Bladeless fan table lamp

第1章 无叶风扇台灯成品展示和使用说明
风扇和台灯都是非常常用的家用电器，市面上的风扇台灯二合一产品目前还较为稀少，基本上只是二者的简单拼接，性能和功率也难以保证。结合现有的问题和个人的DIY爱好，决定制作一款精致的全开源无叶风扇台灯。下面首先进行成品展示和使用说明。
1.1 成品展示
无叶风扇台灯仿真图如图1（a）所示，成品图如图1（b）。下方为长方体机箱，内部安装有无叶风扇主控、风扇电机等，表面印有嘉立创图标，并安装有电源开关、按键和显示屏，按键包含台灯亮度调节、色温调节和风扇风力调节功能，显示屏则对正白亮度、暖白亮度和风力的百分比数据进行显示。中间为无叶风扇出风口，模仿机翼外形的设计可以使气流流速倍乘，并带动中间风口的空气，形成更大的气流，带来更好的风扇使用效果。上方安置可折叠的台灯，不用时可向下方折叠，减少占用空间和便于运输。为保证风扇和台灯功率，产品采用插电使用的方式，台灯最大功率可达24w，并可无极调光和开关切换模式，充分满足照明需求。
（a）无叶风扇台灯仿真图     
   （b）无叶风扇台实物图
图1  无叶风扇台灯成品
1.2 使用说明
该无叶风扇台灯的使用方式非常简单，主要有如下步骤：
（1）     首先给机箱插上双头插座线，然后插电；
（2）     通过机箱上的电源开关，可以进行开机和关机操作；
（3）     开机后，通过六个按键即可对无叶风扇台灯进行控制，按键功能分为长按和短按，短按可以按档位进行调节，长按则可进行无极调控，每个按键的功能如图2所示。
（4）     台灯模块具有开关切换模式功能，关闭电源开关后快速打开，可切换照明模式，四种模式分别为全亮、正白、暖白、小夜灯。
图2  按键功能示意图
此外，该无叶风扇台灯还内置了HC08蓝牙模块，可以通过手机APP进行控制，具体操作流程为：
(1)    手机下载“HC蓝牙助手”APP；
(2)    无叶风扇开机，并通过HC蓝牙助手连接无叶风扇台灯的蓝牙；
(3)    编辑蓝牙APP的按键内容，按键内容和控制功能对应如表1所示；
表1. 按键内容功能对照表


按键内容（遥控指令）


功能


#Set10012X.


亮度增加


#Set10013X.


亮度减少


#Set10014X.


色温增加


#Set10015X.


色温减少


#Set10016X.


小夜灯


#Set10017X.


风扇增加


#Set10018X.


风扇减少


#Set10011X.


打印开关


#Ask0.


查询信息


(4)    编辑完按键内容后，便可通过按键进行蓝牙控制。
第2章 3D外形设计
电子产品的设计主要包括3D外形设计、硬件设计和软件设计三大部分，体现出相互约束和相互支撑的关系。在设计该款无叶风扇台灯产品时，首先进行了产品定位，我对它的定位是：一款桌面式小型无叶风扇加大功率台灯。
良好的外观是吸引用户的重要因素，最终选定了长方体折叠式外形方案，然后便使用Catia软件进行具体的3D外形设计。该无叶风扇台灯的3D模型和爆炸图分别如图3（a）和3（b）所示。
3D结构打印件主要包括如下零件：底座、箱体外壳、风扇气道外壳、风扇涡轮扇叶、出风口外壳、台灯外壳等。
（a）无叶风扇台灯3D模型
  （b）无叶风扇台灯爆炸图
图3  3D模型图
 
第3章 硬件设计
无叶风扇台灯的硬件电路共包含3块电路板，分别为无叶风扇台灯主控板、按键板、灯板。PCB文件采用立创EDA专业版开源软件进行设计，下面分别对三块电路板的原理图和PCB进行介绍说明。
3.1 主控板原理图和PCB设计
主控板电路包括控制电路、台灯驱动电路和风扇驱动电路三大部分。
控制电路的原理图如图4所示，主要包括芯片外围电路、显示屏接口电路、蓝牙接口电路、按键接口电路和串口调试电路。控制核心采用常用的stm32f103c8t6芯片，也可用国产的HK32 f103c8t6芯片进行替代。
图4  控制电路原理图
台灯电路的原理图如图5所示，主要包括整流电路、两路LED驱动电路和220V交流转3.3V直流电路。整流电路的核心器件为4个二极管，同时包含滤波电容，并通过阻容件引出一路50HZ的脉冲信号，控制芯片可通过检测该脉冲实现快速开关切换照明模式的功能。LED驱动的核心器件为BP2596芯片，产生3.3V直流的核心器件为BP2525芯片，3.3V用于控制电路供电。
图5  台灯电路原理图
风扇电路的原理图如图6所示，通过降压模块产生12V直流电源为无刷电机供电，最大输出功率可达20W，无刷电机连接电调，并采用PWM信号进行控制。
图6  风扇电路原理图
主控板PCB的仿真图和实物图分别如图7（a）和图7（b）所示，控制板左侧为风扇电路，右侧上方为LED驱动电路，右侧下方为控制电路。
（a）PCB仿真图  
 （b）PCB实物图
图7  主控板PCB图
3.2 按键板原理图和PCB设计
按键板电路非常简单，原理图如图8所示，电路板仿真图如图9（a）所示，电路板实物图如图9（b）所示。
图8  按键电路原理图
（a）PCB仿真图
 （b）PCB实物图
图9  按键板PCB图
3.2 灯板原理图和PCB设计
灯板电路采用24颗1W的LED灯珠进行设计，其中12颗为正白，12颗为暖白，单颗电压为6V。原理图如图10所示，电路板仿真图如图11（a）所示，电路板实物图如图11（b）所示。在设计灯板PCB时，应使正白和暖白LED均匀排列，且油墨颜色为白色。
图10  灯板电路原理图
（a）PCB仿真图
 （b）PCB实物图
图11  灯板PCB图
第4章 软件设计
4.1软件代码结构分析
软件首先采用STM32Cube进行配置生成，包含引脚配置、时钟配置、下载配置、串口配置等（具体可参考源码）。然后在生成的代码上使用Keil5进行开发，添加文件夹和文件，最终代码结构如图12所示，添加的文件夹包含“APP”、“APP_Function”。“APP”文件夹内部为上层应用层函数，并包含了自己设计的一个简单的任务系统，在main函数中进行调用；“APP_Function”文件夹包含串口、系统Flash读写和显示屏相关底层函数封装，由应用层函数进行调用。在main.c文件中包含详细的代码结构描述，通过任务系统实时执行多个任务，如图12所示。
图12  软件结构分析图
 
4.2软件文件详解
软件代码中各个C文件及其对应功能如表2所示：除了文件“APP”文件夹中包含三个C文件，All_Data，All_Task，App_Function，All_Data文件中包含参数初始化函数，可用于存储一些设备的基本信息以及掉电保存参数。All_Task文件中包含了构建任务系统的基本函数，并在其h文件中详细说明了其移植方法，是一种可以推广的原创任务系统，如图2所示。App_Function文件中包含各个任务函数的最上层函数。
表2. 按键内容功能对照表


文件名


功能


All_Data.c


包含系统参数结构体，基于面向对象编程思想，将所有数据整合成一个机器数据结构体对象


All_Task.c


原创的简易任务系统，包含了构建任务系统的基本函数，在其h文件中详细说明了其移植方法


App_Function.c


包含各个任务函数的最上层函数，在任务系统中调用


Uart_Comunicate_Profile.c


串口通信协议文件，用于收发蓝牙命令和系统调试


Uart.c


串口底层函数


Uart1.c


串口1应用层函数


System.c


用于存储一些设备的基本信息以及掉电保存参数，参数存储于芯片Flash中


OLED_I2C.c


显示屏通信控制底层函数


第5章 注意事项
该无叶风扇台灯产品为插电使用电器，通电后电路板上有高压，制作调试过程中切勿在通电状态下直接用手接触电路板。
整个制作流程为：
（1）     准备外壳3D打印件，资料中“stl”文件夹包括所有需要的打印件，可通过立创3D打印服务进行打印；
（2）     电路板打板和备料，共包含三块电路板，除电路板配套元件外，还需准备一个船型开关、一个双头电源母座、一根双头插座线、电源线、热熔胶、直径3mm螺丝若干、无刷电机和电调；
（3）     电路板焊接，代码下载，风扇台灯测试；
（4）     整机组装（出风口处的打印支持需要清除，台灯电源线需要从风扇出风件中间穿过，风扇圆柱件的下方进线口和台灯连接件的上方出线口需要热熔胶进行密封）。
第6章 视频附件和资料附件链接
5.1 视频附件链接
无叶风扇台灯B站视频链接（欢迎各位捧场）：
【练习时长两年半的无叶风扇台灯设计-哔哩哔哩】 https://b23.tv/4I4MGDr
【练习时长两年半的无叶风扇台灯组装-哔哩哔哩】 https://b23.tv/leIjMhR
【练习时长两年半的无叶风扇台灯展示-哔哩哔哩】 https://b23.tv/lLbxHfc
5.2 资料附件链接
无叶风扇台灯资料包含说明文档、3D打印资料、硬件资料和软件资料，立创开源广场资料下载链接为：https://oshwhub.com/zhangshuning/wu-xie-feng-shan-tai-deng。
第6章 致谢
感谢嘉立创的PCB开源设计软件，相较于AD，使用更加方便和符合实际生产需求。感谢嘉立创星火计划开源活动，报销了产品开发过程中的材料费。