基于STM32單片機(jī)的居家環(huán)境檢測控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉立北　劉燕紅

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；環(huán)境檢測；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；系統(tǒng)控制

中圖分類號：TP368.1；TP274；TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

目前隨著電子信息技術(shù)與單片機(jī)的融合發(fā)展，以單片機(jī)為核心的各類控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于智能家居控制、各類信號燈控制、工藝流水線控制、食品安全檢測等領(lǐng)域，給人們的日常生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。本文從居家環(huán)境的舒適度以及安全程度考慮，以溫濕度以及有害氣體含量測量控制為設(shè)計(jì)方向，設(shè)計(jì)了一套具有溫濕度參數(shù)測量、有害氣體含量檢測、LCD顯示以及報(bào)警提示等多種功能的居家環(huán)境檢測控制系統(tǒng)。

在國內(nèi)，基于STM32單片機(jī)的智能環(huán)境檢測控制系統(tǒng)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：首先，通過采集環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、光照、氣體濃度等，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測；其次，通過STM32單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境狀態(tài)的判斷和預(yù)測；最后，通過無線通信模塊，如Wi-Fi、藍(lán)牙等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和遠(yuǎn)程控制。在國外，基于STM32單片機(jī)的智能環(huán)境檢測控制系統(tǒng)研究則更加深入，呈現(xiàn)出多元化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的趨勢。例如，有學(xué)者利用STM32單片機(jī)與各種傳感器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的多參數(shù)監(jiān)測和分析；還有一些學(xué)者則通過STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境設(shè)備的智能控制，如智能空調(diào)、智能照明等?？傮w來說，基于STM32單片機(jī)的智能環(huán)境檢測控制系統(tǒng)在國內(nèi)和國外都有廣泛的研究，但是在實(shí)際應(yīng)用中，還需要進(jìn)一步優(yōu)化并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1系統(tǒng)組成與設(shè)計(jì)目的

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、有害氣體檢測模塊、溫濕度檢測模塊、調(diào)節(jié)模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊以及蜂鳴器報(bào)警模塊等組成。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于對室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度以及有害氣體進(jìn)行檢測，得到參數(shù)并通過LCD顯示模塊進(jìn)行顯示。當(dāng)檢測參數(shù)超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，通過對相應(yīng)元器件進(jìn)行升溫降溫和加濕除濕控制，實(shí)現(xiàn)對居家環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)；而當(dāng)有害氣體濃度超過系統(tǒng)設(shè)定的安全閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠觸發(fā)預(yù)警功能；當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)在正常設(shè)定閾值之內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)會停止報(bào)警以及調(diào)節(jié)工作。

2硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)目的，設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的電路仿真原理圖（圖1），并且使用Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真繪制。其具體電路設(shè)計(jì)如下。

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制核心主要由STM32F103R6、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及電源電路構(gòu)成。配合系統(tǒng)的外圍設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境溫濕度以及有害氣體的檢測、顯示以及調(diào)節(jié)功能。時(shí)鐘電路能讓系統(tǒng)各部件協(xié)調(diào)工作，其是電子系統(tǒng)中的核心組成部分，能夠確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和高性能。時(shí)鐘電路產(chǎn)生具有一定頻率和穩(wěn)定性的定時(shí)信號，這些信號在整個(gè)系統(tǒng)中作為參考，確保各個(gè)組件按照預(yù)定的時(shí)間順序執(zhí)行操作，在多部件或多處理器的系統(tǒng)中，時(shí)鐘電路用于同步所有部件的操作。通過共享同一時(shí)鐘信號，各個(gè)部件能協(xié)調(diào)一致地執(zhí)行任務(wù)，避免數(shù)據(jù)沖突和混亂。本系統(tǒng)時(shí)鐘電路選用8M的晶振。復(fù)位電路能夠讓系統(tǒng)回到初始的工作狀態(tài)，復(fù)位系統(tǒng)的可靠性直接決定系統(tǒng)是否穩(wěn)定。RESET與單片機(jī)NRST引腳連接，當(dāng)RESET按鈕懸空時(shí)，輸入為高電平，當(dāng)按下按鈕時(shí)，輸入為低電平，RESET接地，系統(tǒng)復(fù)位。本系統(tǒng)采用3.3 V直流電壓。

（2）有害氣體檢測模塊：在日常居住環(huán)境中，常見的有害氣體有煤氣泄漏的一氧化碳、甲醛等。一般要求，室內(nèi)一氧化碳含量不大于0.002 4%，甲醛最高容許濃度則為0.08 mg/m³。本系統(tǒng)能夠?qū)κ覂?nèi)有害氣體進(jìn)行檢測，濃度超出設(shè)定的安全閾值時(shí)通過蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。本系統(tǒng)有害氣體傳感器輸出為模擬信號，通過PCF8591集成電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號以供STM32F103R6單片機(jī)進(jìn)行處理。PCF8591是一款四通道8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一通道8位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）的集成電路，其具有多功能、低能耗的特點(diǎn)，能夠進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字模擬輸出。

（3）溫濕度檢測模塊：本系統(tǒng)采用DHT11型溫濕度傳感器采集室內(nèi)溫度、濕度信息。DHT11是一種數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，具有良好的長時(shí)間穩(wěn)定性與可靠性。DHT11具有低成本、應(yīng)用簡單的特點(diǎn)，常用于室內(nèi)溫濕度檢測、氣象站、溫度控制器等領(lǐng)域。具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

（4）調(diào)節(jié)模塊：在本系統(tǒng)中，當(dāng)PB10引腳輸出低電平時(shí)，經(jīng)過PNP型三極管導(dǎo)通使得繼電器Dl線圈得電，繼電器則會由常閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)扇能正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)降溫；而當(dāng)PB10引腳輸出高電平時(shí)，則風(fēng)扇停止工作。同理，當(dāng)PB11～PB13引腳輸出低電平時(shí)，對應(yīng)的加熱器、加濕器、除濕器能夠正常工作，從而達(dá)到對環(huán)境調(diào)節(jié)的目的；當(dāng)引腳輸出高電平時(shí)，對應(yīng)元器件停止工作，實(shí)現(xiàn)了對居家環(huán)境的調(diào)節(jié)控制。

（5）按鍵模塊：對系統(tǒng)功能的選擇是通過按鍵操作實(shí)現(xiàn)的，PB8連接的按鍵能夠?qū)囟?、濕度功能進(jìn)行選擇，PB6與PB7連接的按鍵能夠分別實(shí)現(xiàn)對選擇參數(shù)的加與減，PB9連接的按鍵是對相應(yīng)參數(shù)改變的二次確認(rèn)。本模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對各個(gè)參數(shù)之間的來回切換與數(shù)值改變。

（6）LCD顯示模塊：LCD顯示器具有低功耗、薄質(zhì)和可視角度廣的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，如顯示器、電視、平板等。本系統(tǒng)能夠通過LCD直觀顯示采集的各種參數(shù)，LCD顯示器第一行是系統(tǒng)采集的參數(shù)，第二行是系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)。本系統(tǒng)采用LM016L型號進(jìn)行仿真，其中RS、RW、E分別接PBO、PB1和PB2，DO～D7分別與PCO～PC7口相連接，如圖1所示。

（7）蜂鳴器報(bào)警模塊：設(shè)定對應(yīng)參數(shù)信息的閾值，當(dāng)檢測值超過設(shè)定的閾值時(shí)，報(bào)警信號從PB14引腳輸出低電平，經(jīng)過PNP型（Q5）三極管驅(qū)動放大電流來控制蜂鳴器發(fā)音，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警報(bào)警功能。當(dāng)PB14引腳輸出高電平時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分主要采用C語言模塊化程序設(shè)計(jì)方法。C語言廣泛應(yīng)用于底層開發(fā)，能以簡易的方式編譯、處理低級存儲器，具有代碼量小、運(yùn)行速度快、功能強(qiáng)大等3個(gè)特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Keil軟件進(jìn)行C語言程序代碼部分的編寫。Keil支持多種編程語言，如C、C++和匯編語言，并包含各種功能強(qiáng)大的調(diào)試器和仿真器。該軟件還提供了豐富的庫函數(shù)和驅(qū)動程序，用于簡化嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中的常見任務(wù)。系統(tǒng)軟件編譯完成后，需要將設(shè)計(jì)的程序編譯為.hex文件，然后下載到STM32F103R6單片機(jī)中，隨后通過Proteus軟件進(jìn)行仿真，并測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

本系統(tǒng)采用STM32F103R6單片機(jī)作為主控制芯片，主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：溫濕度、有害氣體傳感器數(shù)據(jù)的讀取、LCD顯示屏的處理、蜂鳴器報(bào)警以及風(fēng)扇、加熱器、加濕除濕的控制，當(dāng)啟動控制系統(tǒng)后，進(jìn)入對程序的循環(huán)執(zhí)行環(huán)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)通電啟動后，系統(tǒng)初始化，STM32單片機(jī)通過PCF8591集成電路的四通道8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集有害氣體濃度信息，通過對濃度檢測情況與系統(tǒng)設(shè)定的閾值相比較后判斷是否啟動預(yù)警。將STM32單片機(jī)讀取傳感器采集的室內(nèi)環(huán)境溫濕度信息數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度相關(guān)閾值相比較，然后判斷是否啟用降熱發(fā)熱、加濕除濕功能，直到溫濕度通過系統(tǒng)功能調(diào)節(jié)后回到閾值范圍之內(nèi)，對應(yīng)的降熱發(fā)熱、加濕除濕功能停止運(yùn)作。STM32單片機(jī)將相關(guān)環(huán)境信息處理后，驅(qū)動LCD顯示屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，最后完成循環(huán)。除了主要的系統(tǒng)檢測控制程序之外，還有系統(tǒng)選擇主程序、信號轉(zhuǎn)化子程序和LCD顯示程序等。由于篇幅所限，在此不做詳述。

4系統(tǒng)仿真與調(diào)試

在經(jīng)過系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)后，進(jìn)行Proteus與Keil軟件的聯(lián)合仿真調(diào)試，由于仿真時(shí)無有害氣體檢測傳感器相關(guān)模型，于是采用滑動變阻器進(jìn)行替代。在仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，在LCD顯示屏上第一行能夠正常顯示系統(tǒng)所采集的溫濕度信息、有害氣體含量參數(shù)，同時(shí)第二行能夠顯示系統(tǒng)所設(shè)定的相關(guān)參數(shù)閾值。通過DHT11傳感器模擬環(huán)境升溫發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)溫度超過設(shè)定閾值時(shí)，風(fēng)扇能夠正常運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)溫度重新回到閾值范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)扇停止工作；當(dāng)溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，加熱器能夠正常工作，加濕除濕功能也在上述操作下正常運(yùn)行。而當(dāng)手動調(diào)節(jié)數(shù)值模擬系統(tǒng)通過風(fēng)扇、加熱器、加濕除濕器完成對環(huán)境的調(diào)節(jié)后回到設(shè)定閾值時(shí)，該元器件停止工作。當(dāng)模擬系統(tǒng)切換功能時(shí)，按下切換功能按鈕，LCD顯示屏能夠在溫濕度信息之間正常切換。在模擬有害氣體檢測過程中，通過移動滑動變阻器模擬有害氣體濃度增加，當(dāng)濃度超過系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，蜂鳴器能夠正常發(fā)出預(yù)警信號；而當(dāng)重新調(diào)節(jié)滑動變阻器模擬有害氣體濃度降回到閾值范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警。這證明了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

5結(jié)語

經(jīng)過一系列仿真發(fā)現(xiàn)，針對環(huán)境檢測控制設(shè)計(jì)出的基于STM32F103R6單片機(jī)的環(huán)境檢測控制系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)簡潔，功能多樣，同時(shí)也能夠很好地完成系統(tǒng)預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)環(huán)境的溫濕度、有害氣體相關(guān)參數(shù)的檢測，也能夠?qū)ο嚓P(guān)參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行智能化處理控制。本系統(tǒng)采用的STM32單片機(jī)比常見的51單片機(jī)有更好的性能、更強(qiáng)大的指令集和更豐富的外設(shè)接口，能夠用于更復(fù)雜的場景，也能夠采集更多的參數(shù)，之后可以在此系統(tǒng)上，加入更多的參數(shù)檢測，如PM2.5濃度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等相關(guān)信息。但缺點(diǎn)是在高性能型號中，STM32單片機(jī)在成本方面略高于51單片機(jī)，但其擁有更優(yōu)越的運(yùn)算速度以及儲存和處理能力，也有更完善的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，日后可以結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線操控技術(shù)、語音控制技術(shù)等，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)更加智能便捷的智能家居環(huán)境檢測控制。總之，基于STM32單片機(jī)控制的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化和智能化的檢測控制需求，并且隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場需求的變化，其應(yīng)用領(lǐng)域還將進(jìn)一步擴(kuò)展和深化，基于STM32單片機(jī)的控制系統(tǒng)也將成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的熱門選擇。