工程应用综合设计

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date工程应用综合设计南通大学毕业设计（论文）任务书南 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: 李达 学 院: 电气工程学院 专 业: 建筑电气与智能化 班 级: 建筑电气122 学 号: 1112062036 起讫日期 2015.12.212016.1.25 指导教师 瞿遂春 职称 教授 指导教师 钱冰冰 职称 副教授 发报告书日期 20

2、16 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31.2 温度和湿度智能监控系统发展现状31.2.1国外发展现状31.2.2国内发展现状3第二章S

3、TM32F107单片机42.1 STM32F107单片机介绍42.2系统图4第三章硬件设计53.1 温度传感器设计53.2 单片机系统设计63.2.1 启动选项63.2.2 复位电路73.2.3 时钟电路73.3 显示电路设计83.4 报警电路设计103.5存储模块设计103.6 通信模块设计11第四章软件设计123.1 系统主程序流程图123.2 温度传感器程序设计133.3 显示程序设计143.4 报警程序设计153.5存储模块程序设计163.6 通信模块程序设计17参 考 文 献18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

4、，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

5、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

6、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：STM32F107单片机存储电路DS18B20报警电路键盘电路发光LED复位电路LCD显示时钟电路PC计算机RS-232电源电路图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

7、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912位的数字值读数方式，其可以分别9375ms和750ms内完成9位和12位的数字量，最大分辨率为00625，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47k 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

8、、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2.2 DS18B20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、

9、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BOOT1(JP13)BOOT2(JP15)启动模式描述1-2,2-3 or open2-3金牛开发板设定为User Flash启动方式2-31-2金牛开发板设定为System Memory启动方式1-21

10、-2金牛开发板设定为Embedded SARM启动方式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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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-23

17、2来实现。RS-232C总线标准接口引脚信号定义如表2.2所示：表2.2 RS-232C通信接口标准定义表引 脚信 号方 向功 能1DCDIN数据载波检测2RXDIN接收数据3TXDOUT发送数据4DTROUT数据终端设备(DTE)就绪5GND_信号公共参考地6DSRIN数据通信设备(DEC)就绪7RTSOUT请求发送8CTSIN清除发送9RIIN振铃指示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

18、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：开始系统初始化显示系统主界面按键扫描KEY1按下 是保存4路温度传感器的

19、温度值及RTC时间KEY3按下 否 是将4路温度传感器的温度值发送到PC机KEY4按下 否 是显示4路温度传感器的温度值KEY2按下 否 是 判断高于/低于预设温度值给出报警信号及相应发光LED闪烁相应发光LED闪烁 是 否图3.1 系统主程序流程图3.2 温度传感器程序设计对单总线的DS18b20芯片来说，访问每个器件都要遵守下列命令序列：首先是初始化；其次执行ROM 命令；最后就是执行功能命令。初始化过程由主机发出的复位脉冲和从机响应的应答脉冲组成，应答脉冲使主机知道，总线上有从机设备，且准备就绪。每次访问线器件，必须严格遵守这个命令序列，如果出现序列混乱，则器件不会响应主机。在主机检测到

20、应答脉冲后，就可以发出ROM命令，这些命令与各个从机设备的唯一64位ROM代码相关，允许主机在单总线上连接多个从机设备时，指定操作某个从机设备，这些命令还允许主机能够检测到总线上有多少个从机设备，以及其设备类型或者有没有设备处于报警状态，从机设备支持5种ROM命令，每种命令长度为8位。由于本课题采用的是单节点测温系统，可以发出跳越ROM命令，并且其后跟随转换温度命令44h，就可以直接启动总线上的DS18B20开始温度转换，这样可以大大节省主机的时间，提高效率。其程序流程如图3.2所示：开始DS18B20初始化发送跳越ROM命令CCh发送存储器命令BEh连续读出两个字节的数据（即温度）DS18B

21、20初始化发送跳越ROM命令CCh发送温度转换命令44h延时750ms读取温度值 返回图3.2 温度传感器程序流程图3.3 显示程序设计根据系统设计的功能要求，单片机系统不仅要能接收到温度信号，还要将温度信号显示出来，使系统一目了然。对于输入的温度信号，其显示是通过3.2寸320*240的彩色TFT-LCD显示出来的，主要显示系统主界面和4路温度传感器的温度值，该显示模块的LCD驱动芯片型号为ILI9320，其程序流程如图3.3 a）所示：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，其程序流程如图3.3 b）所示：开始初始化液晶ILI9320功能设置置显示位置发送数据返回图3.3

22、 a） LCD显示程序流程图LED初始化LED1:亮/闪烁温度传感器1:正常/异常 判断 是LED2:亮/闪烁温度传感器2:正常/异常 判断 是LED3:亮/闪烁温度传感器3:正常/异常 判断 是LED4:亮/闪烁温度传感器4:正常/异常 判断 是图3.3 b） 发光LED程序流程图3.4 报警程序设计本课题设计采用高温和低温报警，事先预设一个最高温度值和一个最低温度值，最高/低温度值可根据实际情况来设置，单片机采集到温度值后，与其比较，如果某个传感器的温度超过或者低于了预设定的温度值，将发出报警信号。其程序流程如图3.5所示：显示当前温度值给出报警信号高于/低于预设温度值 否 是图3.4 报

23、警程序流程图3.5存储模块程序设计本课题设计采用E2PROM-AT24LC02芯片来存储经DS18B20转换后的温度值及RTC的时间，AT24LC02芯片与STM32F107单片机通过I2C总线相连，因为I2C只有时钟线SCL和数据线SDA两根线，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求，只有严格遵守通讯协议才能保证数据传输的正确性和完整性，否则将无法读取数据，其程序流程如图3.6所示：开始AT24LC02初始化写地址读/写数据返回图3.5 存储程序流程图3.6 通信模块程序设计本系统通过串口与上位机进行通信，可以实时向上位机传送经DS18B20转换后的温度值，本课题设计采用单片机系统通过RS-

24、232总线与计算机相连接。在进行实物仿真时，可以看到上位机（PC机）接收到的4个通道的温度值以及记录该温度值的RTC时间，当然也可以在本身系统的LCD上显示4个通道转换后的温度值，其程序流程如图3.7所示：开始初始化串口串口中断入口发联络信号AAH是联络信号55H？ 否 是发送数据返回图3.6 通信程序流程图参 考 文 献1 康华光.数字电子技术M.第四版.北京：高等教育出版社，19982 康华光.模拟电子技术M.第四版.北京：高等教育出版社，19983 万文略.单片机原理及应用M.重庆: 重庆大学出版社, 20044 何立民.单片机应用系统设计M.北京航空航天大学出版社，19945 胡汉才.单片机原理及其接口技术M.清华大学出版社，19966 周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京航空航天大学出版社，20017 郁有文，常健，程继红.传感器原理及工程应用M.第二版.西安：西安电子科技大学出版社，2003-