电气自动化专业 基于STM32智能家居控制系统的设计与实现——家居模块设计

1、题 目： 基于STM32智能家居控制系统的设计与实现家居模块设计 摘 要随着先进科学技术水平的发展，传统的家电控制方式已经越来越不适用现阶段人们快速的生活节奏，传统的人工控制效率低下，不够智能化。智能家居的兴起很好的解决了这个问题，智能家居可以尽可能的通过现代技术方便人们生活，工作，学习的需要。智能家居的核心就是利用计算机技术、通信技术等等一些先进的技术来改善家居环境,使家居生活能更舒适便利，家电控制更加智能化，基于单片机的智能家居控制系统也就应运而生。基于以上，本系统以STM32单片机为控制核心，结合温湿度采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、蓝牙通讯模块、LED灯控制模块及继电器模块共七部

2、分组成智能家居控制系统的设计，以满意人们生活的多样化需要，提升人们的生活质量。关键词：智能家居，家居模块，STM32，蓝牙；AbstractWith the development of advanced science and technology, traditional home appliance control methods have become less and less suitable for people's fast pace of life at this stage. Traditional manual control is inefficient and

3、 not intelligent enough. The rise of smart homes has solved this problem very well. Smart homes can make people's life, work and learning needs as convenient as possible through modern technology. The core of smart home is to use computer technology, communication technology and other advanced t

4、echnologies to improve the home environment, make home life more comfortable and convenient, home appliance control is more intelligent, and the smart home control system based on single-chip microcomputer has emerged.Based on the above, the system uses STM32 single-chip microcomputer as the control

5、 core, combined with temperature and humidity acquisition module, liquid crystal display module, key input module, Bluetooth communication module, LED light control module and relay module to form a smart home control system design to satisfy The diversified needs of people's lives, improve peop

6、le's quality of life.Key words:Smart home, home module, STM32, Bluetooth;目 录1 绪论11.1 研究的背景和意义11.2 国内外研究现状及应用前景11.3 论文结构22 系统总体设计32.1 功能设计要求32.2 系统总体设计方案33 硬件系统设计53.1 单片机控制模块53.2 温湿度采集模块73.3液晶显示模块83.4 按键输入模块83.5 LED灯控制模块93.6 继电器模块94 系统设计114.1 软件功能模块114.2 系统主程序流程图114.3 主要模块子程序设计125 系统实现165.1硬件调试16

7、5.2软件调试18总 结20参考文献21致 谢231图表目录图2-1 系统总体框图3图3-1 单片机系统电路图5图3-2 晶振电路5图3-3 复位电路6图3-4 电源电路6图3-5 温湿度采集模块电路7图3-6 液晶显示模块电路7图3-7 按键输入模块电路图8图3-8 LED灯控制模块电路8图3-9 继电器驱动模块电路图9图4-1 主程序流程图11图4-2 传感器采集程序流程图12图4-3 液晶显示子程序流程图13图4-4 按键扫描子程序流程图14图5-1 实物连接图15图5-2 液晶显示界面图16图5-3 按键继电器控制界面图16图5-4 按键LED灯控制界面图17表5.1 硬件测试结果17

8、1 绪论1.1 研究的背景和意义智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动动化、集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境，是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通信技术于一体的家居控制系统。随着经济的发展，人民生活水平的提高，人民可支配的收入逐渐增多，对家居环境的要求也越来越高，因此对智能家居的发展就显得越来越重要。现在智能家居行业涉及的方面包含家电控制、智能照明、安全监控及远程抄表收费系统等。可以通过手机、电脑等工具连接网络，实现对室内家电进行本地或远程控制；室内烟雾、煤气检测及门窗监控；水、电、煤气等自动抄表收费等。智能家居系统控制可

9、以给用户提供更加智能的家居体验，使用户控制更简单，更高效，也能为家庭提供可观的节能减耗效果，使用户居住起来更加的舒适，并且可以通过不同的设计方案满足不同客户的家居需求。随着国民经济水平的提高及科学技术的飞速发展，尤其是计算机技术、传感器技术的迅猛发展与提高，使得家庭生活智能现代化成为可能。计算机科学技术已经从舒适性、方便性以及安全性等方方面面影响并改变着人们的生活，颠覆了人们的生活习惯，提升了人们的生活质量，因此智能家居控制系统在这样的形式下应运而生。1.2 国内外研究现状及应用前景自从1984年美国的第一幢智能建筑横空出世，随后的年代里，较为发达的国家纷纷的多样化的智能家居方案，应用颇广，中

10、国并没有广泛关注智能家居系统的。然而国内近年随着科学技术的发展，网络技术的普及，智能的住宅化又是我国住宅的一场新革命，智能家居系统开始如雨后春笋般发芽，诸多新型企业在智能化家居系统的领域里面越走越远。如今智能家居正方兴未艾，崛起了很多智能控制系统，例如小米，天猫，欧瑞博等国产品牌带领国内智能家居系统奋力前进。目前，智能技术在家居行业中已经得到初步应用，一些智能化家居的雏形或前期产品己经出现。国外，如爱尔兰的兰开斯特大学与苏黎世、德国、瑞典及芬兰等学府合作，开发了一系列“智能家居”。用“智能沙发”可以开启电视机、激活电话录音机，还可以认出是谁坐在沙发上，懂得说欢迎辞，甚至根据输入的程序自动唤醒躺

11、在特定位置的病人。“智能书架”会在负荷过重时做出投诉“智能药品柜”会在药物过期时发出警告。美国纽约现代博物馆展馆中央放着一张智能化桌子，里面装了多个芯片及多个网络接入点，通过感应手的动作，控制有信息装置的特定物体。德国乌尔姆大学的一个研究小组研制出了一种智能轮椅，它是通过一个高度发达的导航系统实现的，这一系统利用它的传感器和激光仪连续不断地搜索其周围的障碍物，利用一个小型计算机分析出如何选择穿过人群的路线。这种轮椅能自动穿过拥挤的火车站大厅，而不会与人相撞。我国的家居智能化水平还处在起步和尝试阶段，具体表现在基础比较薄弱、技术含量低等方面。国内家居智能化的研究仅仅停留在概要性论述和一些简单产品

12、开发的层面上，缺乏系统的理论研究，有待于进一步开发设计。1.3 论文结构本文共分四部分对研究内容进行介绍，结构安排如下：第一部分为绪论和总体设计，主要介绍了课题研究的背景、研究现状、系统功能设计和系统方案等内容；第二部分主要介绍了硬件设计，包括硬件选择和硬件功能模块设计。第三部分主要介绍了软件设计，包括软件总体设计、软件系统子程序详细设计等内容；第四部分是系统测试，分别进行了硬件测试和软件测试，对系统的测试设计了测试方案和测试过程，并对实验结果进行分析与总结。2 系统总体设计2.1 功能设计要求本文介绍一种基于stm32的家居控制系统的设计与实现。以满意人们生活的多样化需要，提升人们的生活质量

13、。实现如下功能：（1）使用温湿度传感器DHT11实时检测家居环境的温湿度信息，并具有实时显示功能；（2）使用手机APP实时查看家居环境的温湿度信息功能；（3）通过手机APP，具有远程控制家居LED灯及家电智能控制功能。其中，家居模块系统将在本次论文重点介绍，需要实现如下功能：（1）使用温湿度传感器DHT11实时检测家居环境的温湿度信息；（2）具有实时显示家居环境的温湿度信息功能；（3）具有手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能。2.2 系统总体设计方案本系统的总体设计方案是主要由STM32单片机控制模块、温湿度采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、蓝牙通讯模块、LED灯控制模块及继电器模

14、块共七部分组成，其系统总体框图如图2-1所示：图2-1系统总体框图本设计中，温湿度传感器DHT11采集家居环境中的温度、湿度数据信息，STM32单片机控制模块负责对温湿度传感器采集的输入信号进行分析和处理，驱动液晶显示模块实时显示当前采集的温湿度信息。按键输入模块用于实现手动控制LED灯亮灭及控制家电功能。3 硬件系统设计硬件电路由STM32单片机控制模块、温湿度采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、蓝牙通讯模块、LED灯控制模块及继电器模块组成。3.1 单片机控制模块本设计采用的是STM32F103C8T6单片机芯片，外围电路由晶振电路和复位电路一起构成一个单片机最小系统。STM32F103

15、C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的一种低功耗、高性能的32位微控制器，最高运行频率达72MHZ8。并且内部资源丰富，含有多路定时器可用，非常适合小型控制系统使用，同时集成度较高，外围电路设计简单，是一款性价比很高的控制芯片。单片机系统主要由STM32F103C8T6芯片和外围电路组成，外围电路包括晶振电路、复位电路及电源电路。单片机控制模块主要是用于各模块传输信号的采集，通过采集的信号对后续电路发出控制信号。STM32单片机控制模块负责对温湿度传感器采集的输入信号进行分析和处理，驱动液晶显示模块实时显示当前采集的温湿度信息。单片机控制模块接收按键输入模块的输入信号

16、，实现手动控制LED灯亮灭及控制家电功能。单片机系统电路图如图3-1所示：图3-1 单片机系统电路图3.1.1晶振电路晶振电路由石英晶体和补偿电容C9、C11构成，产生时钟频率驱动主控芯片工作，在进行PCB布板时，为了减小寄生电容，晶振和电容摆放位置应靠近芯片，同时也可以减小由外部引入的干扰电流，有助于提高振荡器的稳定性9。晶振电路如图3-2所示：图3-2 晶振电路图3.1.2复位电路当复位按键RESET按下时，由于电解电容C8的放电特性，NRST端检测的信号会由高电平缓慢下降为低电平；当复位按键RESET被松开时，由于电解电容C8的充电特性，NRST端检测的信号会由低电平缓慢上升为高电平，从

17、而实现低电平信号维持几个周期，使NRST端的低电平信号维持足够长时间，程序上可以通过NRST端检测到的电平变化实现单片机系统复位10。电解电容及上拉电阻的存在，再配合程序可以避免一些按键误操作。复位电路如图3-3所示：图3-3 复位电路图3.1.3电源电路本设计中，选用5V的USB电源供电，通过电源芯片转换为3.3V电压输出。3.3V电压给单片机、温度采集模块、液晶显示模块等电路供电。电源电路图如图3-4所示：图3-4 电源电路图3.2 温湿度采集模块本系统中，温湿度采集模块采用DHT11芯片，用于采集家居环境中的温湿度信息。根据DHT11官方数据手册可知，传感器供电电压范围为3.3V到5.5

18、V，其共有4个引脚。分别为电源，串行数据总线，空脚，接地脚。由于采用单总线方式，采用高电平时间长短来区别高低电平，因此具有较长的传输距离，非常适合应用于现场温湿度监控11。其电路原理如图3-5所示，采数字接口接入单片机PA5引脚。图3-5 温湿度采集模块电路图3.3液晶显示模块本设计，液晶显示模块采用1.3寸OLED显示屏，用于实时显示家居环境温度、湿度信息。采用SPI数据通讯方式，一共有4个引脚，1脚为接地管脚，2脚为供电引脚，3号脚为CE脚接到单片机STM32F103C8T6的PB6脚，4号脚为CSN脚接至单片机STM32F103C8T6的PB7脚。液晶显示模块原理图如图3-6所示：图3-

19、6 液晶显示模块电路图3.4 按键输入模块本系统中，按键输入模块用于实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能，有助于提升人机交互体验。按键的一端接GND，另一端接单片机的I/O口，3个按键对应不同的功能，在程序中可以进行编码13。当按键被按下时，对应的I/O口向单片机输入低电平，程序中，需对每个按键要实现的功能进行编码，单片机判断哪个按键被按下，做出对应的功能处理，增加或减少当前输入的温度值、湿度值或者光照值，实现手动设置温度、湿度、光照报警阈值功能，单片机驱动OLED显示器模块显示对应内容。按键输入模块电路图如图3-7所示。图3-7按键输入模块电路图3.5 LED灯控制模块本系统中，

20、单片机接收按键输入信息，当LED灯按键被按下时，单片机控制PC13输出低电平和高电平，从而实现手动控制LED灯亮灭功能。LED灯控制模块电路图如图3-8所示：图3-8 LED灯控制模块电路图3.6 继电器模块本系统中，继电器驱动模块用于实现对家电的智能控制功能。本设计采用三极管驱动的方式来实现，图中二极管D7A采用二极管IN4148，用于对继电器的线圈进行续流，因为在继电器线圈由通电到断开的时候，电感电流不能突变，需要一个电流的泄放回路，二极管D7A即实现了这以功能。R11A为限流电阻，为三极管提供合适的基极电流。R12A，D3A构成继电器工作指示电路。当继电器打开时，D3A发光。继电器的常开

21、触点控制外部的220V电源，实现家居环境电源电路开关。可以将家用电器的电源接在外部插座，单片机控制模块对按键输入进行分析，通过控制继电器的打开和闭合，从而实现对家电的控制功能。系统的继电器驱动模块电路如图3-9所示：图3-9 继电器驱动模块电路图4 系统设计本系统功能是由软硬件设计共同实现的，硬件是基础，但主要功能的实现要依靠软件设计，软件设计的好坏决定了整个系统功能的优劣。本系统的软件设计主要分为系统初始化设计、传感器采集程序、按键输入模块设计、液晶显示处理。软件采用模块化设计方法，降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。软件设计的主要子程序有：传感器采集程序、OLED液晶显示子

22、程序以及按键扫描子程序。4.1 软件功能模块本家居控制模块的软件功能模块包含实时检测、实时显示和手动控制功能。1实时检测功能是可以对整个环境的温度、湿度进行实时检测，保证检测数值准确；2实时显示功能是可以对整个环境中温度、湿度数值进行实时显示；3手动控制功能是可以通过按键模块控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭。4.2 系统主程序流程图单片机系统上电后，主程序首先需要完成系统初始化，其中包含系统变量定义和给系统变量赋初值等，为了满足温度、湿度采集的实时性，本程序采用循环扫描的方式对温湿度传感器DHT11传感器进行数据读取。在程序开始运行后，首先进行的系统初始化。在初始化中完成系统I/O的配置，

23、液晶显示初始化、串口的初始化以及系统运行必需参数初始化。初始化后，程序进入循环扫描，程序首先读取DHT11传感器的温度、湿度数据，然后程序调用OLED显示函数，刷新当前温度、湿度值。然后程序对按键扫描，并响应其操作，程序设置有两个按键输入，用于实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能。系统主程序流程图如图4-1所示：图4-1 主程序流程图4.3 主要模块子程序设计4.3.1传感器采集程序本设计中，传感器采集程序流程图如图4-2所示。图中先进行系统参数初始化，然后初始化传感器配置，温湿度传感器DHT11采集环境中的温湿度信息，并传输给单片机控制模块。图4-2 传感器采集程序流程图4.3.

24、2OLED液晶显示子程序液晶显示子程序主要是实现实时对室内环境温度、湿度信息进行显示。主程序完成初始化程序后，OLED液晶显示初始化界面。温湿度传感器DHT11采集环境中的温湿度信息，单片机驱动显示模块显示对应位数的数值。液晶显示子程序流程图如图4-3所示：图4-3 液晶显示子程序流程图4.3.3 按键扫描子程序按键模块用来实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能，按键扫描子程序一直在主程序中循环执行，在程序中可以先判断哪个按键被按下，依据每个按键要实现的功能一一进行内部编码，然后根据编码将按键代表的数值送到相应的存储单元，单片机判断哪个按键被按下，做出对应的功能处理。按键扫描子程序流

25、程图如图4-4所示：图4-4 按键扫描子程序流程图5 系统实现在硬件制作和软件设计过程中遇到很多疑点，针对各种问题需要查阅足够详细的资料。在硬件制作中，了解各元器件的功能特性和引脚后再进行焊接，确保焊接正确。软件设计中，需要注意函数的用法和主程序中各模块函数的调用，应在编程前设计好流程图。5.1硬件调试根据电路图，将STM32单片机控制模块、温湿度采集模块、液晶显示模块、按键输入模块、蓝牙通讯模块、LED灯控制模块及继电器模块焊接在电路板上，系统实物连接图如下图5-1系统实物图。图5-1 实物连接图实物焊接完后，进行硬件调试工作。本系统并不复杂，系统硬件调试工作相对简单，首先根据电路图检查电路

26、的焊接及管脚连接是否正确，电路板是否存在短路或者断路的现象，单片机控制模块是否可以正常上电，使用万用表检测下电源部分的各个输出电压值是否正常，经调试正常后方可接到各部分电路。用电吹风在温湿度传感器DHT11上方加热，观察液晶显示上当前温度的数值会升高。液晶显示界面图如下图5.2所示。图5-2 液晶显示界面图按下继电器控制按键，可以观察到继电器能够实现打开和闭合。按键继电器控制界面图如下图5-3所示。图5-3 按键继电器控制界面图按下LED灯控制按键，可以观察到LED灯能够实现亮灭。按键LED灯控制界面图如下图5-4所示。图5-4 按键LED灯控制界面图对数据采集、数据接收和单片机控制模块的功能

27、进行测试，测试结果如表 5.1所示。表5.1 硬件测试结果测试功能预期结果实际结果测试是否成功实时检测可以正确检测环境的温度、湿度可以正确检测环境的温度、湿度成功实时显示可以显示检测环境的温度、湿度数值可以显示检测环境的温度、湿度数值成功手动控制可以通过按键模块控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭可以通过按键模块控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭成功硬件测试结果分析：本系统在测试时，实现应具备的功能。5.2软件调试（1）使用Keil软件进行软件代码编写，打开基于STM32的家居控制系统的设计与实现代码； （2）编译调试程序，若调试出错，修改对应的代码语句，直到程序OK； （3）调试通过后，把

28、编译好的HEX文件下载到STM32F103C8T6单片机中；（4）将调试好的代码程序烧录，观察OLED液晶显示情况。（5）打开传感器采集程序，观察OLED液晶显示情况，是否显示温度、湿度数据。（6）打开按键扫描程序，观察是否能够实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭。软件测试结果分析：软件平台提供了实时检测及实时显示家居环境温度、湿度数值功能，以及实现手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能，完全能够达到预期效果。总 结通过对本系统设计的功能要求，制定了与其相应的设计方案，并且由这个设计方案编写出相应的代码和对其进行各模块的实现和调试，终于实现了基于STM32的家居控制系统的设计与实

29、现，对家居控制系统的构建以及单片机技术的运用有了更深入的了解，对传感器技术的运用有了很大的认知和帮助。本家居控制模块实现以下功能：（1）使用温湿度传感器DHT11实时检测家居环境的温湿度信息；（2）具有实时显示家居环境的温湿度信息功能；（3）具有手动控制家居LED灯亮灭及家电打开和关闭功能。综上所述，本系统完成了系统功能设计要求。但仍存在不足之处，其中，传感器使用的是集成模块DHT11，虽然外围电路设计更加简单，但是整个系统成本也提高了，采集的温度和湿度的精确度还有待进一步改善。本人从对系统的设计和实现过程中也受益匪浅，今后的日子里，将进一步加强对单片机技术的认识、理解和运用，以及在控制系统中

30、的运用。今后将在本系统的基础功能上，考虑增加更多的家居环境监测指标，如光照强度、烟雾浓度信息，同时考虑增加蜂鸣器报警模块，使整个系统更加完整，进一步充分了解物联网技术的应用，使整个系统更加智能化，更符合当代的发展潮流。参考文献1孔育琴.基于STC89C52的家庭智能安防系统设计J.自动化技术与应用.2017,10:135-1392李元元.基于Android平台的智能家居安防系统设计J.电子质量.第34卷,第6期，2017.138-140.3李子云.基于无线网络的智能家居安防系统J.电子质量.2016.32-36.4刘海亮.曹家年，郭逢丽.嵌入式智能家居安防系统的研究与实现J.中国安防.2017

31、.62-66.5张文轩.基于人机交互的智能家居安防系统设计J.中国新技术新产品.2017,04:129-1306周洪、胡文山、张立明、卢亦焱，智能家居控制系统中国电力出版社，2016.01 7Ramos A, Grunert S, Adams J, et al. RNA recognition by a Staufen doublestranded RNAbinding domainJ. Embo Journal, 2000, 19(5):997-1009. 8Mero T. Connecticut's Lead By Example Green Campus InitiativeJ. Sustainability the Journal of Record, 2013.9Buades A, Coll B, Morel J M. A non-local algorithm for image denoisingC/ Computer Vision and Pattern Recognition, 2005. CVPR 2005. IEEE Computer Society Conference on. IEEE, 2005:60-65 vol. 2.10王田苗. 嵌入式系统