基于STM32智能家居控制系統的設計與實現-家居模塊設計 室內設計專業

題目：基于STM32智能家居控制系統的設計與實現——家居模塊設計摘要隨著先進科學技術水平的發展，傳統的家電控制方式已經越來越不適用現階段人們快速的生活節奏，傳統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問題，智能家居可以盡可能的通過現代技術方便人們生活，工作，學習的需要。智能家居的核心就是利用計算機技術、通信技術等等一些先進的技術來改善家居環境,使家居生活能更舒適便利，家電控制更加智能化，基于單片機的智能家居控制系統也就應運而生。基于以上，本系統以STM32單片機為控制核心，結合溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、藍牙通訊模塊、LED燈控制模塊及繼電器模塊共七部分組成智能家居控制系統的設計，以滿意人們生活的多樣化需要，提升人們的生活質量。關鍵詞：智能家居，家居模塊，STM32，藍牙；AbstractWiththedevelopmentofadvancedscienceandtechnology,traditionalhomeappliancecontrolmethodshavebecomelessandlesssuitableforpeople'sfastpaceoflifeatthisstage.Traditionalmanualcontrolisinefficientandnotintelligentenough.Theriseofsmarthomeshassolvedthisproblemverywell.Smarthomescanmakepeople'slife,workandlearningneedsasconvenientaspossiblethroughmoderntechnology.Thecoreofsmarthomeistousecomputertechnology,communicationtechnologyandotheradvancedtechnologiestoimprovethehomeenvironment,makehomelifemorecomfortableandconvenient,homeappliancecontrolismoreintelligent,andthesmarthomecontrolsystembasedonsingle-chipmicrocomputerhasemerged.Basedontheabove,thesystemusesSTM32single-chipmicrocomputerasthecontrolcore,combinedwithtemperatureandhumidityacquisitionmodule,liquidcrystaldisplaymodule,keyinputmodule,Bluetoothcommunicationmodule,LEDlightcontrolmoduleandrelaymoduletoformasmarthomecontrolsystemdesigntosatisfyThediversifiedneedsofpeople'slives,improvepeople'squalityoflife.Keywords:Smarthome,homemodule,STM32,Bluetooth;

目錄TOC\o"1-2"\h\z\u94101緒論 1106651.1研究的背景和意義 145801.2國內外研究現狀及應用前景 1211.3論文結構 2240092系統總體設計 3135712.1功能設計要求 3252822.2系統總體設計方案 3291683硬件系統設計 589853.1單片機控制模塊 5152833.2溫濕度采集模塊 7217873.3液晶顯示模塊 8268623.4按鍵輸入模塊 8123523.5LED燈控制模塊 9105183.6繼電器模塊 932344系統設計 1121844.1軟件功能模塊 11120704.2系統主程序流程圖 116524.3主要模塊子程序設計 12122975系統實現 16307765.1硬件調試 16234335.2軟件調試 1823747總結 206193參考文獻 2123684致謝 23

圖表目錄TOC\h\z\t"圖表111111"\c27417圖2-1系統總體框圖 329270圖3-1單片機系統電路圖 527537圖3-2晶振電路 5893圖3-3復位電路 624468圖3-4電源電路 65035圖3-5溫濕度采集模塊電路 717029圖3-6液晶顯示模塊電路 710252圖3-7按鍵輸入模塊電路圖 826342圖3-8LED燈控制模塊電路 819193圖3-9繼電器驅動模塊電路圖 912296圖4-1主程序流程圖 1113174圖4-2傳感器采集程序流程圖 127690圖4-3液晶顯示子程序流程圖 136564圖4-4按鍵掃描子程序流程圖 1426371圖5-1實物連接圖 1510195圖5-2液晶顯示界面圖 1628236圖5-3按鍵繼電器控制界面圖 1613591圖5-4按鍵LED燈控制界面圖 1713122表5.1硬件測試結果 17

1緒論1.1研究的背景和意義智能家居是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動動化、集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境，是融合了自動化控制系統、計算機網絡系統和網絡通信技術于一體的家居控制系統。隨著經濟的發展，人民生活水平的提高，人民可支配的收入逐漸增多，對家居環境的要求也越來越高，因此對智能家居的發展就顯得越來越重要。現在智能家居行業涉及的方面包含家電控制、智能照明、安全監控及遠程抄表收費系統等。可以通過手機、電腦等工具連接網絡，實現對室內家電進行本地或遠程控制；室內煙霧、煤氣檢測及門窗監控；水、電、煤氣等自動抄表收費等。智能家居系統控制可以給用戶提供更加智能的家居體驗，使用戶控制更簡單，更高效，也能為家庭提供可觀的節能減耗效果，使用戶居住起來更加的舒適，并且可以通過不同的設計方案滿足不同客戶的家居需求。隨著國民經濟水平的提高及科學技術的飛速發展，尤其是計算機技術、傳感器技術的迅猛發展與提高，使得家庭生活智能現代化成為可能。計算機科學技術已經從舒適性、方便性以及安全性等方方面面影響并改變著人們的生活，顛覆了人們的生活習慣，提升了人們的生活質量，因此智能家居控制系統在這樣的形式下應運而生。1.2國內外研究現狀及應用前景自從1984年美國的第一幢智能建筑橫空出世，隨后的年代里，較為發達的國家紛紛的多樣化的智能家居方案，應用頗廣，中國并沒有廣泛關注智能家居系統的。然而國內近年隨著科學技術的發展，網絡技術的普及，智能的住宅化又是我國住宅的一場新革命，智能家居系統開始如雨后春筍般發芽，諸多新型企業在智能化家居系統的領域里面越走越遠。如今智能家居正方興未艾，崛起了很多智能控制系統，例如小米，天貓，歐瑞博等國產品牌帶領國內智能家居系統奮力前進。目前，智能技術在家居行業中已經得到初步應用，一些智能化家居的雛形或前期產品己經出現。國外，如愛爾蘭的蘭開斯特大學與蘇黎世、德國、瑞典及芬蘭等學府合作，開發了一系列“智能家居”。用“智能沙發”可以開啟電視機、激活電話錄音機，還可以認出是誰坐在沙發上，懂得說歡迎辭，甚至根據輸入的程序自動喚醒躺在特定位置的病人。“智能書架”會在負荷過重時做出投訴“智能藥品柜”會在藥物過期時發出警告。美國紐約現代博物館展館中央放著一張智能化桌子，里面裝了多個芯片及多個網絡接入點，通過感應手的動作，控制有信息裝置的特定物體。德國烏爾姆大學的一個研究小組研制出了一種智能輪椅，它是通過一個高度發達的導航系統實現的，這一系統利用它的傳感器和激光儀連續不斷地搜索其周圍的障礙物，利用一個小型計算機分析出如何選擇穿過人群的路線。這種輪椅能自動穿過擁擠的火車站大廳，而不會與人相撞。我國的家居智能化水平還處在起步和嘗試階段，具體表現在基礎比較薄弱、技術含量低等方面。國內家居智能化的研究僅僅停留在概要性論述和一些簡單產品開發的層面上，缺乏系統的理論研究，有待于進一步開發設計。1.3論文結構本文共分四部分對研究內容進行介紹，結構安排如下：第一部分為緒論和總體設計，主要介紹了課題研究的背景、研究現狀、系統功能設計和系統方案等內容；第二部分主要介紹了硬件設計，包括硬件選擇和硬件功能模塊設計。第三部分主要介紹了軟件設計，包括軟件總體設計、軟件系統子程序詳細設計等內容；第四部分是系統測試，分別進行了硬件測試和軟件測試，對系統的測試設計了測試方案和測試過程，并對實驗結果進行分析與總結。2系統總體設計2.1功能設計要求本文介紹一種基于stm32的家居控制系統的設計與實現。以滿意人們生活的多樣化需要，提升人們的生活質量。實現如下功能：（1）使用溫濕度傳感器DHT11實時檢測家居環境的溫濕度信息，并具有實時顯示功能；（2）使用手機APP實時查看家居環境的溫濕度信息功能；（3）通過手機APP，具有遠程控制家居LED燈及家電智能控制功能。其中，家居模塊系統將在本次論文重點介紹，需要實現如下功能：（1）使用溫濕度傳感器DHT11實時檢測家居環境的溫濕度信息；（2）具有實時顯示家居環境的溫濕度信息功能；（3）具有手動控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉功能。2.2系統總體設計方案本系統的總體設計方案是主要由STM32單片機控制模塊、溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、藍牙通訊模塊、LED燈控制模塊及繼電器模塊共七部分組成，其系統總體框圖如圖2-1所示：圖2-1系統總體框圖本設計中，溫濕度傳感器DHT11采集家居環境中的溫度、濕度數據信息，STM32單片機控制模塊負責對溫濕度傳感器采集的輸入信號進行分析和處理，驅動液晶顯示模塊實時顯示當前采集的溫濕度信息。按鍵輸入模塊用于實現手動控制LED燈亮滅及控制家電功能。

3硬件系統設計硬件電路由STM32單片機控制模塊、溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、藍牙通訊模塊、LED燈控制模塊及繼電器模塊組成。3.1單片機控制模塊本設計采用的是STM32F103C8T6單片機芯片，外圍電路由晶振電路和復位電路一起構成一個單片機最小系統。STM32F103C8T6是一款基于ARMCortex-M內核STM32系列的一種低功耗、高性能的32位微控制器，最高運行頻率達72MHZ[8]。并且內部資源豐富，含有多路定時器可用，非常適合小型控制系統使用，同時集成度較高，外圍電路設計簡單，是一款性價比很高的控制芯片。單片機系統主要由STM32F103C8T6芯片和外圍電路組成，外圍電路包括晶振電路、復位電路及電源電路。單片機控制模塊主要是用于各模塊傳輸信號的采集，通過采集的信號對后續電路發出控制信號。STM32單片機控制模塊負責對溫濕度傳感器采集的輸入信號進行分析和處理，驅動液晶顯示模塊實時顯示當前采集的溫濕度信息。單片機控制模塊接收按鍵輸入模塊的輸入信號，實現手動控制LED燈亮滅及控制家電功能。單片機系統電路圖如圖3-1所示：圖3-1單片機系統電路圖3.1.1晶振電路 晶振電路由石英晶體和補償電容C9、C11構成，產生時鐘頻率驅動主控芯片工作，在進行PCB布板時，為了減小寄生電容，晶振和電容擺放位置應靠近芯片，同時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定性[9]。晶振電路如圖3-2所示：圖3-2晶振電路圖3.1.2復位電路當復位按鍵RESET按下時，由于電解電容C8的放電特性，NRST端檢測的信號會由高電平緩慢下降為低電平；當復位按鍵RESET被松開時，由于電解電容C8的充電特性，NRST端檢測的信號會由低電平緩慢上升為高電平，從而實現低電平信號維持幾個周期，使NRST端的低電平信號維持足夠長時間，程序上可以通過NRST端檢測到的電平變化實現單片機系統復位[10]。電解電容及上拉電阻的存在，再配合程序可以避免一些按鍵誤操作。復位電路如圖3-3所示：圖3-3復位電路圖3.1.3電源電路本設計中，選用5V的USB電源供電，通過電源芯片轉換為3.3V電壓輸出。3.3V電壓給單片機、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：圖3-4電源電路圖3.2溫濕度采集模塊本系統中，溫濕度采集模塊采用DHT11芯片，用于采集家居環境中的溫濕度信息。根據DHT11官方數據手冊可知，傳感器供電電壓范圍為3.3V到5.5V，其共有4個引腳。分別為電源，串行數據總線，空腳，接地腳。由于采用單總線方式，采用高電平時間長短來區別高低電平，因此具有較長的傳輸距離，非常適合應用于現場溫濕度監控[11]。其電路原理如圖3-5所示，采數字接口接入單片機PA5引腳。圖3-5溫濕度采集模塊電路圖3.3液晶顯示模塊本設計，液晶顯示模塊采用1.3寸OLED顯示屏，用于實時顯示家居環境溫度、濕度信息。采用SPI數據通訊方式，一共有4個引腳，1腳為接地管腳，2腳為供電引腳，3號腳為CE腳接到單片機STM32F103C8T6的PB6腳，4號腳為CSN腳接至單片機STM32F103C8T6的PB7腳。液晶顯示模塊原理圖如圖3-6所示：圖3-6液晶顯示模塊電路圖3.4按鍵輸入模塊本系統中，按鍵輸入模塊用于實現手動控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉功能，有助于提升人機交互體驗。按鍵的一端接GND，另一端接單片機的I/O口，3個按鍵對應不同的功能，在程序中可以進行編碼[13]。當按鍵被按下時，對應的I/O口向單片機輸入低電平，程序中，需對每個按鍵要實現的功能進行編碼，單片機判斷哪個按鍵被按下，做出對應的功能處理，增加或減少當前輸入的溫度值、濕度值或者光照值，實現手動設置溫度、濕度、光照報警閾值功能，單片機驅動OLED顯示器模塊顯示對應內容。按鍵輸入模塊電路圖如圖3-7所示。圖3-7按鍵輸入模塊電路圖3.5LED燈控制模塊本系統中，單片機接收按鍵輸入信息，當LED燈按鍵被按下時，單片機控制PC13輸出低電平和高電平，從而實現手動控制LED燈亮滅功能。LED燈控制模塊電路圖如圖3-8所示：圖3-8LED燈控制模塊電路圖3.6繼電器模塊本系統中，繼電器驅動模塊用于實現對家電的智能控制功能。本設計采用三極管驅動的方式來實現，圖中二極管D7A采用二極管IN4148，用于對繼電器的線圈進行續流，因為在繼電器線圈由通電到斷開的時候，電感電流不能突變，需要一個電流的泄放回路，二極管D7A即實現了這以功能。R11A為限流電阻，為三極管提供合適的基極電流。R12A，D3A構成繼電器工作指示電路。當繼電器打開時，D3A發光。繼電器的常開觸點控制外部的220V電源，實現家居環境電源電路開關。可以將家用電器的電源接在外部插座，單片機控制模塊對按鍵輸入進行分析，通過控制繼電器的打開和閉合，從而實現對家電的控制功能。系統的繼電器驅動模塊電路如圖3-9所示：圖3-9繼電器驅動模塊電路圖

4系統設計本系統功能是由軟硬件設計共同實現的，硬件是基礎，但主要功能的實現要依靠軟件設計，軟件設計的好壞決定了整個系統功能的優劣。本系統的軟件設計主要分為系統初始化設計、傳感器采集程序、按鍵輸入模塊設計、液晶顯示處理。軟件采用模塊化設計方法，降低程序復雜度，使程序設計、調試和維護等操作簡單化。軟件設計的主要子程序有：傳感器采集程序、OLED液晶顯示子程序以及按鍵掃描子程序。4.1軟件功能模塊本家居控制模塊的軟件功能模塊包含實時檢測、實時顯示和手動控制功能。1．實時檢測功能是可以對整個環境的溫度、濕度進行實時檢測，保證檢測數值準確；2．實時顯示功能是可以對整個環境中溫度、濕度數值進行實時顯示；3．手動控制功能是可以通過按鍵模塊控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉。4.2系統主程序流程圖單片機系統上電后，主程序首先需要完成系統初始化，其中包含系統變量定義和給系統變量賦初值等，為了滿足溫度、濕度采集的實時性，本程序采用循環掃描的方式對溫濕度傳感器DHT11傳感器進行數據讀取。在程序開始運行后，首先進行的系統初始化。在初始化中完成系統I/O的配置，液晶顯示初始化、串口的初始化以及系統運行必需參數初始化。初始化后，程序進入循環掃描，程序首先讀取DHT11傳感器的溫度、濕度數據，然后程序調用OLED顯示函數，刷新當前溫度、濕度值。然后程序對按鍵掃描，并響應其操作，程序設置有兩個按鍵輸入，用于實現手動控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉功能。系統主程序流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖4.3主要模塊子程序設計4.3.1傳感器采集程序本設計中，傳感器采集程序流程圖如圖4-2所示。圖中先進行系統參數初始化，然后初始化傳感器配置，溫濕度傳感器DHT11采集環境中的溫濕度信息，并傳輸給單片機控制模塊。圖4-2傳感器采集程序流程圖4.3.2OLED液晶顯示子程序液晶顯示子程序主要是實現實時對室內環境溫度、濕度信息進行顯示。主程序完成初始化程序后，OLED液晶顯示初始化界面。溫濕度傳感器DHT11采集環境中的溫濕度信息，單片機驅動顯示模塊顯示對應位數的數值。液晶顯示子程序流程圖如圖4-3所示：圖4-3液晶顯示子程序流程圖4.3.3按鍵掃描子程序按鍵模塊用來實現手動控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉功能，按鍵掃描子程序一直在主程序中循環執行，在程序中可以先判斷哪個按鍵被按下，依據每個按鍵要實現的功能一一進行內部編碼，然后根據編碼將按鍵代表的數值送到相應的存儲單元，單片機判斷哪個按鍵被按下，做出對應的功能處理。按鍵掃描子程序流程圖如圖4-4所示：圖4-4按鍵掃描子程序流程圖

5系統實現在硬件制作和軟件設計過程中遇到很多疑點，針對各種問題需要查閱足夠詳細的資料。在硬件制作中，了解各元器件的功能特性和引腳后再進行焊接，確保焊接正確。軟件設計中，需要注意函數的用法和主程序中各模塊函數的調用，應在編程前設計好流程圖。5.1硬件調試根據電路圖，將STM32單片機控制模塊、溫濕度采集模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊、藍牙通訊模塊、LED燈控制模塊及繼電器模塊焊接在電路板上，系統實物連接圖如下圖5-1系統實物圖。圖5-1實物連接圖實物焊接完后，進行硬件調試工作。本系統并不復雜，系統硬件調試工作相對簡單，首先根據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象，單片機控制模塊是否可以正常上電，使用萬用表檢測下電源部分的各個輸出電壓值是否正常，經調試正常后方可接到各部分電路。用電吹風在溫濕度傳感器DHT11上方加熱，觀察液晶顯示上當前溫度的數值會升高。液晶顯示界面圖如下圖5.2所示。圖5-2液晶顯示界面圖按下繼電器控制按鍵，可以觀察到繼電器能夠實現打開和閉合。按鍵繼電器控制界面圖如下圖5-3所示。圖5-3按鍵繼電器控制界面圖按下LED燈控制按鍵，可以觀察到LED燈能夠實現亮滅。按鍵LED燈控制界面圖如下圖5-4所示。圖5-4按鍵LED燈控制界面圖對數據采集、數據接收和單片機控制模塊的功能進行測試，測試結果如表5.1所示。表5.1硬件測試結果測試功能預期結果實際結果測試是否成功實時檢測可以正確檢測環境的溫度、濕度可以正確檢測環境的溫度、濕度成功實時顯示可以顯示檢測環境的溫度、濕度數值可以顯示檢測環境的溫度、濕度數值成功手動控制可以通過按鍵模塊控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉可以通過按鍵模塊控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉成功硬件測試結果分析：本系統在測試時，實現應具備的功能。5.2軟件調試（1）使用Keil軟件進行軟件代碼編寫，打開基于STM32的家居控制系統的設計與實現代碼；（2）編譯調試程序，若調試出錯，修改對應的代碼語句，直到程序OK；（3）調試通過后，把編譯好的HEX文件下載到STM32F103C8T6單片機中；（4）將調試好的代碼程序燒錄，觀察OLED液晶顯示情況。 （5）打開傳感器采集程序，觀察OLED液晶顯示情況，是否顯示溫度、濕度數據。（6）打開按鍵掃描程序，觀察是否能夠實現手動控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉。軟件測試結果分析：軟件平臺提供了實時檢測及實時顯示家居環境溫度、濕度數值功能，以及實現手動控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉功能，完全能夠達到預期效果。

總結通過對本系統設計的功能要求，制定了與其相應的設計方案，并且由這個設計方案編寫出相應的代碼和對其進行各模塊的實現和調試，終于實現了基于STM32的家居控制系統的設計與實現，對家居控制系統的構建以及單片機技術的運用有了更深入的了解，對傳感器技術的運用有了很大的認知和幫助。本家居控制模塊實現以下功能：（1）使用溫濕度傳感器DHT11實時檢測家居環境的溫濕度信息；（2）具有實時顯示家居環境的溫濕度信息功能；（3）具有手動控制家居LED燈亮滅及家電打開和關閉功能。綜上所述，本系統完成了系統功能設計要求。但仍存在不足之處，其中，傳感器使用的是集成模塊DHT11，雖然外圍電路設計更加簡單，但是整個系統成本也提高了，采集的溫度和濕度的精確度還有待進一步改善。本人從對系統的設計和實現過程中也受益匪淺，今后的日子里，將進一步加強對單片機技術的認識、理解和運用，以及在控制系統中的運用。今后將在本系統的基礎功能上，考慮增加更多的家居環境監測指標，如光照強度、煙霧濃度信息，同時考慮增加蜂鳴器報警模塊，使整個系統更加完整，進一步充分了解物聯網技術的應用，使整個系統更加智能化，更符合當代的發展潮流。

參考文獻[1]孔育琴.基于STC89C52的家庭智能安防系統設計[J].自動化技術與應用.2017,10:135-139[2]李元元.