單片機控制的智能開關(guān)硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u26196第1章硬件設(shè)計 1286141.1硬件整體架構(gòu) 150241.2STM32最小系統(tǒng)電路 2248181.2.1復位電路 387141.2.2時鐘電路 3103801.2.3啟動電路 4104531.2.4下載電路 5227781.3藍牙通信電路 5123491.4WiFi通信電路 6172271.5舵機控制 840461.6模式選擇電路 9267971.7狀態(tài)指示燈 9298311.7.1系統(tǒng)LED燈 9226641.7.2使能LED燈 9299621.7.3RGB模塊 10267231.8電源電路 1031811.8.1CKCS-PB01充放電電路 10235511.8.2USB供電電路 11226291.8.3降壓電路 1118741.9本章小結(jié) 117642第2章軟件設(shè)計 123241.10開發(fā)環(huán)境 12284661.10.1MDK5 12300391.10.2“我的硬件”微信小程序 13270851.11程序流程設(shè)計 14214181.11.1主程序流程 14277851.11.2藍牙模式傳輸 15230281.11.3WiFi模式傳輸 16305421.11.4數(shù)據(jù)解析與執(zhí)行 1913801.12本章小結(jié) 20第1章硬件設(shè)計硬件整體架構(gòu)硬件設(shè)計是智能開關(guān)面板控制器總體設(shè)計中非常重要的一部分，它在很大程度上影響著整個控制器的質(zhì)量。在選擇控制器的硬件時，始終圍繞著安全、穩(wěn)定、低成本、方便用戶使用和日后升級簡單的原則。硬件設(shè)計的整體架構(gòu)主要包括主控平臺、擴展模塊和外圍電路。硬件組成框圖如圖3-1所示。硬件組成框圖STM32最小系統(tǒng)電路綜合性能和成本考慮，在本設(shè)計中選用意法半導體公司生產(chǎn)的一款基于Cortex-M3核心的32位增強型ARM微處理器STM32F103C8T6作為核心處理器。在該芯片命名上，“STM32”代表產(chǎn)品系列是基于ARM的32位的微控制器，“F”代表產(chǎn)品類型是通用類型，“103”代表產(chǎn)品子系列是增強型，“C”代表引腳數(shù)目是48腳，“8”代表閃存存儲器容量為64K字節(jié)，“T”代表封裝類型為LQFP（Low-profileQuadFlatPackage），“6”代表工作溫度范圍為-40°C~85°C。該芯片引腳圖如圖3-2所示。STM32F103C8T6的主頻頻率為72MHz。在定時器方面，其擁有1個高級控制定時器（TIM1），3個通用控制定時器（TIM2、TIM3、TIM4）；在通信接口方面，其擁有2個SPI（SPI1、SPI2），2個IIC（IIC1、IIC2）,3個串口（USART1、USART2、USART3）、1個USB（USB2.0全速）和1個CAN（2.0B主動）；其它資源還包括20K字節(jié)的SRAM，37個GPIO端口，2個12位的ADC等，此外使用ST-Link下載器可以很方便的對該芯片進行程序燒錄，極大的簡化了下載步驟。為了實現(xiàn)最小系統(tǒng)，還需要包括復位電路、時鐘電路、啟動電路、下載電路等外圍輔助電路。STM32F103C8T6引腳圖復位電路復位電路產(chǎn)生外部復位，可在系統(tǒng)運行出現(xiàn)錯誤時或其它情況下使用。當SW1按鍵按下時，RESET端被拉到接地端，高電平變?yōu)榈碗娖?，低電平輸入到單片機的NRST引腳產(chǎn)生系統(tǒng)復位。復位電路時鐘電路時鐘電路相當于單片機的心臟，控制著單片機的工作節(jié)奏。單片機外接晶振，以外部晶振為基礎(chǔ)，通過分頻或倍頻兩種方式得到其它的時鐘頻率。電路中32.768KHz晶振產(chǎn)生的振蕩頻率經(jīng)過分頻器15次分頻后可以得到1Hz信號，即215=32768,1Hz也就是1秒鐘，晶振兩端分別連接PC14和PC15引腳。8MHz晶振產(chǎn)生的振蕩頻率經(jīng)過倍頻后使單片機達到72MHz的主頻率，晶振兩端分別連接OSCIN和OSCOUT引腳。電路圖如圖3-4所示。時鐘電路啟動電路每個STM32的芯片上都有BOOT0和BOOT1引腳，通過跳線帽連接到高低電平來配置單片機的啟動模式，啟動模式說明如表3-1所示，電路兩端分別連接單片機的BOOT0和BOO1引腳。若使用串口下載程序需配置啟動模式為系統(tǒng)存儲器模式，正常使用時啟動模式為用戶閃存存儲器模式。電路圖如圖3-5所示。啟動模式說明BOOT0BOOT1啟動模式說明低-用戶閃存存儲器內(nèi)部FLASH高低系統(tǒng)存儲器用于串口下載高高SRAM用于在SRAM中調(diào)試代碼啟動電路下載電路配合ST-Link下載器，使用SWD（SerialWireDebug）接口，只需要四根杜邦線就能實現(xiàn)程序的下載與調(diào)試。電路圖如圖3-6所示。下載電路藍牙通信電路藍牙在設(shè)計中作為控制器的近距離通信方式。在前文提到選擇藍牙4.0版本的前提下，綜合性能和成本考慮，在本設(shè)計中選用MLT-BT05作為藍牙通信模塊。該模塊使用了TI公司生產(chǎn)的一款CC2541芯片，它提出了一款針對藍牙低功耗的片載系統(tǒng)解決方案，非常適用于需要超低功耗的系統(tǒng)，除待機功耗低之外，該芯片還具有連接距離遠、反應(yīng)速度快等優(yōu)點。MLT-BT05支持主從模式，并板載紅色LED指示燈，用來指示藍牙連接狀態(tài)，指示狀態(tài)說明如表3-2所示。在未建立藍牙連接時模塊默認通過AT指令設(shè)置串口波特率、名稱、配對碼等，設(shè)置的參數(shù)可以掉電保存，藍牙連接后模塊自動切換到透傳模式。在本設(shè)計中選擇從模式。指示狀態(tài)說明模式LED顯示模塊狀態(tài)主模式均勻閃爍（300ms）搜索及連接中常亮建立連接從模式均勻慢速閃爍（800ms）等待配對常亮建立連接MLT-BT05的引出接口包括VCC、GND、TXD、RXD、STATE、EN。VCC和GND為電源端口，使用3.3V供電；TXD是發(fā)送端口，連接單片機的RXD，RXD是接收端口，連接單片機的TXD，因為單片機的USART1串口（TXD：PA9、RXD：PA10）需要與電腦連接進行串口打印與數(shù)據(jù)調(diào)試，所以這里選擇使用USART2（TXD：PA2、RXD：PA3）串口進行通信；STATE引腳輸出藍牙模塊的狀態(tài)，高電平為已連接，其它狀態(tài)為低電平；EN引腳搭配板載按鍵使用，若輸入低電平，在模塊處于休眠狀態(tài)時，短按按鍵，模塊將被喚醒至正常狀態(tài)，在模塊處于連接狀態(tài)時，短按按鍵，模塊就會主動發(fā)起斷開連接請求。在本設(shè)計中未使用到STATE和EN引腳。該模塊引腳連接圖如圖3-7所示。MLT-BT05引腳圖WiFi通信電路WiFi在設(shè)計中作為控制器的遠程通信方式。在前文提到選擇2.4GHz頻段的WiFi前提下，綜合性能和成本考慮，在本設(shè)計中選用ESP-01S作為WiFi通信模塊。該模塊是ESP8266系列WiFi模塊之一，是一款安信可科技自主研發(fā)設(shè)計的高性價比WiFiSOC模組。該模塊支持標準IEEE802.11b/g/n協(xié)議，并內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧。用戶可以使用這一模塊向現(xiàn)有設(shè)備添加網(wǎng)絡(luò)功能，也可以構(gòu)建獨立的網(wǎng)絡(luò)控制器。ESP-01S支持Station、SoftAP、SoftAP+Station三種模式，并板載藍色LED指示燈，供電狀態(tài)下LED燈熄滅，數(shù)據(jù)交換時LED燈閃爍。在本設(shè)計中選擇Station模式。模塊上電后首先在波特率為74880bps下打印輸出系統(tǒng)日志信息，如圖3-8所示，然后波特率切換到115200bps下完成系統(tǒng)初始化，當輸出Ai-ThinkerTechnologyCo.Ltd.ready字符串后，表明初始化完成，如圖3-9所示，之后可通過AT指令對模塊進行調(diào)試。74880bps下啟動信息115200bps下啟動信息ESP-01S的引出接口包括VCC、GND、TXD、RXD、RST、EN、IO0、IO2。VCC和GND為電源端口，使用3.3V供電；TXD是發(fā)送端口，連接單片機的RXD，RXD是接收端口，連接單片機的TXD，因為在同一時間，控制器只有藍牙或WiFi一種模式工作，所以為提高代碼的易讀性和簡潔性，這里與藍牙模塊共用同一個串口，即USART2（TXD：PA2、RXD：PA3）串口進行通信；RST是復位引腳，低電平復位，連接單片機的PB11引腳；EN是使能引腳，高電平使能，連接單片機的PB9引腳；IO0和IO2引腳通過高低電平搭配來選擇模塊的啟動模式，啟動模式說明如表3-3所示，在運行模式下，IO0和IO2引腳可懸空。該模塊引腳連接圖如圖3-10所示。啟動模式說明模式ENRSTIO0IO2下載模式高高低高運行模式高高高高MLT-BT05引腳圖舵機控制舵機是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。根據(jù)在本論文2.1中針對第1個問題所選用的第二種方案，綜合性能和成本考慮，在本設(shè)計中選用SG90作為舵機模塊，通過SG90模塊擺臂的旋轉(zhuǎn)來模擬人的開關(guān)動作。SG90模塊的工作原理是控制信號從接收機通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。其內(nèi)部有一個參考電路，產(chǎn)生一個周期為20ms，寬度為1.5ms的參考信號，將得到的直流偏置電壓與電位器的電壓進行比較，得到電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。該模塊的引出接口包括VCC、GND、IN。VCC和GND為電源端口，為保證扭力足夠，使用5V供電；IN是信號輸入引腳，連接單片機的PB1引腳，使用TIM3的OC4進行PWM信號輸出。該模塊引腳連接圖如圖3-11所示。MLT-BT05引腳圖模式選擇電路使用撥碼開關(guān)進行模式選擇，撥碼開關(guān)一端連接單片機的PA8引腳，另一端接地，當PA8引腳檢測到低電平輸入時，選擇藍牙模式，其它情況下選擇WiFi模式。當用戶需要更改控制器模式時，可撥動撥碼開關(guān)至相應(yīng)模式，并按下復位按鍵使系統(tǒng)運行到更改后的模式。電路圖如圖3-12所示。下載電路狀態(tài)指示燈控制器有三種狀態(tài)指示燈，分別是系統(tǒng)LED燈、使能LED燈，RGB模塊。系統(tǒng)LED燈系統(tǒng)LED燈提示控制器目前的狀態(tài)，“滅”表示正在初始化，“快閃（間隔500ms）”表示處于藍牙模式，“慢閃（間隔1s）”表示處于WiFi模式，通過控制單片機的PC13引腳輸出低電平使系統(tǒng)LED燈點亮。電路圖如圖3-13所示。系統(tǒng)LED燈電路圖使能LED燈使能LED燈提示W(wǎng)iFi模塊的使能狀態(tài)，“亮”表示已使能，“滅”表示未使能，通過控制單片機的PB9引腳輸出高電平使使能LED燈點亮，此時ESP-01S的EN引腳也處于高電平使能狀態(tài)。電路圖如圖3-14所示。使能LED燈電路圖RGB模塊RGB模塊提示開關(guān)狀態(tài)，“藍色”表示復位狀態(tài)，“紅色”表示關(guān)狀態(tài)，“綠色”表示開狀態(tài)，該模塊集成了3個發(fā)光二極管，引出接口包括R、G、B，GND。GND負責接地，R、G、B分別表示紅色、綠色、藍色，分別連接到單片機的PA6、PA5、PB0引腳，通過控制這三個引腳在不同時刻輸出高電平來點亮其中一種顏色，也可通過3路PWM信號來控制每種顏色的亮度，搭配出其它顏色。該模塊引腳圖如圖3-15所示。RGB模塊引腳圖電源電路電源電路分為三部分，分別是CKCS-PB01充放電電路、USB供電電路、降壓電路。CKCS-PB01充放電電路CKCS-PB01搭配一節(jié)4.2V的18650鋰電池使用，可升壓輸出5V電壓，當電池電壓不足時可通過Type-C接口對電池充電，同時支持邊充電邊放電。該模塊板載4顆LED燈用來顯示電池電量，并預(yù)留了外部按鍵接口，按鍵另一端接地時，短按一次按鍵控制開啟電量顯示和5V輸出，短按兩次按鍵會關(guān)閉電量顯示和5V輸出，在負載電流持續(xù)小于50mA時也將自動關(guān)閉輸出，在本設(shè)計中未使用到該按鍵，直接通過開關(guān)控制輸出。電路圖如圖3-16所示。CKCS-PB01充放電電路USB供電電路USB供電電路為最小系統(tǒng)板的供電電路，可提供5V電壓，此部分僅在程序調(diào)試時作為供電端使用，電路圖如圖3-17所示。USB供電電路降壓電路除舵機模塊需要5V電源供電外，其余模塊都是3.3V電源供電，所以需要將5V降壓至3.3V。電路圖如圖3-18所示。降壓電路本章小結(jié)本章主要介紹了智能開關(guān)面板控制器的硬件設(shè)計部分，涉及到STM32主控芯片以及外圍輔助電路、藍牙模塊、WiFi模塊、舵機模塊、狀態(tài)指示燈五個主要部分。第2章軟件設(shè)計開發(fā)環(huán)境智能開關(guān)面板控制器的硬件平臺已經(jīng)搭建完成，接下來開始搭建相應(yīng)的軟件平臺，在這一過程中，開發(fā)環(huán)境至關(guān)重要。MDK5在軟件開發(fā)環(huán)境的選擇上，對比目前比較常見的開發(fā)環(huán)境，最終選擇了應(yīng)用度最廣的MDK5即KeiluVision5，它是目前針對ARM處理器，尤其是Cortex-M內(nèi)核處理器的最佳開發(fā)工具。它具有代碼提示和語法動態(tài)檢測等實用功能，同時提供了一套豐富的固件庫，本次使用了Keil.STM32F1xx_DFP.2.3.0.pack固件庫，極大簡化了程序編寫步驟，該版本還向后兼容MDK4和MDK3等，便于對之前項目的移植。在編程語言上，該開發(fā)環(huán)境支持匯編語言、C語言等，為提高代碼的可讀性，可維護性，使用C語言完成對程序的編寫，代碼編譯完成后，在配置好ST-Link下載器的基礎(chǔ)上，使用“Download”按鈕一鍵下載調(diào)試。KeiluVision5界面如圖4-1所示。KeiluVision5界面“我的硬件”微信小程序本設(shè)計借助“我的硬件”微信小程序進行二次開發(fā)作為控制端APP。“我的硬件”是一款可自定義界面的微信小程序，通過添加和拖拽控件來完成界面的編輯，每個控件都有一個相對應(yīng)的ID標識和數(shù)據(jù)，待控件被觸發(fā)時，會通過提前設(shè)定好的通信方式發(fā)送出去，同時可選擇記錄日志信息。該小程序目前支持藍牙4.0和MQTT兩種通信模式，遠近通信方式的搭配，全方位支持本設(shè)計的控制需求。小程序還提供了現(xiàn)成的MQTT服務(wù)器，所以只需要配置MQTT硬件端即可。開發(fā)流程如圖4-2所示。開發(fā)流程圖程序流程設(shè)計主程序流程在智能開關(guān)面板控制器的軟件設(shè)計中，主控芯片STM32F103C8T6有很多模塊需要驅(qū)動，這在開發(fā)過程中是最基礎(chǔ)的部分，在程序開始的初始化部分主要包括時鐘設(shè)置、中斷配置、串口配置以及外設(shè)模塊初始化等，串口在配置過程中還需設(shè)置串口的波特率，在這里串口1和串口2的波特率均設(shè)置為115200bps。系統(tǒng)初始化完成后，根據(jù)撥碼開關(guān)確定使用模式，當用戶需要更改控制器模式時，可撥動撥碼開關(guān)至相應(yīng)模式，按下復位按鍵，使系統(tǒng)運行到更改后的模式。整體流程如圖4-3所示。主程序流程在本設(shè)計中主要使用定時器進行邏輯控制，提前設(shè)定了7個定時器，分別為定時器0~6。定時器0和定時器1負責系統(tǒng)LED燈兩種不同閃爍狀態(tài)，以定時器0為例，每隔500ms快閃爍指示當前處于藍牙模式，開啟定時器0后，首先執(zhí)行以下代碼設(shè)置標志位與參數(shù)：Time_Control.Timing_Flag[0]=0xff;Time_Control.OutTimeFlag[0]=0;Time_Control.TimingCount[0]=500;500ms計時結(jié)束即Time_Control.TimingCount[0]=0，此時產(chǎn)生超時中斷事件，執(zhí)行以下代碼更新標志位：Time_Control.Timing_Flag[0]=0;Time_Control.OutTimeFlag[0]=0xff;所以只需要for語句循環(huán)檢測0~6每個定時器，嵌套if語句判斷Time_Control.OutTimeFlag[i]標志位是否為0xff，若是，執(zhí)行定時器對應(yīng)操作并清除該標志位，若否，跳過當前定時器對應(yīng)操作。藍牙模式傳輸藍牙模塊的默認模特率為9600bps，需要使用如下AT指令將模塊波特率更改為115200bps：發(fā)送：AT+BAUD8\r\n返回：+BAUD=8\r\n OK\r\n藍牙連接后，當串口2接收到數(shù)據(jù)時，運行串口2中斷服務(wù)程序，并開啟定時器5，然后立即執(zhí)行定時器5對應(yīng)的數(shù)據(jù)接收操作。整體流程如圖4-4所示。藍牙模式傳輸流程圖WiFi模式傳輸WiFi模塊的默認模特率為115200bps，與單片機串口2配置的波特率相匹配。運行WiFi模式時，首先開啟定時器2并立即執(zhí)行定時器2對應(yīng)的連接服務(wù)器操作，其中涉及到的AT指令如下：（1）AT+CIPSTATUS：查詢網(wǎng)絡(luò)連接信息。模塊返回接口狀態(tài)，STATUS:2已連接AP，獲得IP地址、STATUS:3：已建立TCP或UDP傳輸、STATUS:4：斷開網(wǎng)絡(luò)連接、STATUS:5：未連接AP，即當返回的字符串中含有“STATUS:5”字樣時，說明當前未連接到無線接入點，則執(zhí)行配網(wǎng)操作，若無該字樣，則執(zhí)行后續(xù)操作。（2）AT+CWMODE=1：設(shè)置當前WiFi為Station模式。（3）AT+CWSTARTSMART：開啟SmartConfig，支持類型為ESPTOUCH、AirKiss。WiFi模塊開啟配網(wǎng)操作后，可通過“安信可科技”微信公眾號提供的配網(wǎng)入口（即AirKis