工程应用综合设计报告书智能家居温湿度检测系统设计大学论文

南通大学

工程应用综合设计报告书

题目智能家居温湿度检测系统设计

学生姓名:

学院: 电气工程学院

专业: 建筑电气与智能化

班级: 建筑电气

学号:

起讫日期2015.12.21~2016.1.25

指导教师职称教授

指导教师职称副教授

发报告书日期2017 年 1 月 5 日

摘要

“智能家居”（Intelligent Home）是通过采用先进的计算机、通信和控制技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统等组成的家庭服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、舒适的居住环境以及便利的通讯网络的家庭住宅。本课题基于YL-STM32F107VC开发板对室内温度和湿度进行检测控制，从而提高居住的环境及舒适度，对智能家居的发展具有十分重要的意义。

关键词：智能家居；YL-STM32F107VC；温度和湿度；舒适度。

目录

摘要 (2)

第一章绪论 (5)

1.2 温度和湿度智能监控系统发展现状 (5)

1.2.1国外发展现状 (5)

1.2.2国内发展现状 (5)

第二章STM32F107单片机 (6)

2.1 STM32F107单片机介绍 (6)

2.2系统图 (6)

第三章硬件设计 (7)

3.1 温度传感器设计 (7)

3.2 单片机系统设计 (8)

3.2.1 启动选项 (8)

3.2.2 复位电路 (9)

3.2.3 时钟电路 (9)

3.3 显示电路设计 (10)

3.4 报警电路设计 (13)

3.5存储模块设计 (13)

3.6 通信模块设计 (14)

第四章软件设计 (15)

3.1 系统主程序流程图 (15)

3.2 温度传感器程序设计 (16)

3.3 显示程序设计 (17)

3.4 报警程序设计 (18)

3.5存储模块程序设计 (19)

3.6 通信模块程序设计 (19)

参考文献 (21)

第一章绪论

1.2 温度和湿度智能监控系统发展现状

1.2.1国外发展现状

在国外对温湿度检测技术研究比较早，始于20世纪70年代。显示采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制，80年代末出现了分布式控制系统，目前正开发和研制计算机采集控制系统的多因子控制系统。现在世界各国的温度检测技术发展很快，一些国家在实现现代化的基础上正走向完全自动化、无人化的发展。

1.2.2国内发展现状

在中国，对于温湿度检测技术的研究比较晚，始于20世纪80年代。近年来，我国引进了多达16个国家和地区的工厂环境控制系统，在总体上，正消化吸收、简单应用阶段化向实用化、综合性应用阶段过度和发发展，对推动温湿度检测产生了积极的作用。

与此同时，我国的温湿度测控设施计算机应用以单片机控制的单参数单回路系统居多，在生产实际中仍然有许多问题困扰这我们，比如环境控制水平落后，软硬件资源不能共享和可靠性差等缺点。与发达国家相比较，还是存在一定差距的。基于我国目前这种的状况，更需要我们去深入研究。

第二章STM32F107单片机

2.1 STM32F107单片机介绍

课题研究的多点测温系统是以STM32F107单片机和单总线数字温度传感器DS18B20为核心，充分利用单片机优越的内部和外部资源及数字温度传感器DS18B20的优越性能构成一个完备的测温系统，实现对温度的多点测量。整个系统由单片机控制，能够接收传感器的温度数据并显示出来，还可以从按键输入命令，系统根据不同的命令，实现不同的功能，并且能够对异常情况进行报警,还可以将测量数据保存起来以供以后查询使用或者通过串口传给PC机。由于单片机具有强大的运算和控制功能，使得整个系统具有模块化、硬件电路简单以及操作方便等优点。

2.2系统图

本课题的整个系统是由单片机系统电路、温度传感器电路、显示电路、键盘电路、报警电路，存储电路，串口通信电路等构成。其系统框图如图2.1所示：

图2.1系统整体框图

第三章硬件设计

3.1 温度传感器设计

DS18B20单总线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内，与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式，其可以分别93．75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，最大分辨率为0．0625℃，而且从DS18B20读出或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单总线接口)。

DS18B20与单片机的硬件连接有两种方法，一是外部电源供电方式：VCC 接外部电源，GND接地，I/0与单片机的I/0线相连；二是寄生电源供电方式:VCC 和GND接地，I/0接单片机I/0线。无论是哪种供电方式，I/0口线都要接4．7k Q左右的上拉电阻。

正是由于以上特点，DS18B20广泛应用于过程控制、环境控制、建筑物、机器设备中的温度检测。其外形和管脚如图2.2所示：

图2.2DS18B20外部形状及管脚图

本课题设计采用外部电源供电方式，四个数字式温度传感器DS18B20与单片机连接如图2.3所示：

图2.3 DS18B20与单片机连接图

3.2 单片机系统设计

STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型系列微控制器中的一款性能较强产品，它以32位ARM Cortex-M3为内核、72MHZ运行频率、含有高达64KB SRAM、256KB FLASH、80个可编程的I/O线、支持256个可嵌套中断源。还集成了各种高性能工业标准接口，包括ADC、DAC、I2C、USART、SPI、I2S，拥有全速USB（OTG），CAN2.0B接口，以及以太网10/100 MAC模块。可以满足大部分工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场等多种产品的需求。

本课题是运用ST公司的STM32F107来实现整个系统的控制，主要运用到了启动选项配置，复位电路，时钟电路等部分。

3.2.1 启动选项

STM32F107单片机有三种启动方式，其启动方式如下表2.1所示：

表2.1启动方式配置选择表

1-2表示接高电平1，2-3表示接低电平0

本课题设计采用默认的启动方式，即1-2接高电平，2-3接低电平，表示从User Flash开始启动程序。

3.2.2 复位电路

无论哪种单片机，都会涉及复位电路。如果复位电路不可靠，在工作中就有可能出现“死机”，“程序走飞”等现象，复位操作使单片机进入初始化过程，程序从00000000H地址单元开始执行, 当STM32F107单片机的复位引脚NRST出现一段时间的低电平时，单片机就完成了复位操作，如果NRST持续为低电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序，因此要求复位后能脱离复位状态。

复位操作通常有上电和开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。常用的复位电路如图2.4所示：

图2.4复位电路

3.2.3 时钟电路

STM32F107单片机的时钟信号通常有内部振荡方式和外部振荡方式。单片机内部有一个高增益反相放大器，在引脚XTAL1和XTAX2外接晶体振荡器，晶振为8MHZ，就够成了内部振荡方式，外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内，这种方式适于用于用来使单片机的时钟与外部信号保持一致，但内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定。

本课题设计采用内部振荡器方式，电容值一般为20PF，起稳定振荡频率、

快速起振的作用，其电路连接如图2.5 a）所示：另外本课题用到RTC功能，还需为STM32F107提供RTC时钟，RTC晶振为32.768KHZ, 电容值一般为10PF。其电路连接如图2.5 b）所示：

图2.5 a）系统时钟电路

图2.5 b） RTC时钟电路

3.3 显示电路设计

显示设备是电子系统常见的输出设备，在电子系统中占有极其重要的作用，显示电路主要有两种显示方式：数码管显示方式和LCD液晶显示方式。

数码管是由7段或8段发光二极管组成，在平面上排成8字型，主要有共阴极和共阳极两种，只要使某些段点亮而另一些段不亮就可以显示0-9，A-F等字型。要使某段点亮必须具备2个条件：一是共阴极管的公共端接地和共阳极管的公共端接电源；二是共阴极管的控制端接电源和共阳极管的控制端接地。此显示方式具有接口简单，占用资源少、控制灵活方便等特点，目前市场上主要有2位一体，4位一体，8位一体等数码管，价格也比较便宜。

LCD液晶显示器是Liquid Crystal Display的简称，LCD的构造是在两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面，不仅可以显示字符，数字，还可以显示汉字，图片等，由于LCD显示器通过控制是否透光来控制亮和暗，当色彩不变时，液晶也保持不变，这样就无须考虑刷新率的问题，对于画面稳定、无闪烁感的液晶显示器，刷新率不高但图像也很稳定，LCD 显示器还可以通过液晶控制透光度的技术原理让底板整体发光，做到了真正的完全平面。但是相对于数码管显示器，其价钱比较其昂贵。

由于LCD液晶显示方式相对于数码管显示方式来说不用考虑不断刷新等优点，所以本课题设计利用TFT-LCD作为输出显示设备。利用单片机传输控制信号，在LCD上将传感器的温度信号和按键输入的控制信号都显示出来。其电路连接如图2.6 a）所示：

图2.6 a）TFT-LCD电路连接图

另外再利用4个发光LED显示4个温度传感器的工作正常情况，其电路连接如图2.6 b）所示：

图2.6 b）发光LED电路连接图

3.4 报警电路设计

为了实现多点温度检测系统报警的功能，在单片机获取多点DS18B20温度传感器转换的温度值后，与预设的温度值相比较，如果温度不在预设定的范围内，高于或者低于预设的温度值，则给出报警信号，并且相应的发光二极管不断闪烁，表示相应的温度传感器出现异常。其电路连接如图2.8所示：

图2.8报警电路连接图

3.5存储模块设计

DS18B20 完成温度转换后，温度值可以显示出来，但是一些重要的数据需要保存下来，供给以后查询使用，这就需要设计一个存储电路，由于需要存储温度数据不是很多，所以本课题设计选用E2PROM-AT24LC02芯片来设计一个存储电路，AT24LC02芯片可以存储128个字节，足以满足本设计系统存储的需要，其电路连接如图2.9所示：

图2.9存储电路连接图

3.6 通信模块设计

RS-232是目前异步串行通信中应用最广泛的标准总线，适用于数据中断设备(DTE)和数据通信设备(DEC)，ELA-RS-232是目前最常用的串行接口标准，用于计算机与计算机之间，计算机与单片机的数据通信。此标准的目的是定义数据终端设备(DTE)之间的电气特性。RS-232提供了单片机与单片机、单片机与PC 机之间串行数据通信的标准接口，但RS-232规定的逻辑电平与单片机的逻辑电平是不一致的，因此在应用中，必须把微处理器的信号电平(TTL电平)转换为RS-232电平，通常选用电平转换芯片MAX-232来实现。RS-232C总线标准接口引脚信号定义如表2.2所示：

表2.2RS-232C通信接口标准定义表

STM32F107单片机内部带有有5个串口电路接口，其功能与51系列单片机的串口相似，在设计硬件接口电路时，应充分考虑到电路的电气特性、逻辑电平以及驱动能力的匹配问题，若匹配得不好，将会导致通信失败。

本课题设计使用的是STM32F107内部的串口1接口，采用MAX-232作为PC机与单片机的串行通信接口间的电平转换芯片。硬件连接时，可从MAX-232中的2路发送器和接收器中任选一路，只要注意发送与接收的引脚对应关系即可。其接口电路连接如图2.10所示：

图2.10 PC机与单片机通信电路连接图

第四章软件设计

3.1 系统主程序流程图

根据系统设计的功能要求，我们将整个软件系统分割成若干个独立的程序模块，这些程序模块可以是几条语句的集合、功能函数或程序文件，随后，根据各个程序模块的实现功能写出流程，一般还需要写出具体的实现功能描述，本课题系统主程序流程如图3.1所示：