智能窗簾系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u14200智能窗簾系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)案例綜述 1223191.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 1308221.2主控電路 2243471.3電源電路 3106501.4按鍵電路 4300061.5ESP8266WIFI遠(yuǎn)程控制模塊 4236231.6LM393光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊 5101991.7DHT11溫濕度檢測(cè)模塊 6265151.8LD3320語音控制模塊 848751.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 868611.10OLED顯示屏模塊 9180421.11HC-SR04超聲波測(cè)距模塊 101.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)在充分考慮智能窗簾控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STM32F103C8T6為主控器的智能窗簾控制系統(tǒng)的硬件電路，其功能模塊主要包括：光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、ESP8266WIFI模塊、DHT11溫濕度傳感器、語音識(shí)別模塊，按鍵電路、超聲波報(bào)警模塊等。利用C語言編寫程序，通過軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的智能控制。該智能系統(tǒng)可以用移動(dòng)手機(jī)app發(fā)送控制命令，隨時(shí)完成窗簾的控制及應(yīng)對(duì)相應(yīng)環(huán)境的智能控制等。系統(tǒng)框架如圖3-1所示：圖3-SEQ圖3-\*ARABIC1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖1.2主控電路在整個(gè)智能窗簾控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)當(dāng)中,控制器設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的，智能窗簾的所有功能都在控制器的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)前提下完成,而控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的策略則決定了整個(gè)系統(tǒng)的功能特征與可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6原理圖作為主控制芯片，選擇此款控制芯片能夠提供給外圍硬件電路更多的接口，更有利于擴(kuò)展所需外圍電路。具體設(shè)計(jì)過程中,各模塊硬件以及軟件部分力求相對(duì)獨(dú)立,給日后的產(chǎn)品更新和后續(xù)升級(jí)帶來了便利。STM32F103C8T6主控芯片的主要優(yōu)勢(shì)在于，芯片封裝體積較小，成本價(jià)格相比較于同系列的RCT6、RBT6等更低，但且成本低性能好[13]，是小型項(xiàng)目設(shè)計(jì)的性價(jià)比首選。通過對(duì)單片機(jī)課程的研究表明STM32單片機(jī)相比于8位的51系列單片機(jī)性能更好，STM32F103C8T6主控芯片性能更穩(wěn)定，且該芯片資源足以承擔(dān)本設(shè)計(jì)的程序和控制功能。STM32F103C8T6芯片內(nèi)部含有48KBSRAM、256KBFLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI通信接口、2個(gè)IIC通信接口、5個(gè)串口、1個(gè)USB口、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口及51個(gè)通用IO口。配置一些IO口外設(shè)使用，用于各個(gè)模塊與主控芯片STM32F103C8T6原理圖之間的連接。通過單片機(jī)從IO口輸出的高低電平來控制一些設(shè)備的開關(guān)。STM32F103C8T6原理圖芯片除了向外傳輸信號(hào)之外，還會(huì)接收一些模塊傳輸過來的信號(hào)，從而做出反應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的語句控制著整個(gè)系統(tǒng)。STM32F103C8T6單片機(jī)芯片接口原理如圖3-2所示：圖3-2STM32F103C8T6主控原理圖1.3電源電路本設(shè)計(jì)的供電電路是5V直流供電，在市電進(jìn)入電路之前，通過變壓器把電壓降低。過了變壓器就會(huì)通過一個(gè)降壓穩(wěn)壓電路。通過7805穩(wěn)壓三極管把電壓再次降下來，將電壓降到主控電路和外設(shè)所要求的5V直流電壓。供電電路如圖3-7所示。圖3-7電源電路1.4按鍵電路本設(shè)計(jì)按鍵電路采用獨(dú)立式按鍵電路，它是指每個(gè)獨(dú)立按鍵占用一個(gè)I/O輸出端口線并且各個(gè)按鍵之間互不影響。該控制電路不僅具有信號(hào)接口靈活，又有使用方便，適用于按鍵數(shù)量少的應(yīng)用電路。按鍵電路圖如圖3-6所示。圖3-6按鍵電路1.5ESP8266WIFI遠(yuǎn)程控制模塊本次設(shè)計(jì)采用了ESP8266-12FWIFI模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，而ESP8266-12FWIFI模塊也是一種大眾所使用的WIFI無線模塊，它不但在體積上較小在功能上還非常強(qiáng)，可以直接把用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上，從而完成兩者的互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[14]。ESP8266WIFI模塊是一款物聯(lián)網(wǎng)WiFi芯片，其內(nèi)部電路簡(jiǎn)單，但性能較為穩(wěn)定，利用ESP8266WIFI模塊連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，配合MQTT協(xié)議可連接阿里云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和接收，該模塊有三種工作模式，通常我們利用AT指令，對(duì)其進(jìn)行控制，使用該模塊連接服務(wù)器時(shí)，有一個(gè)必要前提就是需要連接WIFI無線網(wǎng)絡(luò)。其重要的產(chǎn)品參數(shù)如表3-3所示：表3-3ESP-12F產(chǎn)品重要參數(shù)模塊型號(hào)ESP-12F說明SPIPALAH9Mbit支持接口UART/GPIOUART/HSPI/I2C/I2S/GPIO/PWM串口速率4608000bps支持300~4608000bps,默認(rèn)115200bps頻率范圍2.4GHz2400~2481.5MHz工作電壓/電流1.3V1.0~1.6V，電流約為80mA工作溫度工業(yè)級(jí)-40°~+125°AT支持內(nèi)置智能化處理可通過AT指令命令讀取ESP8266-12FWiFi模塊核心處理器是ESP8266芯片，在較小尺寸封裝系統(tǒng)中整合了業(yè)內(nèi)世界領(lǐng)先的TensilicaL106超小功耗的32位微型微控制器，并具有16位精簡(jiǎn)模式，主頻支持80MHz和160MHz，支持RTOS，集成Wi-FiMAC/BB/RF/PA/LNA于一體，含板載天線。且支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議，具有完整的TCP/IP協(xié)議棧[15]。可利用該模塊為已有的設(shè)備增加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)控制器。WIFI遠(yuǎn)程控制電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5ESP8266-12FWIFI模塊通信電路1.6LM393光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊本設(shè)計(jì)的光照采集電路使用的是光敏電阻傳感器模塊，它使用了靈敏型的光敏電阻感應(yīng)器，通過比較器進(jìn)行輸出，信號(hào)干凈雜波少，波形好，最大驅(qū)動(dòng)能力可超過15mA?？梢允褂秒娢黄鱽碚{(diào)節(jié)需要檢測(cè)的光線亮度。工作電壓范圍在1.3V-5V之間。它的輸出形式為DO開關(guān)量輸出(0和1)和AO模擬量輸出（電壓)，采用寬電壓LM393比較器[16]。其引腳定義如下表3-2所示：表3-2光敏電阻傳感器模塊的引腳定義引腳號(hào)名稱說明1VCC供電電壓源正級(jí)2GND供電電壓源負(fù)極3DOTTL開關(guān)信號(hào)輸出4AO模擬信號(hào)輸出光敏電阻模塊對(duì)周邊自然環(huán)境光線較為敏感，普遍用來測(cè)量周圍環(huán)境的光線的光照強(qiáng)度的變化來觸發(fā)單片機(jī)或繼電器模組等。在周邊環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定的閾值范圍時(shí)，DO端提供高電平，當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，DO端提供低電平;DO輸出端可與單片機(jī)直接通過串口相連，通過單片機(jī)來檢測(cè)高低電平，由此來檢測(cè)周圍環(huán)境光照強(qiáng)度的改變;DO輸出端也可以直接控制驅(qū)動(dòng)繼電器模組，從而組成一個(gè)光控開關(guān)。小板的仿真模擬量輸出AO和AD模塊相連，再利用AD轉(zhuǎn)換，就可以得到所要檢測(cè)環(huán)境光照強(qiáng)度的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。光照強(qiáng)度檢測(cè)電路圖如圖3-4所示。圖3-4光敏電阻傳感器電路圖1.7DHT11溫濕度檢測(cè)模塊本設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度檢測(cè)模塊來實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)溫度和濕度變化。它具備緊湊體積小、超低功耗、響應(yīng)迅速、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并采用獨(dú)特的一線端口連接，數(shù)字量輸入輸出直接將溫濕度轉(zhuǎn)成串行數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)獲得精確的溫濕度數(shù)據(jù)。它還應(yīng)用了專門的數(shù)碼模塊實(shí)時(shí)采集技術(shù)和溫濕度傳感器技術(shù)。傳感器中包含了一組電阻式感濕元器件和一組NTC測(cè)溫元器件，并與一個(gè)高性能B位MCU相連接，數(shù)據(jù)處理更迅速[17]。該模塊還具有品質(zhì)優(yōu)良、性能卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器均在極精密的溫濕度校驗(yàn)室中完成了校正。校準(zhǔn)系數(shù)通常以程序的形態(tài)存在于OTP存儲(chǔ)器中,而感應(yīng)器內(nèi)部在測(cè)量信息的過程中要使用這種校正系數(shù)。單線制串行接口,使控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)工作更為簡(jiǎn)單方便。而且,它還具有超小型的體積、很低的功率。其重要技術(shù)參數(shù)如表3-1所示：工作電壓直流1.3v~5v溫濕度測(cè)量范圍0—100%RH濕度測(cè)量精度±2%RH溫度測(cè)量范圍-40℃—80℃溫度測(cè)量精度±0.5℃響應(yīng)時(shí)間濕度<5s、6s<溫度<20s工作電壓DC5V圖3-3DHT11溫濕度檢測(cè)電路圖1.8LD3320語音控制模塊本次設(shè)計(jì)采用了LD3320語音識(shí)別模組,它含有16個(gè)單片機(jī)IO口,包括有一個(gè)八位的IO擴(kuò)展端口、一個(gè)定時(shí)器、一個(gè)外部中斷,可為嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)完成控制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的語音識(shí)別電路和主控制器之間采取了串口通訊的方法,以便獲得通過語言標(biāo)識(shí)的指令,來實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾的控制功能[18]。LD3320語言辨識(shí)模塊使用LD3320語音辨識(shí)芯片,該芯片集成語音信號(hào)采集、識(shí)別算法于一體。能夠識(shí)別所有普通話的中文,且在芯片內(nèi)部?jī)?nèi)置設(shè)有語音識(shí)別處理器,此處理器能夠迅速而又穩(wěn)定的進(jìn)行非特定人語言識(shí)別,但需要提前錄制保存所使用的語言,并能夠識(shí)別所使用的語言并進(jìn)行相關(guān)的控制,因此辨識(shí)的精確度超高。語音識(shí)別模塊電路圖如圖3-8所示。圖3-8語音控制電路1.9電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用EG-530AD-2F加減速輪構(gòu)成減速電機(jī)來模擬及控制門窗開關(guān)狀態(tài),該電機(jī)有2個(gè)輸入信號(hào),A為高電平B為低電平的有效時(shí)間內(nèi),電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)模擬門窗開啟,反之窗簾則關(guān)閉。當(dāng)所有輸入都是低電平時(shí),電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。具體電路如圖3-9所示。圖3-9電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路1.10OLED顯示屏模塊本設(shè)計(jì)采用0.96寸OLED顯示屏，在硬件連接上通過串行SPI接口方式連接。從硬件上就是在單片機(jī)上選取2個(gè)普通的IO口充當(dāng)串行時(shí)鐘線和雙向數(shù)據(jù)線,然后再連上OLED上的相應(yīng)端口,當(dāng)然用硬件IIC也是可能的,只是需要改變OLED的驅(qū)動(dòng)庫函數(shù),VCC只能接1.3V或5V,而GND接電源負(fù)極。程序上,就選用了對(duì)應(yīng)的四腳的IIC驅(qū)動(dòng)OLED的例程,修改管腳,在重新調(diào)用了OLED初始化函數(shù)之后就能夠運(yùn)行OLED的另一個(gè)API函數(shù)[19]。本設(shè)計(jì)的顯示器部分使用的是0.96寸OLED顯示器屏,而0.96寸OLED顯示器屏的清晰度是128×64,即橫向由128個(gè)發(fā)光二極管組成，縱向由64個(gè)發(fā)光二極管組成，在顯示控制方面，0.96寸OLED屏幕一次只能控制垂直方向的八個(gè)發(fā)光二極管亮滅，因此在顯示過程中垂直坐標(biāo)方向可選的坐標(biāo)為0至7共8位，水平方向可選的坐標(biāo)為0至127共128位。0.96寸OLED屏幕有兩種接口協(xié)議，一種是7針腳的SPI協(xié)議，另一種是4針腳的IIC協(xié)議，在本次設(shè)計(jì)中使用的是4針腳的IIC協(xié)議的0.96寸OLED屏幕，4針腳的IIC協(xié)議包括VCC、GND、SCL/SCK、SDA，VCC和GND分別為電源口和接地口，SCL/SCK是IIC通信中的時(shí)鐘控制腳，SDA是IIC通信中的數(shù)據(jù)控制腳。0.96寸OLED顯示屏原理圖如圖3-10所示。圖3-10OLED顯示電路1.11HC-SR04超聲波測(cè)距模塊本模塊使用了HC-SR04作為測(cè)距報(bào)警工具,其測(cè)試的方法是利用連接引腳Trig控制設(shè)