工程應用綜合設計

1、南 通 大 學工程應用綜合設計報告書題目智能家居溫濕度檢測系統(tǒng)設計學生姓名: 李達  學 院: 電氣工程學院 專 業(yè): 建筑電氣與智能化 班 級: 建筑電氣122 學 號: 1112062036 起訖日期 2015.12.212016.1.25 指導教師 瞿遂春 職稱 教授 指導教師 錢冰冰 職稱 副教授 發(fā)報告書日期 2016 年 1 月 5 日摘要“智能家居”（Intelligent Home）是通過采用先進的計算機、通信和控制技術，建立一個由家庭安全防護系統(tǒng)、網(wǎng)絡服務系統(tǒng)和家庭自動化系統(tǒng)等組成的家庭服務與管理集成系統(tǒng)，從而實現(xiàn)全面的安全防護、舒適的居住環(huán)境以及便利的通訊網(wǎng)絡的家

2、庭住宅。本課題基于YL-STM32F107VC開發(fā)板對室內溫度和濕度進行檢測控制，從而提高居住的環(huán)境及舒適度，對智能家居的發(fā)展具有十分重要的意義。 關鍵詞：智能家居；YL-STM32F107VC；溫度和濕度；舒適度。目錄摘要2第一章緒 論31.2 溫度和濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀31.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀31.2.2國內發(fā)展現(xiàn)狀3第二章STM32F107單片機42.1 STM32F107單片機介紹42.2系統(tǒng)圖4第三章硬件設計53.1 溫度傳感器設計53.2 單片機系統(tǒng)設計63.2.1 啟動選項63.2.2 復位電路73.2.3 時鐘電路73.3 顯示電路設計83.4 報警電路設計103.5存儲模

3、塊設計103.6 通信模塊設計11第四章軟件設計123.1 系統(tǒng)主程序流程圖123.2 溫度傳感器程序設計133.3 顯示程序設計143.4 報警程序設計153.5存儲模塊程序設計163.6 通信模塊程序設計17參 考 文 獻18第一章緒 論1.2 溫度和濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀在國外對溫濕度檢測技術研究比較早，始于20世紀70年代。顯示采用模擬式的組合儀表，采集現(xiàn)場信息并進行指示、記錄和控制，80年代末出現(xiàn)了分布式控制系統(tǒng)，目前正開發(fā)和研制計算機采集控制系統(tǒng)的多因子控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在世界 各國的溫度檢測技術發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)現(xiàn)代化的基礎上正走向完全自動化、無人化的發(fā)

4、展。1.2.2國內發(fā)展現(xiàn)狀在中國，對于溫濕度檢測技術的研究比較晚，始于20世紀80年代。近年來，我國引進了多達16個國家和地區(qū)的工廠環(huán)境控制系統(tǒng)，在總體上，正消化吸收、簡單應用階段化向實用化、綜合性應用階段過度和發(fā)發(fā)展，對推動溫濕度檢測產(chǎn)生了積極的作用。與此同時，我國的溫濕度測控設施計算機應用以單片機控制的單參數(shù)單回路系統(tǒng)居多，在生產(chǎn)實際中仍然有許多問題困擾這我們，比如環(huán)境控制水平落后，軟硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。與發(fā)達國家相比較，還是存在一定差距的?；谖覈壳斑@種的狀況，更需要我們去深入研究。第二章STM32F107單片機2.1 STM32F107單片機介紹課題研究的多點測溫系統(tǒng)是

5、以STM32F107單片機和單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20為核心，充分利用單片機優(yōu)越的內部和外部資源及數(shù)字溫度傳感器DS18B20的優(yōu)越性能構成一個完備的測溫系統(tǒng)，實現(xiàn)對溫度的多點測量。整個系統(tǒng)由單片機控制，能夠接收傳感器的溫度數(shù)據(jù)并顯示出來，還可以從按鍵輸入命令，系統(tǒng)根據(jù)不同的命令，實現(xiàn)不同的功能，并且能夠對異常情況進行報警,還可以將測量數(shù)據(jù)保存起來以供以后查詢使用或者通過串口傳給PC機。由于單片機具有強大的運算和控制功能，使得整個系統(tǒng)具有模塊化、硬件電路簡單以及操作方便等優(yōu)點。2.2系統(tǒng)圖本課題的整個系統(tǒng)是由單片機系統(tǒng)電路、溫度傳感器電路、顯示電路、鍵盤電路、報警電路，存儲電路，串口通

6、信電路等構成。其系統(tǒng)框圖如圖2.1所示：STM32F107單片機存儲電路DS18B20報警電路鍵盤電路發(fā)光LED復位電路LCD顯示時鐘電路PC計算機RS-232電源電路圖2.1 系統(tǒng)整體框圖第三章硬件設計3.1 溫度傳感器設計DS18B20單總線智能溫度傳感器，屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式，其可以分別9375ms和750ms內完成9位和12位的數(shù)字量，最大分辨率為00625，而且從DS18B20讀出或寫入DS18B20的信

7、息僅需要一根口線(單總線接口)。DS18B20與單片機的硬件連接有兩種方法，一是外部電源供電方式：VCC接外部電源，GND接地，I/0與單片機的I/0線相連；二是寄生電源供電方式:VCC和GND接地，I/0接單片機I/0線。無論是哪種供電方式，I/0口線都要接47k Q左右的上拉電阻。正是由于以上特點，DS18B20廣泛應用于過程控制、環(huán)境控制、建筑物、機器設備中的溫度檢測。其外形和管腳如圖2.2所示：圖2.2 DS18B20外部形狀及管腳圖本課題設計采用外部電源供電方式，四個數(shù)字式溫度傳感器DS18B20與單片機連接如圖2.3所示： 圖2.3 DS18B20與單片機連接圖3.2 單片機系統(tǒng)設

8、計STM32F107是意法半導體推出全新STM32互連型系列微控制器中的一款性能較強產(chǎn)品，它以32位ARM Cortex-M3為內核、72MHZ運行頻率、含有高達64KB SRAM、256KB FLASH、80個可編程的I/O線、支持256個可嵌套中斷源。還集成了各種高性能工業(yè)標準接口，包括ADC、DAC、I2C、USART、SPI、I2S，擁有全速USB（OTG），CAN2.0B接口，以及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊?？梢詽M足大部分工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動化、家庭音響和家電市場等多種產(chǎn)品的需求。本課題是運用ST公司的STM32F107來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制，主要運用到了啟動選項配置，復位電路，時

9、鐘電路等部分。3.2.1 啟動選項STM32F107單片機有三種啟動方式，其啟動方式如下表2.1所示：表2.1 啟動方式配置選擇表BOOT1(JP13)BOOT2(JP15)啟動模式描述1-2,2-3 or open2-3金牛開發(fā)板設定為User Flash啟動方式2-31-2金牛開發(fā)板設定為System Memory啟動方式1-21-2金牛開發(fā)板設定為Embedded SARM啟動方式1-2表示接高電平1，2-3表示接低電平0本課題設計采用默認的啟動方式，即1-2接高電平，2-3接低電平，表示從User Flash開始啟動程序。3.2.2 復位電路無論哪種單片機，都會涉及復位電路。如果復位電

10、路不可靠，在工作中就有可能出現(xiàn)“死機”，“程序走飛”等現(xiàn)象，復位操作使單片機進入初始化過程，程序從00000000H地址單元開始執(zhí)行, 當STM32F107單片機的復位引腳NRST出現(xiàn)一段時間的低電平時，單片機就完成了復位操作，如果NRST持續(xù)為低電平，單片機就處于循環(huán)復位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序，因此要求復位后能脫離復位狀態(tài)。復位操作通常有上電和開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現(xiàn)復位操作。開關復位要求在電源接通的條件下，在單片機運行期間，如果發(fā)生死機，用按鈕開關操作使單片機復位。常用的復位電路如圖2.4所示：圖2.4 復位電路3.2.3 時鐘電路STM32F107單片機的時鐘信號通常有內

11、部振蕩方式和外部振蕩方式。單片機內部有一個高增益反相放大器，在引腳XTAL1和XTAX2外接晶體振蕩器，晶振為8MHZ，就夠成了內部振蕩方式，外部振蕩方式是把已有的時鐘信號引入單片機內，這種方式適于用于用來使單片機的時鐘與外部信號保持一致，但內部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定。本課題設計采用內部振蕩器方式，電容值一般為20PF，起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其電路連接如圖2.5 a）所示：另外本課題用到RTC功能，還需為STM32F107提供RTC時鐘，RTC晶振為32.768KHZ, 電容值一般為10PF。其電路連接如圖2.5 b）所示：圖2.5 a） 系統(tǒng)時鐘電路 圖2.5 b） RTC

12、時鐘電路3.3 顯示電路設計顯示設備是電子系統(tǒng)常見的輸出設備，在電子系統(tǒng)中占有極其重要的作用，顯示電路主要有兩種顯示方式：數(shù)碼管顯示方式和LCD液晶顯示方式。數(shù)碼管是由7段或8段發(fā)光二極管組成，在平面上排成8字型，主要有共陰極和共陽極兩種，只要使某些段點亮而另一些段不亮就可以顯示0-9，A-F等字型。要使某段點亮必須具備2個條件：一是共陰極管的公共端接地和共陽極管的公共端接電源；二是共陰極管的控制端接電源和共陽極管的控制端接地。此顯示方式具有接口簡單，占用資源少、控制靈活方便等特點，目前市場上主要有2位一體，4位一體，8位一體等數(shù)碼管，價格也比較便宜。LCD液晶顯示器是Liquid Cryst

13、al Display的簡稱，LCD的構造是在兩片平行的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面，不僅可以顯示字符，數(shù)字，還可以顯示漢字，圖片等，由于LCD顯示器通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題，對于畫面穩(wěn)定、無閃爍感的液晶顯示器，刷新率不高但圖像也很穩(wěn)定，LCD顯示器還可以通過液晶控制透光度的技術原理讓底板整體發(fā)光，做到了真正的完全平面。但是相對于數(shù)碼管顯示器，其價錢比較其昂貴。由于LCD液晶顯示方式相對于數(shù)碼管顯示方式來說不用考慮不斷刷新等優(yōu)點，所以本課

14、題設計利用TFT-LCD作為輸出顯示設備。利用單片機傳輸控制信號，在LCD上將傳感器的溫度信號和按鍵輸入的控制信號都顯示出來。其電路連接如圖2.6 a）所示：圖2.6 a） TFT-LCD電路連接圖另外再利用4個發(fā)光LED顯示4個溫度傳感器的工作正常情況，其電路連接如圖2.6 b）所示：圖2.6 b） 發(fā)光LED電路連接圖3.4 報警電路設計 為了實現(xiàn)多點溫度檢測系統(tǒng)報警的功能，在單片機獲取多點DS18B20溫度傳感器轉換的溫度值后，與預設的溫度值相比較，如果溫度不在預設定的范圍內，高于或者低于預設的溫度值，則給出報警信號，并且相應的發(fā)光二極管不斷閃爍，表示相應的溫度傳感器出現(xiàn)異常。其電路連接

15、如圖2.8所示： 圖2.8 報警電路連接圖3.5存儲模塊設計DS18B20 完成溫度轉換后，溫度值可以顯示出來，但是一些重要的數(shù)據(jù)需要保存下來，供給以后查詢使用，這就需要設計一個存儲電路，由于需要存儲溫度數(shù)據(jù)不是很多，所以本課題設計選用E2PROM-AT24LC02芯片來設計一個存儲電路，AT24LC02芯片可以存儲128個字節(jié)，足以滿足本設計系統(tǒng)存儲的需要，其電路連接如圖2.9所示：圖2.9 存儲電路連接圖3.6 通信模塊設計 RS-232是目前異步串行通信中應用最廣泛的標準總線，適用于數(shù)據(jù)中斷設備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設備(DEC)，ELA-RS-232是目前最常用的串行接口標準，

16、用于計算機與計算機之間，計算機與單片機的數(shù)據(jù)通信。此標準的目的是定義數(shù)據(jù)終端設備(DTE)之間的電氣特性。RS-232提供了單片機與單片機、單片機與PC機之間串行數(shù)據(jù)通信的標準接口，但RS-232規(guī)定的邏輯電平與單片機的邏輯電平是不一致的，因此在應用中，必須把微處理器的信號電平(TTL電平)轉換為RS-232電平，通常選用電平轉換芯片MAX-232來實現(xiàn)。RS-232C總線標準接口引腳信號定義如表2.2所示：表2.2 RS-232C通信接口標準定義表引 腳信 號方 向功 能1DCDIN數(shù)據(jù)載波檢測2RXDIN接收數(shù)據(jù)3TXDOUT發(fā)送數(shù)據(jù)4DTROUT數(shù)據(jù)終端設備(DTE)就緒5GND_信號公

17、共參考地6DSRIN數(shù)據(jù)通信設備(DEC)就緒7RTSOUT請求發(fā)送8CTSIN清除發(fā)送9RIIN振鈴指示STM32F107單片機內部帶有有5個串口電路接口，其功能與51系列單片機的串口相似，在設計硬件接口電路時，應充分考慮到電路的電氣特性、邏輯電平以及驅動能力的匹配問題，若匹配得不好，將會導致通信失敗。本課題設計使用的是STM32F107內部的串口1接口，采用MAX-232作為PC機與單片機的串行通信接口間的電平轉換芯片。硬件連接時，可從MAX-232中的2路發(fā)送器和接收器中任選一路，只要注意發(fā)送與接收的引腳對應關系即可。其接口電路連接如圖2.10所示：圖2.10 PC機與單片機通信電路連接

18、圖第四章軟件設計3.1 系統(tǒng)主程序流程圖根據(jù)系統(tǒng)設計的功能要求，我們將整個軟件系統(tǒng)分割成若干個獨立的程序模塊，這些程序模塊可以是幾條語句的集合、功能函數(shù)或程序文件，隨后，根據(jù)各個程序模塊的實現(xiàn)功能寫出流程，一般還需要寫出具體的實現(xiàn)功能描述，本課題系統(tǒng)主程序流程如圖3.1所示：開始系統(tǒng)初始化顯示系統(tǒng)主界面按鍵掃描KEY1按下 是保存4路溫度傳感器的溫度值及RTC時間KEY3按下 否 是將4路溫度傳感器的溫度值發(fā)送到PC機KEY4按下 否 是顯示4路溫度傳感器的溫度值KEY2按下 否 是 判斷高于/低于預設溫度值給出報警信號及相應發(fā)光LED閃爍相應發(fā)光LED閃爍 是 否圖3.1 系統(tǒng)主程序流程圖3

19、.2 溫度傳感器程序設計對單總線的DS18b20芯片來說，訪問每個器件都要遵守下列命令序列：首先是初始化；其次執(zhí)行ROM 命令；最后就是執(zhí)行功能命令。初始化過程由主機發(fā)出的復位脈沖和從機響應的應答脈沖組成，應答脈沖使主機知道，總線上有從機設備，且準備就緒。每次訪問線器件，必須嚴格遵守這個命令序列，如果出現(xiàn)序列混亂，則器件不會響應主機。在主機檢測到應答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令，這些命令與各個從機設備的唯一64位ROM代碼相關，允許主機在單總線上連接多個從機設備時，指定操作某個從機設備，這些命令還允許主機能夠檢測到總線上有多少個從機設備，以及其設備類型或者有沒有設備處于報警狀態(tài)，從機設備支持5

20、種ROM命令，每種命令長度為8位。由于本課題采用的是單節(jié)點測溫系統(tǒng)，可以發(fā)出跳越ROM命令，并且其后跟隨轉換溫度命令44h，就可以直接啟動總線上的DS18B20開始溫度轉換，這樣可以大大節(jié)省主機的時間，提高效率。其程序流程如圖3.2所示：開始DS18B20初始化發(fā)送跳越ROM命令CCh發(fā)送存儲器命令BEh連續(xù)讀出兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)（即溫度）DS18B20初始化發(fā)送跳越ROM命令CCh發(fā)送溫度轉換命令44h延時750ms讀取溫度值 返回圖3.2 溫度傳感器程序流程圖3.3 顯示程序設計根據(jù)系統(tǒng)設計的功能要求，單片機系統(tǒng)不僅要能接收到溫度信號，還要將溫度信號顯示出來，使系統(tǒng)一目了然。對于輸入的溫度信號

21、，其顯示是通過3.2寸320*240的彩色TFT-LCD顯示出來的，主要顯示系統(tǒng)主界面和4路溫度傳感器的溫度值，該顯示模塊的LCD驅動芯片型號為ILI9320，其程序流程如圖3.3 a）所示：另外再利用4個發(fā)光LED顯示4個溫度傳感器的工作正常情況，其程序流程如圖3.3 b）所示：開始初始化液晶ILI9320功能設置置顯示位置發(fā)送數(shù)據(jù)返回圖3.3 a） LCD顯示程序流程圖LED初始化LED1:亮/閃爍溫度傳感器1:正常/異常 判斷 是LED2:亮/閃爍溫度傳感器2:正常/異常 判斷 是LED3:亮/閃爍溫度傳感器3:正常/異常 判斷 是LED4:亮/閃爍溫度傳感器4:正常/異常 判斷 是圖3.3 b） 發(fā)光LED程序流程圖3.4 報警程序設計本課題設計采用高溫和低溫報警，事先預設一個最高溫度值和一個最低溫度值，最高/低溫度值可根據(jù)實際情況來設置，單片機采集到溫度值后，與其比較，如果某個傳感器的溫度超過或者低于了預設定的溫度值，將發(fā)出報警信號。其程序流程如圖3.5所示：顯示當前溫度值給出報警信號高于/低于預設溫度值 否 是圖3