基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計

-1-第1章前言1.1課題研究背景及意義隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，現(xiàn)階段人民的生活質(zhì)量越來越高，電子自動化控制技術(shù)的應(yīng)用開始由傳統(tǒng)的機械式控制進(jìn)入到智能化聯(lián)網(wǎng)以及融合控制的狀態(tài)，相關(guān)的產(chǎn)品已經(jīng)開始逐步的走入到人們的日常生活和工作領(lǐng)域之中。其中自動化控制電子產(chǎn)品又名微電子系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計到的專業(yè)領(lǐng)域較廣，主要以計算機技術(shù)、自動化設(shè)備、電子通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新興的工科專業(yè)為主，通過把工作環(huán)境和家庭各個電子控制系統(tǒng)和智能設(shè)備有效的連接起來，實現(xiàn)互聯(lián)控制，從而搭建出涉及家庭、工作廠區(qū)辦公樓或者對安全和方便控制要求的平臺REF_Ref22138\r\h\#"[0"[1,REF_Ref137241135\r\h\#"0]"2]。隨著科技的快速進(jìn)步和發(fā)展，電子自動化結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)將在工業(yè)室內(nèi)外安防、遠(yuǎn)程無線操控和監(jiān)測、環(huán)境優(yōu)化等領(lǐng)域扮演者至關(guān)重要的作用REF_Ref22791\r\h[3]。隨著我國社會的快速發(fā)展，人們現(xiàn)在越來越重視居住環(huán)境的安全性能，對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，人們的身體健康狀態(tài)受到居住環(huán)境的影響也是重要的一個的因素REF_Ref22840\r\h[4]。隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的大量應(yīng)用，很多人們居住的環(huán)境中的建筑物材料、室內(nèi)家居設(shè)備、居家用電設(shè)備等很多設(shè)備都有可能引起室內(nèi)環(huán)境的污染，這對于一些抵抗力降低的小孩和老人的安全性造成極大的威脅，因此需要使用一些智能設(shè)備實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的安全變得越來越重要REF_Ref22876\r\h[5]。所以，基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計可以對于家庭環(huán)境的安全提供保障，對室內(nèi)室外的安全都進(jìn)行了考量設(shè)計。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在我國，室內(nèi)環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控的概念是從智能信息化住宅的理念中提出來的，兩者之間存在著千絲萬縷的聯(lián)系，開始是在部分靠海城市中進(jìn)行使用，后面發(fā)展到內(nèi)陸城市。據(jù)根據(jù)現(xiàn)在新的調(diào)查研究顯示，現(xiàn)如今市面上有著較多的家庭環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品，不過他們的功能相對比較的單一，價格也比較昂貴。因此，有必要加深研究和設(shè)計出一款適合城市環(huán)境監(jiān)測的設(shè)備，專門針對室外環(huán)境的有害氣體、易燃?xì)怏w等多種氣體參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行實時的監(jiān)測，提高人們對生存環(huán)境帶來的享受REF_Ref22905\r\h[6]。我國雖然電子信息技術(shù)起步的比較晚，不過伴隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，國民對家庭環(huán)境的安全程度日益變高，同時伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展也取得了不少的突破，令我國相關(guān)領(lǐng)域的科研人員所研究出的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的質(zhì)量也在提高，功能多樣，種類多樣的監(jiān)測產(chǎn)品也陸續(xù)在市面上出現(xiàn)。劉云萍提出了使用ARM9微處理器芯片設(shè)計為核心，實現(xiàn)大面積的多點溫度、濕度以及煙霧濃度進(jìn)行實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂破鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和分析，最終實現(xiàn)了家居室內(nèi)監(jiān)測系統(tǒng)REF_Ref23042\r\h[10]。劉璐玲等人，提出家居環(huán)境檢測與監(jiān)控系統(tǒng)一般使用傳感器來采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，同時根據(jù)這部分參數(shù)進(jìn)行一些家電的操作，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境，改善了人們的家居環(huán)境。而采用無線通信技術(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳遞則不會受到布線繁雜或布線不允許的限制，推廣空間更巨大REF_Ref23098\r\h[11]。從結(jié)果來看，其所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)的溫濕度等信息進(jìn)行監(jiān)測。美國是世界上第一個對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控的國家，他們在這方面投入了大量的資源，并且在這方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。VinothREF_Ref23209\r\h[28]等人提出了一種物聯(lián)網(wǎng)為常規(guī)和無人機應(yīng)用提供空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，通過檢測空氣中存在的各種氣體，制作一個系統(tǒng)讀取空氣質(zhì)量，用于常規(guī)和無人機應(yīng)用，討論了利用Arduino處理器和NodeMCU構(gòu)建空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的方法，節(jié)點MCU用于傳輸傳感器感知的CO、CO2和PM2.5濃度的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)可由用戶通過手機連續(xù)監(jiān)測。OberaiREF_Ref23290\r\h[29]等人提出了基于互聯(lián)網(wǎng)Gis的印度地區(qū)空氣質(zhì)量監(jiān)測和預(yù)報系統(tǒng)。YaliREF_Ref23320\r\h[30]等人提出了一種便攜式空氣質(zhì)量檢測儀的設(shè)計，以檢測室內(nèi)空氣中有毒有害氣體為背景，可實現(xiàn)對室內(nèi)溫度和VOC氣體的實時采集、處理、顯示、報警功能。目前國內(nèi)的環(huán)境檢測還處于研發(fā)和試驗的階段，同國外科技較為先進(jìn)的國家相比，相對而言還是落后。所以在傳感器和微處理機系統(tǒng)上還需進(jìn)一步強化研究分析，在目前的大數(shù)據(jù)人工智能時代仍有很大的發(fā)展空間。1.3論文的研究工作本文設(shè)計了一種基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計，控制外部的指紋識別模塊，紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎琈Q-2氣體傳感器，溫度傳感器，GSM短信發(fā)送模塊，按鍵，OLED顯示屏，電動機驅(qū)動模塊。首先，該系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)的火焰，溫度，有害氣體的濃度進(jìn)行實時的監(jiān)測。新的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在液晶屏幕上，如果數(shù)據(jù)不正常，就激活蜂鳴器。同時進(jìn)行短信告警。其次，系統(tǒng)通過控制外部的人機交互按鍵來進(jìn)行舊指紋的刪除和新指紋的錄入。最后，可以對外部的指紋進(jìn)行識別，如外部指紋識別不成功則啟動報警器，同時發(fā)送短信到用戶手機上。論文大體框架如下：第一章、本章主要介紹了家庭安全機器人設(shè)計的緒論、國內(nèi)國外的研究現(xiàn)狀和其意義。第二章、本章是介紹了家庭安全機器人設(shè)計的總體方案，同時分析即將用到的各個基礎(chǔ)電路的優(yōu)缺點并選擇了最優(yōu)的方案來進(jìn)行下一步設(shè)計。第三章、本章對家庭安全機器人設(shè)計的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計，介紹了系統(tǒng)中所涉及到的模塊和其的電路設(shè)計與實現(xiàn)過程。第四章、本章是對家庭安全機器人設(shè)計的軟件程序來進(jìn)行設(shè)計，介紹了本文的軟件方面的設(shè)計和執(zhí)行過程。第五章、本章對家庭安全機器人設(shè)計的測試調(diào)試和分析，對設(shè)計的系統(tǒng)來進(jìn)行整體化的功能測試。第六章、本章對家庭安全機器人設(shè)計的一個總體和結(jié)論。第2章總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)整體設(shè)計框架本系統(tǒng)設(shè)計了一種基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計，控制外部的指紋識別模塊，紅外火焰?zhèn)鞲衅?，MQ-2氣體傳感器，溫度傳感器，GSM短信發(fā)送模塊，按鍵，OLED顯示屏，電動機驅(qū)動模塊。首先，系統(tǒng)通過外部的按鍵實現(xiàn)指紋模塊的指紋刪除和錄入。其次，系統(tǒng)可以實時的檢測到家庭的火焰、溫度、有害氣體濃度信息，并且更新顯示在液晶屏上觀察，如果指標(biāo)不正常則啟動蜂鳴器、繼電器和發(fā)動短信到用戶手機上。最后，還可以進(jìn)行指紋識別，如果指紋識別不成功則啟動報警器，同時發(fā)動短信到用戶手機上。系統(tǒng)框圖如2.1所示。圖2.1系統(tǒng)框圖2.2主控制器的選擇方案一：用51單片機做主控制器它選擇使用了內(nèi)核為MCS-51系列的單片機來作為核心控制器。STC是國產(chǎn)的公司，專門設(shè)計了一系列的STC單片機，入門級的一款器件型號為STC89C51/52。這款器件具有幾項功能指標(biāo)：8k字節(jié)大小的數(shù)據(jù)存儲器，32位控制I/O接口，512個字節(jié)RAM，一個看門狗定時器模塊，器件內(nèi)部還集成了一個存儲大小為4KB的EEPROM，采用MAX819器件來作為復(fù)歸電路的設(shè)計，擁有3個10位分辨率的定時器或計數(shù)器，一個6向量二級中斷結(jié)構(gòu)，選用了全雙工的方式進(jìn)行主從機通信，最高運作頻率35MHz，實際設(shè)計電路的過程中采用12MHz的晶振作為頻率發(fā)生器參考時鐘進(jìn)行設(shè)計。缺點就是這款器件沒有內(nèi)置的A/D采樣模塊。方案二：用STM32單片機做主控制器它以STM32F103系列MCU作為核心，設(shè)計了一種新型的微處理器。這個單片機上的資源非常的豐富，能夠支持很多傳統(tǒng)的通信協(xié)議進(jìn)行和從機之間的信息交互，其上內(nèi)置了多種常見的通信接口，如USART、IIC、SPI等，能夠與許多傳感器直接連接，能夠控制許多的設(shè)備。專門為一些需要高性能、低成本、低功耗的嵌入式電子通信系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的一個主控解決方案。采用+3.3V電壓進(jìn)行供電，最高的主頻達(dá)到了72MHz，處理和計算的速度較快，片上集成了3個分辨率為12位的A/D采樣模塊，無需外設(shè)擴(kuò)展，應(yīng)用起來較為方便。綜述所述，考慮到方案一的器件沒有內(nèi)置的A/D采樣模塊，并且處理速度遠(yuǎn)沒有方案二快，穩(wěn)定性能也很難得到保證，所以選擇方案二的STM32主控制器作為核心控制器進(jìn)行設(shè)計。2.3溫度傳感器的選擇方案一：選擇DS18B20溫度傳感器此款傳感器是分辨率為9位到12位的高性能數(shù)字溫度元件，他選用攝氏度作為標(biāo)準(zhǔn)，在內(nèi)部集成一個可編程的不易失真的模塊，擁有溫度過高以及低溫過低報警的功能指標(biāo)。這款溫度傳感器采用一根數(shù)據(jù)串行傳輸總線和控制器進(jìn)行信息的交互，另外兩根分別是電源連接線，連接到電源的VCC和地即可，可以檢測的外部環(huán)境的溫度范圍可以從-55℃到+125℃，當(dāng)檢測溫度的值在-10℃至85℃范圍之外時，會自動的增加±0.5℃的差值補償機制，以提高測量的溫度精度。此外，這款溫度傳感器可以通過常用的數(shù)據(jù)線進(jìn)行電壓的供應(yīng)，不需要額外的設(shè)置一級電源，靈活的程度較高。每一個出廠的DS18B20傳感器都會預(yù)先配置了一個獨一無二的64位序列號，因此，對于多個溫度傳感器數(shù)據(jù)傳輸總線的場合，可以實現(xiàn)一根總線控制多個DS18B20器件。因此，對于一些大的環(huán)境中每個角落布局一個DS18B20，僅用一臺單片機就可以完成對電機的驅(qū)動與控制，比傳統(tǒng)的單片機更簡單、更容易實現(xiàn)。這些特點使其廣泛用于室外、建筑物內(nèi)、各種設(shè)備和機械的溫度監(jiān)測，并且溫度動態(tài)變化控制系統(tǒng)中也有著很大的優(yōu)勢。方案二：選擇LM20溫度傳感器此傳感器是TI德州儀器公司生產(chǎn)的一款溫度傳感器。采用了模擬電壓形式輸出的CMOS集成數(shù)字溫度傳感器，可以檢測外部環(huán)境的工溫度范圍為-55°C至130°C。正常供電電壓范圍為2V至5V之間。這款溫度傳感器的傳遞函數(shù)是線性變化的，但有一個較小的可控的拋物線曲率。如果目標(biāo)設(shè)定為拋物線傳遞函數(shù)的情況下，LM20的檢測到準(zhǔn)確率在環(huán)境溫度為30°C時起伏不大于1.5°C，并且溫度誤差誤差范圍以線性進(jìn)行變化遞增，在溫度范圍的最大值達(dá)到最大的±2.5°C。但是溫度檢測的大小容易收到外部供電電壓的影響。當(dāng)供電電壓為2V至5V時，溫度范圍的最大值為130°C和-55°C。將供電電壓減小至到2V時，零下的溫度值變?yōu)?30°C，而零上的溫度仍為130°C。通常情況下，LM20的靜態(tài)電流小于10μA。因此，在外部的環(huán)境中，自身溫度是低于0.02°C。LM20內(nèi)部配置了一個關(guān)斷能力較強的裝備，因為其固有的低功耗使其可以直接從許多邏輯門的輸出供電，或者不需要關(guān)斷。這款溫度傳感器在手機、計算機、電源模塊、電池管理、傳真機、打印機、暖通空調(diào)、磁盤驅(qū)動器以及家電設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用，有著良好的性能表現(xiàn)。綜合上述，相比于方案二的LM20傳感器，方案一的DS18B20傳感器在功耗和集成度方面也有不俗的表現(xiàn)。因此，選擇方案一的DS18B20作為溫度采集芯片進(jìn)行設(shè)計。2.4指紋模塊的選擇方案一：選用了AS608指紋模塊選用一款型號為AS608的光學(xué)識別指紋模塊。AS608識別指紋模塊是京博航科技公司最新設(shè)計和研發(fā)出來的高性能光學(xué)指紋模塊，與單片機等微處理器是通過標(biāo)準(zhǔn)的串口通信方式進(jìn)行實時的信息交互，可以將前端指紋識別結(jié)果傳輸?shù)轿⑻幚砥髦羞M(jìn)行處理和匹配，還可以上傳至PC電腦端進(jìn)行分析，使用和控制起來較為方便，值得一提的是，這款指紋識別芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了高性能的DSP現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)，并且結(jié)合先進(jìn)的指紋識別算法能夠快速的實現(xiàn)對人體指紋信息的識別，具有較高識別精度。AS608模塊最小的工作溫度為-50℃，最大的工作溫度為90℃，最小的工作電壓值為+3V，最大的工作電壓值為+9V，支持指紋信息的錄入，包括用戶的指紋特征以及用戶的ID號，還有指紋識別，此外，還支持指紋庫的操作，包括刪除指定用戶指紋特征等，可靠性和穩(wěn)定性較高。方案二：選用了CRM160指紋識別模塊使用CRM160型的光學(xué)指紋模組，該模組是深圳市凱邁生物識別科技有限公司研制開發(fā)的。這個模塊和它包含的指紋識別算法也是是凱邁公司的研究人員自己開發(fā)的，它包括了指紋圖像的處理，模板抽取，模板匹配，指紋檢索，模板存儲并為OEM廠商提供了豐富的控制命令，方便他們開發(fā)出功能強大的指紋識別。其特點是：指紋自適應(yīng)能力強，算法性能優(yōu)良，操作簡便，易于擴(kuò)展，可靈活設(shè)定安全級別。模塊化的CRM160L適用范圍更廣，適用于各種指紋識別系統(tǒng)。例如：簡單的保險箱、門鎖；比較復(fù)雜的門禁系統(tǒng)；指紋IC卡；與個人計算機聯(lián)網(wǎng)的指紋識別和身份驗證系統(tǒng)。開發(fā)和設(shè)計的過程中按照它們提供的手冊技術(shù)資料即可完成功能指標(biāo)的設(shè)計，開發(fā)出多種多樣基于指紋識別的應(yīng)用系統(tǒng)。綜上所述，考慮到方案二的CRM160存在設(shè)計復(fù)雜度高，控制不方便，經(jīng)濟(jì)成本高的缺陷，因此，選擇方案一作為指紋識別模塊。第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1STM32微處理器電路設(shè)計3.1.1STM32微處理器芯片介紹STM32F103系列型號微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能總結(jié)如下。內(nèi)核：采用ARM3框架設(shè)計而成的運算位數(shù)達(dá)到32位的Corte-M3系列內(nèi)核，最高的運算速度頻率為72MHz，等待存儲器沒存儲一個單元的周期為0Hz，可以采用單個時鐘周期的乘法運算，此外，還可以采用硬件做除法運算；存儲器：這款系列MCU的存儲空間范圍較為廣泛，能存儲數(shù)據(jù)大小在32K字節(jié)-512K字節(jié)之間，選用傳統(tǒng)的Flash閃存作為編程存儲器，不同型號的STM32F103XX中的第二個X是閃存容量，其中“4”表示存儲大小為16K，“6”表示存儲大小為32K，“8”表示存儲大小為64K，“B”表示存儲大小為128K，“C”表示存儲大小為256K，“D”代表存儲大小是384K，“E”代表存儲大小是512K，SRAM存儲值的大小范圍也是從6K字節(jié)至64K字節(jié)的之間；A/D轉(zhuǎn)換器：這款MCU內(nèi)部集成了2個分辨率達(dá)到12位的A/D模塊，每次調(diào)用該模塊的時間只需要1us，可以配置作為A/D的通道達(dá)到16個，能轉(zhuǎn)換的模擬電壓范圍在0V-3.6V之間，用傳統(tǒng)的雙采樣模式，同時具有保持的功能；用7個通道的DMA控制I/O口，并且可以支持外部設(shè)置分配為：ADC、SPI、I2C和USART等多種標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議；I/O端口：用于控制外部從機的接口達(dá)到了80個多功能雙向I/O，分為A至E組，每組有16個通道，這些通道的速度可以配置，全部的通道I/O口可以配置成16個外部中斷；調(diào)試模式：主要有兩種模式，第一種為串行線調(diào)試(SWD)模式，第二種為JTAG接口在線調(diào)試模式。圖3.1STM32F103芯片內(nèi)部架構(gòu)3.1.2STM32微處理器電路設(shè)計在圖3.2中顯示了一個微處理的電路原理圖。整個系統(tǒng)以STM32F103C8T6為主控MCU，并與外部晶振時鐘電路模塊及復(fù)位功能相結(jié)合。電路模塊構(gòu)成了一個簡單的系統(tǒng)。其中控制外部的模塊主要包括了指紋識別模塊、紅外火焰模塊、有害氣體檢測模塊、溫度傳感器，GSM，按鍵，OLED，風(fēng)扇等模塊?？紤]到供電電源輸送電壓需要經(jīng)過一條較長的傳輸線，而在該過程中會引入一些毛刺噪聲信號干擾，從而給系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性帶來很大的影響，為了提高微處理器的工作穩(wěn)定性，需要在供電的電壓引腳接口處設(shè)計一個電容來進(jìn)行濾波的處理，用以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。圖3.2STM32F103主控電路圖設(shè)計3.1.3晶振電路設(shè)計晶體振蕩器電路有兩種類型，第一種是并聯(lián)諧振時鐘信號發(fā)生電路，第二種是串聯(lián)諧振時鐘信號發(fā)生電路。第一種類別是晶振在電路中當(dāng)作一個等效電感元器件進(jìn)行使用，這種時鐘信號震蕩電路叫做并聯(lián)式諧振信號發(fā)生器，其與外部的電容器進(jìn)行連接和組合之后，就形成了一個經(jīng)典的電容式三點震蕩器。本文采用的也是此結(jié)構(gòu)類型。而在并聯(lián)型晶體振蕩電路中，皮爾斯振蕩器電路是當(dāng)下使用最廣泛的用于產(chǎn)生信號的發(fā)生器電路類型。如圖3.3所示，是一種經(jīng)典的皮爾斯振蕩器電路，晶振采用8MHz，電容器的大小為20pf，分別連接到單片機的OSC_IN和OSC_OUT引腳上。圖3.3STM32微處理器時鐘電路設(shè)計3.1.4復(fù)位電路設(shè)計系統(tǒng)在執(zhí)行程序的過程當(dāng)中遇到了死循環(huán)時，MCU就可以這時啟用復(fù)位按鈕，讓內(nèi)部的程序從新開始，以此來避免程序邏輯亂碼。在此次設(shè)計的系統(tǒng)里，手動和上電復(fù)位結(jié)合使用，每次上電的時候系統(tǒng)默認(rèn)復(fù)位一次，如果工作過程之中，邏輯功能跑亂之后，依舊可以按下復(fù)位按鍵來進(jìn)行復(fù)位。一般情況下，需要在NRST引腳和電源VCC之間加上一個復(fù)位按鈕，在復(fù)位按鈕的兩端并聯(lián)一個0.1uf的電解電容，并聯(lián)后，將一個10k的電阻串聯(lián)起來，并連接到電源VCC端口，這樣就構(gòu)成了一個復(fù)位電路。如圖3.4所示。圖3.4STM32微處理器復(fù)位電路設(shè)計3.2溫度傳感器電路設(shè)計DS18B20傳感器的原理圖，如圖3.5所示。實物圖如圖3.6所示。此溫度傳感器可以通過常用的數(shù)據(jù)線進(jìn)行電壓的供應(yīng)，不需要額外的設(shè)置一級電源，靈活的程度較高。原理圖共有三個引腳，它們分別是VCC電源引腳，DATA數(shù)據(jù)傳輸交互引腳與懸空引腳和GND。在數(shù)據(jù)連接線的中放一個電阻，它數(shù)值的大小與該器件和控制器連接線長度來確定。這是一款控制命令和數(shù)據(jù)都是以數(shù)字信號輸入輸出的溫度傳感器，可以測量的溫度值為：-55°C~+125°C，分辨率達(dá)到0.5°C。采用單根數(shù)據(jù)線與微處理器進(jìn)行實時的信息交互和溫度數(shù)據(jù)的采樣。圖3.5溫度傳感器原理圖圖3.6溫度傳感器實物圖3.3紅外火焰?zhèn)鞲衅麟娐吩O(shè)計紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯碾娐?，如圖3.7所示。實物圖如圖3.8所示。輸出信號的接口與單片機上的PB11進(jìn)行連接，能夠?qū)崿F(xiàn)電平信號的檢測與評估，當(dāng)紅外檢測到的火焰強度偏高，就會輸出高電平信號。而檢測到的火焰強度較低時，就輸出低電平信號。圖3.7火焰?zhèn)鞲衅髂K接口電路圖圖3.8火焰?zhèn)鞲衅髂K實物圖3.4GSM電路設(shè)計SIM900A的電路原理圖如圖3.9所示。實物圖如圖3.10所示。該短消息發(fā)送和發(fā)送模塊也使用了傳統(tǒng)的串口通訊協(xié)議來實現(xiàn)實時消息的交流，與定位模塊的區(qū)別在于該模塊使用了全雙工的方式來實現(xiàn)消息的傳遞。在本設(shè)計里供電的電壓采用杜邦線引入一路直流穩(wěn)壓+5V電源供電，采用AT指令控制，默認(rèn)波特率為115200bit/s，其中RXD連接到微處理器的PA9端口，TXD連接到微處理器的PA10端口。圖3.9SIM900A接口原理圖圖3.10SIM900A實物圖3.5按鍵電路設(shè)計按鍵電路如圖3.11所示，此鍵主要是用來輸入和刪除指紋。在按鍵按下的時候，按鍵兩個接口都會被接通，同時一個低電平信號被送到了單片機，單片機就可以通過連接按鍵引腳的情況來判斷是不是有按鍵被按下，然后進(jìn)行相應(yīng)的動作。按鍵檢測的基本原理主要包括檢測和消抖兩個部分組成，其中當(dāng)按鍵按下瞬間就會有一個電平的變化和抖動時間，通過軟件延時的方式去除電平變化時間段的抖動，提高識別的準(zhǔn)確率，得到每次按鍵按下并且釋放之后的檢測結(jié)果。設(shè)計的兩個按鍵分別是指紋錄入和指紋刪除。圖3.11按鍵設(shè)置電路3.6指紋識別電路設(shè)計電路原理圖如圖3.12所示，\o""我們可以看到，這個指紋識別模塊與單片機微處理器通過串口通信的方式展開信息交互，指紋模塊的Tx引腳連接到單片機的PA2/RXD控制I/O口，Rx引腳連接到單片機的PA3/TXD控制I/O口。實物如圖3.13所示。圖3.12指紋識別接口原理圖圖3.13指紋模塊實物圖3.7有害氣體傳感器電路設(shè)計MQ-2傳感原理圖如圖3.14所示。實物如圖3.15所示。在這篇文章中，使用了有害氣體傳感器直接輸出的模擬信號，對其展開分析和處理，使用A/D模塊，對其進(jìn)行實時的采樣和分析。其中，該模塊和單片機的PA5進(jìn)行信息交互，從而實現(xiàn)對甲烷氣體濃度信息的采集。圖3.14有害氣體檢測傳感器電路設(shè)計圖3.15有害氣體檢測傳感器模塊3.8液晶屏電路設(shè)計OLED的原理圖和實物圖，如圖3.16，3.17所示。本模塊共有GND,VDD,SCK和SDA4根管腳。GND是為模塊提供接地的地線，用于提供模塊的接地。需要接到負(fù)極電源上。VDD是電源引腳，用于提供模塊的電源，一般是3.3V或5V電源。SCK為串行時鐘得引腳，用于時鐘信號。將它連接到單片機的PB8引腳。SDA則是串行數(shù)據(jù)引腳，用來進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。將其連接到PB9引腳。在使用IIC接口時，這個引腳也可以被稱為串行數(shù)據(jù)線。圖3.16OLED接口原理圖圖3.17OLED液晶實物圖3.9報警器電路設(shè)計報警器電路原理圖與實物圖，如圖3.18，3.19所示。這個報警器電路在有源蜂鳴器的正極得到一個高電平信號，這個時候，蜂鳴器會發(fā)出警報，反之，輸出低電平蜂鳴器也就不會發(fā)出聲音警報。通過單片機的PB14引腳來控制該模塊。圖3.18報警器電路原理圖圖3.19報警器電路實物圖3.10電機電路設(shè)計電機電路圖與實物圖，分別如圖3.20，3.21所示。觀察到單片機控制I/O接口分別引出PA8控制該電機驅(qū)動模塊L298N進(jìn)行相應(yīng)的操作，通常情況下，輸出低電平即可實現(xiàn)相關(guān)的功能控制。如需要控制電機正轉(zhuǎn)則分別對控制端口輸出高電平的信號，倒置可以控制輸出低電平的信號，全部的引腳都為低電平的信號，風(fēng)扇就會停止運轉(zhuǎn)。圖3.20L298N電路圖圖3.21L298N實物圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計主程序設(shè)計的流程圖如圖4.1所示。下位機的主程序主要負(fù)責(zé)控制外設(shè)的按鍵輸入模塊，程序執(zhí)行首先初始化延時模塊、GPIO模塊、串口模塊；首先，該系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)的火焰，溫度，有害氣體的濃度進(jìn)行實時的監(jiān)測。新的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在液晶屏幕上，如果數(shù)據(jù)不正常，就激活蜂鳴器。同時進(jìn)行短信告警。其次，系統(tǒng)通過控制外部的人機交互按鍵來進(jìn)行舊指紋的刪除和新指紋的錄入。最后，可以對外部的指紋進(jìn)行識別，如外部指紋識別不成功則啟動報警器，同時發(fā)送短信到用戶手機上。圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖4.2溫度傳感器子程序設(shè)計溫度傳感器采用單總線的方式與微處理器進(jìn)行實時的特殊寄存器訪問和溫度數(shù)據(jù)的采集，驅(qū)動和讀寫數(shù)據(jù)的信號時序要比較求嚴(yán)格，以保證數(shù)據(jù)的完整性。溫度傳感器得子程序流程圖，如圖4.2所示。首先。會先發(fā)送開始轉(zhuǎn)換的指令給傳感器，延時一段時間等待響應(yīng)完畢之后，將會再次發(fā)送復(fù)位指令，指令值為：0x44，完成數(shù)據(jù)的清除；其次，檢查DS18B20返回的應(yīng)答信號，如果接收到該應(yīng)答信號則表示控制完成；第三，發(fā)送SKIPROM指令0XCC給內(nèi)部的特殊功能寄存器中進(jìn)行模式的匹配；第四，發(fā)送讀溫度指令0XCC，獲取溫度傳感器返回的溫度數(shù)據(jù)，讀取16位的數(shù)據(jù)，其中有限位最大為12位；最后，將獲取的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為ASCII，即可得到實際的數(shù)字溫度值。上述過程表示完成一次溫度的讀取，微處理器每次讀取溫度都調(diào)用該函數(shù)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，要讀取一個完整的溫度值，需要根據(jù)以上流程進(jìn)行操作。圖4.2讀取溫度子程序流程圖4.3OLED液晶子程序設(shè)計OLED液晶屏的驅(qū)動程序流程圖如圖4.3所示。首先，設(shè)置MUX速率為A8H，3FH；其次，設(shè)置顯示補償為D3H，00H，設(shè)置顯示起始線為40H；第三，設(shè)置重新映射為A0H/A1H，設(shè)置COM輸出掃描方向C0H；第四，設(shè)置COM引腳配置為DAH，02；第五，設(shè)置與控制為81H，7FH，禁用整個顯示為A4H；第六，設(shè)置正常顯示為A6H，設(shè)置Osc頻率為D5H，80H；第七，開啟背光調(diào)節(jié)器為8HD，14H；最后，開顯示為AFH，即可進(jìn)入到內(nèi)容的顯示操作模式。程序如圖4.4所示，首先，寫液晶驅(qū)動控制字的指令信息，會打開液晶顯示；其次，延時10ms后，關(guān)閉液晶顯示，更新獲取的GRAM字節(jié)信息；第三，液晶顯示模式會初始化配置，而后清除屏幕，開始顯示相關(guān)的內(nèi)容信息。圖4.3液晶驅(qū)動子程序流程圖圖4.4液晶顯示子程序流程圖4.4GSM子程序設(shè)計本文設(shè)計的GSM短信發(fā)送子程序設(shè)計流程圖如圖4.5所示。程序執(zhí)行的幾個步驟如下：首先設(shè)置串口1通信的速度為9600bit/s，然后將串口1與GSM模塊進(jìn)行配對，配置GSM數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷?，并且配置相?yīng)的電話號碼，判斷是否發(fā)送了短信，如果條件成立則發(fā)送相關(guān)信息到手機，否則返回上一級繼續(xù)發(fā)送短信，直到滿足條件為止，結(jié)束。圖4.5GSM子程序流程圖4.5紅外火焰檢測子程序設(shè)計本文設(shè)計的火焰檢測子程序的流程圖，如圖4.6所示。可以使用紅外火焰檢測傳感器來檢測到相關(guān)的火焰指標(biāo)。超出上限的閾值之后，就會自動的輸出高電平信號，否則將會輸出低電平信號。圖4.6火焰檢測子程序流程圖4.6A/D采樣子程序設(shè)計本文使用到的A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4.7所示。A/D轉(zhuǎn)換器是以STM32F103系列微處理器為基礎(chǔ)，考慮到有害氣體檢測傳感器將檢測到的信息以模擬電壓信號的形式返回，而微處理器不能直接對模擬信號進(jìn)行處理。所以，必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便進(jìn)行處理。所述模塊中的ADC的具體工作步驟是這樣配置的：首先，對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作方式進(jìn)行了初始化，打開了A/D路的取樣時鐘，設(shè)定了A/D分時鐘系數(shù)；其次，將相應(yīng)的接口設(shè)定為模擬輸入端，將ADC1、ADC2分別設(shè)定為單路工作模式，并將ADC1、ADC2分別設(shè)定為單路運行；第三，用軟件控制觸發(fā)模式，按A/D對齊的次序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行A/D變換；第四，按照規(guī)定的參數(shù)，對外部A/D寄存器進(jìn)行初始化，并開始ADC1及重置校正，直至重置校正完成；最后，打開A/D校正功能，然后等待校正完成之后，即可得到采樣回來的模擬電壓值，經(jīng)過計算和處理轉(zhuǎn)換成實際的有害氣體值。圖4.7A/D采樣子程序流程圖4.7指紋識別子程序設(shè)計指紋識別子程序流程圖如圖4.8所示，指紋識別子程度流程分為以下幾個步驟：首先，對系統(tǒng)中的各模塊進(jìn)行初設(shè)，然后，對有無按壓的指印進(jìn)行判定，一旦按壓，就會啟動指紋數(shù)據(jù)的采集。隨后將對此數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取出重要細(xì)節(jié)，最后，將手指的特征與已經(jīng)建立的指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對。來判斷是否屬于預(yù)設(shè)錄入的指紋信息，如果條件成立則打開LED指示燈進(jìn)行提示，否則識別錯誤返回，等待下一次指紋識別指令，繼續(xù)判斷是否有指紋按下。圖4.8指紋解鎖子程序流程圖第5章系統(tǒng)測試和分析5.1系統(tǒng)硬件調(diào)試基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計，使用分立電路模塊，在AD軟件上畫好原理圖后，開始對電路板布線布局，然后對布局連線進(jìn)行檢查。被檢查完畢后，確認(rèn)沒有問題。對使用的器件展開測試，每一個模塊都被焊接好后，用萬用表來檢查線路是否存在短路以及其他的問題，以確保每個獨立的電路模塊通電正常。其次，上述的步驟完成之后，分別編寫驅(qū)動每個模塊的功能程序，進(jìn)行各自的功能調(diào)試，在這個軟硬件相結(jié)合調(diào)試的階段，程序模塊化編程的思想可以提高調(diào)試的效率，減少不必要的麻煩。最后，完成上述操作之后上電進(jìn)行聯(lián)合測試，將電源輸入到整個實物的軟硬件系統(tǒng)中，進(jìn)行整體功能指標(biāo)的驗證。實物圖如5.1所示。圖5.1實物圖5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試在硬件電路系統(tǒng)模塊完成調(diào)試，并且沒有任何問題之后，就可以開始對軟件編程的測試了，對每個電路模塊進(jìn)行模塊化的編程調(diào)試，具體步驟如下：(1)在KeilMDK的上，選擇“project”的類型，在彈出的窗口中選擇“Newproject”，在上面輸入要創(chuàng)建的項目的名字，這樣就可以創(chuàng)建一個項目了。(2)在所創(chuàng)建的對話框中，對所用到的各功能模塊進(jìn)行單獨的編輯。再將各個功能模塊函數(shù)進(jìn)行整個在一個目錄下，全部由主函數(shù)調(diào)用和處理，如圖5.2所示。圖5.2新建工程示意圖(3)編程與調(diào)試：在軟件界面上點擊“Build”，將所有功能模塊的功能連接起來，當(dāng)所有功能模塊都被連接起來后，在菜單上點擊“Rebuild”，系統(tǒng)就會自動編譯出所有的代碼。并且生成單片機可執(zhí)行的hex文件，如圖5.3所示。圖5.3工程編譯示結(jié)果圖(4)燒錄軟件。從以上的圖可以看出，軟件程序的編譯是正確的，這時就可以用串口將各個模塊的程序燒寫到單片機上，對其功能指標(biāo)進(jìn)行測試。5.3系統(tǒng)測試5.3.1系統(tǒng)初始化上電測試基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計首先是初始化上電測試，如圖5.4所示，可以觀察到當(dāng)前前端的硬件電路系統(tǒng)的各個電源指示燈的狀態(tài)均為正常的點亮，表示系統(tǒng)沒有出現(xiàn)短路等問題，測試的結(jié)果達(dá)到預(yù)期的要求。圖5.4系統(tǒng)初始化上電測試5.3.2系統(tǒng)按鍵控制測試基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計的各項參數(shù)檢測和控制測試結(jié)果如圖5.5所示，按下按鍵之后即可錄入新指紋或刪除舊指紋，測試結(jié)果正常，功能達(dá)到預(yù)期設(shè)定的要求。圖5.5系統(tǒng)各項參數(shù)控制測試5.4結(jié)果分析此次論文的設(shè)計，整個系統(tǒng)采取了模塊化設(shè)計的思路，在AD軟件上分別繪制好了原理圖，使用Keil軟件對程序進(jìn)行編寫，在各個獨立的模塊功能被調(diào)試完成，確認(rèn)無誤之后，再對整體進(jìn)行測試。系統(tǒng)測試分為兩個階段，具體包括了系統(tǒng)上電初始化測試、各項參數(shù)檢測和控制的測試，測試的結(jié)果均可以達(dá)到預(yù)期的效果。第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)本文設(shè)計了一種基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計，控制外部的指紋識別模塊，紅外火焰?zhèn)鞲衅?，MQ-2氣體傳感器，溫度傳感器，GSM，按鍵，OLED顯示屏，風(fēng)扇等。首先，該系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)的火焰，溫度，有害氣體的濃度進(jìn)行實時的監(jiān)測。新的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)在液晶屏幕上，如果數(shù)據(jù)不正常，就激活蜂鳴器。同時進(jìn)行短信告警。其次，系統(tǒng)通過控制外部的人機交互按鍵來進(jìn)行舊指紋的刪除和新指紋的錄入。最后，可以對外部的指紋進(jìn)行識別，如外部指紋識別不成功則啟動報警器，同時發(fā)送短信到用戶手機上。對于提高家庭環(huán)境的安全性有著很大作用。6.2展望本文設(shè)計一種基于STM32的家庭安全機器人設(shè)計基本能實現(xiàn)的預(yù)期設(shè)定的功能指標(biāo)，但是由于一些客觀和主觀的原因，設(shè)計的系統(tǒng)還存在一些不足的地方，也是后期系統(tǒng)升級和優(yōu)化過程需要著重考慮的標(biāo)準(zhǔn)，因此，有很多功能指標(biāo)還可以進(jìn)一步的優(yōu)化和控制，比如程序代碼編寫的重復(fù)性利用率、相關(guān)數(shù)據(jù)測試的穩(wěn)定性、系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性以及整體功能指標(biāo)方面都還需要有很大程度的提升。參考文獻(xiàn)冀曉霏.智能家居環(huán)境監(jiān)測與評估系統(tǒng)研究[D].中北大學(xué),2018.李旺昆,柯遠(yuǎn)征,王立仕.基于STM32的智能家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].科技視界,2020(11):27-29.杜曉嵐,張磊.基于STM32的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2019,38(07):172-175.茅天陽,趙亮.基于STM32的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2017,7(07):109-112.張璐.智能環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域研究現(xiàn)狀與熱點分析[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì),2019,39(01):59-62.鄧自寧,王寧.基于云平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子制作,2022,30(20):47-50.劉福星,汪琳,張克棟,顧唯兵,崔錚.多參數(shù)智能空氣質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2018(01):31-35+40.王洪生.基于單片機與傳感器的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子制作,2020(22):24-27.蔣春利,李政林,羅文廣,寧健飛,羅植升.智能家居監(jiān)控及安防系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化儀表,2017,38(11):13-16+21.劉云萍.智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(02):64.劉璐玲,陳里.小型智能家居環(huán)境檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2017,16(01):62-65.吳洋,許建明,陳炯明.基于單片機的無線智能家居設(shè)計[J].電子世界,2016(09):20.吳祥林,李新,陳鵬,吳云皓.室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)審核的探討[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2021(11):134-135.田苗苗,崔維娜,王迪,劉鵬.基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].海峽科技與產(chǎn)業(yè),2021,34(09):63-66.朱兆豐,劉靜琦,周振虎,劉靜波,余澤滔,時飛.基于STM32的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2021,11(06):6-9.陳海峰.室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].環(huán)境工程,2020,38(12):216.汪琪,楊洪濤.基于單片機的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測與凈化系統(tǒng)[J].科技視界,2019(20):18-19+28.李沐曈.家用機器人的人工智能研究[J].電子世界,2017(23):62,64.李慧.基于Android的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(15):60.張敬鴻.基于STM32的可編程模塊化機器人設(shè)計[J].信息與電腦(理論版),2022,34(08):126-129.魏翔,梁廣宇,莫凱迪,周堅強,文心怡,劉亞雄,常皕炅.基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)家庭智能機器人的設(shè)計[J].電子制作,2020(21):27-28+72.DOI:10.16589/11-3571/tn.2020.21.010.寇為剛,鄭克誠.基于STM32單片機的智能家庭安防系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技,2018,15(21):47-49.黃杰華.一種智能家庭安防系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通訊世界,2018(08):258-260.SchepersJ,StreukensS.Toserveandprotect:atypologyofservicerobotsandtheirroleinphysicallysafeservices[J].JournalofServiceManagement,2022,33(2):197-209.KimS,LeeM,LeeJ.Astudyoffuzzymembershipfunctionsfordependencedecision-makinginsecurityrobotsystem[J].NeuralComputingandApplications,2017,28:155-164.BediP,QayumiK,KaurT.Homesecuritysurveillancesystemusingmulti–robotsystem[J].Internationaljournalofcomputerapplicationsintechnology,2012,45(4):272-279.MakedonV,MykhailenkoO,VazovR.DominantsandFeaturesofGrowthoftheWorldMarketofRobotics[J].EuropeanJournalofManagementIssues,2021,29(3):133-141.V.VinothKumar,G.Sasikala.InternetofThings(IoT)EnabledAirQualityMonitoringSystemforConventionalandUAVApplication[J].NatureEnvironmentandPollutionTechnology,2022,21(1).Oberai,Kapil,Saran,Sameer,Jha,AshutoshKumar,Singh,Charu,Kant,Yogesh,Srivastava,Shuchita,Singh,SanjeevKumar,Mitra,Debashis,Chauhan,Prakash.InternetGIS-BasedAirQualityMonitoringandForecastSystemfortheIndianRegionUsingFOSS4G[J].JournaloftheIndianSocietyofRemoteSensing,2022(prepublish).YaliHe,GeTian,XueliangLi.DesignofPortableAirQualityDetector[J].InternationalCoreJournalofEngineering,2021,7(9).附錄A電路原理圖圖A電路原理圖B主要程序intmain(void) { floattempF; u16adcNum; u8tempMax=50; u16adcNumMax=4000; u8FireState=0; u8FireStateTime=0; u8as608AlarmNum=0; u8as608Ala