工程應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)

南通大學(xué)工程應(yīng)用綜合設(shè)計(jì)報(bào)告書題目智能家居溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：李達(dá)學(xué)院：電氣工程學(xué)院專業(yè)：建筑電氣與智能化班級：建筑電氣122學(xué)號：1112062036起訖日期2015.12.21?2016.1.25指導(dǎo)教師瞿遂春職稱教授指導(dǎo)教師錢冰冰職稱副教授發(fā)報(bào)告書日期2016年1月5日摘要"智能家居”(IntelligentHome)是通過采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、通信和控制技術(shù)，建立一個(gè)由家庭安全防護(hù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)和家庭自動(dòng)化系統(tǒng)等組成的家庭服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)全面的安全防護(hù)、舒適的居住環(huán)境以及便利的通訊網(wǎng)絡(luò)的家庭住宅。本課題基于YL-STM32F107VC開發(fā)板對室內(nèi)溫度和濕度進(jìn)行檢測控制，從而提高居住的環(huán)境及舒適度，對智能家居的發(fā)展具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞：智能家居；YL-STM32F107VC；溫度和濕度；舒適度。目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要2\o"CurrentDocument"第一章緒論5\o"CurrentDocument"1.2溫度和濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀51.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀51.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀5\o"CurrentDocument"第二章STM32F107單片機(jī)62.1STM32F107單片機(jī)介紹6\o"CurrentDocument"2.2系統(tǒng)圖6\o"CurrentDocument"第三章硬件設(shè)計(jì)7\o"CurrentDocument"3.1溫度傳感器設(shè)計(jì)7\o"CurrentDocument"3.2單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)83.2.1啟動(dòng)選項(xiàng)83.2.2復(fù)位電路93.2.3時(shí)鐘電路9\o"CurrentDocument"3.3顯示電路設(shè)計(jì)10\o"CurrentDocument"3.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)13\o"CurrentDocument"3.5存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)13\o"CurrentDocument"3.6通信模塊設(shè)計(jì)14\o"CurrentDocument"第四章軟件設(shè)計(jì)15\o"CurrentDocument"3.1系統(tǒng)主程序流程圖15\o"CurrentDocument"3.2溫度傳感器程序設(shè)計(jì)16\o"CurrentDocument"3.3顯示程序設(shè)計(jì)17\o"CurrentDocument"3.4報(bào)警程序設(shè)計(jì)18\o"CurrentDocument"3.5存儲(chǔ)模塊程序設(shè)計(jì)19\o"CurrentDocument"3.6通信模塊程序設(shè)計(jì)19\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn)21第一章緒論1.2溫度和濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀在國外對溫濕度檢測技術(shù)研究比較早，始于20世紀(jì)70年代。顯示采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進(jìn)行指示、記錄和控制，80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)，目前正開發(fā)和研制計(jì)算機(jī)采集控制系統(tǒng)的多因子控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界各國的溫度檢測技術(shù)發(fā)展很快，一些國家在實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)上正走向完全自動(dòng)化、無人化的發(fā)展。1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀在中國，對于溫濕度檢測技術(shù)的研究比較晚，始于20世紀(jì)80年代。近年來，我國引進(jìn)了多達(dá)16個(gè)國家和地區(qū)的工廠環(huán)境控制系統(tǒng)，在總體上，正消化吸收、簡單應(yīng)用階段化向?qū)嵱没?、綜合性應(yīng)用階段過度和發(fā)發(fā)展，對推動(dòng)溫濕度檢測產(chǎn)生了積極的作用。與此同時(shí)，我國的溫濕度測控設(shè)施計(jì)算機(jī)應(yīng)用以單片機(jī)控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，在生產(chǎn)實(shí)際中仍然有許多問題困擾這我們，比如環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點(diǎn)。與發(fā)達(dá)國家相比較，還是存在一定差距的?；谖覈壳斑@種的狀況，更需要我們?nèi)ド钊胙芯?。第二章STM32F107單片機(jī)2.1STM32F107單片機(jī)介紹課題研究的多點(diǎn)測溫系統(tǒng)是以STM32F107單片機(jī)和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心，充分利用單片機(jī)優(yōu)越的內(nèi)部和外部資源及數(shù)字溫度傳感器DS18B20的優(yōu)越性能構(gòu)成一個(gè)完備的測溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫度的多點(diǎn)測量。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制，能夠接收傳感器的溫度數(shù)據(jù)并顯示出來，還可以從按鍵輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)不同的命令，實(shí)現(xiàn)不同的功能，并且能夠?qū)Ξ惓Ｇ闆r進(jìn)行報(bào)警，還可以將測量數(shù)據(jù)保存起來以供以后查詢使用或者通過串口傳給PC機(jī)。由于單片機(jī)具有強(qiáng)大的運(yùn)算和控制功能，使得整個(gè)系統(tǒng)具有模塊化、硬件電路簡單以及操作方便等優(yōu)點(diǎn)。2.2系統(tǒng)圖本課題的整個(gè)系統(tǒng)是由單片機(jī)系統(tǒng)電路、溫度傳感器電路、顯示電路、鍵盤電路、報(bào)警電路，存儲(chǔ)電路，串口通信電路等構(gòu)成。其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示：圖2.1系統(tǒng)整體框圖第三章硬件設(shè)計(jì)3.1溫度傳感器設(shè)計(jì)DS18B20單總線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9?12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，其可以分別93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，最大分辨率為0.0625°C，而且從DS18B20讀出或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單總線接口）。DS18B20與單片機(jī)的硬件連接有兩種方法，一是外部電源供電方式：VCC接外部電源，GND接地，I/0與單片機(jī)的I/0線相連；二是寄生電源供電方式:VCC和GND接地，I/0接單片機(jī)I/0線。無論是哪種供電方式，I/0口線都要接4.7kQ左右的上拉電阻。正是由于以上特點(diǎn)，DS18B20廣泛應(yīng)用于過程控制、環(huán)境控制、建筑物、機(jī)器設(shè)備中的溫度檢測。其外形和管腳如圖2.2所示：DS1EB2CFTQJJ2封裝底觀閉3NCNCNCNCNC2.2部形狀及管U壬SMmiKuriDS1EB2CFTQJJ2封裝底觀閉3NCNCNCNCNC2.2部形狀及管U壬SMmiKuri1/-Hi5isnn本課題設(shè)計(jì)采用外部電源供電方式，四個(gè)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)連接如圖2.3所示:PAI24PA22S26USARTlTXUSART1RXPA0/WKUP/USART2/ADCLPA1/USART2AADC12/TIM5/1PA2/USART2/TIM5/ADCl2/1PA3/USARTZmM5/ADC12T1PA4/SPI1/DAC12/USART2/APA5/SPI1/DAC12/ADC12PAI5/SPI1/ADCI2/TIM3PA7/SPI1/ADC12TTIM3PA8/USARTI_CKrriMl_CHPA9/USARTLTX/TIM1里H；PA10/USARTT_RXfnivlT_ChPA11/U$ART1_CTPAI24PA22S26USARTlTXUSART1RXPA4/JTCK/SWCLK3.2單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)PA4/JTCK/SWCLKSTM32F107是意法半導(dǎo)體推出全新STM32互連型系列微控制器中的一款性能較強(qiáng)產(chǎn)品，它以32位ARMCortex-M3為內(nèi)核、72MHZ運(yùn)行頻率、含有高達(dá)64KBSRAM、256KBFLASH、80個(gè)可編程的I/O線、支持256個(gè)可嵌套中斷源。還集成了各種高性能工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，包括ADC、DAC、I2C、USART、SPI、I2S，擁有全速USB（OTG），CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊。可以滿足大部分工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動(dòng)化、家庭音響和家電市場等多種產(chǎn)品的需求。本課題是運(yùn)用ST公司的STM32F107來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制，主要運(yùn)用到了啟動(dòng)選項(xiàng)配置，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路等部分。3.2.1啟動(dòng)選項(xiàng)STM32F107單片機(jī)有三種啟動(dòng)方式，其啟動(dòng)方式如下表2.1所示：表2.1啟動(dòng)方式配置選擇表BOOT1(JP13)BOOT2(JP15)啟動(dòng)模式描述1-2,2-3oropen2-3金牛開發(fā)板設(shè)定為UserFlash啟動(dòng)方式2-31-2金牛開發(fā)板設(shè)定為SystemMemory啟動(dòng)方式1-21-2金牛開發(fā)板設(shè)定為EmbeddedSARM啟動(dòng)方式1-2表示接高電平1,2-3表示接低電平0本課題設(shè)計(jì)采用默認(rèn)的啟動(dòng)方式，即1-2接高電平，2-3接低電平，表示從UserFlash開始啟動(dòng)程序。3.2.2復(fù)位電路無論哪種單片機(jī)，都會(huì)涉及復(fù)位電路。如果復(fù)位電路不可靠，在工作中就有可能出現(xiàn)“死機(jī)”，“程序走飛”等現(xiàn)象，復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化過程，程序從00000000H地址單元開始執(zhí)行，當(dāng)STM32F107單片機(jī)的復(fù)位引腳NRST出現(xiàn)一段時(shí)間的低電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作，如果NRST持續(xù)為低電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序，因此要求復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有上電和開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。常用的復(fù)位電路如圖2.4所示：圖2.4復(fù)位電路3.2.3時(shí)鐘電路STM32F107單片機(jī)的時(shí)鐘信號通常有內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，在引腳XTAL1和XTAX2外接晶體振蕩器，晶振為8MHZ，就夠成了內(nèi)部振蕩方式，外部振蕩方式是把已有的時(shí)鐘信號引入單片機(jī)內(nèi)，這種方式適于用于用來使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號保持一致，但內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號比較穩(wěn)定。本課題設(shè)計(jì)采用內(nèi)部振蕩器方式，電容值一般為20PF，起穩(wěn)定振蕩頻率、

快速起振的作用，其電路連接如圖2.5a）所示：另外本課題用到RTC功能，還需為STM32F107提供RTC時(shí)鐘，RTC晶振為32.768KHZ,電容值一般為10PF。其電路連接如圖2.5b）所示：快速起振的作用，其電路連接如圖2.5a）所示：另外本課題用到RTC功能，還需為STM32F107提供RTC時(shí)鐘，RTC晶振為32.768KHZ,電容值一般為10PF。其電路連接如圖2.5b）所示：BOOTCNRST圖2?5a）系統(tǒng)時(shí)鐘電路OSCOUTVDDJVDDJVDDJvhha圖2.5b）RTC時(shí)鐘電路3.3顯示電路設(shè)計(jì)顯示設(shè)備是電子系統(tǒng)常見的輸出設(shè)備，在電子系統(tǒng)中占有極其重要的作用，顯示電路主要有兩種顯示方式：數(shù)碼管顯示方式和LCD液晶顯示方式。數(shù)碼管是由7段或8段發(fā)光二極管組成，在平面上排成8字型，主要有共陰極和共陽極兩種，只要使某些段點(diǎn)亮而另一些段不亮就可以顯示0-9,A-F等字型。要使某段點(diǎn)亮必須具備2個(gè)條件：一是共陰極管的公共端接地和共陽極管的公共端接電源；二是共陰極管的控制端接電源和共陽極管的控制端接地。此顯示方式具有接口簡單，占用資源少、控制靈活方便等特點(diǎn)，目前市場上主要有2位一體，4位一體，8位一體等數(shù)碼管，價(jià)格也比較便宜。LCD液晶顯示器是LiquidCrystalDisplay的簡稱，LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃當(dāng)中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細(xì)小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面，不僅可以顯示字符，數(shù)字，還可以顯示漢字，圖片等，由于LCD顯示器通過控制是否透光來控制亮和暗，當(dāng)色彩不變時(shí)，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題，對于畫面穩(wěn)定、無閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定，LCD顯示器還可以通過液晶控制透光度的技術(shù)原理讓底板整體發(fā)光，做到了真正的完全平面。但是相對于數(shù)碼管顯示器，其價(jià)錢比較其昂貴。由于LCD液晶顯示方式相對于數(shù)碼管顯示方式來說不用考慮不斷刷新等優(yōu)點(diǎn)，所以本課題設(shè)計(jì)利用TFT-LCD作為輸出顯示設(shè)備。利用單片機(jī)傳輸控制信號，在LCD上將傳感器的溫度信號和按鍵輸入的控制信號都顯示出來。其電路連接如圖2.6a）所示：CN7L*「就FL匚[?_WRBLm~~R[5~^。刖9gH物L(fēng)jDBSfDBSL4:~：E%葺燮切土必■L亍二舊1口L9口日插2。GtIDVDDVDDcsRSWRRDRESTDBDD&EDB2DB3DB4DBSD56DB7PB8DB9DBLBDBHDEL3口職DBMDBt<DE】NWl田4.?；DB15網(wǎng)圖2?6a)TFT-LCD電路連接圖另外再利用4個(gè)發(fā)光LED顯示4個(gè)溫度傳感器的工作正常情況，其電路連接如圖2.6b)所示：PD11/USART5PD3PD4PD5PD6PD7PD8PD9PD10PDUPD12PD13D2//ledrD3尸尸D4”時(shí)led_rD%圖2.6b）發(fā)光LED電路連接圖3.4報(bào)警電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)報(bào)警的功能，在單片機(jī)獲取多點(diǎn)DS18B20溫度傳感器轉(zhuǎn)換的溫度值后，與預(yù)設(shè)的溫度值相比較，如果溫度不在預(yù)設(shè)定的范圍內(nèi)，高于或者低于預(yù)設(shè)的溫度值，則給出報(bào)警信號，并且相應(yīng)的發(fā)光二極管不斷閃爍，表示相應(yīng)的溫度傳感器出現(xiàn)異常。其電路連接如圖2.8所示：3V3圖2?8報(bào)警電路連接圖3.5存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換后，溫度值可以顯示出來，但是一些重要的數(shù)據(jù)需要保存下來，供給以后查詢使用，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)電路，由于需要存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)不是很多，所以本課題設(shè)計(jì)選用E2PROM-AT24LC02芯片來設(shè)計(jì)一個(gè)存儲(chǔ)電路，AT24LC02芯片可以存儲(chǔ)128個(gè)字節(jié)，足以滿足本設(shè)計(jì)系統(tǒng)存儲(chǔ)的需要，其電路連接如圖2.9所示：圖2.9存儲(chǔ)電路連接圖3.6通信模塊設(shè)計(jì)RS-232是目前異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，適用于數(shù)據(jù)中斷設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DEC)，ELA-RS-232是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信。此標(biāo)準(zhǔn)的目的是定義數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的電氣特性。RS-232提供了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與PC機(jī)之間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，但RS-232規(guī)定的邏輯電平與單片機(jī)的邏輯電平是不一致的，因此在應(yīng)用中，必須把微處理器的信號電平(TTL電平)轉(zhuǎn)換為RS-232電平，通常選用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX-232來實(shí)現(xiàn)。RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)接口引腳信號定義如表2.2所示：表2.2RS-232C通信接口標(biāo)準(zhǔn)定義表引腳信號方向功能1DCDIN數(shù)據(jù)載波檢測2RXDIN接收數(shù)據(jù)3TXDOUT發(fā)送數(shù)據(jù)4DTROUT數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)就緒5GND信號公共參考地6DSRIN數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DEC)就緒7RTSOUT請求發(fā)送8CTSIN清除發(fā)送9RIIN振鈴指示STM32F107單片機(jī)內(nèi)部帶有有5個(gè)串口電路接口，其功能與51系列單片機(jī)的串口相似，在設(shè)計(jì)硬件接口電路時(shí)，應(yīng)充分考慮到電路的電氣特性、邏輯電平以及驅(qū)動(dòng)能力的匹配問題，若匹配得不好，將會(huì)導(dǎo)致通信失敗。本課題設(shè)計(jì)使用的是STM32F107內(nèi)部的串口1接口，采用MAX-232作為PC機(jī)與單片機(jī)的串行通信接口間的電平轉(zhuǎn)換芯片。硬件連接時(shí)，可從MAX-232中的2路發(fā)送器和接收器中任選一路，只要注意發(fā)送與接收的引腳對應(yīng)關(guān)系即可。其接口電路連接如圖2.10所示：

IOONF1OONF圖2.10PC機(jī)與單片機(jī)通信電路連接圖VC+C1+VCCC2-C1-C2+IOONF1OONF圖2.10PC機(jī)與單片機(jī)通信電路連接圖VC+C1+VCCC2-C1-C2+R1IN/RIOUTT1OUT/T1INR2IN/R2OUTT2OITT/T21NV-GND10QHF3USARTLTX3.1系統(tǒng)主程序流程圖根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，我們將整個(gè)軟件系統(tǒng)分割成若十個(gè)獨(dú)立的程序模塊，這些程序模塊可以是幾條語句的集合、功能函數(shù)或程序文件，隨后，根據(jù)各個(gè)程序模塊的實(shí)現(xiàn)功能寫出流程，一般還需要寫出具體的實(shí)現(xiàn)功能描述，本課題系統(tǒng)主程序流程如圖3.1所示：

圖3?1系統(tǒng)主程序流程圖3.2溫度傳感器程序設(shè)計(jì)對單總線的DS18b20芯片來說，訪問每個(gè)器件都要遵守下列命令序列：首先是初始化；其次執(zhí)行ROM命令；最后就是執(zhí)行功能命令。初始化過程由主機(jī)發(fā)出的復(fù)位脈沖和從機(jī)響應(yīng)的應(yīng)答脈沖組成，應(yīng)答脈沖使主機(jī)知道，總線上有從機(jī)設(shè)備，且準(zhǔn)備就緒。每次訪問線器件，必須嚴(yán)格遵守這個(gè)命令序列，如果出現(xiàn)序列混亂，則器件不會(huì)響應(yīng)主機(jī)。在主機(jī)檢測到應(yīng)答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令，這些命令與各個(gè)從機(jī)設(shè)備的唯一64位ROM代碼相關(guān)，允許主機(jī)在單總線上連接多個(gè)從機(jī)設(shè)備時(shí)，指定操作某個(gè)從機(jī)設(shè)備，這些命令還允許主機(jī)能夠檢測到總線上有多少個(gè)從機(jī)設(shè)備，以及其設(shè)備類型或者有沒有設(shè)備處于報(bào)警狀態(tài)，從機(jī)設(shè)備支持5種ROM命令，每種命令長度為8位。由于本課題采用的是單節(jié)點(diǎn)測溫系統(tǒng)，可以發(fā)出跳越ROM命令，并且其后

跟隨轉(zhuǎn)換溫度命令［44h］，就可以直接啟動(dòng)總線上的DS18B20開始溫度轉(zhuǎn)換，這樣可以大大節(jié)省主機(jī)的時(shí)間，提高效率。其程序流程如圖3.2所示：圖3.2溫度傳感器程序流程圖3.3顯示程序設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，單片機(jī)系統(tǒng)不僅要能接收到溫度信號，還要將溫度信號顯示出來，使系統(tǒng)一目了然。對于輸入的溫度信號，其顯示是通過3.2寸320*240的彩色TFT-LCD顯示出來的，主要顯示系統(tǒng)主界面和4路溫度傳感器的溫度值，該顯示模塊的LCD驅(qū)動(dòng)芯片型號為ILI9320，其程序流程如圖3.3a)所示：另外再利用4個(gè)發(fā)光LED顯示4個(gè)溫度傳感器的工作正常情況，其程序流程如圖3.3b)