【基于STM32F103rct6单片机的环境监测系统设计5100字（论文）】

基于STM32F103rct6单片机的环境监测系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u20203第1章绪论 17111第2章系统总体设计 2182222.1系统总体描述 2258422.2系统总体设计框图 2271132.3系统的主要功能 217838第3章硬件设计与实现 387263.1STM32F103RCT6芯片介绍 3283283.2单片机最小系统 342943.2温湿度传感器模块设计 4192973.3烟雾传感模块 4203164.1机智云简介 592014.2MCU快速开发 5206914.3主程序流程图设计 796604.4模块代码流程图设计 7168994.4.1、OLED显示流程图 7212744.4.2烟雾传感器 823684.4.3温湿度传感器 96402第5章调试结果与分析 10183795.1、系统软件调试 108185.2、系统硬件调试 115098结论 13摘要随着社会的发展，人们的生活水平得到了很大提高。然而，环境污染问题正变得越来越严重。城市里的烟雾和装饰建筑材料中的甲醛一直威胁着人类的健康。人们越来越关注他们所处的环境。市场上常见的空气检测工具庞大而且功能多样，有些产品只能检测烟雾或只能检测甲醛。有些产品具有多种检测功能，但无需远程监控用户必须将设备拿到现场检测空气质量，这对用户实时监控空气质量不方便。针对上述问题，本文设计了一种家用实时监控系统。基于STM32单片机的环境，可以远程监控环境数据。传感器采集的室内湿度和室内温度可以通过STM32检测并显示在OLED液晶屏上。关键词：STM32F103RCT6；温湿度；数据采集与处理；机智云第1章绪论纵观过去和现在，人类社会不断伴随着科学技术的进步。特别是在科学技术的飞速发展中，科学技术为生产力和人类文明的发展开辟了广阔的空间，促进了经济社会的快速发展。各种科技成果被广泛应用于社会各个领域，在当今社会中衡量技术科学和技术发展的主流。通过手工方法对参数信息系统的早期检测通常是基于视觉监测。工作人员的操作情况不仅增加了工作量，而且确保了检测的真实性和有效性，并且在技术上和经济上都是不合需要的。无线传感器网络可在任何时间，任何地点和任何环境条件下实现可靠的实时数据。在未来，无线传感网络是有相当广泛的应用前景。第2章系统总体设计2.1系统总体描述环境监测系统主要是以STM32F103RCT6嵌入式主控制芯片，外接温度传感器、湿度传感器以及烟雾报警传感器等模块对室内环境的监测，并在OLED屏幕上显示当前的数据，然后将监测到的数据发送到STM32主控板中进行数据分析，当采集到的环境数据超过设定的值时，STM32主控板中的蜂鸣器报警模块会发出报警声。2.2系统总体设计框图图2.2.1系统总体设计框图2.3系统的主要功能A.温湿度模块温湿度监测:通过温湿传感器获取室内温湿度状况。并提供数据给处理器，再通过WIFI模块传给手机，通过手机可以远程实时监测室内温湿度。B.烟雾报警模块烟雾报警装置：，烟雾传感器监测空气中的烟雾浓度，通过烟雾浓度值的大小来预判火灾的发生。如果烟雾浓度值过高，已经超过事先设定好的阈值蜂鸣器将发出连续的警报声，直到烟雾浓度值降为正常值。C.OLED显示模块OLED显示：温湿度传感器，以及烟雾报警器采集的数据经过处理后，会以字符的形式显示在OLED屏幕上。显示的顺序为湿度值、温度值、烟雾浓度值。D.无线远程控制模块WIFI无线传输技术:通过WIFI无线技术，实现STM32主控制板与手机控制端的无线连接，手机控制端再把设定的阈值数据传给手机，手机就可以实时监控家里的环境。第3章硬件设计与实现3.1STM32F103RCT6芯片介绍●基于ARMCortex-M3核心的32位微控制器,LQFP-144封装。●512K片内FLASH（相当于硬盘）,64K片内RAM（相当于内存）,片内FLASH支持在线编程(IAP)。●高达72M的频率,数据,指令分别走不同的流水线,以确保CPU运行速度达到最大化。●通过片内BOOT区,可实现串口下载程序(ISP)。●片内双RC晶振,提供8M和32K的频率。●支持片外高速晶振(8M),和片外低速晶振(32K).其中片外低速晶振可用于CPU的实时时钟,带后备电源引脚,用于掉电后的时钟行走。●42个16位的后备寄存器(可以理解为电池保存的RAM),利用外置的纽扣电池,和实现掉电数据保存功能。●支持JTAG,SWD调试。配合廉价的J-LINK,实现高速低成本的开发调试方案。●多达80个IO(大部分兼容5V逻辑),4个通用定时器,2个高级定时器,2个基本定时器,3路SPI接口,2路I2S接口,2路I2C接口,5路USART,一个USB从设备接口,一个CAN接口,SDIO接口,可兼容SRAM,NOR和NANDFlash接口的16位总线-FSMC。●3路共16通道的12位AD输入,2路共2通道的12位DA输出。支持片外独立电压基准.。●CPU操作电压范围:2.0-3.6V。3.2单片机最小系统单片机的最小应用系统中的就是指该芯片能够正常运转起来，所需要的最少元器件组成的电路系统。其中必须有供电的电源电路、提供工作节拍的时钟电路、遇到故障时恢复初始状态的复位电路，烧写电路，给芯片烧写程序。单片机有顺序地工作的时钟信号由时钟电路提供。无论是从取指令操作到译码操作再进行接收到微命令执行的操作都是按时间顺序工作的。本次设计的时钟电路是将30pF的电容C3接在单片机XTAL1和30pF的电容C2接在XTAL2端口上起到稳频的作用，在中间并联上一个晶体振荡器就可以在没有提供外部的激励信号时，自己产生连续稳定的震荡。本文中最小系统的电路选用的12MHz的晶振，外接两个30pF的瓷片电容，可微调振荡器的频率。3.2温湿度传感器模块设计温湿度传感器模块为温湿度数据采集模块和报警模块，温湿度采集模块型号为DHT11传感器，这是一种温湿度复合传感器传感器，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，采用单线制集成化串行接口的设计，有功耗低传输距离长等优点，主要应用数字模块采集技术和温湿度传感技术，响应的时间短抗干扰的能力强。DHT11数字温湿度传感器的供电电压为3V-5.5V;供电电流为2.5mA;温度范围为0-50°C误差±2°C;湿度范围为20-90％RH误差±5％RH;响应时间：1/e（63％）6-30s;测量分辨率为8bit（温度），8bit（湿度）;采样周期间隔不得小于1秒;模块尺寸：30x20mm;另外，当连接线的长度小于20米时，使用5K的上拉电阻。当它大于20米时，根据实际情况使用合适的上拉电阻。DHT11电路图原理图如图3-3所示。图3.2.1DHT11电路原理示意图3.3烟雾传感模块烟雾报警模块可以设计成自动监测烟雾浓度，电路形式可以是由STM32单片机、数模转换芯片、以及其他元件构成；因为要考虑到烟雾传感器是把非电量转换为电量传感器输出的是0-5伏电压值且电压值稳定，外部干扰小等，所以可以把传感器输出电压值经过A/D转换得到数据交给单片机进行处理。因此要求系统配备完善的模拟量和数字量输入输出通道和完善的中断系统和处理功能。STM32采集烟雾传感器的响应信号，并且进行转换。具体步骤是信号采集处理、声光报警电路以及显示、保护电路测试。4.1机智云简介智能云平台是业界的长期努力和对物联网传统行业的深刻变革，为个人和企业开发人员提供一站式智能硬件开发和云服务平台。该平台提供了从定义的产品，设备端开发和调试，应用程序开发，生产测试，云开发，运营管理和数据服务访问运营管理全生命周期服务的智能硬件访问的能力。智慧云平台为开发人员提供自助式智能硬件开发工具和开放式云服务。通过简单的自助工具，完善的SDK和API服务功能，最大限度地降低了物联网硬件开发的技术门槛，降低了开发人员的成本，提高了开发人员的产品生产速度，并且智能升级了开发人员。更好连接并服务于最终消费者。图5-1平台接入示意图4.2MCU快速开发机智云平台是一个致力于物联网和智能硬件云服务的开放平台。WitCloud专注于提供智能云服务和物联网软件和硬件解决方案，以帮助传统硬件供应商升级其产品并快速实现硬件智能。为了实现硬件的智能，除硬件本身外，还需要实现：智能云平台，移动APP，网络模块，每个领域都需要专业的团队支持。WitCloud提供了一个完整的解决方案，允许供应商或开发人员专注于他们自己的产品硬件。以最小的成本和风险实现硬件智能，并获得产品的最大附加值。本节介绍了云设备访问的基本过程。硬件设备与机智云数据交互流程如图所示：.图5-2机智云自助接入流程如图所示。A.注册成为智能云开发人员在使用智能云平台服务之前，您需要注册一个WitCloudDeveloper帐户。单击以注册WitCloudDeveloper帐户，将其分为“个人帐户”和“企业帐户”，如下图所示。如果您是企业用户，请务必申请公司帐户（具有更多企业服务需求）。B.创建产品在开发者中心点击“创建新产品”后输入产品名称以及选择对应设备接入方案即可完成“新产品”的创建。第一步、点击“创建新产品”；第二步、输入产品名称与选择设备接入方案；第三步、创建数据点，点击“新建数据点”，添加开关机数据点；第四步、下载云端自动生成的协议。C.设备与应用开发设备端访问：开发人员或企业R人员只需要在正在开发的智能硬件上嵌入编写智能云连接协议GAgent的网络模块，即可通过智能云平台实现设备组网和智能。包括Wi-Fi，GPRS等主流联网方式，还支持BLE，GSM，CDMA，Zigbee，LoRa等网络解决方案。应用程序端访问：开发人员或企业R人员可以将智能云提供的APPSDK集成到正在开发的移动应用程序中，并连接到智能云平台，实现APP通过云控制智能设备。D.调试产品开发人员在WitCloud开发人员中心创建产品后，您可以参考Wisdom云文档中心的相关技术文档进行智能产品开发。在调试过程中，开发和调试设备将连接到WisdomCloudSandbox服务器（测试服务器），为开发人员提供完整的测试环境和智能云的一些功能。产品开发完成后，需要申请发布，开发的产品将重新部署到生产服务器。4.3主程序流程图设计系统主要设计为两个模块：初始化模块和循环主题模块。系统的主要功能是通过调用子函数来实现，通过传递相应的参数来改变对应的值，当一个子函数被调用时，先判断是否符合执行条件，若符合条件则执行相关语句，不符合直接返回。初始化模块是主程序的重要组成部分，在STM32开发板上电后，先对系统进行初始化，初始化是对寄存器、定时器工作方式及其他端口的工作状态的设置。初始化完成后进行定时器和外部中断，显示数据等操作。4.4模块代码流程图设计4.4.1、OLED显示流程图OLED模块显示主要是通过调用相应的子函数来实现，下面介绍OLED显示屏显示一个字符串：“Temp”,主函数的语句为：OLED_ShowString(63,48,”Temp”);OLED_Refresh_Gram();63和48是相应的位置坐标调用字符串显示函数：voidOLED_ShowString(u8x,u8y,constu8*p);这个字符串显示函数通过调用指针*p不断调用字符显示函数voidOLED_ShowChar(u8x,u8y,u8chr,u8size,u8mode);来显示字符串中的每一个字符，在OLED_ShowChar()函数中又调用画点函数：voidOLED_Drawpoint(u8x,u8y,u8t);把每个字符的点阵全部画完。在STM32的SRAM中开辟一块128*8字节的空间OLED_GRAM[128][8].用来存放对应屏幕上的坐标，也就是OLED_GRAM中保存了所有点的坐标。OLED_Refresh_Gram();的作用就是把128*8字节的空间OLED_GRAM[128][8]里的数据通过两个for循环全部写入到SSD1306(OLED模块控制器)的GRAM中。通过调用OLED_WR_Byte()函数。这个函数作用是向SSD1306中写入一个字节数据。对OLED进行过初始化OLED_WR_Byte()函数，字符串就显示在屏幕上了。如图所示。图4.4.1OLED界面显示流程图4.4.2烟雾传感器烟雾传感器模块主要分为数据采集模块和ADC模数转换模块，当烟雾传感器完成初始化之后，开始采集烟雾浓度数据，然后再由ADC模块将传感器的模拟信号转化为数字信号STM32读取数据后，在OLED上显示当前状态下的烟雾浓度数据，再用数据进行与阈值的比较，若测量的当前数据大于阈值，则蜂鸣器发出报警声音。图4.4.1烟雾传感器工作流程图4.4.3温湿度传感器DHT11通信过程，总线处于高电平时，总线发出等待接收信号指令，拉低电平，等待DHT11响应，当低电平持续时间大于18us后，满足DHT11接收到信号的时间长度，DHT11开始接收主机的信号，当接收到主机开始信号后，发送80us低电平响应信号，主机发送开始信号后，等待大约30us后，读取DHT11反馈回来的信号，主机发送开始信号后，便可以切换到输入模式，也就是输出高电平，总线再由外界上拉电阻拉高电平。起始阶段总线为低电平，DHT11先发送一个请求响应信号，随后总线会将总线拉高80us作为响应应答，此时，DHT11传感器开始准备发送数据，每一个bit发送响应信号都在50us低电平时段内，如果读到的信号为高电平，则DHT11不会响应，此时应该检查一下电路是否正确，当所有数据都发送完毕后，DHT11总线会拉低50us，随后总线上拉电阻进入空闲状态，等待下一次信号的来临。如图所示图5.4.3。温湿度传感器读取数据流程图图4.