智能家居傳感網絡控制器的畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 成，單脈沖模式輸出。如下事件發生時產生中斷：更新，計數器向上溢出/向下溢出，計數器初始化。觸發事件(計數器停止、啟動、初始化或由內部/外部觸發計數)。可編程通用定時器的主要部分是一個16位計數器和相關的自動裝載寄存器。這個計數器可以向上、向下或者向上向下雙向計數。內部計數的時鐘由分頻器分頻得到。計數器、自動裝載寄存器和預分頻器可以由軟件讀寫。時基單元包括： 計數寄存器、預分頻寄存器、自動載寄存器。自動轉載寄存器是預先裝載的，寫或讀自動重裝載寄存器將訪問預裝載寄存器。根據在控制寄存器1中斷自動裝載預裝載使能位的設置，預裝載寄存器的內容被立即或在每次的更新事件時傳送到影子寄存器。當計數器達到溢出條件并當控制寄存器1中的UDIS位等于0時產生更新事件。預分頻器可以將計數器的時鐘頻率按1到65536之間任意值分頻。它是一個16位寄存器控制的16位的計數器。這個控制寄存器帶有緩沖器，它可以在工作時被修改，新的分頻器參數在下一次更新事件到來時被采用。在向上計數模式中，計數器從0計數到自動加載值，然后從0開始計數并且產生一個計數器溢出事件。在向下模式中，計數器從自動裝入的值開始向下計數到0，然后從自動裝入的值開始重新開始并且產生一個向下溢出事件。在中央對齊模式，計數器從0開始計數到自動加載的值1，產生一個計數器溢出事件，然后向下計數到1并且產生一個計數器下溢事件，然后再從0開始重新計數,計數器的時鐘可以由內部時鐘提供或者由外部引腳輸入[13]。 本章小結本章對整個智能家居系統的功能和總體結構做了一個就具體的表述，其中功能是實現家庭照明系統的控制以及對家居內部一氧化碳的監測。總體構架包括用戶管理系統、控制系統、傳感器模塊的無線網絡。詳細介紹了控制系統所用的嵌入式微處理器芯片STM32，包括STM32的內核介紹、中斷管理、系統的滴答定時器、電源控制、時鐘、通用和復用功能IO、中斷和事件、模擬/數字轉換(ADC)、定時器。第3章 智能家居系統硬件電路設計第3章 智能家居系統硬件電路的設計本章主要介紹了智能家居系統的硬件電路的設計，其中控制芯片電路的設計包括啟動模式選擇電路、復位電路、CPU時鐘電路和RTC時鐘電路、濾波電路。其他各個模塊包括穩壓電源電路的設計、MQ7一氧化碳傳感器電路的設計、繼電器控制電燈電路的設計、WiFi模塊電路的設計、單片機與PC機通信電路的設計。圖31 智能家居系統硬件電路的總體設計 控制芯片電路的設計 上一章詳細介紹了控制系統所用的嵌入式微處理器芯片STM32，本文的控制電路所用的是STM32F103系列的芯片，該芯片是STM32F103VET6，屬于中低端的32位ARM微控制器。 (1) STM32F103VET6最小系統的電路設計圖32主要是控制芯片對模塊的引腳的分配，包括按鍵、LED發光二極管、LCD1602顯示屏、繼電器模塊、一氧化碳傳感器模塊、WiFi模塊、jlink下載電路、串口通信電路、啟動模式選擇電路、復位電路和電源濾波電路等的引腳分配。圖32 STM32F103VET6(2) 啟動模式選擇電路STM32F103微控制器不僅可以從Flash存儲器或系統存儲器啟動，還可以從內置SRAM啟動。相應的啟動模式可通過BOOT[1:0]引腳選擇3種不同的啟動模式。表31 3種不同的啟動模式啟動模式選擇引腳啟動模式BOOT1BOOT0X0主閃存存儲器01系統存儲器11內置SRAM圖33 啟動模式的選擇電路 (3) 復位電路單片機復位電路的作用是使單片機有效復位，此款單片機的復位方式是低電平復位，此復位電路可以實現掉電復位和按鍵復位。當按鍵開關按下時單片機RESET引腳直接接到GND，實現低電平按鍵復位。圖34 復位電路 (4) CPU時鐘電路和RTC時鐘電路圖35 CPU時鐘電路和RTC時鐘電路晶振一般叫做晶體諧振器，是一種機電器件，晶振是石英振蕩器的簡稱，英文名為Crystal是用電損耗很小的石英晶體經精密切割磨削并鍍上電極焊上引線做成。晶振的作用是給單片機正常工作提供穩定的時鐘信號。任何實時時鐘的核心都是晶振，晶振頻率為32768 Hz 。它為分頻計數器提供精確的與低功耗的實基信號。它可以用于產生秒、分、時、日等信息。為了確保時鐘長期的準確性，晶振必須正常工作，不能夠收到干擾。1 RTC時間是以振蕩頻率來計算的。故它不是一個時間器而是一個計數器。而一般的計數器都是16位的。又因為時間的準確性很重要，故震蕩次數越低，時間的準確性越低。所以必定是個高次數。215 = 32768 。2 32768 Hz = 215 即分頻15次后為1Hz，周期 = 1s。3 經過工程師的經驗總結32768 Hz，時鐘最準確。(5) 濾波電路圖36 濾波電路在單片機的DVDD與GND上加上兩個濾波電容，這樣做的原因是為了最大限度減少電源對單片機的干擾。通常情況濾波電容都是一個瓷片電容和一個電解質電容，瓷片電容是過濾低頻雜波，電解質電容是過濾高頻雜波。 穩壓電源設計 5V穩壓芯片7805簡介 穩壓芯片分為兩種類型，一種為線性穩壓，其優點是穩壓后的電源諧波少，價格低廉；缺點是壓差大，散熱大，能源利用率低。另一種為開關電源，其優點為壓差小，損耗小；缺點為穩壓后的諧波比較多，容易產生噪聲。電子產品中，常見的三端穩壓集成電路有正電壓輸出的78xx系列和負電壓輸出的79xx系列。顧名思義，三端IC是指這種穩壓用的集成電路，只有三個引腳分別是輸入端、接地端、和輸出端。用78系列三端穩壓IC來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩壓IC型號中的78后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如7805表示輸出電壓為正5V，7806表示輸出電壓為正6V，7809表示輸出電壓為正9V，7812表示輸出電壓為正12V。79系列的是負電壓的輸出，命名形式和78系列的一樣。由于內部電流的限制，以及過熱保護和安全工作區的保護，它基本上不會損壞。如果能夠提供足夠的散熱片。綜合穩定性的考慮。 LM7805特性 ，輸出電壓為5V。有熱過載保護和短路保護功能，輸出晶體管安全工作區保護，工作溫度 0—+125℃，貯存的溫度 65—+150℃。 LM7805典型應用電路(1) 引腳為電壓的輸入引腳，電壓的極限輸入值為35V，輸入和輸出的電壓差為2V，短路電流為230mA，[14]。(2) 引腳為接地引腳。(3) 引腳為電壓的輸出端口，典型的電壓輸出值為5V，，℃。圖37 7805典型應用電路 LM1117簡介LM1117是一個低壓差電壓調節器系列。它與國家半導體工業標準器件LM317有相同的管腳排列。LM1117有可調電壓版本，—。另外還有5個固定電壓輸出(、 )的型號。LM1117提供電流限制和熱保護。電路包含一個齊納調節的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在正負百分之一以內。LM1117系列有LLP、TO26SOT22TO220和TO252 DPAK封裝。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態響應和穩定性[15]。 LM1117特性 ，節省空間的SOT223和LLP封裝，電流限制和熱保護功能，輸出電流可達800mA，溫度范圍：0℃125℃。 LM1117典型應用電路 圖38 LM1117典型應用電路(1) 引腳是電壓的輸入引腳，輸入電壓的極限值為20V，工作電壓是15V。(2) 接地引腳。 (3) 3引腳是電壓的輸出引腳，。這些參數均是在溫度為25攝氏度的條件測得。 圖39 一氧化碳傳感器電路MQ7氣體傳感器所使用的氣敏材料是清潔空氣中電導率較低的二氧化錫()。采用高低溫循環檢測方式低溫()檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫()清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化，轉換為該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。特點為：(1) 對一氧化碳氣體有良好的靈敏度。(2) 長壽命、低成本。(3) 簡單的驅動電路即可。器件左右兩邊都是對稱的，沒有其他標注說明16個引腳的位置。因為上下都可以用，內部就是個電阻，不分正負。上面三個接電壓，下面中間接地，另兩個就是輸出；反過來也行，把下面三個接VCC，上面中間接地。 WiFi模塊電路的設計ESP8266是一個完整且自成體系的WiFi網絡解決方案，能夠獨立運行，也可以作為slave搭載于其他Host運行。ESP8266在搭載應用并作為設備中唯一的應用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內置的高速緩沖儲存器有利于提高系統性能，并減少內村需求。ESP8266強大的片上處理和儲存能力，使其可通過GPIO口集成傳感器及其他應用的特定設備，實現了最低前期的開發和運行中最少地占用系統資源。（1） STM32F103VET6與ESP8266引腳連接表表32 STM32F103VET6與ESP8266引腳連接表ESP8266VCCGNDURXDUTXDCH_PDRSTSTM323V3GNDPA2/USART2_TXPA3/USART2_RXPA4PA1（2） ESP8266模塊引腳圖圖310 ESP8266模塊引腳圖（3） ESP8266常用AT指令表33測試引腳接線表WFESP8266模塊 STM32開發板 VCC 3V3 GND GND CH_PD 3V3 UTXD RXD URXD TXD A、基礎指令表34基礎指令命令 描述 AT 測試AT啟動 AT+RST 重啟模塊 AT+GMR 查看版本信息 B、功能指令表35 WIFI功能AT指令命令 描述 AT+CWMODE 選擇WIFI應用模式 AT+CWJAP 加入AP AT+CWLAP 列出當前可用AP AT+CWQAP 退出與AP的連接 AT+ CWSAP 設置AP模式下的參數 AT+ CWLIF 查看已接入設備的IP C、TCP/IP 工具箱 AT 指令表36 TCP/IP 工具箱 AT 指令命令說明AT+ CIPSTATUS 獲得連接狀態 AT+CIPSTART 建立 TCP 連接或注冊 UDP 端口號 AT+CIPSEND 發送數據 AT+CIPCLOSE 關閉 TCP 或 UDP AT+CIFSR 獲取本地 IP 地址 AT+CIPSERVER配置為服務器AT+CIPMODE設置模塊傳輸模式AT+CIPSTO設置服務器超時時間 單片機與PC機通信電路圖310 串口通信電路單片機通信使用的電平為CMOS電平即高電平1為3V～18V，低電平0為0V而與計算機通信時的電平為232電平即高電平1為3V～25V,低電平0為3V～25V。故單片機與計算機通信時需要將CMOS電平轉化成232電平。電路原理圖中的C1C1C17均為參考芯片手冊建議電路加入的濾波電容。LED2為信號指示燈，RRRR11為限流電阻。CP2102芯片其集成度高，、USB收發器、晶體振蕩器、EEPROM及異步串行數據總線（UART），支持調制解調器全功能信號，無需任何外部的USB器件。CP2102與其他USBUART轉接電路的工作原理類似，通過驅動程序將PC的USB口虛擬成COM口以達到擴展的目的。特性：(1) 內含USB收發器，無需外界電路器。(2) 內含時鐘電路，無需外接電路器。(3) 內含上電復位電路。(4) 。(5) 。(6) SUSPEND引腳支持USB狀態掛起。(7) 異步串行數據總線兼容所有握手和調制調節器接口信號。(8) 支持的數據格式為數據位停止位2和校驗位。(9) 內涵512字節接收緩沖器和512字節發送緩沖器。(10) 支持硬件或者XON/XOFF 握手。 本章小結本章是本論文的重點章節，是硬件部分的設計原理。主要介紹了控制芯片電路的設計其中包括啟動模式選擇電路、復位電路、CPU時鐘電路和RTC時鐘電路、濾波電路，還有穩壓電源電路的設計、一氧化碳傳感器電路的設計、WiFi模塊電路的設計、單片機與PC機通信電路的設計。第4章 智能家居系統程序的設計第4章 智能家居系統程序的設計 程序語言的選擇本系統涉及的計算、處理工作很多。匯編語言編譯效率高，但計算能力不強，較大規模的復雜程序設計困難，且開發周期長，可讀性及維護性都比較差。系統軟件編程語言采用C語言，C語言是一種結構化程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具有匯編語言的功能。C語言庫函數豐富，運算速度快，具有良好的可移植性，而且可以實現直接對系統硬件的控制。目前的C語言編譯器編譯效率很高，軟件采用模塊化程序設計，利于程序的調試和維護，C語言在這些方面具有得天獨厚的優點，因此選用C語言。 軟件開發環境及程序實現對STM32軟件開發軟件用的是目前比較主流的開發工具RVMDK，RVMDK源自德國KEIL公司，是RealView MDK的簡稱，是目前ARM內核單片機開發的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器在內的完整的開發方案，通過一個集成開發環境(μVision)將這些功能組合在一起，界面友好、易學易用。點擊菜單“Project”，選擇“New μVision