【《基于STM32的无线传输环境检测设计》6000字】

《基于STM32的无线传输环境检测设计》目录14813第一章绪论 1138061.1选题的目的及研究意义 1138071.2本课题的研究现状和发展趋势 1139481.3主要任务要求 223447第二章主要模块论证选择 3160492.1环境检测的总体设计方案 325802.2各模块方案的选择 4179262.2.1控制芯片的选择 48432.2.2信号采集模块的选择 4219782.2.3显示模块的选择 4261182.2.4无线通信模块的选择 426920第三章硬件电路的设计 690273.1控制模块电路的设计 6202543.2信号采集电路设计 638333.2.1SHT11温湿度传感器 6203073.2.2光学灰尘传感器 7286633.2.3MQ-135传感器 711873.3显示模块电路设计 7204263.4报警模块 8194553.5WIFI模块设计 848183.5.1ESP-12FWIFI模块介绍 8201493.5.2WIFI模块硬件电路 925062第四章软件程序设计 11112584.1系统编程语言和编程工具 11312894.2主机软件程序设计 1191464.2.1WIFI模块软件设计 12239124.2.2显示模块软件设计 12299514.3从机程序的软件设计 13273384.3.1WIFI模块软件设计 13298004.3.2数据采集模块软件设计 1429825第五章系统的调试 15172905.1硬件测试 1513793第六章总结 166197参考文献 18第一章绪论1.1选题的目的及研究意义随着近年来我国经济和科技的迅猛发展,工业化进步程度不断得到加快,但是其自然的生态环境却已经遭到了愈加严重的污染。在现实生活中,随着现代社会人们物质生活水平的进一步提高,对其所处生活区域环境的品味和质量提出了新的要求。当前,国内广泛应用于民间居住区的环境监测信息系统相对较少,环境监测点往往是位置比较分散、地理状况复杂、无法有人值守,因而使用人工抄取各个监测点的信息数据非常不方便、执行效率差,有线的方式采集各个监测点信息数据投放大、布线麻烦、传输时间距离有限,没能建立一个完整的的环境监测信息网。随着无线射频通信技术、微电子通信技术及其他与集成电路相关技术的飞速发展和不断进步,无线通信网络技术已经初步取得了新一代信息技术的重要突破和重大发展,无线通信在实际网络上的应用实现也已经变得越来越简单,传输速率也已经变得更加迅捷,可靠性也已经变得更加高效,并且正在逐渐逐步发展和达到一种几乎可以与有线通信网络互相媲美的高新技术水平。无线的网络具有以下几大优势：1.对于环境的要求极低，使用电磁波作为传输介质无需电缆网线，使用范围更加广泛。2.在一些主要用于应用无线单片式主机远程编解码射频接口技术的大型无线通讯通信系统中,采用了多少个字节的输入地址进行编码,收发器的地址数量也可以不受严格限。3.单个模块体积小，硬件成本低，系统功耗低。1.2本课题的研究现状和发展趋势近年来,随着我国工业生产效率的不断改善与提高,自动化程度和水平的提升与范围不断拓宽，对于环境监控技术的应用要求也越来愈高,各国的专家都正在积极、有针对性的竞相研究和开发各类特殊而实用的环境测量技术,并且已经取得了历史性的重大进步。但目前,由于我国的环境监控设备和仪器大都是中小企业制造,其产品基本上都是集中于中低档环境监控设备,远不如适应当前我国对环境监控工作的发展。主要有以下几个方面的特点:1.使用的无线协议落后，生产水平较低，没有规模效益。2.不良品率偏高，待机时间不能达到预期设定，成品质量参差不齐。3.芯片紧缺，供应链不完整，配套设施不齐全，无法适应当前市场对无线传感网络的需求。1.3主要任务要求以STM32为主控芯片，结合多个模块，设计一款可以无线采集当前环境数据的环境检测系统。当空气质量差或者pm2.5含量超标时，蜂鸣报警器及时地进行报警。系统通过WiFi无线数据传输模块进行数据发送与接收。该系统主要实现如下功能：1.采用四种环境质量数据传感器（特殊环境传感器：pm2.5传感器、温湿度指数传感器、空气质量指数传感器）检测当前环境的具体环境参数。2.WiFi无线数据传输模块可以把传感器所采集到的数据经由WIFI电脑发送至主机。3.主机接收到数据后进行各节点的数据显示，并根据阈值的设定进行报警。第二章主要模块论证选择2.1环境检测的总体设计方案该设计以STM32F103C8T6为控制核心处理器，采用PM2.5传感器，空气质量传感器，温湿度传感器采集当前环境参数，并在OLED液晶屏上显示出来。采用蜂鸣报警器来实现报警功能，采用ESP8266模块实现主机从机之间的模块通信。该系统的硬件部分主要包括电源电路、STM32控制模块、信号数据采集模块、显示模块、按键控制模块、声光报警模块，WIFI模块。具体框图如图2.1所示。主机模块图从机模块图图2.1系统原理框图2.2各模块方案的选择2.2.1控制芯片的选择方案一：如何选择51单片控制主机方案作为一个核心的微控制器，51系列的微单片机可以使用多种语言对其系统进行硬件编程，由于地址空间只有64KB，因此运行速度较慢，仅有三个定时器和一个串口。方案二：通过选择STM32F103C8单片机。该单片机使用ARM公司的Cortex-M3作为内核，支持多种开发工具的在线Debug。代码方面可以使用自带的库函数进行编程，用户仅需调用相关功能代码便可驱动该单片机，所以比起普通的51单片机在程序编写方面要更加的省时。在实现高性能的同时，还有3种节能模式可供选择，实现了低功耗。相比51系列STM32系列外围接口也更加丰富。所以选择方案二。2.2.2信号采集模块的选择（1）温湿度传感器方案一：选择SHT20温湿度传感器。该传感器可以采集环境温度以及湿度，两个环境参数数据均为数字量，可以直接与单片机的IO连接发送数据。方案二：选择DHT11温湿度传感器。相较于SHT11温湿度传感器，该传感器成本更低，数据精度略低。内部集成了一个电容式湿度传感器和一个电阻式温度传感器以及其外围ADC转换电路，输出的数据同样是数字量。本系统在精度上要求不高所以选择成本更低的方案二。（2）空气质量传感器 空气质量传感器选用的型号为MQ-135。该传感器通过其内部的二氧化锡可以检测空气中的浑浊气体浓度。2.2.3显示模块的选择常见的显示模块有LCD和OLED，本设计需要显示温度，湿度，空气质量等环境参数行数较多，选择LCD成本较高。OLED屏幕是主动发光材料构成的显示屏，可显示的像素数目多，亮度高。本设计选用的OLED屏幕大小为0.96寸，刚好满足本设计的显示需求。与单片机连接方面，这款屏幕采用了IIC接口，极大的节省了单片机的引脚资源。2.2.4无线通信模块的选择方案一：采用蓝牙模块。处于2.4GHZ频段的蓝牙采用FHSS系统，使用IEEE802.15协议，支持点对点通信。它的传输速率为1Mbps，可传输的距离约20至100米。成本低、便捷、功耗低的优点使蓝牙普及面广，但是蓝牙传输速度相对其他通信技术较慢，信号距离也有限。因此蓝牙适合短距离通信。方案二：采用以ESP8266为芯片的WIFI模块。该模块的WIFI使用的时标准的WIFI协议802.11，工作频段为2.4GHZ。WIFI的传输速率要远远强于蓝牙模块，但是功耗相对于蓝牙模块来说较高。ESP8266芯片稳定性强、功耗较低、能够实现快速传输数据，性价比高，可以无需单片机工作，独立性强。本设计节点较多，WIFI协议较为成熟，所以选择方案二。

第三章硬件电路的设计3.1控制模块电路的设计STM32F103c8t6是一款全新的并可支持低精度功耗的的自动化数位工作时钟模式,72m的高标准精度数位时钟输出频率,采用了armcortex-m3内核数据总线宽度为32位的十字微控制器,内置2个12位的十字数模数据转换器,存储数据容量大,拥有比较多的I/O接口。此电路中输入电源为5v，输出为3.3V。此电路使用了SPX3819M5L33芯片实现降压。为了检验芯片是否供电，在芯片外接了电源指示灯以及测试LED灯，能够直观地反应出单片机运行的情况。主控芯片为了提高运行速度，外接8M晶振。BOOT0，BOOT控制引脚接10K电阻。STM32芯片的程序下载选用简化的JTAG模式，引脚1和引脚4分别接地和电源，引脚2，引脚3分别接单片机的SWCIK端口（37引脚）和SWIO端口（34引脚）。芯片引脚及I/O接口如图3.1所示。图3.1STM32单片机主控芯片3.2信号采集电路设计3.2.1DHT11温湿度传感器本系统使用DHT11温湿度传感器采集当前环境的温度和湿度。这款传感器集成了一个电容是的湿度传感器和一个电阻式的温度传感器以及其模数转换电路，可以直接输出温度湿度的数字量，无需占用单片机的ADC通道，即可输出温湿度值。系统中温湿度传感器的数字量输出口于单片机的PA11口连接。本次电路设计如图所示。图3.2SHT11温湿度传感器连接图3.2.2MQ-135传感器该传感器是空气质量传感器，用于检测当前环境的空气浑浊程度。这个传感器的原理是利用了二氧化锡在空气中的导电性于当前空气中氨气，硫化物，烟雾等气体的正相关特性，使用简单的外围电路便可得到一个线性关系，从而得到空气质量数值。该模块于单片机额PA2口相连。连接图如图3.3所示。图3.3MQ-135气体传感器电路图3.3显示模块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。显示芯片可以调节256档屏幕亮度，内置时钟电路。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3.4所示。图3.4OLED接线电路图3.4报警模块该设计的报警电路的提示信号为蜂鸣器。报警电路图如图3.5所示。图3.5报警电路图3.5WIFI模块设计3.5.1ESP-12FWIFI模块介绍本系统采用以ESP8266为核心的WIFI芯片，由于该芯片内置TCP/IP协议、天线开关、电源管理转换器，可以进行串行接口和无线接口的转换。它支持独立运行，用户可以自定义服务器。工作电压处于3.0～3.6V，工作温度处于-40°~125°。ESP8266芯片引脚图如图3.6所示。引脚功能介绍如下：ADC：检测传感器输出。检测范围输入电压范围为0-1V。SCLK：时钟信号。RET：复位引脚。RXD：接收数据。TXD：数据传输。16个GPIO管脚:通用IO，可用来引发电平唤醒中断的输入。CH_PD：控制芯片断电。图3.6ESP82663.5.2WIFI模块硬件电路给予电路3.3V的电压，WIFI芯片3脚RXD与单片机管脚PA2（12引脚）相连，实现输入数据；WIFI芯片2脚TXD与单片机管脚PA3（13引脚）相连，实现输出信号功能。WIFI模块接线示意如图3.7所示。图3.7WIFI模块电路连接图3.6系统电路原理图下图为系统电路原理图。图3.8系统电路原理图图3.9PCB电路原理图

第四章软件程序设计本设计软件主要是依托于STM32F103C8T6芯片。首先要初始化单片机，初始化的内容包括时钟，数据采集模块，显示模块以及WiFi无线通信模块。然后通过WiFi组网进行数据通讯。从机主控芯片读取各传感器数据后将计算出的温湿度等数据通过WiFi发送至主机，主机WiFi模块接收信息后进行根据预设阈值进行报警。本章将分为主机程序和从机程序进行介绍。4.1系统编程语言和编程工具本设计使用的是STM32F103C8T6单片机，该单片机拥有丰富的C语言开发资源。系统编程语言选择C语言，可以直接使用官方提供的库函数进行编程。汇编语言虽然执行效率高，但是学习资源较少，代码晦涩难懂，不是本设计的编程语言最佳方案。开发工具是KeilSoftware公司的keil5，它由两个部分组成，分别是MDKCore和SoftwarePacks。其中MDKCore主要负责代码的编写编译，在线Debug以及安装芯片包等功能。SoftwarePacks是软件支持包，可以安装最新的支持包来获取新的设备，器件等。4.2主机软件程序设计主机的软件分为无线数据传输模块，显示模块，报警模块组成，下面将分别介绍各模块工作流程。图4.1主机系统软件设计流程图4.2.1WIFI模块软件设计本系统使用WiFi模块进行无线数据通信。主机WiFi模块为服务端，在初始化完成后建立ap热点，等待从机模块连接。当从机模块有数据发送至服务端时，主机模块的主控芯片通过串口读取该数据完成无线通信的接收。流程图如下：图4.2WiFi软件设计流程图4.2.2显示模块软件设计本系统显示模块使用IIC与STM32进行数据通信，具体流程如下图所示：图4.3显示模块软件设计流程图4.3从机程序的软件设计从机的软件分为无线数据传输模块和数据采集模块组成，下面将分别介绍各模块工作流程。图4.4从机系统软件设计流程图4.3.1WIFI模块软件设计本系统从机模块使用WiFi模块进行无线数据发送。将各环境参数传感器采集到的环境数据发送至主机WiFi模块。从机WiFi模块初始化完成后寻找主机WiFi模块建立的ap热点并加入，与服务器建立连接，完成后将数据发送至服务端流程图如下：图4.5从机系统软件设计流程图4.3.2数据采集模块软件设计 本系统使用了三种环境数据传感器，分别是空气质量传感器，pm2.5传感器和温室度传感器。从机的主控芯片通过GPIO口读取传感器所采集的参数进行数据处理得到具体的温湿度值等数据。图4.6数据采集模块软件设计流程图第五章系统的调试5.1软硬件系统调试本文第三四章中详细介绍了硬件电路设计以及软件设计流程，本节将详细介绍软件硬件的调试过程。1.裸板测试本设计使用洞洞板引出单片机最小系统的引脚以及电源。首先检查单片机最小系统是否有虚焊漏焊等问题，使用万用表检测每一路连接是否正常以及带正负极的元器件是否焊反等。检测完毕后使用万用表的蜂鸣挡测试电源和地是否短路，确认无误后将各个模块连接到单片机最小系统上。2.电路板上电操作本设计使用的是5V供电，确认极性后才能给系统进行上电。在测试阶段可以使用可调稳压电源，限制电流为1.5-2A。电源一经接通，首先观察电路板是否有异常现象（冒烟，元器件裂开，杂音，芯片发烫等），如果发生上述现象，应立即关闭电源，逐个排查问题所在，问题排查后进行重新上电。3.功能测试上电检测完成后，使用单片机最小系统的调试接口下载一个LED闪烁测试程序以检测调试接口以及单片机最小系统是否可以正常运行。4.软件测试在软件测试的过程中尤其需要注意的一点是使用示波器或者万用表测量电压波形时不可以与别的引脚接触，避免在测试过程中将硬件短路，损坏硬件电路。本设计使用keil5进行软件开发，在keil5的工程中通过编译排查显而易见的代码格式错误以及生成.hex文件。将生成的文件下载到单片机中，查看系统运行状态是否与设计相同，逐步完善代码功能。5.系统联调最后，便是系统整体调试了：将主机模块通上电，OLED屏幕闪烁，等待一会跳动停止将温湿度指数传感器与空气质量传感器依次通上电，等待10-20秒左右按中主机模块上的按钮OLED屏幕闪等待其跳动停止按住温湿度传感器上的按钮，主机模块连接到WIFI时