ESP32的智能紅外感應(yīng)天氣鬧鐘

基于ESP32的智能紅外感應(yīng)天氣鬧鐘第1章緒論研究背景2010年6月8日凌晨1點(diǎn)，史蒂夫?喬布斯在蘋(píng)果全球開(kāi)發(fā)者大會(huì)（WWDC2010）（WorldwideDevelopersConference2010）上發(fā)布了蘋(píng)果第四代手機(jī)iPhone4，它的橫空出世從產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及應(yīng)用體驗(yàn)層面重新定義了智能手機(jī)，觸屏手機(jī)也正是從此才逐漸成為主流，但是智能手機(jī)發(fā)展至今，越來(lái)越多的人意識(shí)到手機(jī)在讓人們的生活變得豐富多彩的同時(shí)也加劇了信息爆炸的焦慮，長(zhǎng)時(shí)間地使用手機(jī)會(huì)使使用者的注意力變得更加容易被分散，也更加不容易保持專(zhuān)注，最后人們的注意力會(huì)變得比以前更弱。這是因?yàn)槿说闹X(jué)容量和感覺(jué)系統(tǒng)的能力都是有限的，然而在當(dāng)今快節(jié)奏的生活學(xué)習(xí)中，隨時(shí)隨地知曉時(shí)間又是剛需，但是在很多場(chǎng)景下手機(jī)不能隨時(shí)拿出；單純的機(jī)械表、電子表雖然能滿足人們大部分的需求，但它們校準(zhǔn)時(shí)間時(shí)還需要手動(dòng)調(diào)整，這又與本設(shè)計(jì)節(jié)省時(shí)間、提高效率的初衷相悖。所以需要一個(gè)足夠隱蔽的智能計(jì)時(shí)工具，為了讓它不分散任何的注意力，為了在它時(shí)間錯(cuò)亂不用掏出手機(jī)校準(zhǔn)，為了不讓手機(jī)屏幕彈出各種消息通知，所以設(shè)計(jì)出這樣一個(gè)成本低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、智能且功能足夠的計(jì)時(shí)工具，而且，通過(guò)對(duì)周?chē)瑢W(xué)的提問(wèn)調(diào)研，筆者發(fā)現(xiàn)很多人都遭受著注意力易分散的困擾，因此才將智能鬧鐘作為畢業(yè)設(shè)計(jì)題目。1.2研究目的這個(gè)智能鬧鐘的設(shè)計(jì)主要是以普通電子表和智能手環(huán)為基礎(chǔ)，提出了以ESP32開(kāi)發(fā)板為核心器件來(lái)進(jìn)行自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)、紅外感應(yīng)的思想。該智能鬧鐘的核心部件是Goouuu-ESP32模塊開(kāi)發(fā)板；檢測(cè)的元件是人體熱釋電紅外感應(yīng)器，采用熱感元件檢測(cè)周?chē)h(huán)境是否有人靠近，如果有人靠近，則將鬧鐘重新喚醒并定時(shí)工作三分鐘。聯(lián)網(wǎng)元件的WIFI模塊和藍(lán)牙模塊是開(kāi)發(fā)板自帶模塊，通過(guò)Python/語(yǔ)言編寫(xiě)程序使該鬧鐘能夠在相關(guān)網(wǎng)站自動(dòng)爬取時(shí)間、日期、天氣和空氣質(zhì)量等信息，并且將這些信息顯示在OLED顯示屏上；通過(guò)運(yùn)用該聯(lián)網(wǎng)模塊還能使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，它有非常多的擴(kuò)展功能，如可視化Web和APP編程，讓物聯(lián)網(wǎng)的可玩性變得很強(qiáng)，大大降低了開(kāi)發(fā)者的門(mén)檻。讓該智能鬧鐘達(dá)到自動(dòng)顯示內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)智能控制的目的。采用智能鬧鐘的優(yōu)勢(shì)與其他的計(jì)時(shí)工具相比，智能鬧鐘的優(yōu)勢(shì)有：（1）與手機(jī)相比，體積更小，不會(huì)過(guò)于分散注意力。（2）與普通機(jī)械表和電子表相比，功能更多，不用手動(dòng)調(diào)整時(shí)間。（3）與各類(lèi)智能手表相比，動(dòng)輒三四百元的售價(jià)，成本更低，滿足經(jīng)濟(jì)適用性原則。（4）各部件可以隨意更換，大大拓展的該鬧鐘的使用場(chǎng)景和可玩性，使其適合更多年齡段的使用者?？偠灾訣SP32開(kāi)發(fā)板為核心的智能鬧鐘是以智能化、模塊化、人性化和節(jié)約化為主要原則。達(dá)到解放人們的雙手、集中人們的注意力和發(fā)散人們的創(chuàng)造性思維的目的。而且，基于單片機(jī)的智能電子時(shí)鐘設(shè)計(jì)更為科學(xué)、簡(jiǎn)便，不僅使智能電子時(shí)鐘功能性以及實(shí)用性得以全面增強(qiáng)，還為智能電子時(shí)鐘提供了可靠、安全的保障［5］。智能鬧鐘的發(fā)展歷程早在遠(yuǎn)古時(shí)代的日晷發(fā)展到今天的家用石英鐘，作為計(jì)時(shí)器已經(jīng)歷了數(shù)十個(gè)世紀(jì)，在幾千年的歷史發(fā)展中，人類(lèi)為了讓計(jì)數(shù)器更加準(zhǔn)確。從其設(shè)計(jì)原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)到各種材料的運(yùn)用都做了大量的探索與嘗試，只是在近代時(shí)鐘的準(zhǔn)確度才有了真正的保證同。從真正出現(xiàn)有刻度的鐘表開(kāi)始算起，計(jì)時(shí)系統(tǒng)主要經(jīng)過(guò)了三個(gè)歷程：機(jī)械裝置，電子裝置和智能設(shè)備。（1）機(jī)械裝置計(jì)時(shí)方式在今天高檔機(jī)械表不止是一種精密的計(jì)時(shí)工具，其背后更蘊(yùn)含著品牌的文化，歷史的傳承，隨時(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，消費(fèi)者觀念的轉(zhuǎn)變，消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)的動(dòng)機(jī)，消費(fèi)者的需求也在悄然的改變［7］。近現(xiàn)代的腕表機(jī)芯有著更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，時(shí)間也更為精準(zhǔn)，但時(shí)間仍然不夠精確，只能作為日常使用。傳統(tǒng)的計(jì)時(shí)控制方式相對(duì)來(lái)說(shuō)，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維修，而且價(jià)格比較昂貴。而且它還過(guò)多依賴(lài)人的主動(dòng)校準(zhǔn)，所以現(xiàn)在基本只用作奢侈品和裝飾品。（2）電子裝置計(jì)時(shí)方式現(xiàn)在的電子表有很多種類(lèi)，比如擺輪游絲式、音叉式、指針式石英表和數(shù)字顯示式石英表，每個(gè)種類(lèi)的計(jì)時(shí)原理都不盡相同。現(xiàn)在更為常用的石英表就是紐扣電池提供電能。通過(guò)振蕩電路使石英諧振器產(chǎn)生高頻振蕩。指針式電子表會(huì)有步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)齒輪系帶動(dòng)指針指示時(shí)刻。數(shù)字顯示是電子表是經(jīng)過(guò)各種電路將電信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，由發(fā)光二極管或液晶盤(pán)顯示出來(lái)。這兩種石英表的精度一般是月差不超過(guò)15秒。但大部分都需要手動(dòng)校準(zhǔn)，而且不能顯示其他更多樣化的功能，大部分也不能和手機(jī)APP連接。電子計(jì)時(shí)控制方式雖然解決時(shí)間精度的問(wèn)題。但是由于它自身功能的局限性，使得它的使用場(chǎng)景只限于查看時(shí)間日期同時(shí)還需要手動(dòng)校準(zhǔn)，比如，石英表就不能顯示天氣和空氣質(zhì)量等信息，也不能真正連接網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)。（3）智能設(shè)備計(jì)時(shí)方式這些智能設(shè)備的計(jì)時(shí)原理和電子石英表基本相同，都是在內(nèi)部有一個(gè)叫做“石英晶振”的元件，這個(gè)重要元件發(fā)出的時(shí)鐘頻率不只用于計(jì)時(shí)，還會(huì)經(jīng)由電源IC轉(zhuǎn)換成時(shí)鐘信號(hào)供給如WIFI、觸摸等眾多芯片。它的原理是晶體具有正逆壓電效應(yīng)，石英晶體諧振器的制作正是采用了石英晶體的正逆壓電效應(yīng)原理［8］。但恰恰是這些功能強(qiáng)大的設(shè)備，才最容易分散人們的注意力，在需要集中精神的學(xué)習(xí)創(chuàng)作中不夠?qū)嵾m用。在一眾智能設(shè)備中，手環(huán)是最接近本設(shè)計(jì)目標(biāo)的產(chǎn)品，但是它對(duì)開(kāi)發(fā)者不夠友好，內(nèi)部的絕大部分程序都因?yàn)榧用芏荒茏杂删庉?，市?chǎng)價(jià)格也都比較高。智能手機(jī)的使用現(xiàn)狀手機(jī)沉迷與個(gè)體因素有高相關(guān)，比如性格、學(xué)習(xí)壓力、同伴關(guān)系、人際關(guān)系等。有學(xué)者研究表明，高外向性與高神經(jīng)質(zhì)等人格特質(zhì)可以有效地預(yù)測(cè)手機(jī)成癮，高神經(jīng)的人易手機(jī)沉迷［9］。智能鬧鐘主要是為了在安靜的地方集中精力學(xué)學(xué)，盡量不被外界信息打擾，所以大部分人只需要使用倒計(jì)時(shí)、秒表等基本功能。為了節(jié)省時(shí)間，該鬧鐘需要能夠自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間且簡(jiǎn)單易上手，符合人們對(duì)智能產(chǎn)品的接受程度，使用者空閑時(shí)也能通過(guò)手機(jī)自由編輯鬧鐘設(shè)置。而且，很有必要在保證各功能正常使用的情況下，能夠盡量延長(zhǎng)一次充電的使用時(shí)間。對(duì)于學(xué)生群體而言，其中的大部分人沒(méi)有固定收入，所以智能鬧鐘的性價(jià)比比較高。對(duì)單片機(jī)有興趣的學(xué)生也能在閑暇時(shí)間主動(dòng)探索了解這個(gè)智能鬧鐘的相關(guān)知識(shí)，未來(lái)是人人編程的時(shí)代，學(xué)會(huì)簡(jiǎn)便易用的Python會(huì)更有幫助。同時(shí)這款智能鬧鐘不僅對(duì)學(xué)生群體比較適用，也可能是未來(lái)智能手環(huán)的發(fā)展方向。如果想真正完善智能家居系統(tǒng)，一個(gè)輕松對(duì)接各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和模塊化設(shè)計(jì)的便攜智能設(shè)備也是必不可少的。本設(shè)計(jì)所做的工作本次設(shè)計(jì)是智能計(jì)時(shí)工具的設(shè)計(jì)，工作主要有設(shè)計(jì)產(chǎn)品、硬件選型、搜集資料、程序編寫(xiě)、系統(tǒng)的測(cè)試與功能的實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中搜集的資料主要有Python零基礎(chǔ)教程、各類(lèi)傳感器的工作原理、ESP32開(kāi)發(fā)板的開(kāi)發(fā)知識(shí)和驅(qū)動(dòng)資料。硬件選型主要包括熱釋電傳感器的型號(hào)選擇，32位開(kāi)發(fā)板的選型和一些其他模塊的選擇。選型的原則首先是能夠與開(kāi)發(fā)板進(jìn)行對(duì)接，第二功能完善和技術(shù)成熟，最后要經(jīng)濟(jì)適用。程序的編寫(xiě)主要是基于所實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)進(jìn)行的；軟件所需要的東西有Java環(huán)境、VSCode(VisualStudioCode)軟件、Visio作圖軟件和Esplorer-CN-V0.2編輯器。其中，設(shè)置Java環(huán)境是為了能夠運(yùn)行編輯器來(lái)與開(kāi)發(fā)板串口進(jìn)行通信，這樣就能在開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行MicroPython固件；VSCode軟件是編譯程序的，相較于IDLE窗口更直觀，能實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行可視化；Visio作圖軟件用來(lái)編輯流程圖。系統(tǒng)測(cè)試前，首先搭建好全部硬件平臺(tái)，連接硬件，然后將程序拷貝后將一部分改名為main.py，這樣能讓開(kāi)發(fā)板一啟動(dòng)便運(yùn)行這些程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)并爬取數(shù)據(jù)的功能，剩下的部分直接保存到開(kāi)發(fā)板上，最后進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試，看能否實(shí)現(xiàn)所編寫(xiě)程序中預(yù)設(shè)的功能。第2章智能鬧鐘的方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的組成該控制系統(tǒng)主要由輸入單元、系統(tǒng)單元、輸出單元三部分組成。輸入單元主要是將經(jīng)人體紅外傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)在總線上進(jìn)行傳輸，主要部件有聯(lián)網(wǎng)模塊、紅外傳感器、人機(jī)界面等。系統(tǒng)單元系統(tǒng)單元主要是接受控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行集中處理、指令發(fā)送、通信傳輸進(jìn)行保障等。主要的部件為ESP開(kāi)發(fā)板。輸出單元輸出單元主要是系統(tǒng)單元發(fā)送出指令后，接受指令并做出相應(yīng)動(dòng)作。主要組成部件有OLED顯示屏，I/O口等。設(shè)計(jì)的依據(jù)該計(jì)時(shí)控制系統(tǒng)主要是為了實(shí)現(xiàn)智能鬧鐘的多種功能，所以它的設(shè)計(jì)依據(jù)主要有以下五個(gè)方面：（1）以人為本人是社會(huì)的主體，科技發(fā)展始終是為了人，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該把人的利益作為一切工作的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，以簡(jiǎn)單、安全、經(jīng)濟(jì)適用為原則，不斷滿足人們的多方面需求和促進(jìn)人的全面發(fā)展。（2）針對(duì)性隨著時(shí)代和科技的發(fā)展，智能手機(jī)雖然便捷了人們的生活但也占據(jù)了人們絕大部分的空閑時(shí)間，甚至?xí)绊懭藗儗W(xué)習(xí)工作時(shí)的狀態(tài)，這個(gè)智能鬧鐘就是針對(duì)那些需要集中精力但又容易被影響的人群，如果能將這個(gè)鬧鐘進(jìn)一步發(fā)展，可能會(huì)吸引到更多對(duì)電力電子感興趣的開(kāi)發(fā)者。（3）安全可靠、適應(yīng)性強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該具有安全可靠性并能適應(yīng)一些惡劣環(huán)境，這是為了在系統(tǒng)發(fā)生故障或其他特殊情況時(shí)，不影響鬧鐘基本功能的使用，且能夠迅速修復(fù)；所以如果有條件的話，可以增加一些生活防水的功能。（4）標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化是未來(lái)各類(lèi)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，所以該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該能夠與市面上大部分電子器件直接連接和遵循國(guó)際上的通信協(xié)議。使用在中小企業(yè)最受歡迎的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言Python3.8更是標(biāo)準(zhǔn)化的體現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化還有助于該系統(tǒng)與其他模塊進(jìn)行對(duì)接，增添一些其他的功能。（5）先進(jìn)性、擴(kuò)充性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)具有一定的先進(jìn)性，但也要在已成熟的技術(shù)上追求先進(jìn)性，因?yàn)榉€(wěn)定性才是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。同時(shí)，為了以后功能拓展的需要，該系統(tǒng)還具有更多可升級(jí)的模塊和與其他各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)接的功能：比如OneNet、百度云和阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。設(shè)計(jì)的目的該控制系統(tǒng)主要為智能鬧鐘服務(wù)，設(shè)計(jì)的目的主要有以下幾個(gè)目的：（1）提高使用者的工作學(xué)習(xí)效率鬧鐘具有簡(jiǎn)潔易上手的操作系統(tǒng)，使用起來(lái)更方便，也更容易讓人們保持住專(zhuān)注力，免受各種殺時(shí)間APP的影響，能夠提高學(xué)習(xí)工作的效率，養(yǎng)成更好的習(xí)慣。人們也可以在閑暇時(shí)間通過(guò)手機(jī)對(duì)鬧鐘的功能進(jìn)行調(diào)整以適用于每天更改的計(jì)劃，在日常生活中更實(shí)用。他對(duì)開(kāi)發(fā)者也很友好，簡(jiǎn)單的Python讓開(kāi)發(fā)者能夠使用各種庫(kù)函數(shù)來(lái)對(duì)鬧鐘進(jìn)行模塊化的新功能。（2）節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境該鬧鐘使用的全都是低能耗的元器件，如果后續(xù)安裝電源模塊，能夠更加延長(zhǎng)智能鬧鐘的使用時(shí)間。不僅如此，大部分單片機(jī)都有多種低功耗模式，如果交給經(jīng)驗(yàn)豐富的單片機(jī)開(kāi)發(fā)者，使用極致的低功耗模式后，一次充電甚至能夠使用一到兩年，將會(huì)大大降低鬧鐘的功耗。（3）維修方便、可玩性高該鬧鐘采用的是模塊化的設(shè)計(jì)，如果鬧鐘有部分功能出現(xiàn)損壞，只需要更換其功能相對(duì)應(yīng)的模塊即可，不需要重新布線排疑，而且后期也能用開(kāi)發(fā)板來(lái)編輯添加新功能，給維修人員和開(kāi)發(fā)者提供了極大的便利；對(duì)于學(xué)生群體來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)制造該鬧鐘時(shí)能幫助學(xué)生復(fù)習(xí)單片機(jī)、電力電子、C語(yǔ)言等課程，也能學(xué)習(xí)搭建Java環(huán)境、Python語(yǔ)言、物聯(lián)網(wǎng)等新知識(shí)。方案總設(shè)計(jì)該控制器以人體是否存在作為ESP32控制器的輸入?yún)?shù)，當(dāng)檢測(cè)到有信號(hào)輸入時(shí)，控制器就會(huì)工作，運(yùn)行相應(yīng)的程序并在OLED屏上顯示時(shí)間、日期和天氣等信息。同時(shí)該控制器還以矩陣鍵盤(pán)作為人機(jī)界面，按鍵不僅可以切換鬧鐘的各個(gè)功能，也能在切換到想使用的功能后控制開(kāi)始、暫停和設(shè)置參數(shù)。在平時(shí)的使用中，該鬧鐘有兩種打開(kāi)方式，第一種是人體紅外感應(yīng)自動(dòng)控制，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有人體靠近時(shí)，控制器就能將信號(hào)傳輸?shù)介_(kāi)發(fā)板，讓鬧鐘開(kāi)始工作，并且三分鐘后還能自動(dòng)關(guān)閉，這種設(shè)計(jì)能夠大幅度節(jié)約電量以延長(zhǎng)鬧鐘的使用時(shí)間。第二種是直接用按鍵控制開(kāi)關(guān)，這樣可以在紅外模塊出問(wèn)題的時(shí)候也能正常使用。同時(shí)具有兩種打開(kāi)方式，也能讓鬧鐘適應(yīng)更多學(xué)習(xí)工作的場(chǎng)景，本設(shè)計(jì)還能通過(guò)矩陣鍵盤(pán)上的按鍵來(lái)切換鬧鐘的其他功能，比如利用開(kāi)發(fā)板自帶的定時(shí)器功能制造秒表和計(jì)時(shí)器，可用在計(jì)算做題速度、業(yè)余的鍛煉計(jì)時(shí)、番茄鐘學(xué)習(xí)法和午睡計(jì)時(shí)中。當(dāng)有學(xué)習(xí)或特殊需要的時(shí)候，可以連接個(gè)人PC來(lái)修改程序運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，比如鬧鐘自動(dòng)打開(kāi)到息屏的時(shí)間，它也能與手機(jī)APP相連來(lái)控制某些模塊的使用，比如后續(xù)能增加更換鬧鈴音樂(lè)的功能?？偠灾?，無(wú)論是在何種場(chǎng)景下，智能鬧鐘都能提供足夠而不多余的功能。不會(huì)像其他智能設(shè)備一樣消息過(guò)于繁雜分散精力，更易上手使用，成本也更加低廉，也能重復(fù)循環(huán)使用，大大節(jié)約了資源。

第3章硬件設(shè)計(jì)主體系統(tǒng)的硬件構(gòu)成在設(shè)計(jì)該鬧鐘的過(guò)程中，最初各種功能的設(shè)想也確定了系統(tǒng)各模塊的名稱(chēng)。其中，核心當(dāng)然是ESP32開(kāi)發(fā)板主控模塊，其它模塊主要包括：聯(lián)網(wǎng)模塊、人機(jī)界面模塊、紅外模塊、液晶顯示模塊和報(bào)警模塊。其模塊框圖如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)主要模塊圖核心開(kāi)發(fā)板選擇因?yàn)閷?dǎo)師要求選用32位以上的單片機(jī)，所以本設(shè)計(jì)在STM32、ARM7、9、10、PIC32、RaspberryPi、ESP32中進(jìn)行選擇，經(jīng)過(guò)一番對(duì)比，最終選擇了ESP32開(kāi)發(fā)板，不僅因?yàn)樗男詢r(jià)比非常高，自帶免費(fèi)的藍(lán)牙和WIFI模塊，非常適合物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域，而且更重要的是它能夠刷入MicroPython固件，如此一來(lái)，編寫(xiě)程序時(shí)時(shí)就能使用效率更高更簡(jiǎn)便的Python語(yǔ)言進(jìn)行編程，大大降低了上手難度，原理圖如圖3-2所示：

O.luF10271CUF||>GNDUIGND1加皤強(qiáng)眼2526271412QoC0000口C『□No圖3-2ESP32開(kāi)發(fā)板原理圖rO.luF10271CUF||>GNDUIGND1加皤強(qiáng)眼2526271412QoC0000口C『□No圖3-2ESP32開(kāi)發(fā)板原理圖r?除IO22犯-1XURXD331021曉eSTr'1019301015I291052810V二仁^DIG26104“NDGN03?Q22TXDCRXDO1021NC1019I6H人體紅外傳感器的介紹工作原理在自然界中，任何高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)以電磁波的形式向外輻射能量。而紅外輻射具有一定的規(guī)律性，基爾霍夫定律指出，在一定溫度下，達(dá)到熱平衡的物體輻射本領(lǐng)與吸收本領(lǐng)成正比，即發(fā)射率等于吸收率，而人體自身是一個(gè)紅外輻射源。皮膚的紅外發(fā)射率很高，接近黑體［10］。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，晶體內(nèi)部的正負(fù)電荷中心會(huì)有相對(duì)移動(dòng)，自發(fā)極化發(fā)生改變，從而會(huì)使其表面吸附的電荷數(shù)量改變。對(duì)外就顯示出了極化場(chǎng)，這就是熱釋電效應(yīng)mo3.3.2菲涅耳透鏡菲涅耳透鏡，又名螺紋透鏡，在紅外傳感器中是一個(gè)非常重要的一個(gè)部件。其主要作用原理如下：人體所輻射出的紅外線通過(guò)紅外無(wú)線報(bào)警器的菲涅爾濾光片增強(qiáng)后被擊中到紅外無(wú)線報(bào)警器熱釋電元件構(gòu)成的紅外感應(yīng)源上，感應(yīng)源在接收到電磁人體紅外輻射以后，就會(huì)出現(xiàn)電荷失衡的情況，釋放電荷，然后通過(guò)檢測(cè)，發(fā)出警報(bào)［12］。紅外傳感器的選擇在考慮過(guò)單片機(jī)適配問(wèn)題和經(jīng)濟(jì)適用性問(wèn)題后，本設(shè)計(jì)選擇HC-SR501型號(hào)的熱釋電紅外傳感器。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）自帶兩種觸發(fā)方式：一種是可重復(fù)，另一種是不可重復(fù)；可重復(fù)就是一段時(shí)間內(nèi)，如果探測(cè)到有人存在，則將一直保持輸出高電平；不可重復(fù)即感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖健Ｇ以擊[鐘出廠設(shè)置默認(rèn)為可重復(fù)觸發(fā)。（2）接收到信號(hào)后會(huì)間斷輸出兩次高電平：當(dāng)有人進(jìn)入監(jiān)控范圍后，傳感器就會(huì)輸出

兩次高電平，這是為了防止單片機(jī)第一次沒(méi)有接收到傳感器的高電平信號(hào)；如果之后再探測(cè)不到有人活動(dòng)，傳感器會(huì)自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，延時(shí)關(guān)閉的目的為了提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。(3)預(yù)留有光敏電阻位置：傳感器可配合5539光敏電阻使用，使用光敏電阻后傳感器就能識(shí)別信號(hào)的強(qiáng)弱，這樣傳感器在白天或光線過(guò)于強(qiáng)烈時(shí)不工作。紅外傳感器原理圖介紹完紅外傳感器的工作原理和特性后，紅外傳感器原理圖如圖3-3所示:圖3-3熱釋電傳感器原理圖人機(jī)界面模塊的介紹矩陣鍵盤(pán)經(jīng)過(guò)程序編輯后，可以向單片機(jī)輸入命令、傳送數(shù)據(jù)。常用的鍵盤(pán)輸入方式有兩種，一種是獨(dú)立按鍵輸入，即每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)功能，一種是矩陣鍵盤(pán)輸入。本設(shè)計(jì)為了節(jié)省I/O口的使用數(shù)量，所以使用矩陣鍵盤(pán)。矩陣鍵盤(pán)本質(zhì)上是類(lèi)似于矩陣的鍵盤(pán)組，由于開(kāi)發(fā)板的引腳數(shù)量有限，所以要用矩陣鍵盤(pán)來(lái)增加按鍵控制數(shù)量，該鬧鐘使用的3*2的矩陣鍵盤(pán)，原理是將六個(gè)按鍵的三個(gè)縱向端接輸入，兩個(gè)橫向端接輸出，定義好五個(gè)引腳后，在程序中引入自己編寫(xiě)的KeyScan()庫(kù)，用來(lái)持續(xù)掃描這六個(gè)按鍵，當(dāng)有一個(gè)按鍵被按下時(shí)，程序會(huì)返回相應(yīng)的數(shù)值，只需要標(biāo)記好每個(gè)按鍵代表的數(shù)值，就能通過(guò)五個(gè)接口顯示屏型號(hào)的選擇LCD屏幕的工作原理和特性LCD字符點(diǎn)陣型液晶顯示模塊的原理：它是利用液晶經(jīng)過(guò)處理后能改變光線的傳播方向，通過(guò)電流刺激液晶分子實(shí)現(xiàn)各種畫(huà)面的顯示［13］，以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)線面并配合背光構(gòu)成曲面。正是由于其需要背光源的特性，所以它的功耗較高，并且由于其發(fā)光材料的限制，在某些環(huán)境中，LCD屏的顯示效果比較差，可視角也很窄。OLED屏幕的工作原理和特性自從1979年OLED技術(shù)在柯達(dá)實(shí)驗(yàn)室誕生之后，就一直被譽(yù)為下一代顯示技術(shù)的候選人。OLED技術(shù)以超簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，高對(duì)比度，快響應(yīng)速度，更寬的溫度適應(yīng)范圍等優(yōu)勢(shì)在近年得到了大規(guī)模的發(fā)展與應(yīng)用［14］。（1）工作原理：OLED顯示技術(shù)無(wú)需背光燈，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板,當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，這些有機(jī)材料就會(huì)發(fā)光。OLED顯示屏幕可以做得更輕更薄，可視角度更大，并且能夠顯著節(jié)省電能［15］。（2）自發(fā)光、不需背光源、功耗低：更加適合小系統(tǒng)。由于兩者發(fā)光材料的不同，OLED屏對(duì)比度高、厚度薄視角廣、可視角大，在不同的環(huán)境中，OLED屏的顯示效果更好。（3）適用性強(qiáng)：屏幕模塊中優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和制程設(shè)計(jì)使得它反應(yīng)速度更快、使用溫度范圍更廣。經(jīng)過(guò)對(duì)oled庫(kù)的進(jìn)一步擴(kuò)充，可顯示的類(lèi)型有漢字、ASCII、圖案等。同時(shí)為了用戶能將其更方便的連接在產(chǎn)品上，預(yù)留了4個(gè)M3固定孔。3.5.4OLED屏原理圖OLED屏原理圖如圖3-5所示：圖3-5OLED顯示屏原理圖

第4章軟件設(shè)計(jì)4.1開(kāi)發(fā)板控制流程圖在設(shè)計(jì)該智能鬧鐘前，要先構(gòu)想鬧鐘的總體框架，本設(shè)計(jì)將該鬧鐘的軟件設(shè)計(jì)部分大體分為三層，首先，最頂層是“用戶界面層”也可以叫做UI(UserInterface)層；然后；第二層是“函數(shù)引用層”也可以稱(chēng)其為文件層；最后，底層為“程序驅(qū)動(dòng)層”。10其中，用戶界面層可以在OLED屏幕上顯示網(wǎng)絡(luò)上爬取到的數(shù)據(jù)和接收用戶在鍵盤(pán)輸入的數(shù)據(jù)，能夠在鬧鐘開(kāi)機(jī)并運(yùn)行完主程序后，讓使用者外部操控各子程序的交替執(zhí)行，也就是說(shuō)用戶可以通過(guò)矩陣鍵盤(pán)進(jìn)行按鍵操作以切換并實(shí)現(xiàn)各種功能。引用函數(shù)層重的文件時(shí)主程序的一開(kāi)始引用的各種庫(kù)函數(shù)，有部分自己編寫(xiě)的庫(kù)，還有一些時(shí)是官方自帶和其他開(kāi)發(fā)者在開(kāi)源社區(qū)分享的，但無(wú)論是在代碼簡(jiǎn)潔度上，還是邏輯的縝密程度上，筆者的自建庫(kù)和他們還是有著很大差距。最后，驅(qū)動(dòng)層就是主程序的運(yùn)行，能夠讓計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備相互連接相互通信，設(shè)備的正常運(yùn)行離不開(kāi)驅(qū)動(dòng)層中主函數(shù)的穩(wěn)定編譯。軟件通信如圖42所示：圖42軟件設(shè)計(jì)通信圖設(shè)計(jì)完鬧鐘的運(yùn)行框圖后，本設(shè)計(jì)中的代碼需要在相應(yīng)的編譯環(huán)境下才能運(yùn)行，首先在官網(wǎng)下載Java，在桌面下載好EsplorerCNV0.2.jar并在這個(gè)編輯器中刷入MicroPython固件，讓電腦處在Java和Python的運(yùn)行環(huán)境中，然后根據(jù)所需的功能找到需要引用的庫(kù)函數(shù)，最后將自編庫(kù)和主程序編寫(xiě)完成，由于編輯器的保存文件功能效率太低，所以本設(shè)計(jì)在單片機(jī)聯(lián)網(wǎng)后使用webrepl腳本將程序文件傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，這時(shí)再讓單片機(jī)開(kāi)機(jī)直接執(zhí)行主程序，就能完成總體設(shè)計(jì)。程序傳輸流程圖如圖43所示：圖43程序傳輸流程圖人機(jī)界面層矩陣鍵盤(pán)和OLED顯示屏構(gòu)成了人機(jī)界面層的主體功能。矩陣鍵盤(pán)的功能主要由模式切換按鍵、開(kāi)始暫停按鍵、時(shí)間設(shè)置按鍵、鬧鐘設(shè)置按鍵、清零按鍵和加法按鍵構(gòu)成。一般的去抖方式有2種，一種是“硬件去抖”，另一種是“軟件去抖”。在以前的設(shè)計(jì)中，硬件電路的“去抖”方式通常是使用各種觸發(fā)器或者分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)“去抖”［應(yīng)設(shè)計(jì)按鍵時(shí)要充分考慮機(jī)械裝置存在的誤差，要在軟件中寫(xiě)入消抖程序；OLED屏的功能可以使用戶在使用矩陣鍵盤(pán)后得到的反饋更加快速具體。首先，給單片機(jī)上電，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行主程序并引用KeyScan庫(kù)，也就是鍵盤(pán)掃描函數(shù)，進(jìn)入界面，使用時(shí)可以根據(jù)個(gè)人習(xí)慣來(lái)設(shè)置按鍵位置，只需要記住每個(gè)按鍵代表的數(shù)字，就能在程序中實(shí)現(xiàn)按鍵控制。如圖4-4所示：圖4-4人機(jī)界面流程圖各個(gè)功能的切換順序在程序中已經(jīng)確定，如果想要修改，由于其模塊化的程序設(shè)計(jì)，只需要在主程序中改變相應(yīng)數(shù)字即可。函數(shù)引用層顧名思義，函數(shù)引用層中的文件都是主程序需要引用的庫(kù)函數(shù)程序，是已經(jīng)傳輸并保存到單片機(jī)中的文件，它介于程序驅(qū)動(dòng)層與人機(jī)界面層之間，是主程序能夠順利運(yùn)行的關(guān)鍵，同時(shí)也是主程序能夠簡(jiǎn)潔明了的關(guān)鍵所在；驅(qū)動(dòng)層的主程序在運(yùn)行前會(huì)通過(guò)import語(yǔ)句引用文件層的所有庫(kù)函數(shù)程序，然后讓驅(qū)動(dòng)層的各個(gè)子程序在屏幕上實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的功能，先直接與設(shè)定好的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，顯示日期、時(shí)間、濕度、PM2.5和當(dāng)日與明日的天氣。首先將程序的內(nèi)部邏輯部分編寫(xiě)好，命名為clock.py，之后如果編寫(xiě)其他程序時(shí)需要使用該程序的某個(gè)變量或者函數(shù)，只需在調(diào)用函數(shù)前加上文件號(hào)即可。真正使用時(shí)是通過(guò)12MicroPython中的import函數(shù)調(diào)用的。執(zhí)行程序功能時(shí)，首先引用自帶的Timer定時(shí)器庫(kù)、time時(shí)間函數(shù)庫(kù)和Pin引腳庫(kù)，然后引用個(gè)人編寫(xiě)的KeyScan鍵盤(pán)掃描庫(kù)，LinkNet網(wǎng)絡(luò)連接庫(kù)，clock總體功能庫(kù)，oledOLED顯示屏庫(kù)，然后在使用這些庫(kù)中的函數(shù)或變量時(shí)，需要在函數(shù)前面加上所引用庫(kù)的名稱(chēng)，然后才能執(zhí)行功能。引用完需要的庫(kù)函數(shù)后，還需要將所有變量初始化。在定義函數(shù)時(shí)，若想在函數(shù)內(nèi)部對(duì)函數(shù)外的變量進(jìn)行操作，就需要在函數(shù)內(nèi)部聲明其為global，global語(yǔ)句是適用于當(dāng)前整個(gè)代碼塊的聲明，是全局變量的標(biāo)識(shí)符，它的作用是提醒MicroPython解釋器，表明被其修飾的變量是全局變量。但是，該鬧鐘設(shè)計(jì)的功能較多，變量也很多，如果在每一個(gè)函數(shù)里都要使用global語(yǔ)句聲明，代碼的復(fù)雜度會(huì)大大增加，所以在程序中可以將變量設(shè)置為字典形式，這樣只需要在函數(shù)開(kāi)始時(shí)聲明一次即可，使得代碼簡(jiǎn)潔了許多。開(kāi)頭引用庫(kù)函數(shù)的程序如下：frommachineimportTimerfrommachineimportPinimportKeyScanimportLinkNetimportclockimportoledimporttimedefswitch():globalmodekey=KeyScan.scan()ifkey==5:mode+=1Display_time=0#設(shè)置時(shí)鐘能顯示的時(shí)間warning=0#讓蜂鳴器只響三下mode=0#用于四個(gè)功能的切換flag=0#用于時(shí)分秒位的閃爍max=0#防止主程序陷入死循環(huán)，限制鬧鐘工作的最大時(shí)間p13=Pin(13,Pin.OUT)#LED燈p12=Pin(12,Pin.OUT)#蜂鳴器p34=Pin(34,Pin.IN)#紅外傳感器KeyScan.init()clock.time_init()圖4-5函數(shù)引用層執(zhí)行流程圖執(zhí)行的流程圖如題4-5所示，其中第一步為打開(kāi)設(shè)備并自動(dòng)運(yùn)行主程序；第二步為引用所需的庫(kù)函數(shù)，將所有變量初始化，并去執(zhí)行程序主體；第三步為在適用所有功能后，關(guān)閉程序并切斷電源。本次智能鬧鐘設(shè)計(jì)主要是為了實(shí)現(xiàn)四個(gè)功能，這四個(gè)功能參考了手機(jī)APP上的操作邏輯，功能一是時(shí)鐘顯示功能，它可以分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式；功能二是鬧鐘設(shè)置功能，到達(dá)指定時(shí)間會(huì)報(bào)警；功能三是秒表計(jì)時(shí)功能，一次性可同時(shí)記錄四次時(shí)間；程序四是倒計(jì)時(shí)功能，設(shè)定好時(shí)間后，倒計(jì)時(shí)結(jié)束會(huì)自動(dòng)報(bào)警。其中手動(dòng)控制模式和自動(dòng)控制模式可以隨時(shí)切換，當(dāng)需要手動(dòng)控制時(shí)，用擋板蓋住紅外傳感器，點(diǎn)擊模式切換按鍵，會(huì)自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)需要自動(dòng)控制時(shí)，不需要按鍵，人體靠近傳感器后也會(huì)自動(dòng)顯示數(shù)據(jù)，基本執(zhí)行流程和自動(dòng)控制相同。驅(qū)動(dòng)層的設(shè)計(jì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)層中的主程序可以實(shí)現(xiàn)ESP32開(kāi)發(fā)板的各個(gè)功能，在打開(kāi)Esplorer-CN-V0.2編輯器后，當(dāng)點(diǎn)擊圖標(biāo)“連接”時(shí)，圖標(biāo)Open會(huì)先亮起紅色，等待若干秒后變成綠色，然后再連續(xù)點(diǎn)擊兩次RTS按鈕或者按一次單片機(jī)上的RST按鍵，重啟編輯器，引用好文件層的庫(kù)函數(shù)和經(jīng)過(guò)初始化的變量后，就能開(kāi)始編寫(xiě)主程序了。時(shí)鐘顯示功能的驅(qū)動(dòng)程序如下所示。if(mode==1)or(p34.value()==1):LinkNet.linkNet()clock.getdata()clock.getweather()14clock.translate_today()clock.translate_tomorrow()o=oled.OLED()whileclock.Display_time<180:key=KeyScan.scan()o.String(0,0,clock.Time['date'])clock.showtime(o)clock.showweather(o)ifkey==5:time.sleep_ms(50)ifkey==5:o.Clear()mode=2break

圖4-6驅(qū)動(dòng)層主程序流程圖首先打開(kāi)設(shè)備，可自行選擇兩種控制方式，其中，按下模式切換鍵為手動(dòng)模式；利用紅外傳感器為自動(dòng)模式。當(dāng)按下模式切換鍵后，OLED屏上顯示從網(wǎng)絡(luò)上爬取到的日期、時(shí)間、PM2.5等數(shù)據(jù)。當(dāng)使用自動(dòng)控制模式時(shí)，人體一靠近傳感器，傳感器的I/O口輸出一個(gè)高電平，同樣運(yùn)行功能一的程序。只需要將這兩個(gè)判斷條件用or語(yǔ)句連接，即“一對(duì)皆對(duì)”，就能實(shí)現(xiàn)兩種控制模式的隨意切換了。最后需要注意的是，如果名為main.py的程序中存在有缺陷的死循環(huán)，一旦該程序意外跑飛，單片機(jī)極有可能要重新刷入固件，所有程序重新寫(xiě)入。所以，在做好程序備份的同時(shí)，也要注意在主程序中盡量少用死循環(huán)(whileTrue)函數(shù)。4.3系統(tǒng)測(cè)試在進(jìn)行最終測(cè)試前，需要將寫(xiě)好的主程序命名為main.py，直接開(kāi)機(jī)后讓其運(yùn)行。硬件構(gòu)成主要有紅外傳感器，OLED顯示屏，5V有源蜂鳴器，PCB板，ESP32開(kāi)發(fā)板，杜邦16線，按鍵，LED燈等。通過(guò)PCB板上的焊錫走線來(lái)連接各種模塊與開(kāi)發(fā)板。當(dāng)硬件設(shè)備連接好就可以進(jìn)行測(cè)試。控制方式分為自動(dòng)和手動(dòng)控制兩種，當(dāng)需要進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，按下模式切換按鍵即可;使用人體紅外傳感器開(kāi)機(jī)為自動(dòng)控制，因?yàn)閹в蟹颇鶢柾哥R的紅外傳感器十分靈敏，會(huì)受到光照等外界環(huán)境影響，所以不使用時(shí)要用不透光的物體將其扣住，以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)傳感器感受到有人體靠近時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行自動(dòng)控制，不用按下按鍵，人體一靠近便能得到數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)和按鍵開(kāi)機(jī)一樣的效果首先進(jìn)行自動(dòng)控制測(cè)試，先將紅外傳感器用不透光的擋板扣住，然后連接電源，進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)，拿開(kāi)擋板，當(dāng)有人體靠近時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行聯(lián)網(wǎng)程序，顯示各種從網(wǎng)上爬取的信息。圖片如圖47所示：圖47自動(dòng)控制時(shí)間顯示測(cè)試手動(dòng)控制時(shí)，先將紅外傳感器用擋板扣住，或者直接拔下紅外傳感器，排除人體因素的干擾，模擬紅外模塊出現(xiàn)損壞的狀況，然后按下模式切換按鍵，這時(shí)會(huì)和自動(dòng)控制得出的結(jié)果相同，在OLED屏上顯示網(wǎng)上爬取到的各類(lèi)信息。圖片如圖48所示：圖48手動(dòng)控制時(shí)間顯示測(cè)試完時(shí)鐘顯示功能后，便可以開(kāi)始測(cè)試鬧鈴功能，按下模式切換鍵，屏幕上會(huì)在第

三行顯示0:0的字樣，這時(shí)按下鬧鐘設(shè)置鍵，鬧鐘分位開(kāi)始閃爍，代表著此時(shí)可以對(duì)該位數(shù)字進(jìn)行增加操作，按下加法鍵，該位數(shù)字加一，調(diào)到確定的分鐘后；再按鬧鐘設(shè)置鍵，鬧鐘時(shí)位開(kāi)始閃爍，代表著此時(shí)可以對(duì)時(shí)位的數(shù)字進(jìn)行增加操作，按下加法鍵，調(diào)到確定的小時(shí)后；再按一次時(shí)鐘設(shè)置鍵，時(shí)位分位不再閃爍，代表鬧鐘時(shí)間已經(jīng)設(shè)置完成，等到外界時(shí)間到達(dá)鬧鐘的設(shè)置時(shí)間后，蜂鳴器斷續(xù)鳴響三次，同時(shí)LED燈閃爍三次，代表時(shí)間已到，開(kāi)始報(bào)警。圖片如圖4-9所示:圖4-9手動(dòng)設(shè)置鬧鐘測(cè)試完鬧鐘功能后，便可開(kāi)始測(cè)試秒表功能，本設(shè)計(jì)在設(shè)置該功能時(shí)參考的是手機(jī)上的秒表，首先按下模式切換鍵，屏幕上顯示出0：0：0的字樣，這時(shí)開(kāi)始按鍵，秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，秒表到達(dá)需要的時(shí)間后第二次按下開(kāi)始鍵，秒表會(huì)在第一行記錄下第一個(gè)需要的時(shí)間，第二行仍然沿著秒表時(shí)間計(jì)時(shí)，同理，該秒表一次性最多可記錄四個(gè)數(shù)據(jù)，按下第五次開(kāi)始鍵后，四行時(shí)間全部停止，如果還想繼續(xù)即使，再按下開(kāi)始鍵，新的數(shù)據(jù)會(huì)按順序覆蓋舊的數(shù)據(jù)；并且，不論是在計(jì)時(shí)結(jié)束后，還是在計(jì)時(shí)進(jìn)程中，按下清零鍵都能使屏幕顯示原始界面，并且仍能用開(kāi)始鍵重