基于STM32的智能窗簾設(shè)計(jì)

摘要智能窗簾控制系統(tǒng)是一種方便快捷的智能環(huán)境監(jiān)測與調(diào)節(jié)的家居系統(tǒng)。隨著智能化家居產(chǎn)品的產(chǎn)生與廣泛應(yīng)用，越來越多的智能化家居系統(tǒng)應(yīng)用于人們的住宅設(shè)計(jì)中，作為智能家居系統(tǒng)的一部分，智能窗簾控制系統(tǒng)的功能越來越多，能滿足不斷升級(jí)的新型住宅需求，并實(shí)現(xiàn)它的實(shí)用價(jià)值。本文基于ARM-STM32單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理和通訊控制功能設(shè)計(jì)了一套智能窗簾控制系統(tǒng)。重點(diǎn)分析研究了窗簾與單片機(jī)之間的通訊控制技術(shù)。該系統(tǒng)集手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制、聲控以及光控等為一體，并可根據(jù)需求設(shè)置窗簾開合時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的半自動(dòng)控制和自動(dòng)控制功能。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要包括:光強(qiáng)及溫濕度檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、多模式切換模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、語音識(shí)別模塊等部分?？梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的自動(dòng)及半自動(dòng)控制且該系統(tǒng)具有成本低廉、抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)窗簾功能單一，智能化程度不高的缺點(diǎn)，能夠?qū)嶋H應(yīng)用在百葉窗等一系列窗簾的控制中,具有一定的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：STM32；智能窗簾；溫濕度檢測；語音識(shí)別；遠(yuǎn)程控制；

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u引言 11.1課題背景及其意義 11.2國內(nèi)外的研究狀況 21.3本文的主要研究內(nèi)容 21.4論文結(jié)構(gòu)安排 31.5本章小結(jié) 3 42.1整體電路的確定 42.2主控制器方案選擇 42.3溫濕度模塊方案選擇 52.4遠(yuǎn)程控制模塊方案選擇 62.5按鍵電路方案選擇 72.6語音控制模塊方案選擇 72.7顯示屏方案選擇 82.8光照強(qiáng)度模塊方案選擇 82.9超聲波測距模塊方案選擇 92.10本章小結(jié) 9第三章硬件電路的設(shè)計(jì) 103.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 103.2主控電路 103.3電源電路 113.4按鍵電路 123.5ESP8266WIFI遠(yuǎn)程控制模塊 123.6LM393光照強(qiáng)度檢測模塊 133.7DHT11溫濕度檢測模塊 143.8LD3320語音控制模塊 153.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 163.10OLED顯示屏模塊 163.11HC-SR04超聲波測距模塊 173.12本章小結(jié) 18第四章系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 184.1編程語言選擇 184.2單片機(jī)程序開發(fā)環(huán)境 184.3系統(tǒng)主程序 194.4溫濕度檢測模塊程序 204.5遠(yuǎn)程控制模塊程序 214.6按鍵電路程序 224.7OLED顯示屏程序 234.8語音控制模塊程序 244.9超聲波測距模塊程序 254.10本章小結(jié) 25第五章系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試 265.1溫濕度測試數(shù)據(jù)分析 265.2光照強(qiáng)度采集測試數(shù)據(jù)分析 275.3語音控制距離測試 275.40.96寸OLED顯示屏顯示測試 285.5遠(yuǎn)程控制測試 295.6本章小結(jié) 29第六章總結(jié)與展望 316.1總結(jié) 316.2展望 31致謝 33引言1.1

課題背景及其意義隨著現(xiàn)代科技的不斷飛速發(fā)展,智能化技術(shù)正以難以想象的巨大速度逐步滲入社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中。窗簾作為一種日常家居用品，正在迅速發(fā)生前所未有的技術(shù)變革，尤其是在自動(dòng)化控制領(lǐng)域，對(duì)傳統(tǒng)窗簾控制系統(tǒng)有了新的技術(shù)要求。這些改進(jìn)的技術(shù)不僅為傳統(tǒng)家居控制帶來了新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，也提出了新的科研課題。當(dāng)前，大部分家用窗簾依舊采用手動(dòng)扣環(huán)鋼絲掛在墻上，只有很少的住戶使用智能化或電子遙控窗簾。這主要由于智能窗簾的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)比傳統(tǒng)手工窗簾要高出不少,再加上現(xiàn)在的智能窗簾大多并不能滿足用戶的需求,而人們又覺得用人工關(guān)開門窗并沒有耽誤什么時(shí)間,所以智能門窗并沒有在人類的日常生活中進(jìn)行廣泛應(yīng)用。也就是由于這樣,智能窗簾在人類的日常生活當(dāng)中才有著更大的發(fā)揮空間。但是,如果真要進(jìn)一步提高智能窗簾的普及程度,就必須我們研發(fā)出功能模塊全、智能水平高、造價(jià)成本低,并且適合于每個(gè)家庭的智能自動(dòng)控制門窗。從智能窗簾的控制方式來說,主要可以包括:光照強(qiáng)度控制、定時(shí)控制、語音控制、紅外遙控等。但是,在人們的生活中,噪音管理往往會(huì)由于噪音而顯得很難進(jìn)行。所以大部分智能窗簾并不選擇聲控的方法,但語音控制確實(shí)是一種方便且智能的控制方式。若能以低廉的價(jià)格、清晰的結(jié)構(gòu)、高靈敏度、遠(yuǎn)距離控制、定時(shí)控制和光感控制相結(jié)合的智能窗簾系統(tǒng)，將會(huì)有很大的發(fā)展空間。本課題從智能窗簾的實(shí)用性和智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值出發(fā)，以窗簾為研究對(duì)象，研制一款智能窗簾。本系統(tǒng)在進(jìn)行多個(gè)測試目標(biāo)和控制模塊共同作業(yè)的同時(shí)，還必須采用多種接口規(guī)范與MCU相結(jié)合，并通過MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的加工，從而達(dá)到實(shí)時(shí)測量和監(jiān)控的目的。而利用單片機(jī)來完成家居產(chǎn)品智能化的控制，不但便于信息的采集而且對(duì)產(chǎn)品的管理也十分簡易。該方案具有柔性好等特點(diǎn)，能夠極大地改善各個(gè)組件與芯片之間的協(xié)同性能，極大地提升了整個(gè)應(yīng)用程序的可用性。本課題的開發(fā)系統(tǒng)充分發(fā)揮STM32的優(yōu)勢，以STM32為主要控制單元，以其軟體和軟體兩部分構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。該硬件部分由單片機(jī)擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入/輸出裝置、多種界面、接口、相關(guān)周邊電路或組件構(gòu)成，這些電路可以滿足MCU的控制需求；軟件包括多種工作流程和管理程序，這些都是通過單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)來完成具體的控制函數(shù)。最終，結(jié)合用戶的需求，實(shí)現(xiàn)了這種智能窗簾，不僅方便了人們的日常使用，也能為消費(fèi)者采購智能窗簾多一種選擇。如今人們對(duì)室內(nèi)設(shè)計(jì)智能化的要求也越來越高，方便與舒適的智能窗簾對(duì)于現(xiàn)代快節(jié)奏的人們生活來說，是適應(yīng)現(xiàn)代化辦公和生活環(huán)境的需要，是人們生活水平提高的一個(gè)標(biāo)志[1]。隨著各行業(yè)公司對(duì)研發(fā)智能窗簾的投資可以看出發(fā)展前景十分廣闊，也預(yù)見其在未來市場會(huì)占有很大空間。1.2

國內(nèi)外的研究狀況在歐洲，一些發(fā)達(dá)國家，窗飾智能化已經(jīng)成為了時(shí)尚家居的一大標(biāo)志，其智能便捷的特點(diǎn)使其引領(lǐng)國內(nèi)窗飾市場的潮流。電動(dòng)窗簾早已廣泛應(yīng)用，10年前電動(dòng)窗簾開始進(jìn)入我國，在此后短短幾年時(shí)間里，生產(chǎn)商由最初的幾家增加到如今的百余家，發(fā)展十分迅速[2]。目前，我國遙控自動(dòng)窗簾系統(tǒng)生產(chǎn)廠商、分銷商、集成商已形成相當(dāng)規(guī)模，不少國內(nèi)知名企業(yè)紛紛涉足遙控自動(dòng)窗簾系統(tǒng)行業(yè)，比如小米旗下的米家、公牛電器、美的、TCL王牌等，并涌現(xiàn)出一些影響力比較大的智能家居生產(chǎn)廠商，如北京科創(chuàng)者科技有限公司、深圳市蘇米科技有限公司、北京美琪閣力有限公司、深圳綠米聯(lián)創(chuàng)科技有限公司、寧波杜亞機(jī)電技術(shù)有限公司等。智能窗簾的應(yīng)用范圍也得到了擴(kuò)展，除了辦公樓、酒店、演播廳、教學(xué)樓等大型公共場所以外，自動(dòng)窗簾產(chǎn)品還走進(jìn)了普通家庭，得到了用戶的諸多好評(píng)，展示了其巨大的應(yīng)用潛力[3]。隨著智能窗簾熱潮的在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展、電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和人類生活水平的日益改善,窗簾的智能化程度也日益增強(qiáng),智能窗簾勢必作為未來家居風(fēng)潮與發(fā)展的新方向,在不久的將來,缺乏智能窗簾控制的居室也必將落伍。據(jù)調(diào)查表明,中國國內(nèi)目前的電動(dòng)窗簾產(chǎn)品已經(jīng)申報(bào)了一百七十多個(gè)國家的專利,雖然它們的技術(shù)原理基本相同,但一般售價(jià)都在第五百至數(shù)千元左右,且它們的共同缺陷是價(jià)格高、靈活性差、不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。1.3本文的主要研究內(nèi)容本文首先分析了國內(nèi)外智能電動(dòng)窗簾的研究現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)以及在智能家居方面的實(shí)際應(yīng)用情況，總結(jié)了智能電動(dòng)窗簾的特性。設(shè)計(jì)了以嵌入式芯片STM32F103C8T6單片機(jī)為主控的智能窗簾控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)整體硬件電路的構(gòu)思及采購、焊接和調(diào)試。本設(shè)計(jì)智能窗簾控制系統(tǒng)可以接收來自PC機(jī)串口調(diào)試助手或者手機(jī)app通過WIFI遠(yuǎn)程發(fā)出的控制命令，完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制模擬窗簾的打開關(guān)閉。通過試驗(yàn)證明了本文設(shè)計(jì)的智能窗簾控制系統(tǒng)具有操作簡單方便、功耗低、性能穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。具體的研究內(nèi)容如下：（1）WIFI遠(yuǎn)程控制窗簾工作，顯示屏實(shí)時(shí)記錄室內(nèi)環(huán)境變化并根據(jù)環(huán)境變化比如光照強(qiáng)度控制窗簾的開關(guān)，以此應(yīng)對(duì)不同天氣下窗簾的開關(guān)狀態(tài)。（2）利用智能語音識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾不同模式下開關(guān)狀態(tài)的控制。使用STM32F103C8T6內(nèi)部定時(shí)器，控制窗簾的開關(guān)時(shí)間。（3）制作模型模擬實(shí)物，測試系統(tǒng)各功能能否按照理論結(jié)果運(yùn)行。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，分析誤差和模擬失敗的原因。再查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)軟硬件資料進(jìn)一步完善相關(guān)功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在軟件程序編寫方面，對(duì)ST公司3.5固件庫進(jìn)行了深入的學(xué)習(xí)和研究，從51MCU直接對(duì)寄存器進(jìn)行控制的編程方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔霉碳斓暮瘮?shù)接口來間接地控制STM32的寄存器，通過對(duì)STM32進(jìn)行了詳細(xì)的分析，學(xué)習(xí)和了解了STM32串口通信的通信模式，并編制了功能函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)智能窗簾進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的目的。基于上述的硬件與軟件基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種智能的家庭窗簾控制系統(tǒng)，通過手機(jī)app實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令，在一定距離的無線輻射下，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的自動(dòng)控制。最后，對(duì)整個(gè)智能窗簾控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行性能測試，得到了科學(xué)的測試數(shù)據(jù)，完成測試報(bào)告各項(xiàng)數(shù)據(jù)的記錄。通過測試后發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)的不完善部分，并經(jīng)過深入的學(xué)習(xí)和研究，完成了整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。1.4論文結(jié)構(gòu)安排第一章總體介紹了智能電動(dòng)窗簾的背景，對(duì)國內(nèi)外智能窗簾的發(fā)展研究狀況進(jìn)行總結(jié)，進(jìn)一步分析了本文設(shè)計(jì)的智能窗簾控制系統(tǒng)應(yīng)用的可行性。第二章分析了當(dāng)前智能窗簾的主要應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展背景,根據(jù)整個(gè)控制系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出了整個(gè)控制系統(tǒng)的主要智能硬件控制系統(tǒng),并提供了硬件系統(tǒng)及電路原理圖,采購必需的元器件，完成整個(gè)系統(tǒng)的焊接及電路測試。第三章根據(jù)人們的不同需求，設(shè)計(jì)出兩種控制方式：按鍵控制技術(shù)和無線通信控制技術(shù)。完成無線模塊硬件電路的設(shè)計(jì)焊接調(diào)試。第四章使用KeilMDK集成開發(fā)工作環(huán)境,根據(jù)ST公司3.5固件庫的程序設(shè)計(jì)方法,并按照相應(yīng)的硬件要求,來進(jìn)行用軟件編寫系統(tǒng)項(xiàng)目程序的全過程。完成了控制系統(tǒng)接受來自于上位PC機(jī)和移動(dòng)手機(jī)app,發(fā)出不同的控制指令。第五章進(jìn)行了系統(tǒng)測試與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。測試系統(tǒng)各個(gè)模塊對(duì)數(shù)據(jù)的采集是否有誤。記錄多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)加以分析和匯總，對(duì)數(shù)據(jù)有誤的地方進(jìn)行改進(jìn)。第六章總結(jié)和展望,對(duì)本設(shè)計(jì)的涉及的所有研發(fā)設(shè)計(jì)工作都做了全面總結(jié),并從實(shí)際產(chǎn)品的角度和未來發(fā)展趨勢剖析了智能窗簾控制系統(tǒng)在將來可進(jìn)行提升優(yōu)化的發(fā)展方向。1.5本章小結(jié)本章主要介紹了智能窗簾的研究背景和意義、傳統(tǒng)窗簾的發(fā)展歷程和存在的不足。此外，詳細(xì)闡述了本系統(tǒng)研究的意義和目的，與傳統(tǒng)智能窗簾的突出優(yōu)勢和創(chuàng)新之處。本章通過對(duì)系統(tǒng)整體電路以及現(xiàn)今用戶對(duì)智能窗簾的需求，來確定本設(shè)計(jì)所需實(shí)際功能。通過對(duì)比各個(gè)模塊電路的設(shè)計(jì)方案及要求，綜合考慮各方面的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行最終的方案選擇，并對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行了相關(guān)描述。2.1整體電路的確定隨著科技的快速發(fā)展,形形色色的家庭電子設(shè)備也日趨智能,隨著人類對(duì)日常家居生活質(zhì)量的要求不斷提高,智能家居產(chǎn)品也在近幾年得到了飛速發(fā)展[4]。本文設(shè)計(jì)的智能窗簾控制系統(tǒng),使用STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)主控,具備WIFI遠(yuǎn)程控制、利用室外光照強(qiáng)度控制、智能人聲語音控制、超聲波測距警示、溫濕度模塊電路實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫濕度、定時(shí)開關(guān)、一鍵拆卸等一系列功能。根據(jù)用戶對(duì)智能窗簾功能的需求,本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要包括:光照強(qiáng)度控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵電路、遠(yuǎn)程控制模塊、語音控制等部分?？傮w設(shè)計(jì)思路框架圖如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖2.2主控制器方案選擇系統(tǒng)主控芯片的選擇關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能能否實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)的核心控制單元。目前市場上應(yīng)用比較廣泛的有51單片機(jī)和32單片機(jī)，現(xiàn)就對(duì)這兩款微控制芯片進(jìn)行系統(tǒng)分析，根據(jù)實(shí)際需求和功能進(jìn)行選擇。方案一：采用ATC89C51單片機(jī)51單片機(jī)最早是由Intel公司所開發(fā)的一款八位單片機(jī),其擁有經(jīng)典的架構(gòu)和完備的總線專用寄存器管理、多邏輯位計(jì)算功能和豐富的控制指令系統(tǒng),堪稱一代經(jīng)典之作。其微型的可編程數(shù)碼控制器,分別使用了二個(gè)控制八位的可編程數(shù)字編碼器的Flash和八位的高性能系統(tǒng)CMOS的CPU,和其他單片機(jī)比較,它具有成本較低廉、功耗較小的特點(diǎn)，控制電路簡單且使用方便。但也存在缺點(diǎn):（1）功能受限,如AD、EEPROM等基本功能都必須靠擴(kuò)展,同時(shí)加大了硬件和軟件的負(fù)荷。（2）雖然I/O腳使用簡單，但高電平時(shí)無輸出能力。（3）I/O腳的使用雖然簡單,但在高電平下卻沒有輸出能力,且運(yùn)算速率也太慢。（4）51單片機(jī)自身的保護(hù)能力差,芯片易損壞。方案二:采用STM32F103C8T6單片機(jī)由ST廠商推出的STM32系列單片機(jī)，是一款性價(jià)比超高的系列單片機(jī)，應(yīng)該沒有之一，功能及其強(qiáng)大。擁有專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARMCortex-M內(nèi)核；同時(shí)具有一流的外設(shè)，1μs的雙12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等[5]。具備功耗低和集成度高的優(yōu)點(diǎn)。功能特點(diǎn)如下：（1）采用ARM32位Cortex-M3CPU內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz，單周期乘法和硬件除法。（2）存儲(chǔ)器：片內(nèi)集成了512KB的Flash存儲(chǔ)器，64KB的SRAM存儲(chǔ)器。（3）時(shí)鐘、復(fù)位控制和電源工作:2.0-3.6V的電源供電和I/O連接的驅(qū)動(dòng)電流,POR、PDR和可編程的電流檢測器(PVD),4-16MHz的晶體振蕩器,內(nèi)嵌在出廠時(shí)調(diào)校的8MHzRC震蕩集成電路,內(nèi)置40kHz的RC振蕩電路,用作CPU時(shí)鐘速度調(diào)整的PLL,內(nèi)帶校準(zhǔn)的RTC的32kHz的晶體振蕩器。（4）調(diào)試模式：串行調(diào)試（SWD）和JTAG接口，最多高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口、最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器、最多多達(dá)13個(gè)通信接口。STM32系列微控制具有更高的實(shí)時(shí)性能、更快的處理速度以及更多的內(nèi)置外設(shè),且能夠在最大程度上集成整合,更易于產(chǎn)品的開發(fā),使其快速進(jìn)入市場，是完全適合本設(shè)計(jì)的控制器。經(jīng)分析對(duì)比,STM32單片機(jī)運(yùn)行速度比STC89C51單片機(jī)快很多,且具有眾多片上外設(shè),故本設(shè)計(jì)選擇STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控制器。2.3溫濕度模塊方案選擇方案一：采用SHT20溫濕度傳感器模塊SHT20型溫度、濕度測量系統(tǒng)是以數(shù)碼感應(yīng)技術(shù)為基礎(chǔ)，其工作性能可靠，使用壽命長。采用全量程定標(biāo)，雙線型接，可與微處理器聯(lián)接，大幅度減少開發(fā)周期；精簡周邊線路，減少成本。另外，它具有微型化、響應(yīng)快、能耗低、可浸沒、抗干擾能力強(qiáng)、溫濕一體、同時(shí)具有較廣的溫度和濕度測量范圍，具有較高的價(jià)格優(yōu)勢，適用于各種場合。在0-100%RH下可進(jìn)行水分測定。該方法具有約±3%RH的精度；溫度測量范圍：-40~125℃、溫度測量精度約為±0.3℃。工作電壓：2.1-3.6V，采用DC電源供電。方案二：采用DHT11溫濕度傳感器模塊本設(shè)計(jì)使用DHT11溫濕度傳感器的數(shù)字溫濕度一體感應(yīng)器模塊,它含有已經(jīng)標(biāo)定的數(shù)碼信號(hào),并使用了獨(dú)特的數(shù)字模組和溫度傳感技術(shù),保證了本系統(tǒng)的可靠及持久穩(wěn)定運(yùn)行。該感應(yīng)器主要由電阻型溫濕度傳感器元件和溫度檢測器件所構(gòu)成,并由一組B位的高功能微處理器相連。且擁有優(yōu)異的質(zhì)量、極迅速的反應(yīng)、較強(qiáng)的抗干擾能力,以及較高的性價(jià)比。DHT11的每一種感應(yīng)器,都是在極為精密的溫濕度傳感器標(biāo)定室中完成溫度標(biāo)定。校正系數(shù)通常是以程序的形式儲(chǔ)存于存儲(chǔ)器中,而當(dāng)對(duì)測量信息進(jìn)行處理時(shí),可以再調(diào)用這些校正系數(shù)。另外,由于它使用了單線串行接口,大大簡化了對(duì)軟件系統(tǒng)的整合工作,使系統(tǒng)集成更加簡便快捷。而憑借它超小的體積和相對(duì)較小的耗電量使其成為各工作環(huán)境中的優(yōu)先選擇。綜上考慮，本設(shè)計(jì)中選擇采用DHT11溫濕度一體傳感器模塊檢測室內(nèi)溫濕度，并實(shí)時(shí)上傳顯示屏反映溫濕度信息。2.4遠(yuǎn)程控制模塊方案選擇本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制方式大概有三種可行方案，有線連接、藍(lán)牙技術(shù)和WIFI技術(shù)遠(yuǎn)程控制，基于本設(shè)計(jì)的要求，不考慮有線連接。方案一：采用BC-26遠(yuǎn)程通訊模塊BC-26遠(yuǎn)程通訊模塊是移遠(yuǎn)通信開發(fā)設(shè)計(jì)的一款基于全網(wǎng)通的遠(yuǎn)程通信模塊，BC-26遠(yuǎn)程通訊模塊自帶MQTT協(xié)議，用戶僅需在MCU程序中寫入調(diào)用程序即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，與ESP8266WIFI模塊不同的是BC-26遠(yuǎn)程通訊模塊不需要連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)[7]。其通信網(wǎng)絡(luò)是利用了運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，只要在手機(jī)信號(hào)基站覆蓋的地方就能將數(shù)據(jù)信息上傳至服務(wù)器，不會(huì)受本地局域網(wǎng)的制約，同時(shí)不會(huì)受到距離的影響，可以做到遠(yuǎn)距離控制。方案二：采用ESP8266WIFI模塊ESP8266WIFI模塊是一款物聯(lián)網(wǎng)WiFi芯片，其內(nèi)部電路簡單，但性能較為穩(wěn)定，利用ESP8266WIFI模塊連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，配合MQTT協(xié)議可連接阿里云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和接收，ESP8266WIFI模塊有三種工作模式，通常我們利用AT指令，對(duì)其進(jìn)行控制，使用ESP8266WIFI模塊連接服務(wù)器時(shí)，有一個(gè)必要前提就是需要連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，所以ESP8266WIFI模塊適用于一些智能居家設(shè)備的控制。方案三：采用藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制藍(lán)牙遠(yuǎn)程控制技術(shù),是一個(gè)可以支持雙設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)短一段距離通訊的技術(shù),它最大傳輸速率為0.3-50kpb,由于速率比較慢,最大傳輸距離也僅為10m左右,通過兩個(gè)同時(shí)支持藍(lán)牙通信技術(shù)的裝置,就能夠完成實(shí)時(shí)短一段距離傳輸,并且使用成本也較高，主打低功耗性能，利用藍(lán)牙設(shè)備能夠有效簡化移動(dòng)終端通信的簡化。綜上所述，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求分析，藍(lán)牙主導(dǎo)短距離傳輸，并且速度也相比于無線寬帶較慢，可能會(huì)造成數(shù)據(jù)延遲傳輸?shù)暮蠊?，WiFi不具備以上的缺點(diǎn)，并且對(duì)人體無害，而BC-26遠(yuǎn)程通訊模塊雖然能在智能家居上使用但考慮到所需功能和經(jīng)濟(jì)，本設(shè)計(jì)采用選擇ESP8266WiFi模塊遠(yuǎn)程控制。2.5按鍵電路方案選擇方案一：選擇獨(dú)立式按鍵輸入此方案每個(gè)鍵值對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O口，當(dāng)按下某個(gè)按鈕時(shí)，其對(duì)應(yīng)鍵值發(fā)生改變，從低電平轉(zhuǎn)為高電平或從低電平轉(zhuǎn)到高電平，產(chǎn)生輸入信號(hào)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，且各個(gè)按鍵獨(dú)立作用。方案二：選擇矩陣鍵盤輸入矩陣鍵盤通過占用單片機(jī)8個(gè)IO信號(hào)端口實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展按鍵信號(hào)編碼功能，即可實(shí)現(xiàn)一種擴(kuò)展式的按鍵信號(hào)編碼中斷功能，當(dāng)按下按鍵產(chǎn)生中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU轉(zhuǎn)向自動(dòng)執(zhí)行矩陣鍵盤信號(hào)掃描子程序并自動(dòng)標(biāo)識(shí)出鍵號(hào)，完成輸入的作用。綜上所述,若結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能分析,由于所需完成的功能并不多,故所需的鍵盤數(shù)量不宜過多,而且獨(dú)立鍵盤比矩陣鍵盤編程更簡便,因此使用獨(dú)立按鍵。2.6語音控制模塊方案選擇語音識(shí)別技術(shù)是近年來信息技術(shù)領(lǐng)域重要的科技發(fā)展技術(shù)之一，為實(shí)現(xiàn)科技智能化提供了很大的便利。目前家居領(lǐng)域也出現(xiàn)了語音識(shí)別控制各種家居產(chǎn)品，為人們提供了更方便快捷的生活環(huán)境[8]。隨著物互聯(lián)的蓬勃發(fā)展,對(duì)家居產(chǎn)品的智能控制管理將會(huì)得到越來越大的應(yīng)用,而語音作為一個(gè)自然簡單的手段也是一個(gè)高效簡單的控制方法。語音識(shí)別技術(shù),是讓機(jī)械經(jīng)過辨識(shí)與理解過程將聲音信息轉(zhuǎn)化為一定的語言或指令的技術(shù)。語音識(shí)別目前主要運(yùn)用于車載聯(lián)網(wǎng)、智慧翻譯、智慧家庭、自動(dòng)駕駛、車載導(dǎo)航等方面。方案一：采用隱馬爾可夫模型（HMM）的方法語音訓(xùn)練模塊的重要功能就是對(duì)多次收集和獲得的語言特征標(biāo)準(zhǔn)向量進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)分析,從而獲得講話人的最佳語言特征標(biāo)準(zhǔn)向量,避免由于講話人的個(gè)人情緒、環(huán)境等原因,造成語言特征參數(shù)的提取過程不正確,影響效率。因此,該模式一般包含了概率計(jì)算、參數(shù)評(píng)估等過程,用隱馬爾可夫模型實(shí)現(xiàn)[9]。該算法主要使用于大量識(shí)別命令,要求更多的模型訓(xùn)練數(shù)量、較長的練習(xí)時(shí)間和識(shí)別時(shí)間以及很大的存儲(chǔ)空間。方案二：采用LD3320語音識(shí)別模塊LD3320語音識(shí)別模塊采用LD3320語音識(shí)別芯片，它集成語音信號(hào)的采集以及語音信號(hào)的識(shí)別為一體。最多可識(shí)別50個(gè)預(yù)內(nèi)置命令?？梢宰R(shí)別所有普通話，芯片中有語音識(shí)別處理器。該處理器能夠快速、穩(wěn)定地完成任務(wù)。它需要提前錄入并存儲(chǔ)用戶的語音,這樣就能夠識(shí)別用戶的語音做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作,識(shí)別準(zhǔn)確度相當(dāng)高。綜上所述，結(jié)合對(duì)語音控制的具體要求以及本人知識(shí)儲(chǔ)備，本設(shè)計(jì)并不需要特定人聲識(shí)別控制，且操作越簡便越好。所以本設(shè)計(jì)采用LD3320語音識(shí)別芯片作為語音識(shí)別電路的主控芯片。2.7顯示屏方案選擇方案一：采用LCD電容觸摸屏電容式接觸屏的基本原理是利用人體的電流傳感器實(shí)現(xiàn)的,只需通過人體輕輕觸摸就可以識(shí)別。電容式觸摸顯示屏也可以實(shí)現(xiàn)多觸點(diǎn)操控,當(dāng)外部的氣溫與相對(duì)濕度出現(xiàn)變化或是當(dāng)與外部環(huán)境間的電荷出現(xiàn)變化時(shí),都會(huì)導(dǎo)致電容式觸控顯示屏產(chǎn)生漂移而使屏幕的顯示效果丟失,而電容式觸摸顯示屏在用戴拳套的雙手或手持不導(dǎo)電的物品接觸時(shí)不會(huì)反應(yīng)。電容式觸摸屏幕的外表很易損壞,即使是不小心磕碰屏幕造成可見損壞，電容式觸摸顯示屏就不能正常工作。方案二：采用LCD電阻屏電阻式觸摸屏的工作原理是通過壓力傳感工作的，使用任意物品觸摸都可以。電阻式觸摸屏是一種觸摸式傳感器，它是將矩形區(qū)域中觸摸點(diǎn)(X,Y)的物理位置轉(zhuǎn)換為代表X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的電壓[10]。這種屏幕可以用四線、五線、七線或八線來產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時(shí)讀回屏幕觸摸點(diǎn)的觸摸電壓。電阻屏的最外層是薄膜，需要將其按下去以達(dá)成壓力的傳感，較電容屏而言不易摔壞。相比于電容屏，電阻式觸摸屏的性價(jià)比高。方案三：LCD1602液晶顯示屏LCD1602顯示器液晶顯示模塊是專門用于顯示字母、數(shù)字元、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊。具有使用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，但LCD顯示屏需要背光、功耗較高。方案四：采用OLED顯示屏OLED顯示器擁有自然發(fā)亮的特點(diǎn)能夠自行發(fā)亮,不要求背燈光,所以擁有耗電量少,屏幕顯示的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定直觀,清晰度高優(yōu)點(diǎn)。更加適合于小系統(tǒng)、模塊的電源有3.3V,也有5V、模塊的電路大小也不需進(jìn)行調(diào)整、OLED屏有多種操控命令、能夠調(diào)控OLED的光度、反差度、開關(guān)升壓電路等命令、操控方式簡單、功能豐富可表示漢字、ASCIl、圖形等等[11]，且OLED屏幾乎不存在視角盲區(qū)，但LCD材質(zhì)的屏幕的顯示響應(yīng)速度會(huì)隨溫度的降低而變慢，從而會(huì)造成拖影，影響觀看效果。綜上所述，由于三者發(fā)光材料的不同，在不同的環(huán)境中OLED的顯示效果好且經(jīng)濟(jì)便捷。OLED更能滿足本設(shè)計(jì)要求并且其顯示更加穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)、功耗低且價(jià)格也比較實(shí)惠，因此，本設(shè)計(jì)選擇OLED顯示屏。2.8光照強(qiáng)度模塊方案選擇方案一：采用光電傳感模塊雖然光電傳感器面對(duì)光照的檢測反應(yīng)靈敏度高，但容易受環(huán)境的影響，環(huán)境適應(yīng)性差，在不密封的環(huán)境很容易就失去其檢測效果。溫度影響其響應(yīng)速度不快，而且器件價(jià)格較為昂貴。方案二：采用光敏電阻模塊它是利用光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的一種傳感器，在沒有光照下呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，對(duì)光照強(qiáng)度具有敏感性。光敏電阻采用環(huán)氧樹脂膠封裝可靠性好、光譜特性好、靈敏度高、反應(yīng)快、體積小[12]。光敏電阻傳感器產(chǎn)品在一般狀況下應(yīng)用于對(duì)反射光的光強(qiáng)測試、使用光強(qiáng)做控制,光敏電阻主要由感光半導(dǎo)體材料所制成,在弱照明狀況下,光敏電阻的阻值能夠超過10兆歐,而在高照明狀況下,光敏電阻的阻值則會(huì)變成數(shù)百歐,或者更小。方案三：采用BH1750數(shù)字型光強(qiáng)采集BH1750數(shù)字型光強(qiáng)采集模塊是一種不區(qū)分光源的數(shù)字光照強(qiáng)度傳感器，其使用的通訊協(xié)議為IIC，檢測分辨率高達(dá)六萬多流明，并且其支持較大范圍的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集，較多情況下應(yīng)用于手機(jī)、電腦、液晶電視等電子設(shè)備的外界亮度光線檢測。通過比較，選用方案二，利用光敏電阻傳感器，此方案體積小可以使電路更簡潔，且其靈敏度高、反應(yīng)快、光譜特性好、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)比較精確的光照檢測，所需成本較低。2.9超聲波測距模塊方案選擇方案一：采用紅外測距紅外測距速度較快，但是當(dāng)陽光存在時(shí)就不準(zhǔn)確，因?yàn)殛柟庵幸埠屑t外線，所以在接觸面不同的情況下反射回去的光強(qiáng)也不同，例如：黑色的面接收到的數(shù)據(jù)相對(duì)較多，而白色數(shù)據(jù)就較少，在此情況產(chǎn)生測出距離不準(zhǔn)確，然而考慮到在本設(shè)計(jì)中需要在陽光下使用，故不考慮紅外測距。方案二：采用超聲波測距超聲波傳感器有效探測距離較廣，相對(duì)其他測距方式此測距較短，但也足夠滿足本課題要求。超聲波在正常工作時(shí)受周圍環(huán)境影響較小,在應(yīng)用場合中較為普遍,特性比較穩(wěn)定,檢測高度準(zhǔn)確,高精度,盲區(qū)少。通過比較選擇方案二，本次用到的測距不用特別遠(yuǎn)，超聲波的測試距離即可，考慮到各種天氣環(huán)境影響，測距需要在多種環(huán)境條件下保持穩(wěn)定，測距距離準(zhǔn)確，所以選擇超聲波測距的方式。2.10本章小結(jié)本章首先介紹了智能窗簾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能，講述了本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)要求，確定了各個(gè)模塊的選擇方案，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了簡單的介紹，接著按照各個(gè)模塊的選擇進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)的完成。

硬件電路的設(shè)計(jì)本章對(duì)智能窗簾控制系統(tǒng)的硬件框圖組成、相關(guān)模塊的工作原理以及電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。在確定好各個(gè)模塊的選擇方案后，對(duì)所使用到的模塊進(jìn)行分析和系統(tǒng)電路的搭建是本系統(tǒng)硬件部分的重中之重。3.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)在充分考慮智能窗簾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STM32F103C8T6為主控器的智能窗簾控制系統(tǒng)的硬件電路，其功能模塊主要包括：光照強(qiáng)度檢測模塊、ESP8266WIFI模塊、DHT11溫濕度傳感器、語音識(shí)別模塊，按鍵電路、超聲波報(bào)警模塊等。利用C語言編寫程序，通過軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的智能控制。該智能系統(tǒng)可以用移動(dòng)手機(jī)app發(fā)送控制命令，隨時(shí)完成窗簾的控制及應(yīng)對(duì)相應(yīng)環(huán)境的智能控制等。系統(tǒng)框架如圖3-1所示：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖3.2主控電路在整個(gè)智能窗簾控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)當(dāng)中,控制器設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的，智能窗簾的所有功能都在控制器的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)前提下完成,而控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的策略則決定了整個(gè)系統(tǒng)的功能特征與可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6原理圖作為主控制芯片，選擇此款控制芯片能夠提供給外圍硬件電路更多的接口，更有利于擴(kuò)展所需外圍電路。具體設(shè)計(jì)過程中,各模塊硬件以及軟件部分力求相對(duì)獨(dú)立,給日后的產(chǎn)品更新和后續(xù)升級(jí)帶來了便利。STM32F103C8T6主控芯片的主要優(yōu)勢在于，芯片封裝體積較小，成本價(jià)格相比較于同系列的RCT6、RBT6等更低，但且成本低性能好[13]，是小型項(xiàng)目設(shè)計(jì)的性價(jià)比首選。通過對(duì)單片機(jī)課程的研究表明STM32單片機(jī)相比于8位的51系列單片機(jī)性能更好，STM32F103C8T6主控芯片性能更穩(wěn)定，且該芯片資源足以承擔(dān)本設(shè)計(jì)的程序和控制功能。STM32F103C8T6芯片內(nèi)部含有48KBSRAM、256KBFLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI通信接口、2個(gè)IIC通信接口、5個(gè)串口、1個(gè)USB口、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口及51個(gè)通用IO口。配置一些IO口外設(shè)使用，用于各個(gè)模塊與主控芯片STM32F103C8T6原理圖之間的連接。通過單片機(jī)從IO口輸出的高低電平來控制一些設(shè)備的開關(guān)。STM32F103C8T6原理圖芯片除了向外傳輸信號(hào)之外，還會(huì)接收一些模塊傳輸過來的信號(hào)，從而做出反應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的語句控制著整個(gè)系統(tǒng)。STM32F103C8T6單片機(jī)芯片接口原理如圖3-2所示：圖3-2STM32F103C8T6主控原理圖3.3電源電路本設(shè)計(jì)的供電電路是5V直流供電，在市電進(jìn)入電路之前，通過變壓器把電壓降低。過了變壓器就會(huì)通過一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路。通過7805穩(wěn)壓三極管把電壓再次降下來，將電壓降到主控電路和外設(shè)所要求的5V直流電壓。供電電路如圖3-7所示。圖3-7電源電路3.4按鍵電路本設(shè)計(jì)按鍵電路采用獨(dú)立式按鍵電路，它是指每個(gè)獨(dú)立按鍵占用一個(gè)I/O輸出端口線并且各個(gè)按鍵之間互不影響。該控制電路不僅具有信號(hào)接口靈活，又有使用方便，適用于按鍵數(shù)量少的應(yīng)用電路。按鍵電路圖如圖3-6所示。圖3-6按鍵電路3.5ESP8266WIFI遠(yuǎn)程控制模塊本次設(shè)計(jì)采用了ESP8266-12FWIFI模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，而ESP8266-12FWIFI模塊也是一種大眾所使用的WIFI無線模塊，它不但在體積上較小在功能上還非常強(qiáng)，可以直接把用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，從而完成兩者的互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[14]。ESP8266WIFI模塊是一款物聯(lián)網(wǎng)WiFi芯片，其內(nèi)部電路簡單，但性能較為穩(wěn)定，利用ESP8266WIFI模塊連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，配合MQTT協(xié)議可連接阿里云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和接收，該模塊有三種工作模式，通常我們利用AT指令，對(duì)其進(jìn)行控制，使用該模塊連接服務(wù)器時(shí)，有一個(gè)必要前提就是需要連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)。其重要的產(chǎn)品參數(shù)如表3-3所示：表3-3ESP-12F產(chǎn)品重要參數(shù)模塊型號(hào)ESP-12F說明SPIPALAH9Mbit支持接口UART/GPIOUART/HSPI/I2C/I2S/GPIO/PWM串口速率4608000bps支持300~4608000bps,默認(rèn)115200bps頻率范圍2.4GHz2400~2483.5MHz工作電壓/電流3.3V3.0~3.6V，電流約為80mA工作溫度工業(yè)級(jí)-40°~+125°AT支持內(nèi)置智能化處理可通過AT指令命令讀取ESP8266-12FWiFi模塊核心處理器是ESP8266芯片，在較小尺寸封裝系統(tǒng)中整合了業(yè)內(nèi)世界領(lǐng)先的TensilicaL106超小功耗的32位微型微控制器，并具有16位精簡模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA于一體，含板載天線。且支持國際標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，具有完整的TCP/IP協(xié)議棧[15]。可利用該模塊為已有的設(shè)備增加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)控制器。WIFI遠(yuǎn)程控制電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5ESP8266-12FWIFI模塊通信電路3.6LM393光照強(qiáng)度檢測模塊本設(shè)計(jì)的光照采集電路使用的是光敏電阻傳感器模塊，它使用了靈敏型的光敏電阻感應(yīng)器，通過比較器進(jìn)行輸出，信號(hào)干凈雜波少，波形好，最大驅(qū)動(dòng)能力可超過15mA?？梢允褂秒娢黄鱽碚{(diào)節(jié)需要檢測的光線亮度。工作電壓范圍在3.3V-5V之間。它的輸出形式為DO開關(guān)量輸出(0和1)和AO模擬量輸出（電壓)，采用寬電壓LM393比較器[16]。其引腳定義如下表3-2所示：表3-2光敏電阻傳感器模塊的引腳定義引腳號(hào)名稱說明1VCC供電電壓源正級(jí)2GND供電電壓源負(fù)極3DOTTL開關(guān)信號(hào)輸出4AO模擬信號(hào)輸出光敏電阻模塊對(duì)周邊自然環(huán)境光線較為敏感，普遍用來測量周圍環(huán)境的光線的光照強(qiáng)度的變化來觸發(fā)單片機(jī)或繼電器模組等。在周邊環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定的閾值范圍時(shí)，DO端提供高電平，當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，DO端提供低電平;DO輸出端可與單片機(jī)直接通過串口相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測周圍環(huán)境光照強(qiáng)度的改變;DO輸出端也可以直接控制驅(qū)動(dòng)繼電器模組，從而組成一個(gè)光控開關(guān)。小板的仿真模擬量輸出AO和AD模塊相連，再利用AD轉(zhuǎn)換，就可以得到所要檢測環(huán)境光照強(qiáng)度的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。光照強(qiáng)度檢測電路圖如圖3-4所示。圖3-4光敏電阻傳感器電路圖3.7DHT11溫濕度檢測模塊本設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度檢測模塊來實(shí)時(shí)檢測室內(nèi)溫度和濕度變化。它具備緊湊體積小、超低功耗、響應(yīng)迅速、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并采用獨(dú)特的一線端口連接，數(shù)字量輸入輸出直接將溫濕度轉(zhuǎn)成串行數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)獲得精確的溫濕度數(shù)據(jù)。它還應(yīng)用了專門的數(shù)碼模塊實(shí)時(shí)采集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)。傳感器中包含了一組電阻式感濕元器件和一組NTC測溫元器件，并與一個(gè)高性能B位MCU相連接，數(shù)據(jù)處理更迅速[17]。該模塊還具有品質(zhì)優(yōu)良、性能卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器均在極精密的溫濕度校驗(yàn)室中完成了校正。校準(zhǔn)系數(shù)通常以程序的形態(tài)存在于OTP存儲(chǔ)器中,而感應(yīng)器內(nèi)部在測量信息的過程中要使用這種校正系數(shù)。單線制串行接口,使控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)工作更為簡單方便。而且,它還具有超小型的體積、很低的功率。其重要技術(shù)參數(shù)如表3-1所示：工作電壓直流3.3v~5v溫濕度測量范圍0—100%RH濕度測量精度±2%RH溫度測量范圍-40℃—80℃溫度測量精度±0.5℃響應(yīng)時(shí)間濕度<5s、6s<溫度<20s工作電壓DC5V圖3-3DHT11溫濕度檢測電路圖3.8LD3320語音控制模塊本次設(shè)計(jì)采用了LD3320語音識(shí)別模組,它含有16個(gè)單片機(jī)IO口,包括有一個(gè)八位的IO擴(kuò)展端口、一個(gè)定時(shí)器、一個(gè)外部中斷,可為嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)完成控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的語音識(shí)別電路和主控制器之間采取了串口通訊的方法,以便獲得通過語言標(biāo)識(shí)的指令,來實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的控制功能[18]。LD3320語言辨識(shí)模塊使用LD3320語音辨識(shí)芯片,該芯片集成語音信號(hào)采集、識(shí)別算法于一體。能夠識(shí)別所有普通話的中文,且在芯片內(nèi)部內(nèi)置設(shè)有語音識(shí)別處理器,此處理器能夠迅速而又穩(wěn)定的進(jìn)行非特定人語言識(shí)別,但需要提前錄制保存所使用的語言,并能夠識(shí)別所使用的語言并進(jìn)行相關(guān)的控制,因此辨識(shí)的精確度超高。語音識(shí)別模塊電路圖如圖3-8所示。圖3-8語音控制電路3.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用EG-530AD-2F加減速輪構(gòu)成減速電機(jī)來模擬及控制門窗開關(guān)狀態(tài),該電機(jī)有2個(gè)輸入信號(hào),A為高電平B為低電平的有效時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)模擬門窗開啟,反之窗簾則關(guān)閉。當(dāng)所有輸入都是低電平時(shí),電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。具體電路如圖3-9所示。圖3-9電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.10OLED顯示屏模塊本設(shè)計(jì)采用0.96寸OLED顯示屏，在硬件連接上通過串行SPI接口方式連接。從硬件上就是在單片機(jī)上選取2個(gè)普通的IO口充當(dāng)串行時(shí)鐘線和雙向數(shù)據(jù)線,然后再連上OLED上的相應(yīng)端口,當(dāng)然用硬件IIC也是可能的,只是需要改變OLED的驅(qū)動(dòng)庫函數(shù),VCC只能接3.3V或5V,而GND接電源負(fù)極。程序上,就選用了對(duì)應(yīng)的四腳的IIC驅(qū)動(dòng)OLED的例程,修改管腳,在重新調(diào)用了OLED初始化函數(shù)之后就能夠運(yùn)行OLED的另一個(gè)API函數(shù)[19]。本設(shè)計(jì)的顯示器部分使用的是0.96寸OLED顯示器屏,而0.96寸OLED顯示器屏的清晰度是128×64,即橫向由128個(gè)發(fā)光二極管組成，縱向由64個(gè)發(fā)光二極管組成，在顯示控制方面，0.96寸OLED屏幕一次只能控制垂直方向的八個(gè)發(fā)光二極管亮滅，因此在顯示過程中垂直坐標(biāo)方向可選的坐標(biāo)為0至7共8位，水平方向可選的坐標(biāo)為0至127共128位。0.96寸OLED屏幕有兩種接口協(xié)議，一種是7針腳的SPI協(xié)議，另一種是4針腳的IIC協(xié)議，在本次設(shè)計(jì)中使用的是4針腳的IIC協(xié)議的0.96寸OLED屏幕，4針腳的IIC協(xié)議包括VCC、GND、SCL/SCK、SDA，VCC和GND分別為電源口和接地口，SCL/SCK是IIC通信中的時(shí)鐘控制腳，SDA是IIC通信中的數(shù)據(jù)控制腳。0.96寸OLED顯示屏原理圖如圖3-10所示。圖3-10OLED顯示電路3.11HC-SR04超聲波測距模塊本模塊使用了HC-SR04作為測距報(bào)警工具,其測試的方法是利用連接引腳Trig控制設(shè)備發(fā)送一個(gè)10us以上的高電平信號(hào),在信號(hào)發(fā)出時(shí)就能夠進(jìn)入定時(shí)器計(jì)數(shù),之后在接收口自動(dòng)檢查有沒有信號(hào)返回。如果產(chǎn)生了低電平的有效信號(hào),則代表著此段信息已經(jīng)傳送完畢,而完成后的引腳Echo將會(huì)再產(chǎn)生一次高電平,電平長度為超聲波測試技術(shù)的往返時(shí)限之和。因此只需要測量出高電平所維持的時(shí)限,就能夠通過公式確定測量距離,測試距離的公式如下式3.1，超聲波模塊電路圖如下圖3-11所見：測試距離=（高電平*聲速（340m/s））/23.1圖3-11超聲波電路3.12本章小結(jié)本章系統(tǒng)的介紹了智能窗簾所要實(shí)現(xiàn)具體功能的步驟，包括系統(tǒng)的硬件框圖組成、模塊工作原理及電路設(shè)計(jì)。并且對(duì)所需要得模塊進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，對(duì)各個(gè)電路的設(shè)計(jì)和組成也進(jìn)行了相應(yīng)的描述。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)一個(gè)完整操作系統(tǒng)的構(gòu)成分為硬件操作系統(tǒng)和軟件應(yīng)用系統(tǒng)。第三章,簡單性的闡述了系統(tǒng)的整體軟硬件功能集成電路結(jié)構(gòu)以及軟件系統(tǒng)的總體軟硬件功能架構(gòu),軟件系統(tǒng)的具體功能還必須通過軟件程序中燒錄單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)軟硬件平臺(tái)化。本軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境使用ARM為主要控制中心,采用目前較火的STM32F103C8T6單片機(jī),軟件開發(fā)環(huán)境則采用了目前STM32單片式微型計(jì)算機(jī)的主要系統(tǒng)軟件,KeiluVision5byARM。4.1編程語言選擇整個(gè)系統(tǒng)的程序更為復(fù)雜，計(jì)算更為繁瑣，并且采用浮點(diǎn)的數(shù)量更多，因此使用C語言對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行編程。在STM32系列單片機(jī)中，使用C語言具有以下優(yōu)點(diǎn)：不要求了解與處理器有關(guān)的命令集以及有關(guān)的寄存器結(jié)構(gòu)。擁有指定變量的組合，使程序更加簡單易讀。用戶可以自由設(shè)定關(guān)鍵字和操作函數(shù)，使程序易于識(shí)別記憶?？s短程序調(diào)試時(shí)間，使程序更容易開發(fā)利用。為用戶提供了許多標(biāo)準(zhǔn)的例程，使程序更容易二次開發(fā)。用戶可實(shí)現(xiàn)模塊化編程后整合到新的程序中。4.2單片機(jī)程序開發(fā)環(huán)境本操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用目前較為普遍的嵌入式開發(fā)環(huán)境KeiluVision5byARM編寫程序,軟件為用戶提供簡易單完整的開發(fā)環(huán)境界面，支持C/C++語言開發(fā)且編譯速度極快，為使用者縮短了軟件開發(fā)時(shí)間。如下圖4-1所示：圖4-1KeiluVision5開發(fā)界面圖4.3系統(tǒng)主程序系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、電壓、電流信息的采集，將采集到的物理量通過STM32單片機(jī)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換后使用OLED顯示屏顯示，單片機(jī)輸出控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)繼電器及各模塊數(shù)據(jù)檢測的功能。軟件程序主要分為語音識(shí)別控制模塊編程、鍵盤控制程序、OLED顯示屏程序、溫濕度檢測程序及WIFI遠(yuǎn)程控制程序等。系統(tǒng)主要程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2系統(tǒng)流程圖4.4溫濕度檢測模塊程序本設(shè)計(jì)通過DHT11的溫濕度檢測模塊收集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),并首先進(jìn)行DHT11端口的初始化,判斷是否收到主控發(fā)出的指令脈沖，接收后發(fā)出檢測指令，通過AO口將模擬電壓信號(hào)傳輸至主控制部分。主控制器部分利用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，將室內(nèi)溫濕度模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。主控制器利用室內(nèi)溫濕度數(shù)字量判斷計(jì)算出實(shí)時(shí)室內(nèi)溫濕度。溫濕度檢測模塊程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3溫濕度檢測程序流程圖4.5遠(yuǎn)程控制模塊程序核心模塊使用ESP8266WIFI模塊遠(yuǎn)程通訊模塊自帶阿里云MQTT協(xié)議，該模塊與阿里云服務(wù)器配對(duì)將室外室內(nèi)溫濕度信息實(shí)時(shí)上傳服務(wù)器，再通過網(wǎng)絡(luò)顯示在用戶手機(jī)端，同時(shí)也可以遠(yuǎn)程控制窗簾開啟或關(guān)閉，以及模式選擇;在使用ESP8266WIFI模塊之前，首先需要用AT指令集配置網(wǎng)絡(luò)及地址；其次要與MQTT服務(wù)器建立TCP連接，注冊阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，配置好屬于自己的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，記住設(shè)備的三元組，將三元組定義在頭文件中；通過預(yù)先設(shè)定好的標(biāo)識(shí)符，依次將溫度、濕度、光強(qiáng)等指數(shù)信息上傳各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)信息至阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。配置阿里云云智能APP，分別配置四個(gè)開關(guān)接口，用于控制系統(tǒng)的窗簾的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。本設(shè)計(jì)用到的ESP8266-12FWIFI模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)資料了解到ESP8266是通過串口進(jìn)行通訊，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4-4所示：圖4-4遠(yuǎn)程控制流程圖本設(shè)計(jì)的采用ESP8266-12F的WIFI模塊是一種大眾使用的WIFI無線模塊,它不但體積小功能強(qiáng),而且可以直接把使用者的物理裝置連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)上,從而達(dá)到與互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通訊,達(dá)到物互聯(lián)的功用。ESP8266WIFI模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)的WiFi芯片,其內(nèi)置電路結(jié)構(gòu)非常簡單,且性能比較穩(wěn)定,可以使用ESP8266WIFI模塊直接接入WIFI或無線,配合MQTT協(xié)議可連接阿里云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和接收，該模塊有三種工作模式，通常我們利用AT指令，對(duì)其進(jìn)行控制，使用ESP8266WIFI模塊連接服務(wù)器時(shí)，必要前提就是需要連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)。4.6按鍵電路程序在使用按鍵進(jìn)行操作時(shí)，當(dāng)按下按鈕后，按鍵的機(jī)械觸點(diǎn)具有彈性作用，出現(xiàn)機(jī)械抖動(dòng)的現(xiàn)象，因此注意在程序上要加上去抖動(dòng)的程序，防止機(jī)械抖動(dòng)引起單片機(jī)與之相連的I/O口電平發(fā)生跳變，所以該系統(tǒng)在程序中在按鍵后延抖動(dòng)期間加上了10ms的軟件消抖動(dòng)延時(shí)處理。鍵盤在上電后被設(shè)定為上拉模式,同時(shí)該鍵所在I/O口也變成了高電平,而在按下鍵后按時(shí),同時(shí)該鍵所在I/O口也變成低電平仍然有效,通過程序掃描邊可以知道相應(yīng)的鍵值。如圖4-5為按鍵控制程序流程圖：圖4-5按鍵程序流程圖4.7OLED顯示屏程序本設(shè)計(jì)所使用的顯示屏為0.96寸OLED顯示屏，顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示工作的模式及相關(guān)數(shù)據(jù)信息。要想在OLED顯示屏上面顯示數(shù)字和漢族，需要先從取模軟件上面對(duì)所需要的漢字和數(shù)字進(jìn)行取模。取模的軟件還需要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。首先取模，將取模得到的字體模型數(shù)組存入oled.h文件中。然后對(duì)IO口進(jìn)行初始化，將IIC端口設(shè)置到相應(yīng)的IO口出。再寫入顯示漢族和顯示數(shù)字的函數(shù)。最后在主函數(shù)中設(shè)置顯示的漢字和數(shù)字還有顯示的位置。本系列所使用的OLED顯示器通過IIC端口的形式,與STM32嵌入式單片機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了通訊,IIC由SDA數(shù)據(jù)線與SCL的時(shí)鐘連線構(gòu)成,當(dāng)SCL線電平較高時(shí),SDA線電平由高變成低,并開機(jī)傳輸數(shù)據(jù)信息;SCL線電平為低時(shí),SDA的電平就由低轉(zhuǎn)高,結(jié)束了傳輸?shù)男盘?hào)。OLED顯示屏程序流程圖如圖4-6所示。圖4-6OLED顯示屏流程圖4.8語音控制模塊程序本設(shè)計(jì)的語音識(shí)別模塊使用LD3320語音識(shí)別芯片,該芯片將集合語言信息的收集和辨識(shí)算法集于一身。利用串口通訊的方法可以把已識(shí)別到的語音信息經(jīng)過串口方式發(fā)送給單片機(jī)實(shí)現(xiàn),并執(zhí)行相關(guān)指示。語音識(shí)別控制程序流程圖如圖4-7所示。圖4-7語音控制模塊流程圖4.9超聲波測距模塊程序通過超聲測距原理可得超聲波程序流程圖如圖4-2所顯示,控制口提供了10us以上的高電平脈沖信號(hào),整個(gè)系統(tǒng)便能產(chǎn)生8個(gè)40khz的超聲脈沖,在模塊內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了頻率環(huán)路,定時(shí)器開始工作，檢測到有回波下降沿觸發(fā)，停止定時(shí)器工作，從而計(jì)算出超聲波距離。圖4-8超聲波測距模塊流程圖4.10本章小結(jié)本節(jié)詳細(xì)描述了系統(tǒng)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)過程中，模塊重點(diǎn)的程序理解及說明其編譯步驟。本章重點(diǎn)是利用整體的系統(tǒng)流程圖和不同模塊的程序流程圖對(duì)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)概念加以說明,并運(yùn)用流程圖的方法加強(qiáng)對(duì)不同模塊程序軟件設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作關(guān)系到整個(gè)硬件系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行。在硬件制作和軟件開發(fā)周期中，智能窗簾控制系統(tǒng)各個(gè)具體功能的完善實(shí)現(xiàn)必須依靠實(shí)際的調(diào)試。而且硬件部分往往是能夠作為一個(gè)軟件在執(zhí)行過程中的基礎(chǔ)，軟件的調(diào)試通常能夠保證支持整個(gè)硬件的正常工作和運(yùn)行。本系統(tǒng)制作前期先在網(wǎng)上查閱資料結(jié)合書本課程及所學(xué)到的知識(shí)進(jìn)行資料整合，確定本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最佳選擇方案。設(shè)計(jì)好硬件電路的組成及連線后，查找所用硬件相關(guān)資料及相關(guān)例程，使用Keil5軟件開發(fā)平臺(tái)編寫系統(tǒng)程序代碼。繪制好電路后仔細(xì)檢測各個(gè)模塊走線是否正確，將系統(tǒng)電子器件集成在板上，做出了實(shí)物并進(jìn)行硬件調(diào)試。在完成了硬件集成電路的設(shè)計(jì)技術(shù)與相應(yīng)軟件開發(fā)工作后,便對(duì)溫濕度采集模塊、光照強(qiáng)度采集電路、按鍵控制電路、超聲波報(bào)警電路、顯示電路等各個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)試測試，最后成功完成了智能窗簾控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。5.1溫濕度測試數(shù)據(jù)分析本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度采集模塊對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫濕度采集。測試過程：對(duì)室內(nèi)溫濕度完成實(shí)時(shí)采集，分別對(duì)溫度和濕度進(jìn)行六組對(duì)照測試結(jié)果分析，用室內(nèi)空調(diào)控制溫度，實(shí)現(xiàn)測試的六種不同的溫度，再用室內(nèi)加濕器加濕實(shí)現(xiàn)不同的室內(nèi)濕度，測試在不同的溫度、濕度情況下，傳感器的工作情況是否穩(wěn)定，測得數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。測試數(shù)據(jù)如表5-1、5-2所示。表5-1溫度測試測試次數(shù)實(shí)際溫度值（攝氏度）測量得溫度值（攝氏度）誤差比（%）11918.52.6%220200322214.5%423224.3%526260629276.8%表5-2濕度測試測試次數(shù)實(shí)際濕度值（%RH）測量得濕度值（%RH）誤差比（%）140%38%2%250%50%0360%60%0470%69%1%580%79%1%690%88%2%誤差分析結(jié)果:在測試前查詢資料,可知DHT11溫度、濕度采集模塊的溫度采集范圍為-20℃至60℃,當(dāng)溫度為25℃時(shí),溫度采集精度為±2℃,而濕度采集范圍為5％至95％,當(dāng)溫度為25℃時(shí),溫度采集精度為±5％,本次測試進(jìn)行了多組測試，測試結(jié)果溫度的誤差范圍在2℃以內(nèi)，濕度的誤差范圍在2%以內(nèi)，經(jīng)過分析在實(shí)驗(yàn)過程中造成溫度、濕度產(chǎn)生了誤差的主要原因有：（1）光敏電阻傳感器內(nèi)部響應(yīng)時(shí)間有延時(shí)；（2）光敏電阻傳感器出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象；（3）光敏電阻傳感器隨著使用時(shí)間的增長出現(xiàn)了漂移現(xiàn)象。5.2光照強(qiáng)度采集測試數(shù)據(jù)分析本系統(tǒng)采用的是光敏電阻傳感器進(jìn)行光照強(qiáng)度的采集。光照強(qiáng)度測試過程：完成室外的光照強(qiáng)度采集，利用一天中的不同時(shí)間段不同的光照強(qiáng)度，對(duì)光敏電阻采集光照強(qiáng)度做了六組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，測試使用光量子計(jì)采集室外光照強(qiáng)度。測試光敏電阻傳感器在不同光照強(qiáng)度情況下工作的穩(wěn)定度及采集的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。光照強(qiáng)度采集到的數(shù)據(jù)數(shù)值，如表5-3所示：表5-3光照強(qiáng)度采集測試數(shù)據(jù)表測試次數(shù)測試時(shí)間實(shí)際值（lx）測量值（lx）誤差（%）16:00150014910.6%29:00180017880.67%312:00200019980.1%415:00180017980.1%518:00150014980.13%619:0060583.3%誤差分析：光敏電阻傳感器模塊測試過程中，影響產(chǎn)生光照強(qiáng)度誤差的最大因素是在夜晚光照強(qiáng)度較弱的情況。當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)度偏高時(shí)，測量得到的光照強(qiáng)度值與實(shí)際光照強(qiáng)度值的誤差基本都在0.7%以內(nèi)，當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)度較低時(shí)或者為夜晚弱光情況時(shí)，測量得到的光照強(qiáng)度值與實(shí)際光照強(qiáng)度值的誤差會(huì)偏大，誤差范圍在4%到10%之間。通過實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出實(shí)驗(yàn)過程中造成光照強(qiáng)度產(chǎn)生了誤差的原因有：（1）弱光條件下光敏電阻阻值變化不大；（2）光敏電阻受到了環(huán)境溫度的影響。5.3語音控制距離測試對(duì)語音識(shí)別部分的語音識(shí)別準(zhǔn)確率經(jīng)過了檢測后,本設(shè)計(jì)選用的LD3320語音識(shí)別模組。具體測試操作如下：用手機(jī)錄音保存語音“溫馨模式”“朦朧模式”“陽光模式”“一鍵拆卸”共四條語音。然后用手機(jī)在不同的距離下用相同聲音按順序播報(bào)各個(gè)語音,反復(fù)播十次,并計(jì)算了正確識(shí)別率和錯(cuò)誤識(shí)知率,測試數(shù)據(jù)如表5-1所示。表5-1語音家居語音識(shí)別率實(shí)驗(yàn)序號(hào)距離/m實(shí)驗(yàn)次數(shù)正確率（％）誤差（％）10.2100100%020.510097%3%3110094%6%41.510089%11%5210083%17%誤差分析：（1）聲源距離語音識(shí)