【基于STM32的智能鞋盒设计与实现（论文）6400字】

基于STM32的智能鞋盒设计与实现摘要鞋盒是在人们的生活中应用比较普遍，但是其实一直作为一个放置鞋子的工具，本文设计了一款可以利用温湿度传感器感测鞋盒内的温度和湿度，并且利用压力传感器采集鞋子的数量，还利用空气质量传感器感测鞋盒内的空气质量是否达到要求，并结合风扇进行空气质量进化，在智能化上得到了一个很大的突破，可以给我们生活提供了很大的便利本设计主要设计了一款基于单片机技术的智能鞋盒，在本设计中加入了物联网技术中的传感器技术，通过各类传感器采集鞋盒内的环境参数，将其显示在屏幕，实现了鞋盒数据可视化。本设计的主控芯片是STM32F103，环境参数传感器使用了压力传感器HX711,温湿度传感器DHT11和空气质量传感器，屏幕使用了OELD屏幕。主控芯片通过IIC和环境参数传感器进行通信，采集鞋盒内各项参数信息。主控芯片通过对比阈值驱动风扇带动鞋盒内的空气流动，根据当前的环境参数实时调节风扇转速，从而实鞋盒的智能通风。关键词：智能鞋盒，压力传感器，STM32F103目录2549第一章引言 55059第二章主要模块的论证选择 6321552.1智能鞋盒的总体设计方案 6229082.2各模块方案的选择 7112752.2.1单片机的选择 7108712.2.2电源电路的选择 748242.2.3温湿度传感器的选择 774122.2.4空气质量传感器的选择 8108382.2.5压力传感器的选择 8242582.2.6电机驱动电路的选择 819637第三章硬件电路设计 10159783.1电源电路的设计 10243333.2最小系统电路设计 10252293.3信息采集电路设计 1250553.3.1温湿度检测电路设计 12187573.3.2压力检测电路设计 1263513.3.3空气质量检测电路设计 13142243.4显示电路设计 13230783.5电机驱动电路设计 14166483.6系统整体电路 1532483第四章系统软件设计 1647334.1主程序流程图 16169264.2信息采集流程图 17159084.3显示程序流程图 1827564.4电机驱动流程图 1832378第五章系统调试 209005.1硬件调试 20197295.2系统功能调试 2115069第六章总结 2321701参考文献 25

第一章引言如今，随着信息化社会的深入发展，物联、大数据、云计算和语音识别控制等一系列智能化技术也随之进入了大众的视野，融入到日常生活的各个角落，给人们生活带来高效简便的同时，也推动着自身的不断发展延伸。而如何在高速错综复杂的信息流中进行高效精准的获取有用信息已逐渐成为人们的研究重点。随之发展而衍生出的获取信息的手段也多种多样。其中，传感器技术便作为佼佼者脱颖而出，凭借其在技术发展方面上的优势，在各领域的实际运用中，都取得了举足轻重的地位。不同的应用需求、不同的技术要求，都促成了传感器家族的庞大，但不论是精密的、简单的还是其他形式的，其工作原理就是将现实世界内采集到的物理信息、化学信息和生物信息等模拟信号经由相应传感器转换为数字电信号，也称作模数转换(A/D)，再通过微型计算机将收集到的数据进行数字化计算处理并显示，以此达到实时远程监控控制、自动测量目标环境参数的目的。本设计是一款基于STM32的智能鞋盒，该设计基于物联网的传感器技术以及单机技术。智能鞋柜内置显示屏，用户可以通过屏幕了解当前鞋盒内的各种环境参数以及鞋子的数量。鞋盒可以对放入的鞋子进行烘干、消毒等操作。本设计是利用STM32F013单片机实现鞋盒内鞋子数量检测功能以及自动换气功能。本设计要到达两个目的，第一个目的是要智能鞋盒内鞋子数量，并且把鞋子数量显示在屏幕上。另一个目的是当鞋盒内空气质量达到一定的量时，启动换气装置就要促进空气流通，直至空气质量到达阈值为止。

主要模块的论证选择2.1智能鞋盒的总体设计方案 本设计硬件电路是由STM32单片机，DHT11温湿度传感器，HX711称重传感器，空气质量传感器模块，电机驱动模块，OELD显示器等组成。本设计可获取鞋盒内温湿度，空气质量等环境参数，通过称重传感器计算出鞋盒内鞋子数量。根据上述参数自动对鞋盒内进行不同模式的通风。 本设计主要以STM32单片机为控制核心，其通过检测称重传感器的电压值来检测鞋盒内物体的重量，然后用软件计算的方法来估算鞋子的数量。空气质量传感器周期的测量鞋盒内环境参数，实时显示在显示屏上。温湿度或空气质量参数到达设定阈值时单片机驱动风扇进行换气，去除鞋盒内部空间的异味。整体结构框图如图2-1所示。图2-1硬件结构框图

2.2各模块方案的选择2.2.1单片机的选择方案一：STC89C52RC单片机 STC89C52RC单片机是属于51单片机的一种，也是51单片机的升级版。内置了一个8K字节的Flash存储器，可以满足存放绝大部分用户的需求。40个引脚，其中的32个IO口可以进行双向的输入输出操作。定时器的数量也从传统的51单片机的两个增加到了三个，极大的提升了代码的效率。方案二：STM32F103C8T6单片机STM32F103是一款基于ARM架构以Cortex-M3为内核的32位单片机。支持3.3v供电，在设计的后期可以直接与WiFi模块进行数据通信。该单片机系统资源丰富，拥有12路ADC，12路DMA通道，8个定时器，2路SPI，2路IIC，3路USART等，完全可以满足本系统的需求。 在本设计中，我们需要使用SPI协议驱动屏幕并且采集多个传感器数据。所以此设计我们选用的是方案二。使用STM32F103C8单片机，可以节省开发的时间成本，和降低开发难度。2.2.2电源电路的选择方案一：使用电池供电。直接在电路上加上一个电池盒。使用3节干电池给系统供电。方案二：在电路中做一个线性电源，将用市电220V经过变压整流后给系统供电。方案三：在电路中焊接一个USB供电模块给系统供电，可以使用充电宝或者手机电源适配器给系统供电。系统的正常运行需要稳定的电压支持，方案二成本太高，方案一虽然电压稳定，但是无法可持续工作，所以此系统是采用方案三给系统供电的。2.2.3温湿度传感器的选择方案一：选择SHT20温湿度传感器。SHT20温湿度传感器是一款内置了ADC转换电路的温湿度传感器，可以直接给单片机输出温湿度数值的数字信号，无需搭建外围的驱动电路便可工作。方案二：选择DHT11温湿度传感器。DHT11功能与SHT20类似，同样集成了ADC模数转换电路以及外围的驱动电路，不同的是DHT11可以通过代码设定温湿度的精度范围。其内部包含了一个湿电容式感湿元件和NTC热敏电阻，成本较低。相较SHT20传感器DHT11操作简单，数据读取方便。所以选择方案二。2.2.4空气质量传感器的选择 空气质量传感器选用的型号为MQ-135。该传感器主要用于鞋盒内部的空气质量。其原理是利用了二氧化锡在空气中导电性与空气浑浊程度的正相关特性来测量当前的空气质量。2.2.5压力传感器的选择方案一：FSR402电阻式薄膜压力传感器这款压力传感器的特性是压力越大，电阻越低。其允许用在压力0g-10kg的场合，可用于机械夹持器末端感测有无夹持物品，是常见的人体压力检测传感器。多应用于人体的手指按压检测，人体触摸检测等方面。方案二：HX711压力传感器 HX711压力传感器是一款集成度很高的压力传感器，单片机仅需两个IO口便可获取传感器采集的重量数据。其内部集成了稳压电源，时钟电路以及传感器的采集驱动电路等，贴合当前的模块化设计思想。本设计所测量的物体为鞋子，基于受力面积较大的因素考虑，电阻式的压力传感器不能完整的或者所测物体的质量所以选择方案二。2.2.6电机驱动电路的选择方案一L298N电机驱动板模块本模块使用ST公司的L298N作为驱动芯片，并搭建了该芯片的外围电路，系统稳定性高，常用于驱动功率较大的负载。内置的2个H桥使得该模块的输出电流极大，高达3安培，并且可以用来驱动电机和线圈等感性负载。方案二：三级管驱动电路 常用的单片机输出电压为5v或者3.3v，输出电流为10mA,而继电器需要50mA的电流才可以驱动，可以搭建一个简单的电流放大电路实现单片机对继电器的控制。该方案利用三极管的放大特性放大单片机的输出电流以达到单片机对继电器的控制。 相对于方案二而言方案一集成度更高，在实验环境下工作更加稳定，选择方案一。硬件电路设计3.1电源电路的设计电源电路主要包括：本设计单独提供移动电源，以供整个电路的使用。因移动电源所提供电压较大，所以该电路使用降压芯片，降压成我们所需要的电压，以供电路正常运作。其中3.3V为压力模块，温湿度模块，OLED显示模块，空气质量传感器。电机需要5V电压。图3-1电源电路原理图3.2最小系统电路设计主控电路的最小系统设计（1）复位电路复位电路是一个单片机最小系统的重要组成部分，根据该芯片的datasheet提供的资料得知使用一个10K的电阻以及一个1uF电容即可完成复位电路的设计。图3-2复位电路原理图（2）时钟电路设计我们知道STM32处理器有五种时钟源，包括HSI、LSI、HSE、LSE和PLL。图3-3为本系统设计的外部晶振带电路，它是32处理器的一种经典应用电路原理图，图中Y2的8MHz就是外部高速时钟(HSE)。外部低速时钟则是图中的Y1，32.768KHz。只有8M的晶振经过软件倍频后方可达到72MHz或168MHz，而32.768K也正好为2的15次方。图3-3时钟电路原理图主控电路的接口电路设计单片机的内部有组成振荡器的高增益反相放大器，输入端引脚OSCIN，输出端OSCOUT。这两个引脚跨接石英晶体振荡器Y1和微调电容C1、C2，构成一个稳定自激振荡器。电路中的C1和C2的为20pF。温湿度传感器的DO脚接在单片机PA11脚上，主控芯片通过PB0和PB1采集压力传感器SCK和DOUT口数据获来取鞋盒里有几双鞋。显示电路SDA（MOSI

数据）引脚接单片机的PB7（43引脚）接口，SCL（CLK

时钟）引脚接单片机的

PB6接口（42引脚），电机电路IA1，IA2与单片机的PA7口相连该模块当压力超过设定值时，电机启动。STM32F103C8T6单片机主控电路的接口设计如图3-4所示：图3-4主控电路的接口原理图3.3信息采集电路设计3.3.1温湿度检测电路设计在上文的方案论证中，温湿度检测电路选择了DHT11温湿度传感器作为温湿度的数据源，DHT11温湿度传感器有4个引脚，VCC引脚与单片机的电源正极连接，GND引脚与单片机的地连接从而完成对传感器模块的供电。DATA引脚是DHT11温湿度传感器的数据脚，该引脚每次发送40bit的数据给单片机的A11引脚。还有一个引脚为数据作为固定引脚没有电气信号，故本图没有给出相应连接。本次电路设计如图3-3所示。图3-3温湿度检测电路原理图3.3.2压力检测电路设计前文对HX711芯片进行过大致的讲解，它是一款高集成、高精度的A/D转换芯片。与同类型其它芯片相比，在外围电路、响应速度和抗干扰性等方面有很强的优势。在与单片机连接时，直接驱动管脚控制所有的信号即可。在输入选择上，通道A的可编程增益为128倍或64倍，通道B则为固定的64增益，用于系统参数检测。HX711传感器其余技术参数如下：◆工作电压：2.6V～5.5V；◆两路可选择差分输入；◆耗电量：工作电流<1.7mA；◆同步抑制50Hz和60Hz电源干扰；◆数字控制和串口通讯；◆片内64/128增益低噪声可编程放大器；◆上电自动复位；◆10Hz或80Hz可选数据输出速率；该传感器连接图如图3-4所示。图3-4压力检测电路原理图3.3.3空气质量检测电路设计本设计需检测空气质量，采用的是MQ-135气体传感器。该传感器的工作原理是利用其内部二氧化锡在清洁空气中的导电性为固定值，但是在浑浊空气中的导电性增强的特性。本系统主要检测的气体是氨气，也就是平时鞋子臭味的主要成分，该传感器对氨气的感知灵敏度极高。空气质量传感器的数字量数据输出接口A0接到单片机的PA1口。MQ-135气体传感器连接图如图3-5所示。图3-5MQ-135空气质量传感器原理图3.4显示电路设计显示模块采用基于IIC接口的SSD1306芯片的蓝色OLED屏,由若干个128*64的点阵字符位组成。SSD1306芯片中具有256级亮度控制，内置对比度控制器、显示随机存储器、晶振从而实现低功耗。工作温度处于-40℃～85℃。有三种接口可用于发送数据/命令:6800/8000的8位串行端口、SPI3/4线接口以及IIC接口。电路中提供3.3v电压，接口二线IIC，SDA（MOSI数据）引脚接单片机的PB7（43引脚）接口。通过外接R2B电阻来提供电流，使作为一个输入输出双向端口SDA具备输出能力。SCL（CLK时钟）引脚接单片机的PB6接口（42引脚）。OLED的接线示意如图3-6所示。图3-6OLED原理图3.5电机驱动电路设计本系统需要驱动风扇，在上文的论述中选择使用L298N驱动模块来驱动。L298N电机驱动模块可以使用STM32的IO口输出的逻辑电平来控制，该模块可以同时驱动两个直流电机或者一个4相的步进电机。本设计中仅使用一个通道控制风扇即可。L298N电机驱动模块的IA引脚连接到单片机的A7脚接收风扇的控制信号。原理图如下图所示：图3-7L298N驱动电路原理图3.6系统整体电路图3-9系统整体原理图

第四章系统软件设计本次课题所设计的系统使用的是C语言编程，编译环境为keil5uv5。keiluv5是美国KeilSoftware公司推出的一款功能强大的C语言软件开发系统，和传统的汇编语言相比，C语言在网络资源和普及程度上具有极大的优势。使用C语言进行代码撰写可以使设计更加容易维护和移植。Keil5软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，完美支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9系列器件。另外一点，软件编译后生成的代码效率非常高，多数语句生成的代码很紧凑，也很容易理解。在开发大型软件和可读性方面就能体现出高级语言的优势。开发人员可用编辑器编辑代码文件，然后用编辑器编译连接生成单片机可执行的二进制文件（.HEX），然后通过单片机的烧写软件将.HEX文件烧入单片机内。4.1主程序流程图本设计软件主要是STM32F103C8T6芯片。初始化的内容包括温湿度采集，空气质量采集，压力采集等接口，当空气质量超过设定值时，电机驱动芯片风扇进行转动，对空气进行净化，开始通电时用户可通过按键选择自或手都模式。设计硬件电路配合软件来实现功能的，当硬件电路确定好时，软件的功也就基本确定。系统通电后，各模块进行初始化，初始化程序负责对单片机专用寄存器，定时器的工作方式以及各个端口的工作状况的参数设定完毕时。单片机内部中断，硬件电路的部分开始工作。主程序部分主要是先初始化OLED液晶屏幕和定时器这两个部分。然后再读取信息采集模块各传感器的数值。把读取到的值转换成相应的参数，显示在屏幕上。最后判断出当前的状态，如果鞋子数量，温湿度或者空气质量参数高于一定的阈值，就拉通过驱动电路使风扇通风。系统主流程图如图4-1所示。图4-1系统主流程图4.2信息采集流程图本系统信息采集模块使用IIC和SPI和与STM32进行数据通信，DHT11温湿度传感器采集当前环境的温湿度，HX711称重传感器采集鞋盒内鞋子的重量为系统提供鞋子数量。当采集到的空气质量超过设定值149时，电机驱动风扇对空气质量机型净化。参数流程图如下：图4-2信息采集流程图4.3显示程序流程图本系统显示模块使用IIC和与STM32进行数据通信，若数据更新，OLED更新数据，若未更新，则继续接收数据。具体流程如下图所示：图4-3显示程序流程图 4.4电机驱动流程图本设计根据鞋子的数量，当前的空气质量以及温湿度数值动态的调整输出的PWM波的占空比以实现风扇转速的分级。当空气质量超过设定值149时，电机驱动芯片风扇进行转动，对空气进行净化。图4-4电机驱动流程图第五章系统调试5.1硬件调试硬件测试时首先需要检测电源电路，然后按照电路焊接完成之后，用万用表来检测试电源电路中的电源和地脚是否存在短路。再检测其他元件的位置是否正确。如果都没有错误，就可以通电。进行检查各个模块的电压是否达到了设计要求，若电压没有达到实际要求，则需要立即断开电源寻找原因。检查出问题之后再通电调