Ⅳ Ⅳ基于STM32單片機(jī)的智能鞋柜設(shè)計摘要現(xiàn)有的家庭鞋柜，容易因為潮濕的存放環(huán)境，引起細(xì)菌的滋生，從而影響人們的生活。針對當(dāng)前傳統(tǒng)鞋柜存在的問題，基于STM32的智能鞋柜設(shè)計運用傳感器監(jiān)測的手段，對鞋柜內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，并且通過聯(lián)動紫外線、風(fēng)機(jī)、照明燈、加熱裝置等設(shè)備，實現(xiàn)對鞋柜內(nèi)的環(huán)境的改善。基于STM32的智能鞋柜設(shè)計使用STM32作為控制芯片，通過溫濕度檢測模塊對鞋柜內(nèi)的光照強(qiáng)度、溫度、濕度進(jìn)行在線檢測，照明和排氣模塊對鞋柜進(jìn)行照明和排氣，除濕模塊通過加熱來實現(xiàn)對鞋柜的除濕功能，消毒模塊是用紫外線殺菌實現(xiàn)智能鞋柜的殺菌功能。系統(tǒng)通過使用AD、Keil5等開發(fā)工具，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，通過運用系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的測試手法，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗證。經(jīng)過實際測試驗證，本系統(tǒng)具有成本低、穩(wěn)定性好、操作便捷的優(yōu)點。與傳統(tǒng)鞋柜相比，該鞋柜不僅具有合理收納的功能，還加入測量顯示溫濕度、殺菌除臭等功能，成本低廉，實用性強(qiáng)，具有極大的推廣價值與應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：智能鞋柜；環(huán)境監(jiān)測；人機(jī)交互；STM32目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1本課題的背景及研究意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3本課題的主要研究工作 22智能鞋柜整體設(shè)計 32.1系統(tǒng)功能分析 32.1.1設(shè)計任務(wù) 32.1.2總體框圖 32.2主控端設(shè)計 42.3人機(jī)交互模塊 42.3.1按鍵模塊設(shè)計 42.3.2顯示模塊設(shè)計 52.4通信模塊 52.5溫濕度監(jiān)測模塊 52.6柜門開合檢測模塊 62.7照明、排風(fēng)、加熱、消毒控制模塊 63智能鞋柜系統(tǒng)的硬件設(shè)計 73.1系統(tǒng)整體硬件原理圖設(shè)計 73.2主控電路 73.3顯示電路設(shè)計 93.4提示模塊電路設(shè)計 93.5按鍵電路設(shè)計 103.6無線通信電路設(shè)計 103.7溫濕度監(jiān)測電路設(shè)計 113.8照明與排風(fēng)電路設(shè)計 123.9加熱、消毒控制電路設(shè)計 134智能鞋柜系統(tǒng)軟件設(shè)計 144.1主程序 144.2照明控制程序 144.3排風(fēng)及加熱控制程序 154.4顯示驅(qū)動程序 164.5按鍵控制程序 174.6WIFI傳輸程序 174.7紫外線控制設(shè)計 184.8光照檢測設(shè)計 195智能鞋柜系統(tǒng)的調(diào)試 205.1程序調(diào)試 205.2硬件調(diào)試 205.2.1電路板調(diào)試 205.2.2實物調(diào)試 215.2.3實物調(diào)試問題分析 22總結(jié)與展望 23參考文獻(xiàn) 24111緒論1.1本課題的背景及研究意義隨著人們對生活質(zhì)量要求的不斷提高及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)性發(fā)展，目前一個巨大的市場呈現(xiàn)出來——日常用品的收納及管理。而作為這個市場中不可或缺的一部分，鞋柜的智能化對人們生活質(zhì)量的提升帶來不容小覷的作用。傳統(tǒng)意義上的鞋柜，每年的市場需求在2000000臺以上，其市場分布不僅局限于家裝市場，還包括酒店、足浴店、游泳場等多種場合。傳統(tǒng)意義上的鞋柜僅作鞋子存放使用，功能單一，很容易滋生出來各種各樣的細(xì)菌，如果使用殺菌劑進(jìn)行殺菌消毒，會給用戶帶去不適的體驗，在實施上存在困難。目前的鞋柜市場現(xiàn)狀遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足對柜內(nèi)環(huán)境的殺菌消毒、智能聯(lián)動、遠(yuǎn)程控制等需求。國內(nèi)外目前市場上已有部分廠商開始進(jìn)行智能鞋柜的生產(chǎn)研發(fā)，但價格相對比較高且功能并未做到智能聯(lián)動。因此設(shè)計一款性價高、功能多、智能聯(lián)動的智能鞋柜，具有非常好的市場前景。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前市場上所具有的智能鞋柜普遍功能包括：殺菌、除臭、祛潮、自動擦鞋、液晶顯示、一鍵操作、自動顯示等功能。在該行業(yè)目前做的比較突出的智能鞋柜包括康耐斯智能鞋柜、索菲智能鞋柜，兩者均集除臭殺菌、清潔儲存、防潮功能于一體。通過外觀設(shè)計、材質(zhì)優(yōu)化、功能賦予等多方面措施來讓鞋柜功能更為完備，從而滿足人們對鞋柜的各方面訴求，引領(lǐng)鞋柜走向智能家居時代。國外智能家居發(fā)展：美國智能家居以數(shù)字家庭和數(shù)字技術(shù)改造為契機(jī)，偏重于豪華感，追求舒適和享受，但其能源消耗很大，不符合現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)低碳、環(huán)保和開源節(jié)流的理念。日本的智能家居是開發(fā)、設(shè)計、施工規(guī)?；c集團(tuán)化，以人為本，注重功能，兼顧未來發(fā)展與環(huán)境保護(hù)，大量采用新材料、新技術(shù)，充分利用信息、網(wǎng)絡(luò)、控制與人工智能技術(shù)，實現(xiàn)住宅技術(shù)現(xiàn)代化。德國的智能家居追求專項功能的開發(fā)，注重基本的功能性。韓國政府對智能小區(qū)和智能家居采取多項政策扶持，規(guī)定在漢城等大城市的新建小區(qū)必須具有智能家居系統(tǒng)，目前韓國全國80%以上的新建項目采用智能家居系統(tǒng)，產(chǎn)生像三星、LG等知名的智能家居品牌。國內(nèi)智能家居發(fā)展：中國智能化住宅的發(fā)展，在經(jīng)歷近10年的探索階段之后，建筑面積目前已達(dá)22到400億平方米，預(yù)計到2020年還將新增300億平方米。2010年中國的智能建筑將會達(dá)到9000幢。全國智能化住宅小區(qū)的建設(shè)數(shù)量，未來十年將達(dá)到上萬個。中國智能家居產(chǎn)業(yè)中京、上海、深圳發(fā)展相對超前：深圳的智能家居在布線方面做得比較好，前瞻性較強(qiáng)，考慮電源、空調(diào)、電話、電視、網(wǎng)絡(luò)等方面較周全，預(yù)埋智能布線的觀念比較超前；北京的智能家居在考慮功能和地方風(fēng)格方面做得比較好；上海浦東新城區(qū)的城區(qū)規(guī)劃和小區(qū)布置更符合上海這樣一個商業(yè)化大都市的需求。青島海爾和霍尼韋爾的示范應(yīng)用值得借鑒。1.3本課題的主要研究工作本文所設(shè)計的智能鞋柜系統(tǒng)，是一款基于STM32的智能鞋柜系統(tǒng)，由STM32采集光照模塊輸出模擬量數(shù)據(jù)，通過智能算法將采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的光照值；通過單總線與溫濕度傳感器進(jìn)行通信，從而得到鞋柜內(nèi)溫濕度值；通過SPI通信將采集到數(shù)據(jù)通過OLED液晶顯示屏進(jìn)行顯示。使用串口與WIFI模塊進(jìn)行通訊，通過串口配置等軟件操作，發(fā)送特定的AT指令，實現(xiàn)對WIFI模塊的配置，從而實現(xiàn)設(shè)備端與手機(jī)的通信，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP，進(jìn)一步實現(xiàn)在Android平臺上手機(jī)對柜內(nèi)環(huán)境的查看及遠(yuǎn)程控制。智能鞋柜系統(tǒng)搭配智能算法，可以通過本地按鍵可進(jìn)行相關(guān)報警閾值數(shù)據(jù)、自動開啟紫外線時間的設(shè)置，當(dāng)對應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)超出閾值后，可以自動打開或關(guān)閉相應(yīng)的功能模塊，并通過WIFI將信息同步至手機(jī)APP端。智能鞋柜系統(tǒng)設(shè)計的主要章節(jié)內(nèi)容如下：第一章：進(jìn)行當(dāng)前鞋柜市場調(diào)研，分析智能鞋柜系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容和意義；第二章：根據(jù)智能鞋柜系統(tǒng)的主要內(nèi)容，完成智能鞋柜系統(tǒng)的方案設(shè)計并分析各功能模塊的選擇依據(jù)；第三章：根據(jù)智能鞋柜系統(tǒng)的方案設(shè)計，進(jìn)行各功能模塊詳細(xì)的電路設(shè)計，并分析各功能模塊的設(shè)計原理；第四章：根據(jù)智能鞋柜系統(tǒng)的硬件設(shè)計、功能需求分析，進(jìn)行系統(tǒng)的軟件功能分析，并進(jìn)行軟件流程圖的設(shè)計，依據(jù)軟件流程圖，完成控制代碼的設(shè)計；第五章：結(jié)合需求分析，通過硬件、軟件設(shè)計方案實施，進(jìn)行實物的焊接及調(diào)試；第六章：總結(jié)智能鞋柜系統(tǒng)當(dāng)前設(shè)計的調(diào)試結(jié)果，分析當(dāng)前智能鞋柜系統(tǒng)的優(yōu)缺點，完成智能鞋柜系統(tǒng)的整體設(shè)計。33

2智能鞋柜整體設(shè)計2.1系統(tǒng)功能分析2.1.1設(shè)計任務(wù)智能鞋柜系統(tǒng)設(shè)計控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的處理、邏輯控制、聯(lián)動控制等功能，設(shè)計按鍵及顯示模塊進(jìn)行本地人機(jī)交互，設(shè)計WIFI進(jìn)行手機(jī)端與設(shè)備端的信息互通，設(shè)計繼電器控制電路實現(xiàn)對紫外線燈、加熱設(shè)備的控制功能，并通過各個傳感器模塊進(jìn)行環(huán)境信息的采集及傳遞。智能鞋柜系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計功能如下：溫濕度監(jiān)測模塊電路設(shè)計實現(xiàn)對柜內(nèi)溫濕度環(huán)境的檢測及信息傳遞；光照檢測電路設(shè)計實現(xiàn)對柜內(nèi)光照強(qiáng)度的檢測及信息傳遞；柜門開合檢測模塊電路設(shè)計實現(xiàn)對柜門狀態(tài)的檢測及信息傳遞；繼電器控制電路設(shè)計實現(xiàn)對加熱、消毒設(shè)備的控制；選擇指示燈、蜂鳴器進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)等提示；選用合適的電源供電方式對系統(tǒng)進(jìn)行供電工作；系統(tǒng)通過WIFI模塊與手機(jī)進(jìn)行通信，使用AT指令采用串口通信方式經(jīng)WIFI實現(xiàn)手機(jī)APP交互；系統(tǒng)通過STM32作為主控，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及邏輯控制。2.1.2總體框圖通過設(shè)計任務(wù)分析，基于STM32的智能鞋柜系統(tǒng)主要由如下幾部分組成：主控單元、通信模塊、溫濕度監(jiān)測模塊、柜門開合檢測模塊、光照檢測、供電單元、照明模塊、排風(fēng)模塊、提示模塊、顯示模塊、加熱模塊、消毒模塊、手機(jī)APP。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1智能鞋柜系統(tǒng)設(shè)計框圖44由圖2-1所示的智能鞋柜系統(tǒng)設(shè)計框圖可知其想達(dá)到預(yù)期的功能效果，需滿足的主要控制功能如下：（1）溫濕度采集功能選擇DHT111模塊，模塊與單片機(jī)之間通過DATA引腳進(jìn)行單總線數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)的采集；（2）柜門開合檢測模塊采用干簧管開關(guān)進(jìn)行設(shè)計，柜門信息通過對應(yīng)采集IO電平狀態(tài)進(jìn)行反饋；（3）光照檢測電路采用光敏電阻進(jìn)行設(shè)計，采集到的模擬量傳送至單片機(jī)后通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，從而獲取當(dāng)前的光照值；（4）WIFI通信選用ESP8266，與單片機(jī)采用串口通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互；（5）人機(jī)交互電路的設(shè)計主要包括OLED液晶顯示屏、機(jī)械按鍵、指示燈三部分，方便使用者進(jìn)行產(chǎn)品的實際安裝應(yīng)用。2.2主控端設(shè)計方案一：選擇STM32系列的單片機(jī)，其優(yōu)點在于具有豐富的開源資源，方便于后期的應(yīng)用開發(fā)，芯片本身具有充足的I/O端口，且該系列處理器具有32位的總線寬度，內(nèi)部邏輯運算速度較快，內(nèi)部集成有豐富的外設(shè)，能夠進(jìn)行復(fù)雜的邏輯處理及控制。芯片本身具有較大的FLASH存儲空間，可以進(jìn)行多段數(shù)據(jù)程序存儲。芯片本身功耗低且性價比較高，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯設(shè)計。方案二：選擇STC89C52作為單片機(jī)，其優(yōu)點在于芯片的功耗低，性價比高，但是芯片本身存儲空間不大，在實際應(yīng)用中處理較為復(fù)雜應(yīng)用場景需要增加存儲的擴(kuò)展設(shè)計，芯片的適用環(huán)境較低。方案比較：對比方案一及方案二可知，智能鞋柜系統(tǒng)的設(shè)計軟件處理邏輯較為復(fù)雜，使用方案一更適合于此應(yīng)用場景。2.3人機(jī)交互模塊對于人機(jī)交互模塊電路的方案選型，主要包括按鍵模塊設(shè)計、顯示模塊設(shè)計兩部分。2.3.1按鍵模塊設(shè)計模塊功能：采用按鍵進(jìn)行控制主控單片機(jī)，對溫濕度監(jiān)測，紫外線殺菌進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及確認(rèn)。方案一：選用矩陣按鍵進(jìn)行設(shè)計，此方案的優(yōu)點在于系統(tǒng)需要多個按鍵進(jìn)行控制時，占用I/O資源較少，但其電路設(shè)計較為復(fù)雜，且需搭配軟件算法來確認(rèn)按鍵狀態(tài)信息。因此本方案適用于較為復(fù)雜的按鍵控制電路。方案二：采用獨立按鍵進(jìn)行設(shè)計，此方案優(yōu)點在于硬件電路簡單，可直接讀取55按鍵狀態(tài)，但因每個按鍵都連接單片機(jī)的一個I/O端口，故不適用于較為復(fù)雜的按鍵控制電路。方案選擇：對比方案一及方案二可知，智能鞋柜系統(tǒng)本身沒有復(fù)雜的按鍵控制電路，因此在此處使用獨立按鍵進(jìn)行設(shè)計，此方案可以降低系統(tǒng)的設(shè)計難度。2.3.2顯示模塊設(shè)計模塊功能：檢測到溫濕度、光照數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。方案一：設(shè)計選用LCD12864模組，該模組優(yōu)點在于可顯示漢字、數(shù)字、字符等內(nèi)容，且模組本身內(nèi)置漢字字庫，能夠進(jìn)行畫面移動、睡眠模式等設(shè)計。其主要缺點在于顯示屏幕較大、抗干擾能力較差，主要應(yīng)用于電磁干擾較少的環(huán)境中。方案二：設(shè)計選用OLED12864顯示屏，其本身具有簡單輕薄、能耗低的優(yōu)點，多應(yīng)用于簡單顯示的電子設(shè)備中，其控制電路相對簡單并且網(wǎng)絡(luò)開源資源較多，且屏幕較小，設(shè)計應(yīng)用較為簡單。方案比較：考慮鞋柜內(nèi)空間本身不大，且為使控制電路于屏幕交互較為簡單，因此采用方案二進(jìn)行設(shè)計。2.4通信模塊模塊功能：通信模塊作為手機(jī)與設(shè)備端的橋梁，實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交互。通信模塊是通過串口進(jìn)行的，串口發(fā)送相應(yīng)的AT指令，實現(xiàn)對通信模組的操作。方案一：采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)點在于組網(wǎng)簡單，但其缺點在于藍(lán)牙通信傳輸距離近，容易受到干擾，適用于傳輸距離較近的場合。方案二：采用WIFI模塊進(jìn)行通信，其優(yōu)點在于目前WIFI是應(yīng)用最為廣泛的一門無線通信技術(shù)，傳輸距離遠(yuǎn)、速率高，功耗較低。方案比較：對比方案一與方案二，因智能鞋柜內(nèi)具有加熱設(shè)備，應(yīng)用場景較為復(fù)雜，因此需考慮干擾問題，所以在此處優(yōu)選方案二作為數(shù)據(jù)的交互方式。662.5溫濕度監(jiān)測模塊模塊功能：采用溫濕度傳感器對鞋柜內(nèi)溫濕度進(jìn)行采集監(jiān)測。方案一：溫濕度監(jiān)測通過2個不同的傳感器進(jìn)行測量，溫度采用DS18B20進(jìn)行測量，無需外部器件，功耗低，且在測量點實現(xiàn)信號的數(shù)字化，提高系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性；適度采用HS1100濕度傳感器，該傳感器位濕敏電容來構(gòu)成，電容量隨空氣濕度增大而增大，具有高可靠性、無需溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點方案二：選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器含有經(jīng)過校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出，是1款集成溫度、濕度于一體的復(fù)合型傳感器。傳感器本身具有1個高性能的8位單片機(jī)，且每個傳感器在出廠前都在極為精確的溫濕度環(huán)境中經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后的校準(zhǔn)系數(shù)存儲于芯片內(nèi)部單片機(jī)的內(nèi)存種，傳感器在后期的監(jiān)測種調(diào)用該系數(shù)，通過數(shù)據(jù)處理的方式對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以提高測試準(zhǔn)確性。方案比較：綜合考慮成本、傳感器體積及安放位置、性能指標(biāo)后，智能鞋柜系統(tǒng)采用方案二進(jìn)行柜內(nèi)環(huán)境的溫濕度監(jiān)測。2.6柜門開合檢測模塊模塊功能：用于檢測柜門的開合狀態(tài)，以此實現(xiàn)后續(xù)功能。方案一：采用接近開關(guān)傳感器，其優(yōu)點在于采用非接觸式方式進(jìn)行檢測，不會存在磨損的風(fēng)險，并且相應(yīng)速度較快。缺點在于接近開關(guān)傳感器本身的抗干擾性能較差，周圍由金屬物體會影響其性能。方案二：選用門窗磁開關(guān)，其組成主要分為干簧管、永磁體2部分，在門閉合后，永久磁鐵產(chǎn)生的磁場促使干簧管內(nèi)部的2片簧片端點位置產(chǎn)生不同的極性，在磁力超過干簧管內(nèi)部簧片本身的彈力以后，這兩個簧片吸合導(dǎo)致通路，在門打開后，由于永久磁體與干簧管之間距離被拉大，導(dǎo)致施加于簧片兩端的磁場減小，從而導(dǎo)致干簧管內(nèi)部簧片因彈性而釋放分開，從而切斷電路。方案比較：通過對比兩種方案，對智能鞋柜系統(tǒng)來講門窗磁開關(guān)更適合，在進(jìn)行電路設(shè)計及后期板級驗證時，因為對于控制電路來講，柜門的開合通過干簧管的磁性轉(zhuǎn)換可看作是開關(guān)的閉合或斷開，考慮操作性原因，在進(jìn)行設(shè)計展示時可以通過按鍵或插針（通過短路帽模擬）進(jìn)行演示。2.7照明、排風(fēng)、加熱、消毒控制模塊模塊功能：對照明、排風(fēng)采用電機(jī)驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動，對加熱、消毒模塊進(jìn)行控制。方案一：使用繼電器控制，其優(yōu)點為負(fù)載類型可為交流、直流，且?guī)лd能力更77強(qiáng)，缺點在于輸出控制為無源控制，且繼電器本身體積較大，成本較高。方案二：使用電機(jī)驅(qū)動芯片進(jìn)行控制，優(yōu)點為無需再給負(fù)載提供額外電源，發(fā)熱小、體積小、性價比高，缺點在于電機(jī)驅(qū)動芯片無法驅(qū)動交流負(fù)載，且?guī)лd能力有限。方案比較：通過分析兩種控制方式，結(jié)合智能鞋柜內(nèi)部應(yīng)用場景，對照明、排風(fēng)采用電機(jī)驅(qū)動芯片進(jìn)行驅(qū)動，對加熱、消毒控制通過繼電器進(jìn)行控制。77

3智能鞋柜系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)整體硬件原理圖設(shè)計對于系統(tǒng)整體的硬件原理圖設(shè)計，按照模塊的功能進(jìn)行劃分，主要分為MCU電路、繼電器驅(qū)動接口電路、溫濕度傳感器接口電路、電機(jī)驅(qū)動接口電路、顯示屏驅(qū)動接口電路、按鍵電路、光照監(jiān)測接口電路、WIFI通信接口電路部，各功能模塊與控制芯片之間通過插針、排線的方式進(jìn)行連接。圖3-1系統(tǒng)整體硬件原理圖電路3.2主控電路主控單元采用STM32F103C8T6作為控制芯片。STM32F103C8T6芯片作為ST公司旗下STM32系列的一個性能優(yōu)異的32位微88處理器，STM32F103C8T6技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表3-1所示：表3-1STM32F103C8T6技術(shù)參數(shù)名稱參數(shù)總線寬度32-位CPU頻率72MHz通信2路SPI、2路IIC、3路USART、1路USB、1路CAN定時器3個通用定時器、1個高級定時器程序存儲器容量64KB程序存儲器類型FLASHRAM容量20K*8電源供電范圍2V至3.6V振蕩器類型內(nèi)部工作溫度-40℃至85℃封裝類型LQFP48基于STM32設(shè)計的智能鞋柜控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)電路圖如圖3-2所示。圖3-2STM32最小系統(tǒng)電路圖最小系統(tǒng)電路圖主要由單片機(jī)、晶振及復(fù)位電路組成，復(fù)位電路的設(shè)計包括電阻、電容、復(fù)位按鍵三部分，能夠?qū)崿F(xiàn)軟件的上電復(fù)位。晶振起振電路由2個22pF99的電容搭配8MHz晶振構(gòu)成。3.3顯示電路設(shè)計顯示模塊采用OLED進(jìn)行顯示。OLED液晶顯示模塊，具有輕薄、功耗低壽命長等優(yōu)點，其與控制單元通信接口由IIC與SPI兩種通信方式。若考慮使用IIC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，那相比較于SPI通信方式，其刷新速率較慢，界面更新數(shù)據(jù)顯示的速度就會顯得比較慢，不符合本系統(tǒng)設(shè)計的要求。因此在此處選用基于SPI通信的OLED液晶顯示模塊。顯示電路與主控電路之間連接采用FPC排線進(jìn)行連接，驅(qū)動電壓為3.3V。顯示電路如圖3-3所示。圖3-3OLED顯示模塊連接圖1010如圖3-3所示，OLED液晶屏與主控電路之間連接線包括：GND（電源地）、VCC（3.3V電源）、CLK（CLK時鐘）、MOSI（數(shù)據(jù)線）、RST（復(fù)位信號線）、D/C（數(shù)據(jù)/命令），連接后單片機(jī)與OLED采用SPI通信方式進(jìn)行程序內(nèi)容交互。3.4提示模塊電路設(shè)計聲音指示電路采用蜂鳴器進(jìn)行指示，蜂鳴器由直流供電，其廣泛應(yīng)用于玩具、消費電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中。蜂鳴器的種類主要分為壓電式蜂鳴器及電磁式蜂鳴器兩種，考慮蜂鳴器體積及成本，智能鞋柜系統(tǒng)采用電磁式蜂鳴器進(jìn)行設(shè)計，蜂鳴器報警電路如圖3-4所示。圖3-4蜂鳴器電路由圖3-4可知，蜂鳴器電路主要由三極管、蜂鳴器及限流電阻組成。當(dāng)智能鞋柜系統(tǒng)需要蜂鳴器發(fā)出聲響時，由主控電路輸出低電平，控制三極管導(dǎo)通從而實現(xiàn)蜂鳴器控制。10103.5按鍵電路設(shè)計按鍵電路采用獨立按鍵進(jìn)行設(shè)計，按鍵按下前后會造成輸入到單片機(jī)的電平的變換，其工作原理為單片機(jī)對應(yīng)I/O端口檢測按鍵對應(yīng)電平，從而實現(xiàn)對按鍵狀態(tài)的判斷。按鍵電路的設(shè)計如圖3-5所示。圖3-5按鍵電路如圖3-5所示，在按鍵未按下時，按鍵檢測電平為高電平，在按鍵按下后，按鍵檢測電平為低電平。需要注意的是，對于按鍵檢測電路應(yīng)考慮按鍵消抖，消抖處理分為硬件消抖與軟件消抖兩種，考慮后期產(chǎn)品整機(jī)抗干擾性，在此處通過軟件消抖方式進(jìn)行消抖處理。3.6無線通信電路設(shè)計本文所設(shè)計智能鞋柜系統(tǒng)，控制單元與ESP8266無線通信模塊之間采用UART通信方式實現(xiàn)串口透傳，具有傳輸可靠性好、速率高、實時性好等優(yōu)點，其電路原理如圖3-6所示。圖3-6ESP8266原理圖無線通信電路選用一款低功耗的WIFI傳輸模塊-ESP8266，該模塊具有封裝方式多樣、超低功耗的技術(shù)特點，可將用戶的設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)上，通過WIFI來進(jìn)行局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)APP聯(lián)網(wǎng)控制功能。ESP8266無線通信模塊技術(shù)參數(shù)如表3-2所示：1111表3-2無線模塊技術(shù)參數(shù)遵循標(biāo)準(zhǔn)無線標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11b/g/n無線參數(shù)頻率范圍2.412GHz-2.484GHz發(fā)射功率802.11b：+16+/-2dBm(@11Mbps)802.11g：+14+/-2dBm(@54Mbps)802.11n：+13+/-2dBm(@HT20，MCS7)接收靈敏度802.11b：-93dBm(@11Mbps，CCK)802.11g：-85dBm(@54Mbps，OFDM)802.11n：-82dBm(@HT20，MCS7)天線形式外置：郵票孔接口外置：I-PEX連接器、SMA連接器內(nèi)置：板載PCB天線硬件參數(shù)硬件接口UART、IIC、PWM、GPIO、ADC工作電壓3.3VGPIO驅(qū)動能力Max：15mA工作電流持續(xù)發(fā)送下平均值：70mA，峰值：200mA正常模式下平均：12mA，峰值：200mA待機(jī)：<200uA，工作溫度-40℃至125℃存儲環(huán)境溫度：<40℃，相對濕度：<90%RH尺寸板載PCB天線：14.3mm*24.8mm*1mm；3.7溫濕度監(jiān)測電路設(shè)計DHT11模塊接線端口包括VCC（電源引腳）、DATA（單總線數(shù)據(jù)引腳）、NC（浮空引腳）、VDD(接地端）。其與主控電路連接原理圖設(shè)計如圖3-7所示：圖3-7DHT11應(yīng)用電路通過器件選型方案對比，溫濕度檢測電路采用DHT11數(shù)字型溫濕度傳感器，其1212性能參數(shù)如表3-3所示：1313表3-3DHT11溫濕度傳感器參數(shù)參數(shù)性能溫度測量范圍0至50℃溫度測量精度±2℃濕度測量范圍20%至90%RH濕度測量精度±5%RH封裝四針單排直插供電電壓3V至5.5V3.8照明與排風(fēng)電路設(shè)計照明與排風(fēng)模塊電路設(shè)計，選用L298N模塊作為驅(qū)動，該模塊操作簡單，容易上手學(xué)習(xí)，應(yīng)用場景多種多樣，使用非常方便。L298N模塊本身具有2路直流電機(jī)驅(qū)動，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)PWM調(diào)速，可以同時驅(qū)動2路直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速功能，每路電機(jī)的驅(qū)動電流可達(dá)到1.5A持續(xù)電流，模塊本身具有熱保護(hù)及自恢復(fù)功能。且模塊具有本身體積小、發(fā)熱量小、無需增加散熱片、質(zhì)量輕等優(yōu)點。照明與排風(fēng)控制電路原理圖如圖3-8所示。圖3-8照明與排風(fēng)控制電路在智能鞋柜系統(tǒng)硬件方案設(shè)計中，L298N的2路輸出，1路作為驅(qū)動排風(fēng)扇電機(jī)1414使用、1路作為驅(qū)動照明燈使用：當(dāng)檢測到柜門開啟，且柜內(nèi)環(huán)境光值偏低時，控制單元控制1路L298N打開柜內(nèi)照明燈；當(dāng)檢測到柜內(nèi)環(huán)境溫濕度值異常時，控制單元打開加熱設(shè)備同時開啟風(fēng)扇進(jìn)行排風(fēng)、除臭、降溫通風(fēng)。3.9加熱、消毒控制電路設(shè)計加熱、消毒控制電路通過使用繼電器控制外接交流電供電加熱、消毒設(shè)備來實現(xiàn)柜內(nèi)環(huán)境加熱及消毒。繼電器控制模塊主要設(shè)計性能指標(biāo)如下：繼電器類型選用1路5V供電繼電器，具有1個常開和1個常閉觸點，繼電器控制負(fù)載類型應(yīng)為交流或直流，從而以實現(xiàn)對不同共帶你方式加熱設(shè)備的兼容。繼電器運行狀態(tài)應(yīng)考慮增加2路指示燈，1路作為繼電器供電電源指示，1路作為繼電器動作指示，方便于后期開發(fā)、調(diào)試及維修。參考設(shè)計電路如圖3-9：圖3-9繼電器控制電路設(shè)計電路圖中元器件標(biāo)號、名稱及作用如表3-4：1414表3-4繼電器控制電路注釋元器件標(biāo)號名稱作用K繼電器用于控制外接解熱設(shè)備開啟或關(guān)閉D3續(xù)流二極管用于防止繼電器斷開瞬間產(chǎn)生的反向電動勢造成電路中其他元器件損壞LED1指示燈用于指示繼電器工作狀態(tài)POWER指示燈用于指示繼電器供電電壓Q1三級管用于控制繼電器開通或關(guān)閉4智能鞋柜系統(tǒng)軟件設(shè)計智能鞋柜系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化程序設(shè)計，程序內(nèi)部軟件功能按照功能定義可分為主程序、系統(tǒng)初始化、照明控制程序、排風(fēng)及加熱控制程序、顯示驅(qū)動程序、按鍵控制程序、WIFI傳輸程序、紫外線控制設(shè)計、光照檢測設(shè)計九部分。4.1主程序智能鞋柜系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)容包括CPU初始化、按鍵初始化、屏幕初始化、電機(jī)驅(qū)動初始化、溫濕度傳感器初始化、WIFI初始化、光照傳感器初始化等。主程序的軟件功能是對鞋柜系統(tǒng)中的傳感器采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理完成后與按鍵預(yù)置報警值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測值超出閾值設(shè)定，系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的軟件操作，并且通過WIFI將系統(tǒng)信息進(jìn)行上傳?？刂屏鞒虉D如圖4-1所示。圖4-1主程序流程15154.2照明控制程序柜內(nèi)環(huán)境照明控制，設(shè)計思想為當(dāng)檢測到柜門開啟后，系統(tǒng)會自動判斷柜內(nèi)光照是否良好，光照充足情況下，即使打開柜門，也不會控制照明燈點亮。柜內(nèi)環(huán)境光照不足情況下，檢測到打開柜門會自動開啟照明燈。軟件設(shè)計流程圖如圖4-2所示。圖4-2照明控制程序流程圖4.3排風(fēng)及加熱控制程序排風(fēng)及加熱控制功能設(shè)計思想為，智能鞋柜控制系統(tǒng)內(nèi)部具有溫濕度監(jiān)測傳感器，控制單元從溫濕度監(jiān)測傳感器讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)超過設(shè)定報警值后，會自動控制打開風(fēng)扇及加熱功能。系統(tǒng)設(shè)計軟件流程圖如圖4-3所示：1616圖4-3排風(fēng)及加熱控制程序流程圖17174.4顯示驅(qū)動程序智能鞋柜系統(tǒng)采用OLED顯示屏進(jìn)行顯示，在檢測到溫濕度、光照數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在屏幕上。對顯示驅(qū)動程序設(shè)計，首先上電后對屏幕進(jìn)行初始化，初始化完成后，寫入數(shù)據(jù)、命令，然后顯示整個程序的內(nèi)容。其程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4顯示驅(qū)動程序流程圖4.5按鍵控制程序圖4-5按鍵控制程序設(shè)計流程圖智能鞋柜系統(tǒng)按鍵控制程序的功能是進(jìn)行系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)置、確認(rèn)等操作，其軟件邏輯為檢測按鍵按下后，進(jìn)行軟件消抖處理，判斷是否為按鍵按下的操作并分析按下按鍵的功能。按鍵部分程序設(shè)計如圖4-5所示。18184.6WIFI傳輸程序智能鞋柜系統(tǒng)的WIFI傳輸程序，使用ESP8266模組的AP模式實現(xiàn)局域網(wǎng)控制。WIFI模塊作為手機(jī)與設(shè)備端的橋梁，實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交互。單片機(jī)與WIFI的通信是通過串口進(jìn)行的，串口發(fā)送相應(yīng)的AT指令，實現(xiàn)對WIFI模組的操作。其工作過程為首先進(jìn)行初始化，然后檢測緩沖區(qū)是否存在數(shù)據(jù)，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的操作。其部分軟件操作流程圖如圖4-6所示。圖4-6WIFI傳輸程序設(shè)計4.7紫外線控制設(shè)計圖4-7紫外線控制流程圖智能鞋柜系統(tǒng)紫外線控制采用定時器進(jìn)行控制，紫外線開啟時間間隔可由按鍵進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)系統(tǒng)判斷紫外線開始時間未到時，對紫外線判斷計時進(jìn)行累加，當(dāng)判斷紫外線開啟計時后，系統(tǒng)自動開啟紫外線，并對紫外線計時進(jìn)行清0。紫外線控制系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖4-7所示。19194.8光照檢測設(shè)計智能鞋柜系統(tǒng)光照檢測使用傳感器輸出為模擬量。需使用STM32片內(nèi)AD進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后才可進(jìn)行邏輯判斷。對于STM32片內(nèi)的AD程序設(shè)計，首先要對模擬量輸入的口進(jìn)行設(shè)置，然后啟動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化程序并判斷轉(zhuǎn)化是否結(jié)束，當(dāng)轉(zhuǎn)化結(jié)束后，將轉(zhuǎn)化值輸出到單片機(jī)中，其設(shè)計流程圖如圖4-8所示。圖4-8光照檢測程序設(shè)計流程圖2020

5智能鞋柜系統(tǒng)的調(diào)試5.1程序調(diào)試智能鞋柜系統(tǒng)程序設(shè)計軟件使用Keil5軟件進(jìn)行編程，代碼編寫完成后，將控制器連接到待測試PCB板上進(jìn)行調(diào)試，驗證程序邏輯是否正確。其開始調(diào)試操作如圖5-1所示。因其軟件調(diào)試過程比較復(fù)雜，所以在此處不再進(jìn)行附圖。圖5-1設(shè)備Debug參考操作界面5.2硬件調(diào)試5.2.1電路板調(diào)試智能鞋柜控制系統(tǒng)的繪圖軟件使用AD進(jìn)行原理圖繪制，原理圖繪制完成并檢查無誤后，進(jìn)行PCB設(shè)計，從而完成整個智能鞋柜系統(tǒng)的硬件電路板設(shè)計，其PCB的電路板圖如圖5-2所示。圖5-2智能鞋柜系統(tǒng)硬件PCB圖2121在完成智能鞋柜系統(tǒng)PCB繪制、檢查后，需要進(jìn)行PCB板的制作、實物的焊接及調(diào)試，從而驗證設(shè)計是否滿足功能需求。設(shè)計調(diào)試過程如下：PCB板制作完成后，首先應(yīng)檢查PCB板加工是否有異常，主要檢查點包括：是否漏線、是否漏焊盤、PCB板是否短路燈情況；焊接電路板，在完成電路板焊接后，首先使用萬用表檢查是否存在電路板焊接不良的情況，確定電路板無異常后，進(jìn)行第（3）項；使用J-LINK連接電路板。下載程序完成后，查看單片機(jī)是否能夠正常工作，進(jìn)一步查看系統(tǒng)各功能模塊是否工作正常；使用示波器查看電路板關(guān)鍵信號波形是否正常，使用萬用表查看電路板電壓是否正常。軟件在線調(diào)試完成后，使用適配器對系統(tǒng)進(jìn)行供電，驗證系統(tǒng)是否能穩(wěn)定工作，如有問題，進(jìn)行反復(fù)排查問題點，確保系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定的運行。5.2.2實物調(diào)試智能鞋柜系統(tǒng)通過ADC接口采集環(huán)境光數(shù)據(jù)，將采集到的環(huán)境光模擬量處理后，得到環(huán)境光數(shù)值；通過單總線與DHT111通信采集鞋柜內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在獲取到環(huán)境光、溫度、濕度數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行如下操作：將采集到的數(shù)據(jù)在OLED液晶屏上顯示出來；并通過WIFI將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到APP上，進(jìn)而實現(xiàn)在Android平臺上手機(jī)對鞋柜內(nèi)環(huán)境的查看；搭配智能算法，與告警閾值相比較后，自動開啟加熱、排風(fēng)、照明、消毒等功能。智能鞋柜系統(tǒng)的實物照片如圖5-3所示。圖5-3智能鞋柜系統(tǒng)實物照片智能鞋柜系統(tǒng)的具體工作流程如下：2222系統(tǒng)初始化，包括系統(tǒng)時鐘初始化、中斷優(yōu)先級設(shè)置、串口初始化、傳感器初始化、按鍵初始化、WIFI初始化等；單片機(jī)發(fā)出AT指令，控制WIFI模塊創(chuàng)建局域網(wǎng)；手機(jī)連接WIFI模塊搭建的局域網(wǎng)，連接成功后，定時將采集數(shù)據(jù)更新至APP端；用戶可根據(jù)自己需求通過按鍵設(shè)置自動聯(lián)動控制閾值，在環(huán)境值超出設(shè)置閾值后，單片機(jī)會自動控制加熱、排風(fēng)、消毒等功能開啟。5.2.3實物調(diào)試問題分析（1）OLED顯示屏顯示不清晰或顯示錯字問題原因：軟件編程時單片機(jī)時鐘與信號線時序不對應(yīng)，造成顯示不清晰或顯示錯字；（2）光照檢測值不準(zhǔn)確問題原因：由于光照檢測傳感器檢測精度未進(jìn)行調(diào)整，輸出的浮動電壓較大造成單片機(jī)采樣數(shù)據(jù)偏差較大，所以需在使用前對傳感器部分進(jìn)行精度調(diào)整并在軟件上加入相應(yīng)的軟件濾波操作。通過對上述問題的分析解決，實測智能鞋柜系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計需要，其測試結(jié)果如表5-1所示：表5-1測試結(jié)果功能名稱預(yù)計效果實測結(jié)果加熱功能監(jiān)測柜內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定值后，自動打開加熱功能滿足排風(fēng)功能監(jiān)測柜內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)超出設(shè)定值后，自動打開排風(fēng)功能滿足照明功能檢測打開柜門，且柜內(nèi)光線不好時，自動打開照明燈滿足殺菌消毒功能定時進(jìn)行紫外線殺菌消毒，且定時時間可設(shè)置滿足APP展示功能可在手機(jī)APP端查看鞋柜內(nèi)環(huán)境值滿足2323總結(jié)與展望未來人們的生活水平會不斷的提升，人們對生活中的基本穿戴需求也會逐步提高，未來的智能鞋柜系統(tǒng)將會有更進(jìn)一步的發(fā)展。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛躍式發(fā)展，智能家居市場也日益成長，智能鞋柜的發(fā)展已經(jīng)是不可抵擋的。通過本文所設(shè)計的智能鞋柜系統(tǒng)，滿足用戶操作簡單、設(shè)計成本低、功能完備的需求，具有較高的實用價值。智能鞋柜系統(tǒng)的硬件端通過DHT溫濕度傳感器、光敏電阻、OLED顯示屏、WIFI模塊、繼電器等相關(guān)設(shè)計，提供系統(tǒng)功能實現(xiàn)的平臺，軟件端通過C語言進(jìn)行程序模塊化設(shè)計，搭配智能算法，為系統(tǒng)提供運行的動力。運用軟硬件結(jié)合的方式設(shè)計的實物，通過實際測試分析，實現(xiàn)產(chǎn)品方案設(shè)計所制定的各項功能。智能鞋柜系統(tǒng)的設(shè)計，安全可靠的實現(xiàn)對柜內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測及顯示，并通過相關(guān)聯(lián)動操作，對柜內(nèi)環(huán)境進(jìn)行處理，實現(xiàn)自動加熱、排風(fēng)、自動殺菌消毒、自動照明、自動上傳數(shù)據(jù)至APP端的智能化功能。但是對于智能鞋柜系統(tǒng)后期實際推廣過程中，為滿足更多用戶的需求，還有諸多的改進(jìn)項，列舉主要的幾點改進(jìn)項如下：設(shè)計語音播報模塊，通過語音播報模塊的設(shè)計，可以使用戶更準(zhǔn)確的進(jìn)行信息報告；APP端增加參數(shù)設(shè)置功能，使用戶可以更方便的進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置；增加智能門控功能，當(dāng)監(jiān)測到有人接近時，可以自動打開柜門，當(dāng)人遠(yuǎn)離時，可以自動關(guān)閉柜門；增加鞋子分類歸納功能，可以通過測量鞋子的大小、顏色對鞋子進(jìn)行分類；設(shè)置安防模式，在開