基于STM32智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

王翀 高海深 羅琦

摘要：本文主要介紹智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分。本設(shè)計(jì)以STM32F429IG為核心，硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分充分利用直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、傳感器以及外部開關(guān)，使用不同LDO對各部分電路電壓進(jìn)行穩(wěn)壓。根據(jù)設(shè)計(jì)要求畫出對應(yīng)的PCB設(shè)計(jì)圖，并使用SMD精準(zhǔn)焊接，搭建電路后，聯(lián)機(jī)調(diào)試，確保硬件能夠安全運(yùn)行，再通過程序的編寫，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、燈光照明控制、溫濕度控制、空氣質(zhì)量測量、家用電器定時(shí)、窗簾自動(dòng)控制等功能。

Abstract： This article mainly introduces the hardware design part of the smart home system. This design uses STM32F429IG as the core. The hardware system design part makes full use of the DC motor， stepper motor， sensor and external switch， and uses different LDOs to regulate the voltage of each part of the circuit. It draws the corresponding PCB design drawing according to the design requirements， and uses SMD to accurately weld. After the circuit is built， it makes debug online to ensure that the hardware can operate safely. Then， through programming， the automatic alarm， lighting control， temperature and humidity control， air Quality measurement， home appliance timing and automatic curtain control are achieved.

關(guān)鍵詞：STM32;智能家居;硬件設(shè)計(jì)

Key words： STM32;smart home;hardware design

中圖分類號(hào)：TP273;TU855? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）02-0164-02

1? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用了STM32F4單片機(jī)作為主控，利用24G無線通信與STM32F1單片機(jī)通信，令STM32F1單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)時(shí)限門窗窗簾等的開關(guān)，同時(shí)使用MQ-2煙霧氣敏傳感器監(jiān)測可燃?xì)庑孤?、火?zāi)，通過蜂鳴器報(bào)警;使用MQ-135氣體傳感器、DHT11溫濕度傳感器、AP3216C光照傳感器等監(jiān)測室內(nèi)居住環(huán)境;使用熱釋電傳感器、蜂鳴器實(shí)現(xiàn)防盜功能;選擇安信可的樂鑫ESP8266串口WIFI模塊，利用機(jī)智云協(xié)議實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的功能，使用戶能在移動(dòng)端隨時(shí)隨地了解家中居住環(huán)境質(zhì)量以及遠(yuǎn)程控制窗簾、窗戶、燈光、插座等等。

1.2 系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：

①家用電器定時(shí)、窗簾自控等功能;

②利用MQ-2傳感器檢測甲烷等可燃?xì)怏w、防盜報(bào)警器實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警的功能;

③利用WI-FI智能插座控制燈的開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)燈光照明控制的功能;

④利用DHT11傳感器測量溫濕度，調(diào)節(jié)溫度和濕度，以實(shí)現(xiàn)溫濕度控制的功能;

⑤利用MQ-135傳感器作為空氣質(zhì)量檢測模塊，監(jiān)測空氣質(zhì)量等等。

1.3 硬件系統(tǒng)框圖

2? 硬件電路設(shè)計(jì)介紹

2.1 嵌入式微處理器選擇

本設(shè)計(jì)選擇STM32F429IG作為主控。STM32F429IG是Cortex-M4內(nèi)核的微處理器，主頻可達(dá)到180MHz，超頻可達(dá)到220MHz，擁有圖1中所需要的各種外接模塊接口，并且有6路USART串口，其中一路USART串口可配合使用485信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片形成485通訊接口，F(xiàn)4的Flash存儲(chǔ)空間有1M。

2.2 DHT11溫濕度傳感器

在設(shè)計(jì)中，我們使用5V電源對DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行供電，而不使用3.3V進(jìn)行供電，是因?yàn)樗?.3V供電的環(huán)境下，進(jìn)行測量一次后，需要等待2.5S（經(jīng)測試得出的）后，才能再次進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)讀取，而在使用5V對其進(jìn)行供電的情況下，進(jìn)行測量一次之后，只需要等待1S就可以進(jìn)行下一次的讀取，這樣，對應(yīng)的效率將會(huì)高很多，對實(shí)時(shí)性要求也能相對滿足。它有以下幾點(diǎn)特性：

①可以測量相對濕度和溫度，不需要額外的組件。

②全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出，具有極好的長期的穩(wěn)定性。

③信號(hào)傳輸?shù)木嚯x很長，能耗很低。

2.3 MQ-2煙霧氣敏傳感器

MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊使用ADC讀取，如果有可燃?xì)獬霈F(xiàn)，則在對應(yīng)的溫度下，不同的可燃?xì)鈺?huì)輸出不同的電壓，此時(shí)使用MCU的ADC功能，對輸入的電壓模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并對對應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)再ADC讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要進(jìn)行濾波處理，我們使用的濾波方法是FIR濾波器濾波，用的是軟件模擬FIR濾波器進(jìn)行濾波，將其中的雜波過濾掉。

在設(shè)計(jì)中，使用的是5V對其進(jìn)行供電。首次使用時(shí)，必須要先預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間一般不少于48小時(shí)，預(yù)熱一般是由廠家進(jìn)行處理。為了減少壓降，應(yīng)在MQ-2串聯(lián)一個(gè)電阻RL，預(yù)防過壓，再并聯(lián)一個(gè)精度為5%的0.1uf陶瓷電容，作為旁路電容（退耦電容），在MQ-2的供電口加退耦電容，信號(hào)路則接MCU的IO口，而RL作為上拉電阻，一般為4.7-10kΩ。

2.4 28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)

本設(shè)計(jì)選擇的是直徑為28mm、可以四拍和八拍運(yùn)行的四相八拍電機(jī)，也叫做28BYJ48步進(jìn)電機(jī)。在設(shè)計(jì)中，對其使用的是DC5V—DC12V電源供電。

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)監(jiān)測到一系列的不間斷的控制脈沖信號(hào)時(shí)，它可以一直反復(fù)地旋轉(zhuǎn)。其步距角為5.625度。電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)完成一圈必須要有64個(gè)脈沖信號(hào)，但轉(zhuǎn)子的減速比為64，經(jīng)過詳細(xì)的計(jì)算得出，轉(zhuǎn)子完成64圈，輸出軸才旋轉(zhuǎn)一圈。所以，必須有64的平方（即4096）個(gè)脈沖信號(hào)，輸出轉(zhuǎn)軸才能轉(zhuǎn)一圈。兩相電機(jī)的基本步距角為1.8°。一般來說，1個(gè)脈沖能走一步，則200個(gè)脈沖能走360°。

因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口信號(hào)稍小，所以，在連接到相應(yīng)的電機(jī)接口前需要用ULN2003對其進(jìn)行放大。其電路原理圖如圖2所示。

2.5 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

常見的蜂鳴器電路設(shè)計(jì)對電流進(jìn)行放大采用的是PNP三極管，而本設(shè)計(jì)的蜂鳴器電路的電流放大則使用的是NPN三極管。可以使用PNP三極管的電路，基本上都能被NPN來代替使用，但是，由于PNP的造價(jià)比NPN的要高，而且使用起來的效果并沒有NPN的好，要調(diào)的參數(shù)很多。因此，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)，使用NPN三極管對電路進(jìn)行放大使用。

3? 小結(jié)

本設(shè)計(jì)在確定系統(tǒng)的整體功能后，更細(xì)致劃分多個(gè)部分，確定各組成模塊的功能，從而根據(jù)各模塊的功能選出最優(yōu)的硬件型號(hào)，再進(jìn)行組裝，并結(jié)合相應(yīng)的程序進(jìn)行軟硬聯(lián)調(diào)，我們對調(diào)試過程中的問題進(jìn)行記錄，并不斷優(yōu)化程序，使系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)達(dá)到最理想化。但由于我們能力和時(shí)間有限，部分功能還無法達(dá)到預(yù)期效果。例如：系統(tǒng)功能不足，對于部分功能沒有進(jìn)行深入的分析。

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