基于STM32智能家居控制系统的设计与实现-家居模块设计

1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。智能家居系统是在信息技术的基础之上构建的，它能够有效提高家居的质量，增强生活的方便性，提升相关设备的智能性，也因此，人们目前也针对以单片机为基础的智能家居控制系统在这样的背景条件下，本项目在STM32单片机的基础之上，有效集成了温 2系统总体设计其中，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项目在STM32单片机核心的基础之上，有效集成了温湿度感应、液晶显示、输入、通信、LED控制以及继电器等七大模块，其整体结构可参考下图：继电器(控制家电)DHT11温湿度检测蓝牙模块6单片机本项目中，DHT11传感器能够实现周围环境里的温湿度数据收集，STM32核心芯片能够对获得的相关信息进行对应的分析和处置，液晶显示模块能够呈现出具体的温湿度数据。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。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列的一种低功耗、高性能的32位微控制器，最高运行频率达72MHZ[8]。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。对于单片机部分，主要包括STM32F103C8T6芯片以及相应的外周电路，后者主要又晶振、复位以及电源等几个部分的电路。该模块的功能是实现对其他模块中相关数据的收集，并根据这些数据给出对应的控制信息。DHT11传感器能够实现周围环境里的温湿度数据收集，STM32核心芯片能够对获得的相关信息进行对应的分析和处置，液晶显示模块能够呈现出具体的温湿度数据。单片机控制模块接收按键输入模块的输入信号，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：PAS2222 _9PA9/TXI/TIMICH2VDDA9PA10/RXI/TIMICH3VDD124PAI2/TIMITR/CANTX/USBDPVDD348__PA13.JTMS/SWDIOR4PA14/JTCK/SWCLKPA₁5JTD]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图3-1单片机系统电路图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：77图3-2晶振电路图3.1.2复位电路在按下复位键RESET之时，其中的电容元件C8将会产生放电，从而会让NRST端的让NRST端的信号从原本的低电位不断提高到高电位，能够让低电位的信号可以保持若干周期，从而能够在软件系统中对NRST的信号进行检测，并根据其点位变化情况来完成系统的复位功能[10]。电路之中配置的电容与电阻，再加上程序控制，能够防止可能的误操作。其电路结构可参考下图：48 VDD3 图3-3复位电路图3.1.3电源电路压给单片机、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：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5.5V,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。233.3液晶显示模块本系统的液晶显示部分选择了OLED屏幕，大小为1.3寸，能够对周围环境的温湿度数据进行呈现。同时通过SPI的方式进行信息的传输，其引脚数为4,四个引脚分别和地相连的GND、和电源相连的VCC、和单片机的PB6相连CE以及和单片机的PB7相连的CSN。液晶显示模块原理图如图3-6所示：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。按键两端分别于GND以及芯片的I/0端口相连，可以通过编一个低电平信号，可以通过编程的方式确定该信号是来自于哪一个按钮的，从而执行相应的操作，例如对温湿度以及光照数据的修改，以及对相关阈值的设定等。而这些数据可通过OLED显示屏呈现出来。该没款的电路结构可参考下图：图3-7按键输入模块电路图3.5LED灯控制模块本系统中，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pci3图3-8LED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。本项目通过三极管驱动的策略完成。下图中二极管D7A的规格为IN4148,能够实现继电器线圈的续流工作，由于线圈在接通以及断开的整个过程之中，系统的电路不应出现突变的情况，所以要设能够让三极管获得恰当的基极电流。R12A与D3A共同实现了工作指示回路。在继电器路如图3-9所示：b3APB14R11AN=图3-9继电器驱动模块电路图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系统主程序流程图系统启动之后，主程序的第一步工作就是进行初始化，主要由对相关的系统变量进行定义以及设定初始值，为保证相关温湿度数据的时效性，程序会对DHT11传感器中的相关信息进行循环地查询。程序启动之后的初始化工作中还会对I/0模块进行设定，对显示屏、串口以及相关参数进行设置。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：开始开始系统参数初始化OLED模块初始化采集温度、湿度数据刷新OLED显示N按键是否被按下?Y控制家居LED灯亮灭及家刷新OLED显示结束图4-1主程序流程图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，然图4-2传感器采集程序流程图图4-3液晶显示子程序流程图开始开始NY结束图4-4按键扫描子程序流程图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。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。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。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。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、湿度可以显示检测环境的温度、可以正确检测环境的温度、湿度可以显示检测环境的温度、成功实时显示湿度数值可以通过按键模块控制家居LED灯亮湿度数值可以通过按键模块控制家居成功手动控制灭及家电打开和关闭LED灯亮灭及家电打开和关闭成功(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()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1]孔育琴.基于STC89C52的家庭智能安防系统设计