基于STM32單片機(jī)的智能加濕器設(shè)計(jì)

本文介紹了一種基于STM32單片機(jī)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(guò)單片機(jī)處理并顯示在OLED屏幕上。

用戶(hù)可通過(guò)按鍵模塊設(shè)置閾值，并在檢測(cè)值與設(shè)定值不符時(shí)自動(dòng)關(guān)斷或報(bào)警。設(shè)備支持手動(dòng)、自動(dòng)、定時(shí)和遠(yuǎn)程四種控制模式。系統(tǒng)程序在MKD5軟件上開(kāi)發(fā)并經(jīng)過(guò)調(diào)試，現(xiàn)已穩(wěn)定運(yùn)行，提升了用戶(hù)體驗(yàn)，并有進(jìn)一步改進(jìn)的潛力。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)由stm32單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。其中單片機(jī)做核心與其他模塊互相配合實(shí)現(xiàn)各類(lèi)功能。霧化模塊開(kāi)關(guān)通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接控制單片機(jī)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

控制單元

因?yàn)閱纹瑱C(jī)具有高集成度、實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高、易于擴(kuò)展與開(kāi)發(fā)且性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采用stm32f103c8t6作為核心控制樞紐，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。

傳感器模塊和可調(diào)電位器

該設(shè)計(jì)使用單總線(xiàn)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(qiáng)、數(shù)字信號(hào)輸出、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。DHT11溫濕度傳感器模塊的串行數(shù)據(jù)線(xiàn)接4.7 KΩ上拉電阻后與單片機(jī)的PB14引腳相連。測(cè)量水位采用水位/水滴傳感器，該傳感器通過(guò)一排平行裸露導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)跡測(cè)量水滴/水量大小，實(shí)現(xiàn)水量到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中水位傳感器與stm32單片機(jī)的PA6引腳相連。

采用濁度傳感器型號(hào)為T(mén)SW-30，其內(nèi)部是一個(gè)紅外線(xiàn)對(duì)管，根據(jù)水中懸浮固體總量變化對(duì)透光率產(chǎn)生影響來(lái)測(cè)量透光率，并把透過(guò)光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電流，透過(guò)的光多電流就大，反之則小。此設(shè)計(jì)應(yīng)用該模塊的模擬量輸出接口AO，與單片機(jī)PA5引腳相連。采用2 K可調(diào)電位器，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)軸改變動(dòng)觸點(diǎn)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(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。在本設(shè)計(jì)中其頂部引腳接3.3 V，中間引腳接單片機(jī)PA4,底部引腳接地。

蜂鳴器報(bào)警電路

蜂鳴器采用無(wú)源蜂鳴器，在設(shè)計(jì)中加入了一個(gè)NPN型三極管，用以放大電流驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，三極管做開(kāi)關(guān)用，由stm32單片機(jī)判斷水位和濁度數(shù)據(jù)后對(duì)三極管基極發(fā)送脈沖信號(hào)，拉低或拉高基極電壓，拉低時(shí)蜂鳴器斷電拉高時(shí)通電。這樣即可實(shí)現(xiàn)閾值報(bào)警功能，蜂鳴器電路如圖2所示。

圖2 無(wú)源蜂鳴器電路

esp8266Wi-Fi模塊

本設(shè)計(jì)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(jī)與機(jī)智云服務(wù)器連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。模塊的LRXD引腳和UTXD引腳分別與單片機(jī)串口TX(PB10)和RX(PB11)相連，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信。

按鍵與顯示模塊

按鍵模塊采用四位獨(dú)立按鍵。顯示模塊采用0.96英寸OLED顯示屏，其驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1306，由I2C總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)，該模塊不需背光顯示，每個(gè)像素可獨(dú)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(diǎn)，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備，本設(shè)計(jì)中為其提供3.3V電壓用以顯示檢測(cè)到的溫濕度等信息。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(rùn)并含有豐富的負(fù)氧離子。

在本設(shè)計(jì)中霧化片由L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，該模塊是雙橋電路設(shè)計(jì)，通過(guò)控制H橋上電流方向?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，在本設(shè)計(jì)中用到IN1和IN2引腳，IN2引腳接地IN1引腳接單片機(jī)PA2,IN1輸入高電平霧化片啟動(dòng)進(jìn)行加濕，輸入低電平霧化片停止加濕，通過(guò)改變IN1高電平占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)加濕器工作功率的控制。

軟件設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)編程使用MDK5軟件。編程主要實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備初始化、溫濕度檢測(cè)、水位檢測(cè)、水濁度檢測(cè)、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(dòng)/自動(dòng)/定時(shí)/遠(yuǎn)程模式后，單片機(jī)對(duì)各設(shè)定值與當(dāng)前值進(jìn)行數(shù)比對(duì)，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(duì)結(jié)果判斷是否進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警關(guān)斷加濕。其中在遠(yuǎn)程控制模式下，單片機(jī)通過(guò)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(yùn)行流程如圖3所示。

按鍵與OLED顯示模塊程序設(shè)計(jì)

OLED屏幕每個(gè)像素與SSD1306顯存點(diǎn)陣一一對(duì)應(yīng)，所以單片機(jī)對(duì)SSD1306芯片寫(xiě)入數(shù)據(jù)或命令即可實(shí)現(xiàn)屏幕在相應(yīng)點(diǎn)的顯示。顯示的漢字通過(guò)字模生成軟件生成，把文字生成的代碼放入OLED的字庫(kù)里，因?yàn)闈h字是16位長(zhǎng)度，而SSD1306顯存1頁(yè)是8位長(zhǎng)度，所以漢字分上下兩部分，分別寫(xiě)入顯存第一頁(yè)和第二頁(yè)，以此在主屏幕上拼出一個(gè)完整漢字。需要顯示幾個(gè)漢字就在字庫(kù)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(guò)調(diào)用這些函數(shù)完成屏幕對(duì)數(shù)據(jù)的顯示。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

按鍵模塊主要設(shè)計(jì)是，通過(guò)按鍵掃描函數(shù)KEY＿Scan()，判斷有無(wú)按鍵按下，當(dāng)有按鍵按下延時(shí)10 ms去除抖動(dòng)，之后識(shí)別哪個(gè)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(jí)k0>k1>k2>k3，所有按鍵設(shè)置彈起時(shí)為高電平，按下時(shí)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(jìn)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(dòng)、自動(dòng)、定時(shí)、遠(yuǎn)程模式，分別對(duì)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(yè)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(jìn)入時(shí)間與定時(shí)設(shè)定和閾值與單次按鍵增量設(shè)定選擇界面，此時(shí)k2與k3分別為上換行鍵和下?lián)Q行鍵，翻頁(yè)到要選擇的設(shè)置位置后k1為確認(rèn)鍵，進(jìn)入進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置界面或退出此界面。

數(shù)據(jù)采集與報(bào)警程序

DHT11溫濕度傳感器代碼設(shè)計(jì)包括初始化、延時(shí)越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)、讀取數(shù)據(jù)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)等步驟。水位傳感器代碼設(shè)計(jì)涉及設(shè)置閾值、讀取水位信號(hào)、判斷水位狀態(tài)等。濁度傳感代碼包括光電信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和濁度值計(jì)算等。在主程序中通過(guò)對(duì)該部分外設(shè)函數(shù)的調(diào)用，可實(shí)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(bào)警。也可通過(guò)數(shù)據(jù)值對(duì)輸出占空比進(jìn)行設(shè)置。

機(jī)智云程序

注冊(cè)登錄機(jī)智云賬號(hào)，進(jìn)入開(kāi)發(fā)者中心創(chuàng)建產(chǎn)品，本設(shè)計(jì)所選用Wi Fi/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方案，通信方式為WIFI，數(shù)據(jù)定長(zhǎng)功耗低。創(chuàng)建好項(xiàng)目后根據(jù)設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)點(diǎn)，選擇讀寫(xiě)類(lèi)型和數(shù)據(jù)類(lèi)型。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖4所示。包含遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、溫度、濕度、加濕器，和濁度數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符及數(shù)據(jù)類(lèi)型。

圖4 IOT云平臺(tái)產(chǎn)品功能的數(shù)據(jù)點(diǎn)

在設(shè)計(jì)時(shí)用機(jī)智云自動(dòng)生成MCU開(kāi)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(lái)的數(shù)據(jù)點(diǎn)等信息，通過(guò)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(shí)間對(duì)緩沖區(qū)抓包，抓包正確進(jìn)行解析，推送到數(shù)據(jù)事件處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)事件執(zhí)行相應(yīng)邏輯。

同樣，單片機(jī)也通過(guò)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(jì)中創(chuàng)建了ctrol寫(xiě)等類(lèi)型數(shù)據(jù)，根據(jù)這些類(lèi)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(jī)上，并通過(guò)固件燒錄工具把固件庫(kù)燒寫(xiě)入ESP8266模塊中。移植燒寫(xiě)完成后驗(yàn)證設(shè)備端與Demo APP能否正常工作，將設(shè)備與手機(jī)處于同一局域網(wǎng)下，進(jìn)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(lè)鑫模組，按下配網(wǎng)按鍵，配網(wǎng)完成后可通過(guò)手機(jī)看到測(cè)得的各數(shù)據(jù)，可選擇遠(yuǎn)程控制的打開(kāi)與關(guān)閉，打開(kāi)時(shí)可滑動(dòng)加濕器滑塊控制加濕器功率。

結(jié)束語(yǔ)

本款基于STM32單片機(jī)的智能加濕器經(jīng)過(guò)多環(huán)境測(cè)試，能夠自由切換工作模式，并通過(guò)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(hù)可通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。水位和濁度傳感器配合蜂鳴器實(shí)現(xiàn)缺水和水污濁報(bào)警，避免了干燒、過(guò)度加濕及噴出污濁水汽的問(wèn)題，提升了安全性。