATUS_AREA 40
#define DATA_AREA 80
#define LIGHT_THRESHOLD 500 // 光线阈值void setup() {Serial.begin(9600);// 初始化引脚pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH); // 初始关闭继电器// 初始化红外接收和舵机irrecv.enableIRIn();myservo.attach(SERVO_PIN);myservo.write(swingAngle); // 初始位置// 初始化显示屏tft.init(240, 240);tft.setRotation(1);tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);// 初始化光敏电阻pinMode(LIGHT_SENSOR, INPUT);// 显示准备界面showReadyScreen();Serial.println("\nSmart Fan Control System Started");
}void loop() {// 处理红外信号if (irrecv.decode(&results)) {handleIRCommand(results.value);irrecv.resume();redrawNeeded = true;}// 处理舵机摆动handleSwing();// 处理定时器handleTimer();// 处理睡眠模式handleSleepMode();// 读取光线传感器数据readLightSensor();// 自动模式处理if (operationMode == MODE_LIGHT_AUTO) {handleAutoMode();}// 更新显示updateDisplay();delay(100); // 短暂延迟以减少CPU使用率
}void showReadyScreen() {tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);// 显示标题tft.setCursor(60, 80);tft.setTextColor(ST77XX_CYAN);tft.setTextSize(3);tft.println("READY");// 绘制进度条tft.drawRect(20, 120, 200, 20, ST77XX_WHITE);for (int i = 0; i <= 100; i += 5) {tft.fillRect(20, 120, i * 2, 20, ST77XX_BLUE);delay(50);}delay(1000);tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);redrawNeeded = true;
}void handleIRCommand(unsigned long value) {Serial.print("IR Code Received: 0x");Serial.println(value, HEX);switch(value) {case BTN_POWER:togglePower();break;case BTN_SWING:toggleSwing();break;case BTN_TIMER_10:setTimer(10);break;case BTN_TIMER_30:setTimer(30);break;case BTN_MODE:switchMode();break;case BTN_SLEEP:toggleSleepMode();break;default:Serial.println("Unknown Command");break;}
}void togglePower() {if (fanState == FAN_OFF) {turnOnFan();} else {turnOffFan();}
}void turnOffFan() {digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);fanState = FAN_OFF;swingState = SWING_OFF; // 关闭风扇时也停止摆动timerActive = false; // 取消定时sleepActive = false; // 取消睡眠模式Serial.println("Fan Turned OFF");
}void turnOnFan() {digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);fanState = FAN_ON;Serial.println("Fan Turned ON");
}void toggleSwing() {if (fanState == FAN_OFF) {Serial.println("Please Turn ON Fan First");return;}swingState = !swingState;Serial.print("Swing Function ");Serial.println(swingState ? "Enabled" : "Disabled");
}void setTimer(int seconds) {if (fanState == FAN_OFF) {Serial.println("Please Turn ON Fan First");return;}timerDuration = seconds * 1000; // 转换为毫秒timerStartTime = millis();timerActive = true;operationMode = MODE_TIMER;redrawNeeded = true;Serial.print("Timer Set: ");Serial.print(seconds);Serial.println(" seconds");
}void switchMode() {if (operationMode == MODE_NORMAL) {operationMode = MODE_LIGHT_AUTO;} else if (operationMode == MODE_LIGHT_AUTO) {operationMode = MODE_NORMAL;} else {// 如果是定时器或睡眠模式，切换到普通模式operationMode = MODE_NORMAL;}redrawNeeded = true;if (operationMode == MODE_NORMAL) {Serial.println("Normal Mode");} else if (operationMode == MODE_LIGHT_AUTO) {Serial.println("Light Auto Mode");}
}void toggleSleepMode() {if (fanState == FAN_OFF) {Serial.println("Please Turn ON Fan First");return;}sleepActive = !sleepActive;if (sleepActive) {sleepStartTime = millis();operationMode = MODE_SLEEP;Serial.println("Sleep Mode Activated - Fan will turn off at 6 AM");} else {operationMode = MODE_NORMAL;Serial.println("Sleep Mode Deactivated");}redrawNeeded = true;
}void handleSwing() {if (swingState == SWING_OFF) return;unsigned long currentTime = millis();if (currentTime - lastSwingTime >= swingSpeed) {lastSwingTime = currentTime;// 摆动范围 20-160 度static int direction = 1; // 1为增加角度，-1为减少角度swingAngle += direction;myservo.write(swingAngle);// 到达边界时改变方向if (swingAngle >= 160 || swingAngle <= 20) {direction = -direction;}}
}void handleTimer() {if (!timerActive) return;unsigned long currentTime = millis();unsigned long elapsedTime = currentTime - timerStartTime;if (elapsedTime >= timerDuration) {turnOffFan();operationMode = MODE_NORMAL;Serial.println("Timer Finished - Fan Turned OFF");redrawNeeded = true;}
}void handleSleepMode() {if (!sleepActive) return;unsigned long currentTime = millis();unsigned long elapsedTime = currentTime - sleepStartTime;// 模拟6点关闭（8小时睡眠时间）if (elapsedTime >= sleepDuration) {turnOffFan();sleepActive = false;operationMode = MODE_NORMAL;Serial.println("Sleep Mode Finished - Fan Turned OFF");redrawNeeded = true;}
}void readLightSensor() {// 读取光线强度int newLightLevel = analogRead(LIGHT_SENSOR);// 添加一些滤波以减少噪声lightLevel = (lightLevel * 0.7) + (newLightLevel * 0.3);
}void handleAutoMode() {if (operationMode != MODE_LIGHT_AUTO) return;if (fanState == FAN_OFF && lightLevel < LIGHT_THRESHOLD) {turnOnFan();Serial.println("Low Light - Auto ON");redrawNeeded = true;}if (fanState == FAN_ON && lightLevel >= LIGHT_THRESHOLD) {turnOffFan();Serial.println("Bright Light - Auto OFF");redrawNeeded = true;}
}void updateDisplay() {// 只在需要时重绘if (!redrawNeeded) {// 对于定时器模式，每秒更新一次时间显示if (operationMode == MODE_TIMER && timerActive) {unsigned long currentTime = millis();if (currentTime - lastTimerUpdate >= 1000) {lastTimerUpdate = currentTime;updateTimerDisplay();}}// 对于睡眠模式，每分钟更新一次时间显示else if (operationMode == MODE_SLEEP && sleepActive) {unsigned long currentTime = millis();if (currentTime - lastTimerUpdate >= 10000) {lastTimerUpdate = currentTime;updateSleepDisplay();}}return;}lastLightLevel = lightLevel;// 清除整个屏幕tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);// 绘制标题和模式指示器tft.setCursor(20, 10);tft.setTextColor(ST77XX_CYAN);tft.setTextSize(2);tft.println("SMART FAN");// 绘制模式指示器uint16_t modeColor;String modeText;switch(operationMode) {case MODE_NORMAL:modeColor = ST77XX_BLUE;modeText = "NORM";break;case MODE_LIGHT_AUTO:modeColor = ST77XX_GREEN;modeText = "AUTO";break;case MODE_TIMER:modeColor = ST77XX_YELLOW;modeText = "TIMER";break;case MODE_SLEEP:modeColor = ST77XX_MAGENTA;modeText = "SLEEP";break;}tft.fillRect(180, 10, 50, 20, modeColor);tft.setCursor(185, 15);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(1);tft.println(modeText);// 绘制分隔线tft.drawFastHLine(10, 35, 220, ST77XX_WHITE);// 根据模式更新显示switch(operationMode) {case MODE_NORMAL:updateNormalModeDisplay();break;case MODE_LIGHT_AUTO:updateLightModeDisplay();break;case MODE_TIMER:updateTimerDisplay();break;case MODE_SLEEP:updateSleepDisplay();break;}redrawNeeded = false;lastTimerUpdate = millis();
}void updateNormalModeDisplay() {// 清除数据区域tft.fillRect(10, STATUS_AREA, 220, 200, ST77XX_BLACK);// 显示风扇状态tft.setCursor(20, 50);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(2);tft.print("FAN: ");tft.setTextColor(fanState == FAN_ON ? ST77XX_GREEN : ST77XX_RED);tft.println(fanState == FAN_ON ? "ON" : "OFF");// 显示摇头状态tft.setCursor(20, 80);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("SWING: ");tft.setTextColor(swingState == SWING_ON ? ST77XX_GREEN : ST77XX_RED);tft.println(swingState == SWING_ON ? "ON" : "OFF");// 显示舵机速度tft.setCursor(20, 110);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("SPEED: ");tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);tft.print(swingSpeed);tft.println("ms");// 显示光线数据tft.setCursor(20, 140);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("LIGHT: ");tft.setTextColor(ST77XX_GREEN);tft.println(lightLevel);// 底部状态栏tft.fillRect(0, 220, 240, 20, ST77XX_BLUE);tft.setCursor(70, 225);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(1);tft.print("NORMAL MODE");
}void updateLightModeDisplay() {// 清除数据区域tft.fillRect(10, STATUS_AREA, 220, 200, ST77XX_BLACK);// 显示标题tft.setCursor(20, 50);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(2);tft.println("LIGHT CONTROL");// 显示光线数据tft.setCursor(20, 80);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("LIGHT: ");tft.setTextColor(ST77XX_GREEN);tft.println(lightLevel);// 显示阈值信息tft.setCursor(20, 110);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("THRESHOLD: ");tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);tft.println(LIGHT_THRESHOLD);// 显示控制状态tft.setCursor(20, 140);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("CONTROL: ");if (lightLevel < LIGHT_THRESHOLD) {tft.setTextColor(ST77XX_GREEN);tft.println("FAN ON");} else {tft.setTextColor(ST77XX_RED);tft.println("FAN OFF");}// 显示当前风扇状态tft.setCursor(20, 170);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("FAN: ");tft.setTextColor(fanState == FAN_ON ? ST77XX_GREEN : ST77XX_RED);tft.println(fanState == FAN_ON ? "ON" : "OFF");// 底部状态栏tft.fillRect(0, 220, 240, 20, ST77XX_GREEN);tft.setCursor(70, 225);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(1);tft.print("AUTO LIGHT MODE");
}void updateTimerDisplay() {// 清除数据区域tft.fillRect(10, STATUS_AREA, 220, 200, ST77XX_BLACK);// 显示标题tft.setCursor(20, 50);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(2);tft.println("TIMER MODE");// 显示剩余时间tft.setCursor(20, 80);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("TIME LEFT: ");if (timerActive) {unsigned long remaining = (timerDuration - (millis() - timerStartTime)) / 1000;tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);tft.print(remaining);tft.println("s");} else {tft.setTextColor(ST77XX_RED);tft.println("INACTIVE");}// 显示风扇状态tft.setCursor(20, 110);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("FAN: ");tft.setTextColor(fanState == FAN_ON ? ST77XX_GREEN : ST77XX_RED);tft.println(fanState == FAN_ON ? "ON" : "OFF");// 底部状态栏tft.fillRect(0, 220, 240, 20, ST77XX_YELLOW);tft.setCursor(90, 225);tft.setTextColor(ST77XX_BLACK);tft.setTextSize(1);tft.print("TIMER MODE");
}void updateSleepDisplay() {// 清除数据区域tft.fillRect(10, STATUS_AREA, 220, 200, ST77XX_BLACK);// 显示标题tft.setCursor(20, 50);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(2);tft.println("SLEEP MODE");// 显示剩余时间tft.setCursor(20, 80);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("TIME LEFT: ");if (sleepActive) {unsigned long remaining = (sleepDuration - (millis() - sleepStartTime)) / 1000;unsigned long hours = remaining / 3600;unsigned long minutes = (remaining % 3600) / 60;tft.setTextColor(ST77XX_MAGENTA);tft.print(hours);tft.print("h ");tft.print(minutes);tft.println("m");} else {tft.setTextColor(ST77XX_RED);tft.println("INACTIVE");}// 显示关闭时间tft.setCursor(20, 110);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("TURNS OFF: ");tft.setTextColor(ST77XX_YELLOW);tft.println("6:00 AM");// 显示风扇状态tft.setCursor(20, 140);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.print("FAN: ");tft.setTextColor(fanState == FAN_ON ? ST77XX_GREEN : ST77XX_RED);tft.println(fanState == FAN_ON ? "ON" : "OFF");// 底部状态栏tft.fillRect(0, 220, 240, 20, ST77XX_MAGENTA);tft.setCursor(90, 225);tft.setTextColor(ST77XX_WHITE);tft.setTextSize(1);tft.print("SLEEP MODE");
}
| 模块名称 | 核心职责 | 关键函数 |
|---|---|---|
| 红外遥控 | 接收并解析红外按键指令，映射到对应功能 | handleIRCommand()、togglePower() |
| 风扇动作控制 | 控制风扇电源（继电器）和摇头（舵机） | turnOnFan()、turnOffFan()等 |
| 模式控制 | 管理普通、光线自动、定时、睡眠 4 种工作模式 | switchMode()、handleAutoMode() |
| 传感器数据 | 读取并滤波光敏传感器数据，为自动模式提供依据 | readLightSensor() |
| 显示驱动 | 控制 TFT 屏显示系统状态(定时 / 睡眠剩余时间) | updateTimerDisplay()等 |
三、项目结果演示
3.1 操作流程
（1）系统启动
上电后系统显示准备界面，完成自检后进入主界面
（2）系统控制
"电源键：开关风扇、"摇头键：启用/禁用摇头功能、"模式键：切换普通/光控模式 定时功能：设置10秒 / 30秒后系统自动关闭、启用睡眠模式 8 小时自动关闭
3.2 界面展示
（1）普通模式界面
显示风扇状态、摇头状态、舵机速度和光线值
（2）光控模式界面
显示光线值、阈值和控制状态
（3）定时模式界面
显示剩余时间和风扇状态
（4）睡眠模式界面
显示剩余时间和关闭时间
3.3 视频演示
JQC-3FF-S-Z继电器驱动小风扇
红外遥控操作控制智能风扇实现自动光控功能、摇头功能、模式切换以及系统定时功能
四、JQC-3FF-S-Z工作原理
4.1 基本结构
继电器主要由电磁线圈、铁芯、铁片（衔铁）、复位弹簧、常开触点和常闭触点等部分组成。
4.2 动作机制
根据触点的动作形式，可分为常闭式和常开式。常闭式继电器在未通电时触点闭合，通电后断开；常开式继电器在未通电时触点断开，通电后闭合。
电器的动作机制基于电磁感应原理。当线圈通电后，产生的磁场使铁心运动，带动与铁心相连的触点动作。
五、常见问题解答
Q1: 如何调整光控的灵敏度？
A: 修改代码中的LIGHT_THRESHOLD值：
值越小，对光线越敏感（更容易触发）。值越大，需要更暗的环境才会触发
Q2: 如何修改定时时间？
A: 在setTimer函数中修改时间参数，或者添加更多的定时选项：
void setTimer(int seconds) {// 修改这里的seconds参数即可timerDuration = seconds * 1000;// ...
}Q3: 舵机转动不流畅怎么办？
A: 调整swingSpeed参数：
值越小，转动越快。值越大，转动越慢（建议范围5-30ms）
项目资源整合
继电器数据手册：JQC-3FF-S-Z
显示屏数据手册：ST7789
通过本项目的学习，读者可以掌握STM32开发的基本技能，了解继电器控制原理，并学会如何设计用户友好的交互界面。欢迎各位读者在此基础上进行扩展和改进，创造出更多有趣的智能家居应用！