智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9551智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 1288901.1氣體傳感器 121341.2HC-SR501人體紅外感應(yīng) 212741.3DHT11數(shù)字溫濕度傳感器 4290481.4BH1750光強(qiáng)度光照度傳感器 4168151.5ESP8266WIFI模塊 564391.6STM32硬件介紹 61.1氣體傳感器氣體傳感器的主要組成部分是MQ135氣敏元件。傳感元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測(cè)量電極和加熱器組成。氣敏元件的工作條件由加熱器提供，其中，該氣體傳感器使用的材料SnO2在純空氣中具有低電導(dǎo)率和高電阻。當(dāng)傳感器處于一定濃度的待檢測(cè)氣體的環(huán)境時(shí)，隨著待檢測(cè)氣體濃度的增加，氣敏元件的電導(dǎo)率也會(huì)增加，即電阻值會(huì)減小。利用電路將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的污染氣體濃度變化。它能探測(cè)到空氣中的有害氣體，當(dāng)有害氣體濃度超過一定范圍時(shí)，可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。其結(jié)構(gòu)圖如下：圖1.1MQ135氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖表1.1MQ135氣體傳感器結(jié)構(gòu)示意表序號(hào)部件材料1氣體敏感層二氧化錫（SnO2）2點(diǎn)擊金（Au）3測(cè)量電機(jī)引線鉑（Pt）4加熱器鎳鉻合金（Ni—Cr）5陶瓷管三氧化二鋁（Al2O3）6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼7卡環(huán)鍍鎳銅材（Ni—Cu）8基座膠木或尼龍9針狀管腳鍍鎳銅材（Ni—Cu）圖1.2MQ135氣體傳感器原理圖該傳感器對(duì)一些化學(xué)氣體、煙氣等有害氣體具有較為理想的靈敏度，且檢測(cè)目標(biāo)氣體的濃度范圍也比較寬。具有耐用、低價(jià)、使用安裝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。可應(yīng)用于生活空氣質(zhì)量和工業(yè)空氣質(zhì)量的檢測(cè)。規(guī)格：表1.2MQ135氣體傳感器靈敏度特性符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體表面電阻2KΩ—20KΩ適用范圍：10—1000ppm氨氣、甲苯、氫氣αR100ppm/R50ppmNH3濃度斜率≤0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件預(yù)熱時(shí)間溫度：20℃±2℃VC：±5V±0.1V相對(duì)濕度：65%±5%VH：5.0V±0.1V不少于48小時(shí)1.2HC-SR501人體紅外感應(yīng)HC—SR501人體感應(yīng)模塊所用到的基本技術(shù)是紅外先掃描技術(shù)，可以自動(dòng)檢測(cè)，可以在可調(diào)的范圍內(nèi)感人到人的存在并輸出電信號(hào)。具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)、超低的工作電壓模式等優(yōu)點(diǎn)，在多種自動(dòng)感應(yīng)類的設(shè)備中都有使用到該傳感器模塊。該模塊還具備光敏控制，可在強(qiáng)光的情況下不工作，能夠很好的應(yīng)用于各種場(chǎng)景。在30℃到32℃工作時(shí)，其所能夠探測(cè)的有效范圍會(huì)有所減小，可設(shè)置溫度補(bǔ)償來彌補(bǔ)這一缺陷。值得注意的是在傳感器剛上電時(shí)會(huì)由一段時(shí)間的初始化。如圖所示為模塊原理圖：圖1.3HC—SR501人體傳感器原理圖該模塊將雙探頭至于左右兩側(cè)并加之長(zhǎng)方形的探頭窗口，當(dāng)人從某一方向經(jīng)過其中一個(gè)探頭時(shí)，紅外光譜經(jīng)過人體反射到該探頭，另一個(gè)探頭經(jīng)過一段時(shí)間也會(huì)接收到紅外光譜，但兩個(gè)紅外光譜到達(dá)兩個(gè)探頭的時(shí)間不一樣，傳感器便輸出電信號(hào)，以此來探測(cè)是否有人經(jīng)過。若兩個(gè)探頭旁都沒有人經(jīng)過，則紅外光譜到達(dá)兩個(gè)探頭的時(shí)間幾乎同時(shí)，傳感器不輸出電信號(hào)。由于探頭設(shè)置在兩側(cè)，當(dāng)人經(jīng)過兩側(cè)是，傳感器探測(cè)的靈敏度最高，若人不從探頭測(cè)經(jīng)過，則探測(cè)不到人的存在。為了增加傳感器的感應(yīng)范圍，模塊采用了圓透鏡封裝，這樣就可以在傳感器周圍感應(yīng)到人的存在，但探頭兩側(cè)的靈敏度還是最高的。安裝時(shí)，探頭端部應(yīng)與被測(cè)區(qū)域?qū)R，以達(dá)到最佳效果。該傳感器還有2.5s的感應(yīng)阻斷時(shí)間。當(dāng)傳感器模塊檢測(cè)到有人在場(chǎng)并輸出低電平后，可以設(shè)置一段阻斷時(shí)間，即在這段時(shí)間內(nèi)，傳感器不感知人體，此設(shè)置可以抑制負(fù)載切換期間的各種干擾。表1.3HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊工作參數(shù)表感應(yīng)方式被動(dòng)式工作電壓12VDC感應(yīng)原理人體紅外最大功耗<0.00005W感應(yīng)距離3-5米輸出方式繼電器控制輸出12VDC高電平/低電平感應(yīng)角度140度圓錐角負(fù)載范圍小功率燈具,電器光控感應(yīng)5LUX-500LUX(可調(diào)、默認(rèn)無光控功能)環(huán)境溫度-20℃—+50℃1.3DHT11數(shù)字溫濕度傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，可以同時(shí)檢測(cè)溫度和濕度數(shù)據(jù)。該傳感器響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，接線簡(jiǎn)單（單線串行接口），信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，性價(jià)比高，可靠性高。廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合，傳感器由NTC（NegativeTemperatureCoefficient）元件和電阻式濕敏元件組成，并與一個(gè)簡(jiǎn)易高速的微處理器相連接。傳感器內(nèi)置一個(gè)一次性可編程只讀存儲(chǔ)器OTP(OneTimeProgrammableRead-OnlyMemory)，在該存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)著校準(zhǔn)時(shí)需要用到的數(shù)據(jù)，檢測(cè)元件的檢測(cè)信號(hào)處理會(huì)用到這些數(shù)據(jù)。其原理圖如下：圖1.4DHT11數(shù)字溫濕度傳感器原理圖若傳感器長(zhǎng)時(shí)間工作在惡劣環(huán)境下會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度、加速傳感器的老化。并且，在傳感器恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)工作條件后，需要一定的時(shí)間恢復(fù)至校準(zhǔn)狀態(tài)。且化學(xué)物質(zhì)會(huì)影響該傳感器的敏感層，造成一定的測(cè)量誤差。氣體的相對(duì)濕度是單位體積內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量與該溫度下水蒸氣達(dá)到飽和時(shí)單位體積內(nèi)水蒸氣的質(zhì)量之比，所以相對(duì)濕度與溫度有關(guān)，要想得到準(zhǔn)確的相對(duì)濕度就要讓濕度傳感器部分與溫度傳感器部分所處的溫度相同。還要注意避免傳感器長(zhǎng)時(shí)間暴露在強(qiáng)光之下工作，避免性能的降低。1.4BH1750光強(qiáng)度光照度傳感器BH1750光照度光強(qiáng)度傳感器是一款采用I2C與主機(jī)通訊的傳感器，可直接輸出對(duì)應(yīng)亮度的數(shù)字值，它具有分辨率高、檢測(cè)范圍大、低功耗、誤差小等特點(diǎn)。大多應(yīng)用于手機(jī)、液晶電視、游戲機(jī)等需要根據(jù)光強(qiáng)度來調(diào)節(jié)屏幕亮度的設(shè)備。在與主機(jī)通訊時(shí)，主機(jī)可采用對(duì)應(yīng)的指令集對(duì)該模塊實(shí)行相同的控制。表1.4BH1750光照度光強(qiáng)度傳感器指令表指令指令代碼功能斷電0000_0000置于待激活狀態(tài)通電0000_0001等待接收測(cè)量指令重置0000_0111重置數(shù)據(jù)寄存器（在斷電模式下無效）連續(xù)H分辨率模式10001_0000在1lx分辨率模式下測(cè)量120ms連續(xù)H分辨率模式20001_0001在0.5lx分辨率模式下測(cè)量120ms連續(xù)L分辨率模式0001_0011在41lx分辨率模式下測(cè)量16ms（測(cè)量后斷電）一次H分辨率模式10010_0000在1lx分辨率模式下測(cè)量120ms（測(cè)量后斷電）一次H分辨率模式20010_0001在0.5lx分辨率模式下測(cè)量120ms（測(cè)量后斷電）一次L分辨率0010_0011在1lx分辨率模式下測(cè)量120ms（測(cè)量后斷電）在給BH1750光照度光強(qiáng)度傳感器模塊供電后，模塊自動(dòng)切換至斷電模式，主機(jī)發(fā)送通電指令后，傳感器模塊通電并進(jìn)入等待接收測(cè)量指令的狀態(tài)，主機(jī)發(fā)送測(cè)量指令后，傳感器模塊進(jìn)入對(duì)應(yīng)的測(cè)量模式。具體測(cè)量程序流程圖如下：圖1.5BH1750光照度光強(qiáng)度傳感器測(cè)量程序流程圖1.5ESP8266WIFI模塊ESP8266是一款高性能的WIFI模塊，它具有獨(dú)立且完整的WIFI網(wǎng)絡(luò)功能，既可以作為主機(jī)來獨(dú)立工作，也可以作為從機(jī)與其他微處理器交互工作。當(dāng)該模塊獨(dú)立工作時(shí)，它可以迅速啟動(dòng)。該模塊作為從機(jī)與微處理器交互工作時(shí)，既可以通過SPI/SDOIO接口與主機(jī)通訊，也可以通過UART接口與主機(jī)通訊。ESP8266WIFI模塊還集成了天線與功放、濾波器等模塊，極大地增強(qiáng)了該模塊的工作性能。該模塊還具有睡眠/喚醒模式快速切換、低功耗的工作模式等優(yōu)點(diǎn)，另外故障排除與射頻共存的模式可以消除大部分的干擾。圖1.6ESP8266WIFI模塊原理圖ESP8266WIFI模塊內(nèi)置超低功耗處理器，其CPU時(shí)鐘最高可達(dá)160MHz，內(nèi)置晶振所提供的頻率在24MHz到52MHz之間。該模塊的程序主要存儲(chǔ)在外置的16MB的SPIflash之中。射頻接收器把射頻信號(hào)頻率降低，變?yōu)檎换鶐盘?hào)，用兩個(gè)高性能的AD轉(zhuǎn)換器將正交基帶信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。射頻發(fā)射器則是將正交基帶信號(hào)的頻率升高到2.4GHz，再由大功耗互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)功率放大器驅(qū)動(dòng)的天線發(fā)射出去。其中，由時(shí)鐘生成器位射頻發(fā)射器和射頻接收器提供對(duì)應(yīng)頻率的正交基帶時(shí)鐘信號(hào)。內(nèi)置等多種通訊接口，可以更加方便的其他設(shè)備進(jìn)行通訊。1.6STM32硬件介紹本文所用到的STM32F103開發(fā)板具有十分豐富的資源和強(qiáng)大的功能，其中主要用到的由USB串口/串口1、USB轉(zhuǎn)串口、電源模塊、有源蜂鳴器、2個(gè)LED、啟動(dòng)選擇端口、復(fù)位、3個(gè)按鍵、1.3V電源輸入輸出、5V電源輸入輸出。USB串口/串口1該開發(fā)板的USB串口與芯片的串口1連接，以此實(shí)現(xiàn)STM32代碼的燒錄和串口通信。CH340G的數(shù)據(jù)口分別標(biāo)有RXD和TXD，STM32的PA9為TXDPA10為RXD。同時(shí)，P3是PA9與PA10的引出口。圖1.7USB串口/串口1原理圖（2）USB轉(zhuǎn)串口USB轉(zhuǎn)串口使用的時(shí)CH340G。圖中的Q2與Q3部分構(gòu)成了一鍵下載電路，只需要在下載程序的軟件中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置即可，可以省略BOOT0和按復(fù)位按鍵的設(shè)置。一鍵下載電路流程詳解：首先，mcuisp控制DTR與RST讓Q2與Q3導(dǎo)通，BOOT0被拉高，即BOOT0設(shè)置為1，RESET拉低實(shí)現(xiàn)復(fù)位。延時(shí)100ms之后，mcuisp控制DTR與RTS讓設(shè)備停止復(fù)位，BOOT0繼續(xù)維持為1，進(jìn)入ISP模式，接下來STM32與mcuisp連接，實(shí)現(xiàn)一鍵下載代碼。圖1.8USB轉(zhuǎn)串口電路原理圖（3）電源模塊系統(tǒng)的電源電路由2個(gè)穩(wěn)壓芯片U10和U11，DC_IN外部直流電源（6~24V）接口組成，外部輸入電源經(jīng)過U11DC-DC轉(zhuǎn)換成5V的電源輸出，另外還配備了一個(gè)防反接二極管D4，在外部電源反接是可以保護(hù)開發(fā)板不被燒壞。K1為開發(fā)板電源總開關(guān)，POWER開發(fā)板電源指示燈，F(xiàn)1為1000ma自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，U10為1.3V穩(wěn)壓芯片，用于提供1.3V的外接輸入電源。圖表1.9電源模塊原理圖有源蜂鳴器有源蜂鳴器即自帶振蕩電路，上電即可發(fā)生的蜂鳴器。其中,Q1是用來擴(kuò)流的，R33是一個(gè)下拉電阻，防止單片機(jī)再?gòu)?fù)位的時(shí)候蜂鳴器會(huì)發(fā)生。圖1.10蜂鳴器電路原理圖LED開發(fā)板共板載3個(gè)LED燈，其中PWR為系統(tǒng)的電源指示燈，當(dāng)系統(tǒng)供電時(shí)，改燈點(diǎn)亮為藍(lán)色。LED0與LED1分別接在PB5與PE5上且LED0為紅色，LED1為綠色。圖1.11LED電路原理圖按鍵開發(fā)板共板載了3個(gè)按鍵。其中，KEY0與KEY1作為普通的按鍵輸入分別連接在PE4與PE3上，按鍵并沒有外接上拉電阻，因?yàn)镾TM32的I/O口可以選擇上下拉的輸入模式拉提供上拉。KEY＿UP連接至PA0，它既可以作為按鍵使用，也可以作為STM32的喚醒輸入。圖1.12按鍵電路原理圖啟動(dòng)電路BOOT0和BOOT1可以設(shè)置開發(fā)板不同的啟動(dòng)模式。圖1.13BOOT電路原理圖表1.5BOOT啟動(dòng)模式說明表BOOT0BOOT1啟動(dòng)模式說明0X用戶閃存存儲(chǔ)器即FLASH啟動(dòng)10系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器用于串口下載11S