【《一种基于STM32的花卉种植室内温湿度监控系统设计》14000字】

-PAGE1-一种基于STM32的花卉种植室内温湿度监控系统设计摘要本毕业设计通过使用DHT11，一种复合温湿度传感器来设计一款用于花卉种植的室内温湿度控制装置。DHT11是一种复合型的温湿度传感器，它最主要的优点是价格便宜，同时具有较强的抗干扰能力和较长的使用寿命，很适合用于室内监测温湿度变化。STM32系统板是集成了多种类型电路的复合型开发板，同时STM32系统板集成了丰富的接口，可以与DHT11传感器很好的配合。本次设计也使用了CC2541这一低能耗的蓝牙模块，虽然传输的范围较近，但它功能强大，数据不易丢失，能准确地传递温湿度信息到客户端。 使用STM32系统板来设计温湿度控制系统，既可以通过OLED屏幕实时监测室内的温湿度，也能在室内温湿度超出设定的范围时通过蜂鸣器进行报警，同时也能通过外接蓝牙模块定时向手机发送温湿度信息。因此将此系统应用于室内可以准确快速地反映室内的温湿度情况及变化，也能及时地对温湿度情况进行调整，满足温湿度的控制要求。关键词：DHT11；温湿度显示；报警功能；蓝牙传输1引言花卉产业是精致农业的重要组成部分。随着栽培面积的目益增加，花卉产业的急速扩大，所伴随的栽培问题接踵而至。花卉的生产和质量受到自然生态和生物因素的影响，花卉产业必须使产品质量与花卉时期的生产和组织保持一致。应用蓝花栽培技术，对提高生产质量和稳定性，对企业具有重要意义。花卉设施利用设施和文化材料来实现环境控制因素(包括温度、光线、湿度等)。以便为花卉生长提供正确的条件，并克服种植期间恶劣的环境条件，从而达到优质、高产和稳定的农业体系。高品质盆花及观叶植物产业的发展进步很快．但由于我国目前还没有制订适用的花卉设施设计、制造和施工标准，不论是引进的或自行设计的设施结构和建设质量都不高，大多数不能适应我国的环境和气候特点，北方冬季保温效果不佳，而南方夏季炎热湘湿季节长，部分设施通风降温能力差，使用效果也不理想，最终影响到花卉的品质和稳定生产。 热湿措施用于通过手动控制设备的供暖、湿度、安静和冷却来提取温度、湿度和控制湿度，不仅降低了实时性和准确性，还降低了操作人员的工作强度。即使一些用户在温度传感器中使用核心二极管，但由于它们相互可接受的差异，它们的效率低于最佳。 本次设计利用的是DHT11传感器来检测室内的温湿度情况，这一数据主要是室内空气的温湿度情况，但影响花卉生长情况的不仅是室内空气的温湿度情况，也有土壤温湿度条件的影响。在条件允许的情况下，也可以使用DSB18B20温度传感器插入泥土中测量泥土的温度，这样测量出的结果更加准确。同时本次设计没能在硬件上实现控温控湿，只能通过模拟实现，在条件允许的情况下，可以利用外接风扇，加热器等实现真正意义上的控温控湿。但在控温控湿时仍有几个问题需要解决，比如：在升温时如何实现湿度不发生较大的变化，同理，在实现加湿的时候如何避免温度的下降。 在室内种植花卉，意味着花卉的种类繁多，数量较大，这就需要根据不同花卉的种类使用多个温湿度传感器，再设置不同的阈值来区别。比如像兰花，栀子花等喜湿植物，最适生长湿度不能低于80%，而像茉莉，腊梅等花，最适生长湿度不能低于60%。 本次设计利用STM32系统板，通过使用DHT11温湿度传感器监测室内温度，同时利用OLED屏幕实时显示温湿度，并能通过蓝牙模块实时发送温湿度信息到手机端，同时能实现报警功能。2概述2.1温湿度控制系统概述温湿度控制系统的工作原理是利用温湿度传感器DHT11来实时监测并采集室内的温湿度信息，该系统包括数据采集系统，报警系统，蓝牙数据传输系统和显示部分。如图2-1所示，当DHT11温湿度传感器采集到温湿度数据后，通过STM32系统板对数据进行分析处理并在OLED屏上实时显示采集到的温湿度数据，并判断温湿度是否在合理的范围内，若不在则通过蜂鸣器报警，同时STM32系统板将数据通过蓝牙模块发送给客户端，使用户可以在客户端实时查看室内的温湿度信息。图2-1温湿度控制系统原理图2.2温湿度控制系统的研究背景和前景多年以前由于技术条件等的限制，人们无法将温度传感器和湿度传感器结合在一起，为了同时得到环境的温湿度信息，人们必须同时使用温度传感器和湿度传感器，这样不仅需要耗费更多的资源还很浪费时间[1]。但随着技术的提升，复合式传感器出现了。复合式传感器简单来说就是把一个温度传感器和一个湿度传感器集成在一起，复合式传感器的出现不仅要感谢材料物理学的发展，也要感谢集成技术的提高。只有在集成技术提高的前提下才能将温度传感器和湿度传感器集成于一体，而且集成后的传感器体积很小。比如DHTT11，在集成了一个温度传感器和一个湿度传感器后，它也只有5.5mm厚，12*15.5mm大。同时无线技术也迎来了大发展。当今较为成熟的无线技术有WIFI和蓝牙。其中WIFI诞生自1999年，是无线局域网中的一个标准。通常它使用的是2.4GHZ和5GHZ周围频段。它的优点是覆盖范围广，传输速率快。缺点是稳定性较差，功耗较高；蓝牙技术最早诞生于1994年，它采用调频技术，通信频段为2.402GHZ-2.480GHZ.它的优点是功耗低，速率快，缺点是网络节点少。就本设计而言WIFI更能满足设计的需要，但由于WIFI设计较为复杂，我使用了蓝牙模块来传输信息。在屏幕显示方面，有LCD和OLED两种可选。LCD诞生于1968年，有CCFL和LED两种。作为商用的显示屏，LCD成本较低，但它的显示质量却很高，同时有较低的功耗。而OLED显示屏诞生在1978年，被誉为继LCD以及PDP之后的最理想、最具潜力的下一代平板显示技术。于LCD相比，轻薄是它最大的优点，因为轻薄，它的制作工艺更简单，制作的成本也更低。当然OLED有着寿命较低的缺点，当温湿度监测节点较多，要使用较多的传感器来传递温湿度信息时，就需要使用寿命长，显示清晰地LCD屏幕了，但在本次设计中使用OLED就可以了。智能温湿度传感器倾向于在以下领域发展:(1)随着自动生产的增加，对传感器的要求越来越大，需要开发敏感、准确、反应迅速和可互换的新传感器，以确保生产自动运行的可靠性。(2)对于电子设备来说，传感器的可靠性是影响电子设备的一个重要因素。因为许多电子设备都工作在高温，高湿或高电磁干扰的环境中，因此传感器也要能抗干扰。(3)对于各种控制装置来说，传感器的大小会很大程度上影响控制装置的工作效率，因此传感器本身越小越好，这意味着传感器的生产加工技术要尽快更新换代。(4)随着技术的发展，传感器已不再是从前那个只能产生模拟信号的传感器了，它已经可以产生数字信号。(5)传感器通常从非电能变为电能，在工作时不能再排放，无论是在野外还是在电网外，通常使用电池或太阳能。这是传感器发展的必经之路，这样不仅可以节约能源，也能保护环境。(6)网络化是传感器发展的重要趋势，网络的作用和优势正在显现。网络传感器肯定会对电子技术的发展作出贡献。2.3蓝牙系统的研究背景和前景蓝牙模块工作的原理是蓝牙模块发射射频信号，射频信号被其他蓝牙设备的天线接收后，通过基带信号处理器处理，分析，最后进行连接，这样几个相连的蓝牙设备就构成了一个微微网，设备可以在微微网中进行信息的交互，但微微网可以容纳的设备不能超过8台。 蓝牙具备优秀的特性：（1）蓝牙属于无线技术，传递信息不需要通过电缆，极大地缩减了传递信息所需的时间，方便了人们的生活。（2）蓝牙设备无须担心“国界”的障碍，由于蓝牙技术使用的工作频段在全球都是通用的，因此即使身在异国他乡，也可以自由的与他人进行蓝牙连接，可以迅速，便捷的进行数据的传输。（3）蓝牙技术有较强的安全性和抗干扰能力，由于跳频功能的使用，蓝牙技术抗干扰能力大大提升，同时蓝牙技术也具有很好的兼容性。（4）虽然目前蓝牙技术传输距离较短，但也可以通过增加射频功率来增长传输距离，这样还可以提高蓝牙传播时的工作质量与效率。但蓝牙技术也存在一些问题：（1）功耗问题。蓝牙在传输数据时，只要传输的频率不高，传输过程消耗的能量就较少，但蓝牙模块之间为了能及时响应连接请求，在等待连接的过程中要进行轮询访问，在这一过程中蓝牙要进行大量的数据交互，这就产生了较高的能耗。（2）使用问题。蓝牙设备在连接时涉及多次的信息传递与验证过程，虽然在使用者看来并没有复杂的步骤和较长时间的等待，但多次的数据加解密过程和身份的验证过程，都极大的浪费了设备的计算资源。（3）安全问题。蓝牙技术的产生是为了能让数个蓝牙模块组成一个无基站式的局域网，在这一局域网中，人们可以利用蓝牙自如的传输数据，因此需要保证每次连接的私密性和安全性。蓝牙技术发展前景：（1）普及蓝牙技术的认知与利用目前蓝牙技术早已在我们的生活中普及，在手机，笔记本电脑，平板电脑等一系列电子设备中被广泛应用，虽然人人都会打开手机的蓝牙功能，并与自己的蓝牙耳机相连，但人们对它们工作的原理却知之甚少，为了能让蓝牙技术再次迎来大发展，就需要普及对蓝牙技术的认知与利用，只有让更多的人了解到蓝牙的重要性，才能发展蓝牙技术。（2）拓展蓝牙技术的应用领域虽然目前的蓝牙技术已经被应用在了很多的领域，但更多的还是在民用领域，比如手机，笔记本电脑，蓝牙耳机，蓝牙音箱等，因此要大力拓展蓝牙技术的应用领域，让蓝牙技术可以出现在军工，商业等领域。（3）与更多的操作系统之间兼容在当前这个信息大发展的时代，如何能与多种类型的计算机操作系统相兼容，是蓝牙技术能否稳定发展的前提。不管是Windowsxp，IOS还是PC，蓝牙技术都要为它们定制服务，比如在WIN10系统中存在着电脑无法识别出部分蓝牙设备的情况，这就是蓝牙技术没有足够兼容WIN10系统的表现。因此蓝牙技术要与时俱进，为各个操作系统开发专属的蓝牙技术，让更多操作系统之间的兼容成为可能。（4）低成本发展，芯片小巧且价格下降在芯片设计方面，要向小和便宜两个方向发展。更小的芯片意味着更低的成本和更广阔的应用范围。而便宜则会让蓝牙技术被更广泛的应用，这也意味着应用蓝牙技术的设备价格更低。（5）加强合作开发趋势 在各行各业飞速发展的今天，作为通讯技术的蓝牙不能闭门造车，要与其他相关行业建立良好的合作开发关系。比如在汽车制造业中，蓝牙技术可以运用于无人驾驶技术，通过在汽车控制系统中加装蓝牙模块，人们可以利用蓝牙设备远程操控汽车，实现汽车的开关门，自动停车等；还可以应用于安全传输信息方面，可以通过提高加密技术，让蓝牙传递的信息更安全，抗干扰能力更强。2.4本设计方案思路本设计的目的是实现温湿度信息的采集，分析和传输，同时能模拟实现控温控湿。在数据采集方面，使用DHT11温湿度传感器，同步采集温湿度信息；在数据显示方面，使用OLED屏，实时显示采集到的温湿度信息；在数据传输方面，使用CC2541蓝牙传输模块实时传输温湿度信息到客户端，同时客户端可发送指令模拟控制温湿度；在报警方面，使用蜂鸣器实现报警功能[3]。2.5研发方向和技术关键（1）合理使用DHT11温湿度传感器，提高系统的精度；（2）OLED屏幕实时显示数据；（3）蜂鸣器报警功能；（4）通过蓝牙模块实时传输温湿度信息。2.6主要技术指标工作电压

：3.3V-5v信号类型：数字信号响应时间：1/e(63%)6-30s供电电流：最大2.5mA温度范围：0-50℃，误差±2℃湿度范围：当环境温度在

0℃时为30-90%RH;当环境温度在25℃时为20-90%RH;当环境温度在50℃时为20-80%RH采样周期间隔：<1s

3方案设计3.1系统总体设计本次设计的总体方案是利用OLED屏实时显示DHT11采集到的数据，并利用CC2541蓝牙模块发送数据到客户端，同时设置不同的阈值，当温湿度不在阈值内时，触发蜂鸣器报警以便管理人员及时处理实现系统的保护，最后利用CC2541蓝牙模块实时传输温湿度信息到客户端，便于管理人员实时监测室内情况。3.2系统设计原则 单片机系统应具有可靠性高，性价比高，操作简便等特点[2]。设计原则有以下几个方面：（1）可靠性高。高可靠性是各个PC系统应用的必要条件，在各个Pc系统的开发中，必须始终以可靠性为基础。通过提高可靠性，我们可以考虑使用可靠性更高的组件。电力供应有抗干扰，硬件电路等。（2）物有所值。除体积小、能耗低外，性价比是一个重要特点。在电路设计中提供良好的性能，同时降低总成本，简化电路，使用软件代替一些硬件等。（3）操作方便。在系统设计中，对用户和用户来说，使用系统的复杂性都必须最小化。这简化了工作，最大限度地减少了工作场所的互动。3.3系统方案的论证与选择3.3.1单片机的选择方案一：采用AT89C51单片机。51系列的一个优点是，它有一个完整的操作系统，有点叫处理器或Boolean处理器，从硬件到软件。它处理比特，而不是字或字节。它不仅处理存储器区域中的特定位，还处理函数选项卡中的特定位如：发送、配置、清零、测试等。以及与位相关的逻辑操作，这些操作如此强大，用户友好。其他类型的单个驱动器也有传输位，但是有几种方法可以执行位逻辑操作。系列51还提供一个双向地址空间，16字节，单位地址20Hx2FH，它充当字节和处理位(在位处理中，128位加上相应的OH-7FH地址)。系列51的另一个优点是指令的乘法和分离，它简化了编程。51单片机的缺点是速度太慢。方案二:采用STM32F103单片机。STM32界面相对简单，因为它功能多，运行速度快。STM32微处理器结合了高实时性、数字信号处理、低功耗和低电压，同时保持了高集成度和开发方便性。业界最强大的基于标准处理器的产品组合、大量硬件和软件开发工具使STM32成为中小型项目和完整平台的独立理想选择。STM32是一个32位芯片，同时32位宽，51位只能处理8位。这意味着一个STM32芯片的速度是51单片机处理器的十倍。 综合来看，STM32单片机更能满足我们的设计要求，因此选择方案二。3.3.2显示器的选择方案一：采用LCD屏幕。LCD屏的大致原理是基于白色光穿透彩色滤光器产生不同颜色，借助电流来控制每个像素点的透光率从而实现不同颜色的显示，技术特点是需要借助背光板照射才能显示色彩。虽然LCD屏不会发生屏闪现象且像素密度高，成像更清晰，但LCD屏厚度太厚，对比度较低而且更耗电。方案二：采用OLED屏幕。OLED则是OrganicLight-EmittingDiode有机发光二极管的简称，由于省去了背光板和彩色滤光器，所以厚度更薄。OLDE屏的每一个像素点都是独立的，因此可以实现部分点亮，耗电也更低。OLED的光谱中没有紫外线也没有红外线，没有辐射没有污染，是典型的的绿色照明光源。综合来看，OLED更能满足我们的设计要求，因此选择方案二。3.3.3传感器的选择 方案一：采用SHT11温湿度传感器。SHT11温湿度传感器是集合了温度传感器和湿度传感器于一体的一款复合型传感器，因此它具有精度高，成本低等优点。但它的相对价格较高，用于室内温湿度监测的话，性价比不高。 方案二：采用DHT11温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器也是一款集成了温度传感器和湿度传感器的复合型传感器，它具有稳定性高，抗干扰能力强等优点[4]，与SHT11相比，虽然在精度方面略逊一筹，但价格较为便宜，用在室内的话，性价比较高。综合来看，DHT11能更好的在室内工作，因此选择方案二。

4硬件设计 本系统的硬件系统主要由主控模块、传感器模块、OLED显示模块、时钟电路、复位电路、报警模块和蓝牙模块组成。4.1主控模块 本系统采用STM32F103单片机作为主控模块，利用DHT11温湿度传感器采集温湿度信息，再通过单片机将采集到的信息显示在OLED屏幕上，以显示温湿度信息。本设计可自行设置温湿度的阈值，当温湿度过高或过低时都会触发蜂鸣器报警系统，同时温湿度信息会实时通过蓝牙模块传输到客户端。4.1.1STM32F103简介Stm32f103xx增强型系列由Stm32f103xx半导体集团设计。它配备了强大的armcortex-m332位RISC内核、72MHz、高速内部存储器(高达128kb闪存和20KBSRAM)、先进的I/O端口和用于外设的2条APB总线。所有型号包括两个12位APC、三个通用16位定时器和PWM定时器，以及标准和高级通信接口:最多两个I2C和SPIs、三个USART端口、usb端口和can总线结构。4.1.2STM32F103主要特点 STM32F103主要特点有：低功耗。与经典的51单片机相比，STM32F103开发板做到了杰出的功耗控制，STM32F103系统板为自己的每个模块都单独设置了时钟开关，当你需要降低功耗时只需要关闭相应的开关即可。价格便宜。STM32系列开发板从大到小，从复杂到简单，每一款的价格相对来说都很便宜，即使是最小系统板，你也能用最便宜的价格买到最丰富的模块。丰富的外设。STM32F103拥有非常多的外设，包括：I2C总线，USB接口，ADC和DAC，CAN总线以及其他很常用的诸多模块。即使是最小系统板也能满足一般的需求。极低的开发成本。利用STM32F103开发只需要通过串口就可以把写好的代码下载进开发板中。STM32F103模块框图如图4.1.图4.1STM32模块框图(4-2)4.2复位电路 STM32使用的是低电平复位。当按下复位按键时，RST与GND相连，为低电平，实现复位；当复位键松开时，RST与VCC相连，为高电平，正常工作。因此可以利用按键SW1实现系统的复位。复位电路的电路图如图4.2所示。图4.2复位电路的电路图4.3时钟电路 时钟是像计算机处理器一样运行一个设备所必需的，一个设备不能运行程序，除非有每小时来创建一个计数器时钟。如果没有时钟信号，触发器状态就不能改变，当任务完成时，一个设备内的所有电路都达到稳定状态，而不能执行任何额外的任务。一台计算机可以被看作是时钟控制的逻辑电路。设计包括8-8MhZ晶体和22-PF电容。，如图4.3所示。图4.3时钟电路4.4显示模块本次设计采用的显示模块是OLED显示屏。OLED学名“有机发光二极管”，意思是当有电流通过它时，它就会发光，且发光亮度取决于电流大小，电流越大，亮度越高，反之越暗。4.4.1显示原理OLED的基本结构如图4.4.1所示，在类似三明治的结构中，一层薄而透明且具有半导体特性的锢锡氧化物（ITO）与阳极相连，同时用另一片金属当做阴极。当输入电压时，正极空穴与阴极电荷就会在发光层中结合而发光。依其不同的配方，可产生红、绿、蓝（R、G、B）三基色，构成基本色彩。与LED液晶屏不同，OLED属于电流型的有机自发光器件。如图4.4.1所示，在OLED的玻璃基板上通过喷墨打印、有机气相沉积或真空热蒸发等工艺，形成纳米级的正（阳）电极、空穴传输层、发光层、电子传输层和负（阴）电极附着物。当给阳极加上＋2V～＋10V的直流电压时，金属阴极产生电子，ITO阳极产生空穴，在电场力的作用下，电子穿过电子传输层，空穴穿过空穴传输层，在有机发光层相遇。电子和空穴分别带负电和正电，它们相互吸引，激发有机材料发光。由于ITO阳极段是透明的，人们就可以看到它发出的光。通过控制电流的大小，可调整发光亮度。每个OLED显示单元（像素点）都能受控制地产生三种不同颜色的光，而OLED显示单元（像素点）后都有一个薄膜晶体管TFT，显示单元（像素点）在TFT驱动下点亮。薄膜晶体管TFT的开启与否由逻辑板形成的栅极驱动信号和源极数据信号控制。

图4.4.1OLED显示原理4.4.2显示过程OLED发光的方式类似于LED，需经历一个称为电磷光的过程。具体过程如下：电池或电源设备为OLED设备供电电流经过有机层从阴极传递向阳极同时阴极向有机分子发射层输出电子阳极吸收从有机分子传导层传来的电子。（这可以视为阳极向传导层输出空穴，两者效果相等）。电子会在发射层和传导层的交界处与空穴结合。电子遇到空穴时，会填充空穴。当这一过程发生时，电子就会以光子的形式释放能量。OLED发光。光的颜色取决于发射层有机物分子的类型。生产商会在同一片OLED上放置几种有机薄膜，这样就能构成彩色显示器。为OLED屏施加的电流越大，OLED屏能发出的光就越亮。 OLED显示屏原理图如图4.4.2所示。图4.4.2OLED显示屏原理图4.4.3通信模式 OLED屏有多种通信模式，比如I2C，SPI等。其中使用I2C通信的OLED屏如图4.4.3所示。图4.4.3I2CLED I2COLED共有四个引脚： GND:接地 VCC：接3.3V-5V电源 SCL:I2C总线时钟信号 SDA:I2C总线数据信号 I2C总线是主从结构，单片机是主器件，存储器是从器件。一条总线可以带多个从器件（也可以有多主结构），I2C总线的SDA和SCL是双向的，开路门结构，通过上拉电阻接正电源。进行数据传输时，SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定。 在SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换表示起始条件；当SCL是高电平时SDA线由低电平向高电平切换表示停止条件如图4.4.4所示。图4.4.4起始和停止信号 SPI通信方式包括3线SPI和4线SPI。其中4线接口包括四个信号，时钟信号，片选信号，主机输出从机输入信号和主机输入从机输出信号。其中时钟信号包含SPI,CLK和SCLK三个接口，片选信号包含CS引脚，主机输出从机输入信号包含MOSI引脚，主机输入从机输出信号包含MISO引脚。 产生时钟信号的器件称为主机。主机和从机之间传输的数据与主机产生的时钟同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的时钟频率。用户应查阅产品数据手册以了解SPI接口的时钟频率规格。SPI接口只能有一个主机，但可以有一个或多个从机。图1显示了主机和从机之间的SPI连接。来自主机的片选信号用于选择从机。这通常是一个低电平有效信号，拉高时从机与SPI总线断开连接。当使用多个从机时，主机需要为每个从机提供单独的片选信号。本文中的片选信号始终是低电平有效信号。MOSI和MISO是数据线。MOSI将数据从主机发送到从机，MISO将数据从从机发送到主机。I2C与SPI相比：I2C：（1）总线拓扑结构：I2C只需两根信号线，而标准SPI至少四根信号，如果有多个从设备，信号需要更多。一些SPI变种虽然只使用三根线——SCLK、SS和双向的MISO/MOSI，但SS线还是要和从设备一对一根。另外，如果SPI要实现多主设备结构，总线系统需额外的逻辑和线路。用I2C构建系统总线唯一的问题是有限的7位地址空间，但这个问题新标准已经解决——使用10位地址。从第一点上看，I2C是明显的大赢家。（2）优雅性：I2C常被称更优雅于SPI。I2C的优雅在于它的特色——用很轻盈的架构实现了多主设备仲裁和设备路由。但是对使用的工程师来讲，理解总线结构更费劲，而且总线的性能不高。SPI：（1）传输速率：如果应用中必须使用高速数据传输，那么SPI是必然的选择。因为SPI是全双工，IIC的不是。SPI没有定义速度限制，一般的实现通常能达到甚至超过10Mbps。IIC最高的速度也就快速+模式(1Mbps)和高速模式(3.4Mbps)，后面的模式还需要额外的I/O缓冲区，还并不是总是容易实现的。（2）易掌握性：SPI的优点在于它的结构相当的直观简单，容易实现，并且有很好扩展性。SPI的简单性不足称其优雅，因为要用SPI搭建一个有用的通信平台，还需要在SPI之上构建特定的通信协议软件。也就是说要想获得SPI特有而IIC没有的特性——高速性能，工程师们需要付出更多的劳动。另外，这种自定的工作是完全自由的，这也说明为什么SPI没有官方标准。IIC和SPI都对低速设备通信提供了很好的支持，不过，SPI适合数据流应用，而IIC更适合“字节设备”的多主设备应用。4.5报警模块在室内花卉种植方面，温湿度是很重要的检测指标，当温度或湿度不在花卉生长的适宜范围内时，就需要单片机报警来提醒人们即使调节温湿度。而报警的方式有很多种，比如利用蜂鸣器发出尖锐的鸣叫声来报警，也可以利用报警闪光灯的闪烁提醒人们发生了紧急情况，还可以使用语音播报模块。这三种报警方式各有所长，但闪光灯报警在白天时不易被察觉，可能会耽误人们发现紧急情况，从而影响花卉的生长；语音播报报警，声音清晰，还能根据不同的情况发出不同的报警声，但相对价格较高，实现较为复杂。而蜂鸣器报警不仅报警声清晰，而且容易实现，价格很便宜。蜂鸣器包括压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器[7]。压电式蜂鸣器实物如图4.5.1。图4.5.1压电式蜂鸣器电磁式蜂鸣器实物如图4.5.2。图4.5.2电磁式蜂鸣器 蜂鸣器工作电路原理图如图4.5.3所示。图4.5.3蜂鸣器工作电路4.6蓝牙模块4.6.1模块简介本次设计采用的蓝牙模块是CC2541蓝牙模块。CC2541是一款高度集成的芯片，这款芯片的成功研发使得蓝牙能够更低功耗的应用成为了可能[5]。CC2541的电池有更长的使用寿命，仅用一枚小小的硬币型电池，它便可以运行超过一年的时间，这为人们在硬件的低功耗使用方面提供了新的思路。CC2541使用的是蓝牙4.0版本的协议栈，有效传输距离可以达到30米，它的工作电压在2—3.6V之间。CC2541是一款可以快速进行开发的蓝牙模块，它极大地简化了蓝牙调试方面的工作。与CC2540相比，CC2541加入了I2C总线，丰富了模块的通信方式，而且价格也更便宜。CC2540则有USB接口，有更强的信号，但这也意味着CC2540有着更高的功耗。同时CC2541在原来的基础上大大简化了智能蓝牙传感器应用的设计，缩短了开发的时间。 蓝牙串口通讯模块具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式。 当模块处于命令响应工作模式时能执行AT命令，用户可向模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。在自动连接工作模式下模块又可分为主、从和回环三种工作角色。 进入命令响应工作模式有两种方法：模块上电，未配对情况下就是AT模式，波特率为模块本身的波特率，默认：9600，发送一次AT指令时需要置高一次PIO11；PIO11置高电平后，再给模块上电，此时模块进入AT模式，波特率固定为：38400，可以直接发送AT指令。 在蓝牙模块中有一个小按键，按一下就置高一次PIO11。也就是说，第一种方法需要每发送一次AT指令按一次；而第二种方式是长按的过程中上电，之后就无需再管了，直接发送AT命令即可。需要注意一下，两种进入命令响应工作模式的方式使用的波特率是不一样的，建议使用第二种方式。怎么区分进了命令响应工作模式呢？在蓝牙模块上有灯，当灯快闪的时候，就是自动连接工作模式；当灯慢闪的时候，就是命令响应工作模式。常用的AT指令如下图4.6.1所示。图4.6.1常用的AT指令4.6.2模块特性CC2541的器件特性有：价格：与CC2540相比，CC2541相对来说更便宜。布局：（1）极少的外部组件 （2）提供参考设计 低功率：（1）工作模式RX低至：17.9mA（2）工作模式TX（0dBm）：18.2mA（3）功率模式1（4μs唤醒）：270μA（4）功率模式2（睡眠定时器打开）：1μA（5）功率模式3（外部中断）：0.5μs（6）宽泛的电源电压范围（2V-3.6V）（7）工作模式下TPS62730兼容低功率 CC2541引脚图如图4.6.图4.6CC2541引脚图4.7传感器模块4.7.1模块简介DHT11DigitalHumiditySensor是一种复合热水分传感器，它包含校准数字信号输出，并利用专用技术采集数字机组和热水分传感器，由此该产品具有较高的可靠性和较长时间的稳定性[6]。该传感器由一个电阻式湿度传感元件和一个热敏电阻构成。实物图如图4.7.1。 图4.7.1DHT11温湿度传感器 DHT11温湿度传感器工作原理图如图4.7.2所示。图4.7.2DHT11工作原理图各引脚说明如下：VCC端：供电3.5-5.5VDCGND端：接地，电源负极DATA端：串行数据，，单总线NC端：空悬4.7.2工作原理DATA端用于MCU与DHT11之间的通讯和同步，使用单总线数据格式，每隔4ms左右发送一次数据，数据包括小数部分和整数部分，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和[8]只有数据传送正确时，校验和的数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。信号发送如图4.7.3所示。4.7.3数据时序图4.7.3工作步骤DHT11采集并发送数据有如下几个步骤： 步骤一：DHT11接入电路并打开电源后，DATA端保持为高电平，同时处于输入状态，便与检测外部信号的输入。步骤二：微处理器的I/O接口在输出状态下先把总线拉低至少18ms，再拉高20-40us，之后I/O接口转化为输入状态，等待DHT11返回响应信号。发送信号如图4.7.4所示：图4.7.4主机发送信号步骤三：在DHT11接收到主机发送的起始信号后，会先将总线拉低80us，再拉高80us作为响应。发送信号如图4.7.5所示：图4.7.5发送信号步骤四：DHT11在发送出响应信号后，发送40位的温湿度数据信息，此时I/O接口处于输入状态。位数据包含“0”和“1”两种。其中“0”信号表示为50us的低电平+26-28us的高电平，“1”信号表示为50us的低电平+70us的高电平。因此读取时可以选取78us-120us之间的一个节点，如果此时有高电平信号则说明发送的是“1”数据，如果采集到的是低电平信号则说明发送的是“0”数据。位数据“0”、“1”格式信号如图4.7.6所示：图4.7.6位数据“0”“1”格式信号5软件设计5.1总体程序流程框图 在对系统的各部分有一定的了解之后，就可以先设计出总体程序流程框图，便于我们把握整个设计的设计思路，总体程序流程框图如图5.1所示。图5.1系统总体程序流程框图 首先，整个系统利用2个DHT11温湿度传感器同步采集室内不同区域的温湿度信息，之后将采集到的温湿度信息发送到单片机，由单片机系统对数据进行处理，分析。之后将处理好的信息同时发送到OLED显示屏和CC2541蓝牙模块，通过OLED显示屏实时显示室内温湿度信息，并通过蓝牙模块将数据信息发送到手机端，当手机打开蓝牙功能并接收到蓝牙模块发送的数据后，通过蓝牙调试助手显示收集到的数据，这样可以实现远程的温湿度监控功能。同时单片机会将处理好的温湿度信息与设置好的阈值进行比较，若当前室内温湿度在一段时间内超出阈值，则发送信号到蜂鸣器，此时蜂鸣器报警，人们可以通过按键复位来关闭报警也可以通过手机端远程关闭报警。同时在手机端可以发送降温，升温等指令，通过单片机模拟实现控制温度。5.2温湿度采集程序 DHT11采集数据流程框图如图5.2所示。图5.2DHT11采集数据流程框图 首先，从总体来说应当有一个初始化函数，这个函数主要是为了初始化DHT11引脚，时钟等，在检测到DHT11连接无误后，返回复位函数。初始化函数如图5.2.1所示。图5.2.1初始化函数在复位函数中，要根据DHT11的特性，通过主机先发送至少18ms的拉低信号，再发送20-40us的拉高信号，只有这样DHT11才能实现复位。复位函数如图5.2.2所示。图5.2.2复位函数复位后有一个检测信号函数，该函数的作用是判断是否检测到响应信号，主要通过检测DHT11是否先发送80us的低电平信号，延迟一段时间后又发送80us高电平信号。检测信号函数如图5.2.3所示。图5.2.3检测信号函数在检测到响应信号后就读取数据。读取数据时要先检测数据是0还是1。它的原理是数据0和1在DHT11输出信号拉低50us后，再拉高的一段时间不同。数据0拉高26-28us，数据1拉高70us。由此可以通过总时长来判断数据是0还是1。之后再将每8位数据合成一字节数据保存即可。读取一字节数据的函数如图5.2.4所示。图5.2.4读取一字节数据的函数之后要进行1次读取操作，在这里需要读取5次数据，每次8位，共40位数据，其中第一次是湿度数据，第三次是温度数据。读取一次数据的函数如图5.2.5所示。图5.2.5读取一次数据的函数5.3OLED显示程序 OLED屏显示温湿度信息流程图如图5.3所示。图5.3OLED屏显示温湿度信息流程图 本次实验采取的是四引脚，I2C通讯的OLED屏。在实现方面先写I2C协议代码，大致包含引脚定义，启动I2C,结束I2C，字节数据发送函数，字节数据接收函数这几个部分。 OLED显示温湿度的软件包含初始化OLED，清屏函数，开关OLED显示函数，OLED显示数据函数，点亮像素点函数这几部分。其中初始化函数包含所有用到的OLED命令，比如OLED_WR_Byte(0xAE,OLED_CMD)用于关闭屏幕显示功能，OLED_WR_Byte(0xAF,OLED_CMD)用于开启屏幕显示功能。清屏函数是清空屏幕里所有内容，屏幕会变为黑色。显示数据时，需要先确定光标位置，再根据要显示的数据点亮像素点。数据的显示需要先取模，利用取模软件将汉字，数字，英文字母等取模，再将数据保存到word.c工程文件。显示温湿度信息时只要将DHT11采集到的信息传给OLED，再将信息转化为10进制数显示在OLED中即可。5.4蜂鸣器报警程序 蜂鸣器报警流程图如图5.4所示。图5.4蜂鸣器报警流程图 本次实验使用的蜂鸣器是高电平触发，即在I/O接口接收到高电平信号时蜂鸣器报警，一般情况下处于低电平。在DHT11检测到的温湿度超过设定的阈值一段时间后给蜂鸣器发送高电平信号，蜂鸣器报警，在报警期间，如果温湿度恢复到阈值内则传输低电平信号，蜂鸣器停止报警。也可以通过手动按下开发板上的复位按钮来实现手动复位，还可以通过蓝牙模块远程控制蜂鸣器停止报警。5.5蓝牙传输程序 蓝牙模块传输信息流程图如图5.5所示。图5.5蓝牙模块传输信息流程图 在蓝牙的AT模式中，使用AT指令设置蓝牙的名称，蓝牙配对码等，比如AT+NAME=”BLUENAME”,就是设置了蓝牙名称为“BLUENAME”。 在自动连接模式中，我们可以打开手机蓝牙搜索到该蓝牙，再输入配对码进行连接。6制作与调试6.1硬件电路制作（1）所用器件比较常见，每部分电路的原理都比较简单。（2）使用了STM32F103最小系统板，两个DHT11温湿度传感器，一个OLED显示屏，一个有源蜂鸣器，一个CC2541蓝牙模块，使用杜邦线将它们连接起来，不用焊接。6.2使用工具6.2.1AltiumDesigner（1）打开软件，点击菜单栏“File—>New—>Schematic”,新建原理图。（2）点击右侧的Libraries，可以打开库文件。在库文件中可以找到自己所需的电阻，电容，芯片等。如果库文件中没有自己所需的元器件，则需要去网站找到包含该器件的器件库并导入到AD中。（3）找到所需要的元器件后，使用导线将它们一一相连，完成电路图。6.2.2Keil（1）运行Keil软件，点击“Project—>NewuVisionProject”,新建一个项目工程。（2）选择保存的目录，给这个工程取个名字，保存这个工程。（3）在弹出的对话框中选择STM32F103这一型号的开发板（4）在file中选择new，新建一个文本，并保存为“.c”文件，把“.c”文件添加到这个文本中。（5）在设置中，选择以单片机一样频率的晶振。（6）在Output中勾选CreateHEXFile，使编译器输出单片机需要的HEX文件。（7）最后代码无误，点击工具栏上的编译，构建，重构建，就能生成HEX文件。6.3调试6.3.1硬件调试 硬件调试步骤：在不接通电源的情况下，通过一一对比每个模块及系统板引脚的意义，确定电源没有接错，接地端正确，各引脚连接正确。接通电源，观察最小系统板指示灯是否正常，其它模块电源指示灯是否正常亮起。观察一段时间，通过用手接触各芯片，观察是否有发热现象，如果有异常情况，马上断电，再进行检查。在一段时间无状况后，将写好的代码烧录进开发板中，观察OLED显示屏能否正常显示两个地方的温湿度，并用嘴向传感器吹气，使其温度或湿度不在设定的阈值内，此时观察蜂鸣器是否报警，如果有问题先检查连