智能冰箱数据采集及平台的设计与实现-天津职业技术师范大学计算机毕业论文

天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 计算机科学与技术 班级学号： 计科1213 23 学生姓名： 苏娅妮 指导教师： 于雅楠 讲师 二一七年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计智能冰箱数据采集及平台的设计与实现小标题 提交之前查一下系统Design and implementation of data acquisition and Design platform of intelligent refrigerator专业班级：计科1213学生姓名：苏娅妮指导教师：于雅楠 讲师学 院：信息技术工程学院2017年06月摘 要电冰箱是人类生活中不可缺少的一个电器，随着科学技术的不断提高，电冰箱也根据人类需求向着智能化的方向发展。在如今，人们对于电冰箱功能的需求不仅仅限于保存食物，而是在保存食物的基础上能帮助人们合理科学的管理电冰箱内部的食物。人们把食物保存在电冰箱内后，常常忘记电冰箱内还保存着什么食物，而且不同品种的食物最佳保存环境也是不同的，如果对食物处理的不够及时就会使食物腐败得更迅速，从而造成食物浪费。智能电冰箱是在拥有普通电冰箱的低温保存食物功能的同时，拥用一套智能化的系统。在本智能系统中，硬件部分分为三个模块，分别为温度数据测量模块、湿度数据测量模块和重量数据测量模块。测试系统使用了单片机、温湿度感应器、压力应变片、ADC模数信号转换器和LED显示屏等元件来实现系统的开发。使用温湿度感应器测量温度和湿度数据，同时采用应变片来测量重量数据，将采集到的数据传送给系统核心元件单片机进行统一控制处理。由于应变片测量到的数据是模拟信号，不能直接传送给单片机，所以在应变片与单片机之间增加一个ADC模数信号转换器，把压力传感器采集的模拟信号转换为数字信号。最终，测试数据由单片机分析处理后传送给LED显示屏进行显示。经过反复多次测试，本系统能够达到开题提出的温度数据测量、湿度数据测量、重量数据测量和LED屏显示功能。这样人们就可以通过智能系统查看电冰箱内的各项数据，合理化管理电冰箱内的食物，使食物保存在最佳环境，让食物最大限度的保持新鲜度。关键词：智能电冰箱；食物保存；食物管理；传感器；ABSTRACTRefrigerator is an indispensable electrical appliance in human life. With the continuous improvement of science and technology, refrigerators are developing in an intelligent way according to human needs. Nowadays, the demand for the function of refrigerators is not limited to the preservation of food, but to help people to manage the food inside the refrigerator reasonably and scientifically.People keep food in the refrigerator, the refrigerator is still preserved and often forget what food, but also the different varieties of food preservation environment, if not timely processing of food will make food spoilage more quickly, resulting in waste of food. Smart refrigerators are equipped with a set of intelligent systems, which have the function of keeping food in low temperature while the ordinary refrigerator. In this intelligent system, the hardware part is divided into three modules, which are temperature data measurement module, humidity data measurement module and weight data measurement module. The test system uses single-chip microcomputer, temperature and humidity sensors, pressure and strain gauges, ADC analog to digital signal converter and LED display device to realize the system development. The temperature and humidity data are measured by using a temperature and humidity sensor. At the same time, the strain gauge is used to measure the weight data. The collected data is transferred to the core component of the system, which is controlled by a single chip microcomputer. The strain gauge measuring data to analog signal is not directly transmitted to the microcontrollers, so adding a ADC analog to digital signal converter between the strain gauge and the microcontrollers, converts the analog signal into digital signal acquisition pressure sensor. Finally, the test data is processed by a single chip microcomputer and sent to the LED display for display.After repeated testing, the system can achieve the opening the measured temperature data and humidity data measurement, weight data measurement and LED screen display function. In this way, people can view the data in the refrigerator through the intelligent system, rationalize the food in the refrigerator, keep the food in the best environment, and keep the food to a maximum extent fresh.Key Words：The intelligent refrigerator；The food preservation；The food management；Sensor目 录1 绪论11.1研究意义11.2研究现状12 系统分析32.1需求分析32.1.1开发前景32.1.2具备功能32.2可行性分析42.2.1技术可行性42.2.2经济可行性42.2.3法律可行性43 相关技术和工具介绍53.1 STM32F103C8T6单片机53.2单片机最小系统53.3 Keil MDK53.4 CS5530ADC53.5 SHT11温湿度传感器63.6 LCD1602显示屏73.7 应变片84 系统设计94.1系统电路图94.2 系统流程图104.3 PCB电路板设计图105 系统实现126 系统测试136.1 测试的重要性136.2 测试的目的136.3 测试方法136.4 测试结果13结 论15参考文献16致 谢1718天津职业技术师范大学2017届本科生毕业设计1 绪论1.1研究意义在20世纪以前，使用电冰箱存储食物是不可想象的，长久以来人们为了保存食物非经周折，想出了许多的方法来保存食物，比如使用食盐、风干等。自1913年第一台电冰箱问世以来，电冰箱随着科技的发展和人们对于电冰箱功能的需求不断发生变化。现在的社会生活中，人们的生活节奏越来越快，还有对生活水平要求的不断提高，人们对于电冰箱不再限于是一个简单的食物保鲜工具，而是能像智能手机，智能电视等，成为拥有保鲜制冷技术的家庭食物及健康管理的终端。在没有智能冰箱前，普通的电冰箱仅拥有制冷保鲜的功能，人们把食物放进冰箱后会随着记忆力的减退，或是食物放在冰箱深处等原因，忘记了保存在冰箱内的食物。普通的生鲜食物通常只有极短暂的保存时间，不同的种类的食物最佳保存环境也是不同的。人们在保存生鲜食物时，常常因为忘记食物的存在使食物腐败在冰箱内，超过保质期、或是使食物在不适宜的环境下保存容易导致食物的加速腐败。这样就造成了食物的浪费，对电冰箱的管理容易出错。因此，有必要通过电冰箱数据的采集系统，以全新的管理模式来管理电冰箱。通过设计与实现此系统，完成对电冰箱内部的温度数据采集、湿度数据采集及食物重量数据采集功能，帮助管理电冰箱减少食物腐败过期。1.2研究现状家电的智能化已经成为一种趋势，正在走进我们的生活。这几年来，很多的传统家电厂商纷纷推出智能化的产品，如智能电视、智能冰箱、智能空调、智能电饭煲，甚至小小的智能插座也都智能化了。智能家电智能化带来的盛宴驱使几乎所有的厂商都不敢落后。韩国电子巨头三星自然也不例外。三星公司在两年前就开始研发智能冰箱，并推出了三星智能冰箱Family Hub。该冰箱运行的是三星Tizen 系统，在这块显示器上用户可以像使用电脑一样查询到许多信息，比如日历、新闻资讯、天气、备忘录、食谱、食物过期提醒、社区附近的打折信息或者用于给其他家庭成员留言的便利贴功能。在冰箱内部，Family Hub内置有三个摄像头，用户可通过智能手机远程监控冰箱门的开启情况，也可以实时查看冰箱内食物的存储、保鲜情况。在我国，美的推出了智能冰箱“OS集智”，本款搭载阿里YunOS操作系统实现冰箱与用户、与手机的交互，最关键的是，通过ArcSoft实时图像识别系统，对食材进行识别及实时管理，将冰箱的“智能”化向前推进一大步。搭载ArcSoft最新研发的实时图像识别系统，冰箱内置百万级像素高清摄像头，可根据用户放入的食材进行实时识别，识别服务器具备瞬时响应能力。用户通过手机APP，即可实时查看冰箱内食材存储情况。在常见食材的基础上，通过不断丰富识别食材的种类，智能记录用户的日常饮食数据，集合大数据云计算、深度学习，分析出用户的饮食习惯，并给出营养膳食建议。此外，美国虹软(ArcSoft)还推出基于冰箱智能屏，通过冰箱外部摄像头及虹软手势控制技术，在厨房等不便触摸屏幕的情况下无需打开冰箱。2 系统分析2.1需求分析2.1.1开发前景自1913年世界第一台电冰箱在美国芝加哥诞生以来，电冰箱就随着科技的发展不断的变化，才形成了现在我们常见到的家庭电冰箱，具有冷藏、冷冻食物的功能。如今科学技术飞速发展，单片机在家电中的应用也越来越广泛，利用单片机不仅大大提高了电器的智能程度，还能增加功能。单片机有高集成度、体积小、高可靠，控制能力强，易拓展等优点，适用于开发各种电子设备。智能冰箱开发中最重要的部分是微处理器（单片机），主要通过对微处理器的编程控制，能够做到实时控制系统操作。对于电冰箱内食物的管理，一直是由人工操作，需要人通过记忆力来管理食物存放进电冰箱的时间、存放数量等，这种方式极易产生错误。所以必须将以前的人工操作改变为规范的由单片机管理才能适应现在社会生活的需要。为此，拟开发“智能冰箱数据采集及平台的设计与显示”，来改变现在由人工操作的现状，通过合理的使用单片机，实现对电冰箱内食物管理过程中的信息进行合理、高效和科学的管理，以提高工作效率，保证能让食物保存在最佳环境。智能化是家电如今发展的一种趋势，随着购买家电的主要人群变为80后以及90后，对于电冰箱的要求也越来越高，生产商也纷纷发表自己的智能化家电，其中电冰箱的要求就已经不是简简单单的冷藏冷冻食物，而是如何科学、合理的冷藏冷冻食物，更具备了智能管理功能。智能化、云端融合以及人机交互已成为了家电行业的必要发展趋势。2.1.2具备功能为电冰箱管理者提供方便、快捷的方法，系统的对电冰箱进行合理的管理，实现智能化工作，节省大量时间和避免食物的浪费，拟开发一套电冰箱数据采集系统，具体功能如下：1、 拥有温度数据采集功能，能测量电冰箱内温度数据。2、 拥有湿度数据采集功能，能测量电冰箱内湿度数据。3、 拥有重量数据采集功能，能测量电冰箱内存放的食物的重量数据。4、 能把采集到的温度数据、湿度数据和重量数据汇总后显示在LED显示屏上。2.2可行性分析2.2.1技术可行性在当前的科学环境下，单片机的技术越来越成熟，所以设计系统完全可以实现。根据课题的要求而制定出总体设计方案，不能脱离现实过于理想化。技术可行性就是使用现在拥有的相对成熟的技术来设计系统功能，简单来说就是使用单片机、ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）、应变片、温湿度传感器和LED显示屏来开发系统，在现在的环境下是完全可行的。2.2.2经济可行性开发一个新系统，需要考虑在合理的预算下完成合理的系统。预算过高，在实际开发过程中可能会造成资金链短缺，而影响到系统的开发；预算太低，会缺乏资金来购买所需要的零器件，也会影响到系统的开发。所以，有一个合理的预算在系统开发中是十分必要的。对于本系统而言，需要的零器件不多，只需购买所需零器件就可以搞定本项目，是完全可行的。2.2.3法律可行性根据国家法律法规，系统的开发与设计不得使用非法工具，侵犯他人权益。本系统的开发和设计所使用的元器件以及工具符合国家法律法规，不会与法律法规产生冲突，同时尊重他人版权等相关事宜，所以在法律层面上本系统的开发与设计的完全可行的。3 相关技术和工具介绍3.1 STM32F103C8T6单片机在本次课题设计中我选用STM32ZET6作为主控芯片来对整个系统进行控制，它是基于ARM（cortex-M3）为内核的增强型单片机，其机身自带512K内存存储空间为程序提供大容量存储，具有16路12位AD转换通道，可以快速高效的处理模拟信号，同时对于STM32ZET6单片机来说，其完美的低功耗特点在实际应用中具有良好的表现，让所搭建出的系统更节能，更环保。在整个系统中用到了单片机的内部资源，在传感器方面，温湿度传感器与单片机以单总线方式进行数据传输，对单片机传输速度要求较高，同时单片机还通过SPI通讯协议对压力传感器模块进行通讯，采集当前压力值，并最终将这些数据传送到液晶屏上，与用户进行人机对话。3.2单片机最小系统由于单片机仅仅只是一个芯片，而在实际工作中需要为其配备一些工作助手，例如供电电路，复位电路，晶振电路等，只有这些电路与单片机组合在一起，单片机才可以正常工作，实现系统功能。在该系统中，为实现系统的灵活性，将单片机最小系统与电源电路、传感器电路等外围电路用两块PCB板分别制作，最后通过插针与之相连接，这样不仅提高了系统的灵活性，还对以后的系统升级带来了方便，大大降低了改造成本。3.3 Keil MDK在本设计的编程环境中，选用Keil MDK软件为该设计单片机进行程序编写。Keil MDK是一款成熟、实用的开发平台，到如今已经从Keil MDK 1延续到了Keil MDK4，是市场上为数不多的经典编程环境之一。在该软件中人机交互界面相对简洁，软件简单易学，对程序移植，改写相对容易，为程序设计人员提供了良好的开发环境。3.4 CS5530ADC在本设计中，一个重要的指标即是完成对冰箱内存放物品的一个质量检测功能，在设计中，为对传感器进行信号采集，则选用CS5530模数转换器为传感器采集信号，并将采集到的模拟信号转换成数字量传送至单片机中。在选择模数转换芯片时，CS5513与CS5530都作为电子秤的模数转换芯片进入到了设计时的备选方案中，两者的区别在于CS5513价格更为便宜，但其自身不具备运放功能，需另外通过运放芯片在前级加以处理，才能获得正确的数据。而与此同时CS5530模数转换芯片虽价格稍贵，但其内置可编程放大器，简单高效的解决了CS5513所带来的问题，则最终选择CS5530为本系统的模数转换芯片。CS5530是一款以SPI总线通信转换位数为24位的高精度串行A/D芯片。其内置164倍运算放大器，根据程序编写倍数可调；同时其线性失真小，分辨率高达19位以上；并且该芯片通过SPI串行通信接口与单片机相连具有传输效率高，结构简单等特点，是一款可靠实用的模数转换芯片。图3-1 STM32F103C8T6单片机参数图3.5 SHT11温湿度传感器同样对于该系统的温湿度检测功能，在设计也列选了两种传感器作为备选方案，一是利用SHT11温湿度采集模块，二是选择DHT11温湿度采集模块，两者之间无论使用环境，程序编写还是价格方面都几乎一样，不同的是SHT11温湿度采集模块在采集精度上要更为出色，所以最终选择SHT11温湿度采集模块作为本系统的温湿度采集传感器。SHT11温湿度传感器是以单总线的形式对单片机进行数据传输，每40位数据为一组进行传输，前16位为温度信号，再16位为湿度信号，而最后的8位则是对传输信号的一个校验，在程序中需要将这16位信号以十进制数据进行转换，最终得到正确的数值。如图所示为SHT11温湿度传感器时引脚分配图。如图所示为SHT11温湿度传感器的时序响应图。图3-2 CS5530ADC实物图图3-3 SHT11温湿度传感器实物图D3.6 LCD12864显示屏在本系统中应用LCD12864显示屏作为本设计的显示装置，主要显示系统当前所处环境的温湿度信息以及测量重物的质量信息等，LCD12864显示屏显示功能相对强大，不仅可以显示中英文，还可以对一些复杂符号、图片进行编程后显示在屏幕上。针对于LCD12864显示屏的编程方式分为串行和并行，串行方式对单片机的I/O管脚要求较少，只用三根数据线就可以完成对数据的传输，但传输速度相对较慢；并行传输方式是将数据分为八根数据线同时进行数据传送，大大提高了传输速度，可实现数据的快速更新显示。针对于本系统，由于需要对显示数据进行快速实时更新，并且I/O端口较为富裕，所以最终选用并行通讯方式，完成该设计功能。图3-4 LCD1602显示屏实物图3.7 应变片应变片其全称为电阻应变片，主要通过将自身与测量机构粘在一起，当有重物压在测量机构上时，测量机构发生形变的同时电阻应变片也发生形变，应变片的阻值即发生改变，然后通过上述的CS5530模数转换芯片将其阻值变换量转换成数字量传送给单片机上，来满足被测物质量的测量。应变片实物图如图3-5所示。图3-5 应变片实物图4 系统设计4.1硬件系统的组成根据本系统的需求设计了温度测量、湿度测量和重量测量三个模块，电路原理图如图4-1所示。电路图中包括单片机、LCD1602、温湿度传感器、电源测试脚、ADC模数转换器、晶振、电压基准、数字模拟地隔离、解耦电容组、线性稳压电源和电源。在电路设计中，为了整个电路能够正常运转起来，首先需要一个稳定的工作电源为系统提供电能，在本系统由电源适配器提供5V电源，其具有良好的稳定性，并且携带方便，使用安全可靠。同时在该系统中还需要3.3V为单片机进行供电所以需要LM1117-3.3稳压芯片进行电压转换。3.3V电源转换电路如图所示。对于电路的电源部分，还有一个重要节点是针对称重传感器中AD转换器所设计的电源电路，在AD转换电路中需要输入一个1.2V的基准电压作为AD转换芯片的参考电压VREF。本系统选用ADR3412芯片输出1.2V基准电压该芯片具有功耗低，输出稳定等特点，完全能够满足该电路设计任务。电路图如下所示系统电源部分设计完成之后，即对单片机最小系统进行设计，其中主要包括复位电路和晶振电路的设计,作为本设计的主控芯片STM32C8T6单片机来说复位电路是不可缺少的重要组成部分，在该电路中采用电阻电容串联组合构成复位电路，当系统正常工作时RST引脚为高电平，如需系统复位，按下按键，RST得到低电平，单片机开始复位，从而满足系统重启要求。与此同时，晶振电路作为系统时钟的核心，其就相当于单片机的心脏，只有晶振电路设计完善，单片机才能正常工作。该部分电路由8M晶振作为起振原件，串联电容帮助晶振工作，然后将晶振两端接到单片机上，使单片机可以获得正常震荡频率，保证其正常工作。复位电路及晶振电路图如下： 单片机最小系统设计完成之后，便可以对称重模块进行调试。对于称重模块首先将传感器与测量仪器固定在仪器，当有重物压在测量机构上时，测量机构发生形变，传感器也相应发生形变，并改变自身阻值，CS5530AD转换芯片则可以将这微小的阻值变化转换成数字量的变化，并通过SPI总线协议传给单片机，单片机得到数据后经过公式计算能够准确得到被测物的质量。接下来是对冰箱内部温湿度的信息采集，在本系统中选用SHT11作为温湿度采集模块，SHT11温湿度传感器通过单总线的形式对单片机进行数据传输。单片机首先按照传感器响应时序向其发送起始信号，然后把与之连接的I/O口转换成接收模式，等待其相应信号发出，得到响应信号后，则单片机正式接收温湿度数据信号，等待接收完毕，接收完毕单片机将接收到的十六进制数据转换为十进制，保存在程序中等待被下次刷新。最后单片机把所有数据采集结束之后，将数据信息传送到1602液晶显示屏进行显示，对于1602液晶屏其有三根控制线和8根数据线与单片机相连接，可显示英文数字等多种符号，能够对本系统数据进行完美显示。图4-1 智能冰箱数据采集电路图4.2 系统流程图系统分为温度数据测量、湿度数据测量、重量数据测量和LED显示屏显示4个模块，其中温度数据测量和湿度数据测量模块的硬件选用了温湿度感应器，重量数据测量硬件选用应变片。温度数据测量、湿度数据测量和重量数据测量都需要通过单片机来控制，温湿度感应器测量到的数据是数字信号，可直接传送数据给单片机，而应变片测量到的重量数据的模拟信号，需要使用ADC数模转换器把模拟信号转换为数字信号再传送给单片机，测量到的数据最后由单片机统一控制处理后传送给LED显示屏，系统原理图如图4-2所示。图4-2 系统原理图4.3 PCB电路板设计图系统元件需要一个电路板进行连接，根据课题要求电路板中需要连接的元件有单片机、LCD1602、温湿度传感器、电源测试脚、ADC、晶振、电压基准、数字模拟地隔离、解耦电容组、线性稳压电源和电源，PCB电路板设计图如图4-3所示。图4-3 PCB电路设计图5 系统实现通过图示，演示了温湿度数据测量和重度数据测量过程。（图暂缺）第4章系统设计和第5章系统实现，是你论文的重点，应该详细写，并且调理清晰。6 系统测试6.1 测试的重要性当系统调试完成之后，则需要对系统进行测试，这是在不可或缺的环节之一。针对本系统所需测试的环节包括硬件电路部分和程序编写部分，将每一部分的每一个节点进行逐一测试，这样可以有效的减小系统因为测试不到位而发生短路或其他故障，造成系统损坏等严重后果。6.2 测试的目的系统测试目的则是为了通过测试及早的发现问题，找到问题进而解决问题，再本设计中首先要对具体电路进行测试，检查各模块是否正常工作，在对设计功能进行测试，验证是否完成系统预期的功能如有不尽人意的地方找到问题进行修改，修改完成之后，在进行测试，最终实现设计所有功能，完成测试。6.3 测试方法系统测试需要准备一个温度计、当天气象站发布的空气湿度表、一个电子秤和50g砝码。首先记录下进行测试时温度计显示的温度数据、气象站发布的空气湿度数据，然后给系统实体通电打开，观察LED显示屏显示的数据是否和记录的数据一致；为了测量温度模块，把温度计放入电冰箱内，测量记录电冰箱内的温度数据，然后把系统实体放入电冰箱内，观察LED显示器显示的温度数据是否和温度计测量的数据一致；为了测量湿度模块，打开加湿器后使用系统实体测量湿度数据，把测量到的温度数据记录下来，再把系统实体拿到未开加湿器的房间内，观察LED显示屏内显示的湿度数据是否和当天气象站发布的空气湿度表数据一致；为了测试重量模块，在电子秤上放置砝码，把测试到的重量数据记录下来，再把砝码放置在实物重量测量台，观察LED显示屏显示的重量数据是否和电子秤测量的数据是否一致。6.4 测试结果温度湿度重量实测163310第一次测试173211第一次测试16349结 论经过了近一个月的系统设计，最终完成了设计任务，取得了理想的结果，在系统设计初期，经过老师的耐心指导之下，设计了该系统的主要研究内容，首先是对冰箱内温湿度信息的采集显示功能，其次是要掌握电冰箱内存放食物的重量数据，最后还设想对冰箱内存放的某个物品进行计数，例如对冰箱内鸡蛋的数量进行统计并显示其具体数量，不过最终由于时间关系没有完成统计功能，但基本功能都已实现。定下了系统功能后，我就开始对不同模块的功能进行了深入研究，通过去图书馆查阅资料和上网搜索类似项目，积累了大量的理论知识。使用积累的知识和通过老师的指导，我设计了整个系统的电路图，其中包括单片机、LCD12864、温湿度传感器、电源测试脚、ADC数模转换器、晶振、电压基准、数字模拟地隔离、解耦电容组、线性稳压电源和5V电源。整个系统的核心部分是单片机，使用单片机最小系统控制其他硬件来完成整个系统，单片机只能接受数字信号，使用的测量感应器中的温湿度传感器输出的是数字信号，所以可以直接使用，而应变片输出的信号是模拟信号，不能直接被单片机接受，所以需要使用一个ADC数模转换器把应变片输出的模拟信号转换为数字信号再传输给单片机。在应变片的设计中，我遇到了很大的困难，我之前没有用过应变片所以不知道应变片是模拟信号，我把硬件都连接好进行测试时，重量数据一直不变，令我感到十分诧异，我带着这个疑问找到了指导老师，在指导老师的帮助下完成了这个模块的设计。因为时间关系对鸡蛋计数这一功能没有通过实物实现，但也对这一功能进行了方案设计，即在每一个放置鸡蛋的槽下面放置一个光电传感器，如有鸡蛋传感器信号为一，如没有则为零，这样单片机就可以通过对传感器的扫描来测量鸡蛋的数量。以完成功能要求。整个系统从确定功能到测试完成，都少不了指导老师的悉心教导。我也对自己的能力有了一个新的认识，也积累了许多的实战经验，掌握了一些新的知识和有了一份新的学习态度。参考文献1 张鑫.单片机原理及应用M.北京:电子工业出版社,2014：23-27.2 张迎旭.单片机原理及应用M.北京:机械工业出版社，2012：58-71.3 宋鹏,李红旗.家用冰箱的技术现状及发展趋势N.中国科技论文在线, 2005.4 赫建国，郑燕等.单片机在电子电路中的应用M.北京：清华大出版社，2006:2