《基于STM32的智能家居系統(tǒng)設(shè)計》11000字（論文）

基于STM32的智能家居系統(tǒng)設(shè)計 2- 1.1本課題的研究背景與意義 1.2本課題的國內(nèi)外研究和發(fā)展現(xiàn)狀 1.3本文主要的研究內(nèi)容 2.1系統(tǒng)功能和技術(shù)指標 2.2系統(tǒng)的設(shè)計原則 2.3系統(tǒng)的總體架構(gòu) 3.1主控模塊 3.2信息采集模塊 3.3顯示模塊 3.4按鍵輸入模塊 3.5無線傳輸模塊 3.6報警模塊 4.1軟件設(shè)計概述 4.2開發(fā)環(huán)境介紹 4.3主程序設(shè)計 4.4信息采集程序設(shè)計 4.5液晶顯示程序設(shè)計 23-5.1硬件搭建測試……………23-5.2系統(tǒng)調(diào)試…………………23-5.3調(diào)試結(jié)果…………………24- 25- 26- 27- 隨著信息時代的到來及高速發(fā)展，電子產(chǎn)品在日常生活中的應(yīng)用給人們帶來的便利與快捷是有目共睹的。為人類開發(fā)更加舒適便捷、安全高效的產(chǎn)品成為信息社會發(fā)展的強有力動力。在公共場所和工作環(huán)境的不斷改善下，家庭居住環(huán)境也慢慢加入了生活品質(zhì)的名單。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過環(huán)境監(jiān)測能夠得到及時的環(huán)境數(shù)據(jù)，是環(huán)境評測和環(huán)境治理的重要依據(jù)和信息來源。本系統(tǒng)運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過溫濕度傳感器、光敏傳感器、CO氣體傳感器和PM2.5濃度傳感器采集室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。同時傳到單片機，并在OLED屏顯示數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用WIFI模塊與手機端的無線遠程通信，使所測環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)可以在手機上同步顯示。本系統(tǒng)能夠完成對溫濕度、室內(nèi)光照強度、CO氣體和PM2.5濃度精準高效的監(jiān)測，且性能穩(wěn)定，性價比高。PM2.5濃度通過傳感器和光敏電阻采用AD轉(zhuǎn)換功能完成數(shù)據(jù)的采集，溫濕度則通過單總線采集數(shù)據(jù)。光照強度太低，系統(tǒng)會自動打開電燈，聲光報警和風扇調(diào)節(jié)也是本系統(tǒng)的兩個重要功能，可以設(shè)置溫濕度上下限限，也會啟動風扇，加速空氣流動以改善環(huán)境。綜上所述，本次設(shè)計有很大的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景，使人們能夠直接方便地觀察到室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，及時做出相應(yīng)調(diào)整，提高生活質(zhì)量。建設(shè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)等特點。現(xiàn)在國內(nèi)外使用的遠距離無線通信技術(shù)從1960年起，世界上的一些發(fā)達國家開始對環(huán)境檢測和空氣質(zhì)量的問題，進行了通等，維持環(huán)境穩(wěn)定2。本文的主要內(nèi)容安排如下：(2)確定系統(tǒng)的主要功能和參數(shù)的技術(shù)指標，然后結(jié)合設(shè)計目的進行系統(tǒng)的框架(3)分析預(yù)選方案并確定元器件的選取，對所選的單片機和相關(guān)傳感器進行詳細(4)對單片機作一定的概述，詳細說明系統(tǒng)的軟件設(shè)計思路，根據(jù)各個模塊的功(5)對系統(tǒng)的主要功能進行調(diào)試，使各傳感器正常工作，最后對所做實物作總體第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計顯示采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。還能夠?qū)崿F(xiàn)與手機端的遠距離無線通訊。當測量到的溫濕度、(1)工作環(huán)境：室內(nèi)；(2)PM2.5測量靈敏度：0.5V/(0.1mg/m3);(3)CO氣體檢測濃度：0~99%;(4)溫度測量指標：±0~50℃,±2%;(5)光照強度測量指標：10~60%,±2%;(6)濕度測量指標：10~90%RH,±5%RH;(7)物聯(lián)網(wǎng)通訊距離：全球；(8)聲光報警：有。(1)可靠性(2)性價比(3)實用性(4)擴展性系統(tǒng)設(shè)計時需要兼顧成本和需求，考慮未來的發(fā)展，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有一定的擴展性和兼容性。本文主要分為兩大部分來說明硬件部分和軟件部分。其中硬件部分包含主控芯片、傳感器模塊，OLED模塊，WIFI模塊以及聲光報警模塊。系統(tǒng)啟動后，單片機控制相關(guān)傳感器進行環(huán)境參數(shù)的采集，將數(shù)據(jù)傳回單片機處理后，通過OLED顯示屏將相關(guān)環(huán)境指數(shù)實時顯示。用戶可以在手機端打開APP與本系統(tǒng)進行通信，更加便捷地查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的總體框圖如圖2-1所示：風第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計序存儲器容量是64KB,需要電壓2V~3.6V,工作溫度為-40°C~85°C。采用LQFP48封裝，由意法半導(dǎo)體公司(ST)推出，2個12bitADC合計12路通道(外部通道只有并不是18通道),37個通用I/0口(PAO-PA15、PBO-PB15、PC13-PC15、PDO-PD1),4個16bit定時器(TIM1、TIM2、TIM3、個SPI,3個USART,1個CAN,系統(tǒng)時鐘最高可到7圖3-1STM32F103C8T6單片機原理圖如圖3-1所示是STM32F103C8T6的原理圖。下面對單片機的相關(guān)引腳進行說明。(5)并行I/0口引腳。并行I/0口有三組16位，共十九個引腳。這些I/0都能作(1)溫濕度傳感器的選型實際應(yīng)用中使用四針單排引腳的封裝方式，可以簡化系統(tǒng)連接，若需要其他形式的封引腳。其中1Pin連接+5V。2Pin是數(shù)據(jù)發(fā)送接(1)一氧化碳傳感器的選型(2)一氧化碳傳感器的概述多種混合有一氧化碳的雜散氣體，是一款能夠出色完成各種檢測任務(wù)的低成本傳感器。(3)一氧化碳傳感器的接口說明MQ-7一氧化碳傳感器內(nèi)部原理圖如圖3-3所示。該傳感器包含有四個引腳，其中244321圖3-3MQ-7一氧化碳氣體傳感器內(nèi)部原理圖(4)一氧化碳傳感器的工作原理電阻R3起到對LED燈的限流作用。濾波電容C1輔助電路穩(wěn)定運行。在采集信號的過程(1)灰塵傳感器的選型(2)灰塵傳感器的概述GP2Y1014AUOF光學(xué)灰塵傳感器是一款更加高級的光學(xué)質(zhì)量傳感器。該傳感器可以測量極小的顆粒物，例如煙霧、花粉等。該傳感器之所以能被大量適配于空氣凈化系統(tǒng)，主要是因為它價格低、壽命長、使用效率高、后期維護簡單。(3)灰塵傳感器的引腳說明GP2Y1014AUOF光學(xué)灰塵傳感器的原理圖如圖3-4所示。該傳感器共有6個引腳，1號引腳經(jīng)過150Q限流電阻連接到+5V,6號引腳直接接到+5V,2號和4號引腳接地，3號引腳連接發(fā)光二極管，5號引腳連接A/D采集通道。64(4)灰塵傳感器的工作原理含有紅外LED和光電晶體管。且它們按照對角式裝配。工作時定向發(fā)光，通過檢測空氣顆粒物所折射的光線，來分析計算顆粒物的濃度。由于GP2Y1014AUOF灰塵傳感器只能檢測模擬信號，因此必須通過A/D采集才能被處理器識別。通過STM32的ADC通道與GP2Y1014AUOF灰塵傳感器進行信號轉(zhuǎn)換和交互，將采集的PM2.5濃度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，且精確至0.5V/0.1mg/m3。此外，在灰塵傳感器電路模塊的設(shè)計中，應(yīng)接一個限流電阻和電容保護電路。(1)光敏傳感器的選型(2)光敏電阻傳感器的概述十分敏感，無光照時呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達1.5MQ,基于內(nèi)光電效應(yīng)，阻值隨光照強度的增強而減小，亮電阻值可小至1KQ以下。(3)光敏電阻傳感器引腳說明光敏電阻傳感器的原理圖如圖3-6所示。該傳感器共有4個引腳，1號引腳連接到+5V,2號引腳接地，5號引腳連接A/D采集通道。(2)OLED液晶屏的接口說明引腳名稱電平功能1電源正端2電源地3IIC時鐘線4IIC數(shù)據(jù)線3.4按鍵輸入模塊由于本系統(tǒng)的交互較少，因此可采用方便快捷的獨立按鍵進行硬件設(shè)計。本系統(tǒng)按鍵輸入接口設(shè)計使用兩個實體按鍵。按鍵輸入部分的電路設(shè)計如圖3-7所示。其中一腳直接接地線，另一腳與程序設(shè)定的某些I/0口相連。其中K1設(shè)置鍵，按下可以進入報警范圍的設(shè)置。K2為調(diào)節(jié)數(shù)值鍵，支持連續(xù)按。3.5無線傳輸模塊(1)ESP8266WIFI模塊的概述序信號等。這款芯片采用3.3V的直流電源供電，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現(xiàn)表3-2ESP8266引腳說明表引引腳名稱引腳功能說明1電源(3.3V)2復(fù)位34串行數(shù)據(jù)輸出5串行數(shù)據(jù)輸入678地線如下圖3-7所示是ESP8266WIFI模塊的工作過程。單片機會向WIFI模塊發(fā)送串口據(jù)傳輸。阿里云D圖3-9ESP8266模塊工作過程圖燈會點亮，當濃度超過設(shè)置的上限時，蜂鳴器報警。聲光報警原理圖如下圖3-9所示。圖3-6聲光報警原理圖平面圖及3D效果圖分別如圖3-11、3-12、3-13所示。古去七京±EE密圖3-11硬件電路原理圖圖3-12硬件電路PCB平面圖第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計在本文的前三章中，不僅介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，還完成了傳感器的選型。同時根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計原則和硬件結(jié)構(gòu)完成了硬件系統(tǒng)。接下來將會對系統(tǒng)的軟件部分進行設(shè)計分析。軟件設(shè)計的好壞決定了系統(tǒng)能否正常運行。因此在軟件設(shè)計時需要考慮周全。以可靠性和快速性為目標，對系統(tǒng)軟件做出了如下要求：(1)程序結(jié)構(gòu)要合理緊湊，采用模塊化編程，且簡單易懂、易調(diào)試。(2)要保證系統(tǒng)的運行速度。(3)程序所占空間要盡可能的小。本系統(tǒng)的軟件編程是在KeiluVision5軟件中完成的(以下簡稱Kei15)。它是一個基于Windows系統(tǒng)的穩(wěn)定高性能開發(fā)平臺，涵蓋有多種實用工具。Keil5不僅支持C語言，而且可以與STM32良好地兼容。Kei15的代碼生成效率很高，在編寫程序方面有著極強的開發(fā)能力。Keil5的使用界面如圖4-1所示。intmain(void)tnEQ\*jc3\*hps15\o\al(\s\up3(O),:)delay_ms(1000);在初始化結(jié)束后，程序進入while(1)的死循環(huán)，在循環(huán)中進行按鍵的掃描，通過進行MCU與阿里云的通信，在手機上也可以直接查看到實時采集的信息。至此掃描周系統(tǒng)主程序的流程如圖4-2所示。杏中是一圖4-2主程序流程圖是一圖4-3溫濕度監(jiān)控子程序流程圖的同時，也傳輸回STM32。STM32將反饋的數(shù)據(jù)與開始設(shè)定的閾值息。空氣質(zhì)量監(jiān)控子程序的流程如圖4-4所示。報警圖4-4空氣質(zhì)量監(jiān)控子程序流程圖液晶顯示程序的流程如圖4-5所示。開始開始到斷按鍵是否按香是一圖4-5液晶顯示程序流程圖第5章系統(tǒng)性能測試(2)按鍵輸入電路測試：檢查各個按鍵是否能正常使用。(4)傳感器電路測試：檢查各個傳感器能否正常工作，能否正常采集正確的數(shù)據(jù)。圖5-1所示。在調(diào)試過程中，傳感器能夠完成環(huán)境數(shù)據(jù)采集的任務(wù)，誤差也都在設(shè)計指圖5-1實物模型圖本系統(tǒng)可以與手機端進行網(wǎng)絡(luò)通信，可以把處理過的數(shù)據(jù)至手機上的APP,用戶即可利用智能手機了解到最新的環(huán)境參數(shù)。首頁如下圖5-2所示。家居環(huán)境X家居環(huán)境環(huán)境屬性實時數(shù)據(jù)室內(nèi)溫度29空氣濕度50PM2.5濃度55圖5-2手機APP使用界面濃度進行實時監(jiān)控并顯示結(jié)果。其中溫度測量范圍為±0~50℃(存在±2%的誤差),光照強度測量范圍0~99%,濕度測量范圍為10~90%RH(存在±5%RH的誤差),PM2.5濃度監(jiān)測靈敏度為0.5V/(0.1mg/m3)。CO濃度監(jiān)控范圍為0~99%。在檢測PM2.5和總結(jié)與展望再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C處理后，通過OLED顯示屏將相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示，同時能實現(xiàn)WIFI模塊與手機端的快速通信，可以使用戶更加便捷地查看監(jiān)測數(shù)據(jù)。軟件設(shè)計部的精確度；如何更快更穩(wěn)定地進行遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸；如何進一步完善手機端界面的數(shù)據(jù)顯示和交互等，這些都是值得繼續(xù)深入研究的問題。在今后的學(xué)習工作中，需要建立針對性的分析方式，豐富系統(tǒng)功能，更直觀、更人性化的將監(jiān)測結(jié)果展示給用戶，提高用戶使用效率。[12]吳塾.基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息與電腦(理論版),2019(04):129-130.[13]LionelNkenyereye,Jong-WookJang.DesignofEnvush-basedsynchronizationandXMPPPubSubarchitecture[J].INTERNATIONALCONFERENCEONFUTUREINFORMATION&COMMUNICATIONENGINEERING,2017,9(1).[14]HaoWang,SiyuChen.WireleProcediaEngineering,2017,174.[15]BartoszBalis,MarianBubak,DanielHarezlak,PiotrNowakowski,Maciejowardsanop