基于STM32智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-家居模塊設(shè)計(jì)

1隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，傳統(tǒng)的家電控制方式已經(jīng)越來(lái)越不適用現(xiàn)階段人們快速的生活節(jié)奏，傳統(tǒng)的人工控制效率低下，不夠智能化。智能家居的興起很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，智能家居可以盡可能的通過(guò)現(xiàn)代技術(shù)方便人們生活，工作，學(xué)習(xí)的需要。智能家居系統(tǒng)是在信息技術(shù)的基礎(chǔ)之上構(gòu)建的，它能夠有效提高家居的質(zhì)量，增強(qiáng)生活的方便性，提升相關(guān)設(shè)備的智能性，也因此，人們目前也針對(duì)以單片機(jī)為基礎(chǔ)的智能家居控制系統(tǒng)在這樣的背景條件下，本項(xiàng)目在STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)之上，有效集成了溫 2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)其中，家居模塊系統(tǒng)將在本次論文重點(diǎn)介紹，需要實(shí)現(xiàn)如下功能：(1)使用溫濕度傳感器DHT11實(shí)時(shí)檢測(cè)家居環(huán)境的溫濕度信息；(2)具有實(shí)時(shí)顯示家居環(huán)境的溫濕度信息功能；(3)具有手動(dòng)控制家居LED燈亮滅及家電打開(kāi)和關(guān)閉功能。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本項(xiàng)目在STM32單片機(jī)核心的基礎(chǔ)之上，有效集成了溫濕度感應(yīng)、液晶顯示、輸入、通信、LED控制以及繼電器等七大模塊，其整體結(jié)構(gòu)可參考下圖：繼電器(控制家電)DHT11溫濕度檢測(cè)藍(lán)牙模塊6單片機(jī)本項(xiàng)目中，DHT11傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)周?chē)h(huán)境里的溫濕度數(shù)據(jù)收集，STM32核心芯片能夠?qū)Λ@得的相關(guān)信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)的分析和處置，液晶顯示模塊能夠呈現(xiàn)出具體的溫濕度數(shù)據(jù)。按鍵輸入模塊用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制LED燈亮滅及控制家電功能。硬件電路由STM32單片機(jī)控制模塊、溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、藍(lán)牙通訊模塊、LED燈控制模塊及繼電器模塊組成。3.1單片機(jī)控制模塊本設(shè)計(jì)采用的是STM32F103C8T6單片機(jī)芯片，外圍電路由晶振電路和復(fù)位電路一列的一種低功耗、高性能的32位微控制器，最高運(yùn)行頻率達(dá)72MHZ[8]。并且內(nèi)部資源豐富，含有多路定時(shí)器可用，非常適合小型控制系統(tǒng)使用，同時(shí)集成度較高，外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，是一款性?xún)r(jià)比很高的控制芯片。對(duì)于單片機(jī)部分，主要包括STM32F103C8T6芯片以及相應(yīng)的外周電路，后者主要又晶振、復(fù)位以及電源等幾個(gè)部分的電路。該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)其他模塊中相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)給出對(duì)應(yīng)的控制信息。DHT11傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)周?chē)h(huán)境里的溫濕度數(shù)據(jù)收集，STM32核心芯片能夠?qū)Λ@得的相關(guān)信息進(jìn)行對(duì)應(yīng)的分析和處置，液晶顯示模塊能夠呈現(xiàn)出具體的溫濕度數(shù)據(jù)。單片機(jī)控制模塊接收按鍵輸入模塊的輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制LED燈亮滅及控制家電功能。單片機(jī)系統(tǒng)電路圖如圖3-1所示：PAS2222 _9PA9/TXI/TIMICH2VDDA9PA10/RXI/TIMICH3VDD124PAI2/TIMITR/CANTX/USBDPVDD348__PA13.JTMS/SWDIOR4PA14/JTCK/SWCLKPA?5JTD]7NRSTNRST PB1/AN9/TIM3CH4PB2/BOOT1_BOOT044B00T0PB5/I2C1SMHAL/TIM3CH2SPIISCKPB6/I2C1_SCL/TIM4CH_PD0/OSCINPD0PB9TIM4CH4 PB1012C2SCL/TX3PDL/OSCOUT6PD1 _ PBI3/SPI2SCK/TIMICHINVSSA8PB14/SPI2MISO/TIM1CH2NVSS123____35PBIS/SPI2MOSI/TIMICH3NVSS2__VSS347圖3-1單片機(jī)系統(tǒng)電路圖晶振電路由石英晶體和補(bǔ)償電容C9、C11構(gòu)成，產(chǎn)生時(shí)鐘頻率驅(qū)動(dòng)主控芯片工作，在進(jìn)行PCB布板時(shí)，為了減小寄生電容，晶振和電容擺放位置應(yīng)靠近芯片，同時(shí)也可以減小由外部引入的干擾電流，有助于提高振蕩器的穩(wěn)定性[9]。晶振電路如圖3-2所示：77圖3-2晶振電路圖3.1.2復(fù)位電路在按下復(fù)位鍵RESET之時(shí)，其中的電容元件C8將會(huì)產(chǎn)生放電，從而會(huì)讓NRST端的讓NRST端的信號(hào)從原本的低電位不斷提高到高電位，能夠讓低電位的信號(hào)可以保持若干周期，從而能夠在軟件系統(tǒng)中對(duì)NRST的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)其點(diǎn)位變化情況來(lái)完成系統(tǒng)的復(fù)位功能[10]。電路之中配置的電容與電阻，再加上程序控制，能夠防止可能的誤操作。其電路結(jié)構(gòu)可參考下圖：48 VDD3 圖3-3復(fù)位電路圖3.1.3電源電路壓給單片機(jī)、溫度采集模塊、液晶顯示模塊等電路供電。電源電路圖如圖3-4所示：3.2溫濕度采集模塊本系統(tǒng)中，溫濕度采集模塊采用DHT11芯片，用于采集家居環(huán)境中的溫濕度信息。根據(jù)DHT11官方數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，傳感器供電電壓范圍為3.3V到5.5V,其共有4個(gè)引腳。分別為電源，串行數(shù)據(jù)總線，空腳，接地腳。由于采用單總線方式，采用高電平時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)區(qū)別高低電平，因此具有較長(zhǎng)的傳輸距離，非常適合應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)溫濕度監(jiān)控[11]。其電路原理如圖3-5所示，采數(shù)字接口接入單片機(jī)PA5引腳。233.3液晶顯示模塊本系統(tǒng)的液晶顯示部分選擇了OLED屏幕，大小為1.3寸，能夠?qū)χ車(chē)h(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)。同時(shí)通過(guò)SPI的方式進(jìn)行信息的傳輸，其引腳數(shù)為4,四個(gè)引腳分別和地相連的GND、和電源相連的VCC、和單片機(jī)的PB6相連CE以及和單片機(jī)的PB7相連的CSN。液晶顯示模塊原理圖如圖3-6所示：3.4按鍵輸入模塊本系統(tǒng)中，按鍵輸入模塊用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制家居LED燈亮滅及家電打開(kāi)和關(guān)閉功能，有助于提升人機(jī)交互體驗(yàn)。按鍵兩端分別于GND以及芯片的I/0端口相連，可以通過(guò)編一個(gè)低電平信號(hào)，可以通過(guò)編程的方式確定該信號(hào)是來(lái)自于哪一個(gè)按鈕的，從而執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如對(duì)溫濕度以及光照數(shù)據(jù)的修改，以及對(duì)相關(guān)閾值的設(shè)定等。而這些數(shù)據(jù)可通過(guò)OLED顯示屏呈現(xiàn)出來(lái)。該沒(méi)款的電路結(jié)構(gòu)可參考下圖：圖3-7按鍵輸入模塊電路圖3.5LED燈控制模塊本系統(tǒng)中，單片機(jī)接收按鍵輸入信息，當(dāng)LED燈按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)控制PC13輸出低電平和高電平，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制LED燈亮滅功能。LED燈控制模塊電路圖如圖pci3圖3-8LED燈控制模塊電路圖3.6繼電器模塊本系統(tǒng)中，繼電器驅(qū)動(dòng)模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的智能控制功能。本項(xiàng)目通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)的策略完成。下圖中二極管D7A的規(guī)格為IN4148,能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器線圈的續(xù)流工作，由于線圈在接通以及斷開(kāi)的整個(gè)過(guò)程之中，系統(tǒng)的電路不應(yīng)出現(xiàn)突變的情況，所以要設(shè)能夠讓三極管獲得恰當(dāng)?shù)幕鶚O電流。R12A與D3A共同實(shí)現(xiàn)了工作指示回路。在繼電器路如圖3-9所示：b3APB14R11AN=圖3-9繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路圖1.實(shí)時(shí)檢測(cè)功能是可以對(duì)整個(gè)環(huán)境的溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證檢3.手動(dòng)控制功能是可以通過(guò)按鍵模塊控制家居LED燈亮滅及家電打開(kāi)和關(guān)閉。4.2系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)啟動(dòng)之后，主程序的第一步工作就是進(jìn)行初始化，主要由對(duì)相關(guān)的系統(tǒng)變量進(jìn)行定義以及設(shè)定初始值，為保證相關(guān)溫濕度數(shù)據(jù)的時(shí)效性，程序會(huì)對(duì)DHT11傳感器中的相關(guān)信息進(jìn)行循環(huán)地查詢(xún)。程序啟動(dòng)之后的初始化工作中還會(huì)對(duì)I/0模塊進(jìn)行設(shè)定，對(duì)顯示屏、串口以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。初始化后，程序進(jìn)入循環(huán)掃描，程序首先讀取DHT11傳感器的溫度、濕度數(shù)據(jù)，然后程序調(diào)用OLED顯示函數(shù)，刷新當(dāng)前溫度、濕度值。然后程序?qū)Π存I掃描，并響應(yīng)其操作，程序設(shè)置有兩個(gè)按鍵輸入，用于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制家居LED燈亮滅及家電打開(kāi)和關(guān)閉功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1所示：開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)參數(shù)初始化OLED模塊初始化采集溫度、濕度數(shù)據(jù)刷新OLED顯示N按鍵是否被按下?Y控制家居LED燈亮滅及家刷新OLED顯示結(jié)束圖4-1主程序流程圖4.3.1傳感器采集程序本設(shè)計(jì)中，傳感器采集程序流程圖如圖4-2所示。圖中先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)初始化，然圖4-2傳感器采集程序流程圖圖4-3液晶顯示子程序流程圖開(kāi)始開(kāi)始NY結(jié)束圖4-4按鍵掃描子程序流程圖在硬件制作和軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到很多疑點(diǎn)，針對(duì)各種問(wèn)題需要查閱足夠詳細(xì)的資料。在硬件制作中，了解各元器件的功能特性和引腳后再進(jìn)行焊接，確保焊接正確。軟件設(shè)計(jì)中，需要注意函數(shù)的用法和主程序中各模塊函數(shù)的調(diào)用，應(yīng)在編程前設(shè)計(jì)好流程5.1硬件調(diào)試根據(jù)電路圖，將STM32單片機(jī)控制模塊、溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、藍(lán)牙通訊模塊、LED燈控制模塊及繼電器模塊焊接在電路板上，系統(tǒng)實(shí)物連接圖如下圖5-1系統(tǒng)實(shí)物圖。實(shí)物焊接完后，進(jìn)行硬件調(diào)試工作。本系統(tǒng)并不復(fù)雜，系統(tǒng)硬件調(diào)試工作相對(duì)簡(jiǎn)單，首先根據(jù)電路圖檢查電路的焊接及管腳連接是否正確，電路板是否存在短路或者斷路的現(xiàn)象，單片機(jī)控制模塊是否可以正常上電，使用萬(wàn)用表檢測(cè)下電源部分的各個(gè)輸出電壓值是否正常，經(jīng)調(diào)試正常后方可接到各部分電路。用電吹風(fēng)在溫濕度傳感器DHT11上方加熱，觀察液晶顯示上當(dāng)前溫度的數(shù)值會(huì)升高。液晶顯示界面圖如下圖5.2所示。按下繼電器控制按鍵，可以觀察到繼電器能夠?qū)崿F(xiàn)打開(kāi)和閉合。按鍵繼電器控制界面圖如下圖5-3所示。按下LED燈控制按鍵，可以觀察到LED燈能夠?qū)崿F(xiàn)亮滅。按鍵LED燈控制界面圖如下圖5-4所示。測(cè)試功能預(yù)期結(jié)果實(shí)際結(jié)果測(cè)試是否成功實(shí)時(shí)檢測(cè)可以正確檢測(cè)環(huán)境的溫度、濕度可以顯示檢測(cè)環(huán)境的溫度、可以正確檢測(cè)環(huán)境的溫度、濕度可以顯示檢測(cè)環(huán)境的溫度、成功實(shí)時(shí)顯示濕度數(shù)值可以通過(guò)按鍵模塊控制家居LED燈亮濕度數(shù)值可以通過(guò)按鍵模塊控制家居成功手動(dòng)控制滅及家電打開(kāi)和關(guān)閉LED燈亮滅及家電打開(kāi)和關(guān)閉成功(1)使用Keil軟件進(jìn)行軟件代碼編寫(xiě)，打開(kāi)基于STM32的家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與()打開(kāi)按鍵掃描程序，觀察是否能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)控制家居LED燈亮滅及家電打開(kāi)1]孔育琴.基于STC89C52的家庭智能安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)