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基于STM32單片機的智能加濕器設(shè)計
本文介紹了一種基于STM32單片機的智能加濕器。該加濕器配備了DHT11溫濕度傳感器、水位傳感器和濁度傳感器，數(shù)據(jù)通過單片機處理并顯示在OLED屏幕上。用戶可通過按鍵模塊設(shè)置閾值，并在檢測值與設(shè)定值不符時自動關(guān)斷或報警。設(shè)備支持手動、自動、定時和遠程四種控制模式。系統(tǒng)程序在MKD5軟件上開發(fā)并經(jīng)過調(diào)試，現(xiàn)已穩(wěn)定運行，提升了用戶體驗，并有進一步改進的潛力。
1系統(tǒng)硬件設(shè)計 1.1總體設(shè)計
本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計由stm32單片機控制單元、溫濕度傳感器、水位傳感器、濁度傳感器、蜂鳴器、按鍵模塊、OLED顯示、WIFI模塊、霧化模塊、電機驅(qū)動模塊組成。其中單片機做核心與其他模塊互相配合實現(xiàn)各類功能。霧化模塊開關(guān)通過直流電機驅(qū)動模塊直接控制單片機間接控制。本系統(tǒng)方案整體框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
1.2控制單元
因為單片機具有高集成度、實時控制能力強、性價比高、易于擴展與開發(fā)且性能穩(wěn)定等優(yōu)點，所以本設(shè)計采用stm32f103c8t6作為核心控制樞紐[3]，在芯片的輸入和輸出端均并聯(lián)穩(wěn)壓電容以輸出和輸入穩(wěn)定的3.3 V電壓。
1.3傳感器模塊和可調(diào)電位器
該設(shè)計使用單總線協(xié)議的DHT11溫濕度傳感器模塊，擁有成本低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)超快、抗干擾能力強、數(shù)字信號輸出、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點[4]。DHT11溫濕度傳感器模塊的串行數(shù)據(jù)線接4.7 KΩ上拉電阻后與單片機的PB14引腳相連。測量水位采用水位/水滴傳感器，該傳感器通過一排平行裸露導(dǎo)線線跡測量水滴/水量大小，實現(xiàn)水量到模擬信號的轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計中水位傳感器與stm32單片機的PA6引腳相連。
采用濁度傳感器型號為TSW-30，其內(nèi)部是一個紅外線對管，根據(jù)水中懸浮固體總量變化對透光率產(chǎn)生影響來測量透光率，并把透過光強轉(zhuǎn)換為電流，透過的光多電流就大，反之則小。此設(shè)計應(yīng)用該模塊的模擬量輸出接口AO，與單片機PA5引腳相連。采用2 K可調(diào)電位器，通過手動調(diào)節(jié)軸改變動觸點在電阻體上位置改變電阻值，從而改變電壓與電流的大小，以此實現(xiàn)手動控制。在本設(shè)計中其頂部引腳接3.3 V，中間引腳接單片機PA4,底部引腳接地。
1.4蜂鳴器報警電路
蜂鳴器采用無源蜂鳴器，在設(shè)計中加入了一個NPN型三極管，用以放大電流驅(qū)動蜂鳴器，三極管做開關(guān)用，由stm32單片機判斷水位和濁度數(shù)據(jù)后對三極管基極發(fā)送脈沖信號，拉低或拉高基極電壓，拉低時蜂鳴器斷電拉高時通電[5]。這樣即可實現(xiàn)閾值報警功能，蜂鳴器電路如圖2所示。
圖2 無源蜂鳴器電路
1.5 esp8266Wi-Fi模塊
本設(shè)計采用內(nèi)置完整TCP/IP協(xié)議棧的ESP8266WIFI模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，可將單片機與機智云服務(wù)器連接，進行數(shù)據(jù)傳輸。模塊的LRXD引腳和UTXD引腳分別與單片機串口TX(PB10)和RX(PB11)相連，實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信。
01.6按鍵與顯示模塊
按鍵模塊采用四位獨立按鍵。顯示模塊采用0.96英寸OLED顯示屏，其驅(qū)動芯片為SSD1306，由I2C總線驅(qū)動，該模塊不需背光顯示，每個像素可獨立發(fā)光，且具有可視角度大，功耗低、反應(yīng)快、適用溫度范圍廣等特點，廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備，本設(shè)計中為其提供3.3V電壓用以顯示檢測到的溫濕度等信息。
1.7電機驅(qū)動與霧化模塊
霧化片采用超聲波霧化片，本質(zhì)是一片壓電陶瓷，工作時產(chǎn)生高頻震蕩使其接觸到的水分子結(jié)構(gòu)被打散，形成自然飄逸的水霧，使空氣濕潤并含有豐富的負氧離子。在本設(shè)計中霧化片由L298N電機驅(qū)動模塊驅(qū)動，該模塊是雙橋電路設(shè)計，通過控制H橋上電流方向?qū)崿F(xiàn)對電機的控制，在本設(shè)計中用到IN1和IN2引腳，IN2引腳接地IN1引腳接單片機PA2,IN1輸入高電平霧化片啟動進行加濕，輸入低電平霧化片停止加濕，通過改變IN1高電平占空比實現(xiàn)對加濕器工作功率的控制。
2軟件設(shè)計 2.1主程序設(shè)計
本系統(tǒng)編程使用MDK5軟件。編程主要實現(xiàn)外部設(shè)備初始化、溫濕度檢測、水位檢測、水濁度檢測、OLED顯示、Wi Fi通信等功能。系統(tǒng)上電初始化后讀取按鍵值、溫濕等數(shù)據(jù)，并在OLED屏上顯示，選擇手動/自動/定時/遠程模式后，單片機對各設(shè)定值與當(dāng)前值進行數(shù)比對，根據(jù)目標(biāo)設(shè)定輸出PWM占空比，并根據(jù)水位和濁度數(shù)據(jù)比對結(jié)果判斷是否進行蜂鳴器報警關(guān)斷加濕。其中在遠程控制模式下，單片機通過串口通信接收云端數(shù)據(jù)，并根據(jù)該數(shù)據(jù)設(shè)定目標(biāo)輸出值，系統(tǒng)運行流程如圖3所示。
2.2按鍵與OLED顯示模塊程序設(shè)計
OLED屏幕每個像素與SSD1306顯存點陣一一對應(yīng)，所以單片機對SSD1306芯片寫入數(shù)據(jù)或命令即可實現(xiàn)屏幕在相應(yīng)點的顯示。顯示的漢字通過字模生成軟件生成，把文字生成的代碼放入OLED的字庫里，因為漢字是16位長度，而SSD1306顯存1頁是8位長度，所以漢字分上下兩部分，分別寫入顯存第一頁和第二頁，以此在主屏幕上拼出一個完整漢字。需要顯示幾個漢字就在字庫中循環(huán)檢索幾次。此外OLED程序函數(shù)中需包含初始化、坐標(biāo)設(shè)置、清屏等基礎(chǔ)操作函數(shù)。通過調(diào)用這些函數(shù)完成屏幕對數(shù)據(jù)的顯示。 圖3 系統(tǒng)運行流程
按鍵模塊主要設(shè)計是，通過按鍵掃描函數(shù)KEY＿Scan()，判斷有無按鍵按下，當(dāng)有按鍵按下延時10 ms去除抖動，之后識別哪個鍵按下，采集按鍵值保存于key＿value中，根據(jù)key＿value值尋找程序入口，執(zhí)行程序，完成該次按鍵操作。按鍵設(shè)置支持連續(xù)按設(shè)置優(yōu)先級k0>k1>k2>k3，所有按鍵設(shè)置彈起時為高電平，按下時為低電平。
按鍵功能如下： (1) k0配網(wǎng)按鍵： 系統(tǒng)初始化后按下k0,ESP8266進入待連接狀態(tài)。
(2) k1模式切換按鍵： K1按下按鍵值為2模式切換，按壓一次sys＿mode值（模式值）加1，可切換四種模式(手動、自動、定時、遠程模式，分別對應(yīng)sys＿mode的0、1、2、3超出范圍后歸0)。
(3) k2濁度與水位顯示按鍵： 此頁面可查看傳感器采集到的濁度數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù)。
(4) k3閾值等設(shè)置按鍵： 在濁度與水位按鍵k2按下后，再按下此按鍵進入時間與定時設(shè)定和閾值與單次按鍵增量設(shè)定選擇界面，此時k2與k3分別為上換行鍵和下?lián)Q行鍵，翻頁到要選擇的設(shè)置位置后k1為確認鍵，進入進行相應(yīng)設(shè)置界面或退出此界面。
2.3數(shù)據(jù)采集與報警程序
DHT11溫濕度傳感器代碼設(shè)計包括初始化、延時越過不穩(wěn)定狀態(tài)、讀取數(shù)據(jù)、校驗數(shù)據(jù)等步驟。水位傳感器代碼設(shè)計涉及設(shè)置閾值、讀取水位信號、判斷水位狀態(tài)等。濁度傳感代碼包括光電信號采集、數(shù)據(jù)處理和濁度值計算等。在主程序中通過對該部分外設(shè)函數(shù)的調(diào)用，可實現(xiàn)相應(yīng)傳感器采集數(shù)據(jù)的顯示和超出預(yù)設(shè)安全范圍的報警。也可通過數(shù)據(jù)值對輸出占空比進行設(shè)置。
2.5機智云程序
注冊登錄機智云賬號，進入開發(fā)者中心創(chuàng)建產(chǎn)品，本設(shè)計所選用Wi Fi/移動網(wǎng)絡(luò)方案，通信方式為WIFI，數(shù)據(jù)定長功耗低。創(chuàng)建好項目后根據(jù)設(shè)計需要創(chuàng)建數(shù)據(jù)點，選擇讀寫類型和數(shù)據(jù)類型。本設(shè)計的數(shù)據(jù)點如圖4所示。包含遠程開關(guān)、溫度、濕度、加濕器，和濁度數(shù)據(jù)標(biāo)識符及數(shù)據(jù)類型。
圖4 IOT云平臺產(chǎn)品功能的數(shù)據(jù)點
在設(shè)計時用機智云自動生成MCU開發(fā)中必要代碼。設(shè)備接入云端服務(wù)器后，接收云端和APP端發(fā)來的數(shù)據(jù)點等信息，通過協(xié)議幀格式發(fā)送到MCU端，MCU端將數(shù)據(jù)存到緩沖區(qū)，每隔一段時間對緩沖區(qū)抓包，抓包正確進行解析，推送到數(shù)據(jù)事件處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)點事件執(zhí)行相應(yīng)邏輯。同樣，單片機也通過協(xié)議棧幀格式將數(shù)據(jù)傳給ESP8266模塊后傳至云端服務(wù)器，最后處理控制事件的相關(guān)代碼。在本設(shè)計中創(chuàng)建了ctrol寫等類型數(shù)據(jù)，根據(jù)這些類型數(shù)據(jù)完成相應(yīng)的控制。
最后把gizwits串口協(xié)議移植到stm32單片機上，并通過固件燒錄工具把固件庫燒寫入ESP8266模塊中。移植燒寫完成后驗證設(shè)備端與Demo APP能否正常工作，將設(shè)備與手機處于同一局域網(wǎng)下，進入app選擇一鍵配網(wǎng)（使用2.4 G頻道WiFi網(wǎng)絡(luò)配網(wǎng)），選擇樂鑫模組，按下配網(wǎng)按鍵，配網(wǎng)完成后可通過手機看到測得的各數(shù)據(jù)，可選擇遠程控制的打開與關(guān)閉，打開時可滑動加濕器滑塊控制加濕器功率。
結(jié)束語
本款基于STM32單片機的智能加濕器經(jīng)過多環(huán)境測試，能夠自由切換工作模式，并通過傳感器可靠采集溫濕度和水位信息。其WIFI模塊支持信息云端上傳，用戶可通過手機實現(xiàn)實時監(jiān)控和遠程控制。水位和濁度傳感器配合蜂鳴器實現(xiàn)缺水和水污濁報警，避免了干燒、過度加濕及噴出污濁水汽的問題，提升了安全性。該加濕器性價比高，功能豐富，市場前景廣闊。
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