【正文】 基于STM32的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒 論 1 選題背景 1 課題意義 1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 1 指導(dǎo)思想 2第2章 開發(fā)工具與MCU簡(jiǎn)介 3 STM32F10XX 3 KEIL MDK 5第3章 總體分析與設(shè)計(jì) 7 方案分析 7 整體系統(tǒng)方案分析 7 數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì) 8 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案分析 8 顯示方案分析 10 功能設(shè)計(jì) 10第4章 詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 界面設(shè)計(jì) 12 原理圖設(shè)計(jì) 13 數(shù)據(jù)采集模塊 14 溫濕度傳感器模塊 15 煙霧傳感模塊 16 液晶顯示電路設(shè)計(jì) 17 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 19 時(shí)鐘模塊 20 業(yè)務(wù)處理模塊設(shè)計(jì) 22 界面顯示任務(wù) 22 AD采樣及數(shù)據(jù)處理 23 煙霧傳感器 28 溫濕度傳感器 30 燈光控制與光照檢測(cè) 32第5章 結(jié)果分析 36 硬件設(shè)計(jì)的結(jié)果分析 36 溫濕度模塊的分析 36 光照模塊的分析 36 煙霧檢測(cè) 37 硬件綜合測(cè)試 37 軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果分析 38結(jié) 論 39致 謝 40參考文獻(xiàn) 41附 錄 422 第1章 緒 論 選題背景進(jìn)入21世紀(jì)，人們的生活節(jié)奏越來(lái)越快，生活壓力也越來(lái)越大，家成為人們最溫馨的地方，人們對(duì)待自己最溫暖舒適的家庭環(huán)境要求也隨之在不斷提高，如今的人們?cè)绨送砦宓墓ぷ?，上?jí)的壓力，父母長(zhǎng)輩的壓力，同事之間盲目的攀比等等，早已經(jīng)將當(dāng)代人壓的喘難以呼吸，人們似乎已經(jīng)注意到了家是自己的避風(fēng)港，家居生活得到了人們的廣泛關(guān)注，如今電子行業(yè)的發(fā)展速度飛漲，智能產(chǎn)品橫飛，先進(jìn)的科技與人們想要的智能家居生活擦出了美麗的火花智能家居，時(shí)光荏苒，轉(zhuǎn)眼間，智能家居從出現(xiàn)到現(xiàn)如今經(jīng)歷了幾十年的漫長(zhǎng)發(fā)展逐步走向成熟，安全，智能，方便的家居生活得到了廣大普通百姓的認(rèn)可，從企業(yè)到個(gè)人都無(wú)時(shí)無(wú)刻與它發(fā)生著親密關(guān)系，人們已經(jīng)清楚的看到，智能家居的發(fā)展已成必然，他的騰飛亦不可阻擋。 課題意義眾所周知智能家居應(yīng)經(jīng)嶄露頭角，近幾年一直以良好高速的發(fā)展態(tài)勢(shì)在前進(jìn)，智能家居市場(chǎng)上也開始出現(xiàn)了很多新穎的設(shè)備來(lái)滿足人們的生活需要，但從總體的狀況來(lái)分析總結(jié)，仍有不盡善盡美的地方，最主要兩點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和權(quán)威產(chǎn)品的缺乏。伴隨著科技的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的財(cái)富變多的同時(shí)，對(duì)自己的生活環(huán)境的要求水平也的隨著變高，智能家居也越發(fā)變的受人青睞。家居智能化控制的開發(fā)和研究是未來(lái)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能家居控制器可以為系統(tǒng)提供更智能更人性化生活模式，使住戶的生活更加便捷，更高效，更能為家庭的日?；顒?dòng)，為快節(jié)奏的都是生活減小人們的壓力，同時(shí)提供巨大方便。而且在現(xiàn)在這個(gè)重視健康環(huán)保的世界里，智能的為住戶提供檢測(cè)好空氣的溫度，濕度等檢查空氣成分讓住戶安心，放心可以滿足人們的個(gè)性化需求。同時(shí)，智能家居控制器可以根據(jù)住戶的要求調(diào)整方案，緊急事故處理，危機(jī)救護(hù)等急救控制，充分滿足用戶的需要。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況智能家居在國(guó)內(nèi)早已經(jīng)不是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，處于一個(gè)導(dǎo)入期與成長(zhǎng)期的臨界點(diǎn)，大眾市場(chǎng)的消費(fèi)觀念還未完全形成，但隨著智能家居市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者推廣的進(jìn)一步實(shí)施，引導(dǎo)消費(fèi)者的消費(fèi)方向和新產(chǎn)品的使用等措施的應(yīng)用，智能家居市場(chǎng)的的活躍只是時(shí)間的問(wèn)題。如今智能家居至今在中國(guó)已經(jīng)歷了近13年的發(fā)展，從人們剛開始的夢(mèng)想，到今天真真正正的走進(jìn)我們的生活，經(jīng)歷了一個(gè)反復(fù)曲折路。在1994年1999，渡過(guò)智能家居的第一階段萌芽期/智能小區(qū)期，在2000年2005年期間，迎來(lái)了自己的第二階段——開創(chuàng)期，在2006年，經(jīng)過(guò)了5年的發(fā)展，智能家居正式進(jìn)入第三階段徘徊期，現(xiàn)如今，我們正在經(jīng)歷他的第四個(gè)階段融合演變期，自進(jìn)入2011年以后，產(chǎn)品需求市場(chǎng)明顯增長(zhǎng)，現(xiàn)階段房產(chǎn)行業(yè)不好，智能家居的進(jìn)入能否再添新動(dòng)力受到大家的關(guān)注。智能家居的產(chǎn)品需求量增長(zhǎng)說(shuō)明智能家居行業(yè)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)間段，接下來(lái)的幾年的時(shí)間里，智能家居一方面進(jìn)入一個(gè)相對(duì)快速的發(fā)展階段，另一方面協(xié)議與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也開始慢慢走向統(tǒng)一，為標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)提供軟條件的準(zhǔn)備。而良好的勢(shì)頭也吸引了一批商人的加入，開發(fā)人員工資不斷攀高，新的產(chǎn)品層出不窮，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。根據(jù)美國(guó)該行業(yè)權(quán)威公司PARKS的統(tǒng)計(jì)資料顯示：1995年，美國(guó)一個(gè)家庭智能家居方面的花費(fèi)大概在7000至9000美元之間。%，看來(lái)市場(chǎng)真正啟動(dòng)尚需時(shí)日。預(yù)計(jì)這五年內(nèi)，家庭自動(dòng)化的市場(chǎng)年平均增長(zhǎng)率為8%.PARKS公司的資料亦顯示：到2004年，家庭網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)總額可達(dá)57億美元，由此可知，智能家居無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外都有良好的發(fā)展前景，形勢(shì)一片大好。 指導(dǎo)思想 本系統(tǒng)開發(fā)基于C語(yǔ)言。使用Keil4集成開發(fā)環(huán)境，使用現(xiàn)已經(jīng)技術(shù)成熟的器材，以保障系統(tǒng)正常安全使用、質(zhì)量性能好、穩(wěn)定。界面操作簡(jiǎn)單，功能全面，實(shí)用性強(qiáng)，人機(jī)交互友好，無(wú)需復(fù)雜操作就可以使用產(chǎn)品，易學(xué)易用。 第2章 開發(fā)工具與MCU簡(jiǎn)介 STM32F10XXSTM32系列單片機(jī)是為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的，十分適合現(xiàn)在的智能家居研發(fā)，款型多、功能完備，資料豐富，技術(shù)也相對(duì)成熟，下面我們就來(lái)系統(tǒng)的了解一下這款單片機(jī)。按內(nèi)核架構(gòu)分為不同產(chǎn)品。其中STM32F1系列有:STM32F103增強(qiáng)型系列STM32F101基本型系列STM32F10STM32F107互聯(lián)型系列增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率為72MHz，再同品型的單片機(jī)中是性能最好的一款。普通型的時(shí)鐘頻率為36MHz，而如今普通產(chǎn)品的價(jià)格得到性能大幅提升產(chǎn)品，相信是很多用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列產(chǎn)品都內(nèi)置閃存大小是相同的，還是32K到128K，不同的是SRAM的最大容量和外設(shè)接口的這兩部分。當(dāng)時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)候，可以從閃存中直接運(yùn)行程序，速度更快，STM32功耗為36mA，是32位單片機(jī)同類市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品。 圖21 STM32F10XX功能框圖內(nèi)核：32位mcu處理器，頻率為72MHz，采用單周期乘法，不容易受外部設(shè)備電流影響，穩(wěn)定性更好。存儲(chǔ)器：片上集成32512KB的閃存。664KB的只讀存儲(chǔ)器。時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：電源為3V供電。上電復(fù)位、掉電復(fù)位電路完善，自帶可編程的電壓探測(cè)器（現(xiàn)不常應(yīng)用）。晶振為16MHz（頻率可設(shè)置，可滿足不同外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)）。8MHz RC電路。40 kHz的RC振蕩電路（可外接振蕩電路，也可利用自身具有的振蕩電路）。CPU時(shí)鐘具有校準(zhǔn)功能，由的32kHz的晶振單獨(dú)完成。低功耗模式：3種低功耗模式：休眠，停止，待機(jī)模式。調(diào)試模式：串行調(diào)試接口和JTAG接口。DMA：12通道DMA控制器。支持的外設(shè)：定時(shí)器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3個(gè)12位的us級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器：A/D測(cè)量范圍：。雙采樣和保持能力。D/A轉(zhuǎn)換器的種類多，可以適合不同型號(hào)外設(shè)信息采集，非常全面。快速I/O端口：所有的端口都可以鏈接到個(gè)外部中斷。排除模擬量的輸入，所有的端口都可以接受5V以內(nèi)的信號(hào)輸入。定時(shí)器：4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器都配有4個(gè)IC/OC/PWM或者脈沖計(jì)數(shù)器。2個(gè)16位控制定時(shí)器：最多6個(gè)通道可用于PWM輸出除此還有2個(gè)看門狗定時(shí)器，可供多個(gè)外設(shè)同時(shí)工作時(shí)應(yīng)用。Systick定時(shí)器：24位倒計(jì)數(shù)器。2個(gè)16位基本定時(shí)器用于驅(qū)動(dòng)DAC。擁有3個(gè)SPI接口，兩個(gè)和IIS復(fù)用端口。，13個(gè)通信接口，2個(gè)IIC接口，和一個(gè)SDIO接口。相較傳統(tǒng)的嵌入式處理器多一個(gè)嵌入式ARM內(nèi)核，使其兼容性更加強(qiáng)悍，不僅對(duì)編程軟件還是與單片機(jī)相關(guān)的工具都是一次技術(shù)上的統(tǒng)一，與此同時(shí)提高了代碼處理效率，運(yùn)行，調(diào)試更加高效。嵌入式Flash存儲(chǔ)器和RAM存儲(chǔ)器：內(nèi)置512KB的閃存，為數(shù)據(jù)的安全性提供了更好的保障，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)程序也更加方便，只讀存儲(chǔ)器與CPU的時(shí)鐘速度相同，可進(jìn)行高速讀寫操作，更加貼近產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)需要?？勺冹o態(tài)存儲(chǔ)器（FSMC）：STM32的靜態(tài)存儲(chǔ)器擁有4個(gè)片選，且每一種片選模式還有四種模式選擇，控制的更加細(xì)致，精確，多更控制更加方便，不需要再加繁雜的外設(shè)，代碼都是從外部存儲(chǔ)器執(zhí)行，不占用沒(méi)存，節(jié)省空間，提高運(yùn)行速度，外部訪問(wèn)按照36MHz進(jìn)行，速度更高，出錯(cuò)率更低。ARM的中斷：可以處理43個(gè)中斷通道，包含16個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，可以同時(shí)處理多個(gè)外部中斷，對(duì)外設(shè)的處理精確度得到有效提高，更適合處理復(fù)雜多樣的外設(shè)。緊密耦合的NVIC實(shí)現(xiàn)了低的中斷處理延遲，直接向內(nèi)核傳遞中斷入口向量表地址，緊密耦合的NVIC內(nèi)核接口，更加方便允許中斷提前處理，對(duì)后到的更高優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)行處理，自動(dòng)保存處理器狀態(tài)，中斷入口在中斷退出時(shí)自動(dòng)恢復(fù)，不需要指令控制，自動(dòng)化程度更好，減小程序員的工作量。外部中斷/事件控制器（EXTI）：外部中斷/事件控制器由19個(gè)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求檢索組成。每條線都是經(jīng)過(guò)獨(dú)特配置用于選擇觸 發(fā)事件（模式：上升沿，下降沿，或者兩者都可以），可以同時(shí)屏蔽多個(gè)，也可以只屏蔽一個(gè)，更有利于對(duì)外設(shè)的控制。有一個(gè)掛起寄存器用來(lái)檢測(cè)中斷請(qǐng)求。當(dāng)外部線上出現(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘周期的脈沖時(shí)，EXTI便馬上能檢測(cè)到是由外部的信號(hào)在申請(qǐng)中斷。時(shí)鐘和啟動(dòng)：系統(tǒng)的時(shí)鐘在系統(tǒng)在工作前，先需要時(shí)鐘的設(shè)定，一種是利用內(nèi)部8MHz的晶振作為CPU時(shí)鐘源。另外可以選擇一個(gè)外部的416MHz時(shí)鐘源，STM32在時(shí)鐘的檢測(cè)十分嚴(yán)格，會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)與控制器被禁止那么軟件中斷管理也會(huì)跟著被禁止。還可以在PLL時(shí)鐘的中斷管理設(shè)定時(shí)鐘。多個(gè)預(yù)比較器可以用來(lái)配置AHB頻率，包括高速APB2和低速APB1，高速APB最高的頻率為72MHz，低速APB最高的頻率為36MHz。Boot模式：Boot引腳有3種Boot模式選項(xiàng)可供選擇：從Flash進(jìn)入，從系統(tǒng)存儲(chǔ)器導(dǎo)入，從SRAM進(jìn)入。Boot導(dǎo)入代碼存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器，用于通過(guò)USART1對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程。電源供電方案：，外部電源通過(guò)VDD引腳連接，用于I/O和內(nèi)部調(diào)壓器。，外部模擬電壓用于ADC，復(fù)位模塊，RC和PLL，在VDD范圍之內(nèi)，VSSA和VDDA必須相應(yīng)連接到VSS和VDD才可以。，當(dāng)VDD無(wú)效時(shí)為RTC，晶振和備份寄存器也可以為其提供電源，保證正常工作不受到影響。 KEIL MDKKeil MDK 的應(yīng)用十分廣泛，因其功能全面性能佳，界面簡(jiǎn)介友好，從其問(wèn)世就迅速被廣大程序工程師所熟知和使用，工程師的反饋非常適合STM32的開發(fā)。Keil MDK，也稱MDKARM，Realview MDK、IMDK、uVision4等。MDKARM軟件為基于CortexM、CortexRARMARM9處理器設(shè)備提供了一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境，一款軟件多項(xiàng)應(yīng)用，方便嵌入式工程師們?cè)诓煌?xiàng)目中多種程序的編寫，不用多次熟悉開發(fā)工具，單憑這一點(diǎn)，早已在嵌入式工程師的心中占據(jù)巨大優(yōu)勢(shì)， MDKARM是一款專為微控制器應(yīng)用而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，因其界面簡(jiǎn)潔清晰，不僅易學(xué)易用，而且功能強(qiáng)大，能夠滿足大多數(shù)的嵌入式應(yīng)用，綜合分析是嵌入式工程師的不二選擇。MDKARM有四個(gè)可用版本。所有版本均提供一個(gè)完善的C / C++開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多界面，多機(jī)型，多語(yǔ)言集于一身的高性價(jià)比產(chǎn)品，其中MDKProfessional還包含大量的中間庫(kù)，方便調(diào)用且數(shù)據(jù)庫(kù)全面。使用Keil 來(lái)開發(fā)嵌入式軟件，大致有以下幾個(gè)步驟：1. 創(chuàng)建一個(gè)project，選擇芯片，并進(jìn)行一些必要的配置信息2. 編寫C 源文件3. 編譯工作代碼4. 修改源程序中的錯(cuò)誤5. 下載程序調(diào)試uVision4 開發(fā)環(huán)境如下我們可以做到編輯，編譯，項(xiàng)目管理等多個(gè)程序調(diào)試步驟，窗口設(shè)計(jì)合理，出錯(cuò)顯示更加清晰，方便程序的調(diào)試。uVision4的特點(diǎn)：支持多系列單片機(jī)（CortexM、CortexRARM7和ARM9）；多語(yǔ)言（C/C++）的工具鏈，操作系統(tǒng)自帶源碼，封裝模塊化數(shù)據(jù)；不僅提供編譯，調(diào)試，還具備仿真環(huán)境；網(wǎng)絡(luò)套件提供多種協(xié)議應(yīng)用；擁有標(biāo)準(zhǔn)的USB設(shè)備連接可能，與外設(shè)交互友好；不僅可以處理程序代碼，還可以處理圖形；程序每運(yùn)行一次會(huì)有一次覆蓋；符合國(guó)際公認(rèn)的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)。ULINK USBJTAG 界面適配器：ULINK USBJTAG 是一個(gè)用于連接PC USB 口和開發(fā)板JTAG 口的小硬件適配器。通過(guò)JTAG你可以很方便的將你的程序下載到目標(biāo)板上測(cè)試和驗(yàn)證程序運(yùn)行的效果。ULINK 支持如下操作：1. 下載目標(biāo)程序2. 檢查存儲(chǔ)器和寄存器3. 單步運(yùn)行程序4. 插入多個(gè)中斷點(diǎn)5. 實(shí)時(shí)運(yùn)行程序6. 燒寫FLASH 存儲(chǔ)器第3章 總體分析與設(shè)計(jì) 方案分析 整體系統(tǒng)方案分析每個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者首先考慮到的問(wèn)題就是MCU選型的問(wèn)題。嵌入式設(shè)計(jì)中比較主流的兩款單片機(jī)就屬ARM與AVR/51最受大家的青睞，51是一款8位MCU的處理器,相較32位處理器的ARM在運(yùn)算能力上有明顯的不足，但32位的運(yùn)算的指令也是非常復(fù)雜的，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，視頻數(shù)據(jù)，能力雖然較8位機(jī)強(qiáng)很多，運(yùn)算速度也高好多倍，但在各個(gè)中斷，寄存器配置，時(shí)鐘要求等等也更為嚴(yán)格，而且AVR的編程需要配置gcc或icc才能正常工作，有固定的工作的環(huán)境，和51單片機(jī)相比，很復(fù)雜，可以用來(lái)參考的文獻(xiàn)資料也沒(méi)有51多，ARM與51相比雖然采用指令集簡(jiǎn)化了很多，可以在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條命令，51需要12個(gè)時(shí)鐘周期才能完成一條指令的工作，綜合來(lái)分析51與STM32單片機(jī)都擁有各自的優(yōu)勢(shì)，如何選擇就要從需求上加以分析。51單片機(jī)是每一嵌入式編程人員的入門課程，很基礎(chǔ)，電路也相對(duì)簡(jiǎn)單，資料豐富，芯片很便宜，市面很常見，但一旦處理大量的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制，視頻時(shí)，51就力不從心了，運(yùn)算的速度和效率低也是51的一個(gè)致命的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)單的總結(jié)下就是AVR的指令系統(tǒng)比較精簡(jiǎn)，總線和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)也與51單片機(jī)不同，速度比51快很多。其次，從性能的角度分