基于單片機控制的教室調(diào)光空氣質(zhì)量和溫度的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于單片機控制的教室調(diào)光空氣質(zhì)量和溫度的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計摘要近年來,隨著人們對室內(nèi)環(huán)境舒適性和健康要求的不斷提高,教室內(nèi)光照、溫濕度、空氣質(zhì)量等因素對學(xué)生的學(xué)習效率和身心健康的影響受到廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的教室環(huán)境調(diào)節(jié)方式多為被動式手動操作,無法實時響應(yīng)環(huán)境變化,難以滿足智能化調(diào)控需求。為了主動優(yōu)化教室環(huán)境質(zhì)量,本文設(shè)計了一種基于STM32F103單片機的智能控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)集成了溫濕度、光照強度、PM2.5濃度等多種傳感器,實時監(jiān)測教室內(nèi)的環(huán)境參數(shù);用戶可通過按鍵方便地設(shè)置期望的環(huán)境閾值;一旦檢測到任何異常值,系統(tǒng)將立即發(fā)出報警短信提醒。該智能控制系統(tǒng)貫徹了低成本、高可靠性、易操作和維護的設(shè)計原則,采用模塊化硬件結(jié)構(gòu),選用性價比高的核心器件。硬件電路設(shè)計合理、軟件流程規(guī)范完備、人機界面操作簡便。系統(tǒng)集成度高、功能全面、響應(yīng)及時,可有效改善傳統(tǒng)模式的被動局面,為教學(xué)環(huán)境質(zhì)量的提升做出積極貢獻,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：單片機控制；環(huán)境監(jiān)測；自動調(diào)節(jié)；報警系統(tǒng)AbstractInrecentyears,withthecontinuousimprovementofpeople'srequirementsforindoorenvironmentcomfortandhealth,factorssuchaslighting,temperatureandhumidity,andairqualityinclassroomshaveattractedwidespreadattentiontotheirimpactonstudents'learningefficiencyandphysicalandmentalhealth.Thetraditionalclassroomenvironmentadjustmentmethodsaremostlypassivemanualoperations,whichcannotrespondtoenvironmentalchangesinrealtimeandcannotmeettheneedsofintelligentregulation.Inordertoactivelyoptimizethequalityofclassroomenvironment,thisarticledesignsanintelligentcontrolsystembasedonSTM32F103microcontroller.Thesystemintegratesmultiplesensorssuchastemperatureandhumidity,lightintensity,PM2.5concentration,etc.,tomonitortheenvironmentalparametersintheclassroominrealtime;Userscaneasilysetthedesiredenvironmentalthresholdthroughbuttons;Onceanyabnormalvaluesaredetected,thesystemwillimmediatelyissueanalarmSMSreminder.Atthesametime,thesystemreservesinterfacesforexecutionmodulessuchasexternalfans,heating,andfilllights,whichcanautomaticallyadjustvariousindicatorsaccordingtoneedsandactivelyoptimizetheclassroomenvironment.Thisintelligentcontrolsystemimplementsthedesignprinciplesoflowcost,highreliability,easyoperationandmaintenance,adoptsamodularhardwarestructure,andselectscorecomponentswithhighcost-effectiveness.Thehardwarecircuitdesignisreasonable,thesoftwareprocessisstandardizedandcomplete,andthehuman-machineinterfaceoperationissimple.Thesystemhashighintegration,comprehensivefunctions,andtimelyresponse,whichcaneffectivelyimprovethepassivesituationoftraditionalmodesandmakepositivecontributionstotheimprovementofteachingenvironmentquality.Ithasbroadprospectsforpromotionandapplication.Keywords:microcontrollercontrol;Environmentalmonitoring;Automaticadjustment;alarmsystem目錄TOC\o"1-3"\h\u31527摘要 緒論1.1研究背景及意義良好的教室環(huán)境對學(xué)生的學(xué)習至關(guān)重要，溫度、濕度、光照強度和空氣質(zhì)量等環(huán)境因素都會直接影響學(xué)生的身心健康和學(xué)習效率[1]。傳統(tǒng)的被動式調(diào)節(jié)教室環(huán)境的方式,無法及時響應(yīng)環(huán)境變化,難以滿足實時調(diào)節(jié)的需求。因此,設(shè)計一種主動式的智能控制系統(tǒng),實時監(jiān)測并自動調(diào)節(jié)教室各項環(huán)境參數(shù),確保教室環(huán)境的舒適性,提高教學(xué)質(zhì)量就顯得尤為重要[2]。本文設(shè)計的基于單片機的教室調(diào)光空氣質(zhì)量和溫度智能控制系統(tǒng),集成了溫濕度、光照強度、PM2.5濃度等多種傳感器,可以全方位檢測教室環(huán)境狀況。通過OLED液晶顯示模塊,實時顯示檢測數(shù)據(jù);通過按鍵設(shè)置各項環(huán)境指標的上下限閾值;一旦檢測值超出設(shè)定范圍,系統(tǒng)就會立即通過SIM800C模塊發(fā)送報警短信。本系統(tǒng)設(shè)計思路先進、方案可行、操作簡便,能有效改善傳統(tǒng)教室環(huán)境調(diào)節(jié)模式的被動局面,提升師生的工作學(xué)習體驗[3]。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀近年來,國內(nèi)已有多項基于單片機的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究,但大多數(shù)研究只關(guān)注監(jiān)測單一或少數(shù)環(huán)境因素,無法對教室整體環(huán)境狀況進行全面把控[4]。比如僅監(jiān)測溫濕度、或者只監(jiān)測光照強度等[5]。另有一些研究則在硬件上集成了多種傳感器,實現(xiàn)了對多種環(huán)境因素的監(jiān)測,但由于缺乏主動調(diào)節(jié)和報警機制,環(huán)境參數(shù)異常時無法及時預(yù)警和干預(yù),難以滿足實時調(diào)控需求[6]?？偟膩碚f,國內(nèi)已有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究,大多局限于被動監(jiān)測的范疇,無法實現(xiàn)自動化調(diào)節(jié),缺乏智能化管理措施。因此,迫切需要開發(fā)出一種能夠主動監(jiān)測、智能預(yù)警、自動調(diào)節(jié)的教室環(huán)境控制系統(tǒng),以滿足日益提升的教學(xué)環(huán)境質(zhì)量要求[7]。本文設(shè)計的基于單片機的智能控制系統(tǒng),正是針對目前國內(nèi)研究的不足之處,提出了一種全新的解決方案[8]。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在國外,已經(jīng)有不少商業(yè)化的智能教室環(huán)境控制系統(tǒng)問世,但由于系統(tǒng)復(fù)雜、集成度高、價格昂貴等原因,并未在中小學(xué)校和普通教室得到廣泛應(yīng)用[9-10]。大多數(shù)國外實驗室在該領(lǐng)域的研究,主要側(cè)重于算法優(yōu)化、降低能耗、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度等方面,對于硬件系統(tǒng)本身的集成和模塊選型等方面關(guān)注不夠[11-13]?？偟膩碚f,國外已有的智能教室環(huán)境控制系統(tǒng),由于價格、復(fù)雜度等多方面原因,很難在我國中小學(xué)校推廣應(yīng)用[14]。而大多數(shù)前沿的實驗室研究,由于過于關(guān)注算法層面,在硬件系統(tǒng)集成方面欠缺成熟的解決方案[15]。本文設(shè)計的系統(tǒng)正是基于對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析,在成本可控、系統(tǒng)可靠、操作簡便的前提下,提出了一種基于單片機的教室環(huán)境智能控制的集成解決方案。2系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1設(shè)計目標本系統(tǒng)設(shè)計的目標是開發(fā)一種低成本、高可靠性、易于操作和維護的智能教室環(huán)境控制系統(tǒng)。具體而言,成本低廉是為了能夠在中小學(xué)校等場合大規(guī)模推廣應(yīng)用;高可靠性則確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行,減少故障率;操作和維護簡單有利于普通教師或校工人員自行管理,無需專業(yè)技術(shù)人員持續(xù)介入。設(shè)計過程中遵循模塊化、標準化的原則。模塊化設(shè)計有利于各功能模塊的相對獨立,提高可維護性和可擴展性;標準化則使用成熟可靠的技術(shù)方案,避免因為采用了太多過于先進或者新興技術(shù)而增加系統(tǒng)復(fù)雜度和不穩(wěn)定風險。2.2系統(tǒng)設(shè)計方案根據(jù)上述設(shè)計目標和原則,本文提出了一種基于STM32F103單片機的智能教室環(huán)境控制系統(tǒng)整體方案:以STM32F103單片機為控制核心,集成DHT11溫濕度檢測模塊、BH1750FVI光照強度檢測模塊、PM2.5空氣質(zhì)量檢測模塊和OLED液晶顯示模塊,通過按鍵輸入設(shè)置各環(huán)境參數(shù)的閾值上下限,當實時檢測值超出設(shè)定范圍時,SIM800C模塊將發(fā)送報警短信。該方案集成了檢測、顯示、設(shè)置、報警、調(diào)節(jié)等多種功能,并采用模塊化的硬件結(jié)構(gòu),可靠的單片機控制核心和成熟的傳感器技術(shù),有效實現(xiàn)了智能化的教室環(huán)境監(jiān)測和主動調(diào)節(jié),符合前文提出的設(shè)計目標和原則要求。圖2-1設(shè)計框圖2.3設(shè)計方案硬件是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ),模塊的選型對系統(tǒng)整體方案的可行性和性能至關(guān)重要。本節(jié)將分別對控制核心單片機、通信模塊和顯示模塊的選型進行論證,綜合比較不同方案的優(yōu)缺點,最終確定本系統(tǒng)所采用的硬件模塊。2.3.1單片機模塊的選型單片機的性能對系統(tǒng)的整體效能起著決定性作用。在針對我們系統(tǒng)的具體應(yīng)用場景和功能需求進行深入分析后，我們對比了STC89C52與STM32F103兩款單片機的優(yōu)劣勢。方案一：STC89C52，這是一款基于8位CISC架構(gòu)的傳統(tǒng)單片機，主頻為12MHz，配備了512字節(jié)的RAM和8KB的程序存儲器。其設(shè)計簡潔、價格低廉且易于編程，特別適用于那些對CPU性能和存儲容量要求不甚嚴格的控制系統(tǒng)。方案二：STM32F103，它集成了32位的ARMCortex-M3核心，主頻可高達72MHz，并配備了20KB的SRAM和64KB的FLASH存儲器。這款微控制器性能卓越、功能豐富，常被用于對CPU運算能力和存儲容量有更高要求的復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)中。在深入分析之后，我們發(fā)現(xiàn)STC89C52在性能和資源上較STM32F103都有所不足，對于本系統(tǒng)而言，STM32F103的優(yōu)越性能和豐富的資源將為我們提供更大的靈活性。雖然其價格稍高，但考慮到其高性能和可擴展性，這可以看作是一項值得的投資。選擇STM32F103還可以使我們在未來更加輕松地整合更多的傳感器或執(zhí)行更復(fù)雜的控制任務(wù)。因此，綜合性能和成本兩方面的考量，我們最終選擇了STM32F103作為系統(tǒng)的控制核心。它不僅滿足了當前系統(tǒng)的需求，還為未來的擴展和升級留下了充足的空間。2.3.2通信模塊的選型通信模塊用于系統(tǒng)發(fā)出環(huán)境參數(shù)異常的報警信息。根據(jù)應(yīng)用場景,比較了ESP8266Wi-Fi模塊和SIM800C蜂窩通信模塊兩種方案。方案一:ESP8266是一款低功耗的Wi-Fi模塊,具備完整的TCP/IP協(xié)議棧,可以實現(xiàn)無線局域網(wǎng)通信和遠程控制。但它需要依賴固定的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,一旦脫離覆蓋范圍就無法正常工作。方案二:SIM800C是基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的串口通信模塊,只要處于手機信號覆蓋區(qū)域,都可以穩(wěn)定發(fā)送和接收短信數(shù)據(jù)。它獨立于特定局域網(wǎng)環(huán)境,適用范圍更廣。考慮到本系統(tǒng)的應(yīng)用場景預(yù)期是在各類中小學(xué)校的普通教室,無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并不能得到很好的保證。一旦網(wǎng)絡(luò)中斷,基于ESP8266的報警機制就會失效。相比之下,SIM800C模塊只要有手機信號覆蓋就能正常工作,適用場景更加廣闊。另一方面,SIM800C發(fā)送短信的數(shù)據(jù)量小、時延短且準確性高,非常適合用于發(fā)送簡短的報警信息。而基于Wi-Fi的通信方案,則需要消耗更多資源來建立連接和保證數(shù)據(jù)的完整傳輸。綜合兩種方案的特點及本系統(tǒng)的應(yīng)用場景要求,最終選擇了SIM800C蜂窩通信模塊作為系統(tǒng)的報警信息發(fā)送通道。2.3.3顯示模塊的選型顯示模塊用于將檢測到的實時環(huán)境數(shù)據(jù)顯示給用戶。比較了LCD1602字符液晶顯示屏和OLED兩種顯示方案。方案一:LCD1602是一款經(jīng)典的字符液晶顯示模塊,能夠顯示16x2共32個字符,顯示內(nèi)容直觀、驅(qū)動方便,并且價格低廉,非常適合顯示簡單的數(shù)字、文本等信息。方案二:OLED(有機發(fā)光二極管)顯示屏具有自發(fā)光、視角寬、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點,可以顯示圖形和更多樣式的信息,雖然成本相對更高?？紤]到OLED顯示屏的諸多優(yōu)勢,盡管成本較高,但為了提供更佳的用戶體驗,本系統(tǒng)最終選擇采用OLED顯示屏。OLED顯示效果出眾,不僅可以清晰顯示檢測到的溫濕度、光照強度、PM2.5濃度等數(shù)字信息,還能根據(jù)需求呈現(xiàn)圖形界面,為用戶提供更加直觀、豐富的信息展示。此外,OLED的寬視角、快響應(yīng)和低功耗等特性也有助于提升整體系統(tǒng)性能。雖然成本較高,但相比LCD1602能夠帶來更好的用戶體驗,因此更加適合本環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求。3系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1STM32F103單片機作為系統(tǒng)的控制核心,STM32F103單片機需要具備足夠的運算能力、存儲空間以及豐富的外設(shè)接口,以滿足各模塊數(shù)據(jù)采集、運算處理和控制執(zhí)行的需求。STM32F103C8T6是其中一款中低端的ARMCortex-M3內(nèi)核單片機,主頻為72MHz,擁有64KB的FLASH存儲空間和20KB的SRAM,能夠較好地滿足本系統(tǒng)的基本需求。它采用Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu),不僅具備32位處理器的強大運算性能,其指令系統(tǒng)也進行了優(yōu)化和改進,使其在代碼密度、中斷響應(yīng)速度等多個方面都有不錯的表現(xiàn)。STM32F103C8T6還集成了豐富的通信接口和外設(shè)模塊,如2個12位ADC、3個通用16位定時器、2個基本定時器、5個串口(3個USART+2個UART)、2個SPI、1個I2C、1個USB全速接口、1個CAN接口等。這些外設(shè)可以滿足各類傳感器和執(zhí)行模塊的連接需求。STM32F103C8T6封裝形式為LQFP48封裝,引腳數(shù)量為48個,能夠滿足各個外設(shè)的IO需求。同時,STM32F103還擁有成熟的開發(fā)工具和資源支持,包括KeilμVision集成開發(fā)環(huán)境、ST公司VisualGDB開發(fā)包、內(nèi)置調(diào)試器支持、官方參考手冊、應(yīng)用文檔和例程等,可以極大便利開發(fā)和調(diào)試工作的開展。在電路設(shè)計方面,STM32F103只需要一個晶振電路(8MHz外部晶振)、一個復(fù)位電路和一個供電電路即可正常工作。晶振電路由晶體諧振器Y1、電容C8和C9組成,其輸出時鐘信號作為系統(tǒng)主時鐘輸入。復(fù)位電路主要由電阻R1和電容C1組成,在上電和手動復(fù)位時工作。供電電路由LDO穩(wěn)壓器AMS1117提供3.3V電源。圖3-1單片機原理圖3.2DHT11溫濕度檢測模塊DHT11是一款集成溫濕度傳感器的數(shù)字檢測模塊,用于實時監(jiān)測環(huán)境中的溫度和濕度。DHT11內(nèi)部傳感器采用電容式原理測量空氣濕度,測量范圍為20-90%RH,分辨率為1%RH。溫度測量采用負溫度系數(shù)元件,測量范圍為0-50°C,分辨率為1°C。綜合誤差為±5%RH濕度,±2°C溫度,完全可滿足普通教室環(huán)境監(jiān)測的要求。DHT11模塊優(yōu)點在于:體積小巧,組裝便捷;傳感器數(shù)據(jù)直接數(shù)字化輸出,無需芯片端進行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換;傳感器已經(jīng)過校準,無需外部電路調(diào)理,可直接獲取溫濕度值;抗干擾能力強,可靠性高。DHT11與STM32F103單片機通過單總線數(shù)字接口連接,只需單片機1個IO口即可完成數(shù)據(jù)傳輸。單總線通信協(xié)議極為簡單,發(fā)送方只需按一定時序發(fā)出啟動信號和數(shù)據(jù),接收方就可準確接收。它傳輸效率高、可靠性強,非常適合低速率的數(shù)字溫濕度傳感器應(yīng)用場景。除了溫濕度檢測之外,DHT11模塊供電電壓低至3-5.5V,功耗也低至0.3mA,可廣泛應(yīng)用于各種低功耗場合。綜合來看,DHT11無疑是本系統(tǒng)溫濕度檢測的理想之選。圖3-2DHT11原理圖3.3BH1750FVI光照強度檢測模塊BH1750FVI是一款熱釋電紅外光線傳感器芯片,集成了16位AD轉(zhuǎn)換,具有高精度和寬量程的光線強度測量能力,用于檢測教室內(nèi)的光照環(huán)境。在本系統(tǒng)中,BH1750FVI被設(shè)計為一個獨立的光照強度檢測模塊,通過I2C接口連接至STM32F103單片機,在單片機的控制下對外界光照進行檢測。該芯片支持的光照測量范圍廣泛,從下限1Lux到上限65535Lux,可精確獲取從室內(nèi)明暗到陽光直射等各種光照條件下的光強值;其內(nèi)置的運算單元和多種光學(xué)濾波選擇,使其具有出色的分辨率和抗干擾能力。通過寄存器編程,可任意設(shè)置芯片的測量分辨率和工作模式,如連續(xù)測量模式、單次測量模式等,配合中斷控制功能,可最大限度減少系統(tǒng)功耗。除此之外,芯片內(nèi)還集成了用戶可編程的中斷閾值設(shè)置功能,能極大簡化單片機對環(huán)境光照控制的實現(xiàn)。整個模塊封裝緊湊、接線簡單,僅需兩根線連接至單片機I2C接口即可正常工作。在系統(tǒng)中,該模塊可實時獲取光照數(shù)據(jù),為空調(diào)控制和補光燈的自動調(diào)節(jié)提供數(shù)據(jù)支持。當光照過高時,可啟動遮陽設(shè)施,避免光線直射;光照不足時,則可自動打開補光燈,確保課堂光線適宜,營造良好的視覺學(xué)習環(huán)境。圖3-3BH1750FVI原理圖3.4PM2.5檢測模塊PM2.5是空氣中直徑小于2.5微米的可吸入顆粒物,是影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要污染物指標。本系統(tǒng)采用PMSA003顆粒物傳感器模塊來檢測教室內(nèi)PM2.5濃度水平。PMSA003是基于激光散射原理的PM2.5傳感器,利用激光照射到飄浮在空氣中的微小顆粒物時產(chǎn)生的散射現(xiàn)象,通過測量散射光強度來計算懸浮顆粒物的濃度。該傳感器綜合了激光驅(qū)動電路和光電轉(zhuǎn)換檢測電路,形成一個獨立的智能化傳感系統(tǒng)。與其他PM2.5傳感器相比,PMSA003體積小巧,功耗低;采用數(shù)字信號輸出,無需模數(shù)轉(zhuǎn)換電路;內(nèi)置溫度和濕度補償算法,保證了測量數(shù)據(jù)的精準性;通過UART串口與主控制器通信,接口簡單方便。最大的優(yōu)點是傳感器內(nèi)部已集成了微控制器和相關(guān)軟件算法,可直接輸出PM2.5濃度值,主控制器只需解析串口數(shù)據(jù)即可獲得檢測結(jié)果,大大降低了硬件和軟件的復(fù)雜度。圖3-4PM2.5檢測模塊原理圖3.5OLED顯示模塊為了提高系統(tǒng)的人機交互便利性，本系統(tǒng)配備了一塊采用SSD1306驅(qū)動芯片的OLED顯示模塊，用于顯示測量到的環(huán)境參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)的工作狀態(tài)和菜單選項。OLED顯示屏具有自發(fā)光、顯示效果好、功耗低、體積小且可彎曲等優(yōu)點，非常適合嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用。SSD1306則是目前OLED驅(qū)動芯片中最流行的一款，兼容多種顯示尺寸并提供豐富的圖形接口。主機首先發(fā)出啟動信號，然后發(fā)送SSD1306的設(shè)備地址并指定數(shù)據(jù)傳輸方向。接下來就可以開始發(fā)送寄存器地址和顯示數(shù)據(jù)了。整個過程中，SDA線上的數(shù)據(jù)在SCL時鐘線的控制下被SSD1306接收并處理，最終實現(xiàn)所需的顯示效果。由于SSD1306芯片存儲和處理能力強，可支持很高的顯示分辨率，視覺效果細膩流暢。在系統(tǒng)運行時,單片機將實時獲取的溫濕度、光照、PM2.5等傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符串,再通過并行口發(fā)送至OLED顯示。同時也可在顯示區(qū)域的其他位置,顯示這些參數(shù)的設(shè)定閾值,以提醒用戶預(yù)期的環(huán)境標準。OLED顯示模塊雖然接口相對簡單,功能也比較單一,但恰恰契合了本系統(tǒng)"高可靠、操作簡單"的設(shè)計初衷,可靠性高、編程無需復(fù)雜的圖形界面庫支持,因此是本系統(tǒng)顯示模塊的不二之選。圖3-5OLED原理圖3.6按鍵模塊按鍵模塊用于設(shè)置溫度、濕度、光照和PM2.5四個環(huán)境參數(shù)的上下限閾值。它由3個獨立按鍵組成,分別對應(yīng)進入設(shè)置模式以及加和減的功能。按鍵采用常規(guī)按鍵開關(guān)電路,接入STM32F103單片機的P3端口。單片機通過檢測P3各端口線的電平狀態(tài)變化,來判斷按鍵按下和釋放事件。當有按鍵按下時,對應(yīng)端口線電平會由高電平變?yōu)榈碗娖?單片機檢測到該變化后,將讀取當前所有按鍵的狀態(tài),以確定究竟哪個按鍵被按下。同理,當按鍵釋放時,對應(yīng)端口線將由低電平變?yōu)楦唠娖?單片機也將捕獲該變化事件。除了檢測按鍵按下和釋放,單片機還需判斷按下事件的長短,以區(qū)分是只設(shè)置一次參數(shù)值的改變,還是連續(xù)改變。當按鍵被持續(xù)按住時,參數(shù)值以一定時間間隔循環(huán)自增或自減,以方便快速設(shè)置。按鍵狀態(tài)的檢測由單片機在主程序循環(huán)中周期性輪詢,在發(fā)現(xiàn)狀態(tài)變化時進行處理。借助單片機內(nèi)部定時器T1的計數(shù)功能,可以精確計算按鍵按下或釋放的時間長短。圖3-6按鍵原理圖3.7SIM800C短信模塊SIM800C是一款基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇谕ㄐ拍K。當系統(tǒng)檢測到任一環(huán)境指標超出設(shè)定閾值時,該模塊將通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送報警短信到預(yù)設(shè)手機號碼,提醒采取應(yīng)對措施。SIM800C工作在GSM的850/900/1800/1900MHz四頻段上,只要處在手機信號覆蓋區(qū)域就可正常使用。它內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧,支持多種無線通信功能。本系統(tǒng)僅使用最基本的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和短信服務(wù)。SIM800C通過UART串口與STM32F103單片機相連。單片機只需按照AT指令集規(guī)范,通過串口發(fā)送查詢和設(shè)置指令,即可控制模塊的工作狀態(tài)、設(shè)置短信中心號碼、發(fā)送短信等基本功能。在使用時,首先需要通過AT指令口令確認模塊是否工作正常,并查詢當前的無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、信號強度等信息。然后設(shè)置短信中心號碼,再由單片機編碼、組包生成短信內(nèi)容并發(fā)送。一旦短信發(fā)送成功,模塊會回復(fù)確認信號。由于無線通信的不確定性,系統(tǒng)設(shè)計時還需要考慮模塊斷開連接或信號中斷的異常情況,增加必要的狀態(tài)檢測和重連機制,以確保短信能夠可靠發(fā)送。圖3-7SIM800C原理圖3.8繼電器模塊繼電器是一種控制電路中的重要組成部分,可實現(xiàn)對大電流、高電壓負載的遠程控制。本系統(tǒng)使用繼電器模塊作為執(zhí)行器,根據(jù)檢測到的環(huán)境參數(shù)狀況,控制外接的風扇、加熱器和補光燈的開關(guān)。繼電器的工作原理是利用小電流通過線圈產(chǎn)生的電磁場吸合鐵心帶動接觸器動作,從而控制大電流負載的通斷。當線圈端加上控制電壓后,線圈內(nèi)產(chǎn)生的電磁場使鐵心吸合,帶動可動觸點動作接通或切斷負載電路。當控制電壓移除時,線圈失磁,觸點在彈簧或重力作用下恢復(fù)原位。由于控制電路和負載電路是絕緣隔離的,繼電器可實現(xiàn)低功率信號對高功率負載的無接觸控制,保護了控制電路不受高壓、大電流的影響。本系統(tǒng)中使用的是SRD-05VDC-SL-C型號繼電器模塊,其工作電壓為直流5V,與單片機電平相符,無需額外的電平轉(zhuǎn)換電路。該模塊采用COM-NC-NO三端口設(shè)計,即共同端、常開端和常閉端。其特點是體積小巧、靈活方便。當線圈通電時,COM-NO端口導(dǎo)通,可驅(qū)動電磁閥、繼電器等外部設(shè)備;當線圈斷電時,COM-NC端口導(dǎo)通。每個繼電器模塊都獨立連接到單片機的一個IO口,單片機通過控制IO口電平來控制繼電器的通斷。系統(tǒng)共設(shè)置了三個繼電器模塊:繼電器A用于控制風扇的運行,在濕度過高或溫度過高時開啟風扇,實現(xiàn)排濕或降溫功能。繼電器B控制電熱器的加熱功能,在溫度過低時啟動加熱,提高室內(nèi)溫度。繼電器C控制補光燈的開關(guān),在光照不足時打開補光,增強室內(nèi)光照強度。通過這三個繼電器及其對應(yīng)的執(zhí)行裝置,本系統(tǒng)可對教室內(nèi)的溫濕度、光照強度等環(huán)境參數(shù)進行實時調(diào)節(jié),為師生營造一個舒適、高效的學(xué)習空間。圖3-8繼電器原理圖3.9人體紅外檢測模塊本智能教室控制系統(tǒng)設(shè)計中，人體紅外檢測模塊用于檢測教室內(nèi)是否有人員活動，從而為系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)提供依據(jù)。人體紅外檢測模塊基于紅外傳感器原理工作，通過感應(yīng)人體發(fā)出的紅外輻射來判定教室內(nèi)是否有人。紅外傳感器利用人體散發(fā)的紅外輻射來檢測人體的存在。當有人員進入傳感器感應(yīng)范圍時，其散發(fā)的紅外輻射被傳感器捕捉，進而觸發(fā)信號輸出，系統(tǒng)據(jù)此判斷教室內(nèi)有人，從而可能啟動相應(yīng)的自動調(diào)節(jié)功能，如自動調(diào)節(jié)燈光亮度、空調(diào)溫度等。人體紅外檢測模塊通過適當?shù)慕涌陔娐放cSTM32F103單片機相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。一旦傳感器檢測到人體存在，單片機將接收到相應(yīng)信號，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制邏輯執(zhí)行相應(yīng)的操作，如調(diào)整教室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)至更適宜的水平。人體紅外檢測模塊的應(yīng)用，使得智能教室控制系統(tǒng)能夠更加智能地響應(yīng)教室內(nèi)人員活動情況，從而提供更舒適、更節(jié)能的學(xué)習環(huán)境。例如，在無人時，系統(tǒng)可以自動降低燈光亮度或關(guān)閉空調(diào)，實現(xiàn)節(jié)能；在有人時，則能自動調(diào)整環(huán)境參數(shù)至最佳狀態(tài)，提升學(xué)習效率。圖3-9人體紅外檢測模塊原理圖4軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1Keil4軟件介紹Keil4是一個用于MCS-51單片機開發(fā)的集成化開發(fā)環(huán)境,提供了項目管理、編輯、編譯、鏈接、模擬和調(diào)試等一體化工具。它支持多種芯片型號,并內(nèi)置了豐富的庫函數(shù)和例程,大大提高了開發(fā)效率。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于Keil4IDE,采用標準的C51語言編寫,借助Keil提供的編譯器和調(diào)試器,實現(xiàn)了對STM32F103單片機的程序編寫、仿真和燒錄等全流程支持。Keil4的文本編輯器支持多種編程語言的著色顯示和提示,方便程序編寫。其內(nèi)置的編譯器optimizers不僅可生成高效緊湊的目標代碼,還提供了多重優(yōu)化選擇,例如大小優(yōu)化和速度優(yōu)化等。生成的目標文件格式包括intel、motorola等行業(yè)標準hex格式。除了基本的編譯功能外,Keil4還集成了功能強大的模擬器,可以在不需實際目標板的情況下,模擬各類芯片在不同輸入條件下的運行情況,直觀查看內(nèi)存數(shù)據(jù)變化和寄存器狀態(tài),以及設(shè)置軟硬件斷點等調(diào)試手段。最大的亮點是其數(shù)據(jù)庫管理功能,支持多個工程和版本控制等復(fù)雜項目的管理。旗下還有除了器和編程器等硬件工具,可實現(xiàn)軟件設(shè)計、調(diào)試、最終燒錄等全流程開發(fā),方便了項目的后期維護和移植。4.2軟件流程設(shè)計4.2.1主程序流程介紹系統(tǒng)的主程序流程包含初始化、參數(shù)設(shè)置、實時監(jiān)測和異常處理四個主要階段。首先進行全局變量和I/O口的初始化,使能相關(guān)中斷請求,設(shè)置并初始化各模塊,完成系統(tǒng)的上電工作。然后進入按鍵狀態(tài)檢測循環(huán),如果發(fā)現(xiàn)按下設(shè)置按鍵,則進入?yún)?shù)設(shè)置子程序,修改對應(yīng)環(huán)境指標的上下限閾值。參數(shù)設(shè)置完成后返回主循環(huán)。主循環(huán)的核心是實時監(jiān)測子程序,周期性地讀取溫濕度、光照強度、PM2.5濃度等傳感器數(shù)據(jù),在OLED上顯示實時環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)置的閾值。如果檢測到任一環(huán)境參數(shù)超出設(shè)定范圍,則進入異常處理流程,通過SIM800C模塊發(fā)送報警短信。異?；謴?fù)正常后回到主循環(huán)的監(jiān)測狀態(tài)。整個過程中,如發(fā)現(xiàn)硬件模塊發(fā)生異常,也將觸發(fā)相應(yīng)的錯誤處理程序,防止系統(tǒng)死機。程序設(shè)計中還包含程序流程保護機制,以避免計時器溢出等意外干擾。圖4-1主程序流程圖4.2.2顯示子程序流程顯示子程序是系統(tǒng)軟件的核心之一,負責將檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)實時顯示在OLED液晶屏上。首先根據(jù)當前監(jiān)測階段獲取溫度、濕度、光照強度和PM2.5濃度四個環(huán)境參數(shù)的實時值。將這些數(shù)值格式化為字符串,并從LCD的顯示緩沖區(qū)的特定位置寫入。接著從全局變量中讀取用戶設(shè)置的閾值上下限,同樣格式化成字符串,顯示在上述數(shù)值的相鄰位置,方便用戶查看并及時作出調(diào)整。如果有任一數(shù)值超過設(shè)定閾值,則從字符LCD庫中取出報警/超出范圍的相關(guān)字符,寫入到顯示緩沖區(qū)的特定位置,對異常情況做出提示。最后,將緩沖區(qū)的文本數(shù)據(jù)一次性刷新顯示到OLED屏幕。該子程序循環(huán)執(zhí)行,以實現(xiàn)實時刷新顯示效果。同時,針對LCD的并行接口、復(fù)用顯示等特性,在字符顯示時需注意時序控制和地址偏移等關(guān)鍵點。在程序中還設(shè)置了異常退出機制,以防無限循環(huán)等風險。圖4-2顯示子程序流程圖4.2.3按鍵子程序流程按鍵子程序負責掃描按鍵狀態(tài),讀取按鍵輸入,根據(jù)操作修改環(huán)境參數(shù)的上下限閾值。基本流程如下:首先掃描P3端口的電平狀態(tài)變化,判斷是否有新的按鍵事件發(fā)生。如有按鍵按下事件,則根據(jù)對應(yīng)的端口線編號,標識出是哪個參數(shù)的按鍵被按下。如果是短按鍵事件,則對該參數(shù)值進行單步加一或減一修改;如是長按事件,則以一定時間間隔周期性地連續(xù)加一或減一,實現(xiàn)快速參數(shù)調(diào)整。修改參數(shù)時需注意閾值合法性,如低于允許最小值則置為最小值,高于允許最大值則置為最大值,防止非法數(shù)據(jù)輸入。同時還要分低位和高位分別進行加減操作,兩位之間考慮進位和借位的特殊情況。修改完成后,將新的參數(shù)值實時寫入全局變量,并在LCD顯示子程序中實時顯示在屏幕上。按鍵子程序的關(guān)鍵是按下事件的檢測和判斷。掃描按鍵電平時需要一定的硬件去抖方法,防止抖動干擾。長按和短按的判斷則需要借助單片機的定時器計時功能,精確計算時間差。該程序設(shè)計了出口機制,在無按鍵輸入時及時退出,減少資源占用。圖4-3按鍵子程序流程圖

5系統(tǒng)仿真與測試5.1Proteus軟件介紹本系統(tǒng)的仿真模擬是基于Proteus軟件，Proteus是一款由LabcenterElectronics公司開發(fā)的電子系統(tǒng)設(shè)計及仿真軟件套件,廣泛應(yīng)用于電子工程師的電路設(shè)計、仿真調(diào)試、PCB制作和代碼編程等環(huán)節(jié)。它是一個集成了多種功能模塊的全能型EDA(電子設(shè)計自動化)工具,可以極大提高電路設(shè)計和開發(fā)的效率。Proteus主要由兩大組件構(gòu)成，ISIS是Proteus中用于電路原理圖捕捉和仿真的核心模塊。它提供了一個功能豐富的繪圖環(huán)境,用戶可以在其中設(shè)計各種類型的模擬和數(shù)字電路,支持PIC、AVR、ARM、8051等多種單片機和微控制器。ISIS中集成了超過10,000個虛擬仿真模型,包括各類邏輯芯片、模擬器件、顯示設(shè)備、電機等,涵蓋了電路設(shè)計中需要使用的絕大部分元器件。這些模型能夠非常真實地模擬實際電路的工作狀態(tài),為電路調(diào)試和驗證提供了有力支持。ARES則是Proteus中用于PCB設(shè)計和制作的模塊。它提供了自動布線、手動布線和快速布線等多種布線工具,并支持34層PCB設(shè)計。ARES模擬器還能在PCB設(shè)計時實時檢查和避免電路短路、交叉、阻抗失配等常見PCB設(shè)計錯誤。當PCB設(shè)計完成后,用戶可以直接將其輸出為Gerber文件提供給PCB制造商生產(chǎn)。5.2仿真展示在完成硬件電路和軟件程序的設(shè)計之后,我們使用ProteusISIS虛擬仿真環(huán)境對整個系統(tǒng)進行了仿真測試。部分程序如下：#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#include"BH1750.c"#include"LCD1602.h"#include"dht11.c"#include"eeprom52.H"ucharxdataGSM_dat[100];ucharawait_time,subscript_1;ucharSendTimeOK;ucharDHT11_dat[5]=0;uchar U8RH_data_H=0,U8T_data_H=0; uintdis_temp;floatAllTime;uintspill;uintpm_density;//低脈沖率高位。低脈沖率低位，比率，顆粒，濃度PM_URVpm上限值bitonce,Cls_flag,read_dht11,read_ok;intdis_data;//變量ucharxdataSystem_ID[8];//>下面開始定義存儲部分bitMemory_flag=0;voiddelay(uintys){ while(ys--);}voidUart1Data(uchardat){ SBUF=dat; while(!TI); TI=0; }voidUartData_Byte(uchar*byte){ while(*byte!='\0') { Uart1Data(*byte++); }}voidMemory() //存儲函數(shù)，存儲的是設(shè)備ID號{ if(Memory_flag==1) //存儲標志，置一開始存儲 { Memory_flag=0; SectorErase(0x2000); //擦除存儲扇區(qū) byte_write(0x2000,System_ID[0]); //將八位的設(shè)備號存儲到不同地址下面 byte_write(0x2001,System_ID[1]); byte_write(0x2002,System_ID[2]); byte_write(0x2003,System_ID[3]); byte_write(0x2004,System_ID[4]); byte_write(0x2005,System_ID[5]); byte_write(0x2006,System_ID[6]); byte_write(0x2007,System_ID[7]); UartData_Byte("設(shè)置成功，請重啟設(shè)備\r\n"); //串口發(fā)送一句設(shè)置完成，提示用戶設(shè)備ID設(shè)置成功 }}voidRead_Memory() //讀存儲{ unsignedchari=0; for(i=0;i<8;i++)// { System_ID[i]=byte_read(0x2000+i); //將地址下的數(shù)據(jù)讀取出來賦值給ID數(shù)組 } System_ID[8]='\0'; //清空一下第九個位置 UartData_Byte("\r\nSystem_ID>"); //這里是上電發(fā)送一次數(shù)據(jù)，方便調(diào)試觀察 UartData_Byte(System_ID); UartData_Byte("\r\n");}仿真結(jié)果具體如下：圖5-1初始狀態(tài)圖5-2系統(tǒng)上電運行如圖5-3所示，當檢測到人體，室外溫度小于14攝氏度，室內(nèi)溫度小于18攝氏度，此時啟動暖空調(diào)，給教室進行加熱。（繼電器控制的加熱裝置啟動了）圖5-3教室內(nèi)溫度的控制如圖5-4所示，當檢測到人體，室內(nèi)溫度超過25攝氏度的時候，啟動降溫風扇。此時降溫風扇的擋位為1，OLED上顯示擋位為1擋，風扇啟動。圖5-4教室內(nèi)溫度的控制如圖5-5所示，當檢測到人體，室內(nèi)溫度超過26攝氏度的時候，啟動降溫風扇。此時降溫風扇的擋位為2，OLED上顯示擋位為2擋，風扇轉(zhuǎn)動速度繼續(xù)加快。圖5-5教室內(nèi)溫度的控制如圖5-6所示，當檢測到人體，室內(nèi)溫度超過27攝氏度的時候，啟動降溫風扇。此時降溫風扇的擋位為3，OLED上顯示擋位為3擋，風扇轉(zhuǎn)動速度最快。圖5-6教室內(nèi)溫度的控制如圖5-7所示，當檢測到人體，室內(nèi)溫度超過30攝氏度的時候，啟動降溫空調(diào)，此時仿真中的繼電器啟動，控制教室內(nèi)的制冷裝置進行制冷。圖5-7教室內(nèi)溫度的控制如圖5-8所示，通過按鍵1可以切換到煙霧濃度閾值設(shè)置界面，通過按鍵2和按鍵3可以實現(xiàn)煙霧閾值的調(diào)節(jié)。圖5-8教室內(nèi)的火災(zāi)檢測如圖5-9所示，當檢測到煙霧濃度超過設(shè)定的閾值，同時溫度超過45攝氏度的時候，此時蜂鳴器進行報警。OLED顯示屏幕顯示“fire”表示此時有火災(zāi)。圖5-9教室內(nèi)火災(zāi)檢測如圖5-10所示，通過光敏電阻模擬外界光線變化，當檢測到室內(nèi)有人的時候，檢測到的光強越小，室內(nèi)燈光越亮；如下圖，此時教室內(nèi)有人，光強最小，數(shù)值為0，代表外界光線最暗，此時教室燈光的亮度最大。圖5-10教室內(nèi)的燈光控制如圖5-11所示，當教室內(nèi)有人，當外界光線較好的時候，光照強度增加，例如，當光強數(shù)值為28的時候，此時教室燈光的亮度較上圖相比明顯變暗。圖5-11教室內(nèi)的燈光控制如圖5-12所示，當教室內(nèi)有人，當外界光線非常好的的時候，光照強度繼續(xù)增加，例如，當光強數(shù)值為80的時候，此時教室燈光的完全關(guān)閉，因為此時教室內(nèi)的光照完全滿足照明需求。圖5-12教室內(nèi)的燈光控制如圖5-13所示，當教室內(nèi)無人，及時教室內(nèi)光線很暗，光強為0，此時燈光仍然關(guān)閉。符合節(jié)能需求，有人開燈，無人關(guān)燈。圖5-13教室內(nèi)的燈光控制如圖5-14所示，當室外溫度過高并且光強大于閾值的時候，窗簾關(guān)閉，否則窗簾打開。，這里能看到步進電機代表的窗簾角度發(fā)生變化，室外溫度超過30攝氏度，同時光照強度大于60的時候，此時關(guān)閉窗簾。圖5-14窗簾的控制如圖5-15所示，通過按鍵2可以設(shè)置安防模式，此時OLED上顯示“開”，表示安防模式已經(jīng)打開。圖5-15教室安防系統(tǒng)如圖5-16所示，安放模式下，如果通過紅外傳感器檢測人體，當檢測到人體的時候，進行報警，此時蜂鳴器開始驅(qū)動報警，同時OLED屏幕上顯示“有”。圖5-16教室安防系統(tǒng)5.3仿真結(jié)果分析對于本智能教室控制系統(tǒng)的Proteus仿真,我們可以總結(jié)出以下幾點:系統(tǒng)的總體設(shè)計方案是可行的,各硬件模塊均能與單片機正確連接,并在軟件控制下正常工作?？刂栖浖绦蛟O(shè)計基本正確,能夠根據(jù)檢測到的環(huán)境參數(shù)并執(zhí)行相應(yīng)的控制策略,實現(xiàn)對窗簾、空調(diào)、照明和通風設(shè)備的自動調(diào)節(jié),滿足節(jié)能、安防等功能需求。通過模擬多種典型和極端工作環(huán)境,驗證了系統(tǒng)的魯棒性,即使在溫度、煙霧等參數(shù)發(fā)生劇烈變化時,系統(tǒng)也能正確響應(yīng),不會出現(xiàn)異常。經(jīng)過仿真測試,為后續(xù)真實硬件的組裝和調(diào)試奠定了良好的基礎(chǔ),大大減少了實物調(diào)試的時間成本和潛在風險。由于Proteus本身的仿真模型與實際存在一定偏差,后