1、本 科 毕 业 设 计 (论 文 )题目名称： 基于 STM32 的智能家居系统设计 学 院： 计算机科学技术学院 专业年级： 计算机科学与技术（工）12 级 学生姓名： 张云朋 班级学号： 1 班 41 号 指导教师： 范忠诚 2016 年 6 月 I摘 要随着科技的不断发展进步和人们对家居生活要求的逐步变高，智能家居已经得到了人们的认可，而现如今一套完整的智能家居设备价格昂贵，一般的家庭难以承受其高昂的价格，针对此种现象，一款功能稳定全面，但成本低廉的智能家居产品会帮助人们在价格和功能之间找到一条满足人们愿望的出路。此款智能家居采用STM32处理器，技术成熟，程序移植方便，价格低廉。本款家
2、居设备设计包括硬件设计和软件设计两个部分：硬件设计包含 ：12864液晶电路、温度湿度传感器电路、烟雾浓度采集电路、ADC转换电路、报警电路、电源电路、光照采集电路和灯光控制部分电路，软件设计包含主程序、数据（温度、湿度，气体浓度，光照）检测及处理、和标准气体标定、ADC数据转换，当气体浓度超限时报警程序。经实验测试结果表明该智能家居设备有自动检测家庭环境指标并可以对采集信息进行及时稳妥的处理，精度高，检测范围广，稳定性好，显示简单，操作简便，抗干扰能力强等优良性能。关键词：ARM-M3；ADC；数据采集与处理；智能家居IIAbstractAlong with the continuous d
3、evelopment of science and technology progress and peoples requirement for household life gradually become tall, intelligent household has gained the recognition of people, now a complete set of intelligent household equipment is expensive, the average family is difficult to afford the high prices, a
4、iming at this phenomenon, a stable overall function, but low-cost intelligent household products can help people find a way out between price and functionality. This intelligent household USES STM32 processor, mature technology, application transplant convenience, low prices. This household equipmen
5、t design including hardware design and software design of two parts: hardware design includes: 12864 LCD, reactive temperature, humidity sensor circuit, the concentration of the smoke collecting circuit, ADC conversion circuit, alarm circuit, power circuit, acquisition circuit and lighting lighting
6、control circuit, software design includes the main program, data (temperature, humidity, gas concentration, light) detection and processing, and calibration standard gases, ADC data conversion, when gas concentration overrun alarm program. By the experimental test results show that the smart home de
7、vices have automatic detection family environment index and can be conducted to collect information to err on the side of the processed on time, high precision, detection range, good stability, display is simple, easy operation, strong anti-interference ability and other excellent properties.Key wor
8、ds: ARMv7-M; ADC; Data acquisition and processing; serial communication1目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪 论 .11.1 选题背景 .11.2 课题意义 .11.3 国内外发展概况 .11.4 指导思想 .2第 2 章 开发工具与 MCU 简介 .32.1 STM32F10XX.32.2 KEIL MDK.5第 3 章 总体分析与设计 .73.1 方案分析 .73.1.1 整体系统方案分析 .73.1.2 数据采集方案设计 .83.1.3 数据存储方案分析 .83.1.4 显示方案分析 .103.2
9、功能设计 .10第 4 章 详细设计与实现 .124.1 界面设计 .124.2 原理图设计 .134.2.1 数据采集模块 .144.2.2 温湿度传感器模块 .154.2.3 烟雾传感模块 .164.2.4 液晶显示电路设计 .174.2.5 报警电路的设计 .194.2.6 时钟模块 .204.3 业务处理模块设计 .224.3.1 界面显示任务 .224.3.2 AD 采样及数据处理 .234.3.3 烟雾传感器 .284.3.4 温湿度传感器 .304.4.5 灯光控制与光照检测 .32第 5 章 结果分析 .365.1 硬件设计的结果分析 .3625.1.1 温湿度模块的分析 .3
10、65.1.2 光照模块的分析 .365.1.3 烟雾检测 .375.1.4 硬件综合测试 .375.2 软件设计的结果分析 .38结 论 .39致 谢 .40参考文献 .41附 录 .421第 1 章 绪 论 1.1 选题背景进入 21 世纪，人们的生活节奏越来越快，生活压力也越来越大，家成为人们最温馨的地方，人们对待自己最温暖舒适的家庭环境要求也随之在不断提高，如今的人们早八晚五的工作，上级的压力，父母长辈的压力，同事之间盲目的攀比等等，早已经将当代人压的喘难以呼吸，人们似乎已经注意到了家是自己的避风港，家居生活得到了人们的广泛关注，如今电子行业的发展速度飞涨，智能产品横飞，先进的科技与人们
11、想要的智能家居生活擦出了美丽的火花-智能家居，时光荏苒，转眼间，智能家居从出现到现如今经历了几十年的漫长发展逐步走向成熟，安全，智能，方便的家居生活得到了广大普通百姓的认可，从企业到个人都无时无刻与它发生着亲密关系，人们已经清楚的看到，智能家居的发展已成必然，他的腾飞亦不可阻挡。1.2 课题意义众所周知智能家居应经崭露头角，近几年一直以良好高速的发展态势在前进，智能家居市场上也开始出现了很多新颖的设备来满足人们的生活需要，但从总体的状况来分析总结，仍有不尽善尽美的地方，最主要两点是标准不统一和权威产品的缺乏。伴随着科技的进步，经济的发展，人们的财富变多的同时，对自己的生活环境的要求水平也的随着
12、变高，智能家居也越发变的受人青睐。家居智能化控制的开发和研究是未来国家经济发展的必然趋势。智能家居控制器可以为系统提供更智能更人性化生活模式，使住户的生活更加便捷，更高效，更能为家庭的日常活动，为快节奏的都是生活减小人们的压力，同时提供巨大方便。而且在现在这个重视健康环保的世界里，智能的为住户提供检测好空气的温度，湿度等检查空气成分让住户安心，放心可以满足人们的个性化需求。同时，智能家居控制器可以根据住户的要求调整方案，紧急事故处理，危机救护等急救控制，充分满足用户的需要。1.3 国内外发展概况智能家居在国内早已经不是一个新兴产业，处于一个导入期与成长期的临界点，大众市场的消费观念还未完全形成
13、，但随着智能家居市场经营者推广的进一步实施，引导消费者的消费方向和新产品的使用等措施的应用，智能家居市场的的活跃只是时间的问题。如今智能家居至今在中国已经历了近 13 年的发展，从人们刚开始的梦2想，到今天真真正正的走进我们的生活，经历了一个反复曲折路。在 1994 年-1999，渡过智能家居的第一阶段萌芽期/智能小区期，在 2000 年-2005 年期间，迎来了自己的第二阶段开创期，在 2006 年，经过了 5 年的发展，智能家居正式进入第三阶段-徘徊期，现如今，我们正在经历他的第四个阶段-融合演变期，自进入 2011 年以后，产品需求市场明显增长，现阶段房产行业不好，智能家居的进入能否再添
14、新动力受到大家的关注。智能家居的产品需求量增长说明智能家居行业进入了一个新的时间段，接下来的几年的时间里，智能家居一方面进入一个相对快速的发展阶段，另一方面协议与技术标准也开始慢慢走向统一，为标准化生产提供软条件的准备。而良好的势头也吸引了一批商人的加入，开发人员工资不断攀高，新的产品层出不穷，市场竞争越来越激烈。根据美国该行业权威公司 PARKS 的统计资料显示：1995 年，美国一个家庭智能家居方面的花费大概在 7000 至 9000 美元之间。1995 年美国家庭已使用先进家庭自动化设备的比率为 0.33%，看来市场真正启动尚需时日。预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为 8%.P
15、ARKS 公司的资料亦显示：到 2004 年，家庭网络市场总额可达 57 亿美元，由此可知，智能家居无论在国内还是国外都有良好的发展前景，形势一片大好。1.4 指导思想 本系统开发基于 C 语言。使用 Keil4 集成开发环境，使用现已经技术成熟的器材，以保障系统正常安全使用、质量性能好、稳定。界面操作简单，功能全面，实用性强，人机交互友好，无需复杂操作就可以使用产品，易学易用。3第 2 章 开发工具与 MCU 简介2.1 STM32F10XXSTM32系列单片机是为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的，十分适合现在的智能家居研发，款型多、功能完备，资料丰富，技术也相对成熟，下面我们就
16、来系统的了解一下这款单片机。按内核架构分为不同产品。其中STM32F1系列有:STM32F103“增强型“系列STM32F101“基本型“系列STM32F105、STM32F107“互联型“系列增强型系列时钟频率为72MHz，再同品型的单片机中是性能最好的一款;普通型的时钟频率为36MHz，而如今普通产品的价格得到性能大幅提升产品，相信是很多用户的最佳选择。两个系列产品都内置闪存大小是相同的，还是32K到128K，不同的是SRAM的最大容量和外设接口的这两部分。当时钟频率72MHz时候，可以从闪存中直接运行程序，速度更快，STM32功耗为36mA，是32位单片机同类市场上功耗最低的产品。图2-
17、1 STM32F10XX功能框图内核：32位mcu处理器，频率为72MHz，采用单周期乘法，不容易受外部设备电流影响，稳定性更好。4存储器：片上集成32-512KB的闪存。6-64KB的只读存储器。时钟、复位和电源管理：电源为3V供电。上电复位、掉电复位电路完善，自带可编程的电压探测器（现不常应用）。晶振为16MHz（频率可设置，可满足不同外部设备的驱动）。8MHz RC电路。40 kHz的RC振荡电路（可外接振荡电路，也可利用自身具有的振荡电路）。CPU时钟具有校准功能，由的32kHz的晶振单独完成。低功耗模式：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。调试模式：串行调试接口和JTAG接口。DM
18、A：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。3个12位的us级的A/D转换器：A/D测量范围：0-3.6V。双采样和保持能力。D/A转换器的种类多，可以适合不同型号外设信息采集，非常全面。快速I/O端口：所有的端口都可以链接到个外部中断。排除模拟量的输入，所有的端口都可以接受5V以内的信号输入。定时器：4个16位定时器，每个定时器都配有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出除此还有2个看门狗定时器，可供多个外设同时工作时应用。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。拥
19、有3个SPI接口，两个和IIS复用端口。一个2.0B的CAN接口，一个2.0USB接口含5个USART接收端口，13个通信接口，2个IIC接口，和一个SDIO接口。1、相较传统的嵌入式处理器多一个嵌入式ARM内核，使其兼容性更加强悍，不仅对编程软件还是与单片机相关的工具都是一次技术上的统一，与此同时提高了代码处理效率，运行，调试更加高效。2、嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置512KB的闪存，为数据的安全性提供了更好的保障，存储数据程序也更加方便，只读存储器与CPU的时钟速度相同，可进行高速读写操作，更加贴近产品驱动需要。3、可变静态存储器（FSMC）：STM32的静态存储器拥有4个片
20、选，且每一种片选模式还有四种模式选择，控制的更加细致，精确，多更控制更加方便，不需要再加繁杂的外设，代码都是从外部存储器执行，不占用没存，节省空间，提高运行速度，外部访问按照36MHz进行，速度更高，出错率更低。4、ARM的中断：可以处理43个中断通道，包含16个中断优先级，可以同时处理多个外部中断，对外设的处理精确度得到有效提高，更适合处理复杂多样的外设。紧密耦合的NVIC实现了低的中断处理延迟，直接向内核传递中断入口向量表地址，紧密耦合的NVIC内核接口，更加方便允许中断提前处理，对后到的更高优先级的中断进行处理，自动保存处理器状态，中断入口在中断退出时自动恢复，不需要指令控制，自动化程度
21、更好，减小程序员的工作量。5、外部中断/事件控制器（EXTI）：外部中断/事件控制器由19个产生中断请求检索组成。每条线都是经过独特配置用于选择触 发事件（模式：上升沿，下降沿，或者两者都可以），可以同时屏蔽多个，也可以只屏蔽一个，更有利于对外设的控5制。有一个挂起寄存器用来检测中断请求。当外部线上出现长度超过内部时钟周期的脉冲时，EXTI便马上能检测到是由外部的信号在申请中断。6、时钟和启动：系统的时钟在系统在工作前，先需要时钟的设定，一种是利用内部8MHz的晶振作为CPU时钟源。另外可以选择一个外部的4-16MHz时钟源，STM32在时钟的检测十分严格，会实时监控当与控制器被禁止那么软件中
22、断管理也会跟着被禁止。还可以在PLL时钟的中断管理设定时钟。多个预比较器可以用来配置AHB频率，包括高速APB2和低速APB1，高速APB最高的频率为72MHz，低速APB最高的频率为36MHz。7、Boot模式：Boot引脚有3种Boot模式选项可供选择：从Flash进入，从系统存储器导入，从SRAM进入。Boot导入代码存储在系统存储器，用于通过USART1对Flash存储器编程。8、电源供电方案：工作电压2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚连接，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA的电压范围都是2.0-3.6V，外部模拟电压用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内
23、，VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD才可以。VBAT的电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，晶振和备份寄存器也可以为其提供电源，保证正常工作不受到影响。2.2 KEIL MDKKeil MDK 的应用十分广泛，因其功能全面性能佳，界面简介友好，从其问世就迅速被广大程序工程师所熟知和使用，工程师的反馈-非常适合STM32的开发。Keil MDK，也称MDK-ARM，Realview MDK、I-MDK、uVision4 等。MDK-ARM软件为基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9处理器设备提供了一个完整的开发环境，一款软件多项应用，方便嵌入式工程
24、师们在不同项目中多种程序的编写，不用多次熟悉开发工具，单凭这一点，早已在嵌入式工程师的心中占据巨大优势， MDK-ARM是一款专为微控制器应用而设计生产的，因其界面简洁清晰，不仅易学易用，而且功能强大，能够满足大多数的嵌入式应用，综合分析是嵌入式工程师的不二选择。MDK-ARM有四个可用版本。所有版本均提供一个完善的C / C+开发环境，实现多界面，多机型，多语言集于一身的高性价比产品，其中MDK-Professional还包含大量的中间库，方便调用且数据库全面。使用Keil 来开发嵌入式软件，大致有以下几个步骤：1. 创建一个project，选择芯片，并进行一些必要的配置信息2. 编写C 源文件3. 编译工作代码4. 修改源程序中的错误5. 下载程序调试uVision4 开发环境如下我们可以做到编辑，编译，项目管理等多个程序调试步
