STM32与ESP8266的WiFi温控风扇系统设计

血管瘤专家孔强

1. 项目概述

这个基于STM32的WiFi远程温控风扇系统是我去年指导的一个本科生毕业设计项目，从选题到实现花了整整三个月时间。本质上它是一个典型的物联网终端设备，通过温度传感器采集环境数据，经过STM32处理后再通过WiFi模块上传到手机APP，用户可以在任何地方远程查看温度并控制风扇转速。

这个系统最吸引人的地方在于它完美结合了嵌入式开发、无线通信和移动应用三大技术领域。对于电子类专业的学生来说，做这样一个项目能全面锻炼硬件设计、嵌入式编程和物联网应用开发能力。实际测试中，系统响应速度相当不错，在20米范围内温控延迟不超过2秒，完全能满足普通家庭或办公室的使用需求。

2. 系统设计思路

2.1 整体架构设计

整个系统采用三层架构：

感知层：DS18B20温度传感器+STM32F103C8T6最小系统板
网络层：ESP8266 WiFi模块
应用层：Android手机APP

这种架构最大的优势是各模块分工明确，开发时可以分阶段实现。我们先用USB转TTL模块单独调试ESP8266的AT指令，等通信稳定后再与STM32联调，大大降低了调试难度。

2.2 硬件选型考量

主控选择STM32F103C8T6是因为：

72MHz主频完全够用，价格仅15元左右
丰富的GPIO和定时器资源
完善的开发工具链（Keil+ST-Link）

WiFi模块选用ESP8266-01S主要考虑：

支持STA/AP双模式
内置TCP/IP协议栈
超低功耗（连续工作电流仅80mA）

温度传感器选择DS18B20的原因是：

单总线接口节省IO口
±0.5℃的精度足够
防水型号可直接用于液体测温

3. 核心硬件电路设计

3.1 电源电路设计

系统采用5V USB供电，通过AMS1117-3.3转换为3.3V给各模块供电。特别注意：

在AMS1117输入输出端都加了100μF电解电容
WiFi模块电源脚并联0.1μF去耦电容
为防反接，在电源入口处加了SS34肖特基二极管

实际调试中发现，如果不加足够的滤波电容，ESP8266在发送数据时会引起电源波动，导致STM32意外复位。

3.2 传感器接口电路

DS18B20采用寄生供电模式，接线方案：

数据线接STM32的PA0
4.7K上拉电阻到3.3V
在传感器端并联0.1μF电容

这种设计节省了一个电源引脚，但要注意：

每次温度转换后要立即读取数据
单总线时序必须严格遵循手册要求
线长不宜超过20米

3.3 WiFi模块连接

ESP8266通过串口与STM32通信：

ESP8266的TX接STM32的PA3(RX)
ESP8266的RX接STM32的PA2(TX)
共地连接必不可少

调试时发现的关键点：

波特率必须设为115200
发送AT指令后要留足响应时间
最好在代码中加入错误重试机制

4. 软件实现细节

4.1 温度采集程序

使用STM32的TIM2定时器产生精确的1ms时基，DS18B20驱动程序主要包含：

c复制// 复位脉冲
void DS18B20_Reset(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
    delay_us(480);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
    delay_us(60);
    
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

4.2 WiFi通信协议

自定义了简单的JSON格式协议：

json复制{
    "type": "status",
    "temp": 26.5,
    "fan_speed": 3 
}

STM32通过串口中断接收处理AT指令：

c复制void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if(huart->Instance == USART2) {
        if(strstr((char*)rx_buffer, "OK")) {
            wifi_ready = 1;
        }
        HAL_UART_Receive_IT(&huart2, rx_buffer, 1);
    }
}

4.3 风扇控制算法

采用PID控制算法调节PWM占空比：

c复制float PID_Control(float set_temp, float real_temp) {
    static float err_sum = 0, last_err = 0;
    float err = set_temp - real_temp;
    err_sum += err;
    
    float output = KP * err + KI * err_sum + KD * (err - last_err);
    last_err = err;
    
    return output > 100 ? 100 : (output < 0 ? 0 : output);
}

参数整定经验：

KP初始设为5.0
KI设为0.1防止积分饱和
KD设为1.0抑制超调

5. 手机APP开发

5.1 Android端功能设计

使用Android Studio开发，主要界面包括：

温度实时显示曲线
风扇档位滑动条(1-5档)
温度阈值设置
手动/自动模式切换

关键代码片段：

java复制public class MainActivity extends AppCompatActivity {
    private MqttAndroidClient client;
    
    @Override
    protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
        client = new MqttAndroidClient(this, "tcp://broker.hivemq.com:1883", "android_client");
        client.setCallback(new MqttCallbackExtended() {
            @Override
            public void connectComplete(boolean reconnect, String serverURI) {
                subscribeToTopic("fan/control");
            }
        });
    }
}