基于STM32单片机的居家环境检测控制系统设计

刘立北　刘燕红

关键词：STM32单片机；环境检测；系统设计；系统控制

中图分类号：TP368.1；TP274；TU855 文献标识码：A

0引言

目前随着电子信息技术与单片机的融合发展，以单片机为核心的各类控制系统被广泛应用于智能家居控制、各类信号灯控制、工艺流水线控制、食品安全检测等领域，给人们的日常生产生活带来了极大的便利。本文从居家环境的舒适度以及安全程度考虑，以温湿度以及有害气体含量测量控制为设计方向，设计了一套具有温湿度参数测量、有害气体含量检测、LCD显示以及报警提示等多种功能的居家环境检测控制系统。

在国内，基于STM32单片机的智能环境检测控制系统研究主要集中在以下几个方面：首先，通过采集环境参数，如温度、湿度、光照、气体浓度等，实现对环境的实时监测；其次，通过STM32单片机对采集的数据进行处理，实现对环境状态的判断和预测；最后，通过无线通信模块，如Wi-Fi、蓝牙等，实现数据的传输和远程控制。在国外，基于STM32单片机的智能环境检测控制系统研究则更加深入，呈现出多元化、智能化和网络化的趋势。例如，有学者利用STM32单片机与各种传感器结合，实现对环境的多参数监测和分析；还有一些学者则通过STM32单片机实现对环境设备的智能控制，如智能空调、智能照明等。总体来说，基于STM32单片机的智能环境检测控制系统在国内和国外都有广泛的研究，但是在实际应用中，还需要进一步优化并提高系统的稳定性和可靠性。

1系统组成与设计目的

本系统主要由单片机最小系统、有害气体检测模块、温湿度检测模块、调节模块、按键模块、LCD显示模块以及蜂鸣器报警模块等组成。本系统设计的目的在于对室内环境温度、湿度以及有害气体进行检测，得到参数并通过LCD显示模块进行显示。当检测参数超过系统设定的阈值时，通过对相应元器件进行升温降温和加湿除湿控制，实现对居家环境进行自动调节；而当有害气体浓度超过系统设定的安全阈值范围时，系统能够触发预警功能；当各项参数在正常设定阈值之内时，系统会停止报警以及调节工作。

2硬件设计

根据设计目的，设计出本系统的电路仿真原理图（图1），并且使用Proteus仿真软件进行仿真绘制。其具体电路设计如下。

（1）单片机最小系统：系统设计的控制核心主要由STM32F103R6、时钟电路、复位电路以及电源电路构成。配合系统的外围设计，最终实现对室内环境温湿度以及有害气体的检测、显示以及调节功能。时钟电路能让系统各部件协调工作，其是电子系统中的核心组成部分，能够确保系统的正常运行和高性能。时钟电路产生具有一定频率和稳定性的定时信号，这些信号在整个系统中作为参考，确保各个组件按照预定的时间顺序执行操作，在多部件或多处理器的系统中，时钟电路用于同步所有部件的操作。通过共享同一时钟信号，各个部件能协调一致地执行任务，避免数据冲突和混乱。本系统时钟电路选用8M的晶振。复位电路能够让系统回到初始的工作状态，复位系统的可靠性直接决定系统是否稳定。RESET与单片机NRST引脚连接，当RESET按钮悬空时，输入为高电平，当按下按钮时，输入为低电平，RESET接地，系统复位。本系统采用3.3 V直流电压。

（2）有害气体检测模块：在日常居住环境中，常见的有害气体有煤气泄漏的一氧化碳、甲醛等。一般要求，室内一氧化碳含量不大于0.002 4%，甲醛最高容许浓度则为0.08 mg/m³。本系统能够对室内有害气体进行检测，浓度超出设定的安全阈值时通过蜂鸣器进行预警。本系统有害气体传感器输出为模拟信号，通过PCF8591集成电路转换成数字信号以供STM32F103R6单片机进行处理。PCF8591是一款四通道8位模数转换器（ADC）和一通道8位数字模拟转换器（DAC）的集成电路，其具有多功能、低能耗的特点，能够进行模数转换和数字模拟输出。

（3）温湿度检测模块：本系统采用DHT11型温湿度传感器采集室内温度、湿度信息。DHT11是一种数字信号输出的温湿度传感器，具有良好的长时间稳定性与可靠性。DHT11具有低成本、应用简单的特点，常用于室内温湿度检测、气象站、温度控制器等领域。具体设计如图1所示。

（4）调节模块：在本系统中，当PB10引脚输出低电平时，经过PNP型三极管导通使得继电器Dl线圈得电，继电器则会由常闭状态转为常开状态，此时风扇能正常工作运转从而实现降温；而当PB10引脚输出高电平时，则风扇停止工作。同理，当PB11～PB13引脚输出低电平时，对应的加热器、加湿器、除湿器能够正常工作，从而达到对环境调节的目的；当引脚输出高电平时，对应元器件停止工作，實现了对居家环境的调节控制。

（5）按键模块：对系统功能的选择是通过按键操作实现的，PB8连接的按键能够对温度、湿度功能进行选择，PB6与PB7连接的按键能够分别实现对选择参数的加与减，PB9连接的按键是对相应参数改变的二次确认。本模块能够实现对各个参数之间的来回切换与数值改变。

（6）LCD显示模块：LCD显示器具有低功耗、薄质和可视角度广的特点，广泛应用于各种电子设备，如显示器、电视、平板等。本系统能够通过LCD直观显示采集的各种参数，LCD显示器第一行是系统采集的参数，第二行是系统设定的参数。本系统采用LM016L型号进行仿真，其中RS、RW、E分别接PBO、PB1和PB2，DO～D7分别与PCO～PC7口相连接，如图1所示。

（7）蜂鸣器报警模块：设定对应参数信息的阈值，当检测值超过设定的阈值时，报警信号从PB14引脚输出低电平，经过PNP型（Q5）三极管驱动放大电流来控制蜂鸣器发音，从而实现预警报警功能。当PB14引脚输出高电平时，蜂鸣器停止报警。

3软件设计

软件设计部分主要采用C语言模块化程序设计方法。C语言广泛应用于底层开发，能以简易的方式编译、处理低级存储器，具有代码量小、运行速度快、功能强大等3个特点。本系统采用Keil软件进行C语言程序代码部分的编写。Keil支持多种编程语言，如C、C++和汇编语言，并包含各种功能强大的调试器和仿真器。该软件还提供了丰富的库函数和驱动程序，用于简化嵌入式系统开发过程中的常见任务。系统软件编译完成后，需要将设计的程序编译为.hex文件，然后下载到STM32F103R6单片机中，随后通过Proteus软件进行仿真，并测试系统设计的正确性。

本系统采用STM32F103R6单片机作为主控制芯片，主要实现了以下功能：温湿度、有害气体传感器数据的读取、LCD显示屏的处理、蜂鸣器报警以及风扇、加热器、加湿除湿的控制，当启动控制系统后，进入对程序的循环执行环节。当系统通电启动后，系统初始化，STM32单片机通过PCF8591集成电路的四通道8位模数转换器（ADC）采集有害气体浓度信息，通过对浓度检测情况与系统设定的阈值相比较后判断是否启动预警。将STM32单片机读取传感器采集的室内环境温湿度信息数据与系统设定的温湿度相关阈值相比较，然后判断是否启用降热发热、加湿除湿功能，直到温湿度通过系统功能调节后回到阈值范围之内，对应的降热发热、加湿除湿功能停止运作。STM32单片机将相关环境信息处理后，驱动LCD显示屏显示相关数据，最后完成循环。除了主要的系统检测控制程序之外，还有系统选择主程序、信号转化子程序和LCD显示程序等。由于篇幅所限，在此不做详述。

4系统仿真与调试

在经过系统硬件与软件设计后，进行Proteus与Keil软件的联合仿真调试，由于仿真时无有害气体检测传感器相关模型，于是采用滑动变阻器进行替代。在仿真时发现，当系统运行后，在LCD显示屏上第一行能够正常显示系统所采集的温湿度信息、有害气体含量参数，同时第二行能够显示系统所设定的相关参数阈值。通过DHT11传感器模拟环境升温发现，当系统温度超过设定阈值时，风扇能够正常运行；当系统温度重新回到阈值范围内时，风扇停止工作；当温度低于设定阈值时，加热器能够正常工作，加湿除湿功能也在上述操作下正常运行。而当手动调节数值模拟系统通过风扇、加热器、加湿除湿器完成对环境的调节后回到设定阈值时，该元器件停止工作。当模拟系统切换功能时，按下切换功能按钮，LCD显示屏能够在温湿度信息之间正常切换。在模擬有害气体检测过程中，通过移动滑动变阻器模拟有害气体浓度增加，当浓度超过系统设定阈值时，蜂鸣器能够正常发出预警信号；而当重新调节滑动变阻器模拟有害气体浓度降回到阈值范围内时，蜂鸣器停止报警。这证明了本系统设计的正确性。

5结语

经过一系列仿真发现，针对环境检测控制设计出的基于STM32F103R6单片机的环境检测控制系统，整体结构简洁，功能多样，同时也能够很好地完成系统预期目标，实现了对室内环境的温湿度、有害气体相关参数的检测，也能够对相关参数的结果进行智能化处理控制。本系统采用的STM32单片机比常见的51单片机有更好的性能、更强大的指令集和更丰富的外设接口，能够用于更复杂的场景，也能够采集更多的参数，之后可以在此系统上，加入更多的参数检测，如PM2.5浓度、光照强度、二氧化碳浓度等相关信息。但缺点是在高性能型号中，STM32单片机在成本方面略高于51单片机，但其拥有更优越的运算速度以及储存和处理能力，也有更完善的开发生态系统，日后可以结合互联网技术、无线操控技术、语音控制技术等，进一步实现基于互联网更加智能便捷的智能家居环境检测控制。总之，基于STM32单片机控制的系统能够实现自动化和智能化的检测控制需求，并且随着技术的进步和市场需求的变化，其应用领域还将进一步扩展和深化，基于STM32单片机的控制系统也将成为嵌入式系统设计中的热门选择。