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本课题设计了基于STM32F103C6T6单片机为主控核心的居室安全报警系统。为了解决家庭居室的安全监控#xff0c;通过温湿度芯片SHT30、烟雾传感器MQ-2、天然气传感器MQ-4来获取居室的温湿度、烟雾、天然气含量#xff0c;使用了一个热释电传感器、菲涅耳透镜、红外传感…系统简介本课题设计了基于STM32F103C6T6单片机为主控核心的居室安全报警系统。为了解决家庭居室的安全监控通过温湿度芯片SHT30、烟雾传感器MQ-2、天然气传感器MQ-4来获取居室的温湿度、烟雾、天然气含量使用了一个热释电传感器、菲涅耳透镜、红外传感信号处理器等元件组成的HC-SR501传感器检测是否有人。居室内通过LED灯与蜂鸣器实现室内报警远端通过ESP8266并结合机智云平台实现手机APP的远程报警并借助能够发送短信的GSM模块SIM800L实现短信途径辅助报警在居室可以直接观察数据通过OLED查看环境变量远端可以通过手机APP查看环境变量及设置相关报警参数。关键词GSM模块STM32F103C6T6ESP8266机智云引言我国现在如今的社会非常快的发展人民的日常生活也在逐渐的不断的提高。但是随之来到身边的还有逐渐增多的隐患。现代的居室生活中人们利用各种电器、天然气等工具方便我们的生活。当这些工具带来方便的同时也带来了居室中许多不安全的因素例如天然气泄漏、火灾等都会给家庭带来或轻或重的损失。随着小康社会的普及及人口的流动性逐渐增大入室盗窃的犯罪率逐渐增大传统防盗门再配置锁有一定的防盗作用并且作为家庭防盗的第一道有效的保障是非常有用的但是在居室安全方面可以做的更好。近几年物联网也同样发展的很快随着各种芯片与传感器的飞速发展给居室安全带来了创新型的保障。以单片机作为保障的大脑以传感器为感知元件能够为居室安全提供进一步有效的保障例如对居室的天然气、烟雾、是否有盗贼进入居室等隐患进行实时监控若出现问题能够及时远程通知户主进行处理。近些年来电子技术、传感器技术、计算机技术飞快发展居室安全报警的相关产品也随着越来越多。国外例如博世、西门子等品牌公司国内例如海尔、格力、小米等品牌公司研发了成套的智能家居系统其中也包含了本设计中的居室安全系统。可以看见居室安全报警系统将成为居室非常重要的组成部分。想要实现各种功能要用到MCU还有各种硬件互相沟通的技术能够检测特定数值的sensor技术三种技术设计的居室安全报警系统这里的MCU相当于人类的大脑每一个sensor负责检测室内环境的各种数值。传感器模块再将自己采集到的连续变化的信号数据通过芯片变为单片机能认识的0或1信号从而能够准备的做出相应的判断。如果有天然气泄漏或烟雾或非法入侵则SIM模块将发送报警短信到指定手机上并且手机APP也可以查看报警信息。居室内也会进行声音与灯光报警。本设计使用STM32F103C6T6作为项目的主控芯片结合热释电传感器实现防盗检测结合GSM模块与ESP8266实现远程报警与通知采用1.3寸OLED及时显示信息。并且本设计具有温度检测、烟雾检测功能。而且还有天然气检测、湿度检测等功能并可对这些环境变量进行监测实现天然气泄漏报警与火灾报警。1 系统总体设计1.1 设计内容和要求本设计有两个大块领域知识组成关于电子的硬件关于代码的软件。硬件的设计有STM32F103C6T6单片机最小系统电路、天然气传感电路、烟雾传感器电路、检测人体的传感器电路、GSM短信系统电路、ESP8266电路、温湿度传感器SHT30电路等。因为居室安全报警系统主要由烟雾传感器、天然气传感器、人体感应传感器这三个数据模块来实现安全的检测所以本设计的居室安全报警系统主要由STM32单片机主控电路、烟雾传感器、天然气传感器、人体检测、报警模块来实现。当室内由火烧起来时候随着升高的就是烟雾单片机通过自身所有的ADC功能读取烟雾传感器的模拟量并在系统内部通过算法计算当前烟雾浓度含量。当烟雾的含量上升到居室安全报警系统设定的危险数值时单片机会进行烟雾报警。天然气的原理与烟雾传感器一致天然气已经是家家户户都在使用的能源所以天然气泄漏不仅可能造成火灾还会造成天然气中毒所以天然气报警检测可以提前预防火灾的发生也可以防止天然气中毒发生。当人们离开居室居室的安全没有人保障居室安全报警系统可以在人走之后手动或远程激活防盗功能。当有人在居室无人期间偷偷进入居室人体感应传感器可以检测到人体的存在并在输出引脚改变数字信号到单片机。单片机会定时读取人体感应传感器的数字信号发现有人入侵立即实现防盗功能。具体的实现功能要求在下方列出1检测室内烟雾的浓度一旦超出设定数值进行报警处理2检测室内天然气的浓度一旦超出设定数值进行报警处理3防盗模式时检测是否有人非法入侵一旦发现进行报警处理4能够通过手机APP及按键设置防盗模式。1.2 系统总体设计框图整个系统围绕MCU单片机进行设计具体的框图如图1-1所示。图1-1系统总体设计框图1.3 系统设计的总体思路根据实现的功能可以看出居室安全报警系统的硬件电路包括了I/O电路、MCU、扩展的传感器模块等组成。该设计包括了Hardware Design和Software Design两大部分。根据相关需要选择能够完成要求的模块。烟雾通过MQ-2传感器检测、天然气通过MQ-4传感器检测、温度与湿度通过将温湿度测量集成于一身的SHT30芯片负责完成任务。对于防盗的检测采用人体红外检测室内是否有人。为了实现出现安全问题向指定联系人发送短信采用了SIM800L芯片实现发送短信、打电话等功能。为了实现与手机APP的通信采用ESP8266结合机智云平台为ESP8266烧写机智云固件再在MCU上通过机智云协议与ESP8266通讯将MCU的串口信号转换为网络协议传输到机智云平台有机智云平台转发到手机APP中。为了将数据通过可视化技术显示到液晶屏上采用1.3寸的OLED显示屏显示各种数据。所涉及的硬件从单独模块的设计与调试开始先设计好每一个芯片的系统确定每一个最小系统能够正常工作。再根据主控芯片的功能引脚设计整个项目的原理图分配好STM32丰富的硬件资源。软件应该分为数据监测部分、报警部分、网络通讯部分等多个组成部分。很多程序均是通过中断的方式实现的以此提高报警的及时性。在软件中数据的上报与获取程序中采用了串口中断来及时的快速的处理数据。在报警程序中GSM短信模块同样采用串口方式发送数据与接收数据。通过对相关因素进行综合的考虑本文在对软件进行设计的过程中选择了C语言手机APP方面采用Java语言。C语言属于面向过程语言所以可移植性不强但是在C语言中采用结构体编程可以大大提高C语言的可移植性。安卓APP的开发语言有C语言、JAVA、其他语言但用的人最多的还是Java语言这个语言有着令人惊讶的变化。Java语言属于面向对象语言虽然Java相比C语言运行速度低但是多样化开发工具以及各种强大jar包的支持使Java功能非常强大。1.4 主控芯片的选择方案1采用STM32F103这一类的MCU作为系统的主控芯片。STM32F103它的逻辑处理能力强可以很好的与其他的模块进行通信这款设计需要使用到的模块很多就需要很快的处理速度与其他模块连接需要更丰富的IO接口系统的运行能力也需要稳定。在型号上的选择STM32系列的F103C6T6与F103C8T6型号相比在价格上性价比更高在性能与存储容量上F103C6T6的FLASH与RAM是F103C8T6的二分之一定时器减少了一个定时器4串口减少了一个串口3。对于本设计F103C6T6型号单片机完全满足本设计需求。方案2采用STC89C51单片机为系统的主控芯片。51单片机操作简单但与本此设计所使用的各个模块连接性较差处理速度较慢信息处理精度也比较差IO接口也更少不适用于作为本系统的控制器。为确保系统运行的稳定性更好的实现所需的功能信息处理能力更强综合考虑我们选用了功能更为强大的STM32F103单片机为系统的主控芯片。这款模块的数据处理能力强大并且它拥有很完善的扩展输入输出接口与很多的外围设备兼容性较好它可以连接到两个APB总线[2]。2 系统的硬件设计2.1 硬件总体设计方案硬件部分由STM32F103C6T6单片机作为主控芯片围绕着主控芯片模块我们根据要求选取功能更强兼容性更好的模块来实现功能采用模块化设计的硬件系统。整体硬件框图如图2-1所示。图2-1硬件框图3 系统软件设计3.1 软件系统整体设计在开发软件时基于模块化设计的概念同时考虑每个模块功能之间的总体协调。系统软件分化为多个子程序每个子程序基本上对应于硬件模块。在进行软件系统的开发设计时保证系统整体化的同时逐级来实现所需要的功能基于主控系统的数据处理采用模块化编程。把系统的要求进行细分保证每个部分的功能实现有个整体的主程序流程在主程序下还有子级程序由每一部分的子程序将总体的功能实现这样就由一系列功能单元组成了此次设计的系统。这种设计方式也会减少程序复杂度使得后期修改程序时能直观明了看懂编写的程序。本系统功能模块包括多个功能模块主要包括温湿度传感器模块、烟雾传感器模块、天然气传感器模块、声光报警模块、GSM模块、按键模块、显示屏模块等。具体的功能设计如图3-1。图3-1软件框架图4 系统调试4.1 硬件系统调试进行完硬件的选购后开始用Altium Designer软件绘制原理图。检查没有问题后继续用该软件绘制出PCB进行板子的制作。经过5天的等待收到中国PCB工厂制作好的PCB。下一步就可以进行焊接元器件测试各功能模块的硬件是否正常供电线路是否正常联通有无短接情况。将PCB板与电子元件焊接完成后进行通电测试。图4-1硬件上电图上图展示了实物打开电源开关的上电状态LED灯正常工作。4.2 软件系统调试4.2.1 程序的烧写硬件正常运行必须有软件的支持烧写程序是编程的第一步。Kei软件的MDK版本提供了STM32系列单片机的程序烧写功能。下载器可以选择J-Link或者ST-Link本设计采用STM官方的ST-Link下载程序。首先配置好Keil的下载器选择。图4-2烧写软件配置图配置好烧写软件的配置才可以实现程序的烧写。电脑使用USB连接ST-Link下载器由于主控芯片采用USB电源供电所以ST-Link上的3.3V电源引脚就不需要用杜邦线和下载口的电源线连接了。最终下载器只需要使用3根线GND、SWDIO、SWCLK与STM32F103C6T6对应引脚相接。使用Keil软件先进行编译源码然后点击Download按钮进行烧写程序。4.2.2 温湿度显示调试目标是实现使用MCU读取SHT30的数据在MCU内进行转换再通过OLED显示出来。首先使用SHT30提供的库函数读取SHT30的温度与湿度数据。测试中使用串口将数据打印到电脑的串口接收助手中这样可以直观的观察数据。确认数据显示正常后可以将数据在OLED中显示显示效果如图4-3所示。图4-3OLED显示温湿度值4.2.3 烟雾与天然气调试烟雾与天然气的检测需要使用到AD检测使用STM32F103的内部ADCDMA传输可以提高ADC效率减轻主函数的工作量。还要初始化DMA在初始化代码中可以看出DMA将ADC结果存放到ADC_Trans Voltage数组当中在读取数据时只需要读取数组内的数据即可得到ADC数值。在主程序中将数组中的数值进行转换并通过OLED显示。将数组中的数值转换为电压值再将带你呀值转换为百分比最终在OLED中显示小数点前两位及小数点后一位。显示效果如图4-4所示。图4-4烟雾、天然气的OLED显示5 总结经过老师的指导,我按照计划有条不紊的完成了该设计。通过此次课程设计我重新认识到了自学对我的重要性以及学以致用的道理。同时也认识到了图书馆的重要作用。该课题的主要任务是开发一个以STM32F103单片机为核心的居室安全报警系统在设计上有硬件设计和软件设计。硬件设计就是选择合适的元器件和绘制原理图与PCB在会画PCB过程中要确保连线的空隙线的宽度元件的构造不仅要实现功能还要将PCB设计的雅观。软件采用了运行速度最快的C语言用来对实现本设计的要求。通过实验证明本次设计符合设计的要求能实现对句是安全的控制功能性较强具有一定的实践意义将会在许多局面应用。。本次毕设将在大学所学的四年的知识进行了汇总无论是在设计资料的收集中还是确定方案的过程中还是最终的制作实物学到许多知识也弄懂了搞清楚了许多以前不是很清楚的问题。在做毕业设计的过程中是人生的一种锻炼进入社会之前的一种锻炼将之前的学习的理论知识运用到了实际当中可以对知识理解的更深。文章底部可以获取博主的联系方式获取源码、查看详细的视频演示或者了解其他版本的信息。所有项目都经过了严格的测试和完善。对于本系统我们提供全方位的支持包括修改时间和标题以及完整的安装、部署、运行和调试服务确保系统能在你的电脑上顺利运行。