【基于STM32F103rct6单片机的温湿度检测与报警系统设计实现5200字（论文）】

基于STM32F103rct6单片机的温湿度检测与报警系统设计实现目录TOC\o"1-3"\h\u20284第1章绪论 26395第2章系统总体设计 2233042.1系统总体描述 2136192.2系统总体设计框图 228592.3系统的主要功能 219337第3章硬件设计与实现 3134493.1STM32F103RCT6芯片介绍 3267323.2单片机最小系统 4308583.2温湿度传感器模块设计 470533.3烟雾传感模块 5297864.1机智云简介 5124534.2MCU快速开发 6171874.3主程序流程图设计 790174.4模块代码流程图设计 7131084.4.1、OLED显示流程图 7199004.4.2烟雾传感器 8197554.4.3温湿度传感器 95756第5章调试结果与分析 1014345.1、系统软件调试 10126075.2、系统硬件调试 1129895结论 13摘要目前我国的科技正在不断的发展中，与此同时，居民的生活水平也有了飞跃的提升。但是，我国的环境污染问题却越来越严峻。建筑材料以及烟雾中的有害物质经常会危害到人类的健康，所以人们现在越来越关注生活的环境了。现如今市面上的空气检测工具种类非常多且功能也很全面，但某些产品只能检测烟雾或甲醛，虽然有的产品具有多种检测功能，但是用户需要将设备带到现场以检测空气质量，没有办法进行远程监控，这给需要实时监测空气质量的用户带来了不便。根据对以上问题的研究，本文设计了一种实时监控系统。根据STM32单片机的环境，可以远程监视环境数据。传感器收集的室内湿度和室温可以通过STM32进行检测，并显示在OLED屏幕上。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，火灾报警传感器等模块可监控室内环境，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值时，STM32主控板的蜂鸣器告警模块响起告警。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.温湿度模块温度和湿度监控器：主要是根据温度以及湿度的传感器来得知具体数值。然后向处理器提供数据再通过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器：主要是用来监视烟雾的浓度，并根据烟雾浓度值预测火灾的发生。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,64K片内RAM,片内FLASH支持在线编程(IAP)。●频率达到72M,指令和数据使用不同的流水线,从而保证CPU的运行速度并保证达到最大化。●通过BOOT区来对串口下载程序(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主要是由两个部分组成的分别是温湿度和报警。温湿度采集模块型号为DHT11传感器。这是一种温度-湿度复合传感器传感器，包括电阻式湿度传感器和NTC温度测量。使用单线系统的元素集成串行接口的设计，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电源电压为3V-5.5V，电源电流为2.5mA，温度范围为0-50C，误差为正负2°C，湿度范围是在20-90％RH，误差为5％RH，响应时间：1/e（63）6-30s，测量分辨率为8bit（温度），8bit（湿度），采样周期间隔应大于1秒。模组尺寸：30x20mm;另外，如果连接线的长度小于20m，需要用5K上拉电阻。如果大于20m，则需依据情况选来分析从而选择正确的上拉电阻。具体的电路原理详见下图。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，同时它也是一次具有特殊意义的变革，它就是一站式的智能硬件开发平台，也可以称之为云服务平台，极大的便利了我们的个人和企业。提供智能硬件访问操作管理和来自定义产品的完整生命周期服务，包括调试开发，云开发，程序开发，生产测试，操作管理和数据服务访问等等，功能非常全面。她不仅仅提供了自助式智能硬件开发工具和开放式云服务，而且能够借助基础的自助服务工具来进行的SDK和API服务功能，这样便能够最大程度地减少硬件开发的技术限制，从而达到减少成本的目的，并加快了生产速度，让开发人员使用起来更加的得心应手，连接并更好地为最终用户提供服务。图5-1平台接入示意图4.2MCU快速开发机智云平台也是一个比较开放的平台，它主要是运用于智能硬件云服务物以及联网。WitCloud主要是通过提供智能云服务以及硬件软件等功能模块来进行方案的解决，这种方式可以让现有的硬件供应商得到提升从而让产品更快的智能化。想要变得更加智能化不能仅凭硬件本身，还需要很多模块共同去完成包括：网络，智能云平台以及移动APP等，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.创建产品首先点击“创建新产品”，然后输入拟定好的产品，之后再挑选适宜的方式，这样就能够进行计划以完成创建。1.单击“创建新产品”。2.输入产品名称并选择设备访问计划。3.创建数据点，然后“新数据点”，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人员通过简单地将编写智能云连接协议GAgent的网络模块嵌入正在开发的智能硬件中，就能够根据智能云平台来进行操作从而达到设备网和智能化的目的。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，然后将其与智能云平台相接，这样就能够进行实时的在线控制与操作。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。过程中可以把调试设备连接到WisdomCloudSandbox服务器（测试服务器），从而得到更加完整的测试环境和智能云的部分功能，方便开发人员的操作，提高效率。完成之后必须得申请并进行发布，经过上述的操作之后，产品便可以重新部署到服务器里面。4.3主程序流程图设计系统主要设计为两个模块：循环主题以及初始化模块。它主要是调用子函数来进行操作实现目标的，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温湿度传感器在DHT11通信过程中，当总线处于高电平时，总线发出等待接收信号的指示，释放低电平并等待DHT11响应。当低电平持续时间大于18us时，满足接收信号的DHT11，并且DHT11开始接收来自主机的信号。从主机接收到启动信号后，它发送一个80us的低电平响应信号。主机发送启动信号后，等待约30us。然后读取DHT11反馈的信号。主机发送启动信号后，可以调整为输入模式，输出为高电平，总线再由外界上拉电阻拉高电平。在初始阶段，总线为低电平，DHT11首先发送请求响应的信号，然后总线将总线拉高80us作为响应响应，这时DHT11传感器开始发送数据，每个bit都是50us以内的，响应信号正常期间为低功率，如果读取信号为高，则DHT11将不响应。此时，需要确保电路正确，传输完所有数据后，DHT11总线进入空闲的总线上拉电阻，并等待下一个信号。具体流程详见下图。温湿度