夏長(zhǎng)權(quán)，單佳杰，韓一帆，錢香香

（揚(yáng)州大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225009）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能家居行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，各種智能設(shè)備為人們的生活帶來了高效便捷。溫濕度計(jì)通常具備溫濕度監(jiān)測(cè)和時(shí)鐘顯示兩項(xiàng)功能。傳統(tǒng)的過道燈需要手動(dòng)打開開關(guān)，而在黑夜中，由于能見度低并且對(duì)裝修布局不熟悉，很難找到開關(guān)面板。此外，在黑暗中還容易發(fā)生絆倒等意外事件。因此，本文針對(duì)以上問題設(shè)計(jì)了一款環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度，并且在光照條件不足時(shí)自動(dòng)開啟LED 燈，提供必要的照明。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)整體方案包括：微處理器、顯示模塊、溫濕度和光照傳感器模塊、照明模塊。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 各模塊方案

1.2.1 微處理器方案選擇

微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)運(yùn)行過程中所有的數(shù)據(jù)。主控制器的特性，決定了系統(tǒng)的工作效率和穩(wěn)定性。目前主流的微處理器有Atmel 公司AT89/AT91 處理器，意法半導(dǎo)體（ST）公司STM32/STM8 系列，可編程邏輯器件（FPGA）等。

方案一：采用51 單片機(jī)作為MCU。STC89C51 單片機(jī)功耗較低、性價(jià)比高、抗干擾能力與加密能力較好，但是性能較弱，拓展性差，需要采用寄存器開發(fā)方式，開發(fā)效率不高。

方案二：采用STM32 微處理器作為主控制器。STM32具有能耗比高，成本低的特點(diǎn)。STM32 是意法半導(dǎo)體（ST）公司基于ARM 架構(gòu)的精簡(jiǎn)指令集處理器。本設(shè)計(jì)選用的是STM32F103C8T6 微處理器，主頻為72Mhz。STM32 芯片不同的命名代表了不同的微處理器性能，F(xiàn) 代表通用型，C代表具有48 個(gè)引腳，8 表示ROM 為64KB。6 表示工作溫度范圍-40℃～85℃。STM32F103x 系列性價(jià)比高，處理能力強(qiáng)，片上資源齊全，符合本設(shè)計(jì)所要求的條件，且成本較低，便于大規(guī)模地投入市場(chǎng)使用。

綜合經(jīng)濟(jì)成本，芯片性能強(qiáng)弱，軟件開發(fā)難度等角度考慮，選擇了方案二的STM32F103C8T6 微處理器作為主控制器。

1.2.2 顯示模塊方案選擇

單片機(jī)系統(tǒng)中很多時(shí)候需要進(jìn)行界面顯示，主流的顯示方案有8 段數(shù)碼管、LCD 液晶、OLED 屏幕顯示。

方案一：采用8 段數(shù)碼管顯示優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單成本很低，但是顯示內(nèi)容有限。無法顯示字符，不符合本設(shè)計(jì)需求。

方案二：采用OLED 屏顯示。OLED 顯示的優(yōu)點(diǎn)是支持64 位字符顯示，而且具有良好的可視角度，刷新率較高，能夠符合本設(shè)計(jì)的使用需求，但是功耗和成本都高。

方案三：LCD1602 是一款字符型液晶顯示屏，可顯示字母數(shù)字符號(hào)。LCD1602 液晶工作溫度為0℃～+55℃，工作電壓為-4.5～+5.5V，能夠同時(shí)顯示16 字符2 行的字母或數(shù)字[1]。成本低廉，編程容易，符合本設(shè)計(jì)的需求。

由于本設(shè)計(jì)只需要顯示問候語，以及溫濕度數(shù)據(jù)，故采用方案三。

1.2.3 傳感器模塊方案選擇

方案一：傳感器模塊包括溫濕度采集模塊和光照傳感器模塊兩個(gè)部分。采用DHT11 溫濕度傳感器作為溫濕度采集模塊，采用光敏電阻傳感器作為光照檢測(cè)模塊。DHT11 溫濕度傳感器工作電壓為3.3 ～5V[2]，采用4 針單排直插的封裝工藝，精度在±2℃，量程范圍是0℃～50℃。

光敏電阻傳感器采用4 針單排直插封裝工藝，工作電壓是3.3～5V，主要用于檢測(cè)環(huán)境的亮度和光強(qiáng)，支持?jǐn)?shù)字信號(hào)輸出和模擬量輸出。可以通過電位器調(diào)節(jié)檢測(cè)靈敏度。編程簡(jiǎn)單，成本較低，適合本設(shè)計(jì)使用。

方案二：DS18B20 溫度傳感器采用單信號(hào)線通信，且可以雙向傳輸數(shù)據(jù)。能夠輸出精確的數(shù)字信號(hào)，具有體積小巧，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是無法采集濕度，不符合本設(shè)計(jì)的需求。

使用照度傳感器作為光照檢測(cè)模塊，照度傳感器測(cè)量范圍大，分布感應(yīng)能力強(qiáng)，可以準(zhǔn)確顯示光強(qiáng)信息，但是成本高昂，適合用在手機(jī)、電腦、紅外攝像機(jī)以及工業(yè)領(lǐng)域光照控制儀器上。

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)傾向濕度信息的采集，不需要準(zhǔn)確采集光照強(qiáng)度數(shù)值，所以出于成本和開發(fā)難度考慮，選擇了方案一。

1.2.4 照明模塊方案選擇

在光照不足時(shí)，需要打開LED 燈來照明。照明模塊選用的是白色高亮LED 燈，發(fā)光強(qiáng)度在10mcd 以上，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)。高亮LED 燈在節(jié)約了電路板空間的前提下，最大程度地改善了光照條件，適合本設(shè)計(jì)使用。

2 電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)部分包括STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、溫濕度傳感器電路、光照采集模塊電路、顯示模塊電路、光照模塊電路的設(shè)計(jì)與原理說明[3]。

2.1 STM32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

STM32F103C8T6 的最小系統(tǒng)包括：STM32 芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源管理電路[4]。

2.1.1 STM32 芯片電路原理圖

STM32 芯片電路原理圖如圖2 所示。

圖2 STM32 芯片電路原理圖

2.1.2 時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路原理圖如圖3 所示。

圖3 時(shí)鐘電路原理圖

PD0_OSC_IN 和PD1_OSC_OUT 引腳可接4MHz～16MHz 的外部晶振，但是隨著頻率的提高，功耗也會(huì)提升。本文的最小系統(tǒng)核心板采用外部8Mhz 高速晶體，振蕩產(chǎn)生脈沖信號(hào)，并聯(lián)20pF 的濾波電容，組成主時(shí)鐘電路。8MHz 的晶振經(jīng)過鎖相環(huán)（PLL）進(jìn)行9 倍頻到72MHz 主頻。

內(nèi) 部RTC 電 路 同 理，OSC321 和OSC322 引腳接32.768kHz 的晶體，并聯(lián)20pF 的濾波電容。此處濾波電容一般在20～40pF，用來給直流電源濾波，讓單片機(jī)有一個(gè)穩(wěn)定的、低噪聲的工作環(huán)境，提升了電路穩(wěn)定性，減少諧波對(duì)電路影響。

這里對(duì)PLL 的工作原理做進(jìn)一步說明。頻率的大小取決于晶振頻率，本設(shè)計(jì)采用的晶振是8MHz 但是時(shí)鐘頻率也就是主頻卻達(dá)到了72MHz。在STM32 單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過了PLL 的9 倍頻，外部晶振與處理器中間經(jīng)過鎖相環(huán)（PLL）可實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能?；A(chǔ)鎖相環(huán)系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 鎖相環(huán)系統(tǒng)示意圖

基礎(chǔ)鎖相環(huán)由鑒相器、低通濾波器、壓控振蕩器（VCO）組成，VCO 受電壓控制，可以根據(jù)電壓變化輸出不同的頻率。輸入頻率f1，可以是晶振的輸出頻率，輸出頻率f2，輸出頻率會(huì)反饋給鑒相器。VCO 雖然可以實(shí)現(xiàn)倍頻，但是依然需要鑒相器和低通濾波器，VCO 是由電壓控制的，輸入電壓有很小的波動(dòng)，VCO 的輸出頻率都會(huì)受到極大影響，但是處理器工作是需要穩(wěn)定頻率的，所以不能只用VCO 來實(shí)現(xiàn)倍頻。在PLL 系統(tǒng)中，VCO 的輸出有變化就會(huì)立刻反饋給鑒相器，鑒相器進(jìn)行調(diào)整，使輸出保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的頻率，中間的低通濾波器讓鑒相器輸出的電平信號(hào)變得平滑。

2.1.3 復(fù)位電路

復(fù)位電路原理圖如圖5 所示。

圖5 復(fù)位電路原理圖

10k 的電阻R7，主要起限流保護(hù)電路作用，接VCC_3.3V， 串 聯(lián)100pF的電容C9，并聯(lián)按鍵開關(guān)SW1 組 成RC 復(fù) 位 電路，SW1 一端接地，一端接單片機(jī)NRST 引腳。SW1 沒按下時(shí)，NRST 引腳呈低電平，按下SW1后NRST 引腳呈高電平使單片機(jī)復(fù)位。

2.1.4 電源電路

數(shù)據(jù)線一端連接電腦USB 接口，另一端連接單片機(jī)，給單片機(jī)提供5V 直流電，單片機(jī)工作電壓是3.3V，因此需要電壓轉(zhuǎn)換。電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖6 所示。本文采用的是AMS1117-3 系列穩(wěn)壓器，可以將5V 直流電轉(zhuǎn)化成3.3V[5]，1 號(hào)引腳接GND，3 號(hào)引腳接5V 輸入，2 號(hào)與4 號(hào)引腳輸出3.3V 電壓給MCU。

圖6 電壓轉(zhuǎn)換電路原理圖

2.2 DHT11 溫濕度傳感器電路

DHT11 溫濕度傳感器電路原理圖如圖7 所示。

圖7 DHT11 溫濕度傳感器電路原理圖

在VCC 和DAT 引腳之間接入一個(gè)阻值4.7k 的電阻作為上拉電阻，如果不加上拉或者下拉電阻，DAT 引腳處于浮空狀態(tài)，輸出的數(shù)據(jù)將在0 和1 之間不斷跳變，加入上拉電阻R1 之后，可以將電位鉗制在高電平不會(huì)跳變，保證數(shù)據(jù)正確傳輸。DHT11 溫濕度傳感器的串行數(shù)據(jù)接口DAT 與PA0 引腳連接，電源引腳VCC 接5V 電源，接地引腳GND接地，3 號(hào)引腳不接。

2.3 光敏電阻模塊電路

光照傳感器采用光敏電阻模塊方案。光敏電阻模塊電路原理圖如圖8 所示。

圖8 光敏電阻模塊電路原理圖

4 號(hào)引腳VCC 為電源引腳，接5V 電壓，3 號(hào)引腳接地，1 號(hào)AO 引腳輸出模擬信號(hào)，本文中無需接單片機(jī)引腳，2號(hào)引腳DO 為數(shù)字量輸出接口，用于輸出經(jīng)過內(nèi)部比較器得到的0 或1 信號(hào)。DO 引腳與單片機(jī)PA3 引腳直接連接，通過輸出高低電平，來檢測(cè)光強(qiáng)變化。

2.4 LCD1602 液晶顯示模塊電路

顯示模塊由LCD1602 液晶和10k 的電阻組成。原理圖如圖9 所示。

圖9 顯示模塊電路原理圖

將一個(gè)10kΩ 的電阻PR1 連接LCD1602 的AO 引腳后接地，用來調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度，讓LCD1602 顯示更加清晰。LCD1602 液晶的工作電壓是4.5 ～5.5V。LCD1602 共有16 個(gè)引腳，顯示屏用來顯示溫濕度值和問候語。STM32單片機(jī)的PB5-PB15 與LCD1602 連接，VDD 和A 接5V 電壓，VSS 和K 接地。

2.5 LED 照明模塊電路

LED 照明模塊電路原理圖如圖10 所示。

圖10 照明模塊電路原理圖

該電路由白色高亮LED 燈、一個(gè)NPN 型三極管和3 個(gè)電阻組成。高亮LED 燈的正極接100Ω 電阻R5 后連接5V電源，電阻R5 主要起限流作用，保護(hù)LED 燈不被燒毀。負(fù)極接在NPN 型三極管Q1 的集電極，三極管基極通過100Ω 的電阻R3 連接單片機(jī)PA1 引腳，電阻R3 是限流電阻，用來保護(hù)三極管，發(fā)射極接地。電阻R4 是下拉電阻，在單片機(jī)復(fù)位以后，PA1引腳處于浮空狀態(tài)，跳變輸出0與1，會(huì)對(duì)三極管導(dǎo)通與截止造成影響，無法使用。加電阻R4 可以將PA1 引腳電位鉗制在低電平，此時(shí)三極管不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)單片機(jī)PA1 引腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，高亮LED 燈點(diǎn)亮。

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

程序采用C 語言編寫。主程序需要通過使用while 循環(huán)來對(duì)各個(gè)模塊代碼進(jìn)行不斷循環(huán)執(zhí)行。主程序流程圖如圖11 所示。

圖11 主函數(shù)流程圖

程序開始運(yùn)行，先對(duì)時(shí)鐘、I/O 口、定時(shí)器和USART串口進(jìn)行初始化。初始化完成后，程序開始進(jìn)入while 循環(huán)，單片機(jī)讀取溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行光照條件判斷，若環(huán)境光照低于程序設(shè)定閾值時(shí)，控制GPIO 引腳打開LED燈，通過LCD1602 顯示當(dāng)前的溫濕度信息，程序進(jìn)入下一次循環(huán)。

3.2 各個(gè)模塊程序設(shè)計(jì)

3.2.1 初始化程序設(shè)計(jì)程序開始執(zhí)行后先對(duì)串口、時(shí)鐘、I/O 端口初始化。初始化函數(shù)如表1 所示。

表1 初始化函數(shù)

3.2.2 DHT11 溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)

DHT11 采集數(shù)據(jù)時(shí)，先將I/O 引腳定義為輸出，給總線18ms 的低電平信號(hào)，然后設(shè)置I/O 引腳為上拉輸入模式。如果傳感器工作正常，則拉低I/O 口80μs，將I/O 口拉高80μs。DHT11 程序流程如圖12 所示。

DHT11 數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式，單個(gè)數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸；其數(shù)據(jù)包由5Byte（40Bit）組成：數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。DHT11 的數(shù)據(jù)格式為：8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 校驗(yàn)和，其中校驗(yàn)和數(shù)據(jù)為前四個(gè)字節(jié)相加[6]。在單片機(jī)接收DHT11 發(fā)送的四個(gè)字節(jié)時(shí)，以每一個(gè)字節(jié)為單位，從高到低依次接收，由于“0”為50μs 的低電平加26～28μs 的高電平，“1”為50μs 的低電平加70μs 的高電平。

3.2.3 光敏電阻傳感器程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過光敏電阻傳感器采集光照信息，并通過LM393 比較器輸出高低電平。因此定義如下函數(shù)，完成光照條件的判斷。光照判斷模塊函數(shù)如表2 所示。

表2 光照判斷函數(shù)

由電路原理圖可知，光敏電阻傳感器的2 號(hào)引腳DO與單片機(jī)的PA3 口連接，通過按鍵掃描函數(shù)和按鍵初始化函數(shù)可以檢查用來實(shí)時(shí)檢測(cè)PA3 引腳的高低電平狀態(tài)，當(dāng)check_light PAin（3）為1 時(shí)，光照標(biāo)志Light_flag 置為L(zhǎng)，代表此時(shí)外界光照條件為暗，否則為H，代表光照條件為亮。

3.2.4 LCD1602 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)LCD1602 液晶需要定義函數(shù)，如表3 所示。

表3 LCD1602程序定義的函數(shù)

在main 函數(shù)中主要調(diào)用Lcd_Init()和Lcd_Puts()兩個(gè)函數(shù)。LCD1602 液晶初始化程序流程圖如圖13 所示。

圖13 LCD1602 液晶初始化流程圖

本系統(tǒng)的問候語、溫濕度和光照信息，在主函數(shù)中通過調(diào)用Lcd_Puts()函數(shù)進(jìn)行顯示。當(dāng)需要寫入字符進(jìn)行顯示時(shí)，首先執(zhí)行Lcd_Init() 函數(shù)進(jìn)行初始化，其次調(diào)用Lcd_Puts() 函數(shù)寫入字符串。Lcd_Puts()函數(shù)調(diào)用寫入數(shù)據(jù)函數(shù)Lcd_Write_Data()和設(shè)置位置函數(shù)Lcd_SetXY()。根據(jù)LCD1602 時(shí)序可知，設(shè)定E 為高脈沖，RS 為高電平，RW為低電平，可進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)送至D0～D7，因此編寫寫入數(shù)據(jù)函數(shù)Lcd_Write_Data()。

3.2.5 LED 控制程序設(shè)計(jì)

當(dāng)光照不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)程序打開LED 燈。由電路圖可知，單片機(jī)PA1 引腳連接高亮LED 燈電路。定義如表4 所示的函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)以上功能。

表4 LED燈控制函數(shù)

通過BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)函數(shù)配置GPIO引腳地址。若為1 則LED 燈打開，否則關(guān)閉。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件焊接

將各個(gè)元器件的位置預(yù)先擺放好，確保元器件之間距離合適，防止背面焊接時(shí)引腳間距過短，導(dǎo)致焊接過程中出現(xiàn)短接的情況。其次在焊接二極管和三極管時(shí)應(yīng)注意焊接時(shí)應(yīng)選用20～75W 電烙鐵，加熱到300℃～350℃，每個(gè)管腳焊接時(shí)間應(yīng)小于4s，并保證焊接部分與管殼間散熱良好。二極管和三極管應(yīng)安裝牢固，盡量避免靠近電路中的發(fā)熱元件。經(jīng)過電壓測(cè)量后可知供電正常，通電后5V 供電測(cè)試結(jié)果為5.1056V，3.3V 供電測(cè)試結(jié)果為3.3022V，硬件電路制作完畢。電壓測(cè)量結(jié)果如圖14 和圖15 所示。

圖14 5V 供電情況測(cè)試

圖15 3.3V 供電情況測(cè)試

4.2 調(diào)試結(jié)果

（1）液晶顯示模塊及DHT11 模塊調(diào)試：開機(jī)后，DHT11 溫濕度傳感器電源指示燈亮起，說明供電正常。系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化完畢后，LCD1602 能夠正確顯示問候語、當(dāng)前溫濕度。如圖16 所示。

圖16 LCD1602 顯示界面

（2）光敏電阻及高亮LED 燈模塊調(diào)試：用瓶蓋遮住光敏電阻，可以看到LED 燈能夠根據(jù)程序設(shè)定自動(dòng)打開。如圖17 所示。

圖17 高亮LED 燈打開

5 總結(jié)

經(jīng)過調(diào)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫濕度監(jiān)測(cè)并通過液晶顯示以及光控LED 燈開關(guān)功能。但也存在一些不足之處，在焊接過程中要注意元器件布局問題，本次焊接過程中由于元器件位置擺放不好，增加了焊接難度。由于供電引腳集中在一起，焊接的時(shí)候容錯(cuò)率很低，VCC 焊接容易碰到GND，導(dǎo)致無法正常供電。DHT11 溫濕度傳感器模塊和光照傳感器模塊，都是采用插在單排座上的方式，容易掉落，在不影響正常供電情況下，可以使用適量膠水固定。洞洞板焊接方式較為原始，但證明了設(shè)計(jì)的可行性，后續(xù)可以改成PCB 以及貼片電阻的方式，有利于批量生產(chǎn)，且系統(tǒng)更加穩(wěn)定。