基于stm32的智能煙灰缸設計

第1章緒論1.1研究目的及意義單片機已被成熟應用于許多工業(yè)控制和家電的設計領域中，使用單片機最小系統(tǒng)板與外部擴展模塊相結合，對最小系統(tǒng)板與外部模塊之間的通訊進行設計和實現(xiàn)成為研究課題的難點與重點。智能煙灰缸是一種新型的煙灰缸，它將傳統(tǒng)的煙灰缸與智能模塊相結合，具備實用性和藝術性，能夠滿足不同的使用需求，并且具備極高的藝術品鑒賞價值。通過對傳統(tǒng)技術和先進技術的融入，我們開發(fā)出了一種全新的智能煙灰缸，它集超聲波傳感器、加濕器和其他功能于一體。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2014年TobaccoControl期刊有一篇文章《TraditionalTrackingwithKalmanFilteronParallelArchitecturesJournalofPhysics》做了一個實驗來比較香煙與汽車柴油機對PM(fineparticulatematter)的貢獻率。在60立方公尺的儲藏室里，依次點上三根香煙，共燒30分鐘。在此期間，TDCi2000

cc柴油發(fā)動機將在30min內(nèi)（760km/min）運行。結果資料表明，煙草的燃燒量是柴油的十多倍。2017年，孫慧翔在《汽車煙灰缸設計研究》中，本文對車載煙灰缸的結構、性能、安全性等方面進行了分析，為車載煙灰缸的研制提供了依據(jù)。車載煙灰缸是一種置于車輛儀表板、副儀表板或車門等部分，是一種用于撲滅煙頭和儲存煙灰的裝置。煙灰缸是一種用于車輛內(nèi)部裝飾的功能性部件，由外殼，門，消煙片，彈簧，齒輪，阻尼組成；由裝飾件，緩沖墊，及其他部件構成。煙灰缸是提高車輛內(nèi)部裝飾質量的關鍵部件之一，它不僅要達到實用、美觀的目的，而且要符合一套規(guī)范的規(guī)定；它的設計好壞非常關鍵。2019年MOLLERM發(fā)表的《SmarteyeData:devdtopahealtO0%ofoundationformedicalrescarchusingSmartdataapplications》提到，2010年國家衛(wèi)生部發(fā)表的研究結果表明，所有披露于大麻煙霧中的致癌化學成分均會對DNA誘發(fā)肝癌產(chǎn)生不利影響。2.二手煙暴露于環(huán)境中會對心血管系統(tǒng)造成嚴重的損害，它會加速血液凝結，加大心臟病發(fā)作和中風的危險性。3.抽煙還會使女性更難受孕，并可能會造成流產(chǎn)、早產(chǎn)和產(chǎn)后身材不佳。此外，二手煙還會損害男性的生殖能力REF_Ref4700\r\h[18]。2019年米娟芳在《單片機控制系統(tǒng)的干擾因素及控制策略研究》一文中提出中國的卷煙產(chǎn)量大約為26，000億支。一支煙自然燃燒，足以讓100平米左右房間的PM2.5值達到800REF_Ref4785\r\h[4]。PM2.5超過500就屬于嚴重的污染，對大氣和環(huán)境都有很大的影響。當排放量超出了空氣循環(huán)系統(tǒng)的容量和承受范圍時，空氣中的微粒物質會繼續(xù)積累。將導致大面積的空氣污染，尤其是在寧靜的環(huán)境中，更容易發(fā)生大規(guī)模的空氣污染。2019年楊曉燕,徐廣振,王瑣瑣三人在《基于STM32單片機的表面貼裝自動質檢裝置的設計》一書中提到本研究采用問卷調查法，采用網(wǎng)上問卷調查法及現(xiàn)場訪談法，共收集到99人的調查問卷。男性和女性的比例是一樣的。49?.50%的人認為煙灰缸存在難清理的問題，21.21%的人認為放在煙灰缸上未熄滅的煙頭也會制造二手煙影響他人，另外有23.23%的人同意現(xiàn)有煙灰缸的使用功能過于單一的看法REF_Ref4913\r\h[3]。這反應了目前的設計缺乏對兩個問題的關注：1、干凈；2、被動煙霧。其次是30.30%的受訪者，他們覺得普通的玻璃煙灰缸又重又脆，17.17%的受訪者覺得木質煙灰缸在清潔之后會吸收水分而變得扭曲。說明了用戶想要的是更輕的材料，同時也想要的是形狀和材料在使用時容易保存，不會變形。而目前的煙灰缸在這一點上還存在一定的不足，今后還需對其進行進一步的完善，使其成為一種方便、多功能的產(chǎn)品。2020年，Raafi在《DesignofIntelligentAshtraySystemBasedonSingleChipMicrocomputerTechnology》中提到，現(xiàn)在的吸煙者數(shù)量特別多，大約有三億一千六百萬人，其中百分之二十七點七是世界上最大的吸煙者。抽煙的人越來越多了。大量吸煙者將煙蒂丟到公共場合是常有的事，造成了很大的環(huán)境污染。另外，雖然煙蒂很小，但是它的表面的溫度通常為200~300攝氏度，而其中央的溫度可以達到700~800攝氏度。如果抽過一支香煙后，沒有將煙頭的火花徹底熄滅就將其丟棄在地面，如果丟棄在干燥疏松的可燃物體上，或者丟棄在綠地或垃圾箱等地方，都有可能引起火災。為了解決這個問題，我們設計了一個可以有效地減輕抽煙人員抽完煙后，不能找到煙灰缸，隨便丟的現(xiàn)象，從而降低對環(huán)境的損害，從而有效地提高了城市的品位。經(jīng)過對北京市南站抽煙者的采訪問答，我們深入了解了煙塵缸的使用，并對其材質、造型和功能進行了分析，總結出了優(yōu)缺點，最終結合現(xiàn)有產(chǎn)品的功能，進行了全面的改進和升級，以滿足不同的使用需求。1.3主要研究內(nèi)容1.閱讀相關文獻確定了設計功能和軟件硬件的選擇方案2.硬件部分采用STM32單片機3.設計采用KEIL5軟件平臺和C編程語言完成位軟件設計4.將系統(tǒng)進行調試運行并成功實現(xiàn)5.實現(xiàn)的成果為實物該系統(tǒng)應完成的主要功能有: 藍牙通信，手機端上位機上位機：1.需要通過藍牙模塊接收下位機數(shù)據(jù)，顯示溫度，濕度，煙霧濃度。各個模塊是否工作2.控制煙灰缸蓋子的打開或者關閉；下位機：1.煙霧傳感器采集煙霧濃度，發(fā)送至上位機；2.溫濕度傳感器采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，發(fā)送至上位機；溫濕度傳感器注意其最高可承受的溫度，避免高溫燒毀傳感器。3.超聲波檢測是否有障礙物，若有，打開煙灰缸蓋子；明確超聲波測距的距離，確保使用者的方便。4.當溫度過高時，開啟加濕器，濕度達到一定值，加濕器關閉；5.當煙霧濃度過高時，開啟風扇。為保證煙霧可以吸進煙灰缸內(nèi)部。需要在煙灰缸內(nèi)部提前加入少量的石灰水，并在風扇另一側加通風口，并加濾紙。第2章系統(tǒng)總體結構2.1設計方案本設計是一種基于單片機技術的智能煙灰缸系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由煙霧傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、STM32單片機、藍牙模塊等部分組成；采用STM32單片機技術對傳感器模塊采集參數(shù)進行處理，并通過手機端顯示并通過按鍵模塊來實現(xiàn)開啟和關閉煙灰缸，實現(xiàn)自動模式和手動模式的切換。2.2功能需求分析2.2.1技術路線：（1）硬件部分需要STM32單片機；（2）軟件平臺程序用keil5；（3）畫原理圖用CAD；（4）編程語言用C語言；2.2.2預期結果：作品展示，完成一個智能煙灰缸系統(tǒng)設計，并且該設計能實現(xiàn)的功能如下：完成煙灰缸的實物設計，并對其中的功能完成實現(xiàn)。藍牙通信，手機端上位機上位機：1.接收下位機各個傳感器的數(shù)據(jù)，并對其顯示；2.通過按鍵來控制煙灰缸蓋子的開啟與關閉；下位機：1.煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，發(fā)送至上位機，并通過手機端app顯示煙霧濃度；2.溫濕度傳感器采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，發(fā)送至上位機，通過手機端app顯示溫度與濕度；3.通過超聲波測距模塊與舵機控制煙灰缸蓋子的開啟與關閉；；4.當溫度過高時，達到一定值，加濕器自動開啟，濕度過高達到一定值則會自動關閉。5.當煙霧濃度過高時，風扇自動開啟，把煙灰缸外的煙霧吸到煙灰缸內(nèi)部，通過加濕器，使煙霧濃度降低2.3總體方案設計第一：在理論知識準備階段，要深入理解設計課題，仔細研究其中所包含的內(nèi)容，以便更好地掌握相關知識；第二：明確系統(tǒng)的各個組成部分，梳理出它們之間的聯(lián)系，并搜集有關軟硬件的信息；第三：制定詳細的計劃，明確系統(tǒng)的組成部分，建立一個宏觀的系統(tǒng)框架，并以此為基礎繪制出相應的原理圖；第四：使用軟件來實現(xiàn)硬件電路的設計，畫出各個部分的電路圖，把各個部分用連接器連接起來，并畫出對應的電路圖；第五：進一步分析了系統(tǒng)的控制流程，進一步改進了軟件的設計，并將其轉化為可視化的主流程圖；第六：進行實物設計，并對該系統(tǒng)的控制功能進行檢驗，整理論文。2.4單片機型號選擇方案一：采用C51單片機。該系統(tǒng)包含了一個完整的存儲器、一個可以連接到各種設備的輸入/輸出端子、一個可以連續(xù)計數(shù)的定時器和一個串行外設端子。采用的是按鍵位式操作和處理技術系統(tǒng)，可以對片內(nèi)器件進行各種操作，它還具備很強的保護電路，可以使程序在正常運行后得到很好的維護保養(yǎng)，它在片內(nèi)的RAM地址區(qū)間外還有一個具備雙重保護電路功能的地址區(qū)間，使其在使用和維護上都很方便。然而由于其恢復速度較慢，所以保護電路的能力也很差，很容易出現(xiàn)短路和燒壞芯片的現(xiàn)象。方案二：STM32系列單片機是一款??性能好，功能強的系??列單片機。這一系列的單個微處理器通常被用在對成本、性能和功耗都有較高要求的嵌入式系統(tǒng)，其在集成和功耗方??面也展現(xiàn)出良好的性??能。STM單片機因其易用、緊湊、高效、可靠等優(yōu)勢，在操控上表現(xiàn)出色，它可以自動調整時間，不需要人力介入，可以按照預定義的時間間隔進行操控，從而提高效率。在業(yè)界很受歡迎。??本實驗采用的最小系統(tǒng)如圖2.1。圖2.1STM32F103C8T6原理圖通過對比，再考慮到本設計所需要完成的功能，所以應該選擇STM32F103C8T6單片機作為本設計的主控器主控制芯片選擇STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是由意法半導體集團基于STM32系列ARMCortex-M內(nèi)核開發(fā)的一款具有64KB的程序存儲器的32位微控制器。其工作時需要2V~3.6V的電壓和-40℃~85℃環(huán)境溫度。表2.1STM32F103C8T6各個部分表示意義1STM32STM32表示ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器2FF代表芯片子系列3103103代表增強型系列4CR這一項代表引腳數(shù)，其中T代表36腳，C代表48腳R代表64腳，V代表100腳，Z代表144腳，I代表176腳58B這一項代表內(nèi)嵌Flash容量，其中6代表32K字節(jié)Flash，8代表64K字節(jié)Flash，C代表256K字節(jié)Flash，D代表384字節(jié)Flash，E代表512K字節(jié)Flash，G代表1M字節(jié)Flash6TT這一項代表封裝，其中H代表BGA封裝，T代表LQFP封裝，U代表VFQFPN封裝766這一項代表工作溫度范圍，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃

2.5系統(tǒng)總體設計本設計是智能煙灰缸系統(tǒng)，用單片機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作與處理，溫濕度傳感器和煙霧傳感器采集煙灰缸內(nèi)部信息；超聲測距傳感器檢測是否有物體靠近，有物體靠近通過舵機打開煙灰缸蓋子，通過步進電機來刮蹭煙灰；上位機端實時檢測溫濕度、煙霧濃度以及蓋子、風扇、加濕器的狀態(tài)?？傮w原理圖如下所示：圖2.2總體原理圖第3章系統(tǒng)的硬件部分3.1煙霧檢測模塊設計圖3.1煙霧檢測模塊原理圖與實物這個模塊使用了MQ-7煙霧傳感器，它的工作原理是通過與其相連的負載電阻RL產(chǎn)生有效的電壓信號VRL來測量氣體的濃度。這個模塊的主要功能是測量氣體中煙霧的濃度。兩個量的比值是：Rs/RL=（Vc-VRL）/VRL。MQ-7型的煙霧傳感器是一種采用了二氧化錫氣敏材料的氣體敏感元件，它的特點是在溫度達到200-300℃的時候，二氧化錫會從房間里的氧氣中吸取氧氣，產(chǎn)生負離子，從而減少了半導體里的電子濃度。這就使得電感器的電阻率變得更高。煙塵進入晶粒間界面后，會引起表面電導率的變化，進而影響電路的性能。因此，可以利用這一點來獲取煙霧存在的信息，當煙氣的濃度增加時，表層導電率也會提高，進而導致電路的阻力降低，進而產(chǎn)生更多的模擬信息。特點：1、具有信號輸出指示。2、雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）3、TTL輸出的有效信號為低電平。（當輸出低電平時信號燈亮，可以直接接單片機）4、模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。5、對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性。6、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性3.2溫濕度檢測模塊設計在該設計方案中，我們使用了DHT11型溫濕傳感器。該傳感器所占空間很小，測量精確度為0.2，使用單總線進行數(shù)據(jù)傳送。該傳感器具有很好的抗干擾性能，通常被應用在高爐測溫，機房檢測，家庭溫度控制等，適用于許多空間相對狹小的場所和數(shù)字溫度檢測等。這種溫度感應器轉換時間只需75納秒，比傳統(tǒng)DS1820速度要快很多。檢測的結果以數(shù)字量方式串行傳送。溫濕度傳感器模塊電路圖如圖3.2所示:圖3.2溫濕度檢測模塊原理圖DHT11數(shù)據(jù)溫濕度傳感器使采用了高級的數(shù)字模組技術，能夠實時采集、傳輸溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并進行校正，具有很高的精度。和長時間安全性，可以滿足各種環(huán)境需求。這款感應器由一組電阻式感濕器件和一組NTC測溫元件構成，它們與一組先進的8位數(shù)字單片機相連接，使得它能夠提供出色的測量性能，擁有出色的反饋速度，高度的耐受性，以及出色的性能與性能的完美結合。每個DHT11感應器都經(jīng)過嚴格的校準，其校準結果被存儲在OTP內(nèi)存中，這些校準結果可用于處理檢測信號，從而提高測量準確性和可信度。使用單線制串行端口，使網(wǎng)絡實現(xiàn)變得更為簡便快速，其容積小巧、消耗低廉，數(shù)據(jù)傳送長度可到達20米之上，使其變成各種應用，尤其是極端環(huán)境下的理想之選。這款產(chǎn)品采用4針單排引腳封裝，連接簡單，并且能夠滿足不同封裝要求。應用信息：超過所推薦的工作范圍，會引起暫態(tài)信號，最多可達到3%相對濕度。當傳感器回到正常的工作條形時，它就會慢慢的回到標定的位置。在異常工況下長期工作，可加快制品的老化進程。電阻式濕度檢測傳感器的探測層深受化學蒸氣的影響，這或許會造成測量結果的偏差和敏感度的降低。然而，在一種完全無污染的自然環(huán)境中，污染物質會被有效地抑制，從而使測量結果更加準確可靠。高濃度的化學污染會導致傳感器感應層的徹底損壞。下文所述的恢復處理將加速實現(xiàn)這一過程。當一個傳感器處于極端工作環(huán)境或在化學蒸氣環(huán)境中時，可以按照以下操作步驟，將它還原為標定時的情況。在50-60攝氏度，相對濕度為10%（干燥）的情況下（干燥）保存2小時。然后在20-30攝氏度，相對濕度70%的環(huán)境中保存超過5個小時。氣體中的相對濕度，與溫度有極大的關系。所以，在進行濕度測定時，應該盡量使?jié)穸葌鞲衅鞅３衷谙嗤墓ぷ鳒囟取Ｈ襞c散熱的電子器件共用一塊印刷電路板，則DHT11要盡量與電子器件距離較遠，且要放在熱源下面，并要保證機箱的空氣流通。為了減少導熱，DHT11和印刷電路板其他部位的鍍銅應該盡量減少，并且在它們中間留下一個狹縫。3.3藍牙模塊設計方案一：Zigbee是一種廣泛應用于各個領域的無線網(wǎng)絡，它能夠支持2.4GHz、868MHz、915MHz等多種頻段，并且具有極高的傳輸速度，最高可達每秒250kbit/s。然而，在某些情況下，在特定頻段上可以更高的速度傳輸。傳輸距離已經(jīng)達到了10-75m，而且還有望進一步提升。(1)低功耗:由于ZigBee技術具有極高的性能，特別是在節(jié)能方面。它的傳輸速度很快，只需要1mW的發(fā)射能量，并且具有休眠模式，所以能夠節(jié)約大量電力。根據(jù)測試，只需兩節(jié)5號電池。（2）zigbee具有極低的傳輸速率，其中包括傳輸?shù)?0毫秒、傳輸?shù)?5毫秒以及傳輸?shù)?5毫秒以內(nèi)，這使得它特別適合那些需要極高傳輸速率的工業(yè)控制場合，如工業(yè)自動化系統(tǒng)。(3)一個Zigbee星形架構的系統(tǒng)具有極高的容錯能力，它能夠承載254個從端與一個主端，一個地理范圍內(nèi)也能夠同時擁有100個ZigBee網(wǎng)絡，這使得它具有極強的靈活性(4)安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。方案二:使用WiFi模組來進行通訊。Wi-Fi模組也叫串口Wi-Fi模組，這是物聯(lián)網(wǎng)中的一種傳輸層，其功能是將串行接口或

TTL電平轉化為符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡通信標準的嵌入式模塊。在傳統(tǒng)的硬件設備中，嵌入Wi-Fi模塊，使其可以利用Wi-Fi直接與互聯(lián)網(wǎng)相連，在無線智能家居、M2M等物聯(lián)網(wǎng)應用中，它是一個重要的組成部分，是一種十分重要的智能硬件。Wifi模塊包含兩類拓撲：基礎網(wǎng)（Infra）和自組織網(wǎng)（Adhoc）。1.Infra又稱為基礎網(wǎng)，是一種以AP為核心的、以STA為支撐的復雜的、高效的、可靠的、可擴展的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，它的核心在于AP，它可以將網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸和控制，從而實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換和控制。2.Adhoc：又被稱作“自組網(wǎng)”，它的特點是只包含兩個或更多的STA，而沒有AP，因此它具備一種極其靈活的架構，使得每個STA之間能夠進行實時的交互。3.該模塊具有強大的安全性，可以提供多種不同的無線網(wǎng)絡加密技術，以確保用戶的信息在不同的環(huán)境中得到有效的防護，其中包括：WEP64/WEP128/TKIP/CCMP（AES）、WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK等。4.這個模塊可以幫助用戶快速聯(lián)網(wǎng)，只需要指定一個信道號即可。它可以自動掃描當前的所有信道，以便找到目標AP，并將它們連接到一個網(wǎng)絡上。這樣，用戶就可以快速地實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)。通過本模塊，用戶可以根據(jù)已知的目標網(wǎng)絡信道，自由調整工作信道參數(shù)，從而大大提升聯(lián)網(wǎng)效率，實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接。方案三：采用藍牙通訊模塊HC05其傳送效率高，可以和各種藍牙技術相結合的通信，其中包含了藍牙技術的計算機，藍牙主機，移動電話；與

PDA,

PSP等多個終端相匹配，可以進行串口傳輸。在驅動HC05模塊的時候，只要使用TTL電平標準的串口（5

V/3.3

V電壓均可）就可以了，它所支持的波特率范圍為4800~1382400，十分適用于在單片機系統(tǒng)中擴展藍牙特性。綜上所述本設計選擇藍牙通信作為本實驗的通信方法。圖3.3藍牙模塊原理圖3.4超聲波傳感器模塊設計圖3.4超聲波傳感器模塊原理圖方案一:采用紅外感應模塊。紅外感應開關檢測設備廣泛應用于城市公共場所的紅外線路燈開關自動報警控制等的應用，但同時也存在著一些缺陷，主要表現(xiàn)在；紅外線探測距離遠。紅外感應開關檢測設備利用了人體的熱輻射原理，采用光電轉換技術，使其在測量物體表面溫度的同時，也可以測量物體內(nèi)部的溫度。這種技術利用了人類的視覺系統(tǒng)來探測物體表面的溫度。適用場所范圍廣。紅外感應開關檢測設備采用人體的熱輻射原理，適用于城市公共場所以及工礦企業(yè)、科研機構、學校等場所，其應用范圍廣泛?？垢蓴_處理能力強。紅外感應開關檢測設備利用光電轉換技術，使其在工作過程中不受電磁、環(huán)境等因素影響。工作性能較穩(wěn)定持久。實際測距時，光線強度可能與距離關系不一定成正比方案二:使用超聲模組。超聲探測的基本理論是：被探測對象發(fā)射出的聲波。然后，我們再通過檢測物體發(fā)出的超聲波，還需要根據(jù)其聲速變化，來計算出該物體與其所在點的距離。通過使用壓電陶瓷材料制造的超聲波探測器，我們可以同時檢測和傳播多種波長的信號。這些信號的頻率通過將電荷分配給陶瓷材料的不同部位來調節(jié)，從而使得探測器的檢測精度達到最佳。通過比較分析可以看出，第一種方案在有日照的戶外不能很好地實現(xiàn)。至于第二個方案，則是沒有室內(nèi)外之分，因此，選擇第二個方案。本文采用HC-SR04超聲波定距系統(tǒng)擁有出色的非接觸式間距感測功能，即可檢測出間距到達3mm的間距，它由超聲波發(fā)射器、接收機和精確的控制電路構成。這款超聲波模塊有著出色的性能，其能夠準確地檢測出特定的物體，而且模塊的準確率極高，能夠有效地減少盲點的出現(xiàn)。基本工作原理：（1）使用IO端TRIG來檢測物體的位置，并提供至少10us的高精度數(shù)據(jù)。（2）該模塊能夠同時產(chǎn)生8組40khz的方波，并能夠快速識別并反饋出任何信息；（3）當一個信號被接收并被IO和ECHO控制后，它將導致一個高電平，而此高電平所維持的時間就是整個傳輸過程所需的長度。我們可以根據(jù)高電平的長度，測量出傳輸?shù)恼鎸嵕嚯x。3.5舵機模塊設計舵機作為一種角度控制驅動器，已經(jīng)被廣泛應用于高端遙控系統(tǒng)玩具，如航模、航空模具和潛艇模具，以及遙控機器人中，以適應變化的角度需求，并保持其安全性。舵機，也被叫做伺服電動機，它的功能比較強大。工作原理：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，得到一個直流偏壓。其內(nèi)部有一個參考電路，其生成一個周期為20

ms，寬度為1.5

ms的參考信號，將所得到的直流偏置電壓與電位計的電壓進行比較，得到一個電壓差。最終將該電壓差值的正向和負向輸入給電機驅動器芯片，以確定馬達的正向和反向。在電動機的速度不變的情況下，利用串聯(lián)的減速器，使電位計轉動，從而使兩個電位的差值等于0，電動機就會停止運轉。舵機的控制：通常，舵機操作所需的時基脈沖大約為20ms，其中高電平部分可以在0.5ms~2.5ms范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的角度調節(jié)。例如，當以180度角度進行伺服時，相應的控制機構如下：0.5ms0度；1.0ms45度；1.5ms90度；2.0ms135度；2.5ms180度；圖3.5舵機模塊原理圖第4章系統(tǒng)的軟件設計4.1軟件主流程圖軟件部分的主要任務時完成對溫濕度傳感器和煙霧傳感器采集的信號進行處理；通過超聲波傳感器和舵機來煙灰缸自動開啟關閉蓋子；步進電機來實現(xiàn)刮蹭煙灰；通過藍牙模塊實現(xiàn)上位機與下位機通信。圖4.1軟件主流程序圖

4.2煙霧檢測模塊的軟件設計如圖4.2為該模塊的設計流程圖。接通電源后，煙霧傳感將會對煙灰缸內(nèi)的煙霧濃度信息進行收集，然后傳輸給單片機，在由單片機進行信息處理。圖4.2煙霧檢測模塊設計流程圖4.3溫濕度檢測模塊的軟件設計如圖4.3，當電源被激活時，溫濕度傳感器就可以采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至單片機，然后經(jīng)過精確的數(shù)據(jù)分析和處理，以實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測。圖4.3溫濕度檢測模塊設計流程圖在總線閑置狀態(tài)是高電平的時候，服務器會降下總線，等待DHT11的應答。服務器必須使總線下降到18毫秒以上，來使DHT11檢測到開始信號。從伺服器收到訊號之后，等待開始訊號完成，推送低電平回應訊號。等待20.40us，收到服務器的開始信號，加載DHT11的應答信號。當啟動信號傳出之后，會出現(xiàn)一個功率大的均值，總線被上拉電阻下拉。圖4.4DHT11時序圖4.4舵機模塊的軟件設計在設計中，為了更好地控制舵機的角度，我們需要使用delaymemory指令，它的延遲時間由8位的數(shù)據(jù)存儲單元的1個指令周期組成，其中memory的數(shù)據(jù)為0-255位的數(shù)據(jù)可以滿足舵機角度級數(shù)的要求，而且，由于舵機的角度級數(shù)一般為1024級，因此，我們可以使用兩個內(nèi)存單元來存儲舵機的角度伺服參數(shù)，從而更好地控制舵機的性能。通過采用這種軟件架構，我們可以實現(xiàn)更高效的工作效率。圖4.5舵機軟件結構4.5藍牙模塊的軟件設計如圖4.6為該模塊的設計流程圖。接通電源后，通過該模塊實現(xiàn)上位機與下位機通信。HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊(以下簡稱模塊)。有兩種運行方式：指令應答運行方式和自動連接運行方式，其中該模塊可以分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）運行方式。在模塊在自動連接工作模式中的時候，它會按照預先設置好的方法來進行數(shù)據(jù)的傳送：在模塊在命令響應工作模式中的時候，它可以完成下面描述的全部

AT命令，使用者可以給模塊發(fā)出不同的

AT指令，為模塊設置一個控制參數(shù)或者發(fā)出一個控制命令。藉由模組外部引腳（PIO11）輸入電平來進行模組操作之動態(tài)切換。圖4.6藍牙模塊軟件設計

第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖本系統(tǒng)以STM32單片機為主要控制單元。該系統(tǒng)包括一系列的傳感器，例如溫度，濕度傳感器，煙霧傳感器和超聲波傳感器。其它還包括藍牙模組、步進電機、加濕器和風扇繼電器。在此基礎上，實現(xiàn)了一套完整的煙灰缸智能控制系統(tǒng)。通過實驗對該系統(tǒng)的軟硬件設計方案進行了驗證。在實際生產(chǎn)過程中，要求將電路中的所有元件都準備好，因為是人工焊接，所選用的元件都是直插的，便于焊接生產(chǎn)。焊接制作要隨時進行測試，連接的線路不能有短路，這一點很重要，如圖5.1所示，為整體焊接好的實物圖。圖5.1系統(tǒng)完整實物圖在焊接的第一步中，必須確認單片機的最低端電路已經(jīng)被正確地連接，并且檢查所有的連接點是否存在短路的問題。這樣，我們才能夠在檢查完整部分的基礎上，檢查和評估整體的性能。以使用

Keil對軟件代碼設計進行調試，調試代碼的邏輯性、語法等，找到與邏輯、語法等相關的問題，優(yōu)化代碼設計，解決問題。Keil的能力很強，可以看到每個步驟中，所有的代碼都運行了一遍，查看每個字后面的代碼，是否合理，是否正確。5.2測試原理圖5.2藍牙模塊如圖5.2為藍牙模塊，通過藍牙模塊來實現(xiàn)下位機與上位機通信。圖5.3溫濕度模塊如圖5.3為溫濕度模塊，采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，當溫度上升時，達到一定值，煙灰缸內(nèi)部的加濕器開始工作。濕度達到一定值后，加濕器會停止工作圖5.4風扇繼電器和加濕器繼電器如圖5.4為繼電器模塊，模擬煙灰缸內(nèi)的風扇和加濕裝置，當煙灰缸內(nèi)部溫度過高，達到一定值時，加濕裝置開啟。確保煙霧與煙灰進入煙灰缸的潮濕狀態(tài)。方便煙灰缸對空氣的凈化以及步進電機對煙霧的剮蹭。當煙霧濃度過高，達到一定值時，風扇開啟。通過風扇的轉動，將煙霧吸進煙灰缸的內(nèi)部，完成對空氣的凈化。圖5.5煙霧傳感器模塊如圖5.5為煙霧檢測模塊，用來采集煙灰缸內(nèi)部的煙霧濃度，當煙霧濃度過高時，風扇開啟。圖5.6超聲波與舵機測距模塊如圖5.6通過超聲波傳感器來檢測是否有人需要使用煙灰缸，通過舵機來實現(xiàn)煙灰缸的開蓋關蓋的功能。當超聲波測距模塊前方有障礙物時，舵機轉動則煙灰缸的蓋子會自動打開圖5.7步進電機模塊如圖5.7為步進電機模塊，當進行開蓋的操作時，步進電機開始工作，起到一個剮蹭煙灰的作用。圖5.8手機APP如圖5.8為上位機端手機APP，通過藍牙與下位機進行通信。上位機實時顯示當前系統(tǒng)時間、溫濕度、煙霧濃度以及蓋子、加濕裝置、風扇是否開啟，0表示“關閉”，1表示“開啟”；可通過上位機手動打開和關閉蓋子；當通過上位機開啟蓋子時，步進電機不會運行，且此時下位機無法通過超聲波傳感器和舵機來實現(xiàn)開蓋關蓋的功能。方便了對煙灰缸內(nèi)部的清理。

第6章總結與展望6.1總結當今，STM32芯片的應用已經(jīng)成為無線通信技術發(fā)展的重要驅動因素，其發(fā)展的重要性已經(jīng)深刻地改變了人類的日常生活。在STM32單片機的基礎上，開發(fā)出一種以凈化空氣為目的的智能煙灰缸，它根據(jù)煙灰缸前方有無障礙物來控制煙灰缸蓋子的開啟與關閉。它可以根據(jù)溫度的變化來調節(jié)風機的開關，根據(jù)煙氣的濃度來調節(jié)加濕器的運轉和關機。最后，對整個系統(tǒng)進行了實物驗證。通過與設計的功能進行比對，符合設計要求。但在實際使用中仍存在不足之處，比如對于溫度的閾值確定存在一些問題。環(huán)境溫度對該設計的影響較大。需要減少外界環(huán)境對該設計的影響，以便適應不同的工作環(huán)境。6.2展望設計以智能煙灰缸系統(tǒng)為研究對象，在具體分析人們對各種生活中常用的道具要求逐漸提高的現(xiàn)象，明確提出了一種智能煙灰缸設計。全部設計的首要工作中如下所示。(1)根據(jù)查看相關資料，確定了人們對煙灰缸的更高要求，并在這個基礎上明確提出了自動開蓋關蓋和監(jiān)測煙灰缸內(nèi)部溫濕度及煙霧的濃度。以凈化空氣為首要目的的智能煙灰缸系統(tǒng)；(2)對于上一部分提到的問題，明確提出了運用單片機和傳感器實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，運用單片機設計操縱所有體系的設計計劃方案。(3)硬件配置電源電路以STM32為主板芯片。雖然實物顯示，整個設計完全可以滿足智能煙灰缸系統(tǒng)的要求，但是，整個系統(tǒng)軟件還是有一些問題和需要改進的地方，這些都需要在以后的討論中完善。(1)設計的操作系統(tǒng)包括溫濕度檢測模塊。在具體運用中，采用DHT11溫濕度傳感器來檢測煙灰缸內(nèi)部的溫濕度情況。對于DHT11傳感器的耐熱程度問題，需要進一步的對其增加保護(2)在該設計中沒有操縱誤差實行的優(yōu)化算法。在具體運用中，應加入優(yōu)化算法操縱，如模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡控制算法等。根據(jù)引入該優(yōu)化算法，可以進一步提高實行高效率。

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附錄電路圖程序#include"sys.h"#include"delay.h"#include"oled.h"#include"tim.h"#include"port.h"#include"app.h"#include"hcsr04.h"#include"usart3.h" #include"usart.h"#include"timer.h"#include"adc.h"#include"dht11.h"intmain(void){ delay_init(); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); system_Time_Init(9,7199); sys_gpio_init();adc_init();DHT11_Init(); OLED_Init(); OLED_Clear();OLED_ShowString(0,0,"nihao",1