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具有蓝牙功能的温、湿度监测与调控系统

花匠小妙招
2024-12-05 17:55

        刘胜禹徐畅汪浩曹吉花
        宿州学院机械与电子工程学院安徽宿州 234000）
        摘要】
        本设计是一种功能多样化的温、湿度监测与调控系统，采用STM32单片机为核心，结合多个模块实现智能控制。该系统可用于存储仓库、恒温实验室等场所，对环境中的温、湿度进行监测并按设定对其进行调控；也可用于智能家居方面，通过智能调节，提供更舒适的居家体验。该系统具有测量精度高、调节速度快，功能多样、用户操作简便等优势。在极端天气愈加频繁、人类对环境要求日益严苛的今天，本设计的发展前景不可限量。

               【关键词】STM32单片机、温湿度传感器、蓝牙模块、wifi模块
        1、设计背景及意义
        温、湿度的测量与控制是生产生活领域非常重要的研究课题——无论是对环境舒适度的追求，还是保证工农业生产，都须对温、湿度等环境因素进行精确地测量和准确地控制。温湿度监测在保证产品质量、能源消耗、安全生产等方面至关重要，例如：温、湿度关乎到储备物资的质量；对精密仪器的使用寿命和工作可靠性造成影响等。由此可见，可靠性较高的多功能温、湿度监测与调控系统在生产生活中不可或缺。
        2、温、湿度传感器简介
        2.1温度、湿度传感器的工作原理及选择
        温度传感器是利用金属在变温时延伸的特点，并将该反应进行信号转换而制成的传感器；根据本设计的使用场合，采用水分子亲和型湿度传感器，其利用水分子偶极矩大，易于附着并渗透入固体表面的特性，将感测到的湿度转化为电平信号。为达到节省I/O口和简化程序的目的，决定采用温湿度复合传感器DHT11。
        2.2温、湿度复合传感器DTH11简介
        DHT11是一款数字温湿度传感器，其精度湿度±5%RH，温度±2℃，量程湿度20-90%RH，温度0~50℃。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接，采用单总线数据格式。单个数据引脚端口完成双向传输，其数据包由5Byte（40Bit）组成，分小数、整数部分，一次完整的数据传输为40Bit，高位先出。该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。
3、系统硬件设计
3.1单片机
        本设计采用STM32F103单片机作为主控模块，其具有64KB SRAM、512KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA 控制器（共 12个通道）、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、112个通用IO口等。STM32开发板上还有3.3V、5V的电源输入/输出排针，DC6~24V的电源输入和后备电池接口，因此很容易找到合适电源给开发板供电并可保证在外部电源断电时，维持后备区域数据的储存以及RTC的运行。此外，STM32F103单片机开发板上丰富的硬件资源与外设接口也为本设计各项功能的正常使用提供了保障。
3.2显示模块
        本模块用于显示测得环境中的温、湿度数值，以便更加直观地获得信息。STM32开发板板载一个LCD接口，兼容全系列TFTLCD模块，该模块具有亮度好、对比度高、层次感强等优势。TFTLCD模块采用16位的并方式与外部连接以提高显示速度，它的80并口有6个信号线，分别为：CS（片选信号）、WR（写入）、RD（读出）、D[15:0]（16位双向数据线）、RST（硬复位）、RS（命令/数据标志）。将其与开发板连接，初始化连接IO口，通过设计函数来重复“设置坐标→写GRAM指令→写GRAM”操作，就可以在显示屏上显示数字/字符了。
3.3蓝牙模块
        蓝牙模块可让串口设备摆脱线缆束缚，实现无线通信。本设计采用HC05主从一体蓝牙模块，其兼容3.3/5V单片机，通信工作电流为5~20mA，支持波特率范围较广，有效通信距离10~20米。对蓝牙模块进行程序的编写和模式的设置可实现单片机与手机/单片机之间的蓝牙连接与数据传输。
4、系统框图和程序框图
4.1系统框图
        本设计以STM32单片机为主控模块，结合蜂鸣器报警电路、温湿度传感器、TFTLCD显示模块、蓝牙模块、语音模块等实现如下功能：当前环境温、湿度数值实时显示在显示屏上，用户可使用加减键盘设定或调整温、湿度的阈值，当测得环境中温、湿度在设定阈值以外时，蜂鸣器报警，同时启动控温、控湿设备，待温、湿度回复到正常范围，蜂鸣器、控温、控湿设备停止工作，系统回复正常；蓝牙/wifi模块的加入实现单片机与手机/电脑之间的无线通信，将实时温湿度数值无线传输到智能设备上，以进行系统工作状态与环境状态的远程监控。在使用该系统功能时，语音模块会播报提示音，以便于正确区分功能设置按键。

        图1：系统框图
4.2程序
        本设计的全部程序在Keil uVision5的环境下进行编写，采用模块化，对各功能模块进行工作方式、相关参数的设定后，在主函数中进行调用，以达到简化程序、修改便捷、使编程思路更加清晰的目的。以下为程序节选（HC05初始化）：

        图4：部分程序图
5、器件安装与调试
5.1器件调试
        提前购置元器件与所需模块，并对模块的可用性进行检测，保证质量与兼容性无误；绘制设计所需的电路板并完成打印，正确焊接后使用万用表等工具对其进行检测，防止漏焊、虚焊、短路等问题的发生。
5.2备用方案与改进
        在理论阶段提出切实可行的备用方案，以应对设计实物时软、硬件可能出现的问题；在设计过程中，可能会发现更适合的硬件选择与更合理的编程逻辑，应善于灵活变通，对原本方案进行改进。
【参考文献】
[1]马靖善，秦玉平.C语言程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005:75-98.
[2]库志强，张锡兵，杨扬.基于单片机的温湿度控制系统[J].扬子江药业集团，2006:16-21.
[3]匡宇国.智能传感器DHT11及其在便携式温湿度检测仪中的应用[J].浙江工贸职业技术学院杭州科研中心，2006:35-39.
宿州学院省级大学生创新创业训练计划项目资助，项目编号： S202010379149.