基于stm32的智能煙灰缸設(shè)計

第1章緒論1.1研究目的及意義單片機已被成熟應(yīng)用于許多工業(yè)控制和家電的設(shè)計領(lǐng)域中，使用單片機最小系統(tǒng)板與外部擴展模塊相結(jié)合，對最小系統(tǒng)板與外部模塊之間的通訊進行設(shè)計和實現(xiàn)成為研究課題的難點與重點。智能煙灰缸是一種新型的煙灰缸，它將傳統(tǒng)的煙灰缸與智能模塊相結(jié)合，具備實用性和藝術(shù)性，能夠滿足不同的使用需求，并且具備極高的藝術(shù)品鑒賞價值。通過對傳統(tǒng)技術(shù)和先進技術(shù)的融入，我們開發(fā)出了一種全新的智能煙灰缸，它集超聲波傳感器、加濕器和其他功能于一體。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2014年TobaccoControl期刊有一篇文章《TraditionalTrackingwithKalmanFilteronParallelArchitecturesJournalofPhysics》做了一個實驗來比較香煙與汽車柴油機對PM(fineparticulatematter)的貢獻率。在60立方公尺的儲藏室里，依次點上三根香煙，共燒30分鐘。在此期間，TDCi2000

cc柴油發(fā)動機將在30min內(nèi)（760km/min）運行。結(jié)果資料表明，煙草的燃燒量是柴油的十多倍。2017年，孫慧翔在《汽車煙灰缸設(shè)計研究》中，本文對車載煙灰缸的結(jié)構(gòu)、性能、安全性等方面進行了分析，為車載煙灰缸的研制提供了依據(jù)。車載煙灰缸是一種置于車輛儀表板、副儀表板或車門等部分，是一種用于撲滅煙頭和儲存煙灰的裝置。煙灰缸是一種用于車輛內(nèi)部裝飾的功能性部件，由外殼，門，消煙片，彈簧，齒輪，阻尼組成；由裝飾件，緩沖墊，及其他部件構(gòu)成。煙灰缸是提高車輛內(nèi)部裝飾質(zhì)量的關(guān)鍵部件之一，它不僅要達到實用、美觀的目的，而且要符合一套規(guī)范的規(guī)定；它的設(shè)計好壞非常關(guān)鍵。2019年MOLLERM發(fā)表的《SmarteyeData:devdtopahealtO0%ofoundationformedicalrescarchusingSmartdataapplications》提到，2010年國家衛(wèi)生部發(fā)表的研究結(jié)果表明，所有披露于大麻煙霧中的致癌化學(xué)成分均會對DNA誘發(fā)肝癌產(chǎn)生不利影響。2.二手煙暴露于環(huán)境中會對心血管系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害，它會加速血液凝結(jié)，加大心臟病發(fā)作和中風(fēng)的危險性。3.抽煙還會使女性更難受孕，并可能會造成流產(chǎn)、早產(chǎn)和產(chǎn)后身材不佳。此外，二手煙還會損害男性的生殖能力REF_Ref4700\r\h[18]。2019年米娟芳在《單片機控制系統(tǒng)的干擾因素及控制策略研究》一文中提出中國的卷煙產(chǎn)量大約為26，000億支。一支煙自然燃燒，足以讓100平米左右房間的PM2.5值達到800REF_Ref4785\r\h[4]。PM2.5超過500就屬于嚴(yán)重的污染，對大氣和環(huán)境都有很大的影響。當(dāng)排放量超出了空氣循環(huán)系統(tǒng)的容量和承受范圍時，空氣中的微粒物質(zhì)會繼續(xù)積累。將導(dǎo)致大面積的空氣污染，尤其是在寧靜的環(huán)境中，更容易發(fā)生大規(guī)模的空氣污染。2019年楊曉燕,徐廣振,王瑣瑣三人在《基于STM32單片機的表面貼裝自動質(zhì)檢裝置的設(shè)計》一書中提到本研究采用問卷調(diào)查法，采用網(wǎng)上問卷調(diào)查法及現(xiàn)場訪談法，共收集到99人的調(diào)查問卷。男性和女性的比例是一樣的。49?.50%的人認(rèn)為煙灰缸存在難清理的問題，21.21%的人認(rèn)為放在煙灰缸上未熄滅的煙頭也會制造二手煙影響他人，另外有23.23%的人同意現(xiàn)有煙灰缸的使用功能過于單一的看法REF_Ref4913\r\h[3]。這反應(yīng)了目前的設(shè)計缺乏對兩個問題的關(guān)注：1、干凈；2、被動煙霧。其次是30.30%的受訪者，他們覺得普通的玻璃煙灰缸又重又脆，17.17%的受訪者覺得木質(zhì)煙灰缸在清潔之后會吸收水分而變得扭曲。說明了用戶想要的是更輕的材料，同時也想要的是形狀和材料在使用時容易保存，不會變形。而目前的煙灰缸在這一點上還存在一定的不足，今后還需對其進行進一步的完善，使其成為一種方便、多功能的產(chǎn)品。2020年，Raafi在《DesignofIntelligentAshtraySystemBasedonSingleChipMicrocomputerTechnology》中提到，現(xiàn)在的吸煙者數(shù)量特別多，大約有三億一千六百萬人，其中百分之二十七點七是世界上最大的吸煙者。抽煙的人越來越多了。大量吸煙者將煙蒂丟到公共場合是常有的事，造成了很大的環(huán)境污染。另外，雖然煙蒂很小，但是它的表面的溫度通常為200~300攝氏度，而其中央的溫度可以達到700~800攝氏度。如果抽過一支香煙后，沒有將煙頭的火花徹底熄滅就將其丟棄在地面，如果丟棄在干燥疏松的可燃物體上，或者丟棄在綠地或垃圾箱等地方，都有可能引起火災(zāi)。為了解決這個問題，我們設(shè)計了一個可以有效地減輕抽煙人員抽完煙后，不能找到煙灰缸，隨便丟的現(xiàn)象，從而降低對環(huán)境的損害，從而有效地提高了城市的品位。經(jīng)過對北京市南站抽煙者的采訪問答，我們深入了解了煙塵缸的使用，并對其材質(zhì)、造型和功能進行了分析，總結(jié)出了優(yōu)缺點，最終結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品的功能，進行了全面的改進和升級，以滿足不同的使用需求。1.3主要研究內(nèi)容1.閱讀相關(guān)文獻確定了設(shè)計功能和軟件硬件的選擇方案2.硬件部分采用STM32單片機3.設(shè)計采用KEIL5軟件平臺和C編程語言完成位軟件設(shè)計4.將系統(tǒng)進行調(diào)試運行并成功實現(xiàn)5.實現(xiàn)的成果為實物該系統(tǒng)應(yīng)完成的主要功能有: 藍牙通信，手機端上位機上位機：1.需要通過藍牙模塊接收下位機數(shù)據(jù)，顯示溫度，濕度，煙霧濃度。各個模塊是否工作2.控制煙灰缸蓋子的打開或者關(guān)閉；下位機：1.煙霧傳感器采集煙霧濃度，發(fā)送至上位機；2.溫濕度傳感器采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，發(fā)送至上位機；溫濕度傳感器注意其最高可承受的溫度，避免高溫?zé)龤鞲衅鳌?.超聲波檢測是否有障礙物，若有，打開煙灰缸蓋子；明確超聲波測距的距離，確保使用者的方便。4.當(dāng)溫度過高時，開啟加濕器，濕度達到一定值，加濕器關(guān)閉；5.當(dāng)煙霧濃度過高時，開啟風(fēng)扇。為保證煙霧可以吸進煙灰缸內(nèi)部。需要在煙灰缸內(nèi)部提前加入少量的石灰水，并在風(fēng)扇另一側(cè)加通風(fēng)口，并加濾紙。第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計方案本設(shè)計是一種基于單片機技術(shù)的智能煙灰缸系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由煙霧傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、STM32單片機、藍牙模塊等部分組成；采用STM32單片機技術(shù)對傳感器模塊采集參數(shù)進行處理，并通過手機端顯示并通過按鍵模塊來實現(xiàn)開啟和關(guān)閉煙灰缸，實現(xiàn)自動模式和手動模式的切換。2.2功能需求分析2.2.1技術(shù)路線：（1）硬件部分需要STM32單片機；（2）軟件平臺程序用keil5；（3）畫原理圖用CAD；（4）編程語言用C語言；2.2.2預(yù)期結(jié)果：作品展示，完成一個智能煙灰缸系統(tǒng)設(shè)計，并且該設(shè)計能實現(xiàn)的功能如下：完成煙灰缸的實物設(shè)計，并對其中的功能完成實現(xiàn)。藍牙通信，手機端上位機上位機：1.接收下位機各個傳感器的數(shù)據(jù)，并對其顯示；2.通過按鍵來控制煙灰缸蓋子的開啟與關(guān)閉；下位機：1.煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，發(fā)送至上位機，并通過手機端app顯示煙霧濃度；2.溫濕度傳感器采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，發(fā)送至上位機，通過手機端app顯示溫度與濕度；3.通過超聲波測距模塊與舵機控制煙灰缸蓋子的開啟與關(guān)閉；；4.當(dāng)溫度過高時，達到一定值，加濕器自動開啟，濕度過高達到一定值則會自動關(guān)閉。5.當(dāng)煙霧濃度過高時，風(fēng)扇自動開啟，把煙灰缸外的煙霧吸到煙灰缸內(nèi)部，通過加濕器，使煙霧濃度降低2.3總體方案設(shè)計第一：在理論知識準(zhǔn)備階段，要深入理解設(shè)計課題，仔細研究其中所包含的內(nèi)容，以便更好地掌握相關(guān)知識；第二：明確系統(tǒng)的各個組成部分，梳理出它們之間的聯(lián)系，并搜集有關(guān)軟硬件的信息；第三：制定詳細的計劃，明確系統(tǒng)的組成部分，建立一個宏觀的系統(tǒng)框架，并以此為基礎(chǔ)繪制出相應(yīng)的原理圖；第四：使用軟件來實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計，畫出各個部分的電路圖，把各個部分用連接器連接起來，并畫出對應(yīng)的電路圖；第五：進一步分析了系統(tǒng)的控制流程，進一步改進了軟件的設(shè)計，并將其轉(zhuǎn)化為可視化的主流程圖；第六：進行實物設(shè)計，并對該系統(tǒng)的控制功能進行檢驗，整理論文。2.4單片機型號選擇方案一：采用C51單片機。該系統(tǒng)包含了一個完整的存儲器、一個可以連接到各種設(shè)備的輸入/輸出端子、一個可以連續(xù)計數(shù)的定時器和一個串行外設(shè)端子。采用的是按鍵位式操作和處理技術(shù)系統(tǒng)，可以對片內(nèi)器件進行各種操作，它還具備很強的保護電路，可以使程序在正常運行后得到很好的維護保養(yǎng)，它在片內(nèi)的RAM地址區(qū)間外還有一個具備雙重保護電路功能的地址區(qū)間，使其在使用和維護上都很方便。然而由于其恢復(fù)速度較慢，所以保護電路的能力也很差，很容易出現(xiàn)短路和燒壞芯片的現(xiàn)象。方案二：STM32系列單片機是一款??性能好，功能強的系??列單片機。這一系列的單個微處理器通常被用在對成本、性能和功耗都有較高要求的嵌入式系統(tǒng)，其在集成和功耗方??面也展現(xiàn)出良好的性??能。STM單片機因其易用、緊湊、高效、可靠等優(yōu)勢，在操控上表現(xiàn)出色，它可以自動調(diào)整時間，不需要人力介入，可以按照預(yù)定義的時間間隔進行操控，從而提高效率。在業(yè)界很受歡迎。??本實驗采用的最小系統(tǒng)如圖2.1。圖2.1STM32F103C8T6原理圖通過對比，再考慮到本設(shè)計所需要完成的功能，所以應(yīng)該選擇STM32F103C8T6單片機作為本設(shè)計的主控器主控制芯片選擇STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是由意法半導(dǎo)體集團基于STM32系列ARMCortex-M內(nèi)核開發(fā)的一款具有64KB的程序存儲器的32位微控制器。其工作時需要2V~3.6V的電壓和-40℃~85℃環(huán)境溫度。表2.1STM32F103C8T6各個部分表示意義1STM32STM32表示ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器2FF代表芯片子系列3103103代表增強型系列4CR這一項代表引腳數(shù)，其中T代表36腳，C代表48腳R代表64腳，V代表100腳，Z代表144腳，I代表176腳58B這一項代表內(nèi)嵌Flash容量，其中6代表32K字節(jié)Flash，8代表64K字節(jié)Flash，C代表256K字節(jié)Flash，D代表384字節(jié)Flash，E代表512K字節(jié)Flash，G代表1M字節(jié)Flash6TT這一項代表封裝，其中H代表BGA封裝，T代表LQFP封裝，U代表VFQFPN封裝766這一項代表工作溫度范圍，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃

2.5系統(tǒng)總體設(shè)計本設(shè)計是智能煙灰缸系統(tǒng)，用單片機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作與處理，溫濕度傳感器和煙霧傳感器采集煙灰缸內(nèi)部信息；超聲測距傳感器檢測是否有物體靠近，有物體靠近通過舵機打開煙灰缸蓋子，通過步進電機來刮蹭煙灰；上位機端實時檢測溫濕度、煙霧濃度以及蓋子、風(fēng)扇、加濕器的狀態(tài)?？傮w原理圖如下所示：圖2.2總體原理圖第3章系統(tǒng)的硬件部分3.1煙霧檢測模塊設(shè)計圖3.1煙霧檢測模塊原理圖與實物這個模塊使用了MQ-7煙霧傳感器，它的工作原理是通過與其相連的負載電阻RL產(chǎn)生有效的電壓信號VRL來測量氣體的濃度。這個模塊的主要功能是測量氣體中煙霧的濃度。兩個量的比值是：Rs/RL=（Vc-VRL）/VRL。MQ-7型的煙霧傳感器是一種采用了二氧化錫氣敏材料的氣體敏感元件，它的特點是在溫度達到200-300℃的時候，二氧化錫會從房間里的氧氣中吸取氧氣，產(chǎn)生負離子，從而減少了半導(dǎo)體里的電子濃度。這就使得電感器的電阻率變得更高。煙塵進入晶粒間界面后，會引起表面電導(dǎo)率的變化，進而影響電路的性能。因此，可以利用這一點來獲取煙霧存在的信息，當(dāng)煙氣的濃度增加時，表層導(dǎo)電率也會提高，進而導(dǎo)致電路的阻力降低，進而產(chǎn)生更多的模擬信息。特點：1、具有信號輸出指示。2、雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）3、TTL輸出的有效信號為低電平。（當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可以直接接單片機）4、模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。5、對一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性。6、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性3.2溫濕度檢測模塊設(shè)計在該設(shè)計方案中，我們使用了DHT11型溫濕傳感器。該傳感器所占空間很小，測量精確度為0.2，使用單總線進行數(shù)據(jù)傳送。該傳感器具有很好的抗干擾性能，通常被應(yīng)用在高爐測溫，機房檢測，家庭溫度控制等，適用于許多空間相對狹小的場所和數(shù)字溫度檢測等。這種溫度感應(yīng)器轉(zhuǎn)換時間只需75納秒，比傳統(tǒng)DS1820速度要快很多。檢測的結(jié)果以數(shù)字量方式串行傳送。溫濕度傳感器模塊電路圖如圖3.2所示:圖3.2溫濕度檢測模塊原理圖DHT11數(shù)據(jù)溫濕度傳感器使采用了高級的數(shù)字模組技術(shù)，能夠?qū)崟r采集、傳輸溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并進行校正，具有很高的精度。和長時間安全性，可以滿足各種環(huán)境需求。這款感應(yīng)器由一組電阻式感濕器件和一組NTC測溫元件構(gòu)成，它們與一組先進的8位數(shù)字單片機相連接，使得它能夠提供出色的測量性能，擁有出色的反饋速度，高度的耐受性，以及出色的性能與性能的完美結(jié)合。每個DHT11感應(yīng)器都經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果被存儲在OTP內(nèi)存中，這些校準(zhǔn)結(jié)果可用于處理檢測信號，從而提高測量準(zhǔn)確性和可信度。使用單線制串行端口，使網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)變得更為簡便快速，其容積小巧、消耗低廉，數(shù)據(jù)傳送長度可到達20米之上，使其變成各種應(yīng)用，尤其是極端環(huán)境下的理想之選。這款產(chǎn)品采用4針單排引腳封裝，連接簡單，并且能夠滿足不同封裝要求。應(yīng)用信息：超過所推薦的工作范圍，會引起暫態(tài)信號，最多可達到3%相對濕度。當(dāng)傳感器回到正常的工作條形時，它就會慢慢的回到標(biāo)定的位置。在異常工況下長期工作，可加快制品的老化進程。電阻式濕度檢測傳感器的探測層深受化學(xué)蒸氣的影響，這或許會造成測量結(jié)果的偏差和敏感度的降低。然而，在一種完全無污染的自然環(huán)境中，污染物質(zhì)會被有效地抑制，從而使測量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。高濃度的化學(xué)污染會導(dǎo)致傳感器感應(yīng)層的徹底損壞。下文所述的恢復(fù)處理將加速實現(xiàn)這一過程。當(dāng)一個傳感器處于極端工作環(huán)境或在化學(xué)蒸氣環(huán)境中時，可以按照以下操作步驟，將它還原為標(biāo)定時的情況。在50-60攝氏度，相對濕度為10%（干燥）的情況下（干燥）保存2小時。然后在20-30攝氏度，相對濕度70%的環(huán)境中保存超過5個小時。氣體中的相對濕度，與溫度有極大的關(guān)系。所以，在進行濕度測定時，應(yīng)該盡量使?jié)穸葌鞲衅鞅３衷谙嗤墓ぷ鳒囟?。若與散熱的電子器件共用一塊印刷電路板，則DHT11要盡量與電子器件距離較遠，且要放在熱源下面，并要保證機箱的空氣流通。為了減少導(dǎo)熱，DHT11和印刷電路板其他部位的鍍銅應(yīng)該盡量減少，并且在它們中間留下一個狹縫。3.3藍牙模塊設(shè)計方案一：Zigbee是一種廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的無線網(wǎng)絡(luò)，它能夠支持2.4GHz、868MHz、915MHz等多種頻段，并且具有極高的傳輸速度，最高可達每秒250kbit/s。然而，在某些情況下，在特定頻段上可以更高的速度傳輸。傳輸距離已經(jīng)達到了10-75m，而且還有望進一步提升。(1)低功耗:由于ZigBee技術(shù)具有極高的性能，特別是在節(jié)能方面。它的傳輸速度很快，只需要1mW的發(fā)射能量，并且具有休眠模式，所以能夠節(jié)約大量電力。根據(jù)測試，只需兩節(jié)5號電池。（2）zigbee具有極低的傳輸速率，其中包括傳輸?shù)?0毫秒、傳輸?shù)?5毫秒以及傳輸?shù)?5毫秒以內(nèi)，這使得它特別適合那些需要極高傳輸速率的工業(yè)控制場合，如工業(yè)自動化系統(tǒng)。(3)一個Zigbee星形架構(gòu)的系統(tǒng)具有極高的容錯能力，它能夠承載254個從端與一個主端，一個地理范圍內(nèi)也能夠同時擁有100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，這使得它具有極強的靈活性(4)安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。方案二:使用WiFi模組來進行通訊。Wi-Fi模組也叫串口Wi-Fi模組，這是物聯(lián)網(wǎng)中的一種傳輸層，其功能是將串行接口或

TTL電平轉(zhuǎn)化為符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊。在傳統(tǒng)的硬件設(shè)備中，嵌入Wi-Fi模塊，使其可以利用Wi-Fi直接與互聯(lián)網(wǎng)相連，在無線智能家居、M2M等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，它是一個重要的組成部分，是一種十分重要的智能硬件。Wifi模塊包含兩類拓撲：基礎(chǔ)網(wǎng)（Infra）和自組織網(wǎng)（Adhoc）。1.Infra又稱為基礎(chǔ)網(wǎng)，是一種以AP為核心的、以STA為支撐的復(fù)雜的、高效的、可靠的、可擴展的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它的核心在于AP，它可以將網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸和控制，從而實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換和控制。2.Adhoc：又被稱作“自組網(wǎng)”，它的特點是只包含兩個或更多的STA，而沒有AP，因此它具備一種極其靈活的架構(gòu)，使得每個STA之間能夠進行實時的交互。3.該模塊具有強大的安全性，可以提供多種不同的無線網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)，以確保用戶的信息在不同的環(huán)境中得到有效的防護，其中包括：WEP64/WEP128/TKIP/CCMP（AES）、WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK等。4.這個模塊可以幫助用戶快速聯(lián)網(wǎng)，只需要指定一個信道號即可。它可以自動掃描當(dāng)前的所有信道，以便找到目標(biāo)AP，并將它們連接到一個網(wǎng)絡(luò)上。這樣，用戶就可以快速地實現(xiàn)無線聯(lián)網(wǎng)。通過本模塊，用戶可以根據(jù)已知的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信道，自由調(diào)整工作信道參數(shù)，從而大大提升聯(lián)網(wǎng)效率，實現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。方案三：采用藍牙通訊模塊HC05其傳送效率高，可以和各種藍牙技術(shù)相結(jié)合的通信，其中包含了藍牙技術(shù)的計算機，藍牙主機，移動電話；與

PDA,

PSP等多個終端相匹配，可以進行串口傳輸。在驅(qū)動HC05模塊的時候，只要使用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)的串口（5

V/3.3

V電壓均可）就可以了，它所支持的波特率范圍為4800~1382400，十分適用于在單片機系統(tǒng)中擴展藍牙特性。綜上所述本設(shè)計選擇藍牙通信作為本實驗的通信方法。圖3.3藍牙模塊原理圖3.4超聲波傳感器模塊設(shè)計圖3.4超聲波傳感器模塊原理圖方案一:采用紅外感應(yīng)模塊。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測設(shè)備廣泛應(yīng)用于城市公共場所的紅外線路燈開關(guān)自動報警控制等的應(yīng)用，但同時也存在著一些缺陷，主要表現(xiàn)在；紅外線探測距離遠。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測設(shè)備利用了人體的熱輻射原理，采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，使其在測量物體表面溫度的同時，也可以測量物體內(nèi)部的溫度。這種技術(shù)利用了人類的視覺系統(tǒng)來探測物體表面的溫度。適用場所范圍廣。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測設(shè)備采用人體的熱輻射原理，適用于城市公共場所以及工礦企業(yè)、科研機構(gòu)、學(xué)校等場所，其應(yīng)用范圍廣泛。抗干擾處理能力強。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測設(shè)備利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，使其在工作過程中不受電磁、環(huán)境等因素影響。工作性能較穩(wěn)定持久。實際測距時，光線強度可能與距離關(guān)系不一定成正比方案二:使用超聲模組。超聲探測的基本理論是：被探測對象發(fā)射出的聲波。然后，我們再通過檢測物體發(fā)出的超聲波，還需要根據(jù)其聲速變化，來計算出該物體與其所在點的距離。通過使用壓電陶瓷材料制造的超聲波探測器，我們可以同時檢測和傳播多種波長的信號。這些信號的頻率通過將電荷分配給陶瓷材料的不同部位來調(diào)節(jié)，從而使得探測器的檢測精度達到最佳。通過比較分析可以看出，第一種方案在有日照的戶外不能很好地實現(xiàn)。至于第二個方案，則是沒有室內(nèi)外之分，因此，選擇第二個方案。本文采用HC-SR04超聲波定距系統(tǒng)擁有出色的非接觸式間距感測功能，即可檢測出間距到達3mm的間距，它由超聲波發(fā)射器、接收機和精確的控制電路構(gòu)成。這款超聲波模塊有著出色的性能，其能夠準(zhǔn)確地檢測出特定的物體，而且模塊的準(zhǔn)確率極高，能夠有效地減少盲點的出現(xiàn)?；竟ぷ髟恚海?）使用IO端TRIG來檢測物體的位置，并提供至少10us的高精度數(shù)據(jù)。（2）該模塊能夠同時產(chǎn)生8組40khz的方波，并能夠快速識別并反饋出任何信息；（3）當(dāng)一個信號被接收并被IO和ECHO控制后，它將導(dǎo)致一個高電平，而此高電平所維持的時間就是整個傳輸過程所需的長度。我們可以根據(jù)高電平的長度，測量出傳輸?shù)恼鎸嵕嚯x。3.5舵機模塊設(shè)計舵機作為一種角度控制驅(qū)動器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高端遙控系統(tǒng)玩具，如航模、航空模具和潛艇模具，以及遙控機器人中，以適應(yīng)變化的角度需求，并保持其安全性。舵機，也被叫做伺服電動機，它的功能比較強大。工作原理：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，得到一個直流偏壓。其內(nèi)部有一個參考電路，其生成一個周期為20

ms，寬度為1.5

ms的參考信號，將所得到的直流偏置電壓與電位計的電壓進行比較，得到一個電壓差。最終將該電壓差值的正向和負向輸入給電機驅(qū)動器芯片，以確定馬達的正向和反向。在電動機的速度不變的情況下，利用串聯(lián)的減速器，使電位計轉(zhuǎn)動，從而使兩個電位的差值等于0，電動機就會停止運轉(zhuǎn)。舵機的控制：通常，舵機操作所需的時基脈沖大約為20ms，其中高電平部分可以在0.5ms~2.5ms范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的角度調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)以180度角度進行伺服時，相應(yīng)的控制機構(gòu)如下：0.5ms0度；1.0ms45度；1.5ms90度；2.0ms135度；2.5ms180度；圖3.5舵機模塊原理圖第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件主流程圖軟件部分的主要任務(wù)時完成對溫濕度傳感器和煙霧傳感器采集的信號進行處理；通過超聲波傳感器和舵機來煙灰缸自動開啟關(guān)閉蓋子；步進電機來實現(xiàn)刮蹭煙灰；通過藍牙模塊實現(xiàn)上位機與下位機通信。圖4.1軟件主流程序圖

4.2煙霧檢測模塊的軟件設(shè)計如圖4.2為該模塊的設(shè)計流程圖。接通電源后，煙霧傳感將會對煙灰缸內(nèi)的煙霧濃度信息進行收集，然后傳輸給單片機，在由單片機進行信息處理。圖4.2煙霧檢測模塊設(shè)計流程圖4.3溫濕度檢測模塊的軟件設(shè)計如圖4.3，當(dāng)電源被激活時，溫濕度傳感器就可以采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至單片機，然后經(jīng)過精確的數(shù)據(jù)分析和處理，以實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測。圖4.3溫濕度檢測模塊設(shè)計流程圖在總線閑置狀態(tài)是高電平的時候，服務(wù)器會降下總線，等待DHT11的應(yīng)答。服務(wù)器必須使總線下降到18毫秒以上，來使DHT11檢測到開始信號。從伺服器收到訊號之后，等待開始訊號完成，推送低電平回應(yīng)訊號。等待20.40us，收到服務(wù)器的開始信號，加載DHT11的應(yīng)答信號。當(dāng)啟動信號傳出之后，會出現(xiàn)一個功率大的均值，總線被上拉電阻下拉。圖4.4DHT11時序圖4.4舵機模塊的軟件設(shè)計在設(shè)計中，為了更好地控制舵機的角度，我們需要使用delaymemory指令，它的延遲時間由8位的數(shù)據(jù)存儲單元的1個指令周期組成，其中memory的數(shù)據(jù)為0-255位的數(shù)據(jù)可以滿足舵機角度級數(shù)的要求，而且，由于舵機的角度級數(shù)一般為1024級，因此，我們可以使用兩個內(nèi)存單元來存儲舵機的角度伺服參數(shù)，從而更好地控制舵機的性能。通過采用這種軟件架構(gòu)，我們可以實現(xiàn)更高效的工作效率。圖4.5舵機軟件結(jié)構(gòu)4.5藍牙模塊的軟件設(shè)計如圖4.6為該模塊的設(shè)計流程圖。接通電源后，通過該模塊實現(xiàn)上位機與下位機通信。HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊(以下簡稱模塊)。有兩種運行方式：指令應(yīng)答運行方式和自動連接運行方式，其中該模塊可以分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）運行方式。在模塊在自動連接工作模式中的時候，它會按照預(yù)先設(shè)置好的方法來進行數(shù)據(jù)的傳送：在模塊在命令響應(yīng)工作模式中的時候，它可以完成下面描述的全部

AT命令，使用者可以給模塊發(fā)出不同的

AT指令，為模塊設(shè)置一個控制參數(shù)或者發(fā)出一個控制命令。藉由模組外部引腳（PIO11）輸入電平來進行模組操作之動態(tài)切換。圖4.6藍牙模塊軟件設(shè)計

第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)實物圖本系統(tǒng)以STM32單片機為主要控制單元。該系統(tǒng)包括一系列的傳感器，例如溫度，濕度傳感器，煙霧傳感器和超聲波傳感器。其它還包括藍牙模組、步進電機、加濕器和風(fēng)扇繼電器。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了一套完整的煙灰缸智能控制系統(tǒng)。通過實驗對該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案進行了驗證。在實際生產(chǎn)過程中，要求將電路中的所有元件都準(zhǔn)備好，因為是人工焊接，所選用的元件都是直插的，便于焊接生產(chǎn)。焊接制作要隨時進行測試，連接的線路不能有短路，這一點很重要，如圖5.1所示，為整體焊接好的實物圖。圖5.1系統(tǒng)完整實物圖在焊接的第一步中，必須確認(rèn)單片機的最低端電路已經(jīng)被正確地連接，并且檢查所有的連接點是否存在短路的問題。這樣，我們才能夠在檢查完整部分的基礎(chǔ)上，檢查和評估整體的性能。以使用

Keil對軟件代碼設(shè)計進行調(diào)試，調(diào)試代碼的邏輯性、語法等，找到與邏輯、語法等相關(guān)的問題，優(yōu)化代碼設(shè)計，解決問題。Keil的能力很強，可以看到每個步驟中，所有的代碼都運行了一遍，查看每個字后面的代碼，是否合理，是否正確。5.2測試原理圖5.2藍牙模塊如圖5.2為藍牙模塊，通過藍牙模塊來實現(xiàn)下位機與上位機通信。圖5.3溫濕度模塊如圖5.3為溫濕度模塊，采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，當(dāng)溫度上升時，達到一定值，煙灰缸內(nèi)部的加濕器開始工作。濕度達到一定值后，加濕器會停止工作圖5.4風(fēng)扇繼電器和加濕器繼電器如圖5.4為繼電器模塊，模擬煙灰缸內(nèi)的風(fēng)扇和加濕裝置，當(dāng)煙灰缸內(nèi)部溫度過高，達到一定值時，加濕裝置開啟。確保煙霧與煙灰進入煙灰缸的潮濕狀態(tài)。方便煙灰缸對空氣的凈化以及步進電機對煙霧的剮蹭。當(dāng)煙霧濃度過高，達到一定值時，風(fēng)扇開啟。通過風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動，將煙霧吸進煙灰缸的內(nèi)部，完成對空氣的凈化。圖5.5煙霧傳感器模塊如圖5.5為煙霧檢測模塊，用來采集煙灰缸內(nèi)部的煙霧濃度，當(dāng)煙霧濃度過高時，風(fēng)扇開啟。圖5.6超聲波與舵機測距模塊如圖5.6通過超聲波傳感器來檢測是否有人需要使用煙灰缸，通過舵機來實現(xiàn)煙灰缸的開蓋關(guān)蓋的功能。當(dāng)超聲波測距模塊前方有障礙物時，舵機轉(zhuǎn)動則煙灰缸的蓋子會自動打開圖5.7步進電機模塊如圖5.7為步進電機模塊，當(dāng)進行開蓋的操作時，步進電機開始工作，起到一個剮蹭煙灰的作用。圖5.8手機APP如圖5.8為上位機端手機APP，通過藍牙與下位機進行通信。上位機實時顯示當(dāng)前系統(tǒng)時間、溫濕度、煙霧濃度以及蓋子、加濕裝置、風(fēng)扇是否開啟，0表示“關(guān)閉”，1表示“開啟”；可通過上位機手動打開和關(guān)閉蓋子；當(dāng)通過上位機開啟蓋子時，步進電機不會運行，且此時下位機無法通過超聲波傳感器和舵機來實現(xiàn)開蓋關(guān)蓋的功能。方便了對煙灰缸內(nèi)部的清理。

第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)當(dāng)今，STM32芯片的應(yīng)用已經(jīng)成為無線通信技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動因素，其發(fā)展的重要性已經(jīng)深刻地改變了人類的日常生活。在STM32單片機的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種以凈化空氣為目的的智能煙灰缸，它根據(jù)煙灰缸前方有無障礙物來控制煙灰缸蓋子的開啟與關(guān)閉。它可以根據(jù)溫度的變化來調(diào)節(jié)風(fēng)機的開關(guān)，根據(jù)煙氣的濃度來調(diào)節(jié)加濕器的運轉(zhuǎn)和關(guān)機。最后，對整個系統(tǒng)進行了實物驗證。通過與設(shè)計的功能進行比對，符合設(shè)計要求。但在實際使用中仍存在不足之處，比如對于溫度的閾值確定存在一些問題。環(huán)境溫度對該設(shè)計的影響較大。需要減少外界環(huán)境對該設(shè)計的影響，以便適應(yīng)不同的工作環(huán)境。6.2展望設(shè)計以智能煙灰缸系統(tǒng)為研究對象，在具體分析人們對各種生活中常用的道具要求逐漸提高的現(xiàn)象，明確提出了一種智能煙灰缸設(shè)計。全部設(shè)計的首要工作中如下所示。(1)根據(jù)查看相關(guān)資料，確定了人們對煙灰缸的更高要求，并在這個基礎(chǔ)上明確提出了自動開蓋關(guān)蓋和監(jiān)測煙灰缸內(nèi)部溫濕度及煙霧的濃度。以凈化空氣為首要目的的智能煙灰缸系統(tǒng)；(2)對于上一部分提到的問題，明確提出了運用單片機和傳感器實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，運用單片機設(shè)計操縱所有體系的設(shè)計計劃方案。(3)硬件配置電源電路以STM32為主板芯片。雖然實物顯示，整個設(shè)計完全可以滿足智能煙灰缸系統(tǒng)的要求，但是，整個系統(tǒng)軟件還是有一些問題和需要改進的地方，這些都需要在以后的討論中完善。(1)設(shè)計的操作系統(tǒng)包括溫濕度檢測模塊。在具體運用中，采用DHT11溫濕度傳感器來檢測煙灰缸內(nèi)部的溫濕度情況。對于DHT11傳感器的耐熱程度問題，需要進一步的對其增加保護(2)在該設(shè)計中沒有操縱誤差實行的優(yōu)化算法。在具體運用中，應(yīng)加入優(yōu)化算法操縱，如模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等。根據(jù)引入該優(yōu)化算法，可以進一步提高實行高效率。

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附錄電路圖程序#include"sys.h"#include"delay.h"#include"oled.h"#include"tim.h"#include"port.h"#include"app.h"#include"hcsr04.h"#include"usart3.h" #include"usart.h"#include"timer.h"#include"adc.h"#include"dht11.h"intmain(void){ delay_init(); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); system_Time_Init(9,7199); sys_gpio_init();adc_init();DHT11_Init(); OLED_Init(); OLED_Clear();OLED_ShowString(0,0,"nihao",1