基于STM32智能加湿系统

摘 要
随着计算机技术和通信技术的飞速发展，人类的生活水平有着日新月异的变化，“以人为本、舒适、便利、智能化”已成为家居系统的重要设计理念，家居智能化控制系统力求创造安全、舒适的生活环境的设计理念，成为当今众多开发商高度关注的卖点之一。
智能控制是自动控制发展的高级阶段，是自动控制和计算机等多种学科的高度综合与集成是一门新兴的边缘交叉学科。智能控制是当今国内、外自动化学科中的一个十分活跃和具有挑战性的领域，代表着当今科学和技术发展的最新方向之一，正在成为自动化领域中最兴旺和发展最迅速的一个分支学科。
此设计根据设计任务的设想、市场调研、实际考察等方案进行了设计任务方案的论证，并且设计了相应的硬件电路和系统总结构分析以及嵌入式编程开发等工作。
此设计采用STM32F103微控制器与其他外部设备相结合。外部设备包含SG90型舵机(180°)、108KHz雾化片驱动、5V直流风扇、Water Sensor水位传感器以及DHT11温湿度传感器等模块，合理分配STM32F103微控制器的IO口，有效运用智能控制与算法处理实现智能加湿系统，致力于完善或代替现阶段的传统加湿器。

关键词：单片机；加湿器；智能；无线通信；

Based on the STM32 intelligent humidifier system

Abstract
With the rapid development of computer technology and communication technology, the human life level has a rapid change, the "people-oriented, comfortable, convenient, intelligent" has become an important design concept of household system, intelligent home control system seeks to create a safe and comfortable living environment of the design concept, become one of the selling point of many developers high attention today.
Intelligent control is the advanced stage of the development of automatic control, automatic control and computer and other disciplines are highly integrated and integrated is a new interdisciplinary edge. Intelligent control is a very active and challenging field in the field of automation at home and abroad. It represents one of the newest directions in the development of science and technology, and is becoming the most prosperous and developing branch of automation.
This design is based on the design task of the idea, market research, actual investigation and other schemes to carry out the demonstration of the design task, and design the corresponding hardware circuit and system structure analysis and embedded programming development.
This design uses STM32F103 microcontroller to combine with other external devices. External devices include SG90 steering gear (180°), 108KHz atomizing disc drive, 5V DC fan, Water Sensor and DHT11 temperature and humidity Sensor modules. IO port of STM32F103 microcontroller is allocated reasonably, and intelligent control and algorithm processing are effectively used to realize intelligent humidification system. Committed to perfect or replace the current stage of the traditional humidifier.
 
Keywords：MCU；Humidifier；Intelligent；Wireless communication

前 言

当下，全球迎来数字化转型的大发展、大变革时期，新一代信息技术加速引领技术应用突破，带来了产业形态、组织管理、社会治理等方面的重大变革，物联网等新一代技术的发展为数字经济发展带来新动力和新机遇[1]。物联网作为新时代高新技术的重要代表[2]，具有创新性强、先导性突出、成长性好等巨大优势，已经成为促进经济社会可持续发展的重要增长点[3]。
物联网背景旗下的智能家居是物联网现阶段的一个关键组成部分。智能家居是指通过家庭总线把家庭内的各种信息传输设备、家居用电器、家居安防设备全部接入到网络当中，对家居状态进行远程的监控和管理，并使家居中的设施与住宅环境保持协调，提供工作、学习、休闲等服务项目，构造出多功能、智能化的家居环境。家居智能化强调以人为本，把人和居住环境的协调放在首位，从多方面方便居住者的生活环境，全面提高居住者生活的质量[4]，
智能加湿器是体现智能家居兴起的一种方式，是一种科技创新，以传统加湿器为基础而设计的智能化系统，具有安全、可靠、自动控制、数据可视化、节能等特点。可以完全替代传统加湿器，构建一个更舒适，更健康，更环保，更节能，更智慧、更安全的智能科技方式。














1 系统概述
1.1 选题依据
物联网是现阶段科技发展的一种新兴产业，新一代信息技术重要组成部分，物联网的市场发展前景较大、市场依赖性较强、用户需求较多、目前就业前景较好、较热门的信息技术行业。
物联网背景旗下的智能家居解决方案可以对室内、室外不同的场景实现实时数据监测、数据处理、电器管理以及电器控制，以智能化、数据可视化、安全为目标，替代传统家居，实现一种全新的智能科技方式。

1.2 选题目的
智能家居旗下的智能加湿系统是在传统家居的加湿器上进行延升而实现。利用STM32F103微控制器为基础结合智能控制技术，以智能控制为目的实现的，致力于解决室内湿度过高、低、传统加湿器只能局部加湿，不能全局加湿、数据不能可视化、人为控制、加湿器干烧等一系列问题。

1.3 选题意义
推进国内物联网建设政策，深化物联网的探索与研究，完善智能家居的重要指标，对国家基础建设和发展具有重要价值。同时结合电子信息工程、计算机应用技术学科的相关理论，从新的角度研究，为IT行业的发展提供理论基础，为IT行业进一步提供一定的参考价值。

1.4 国内外研究现状
物联网旗下的智能家居是现今国际上备受关注的，由多门学科高度集中的新兴前沿研究热点领域。智能家居网络是融合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和巨大实用价值，已经引起了世界许多国家军界、学术界和工业界的高度重视，并成为进入2000年以来公认的新兴前沿热点研究领域，被认为是将对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一。[5]

1.5 主要研究内容
此毕业设计主要硬件研究对象为电子产品的外观设计，电路布局设计，以及单片机的功耗问题。锂电池充电放电的电路设计、继电器的原理、舵机的应用、HDT11温湿度传感器的采集、光敏电阻的模数转换、有源蜂鸣器的应用、发光二极管的应用、Water Sensor水位传感器的原理、人体红外传感器的采集、直流风扇的研究以及数字集成电路原理与应用。
此毕业设计主要软件研究对象为STM32作为嵌入式编程，选择STM32F103型（72MHz×1.25MIPS）作为主控芯片是因为此微控制器具有32个自定义管脚，性能是DSP的66%、多串口、多ADC、定时器多、CAP、SPI、I2C、PWM、芯片面积小、功耗低、价格低、不占用空间等特点，更适合做智能家居的小产品。

1.6 论文组织结构
本文主要从以下6个部分进行简述：
第一部分：主要叙述该系统的选题依据和目的以及意义。根据国内外研究现状分析该系统是否可行，是否能实现，以及设计思路。
第二部分：主要对该系统设计进行该系统的需求分析和系统性能情况以及运行的开发软件环境和开发硬件性能需求以及硬件型号需求。
第三部分：主要介绍该系统的总体框架，通过Visio制图方式对该系统结构进行构思以及叙述该系统的全部功能模块和各个功能模块的工作流程以及数据之间的交互。
第四部分：主要通过查阅该系统的相关的单片机微控制器和串口通信技术资料，结合自身所学知识，数据分析与实验操作，设计该系统需要用到的技术方案等，来进行叙述。
第五部分：主要描述该系统装置的硬件部分，包含PCB制图、总电路设计、通信电路设计，时钟树配置和引脚配置，有根据性、目的性的运用32个IO口引脚巧妙合理的结合该系统需要的功能模块进行分析配置。
第六部分：一方面描述该系统的系统设计内容与该系统装置使用说明和源代码分析实现。另一方面主要具体描述系统屏幕的两个界面、事件逻辑判断、数据指令、通信交互等应用层模块的介绍。




2 系统分析
2.1 总体需求分析
目前在加湿器的领域上，传统的加湿器仅支持室内局部加湿，不能进行室内全局加湿，不仅数据不能可视化而且功能单一，市场上大部分加湿器仍在使用传统人为控制。普通加湿器在使用不规范时还会产生漏电危害，起雾片干烧导致驱动电路不稳定，从而引发的火灾等一系列问题。如何能够有效解决上述问题？
在围绕国家全面推进物联网建设政策上，智能家居旗下智能加湿系统是在传统家居的加湿器上进行延升而实现的。利用单片机控制技术为基础，结合自动控制技术为一体，以智能控制为目标，致力于解决室内湿度过高，过低，水位不足干烧以及控制加湿器的安全等一系列问题。
根据实际的需求，智能加湿系统装置应具有实时室内温度、湿度、光照强度，蓄水容器的水位高度等传感器以及起雾装置、水雾扩散装置、舵机、红蓝雾状灯、LED指示灯、照明灯、蜂鸣器、按键、可蓄直流电源等执行装置。
智能方面应具有一定的数据算法，通过数据算法与自动控制结合，能够对加湿器装置进行智能控制，安全、可靠、且智能的使用。

2.2 性能需求
该系统在功能模块上应达到如下需求：
智能加湿系统装置方面应具有加湿功能，应运用风扇作为作为水雾扩散器，且可以180°进行扩散（摇头）。另外该系统装置需具有通信功能，可以使用该系统装置上的按键进行加湿的开启和关闭，同时可以设置湿度阈值。装置的OLED屏幕上可以显示当前的水位值、温度值、湿度值、光照值、报警信息等数据。智能方面应可以根据用户在该装置上的按键设置的阈值进行判断，实现智能操作。例如，用户设置37%RH湿度，该装置通过湿度传感器获取当前环境湿度未到达设置的湿度阈值，且蓄水池内有水的情况下，就会自动打开智能加湿器进行加湿，等待智能加湿器加湿到37%RH湿度时，会自动关闭智能加湿器，实现智能控制效果。
该系统在性能功能上应达到如下需求：
智能加湿系统装置方面应操作简单，电路布局合理并简洁，起雾装置与水雾扩散装置应耐用，电池蓄电能力高、复用性强，可用常见的充电器进行充电；OLED屏幕方面界面应布局整洁、易用、数据安全等，能够有效实时获取室内温湿度、光照强度，湿度高度，且能够及时上报、信息推送、智能控制等功能。
该系统主控单片机功能应达到如下需求：
单片机是整个智能加湿系统的控制中枢，它控制每个子功能模块协调工作，进而完成整个智能加湿系统的所有功能。本智能加湿系统选用价格低廉且性能可靠的STM32F103单片机，它属于STM32F系改进增强型单片机，集成了向上或向下计数器和时钟输出等更多功能。STM32的另一个特点是可以工作于低功耗模式，可选择空闲模式和掉电模式。在掉电模式下，时钟停止，RAM数据不丢失，同时其他功能都停止；空闲模式下，虽然CPU停止工作，但RAM、串行口、定时器和中断系统仍能正常工作。STM32F103的这些特点成为了 众多嵌入式控制应用系统首选的单片机[6]。

2.3 运行环境
2.3.1硬件设备
开发PC机：具有 Pentium III 处理器以上且满足以下要求的计算机：最低 64 MB 内存，最小 2.1 GB 硬盘。
主控单片机：具有STM32F103处理器以上且满足以下要求的单片机：ARM 32位的Cortex-M3，最高72MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1），单周期乘法和硬件除法，最小 64K 硬盘，集成定时器Timer，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART等多种外设功能[7]。
程序仿真器：ST-LINK/V2 - ST-LINK/V2。
外部设备：12*12*MM微动开关，5.8*6.8MM自锁开关，2路5V继电器，5V直流风扇，直流红蓝雾状灯，RD-624人体红外传感器，5506光敏电阻，DHT11温湿度传感器，Water Sensor水位传感器，128*64蓝色OLED屏幕，3.3V有源蜂鸣器，发光二极管，SG90型舵机(180°)、108KHz雾化片驱动。
2.3.2程序开发
操作系统：Windows 98/NT/2000/XP或更高版本
电路设计：Altium Designer 9或更高版本
电路模拟仿真软件：CZ_OpenSpice
数据分析：串口调试助手
算法测试：Dev-C++
芯片设计：STM32CubeMX
STM32F103程序设计：Keil uVision5
取字模软件：PCtoLCD2002
程序底层驱动生成：STC-ISP




3 系统总体框架
3.1 模型结构
系统的模型结构如图3.1所示:

图3.1智能加湿的模型结构图示

该系统结构分为三个逻辑层:
系统配置层：系统配置层主要根据功能需求对单片机的各个引脚IO口进行定义、单片机内、外部时钟、ADC模数转换、IIC、SPI、外部中断、串口等配置。这一层是用STM32CubeMX软件始化代码生成器来进行实现的，大大缩短了开发时间。
业务逻辑层：业务逻辑层包含系统功能的命令规则和逻辑的实现，如温度、湿度采集、水位采集、光照采集、IO口输出、输入、信号解析、逻辑判断、中断处理、事件处理等工作任务。逻辑较为复杂时，只靠单片机内部的轮询方式远远不够，可以进行开启多个外部中断或多个定时器中断以及STM32F103内部的滴答定时器等功能同时处理多个功能模块。
数据通信协议层：数据通信协议层为业务逻辑层提供指令，这一层是运用串口通信和OLED屏幕通信作为解决方案文件实现显示任务。STM32F103作为主控单片机，主控单片机实时获取数据后通过串口发送给OLED屏幕。





3.2 功能模块简介
图3.2 系统的模型结构图示：

图3.2智能加湿系统的模型结构图示
工作流程为：
打开该系统装置电源开关，STM32F103主控单片机会自动进行系统初始化，各个IO口的输入和输出、SPI、ADC模数转换、PWM脉宽输出、串口通信、外部中断、滴答定时器、T1定时器等功能进行初始化。STM32F103单片机主控单片机初始化完毕后，ULED通信指示灯进行200MS周期闪烁，同时与OLED屏幕模块串口对接，进行屏幕初始化，屏幕轮询显示STM32F103主控单片机的系统初始化滚动界面。
整个系统初始化完毕后，STM32F103主控单片机创建任务事件，首先通过DHT11温湿度复合数字传感器为实时数据采集单元，将采集数据与24C02A为存储器模块设定存储的阈值进行比较，控制单元对比较结果进行分析处理，同时对水位传感器和光照传感器以及人体红外传感器进行实时采集室内环境数据，且与设定存储的阈值进行比较，进行事件消息提醒，显示在屏幕上，并开启相应的指示灯作为提醒作用。采集数据的同时以500MS为周期，通过串口把数据发送给OLED屏幕模块，OLED屏幕模块通过串口接收到数据后，通过OLED屏幕驱动芯片进行屏幕显示。
与此同时，用户也可以直接使用该系统装置上的微动开关按键进行设置，设定室内温度、湿度、光照、水位完毕后，该系统装置的主控单片机数据与OLED屏信息同步，自动开启逻辑判断功能、智能事件处理。例如，当前室内湿度是否到达设定的湿度阈值，若未达到，且蓄水池达到水位阈值，加湿器开启，进行加湿。若已达到设定值湿度阈值，系统则自动进入待机模式。
4 技术介绍
4.1 STM32与单片机简介
单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统[8]。
单片机主要目前应用在常见的电子产品，例如LED滚动屏、无线开关、数据记录,自动洗衣机、冰箱、电磁炉。作为一个把微处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成在一块芯片上形成的单片系统的单片机。当单片机与传感器两者结合后，就可以设计出大量的、实用的系统。
单片机开发其实就是把一个计算机系统嵌入到一个非电子产品，从而变成了电子产品，而这个变化的过程主要使用的嵌入式技术。

4.2温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点[9]。

4.3 CAN外围收发电路
TJA1050是CAN控制器和物理总线之间的接口，是一种标准的高速CAN收发器。输入级可与STM32的3.3V输出电压兼容，可以至少连接110个节点。本系统的CAN外围电路如图3所示，其中在芯片的S端口设置切换开关，用来选择正常/静默模式，发送接收端口直接与STM32的CAN控制器映射端口相连[10]。

4.5.2 通信流程
首先，要在FRAM里划分好各个区域，各个单片机的参数区、数据接收区等。然后单片机可以向另一个单片机发送数据包，发送完毕之后通过向握手线B发送1个脉冲通知对方取走数据；接收方读取数据并进行处理后，向FRAM内发送方的数据接收区写入回传数据或通信失败标志，再向握手线B发送1个脉冲回应发送方[11]。



4.4 OLED屏幕
OLED显示原理与LCD有着本质上的区别，主要是通过电场驱动，有机半导体材料和发光材料通过过载流子注入和复合后实现发光。从本质上来说，就是通过ITO玻璃透明电极作为器件阳极，金属电极作为阴极，通过电源驱动，将电子从阴极传输到电子传输层，空穴从阳极注入到空穴传输层，之后分迁移到发光层，二者相遇后产生激子，让发光分子激发，经过辐射后产生光源。简单来说，一块OLED屏幕，就是由百千万个“小灯泡”组成[12]。 
4.5 串口通信简介
4.5.1 通信协议
一个可靠通信体系，除了好的硬件电路外，通信协议也至关重要。在单片机系统RAM资源与执行速度都非常有限的情况下，一个简捷有效的协议是非常重要的。下面具体介绍一种比较适用于单片机通信的协议，数据以包的形式传送。数据包结构[13]：
①包头——指示数据包的开始，有利于包完整性检测，有时可省略；
②地址——数据包要传送的目标地址，若只有双机通信或硬件区分地址可以省略；
③包长度——指示整个数据包的长度；
④命令——指示本数据包的作用；
⑤参数——需要传送的数据与参数；
⑥校验——验证数据包的正确性，可以是和校验、异或校验、CRC校验等或者是它们的组合；
⑦包尾——指示数据包的结尾，有利于包完整性检测，有时可省略。
5 系统详细设计
5.1 基于STM32智能加湿系统总体电路原理图
此系统装置硬件部分采用STM32F103最小系统板与OLED屏幕驱动模块进行组合。采用2000mA可蓄5V电池供电，两者通过3,3V降压芯片进行降压处理，同时共VCC和GND，并配备两个10PIN口的接线端子共给两块单片机作为源代码的下载入口，以及两个MX232芯片作电平转换，作为两个单片机的串口通信向PC端发送数据，便于数据分析与调试[15]。
为了此系统装置的电路简洁，LED指示灯、微动按键开关采用共阴接线方案，此方案可以避免电流灌流、回吸等问题。每个功能模块在接入STM32F103最小系统板时，都合理的搭配电容、电阻、点解等元器件，如LED指示灯、蜂鸣器等执行器搭配下拉电阻；微动按键开关、信号输入模块搭配上拉电阻；水位、温湿度、湿度、光照、人体等传感器将根据不同的应用效果，搭配上拉或下拉电阻。目的是消除人为对系统装置的抖动、减小数据误差、提高系统装置稳定性。
智能加湿系统总体电路原理图如图5.1 所示:

图5.1智能加湿系统总体电路原理图图示


5.2 串口通信电路
此系统两块单片机相隔距离近，属于近距离串口通信，所以无需MX232芯片进行电平转换，共VCC和GND即可。STM32F103与OLED屏幕若要和PC开发机进行串口通信则需要使用MX232芯片进行电平转换，且必须通过TTL仿真器转换成USB与PC通信。
STM32F103与OLED屏幕串口通信电路如图4.2所示:

图5.2 STM32F103与OLED屏幕串口通信电路图示

5.3 时钟树配置
此系统运用STM32CubeMX进行引脚定义和外设功能配置，最高时钟频率设为72MHz，分频为8位频，ADC采集频率为12M。运用了IIC、SPI、串口等通信协议，2个ADC采集和6个输入、15个输出引脚、2个定时器[16]。
ADC：用于模数转换光照强度和水位值。
IIC：使用串行总线通信协议读取DHT11温湿度传感器的采样值。
SPI：作用于OLED屏幕的数据交互和显示。
串口：用于两块单片机的串口通信以及PC开发机的数据分析。
输入IO口：用于人体红外传感器和微动开关按键输入功能（低电平为有人和按键按下，高电平为无人和按键抬起）。
输出IO口：用于LED灯、继电器、蜂鸣器的输出。
定时器：定时器设置为PWM输出功能，对舵机进行占空比调速和输出电压等操作。
STM32F103时钟树配置如图5.3所示:


图5.3 STM32F103时钟树配置图示


5.4 管脚配置
此系统