-PAGE1-一種基于STM32的花卉種植室內(nèi)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計摘要本畢業(yè)設(shè)計通過使用DHT11，一種復合溫濕度傳感器來設(shè)計一款用于花卉種植的室內(nèi)溫濕度控制裝置。DHT11是一種復合型的溫濕度傳感器，它最主要的優(yōu)點是價格便宜，同時具有較強的抗干擾能力和較長的使用壽命，很適合用于室內(nèi)監(jiān)測溫濕度變化。STM32系統(tǒng)板是集成了多種類型電路的復合型開發(fā)板，同時STM32系統(tǒng)板集成了豐富的接口，可以與DHT11傳感器很好的配合。本次設(shè)計也使用了CC2541這一低能耗的藍牙模塊，雖然傳輸?shù)姆秶^近，但它功能強大，數(shù)據(jù)不易丟失，能準確地傳遞溫濕度信息到客戶端。 使用STM32系統(tǒng)板來設(shè)計溫濕度控制系統(tǒng)，既可以通過OLED屏幕實時監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度，也能在室內(nèi)溫濕度超出設(shè)定的范圍時通過蜂鳴器進行報警，同時也能通過外接藍牙模塊定時向手機發(fā)送溫濕度信息。因此將此系統(tǒng)應(yīng)用于室內(nèi)可以準確快速地反映室內(nèi)的溫濕度情況及變化，也能及時地對溫濕度情況進行調(diào)整，滿足溫濕度的控制要求。關(guān)鍵詞：DHT11；溫濕度顯示；報警功能；藍牙傳輸1引言花卉產(chǎn)業(yè)是精致農(nóng)業(yè)的重要組成部分。隨著栽培面積的目益增加，花卉產(chǎn)業(yè)的急速擴大，所伴隨的栽培問題接踵而至。花卉的生產(chǎn)和質(zhì)量受到自然生態(tài)和生物因素的影響，花卉產(chǎn)業(yè)必須使產(chǎn)品質(zhì)量與花卉時期的生產(chǎn)和組織保持一致。應(yīng)用藍花栽培技術(shù)，對提高生產(chǎn)質(zhì)量和穩(wěn)定性，對企業(yè)具有重要意義?；ɑ茉O(shè)施利用設(shè)施和文化材料來實現(xiàn)環(huán)境控制因素(包括溫度、光線、濕度等)。以便為花卉生長提供正確的條件，并克服種植期間惡劣的環(huán)境條件，從而達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)體系。高品質(zhì)盆花及觀葉植物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進步很快．但由于我國目前還沒有制訂適用的花卉設(shè)施設(shè)計、制造和施工標準，不論是引進的或自行設(shè)計的設(shè)施結(jié)構(gòu)和建設(shè)質(zhì)量都不高，大多數(shù)不能適應(yīng)我國的環(huán)境和氣候特點，北方冬季保溫效果不佳，而南方夏季炎熱湘濕季節(jié)長，部分設(shè)施通風降溫能力差，使用效果也不理想，最終影響到花卉的品質(zhì)和穩(wěn)定生產(chǎn)。 熱濕措施用于通過手動控制設(shè)備的供暖、濕度、安靜和冷卻來提取溫度、濕度和控制濕度，不僅降低了實時性和準確性，還降低了操作人員的工作強度。即使一些用戶在溫度傳感器中使用核心二極管，但由于它們相互可接受的差異，它們的效率低于最佳。 本次設(shè)計利用的是DHT11傳感器來檢測室內(nèi)的溫濕度情況，這一數(shù)據(jù)主要是室內(nèi)空氣的溫濕度情況，但影響花卉生長情況的不僅是室內(nèi)空氣的溫濕度情況，也有土壤溫濕度條件的影響。在條件允許的情況下，也可以使用DSB18B20溫度傳感器插入泥土中測量泥土的溫度，這樣測量出的結(jié)果更加準確。同時本次設(shè)計沒能在硬件上實現(xiàn)控溫控濕，只能通過模擬實現(xiàn)，在條件允許的情況下，可以利用外接風扇，加熱器等實現(xiàn)真正意義上的控溫控濕。但在控溫控濕時仍有幾個問題需要解決，比如：在升溫時如何實現(xiàn)濕度不發(fā)生較大的變化，同理，在實現(xiàn)加濕的時候如何避免溫度的下降。 在室內(nèi)種植花卉，意味著花卉的種類繁多，數(shù)量較大，這就需要根據(jù)不同花卉的種類使用多個溫濕度傳感器，再設(shè)置不同的閾值來區(qū)別。比如像蘭花，梔子花等喜濕植物，最適生長濕度不能低于80%，而像茉莉，臘梅等花，最適生長濕度不能低于60%。 本次設(shè)計利用STM32系統(tǒng)板，通過使用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)溫度，同時利用OLED屏幕實時顯示溫濕度，并能通過藍牙模塊實時發(fā)送溫濕度信息到手機端，同時能實現(xiàn)報警功能。2概述2.1溫濕度控制系統(tǒng)概述溫濕度控制系統(tǒng)的工作原理是利用溫濕度傳感器DHT11來實時監(jiān)測并采集室內(nèi)的溫濕度信息，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，報警系統(tǒng)，藍牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和顯示部分。如圖2-1所示，當DHT11溫濕度傳感器采集到溫濕度數(shù)據(jù)后，通過STM32系統(tǒng)板對數(shù)據(jù)進行分析處理并在OLED屏上實時顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，并判斷溫濕度是否在合理的范圍內(nèi)，若不在則通過蜂鳴器報警，同時STM32系統(tǒng)板將數(shù)據(jù)通過藍牙模塊發(fā)送給客戶端，使用戶可以在客戶端實時查看室內(nèi)的溫濕度信息。圖2-1溫濕度控制系統(tǒng)原理圖2.2溫濕度控制系統(tǒng)的研究背景和前景多年以前由于技術(shù)條件等的限制，人們無法將溫度傳感器和濕度傳感器結(jié)合在一起，為了同時得到環(huán)境的溫濕度信息，人們必須同時使用溫度傳感器和濕度傳感器，這樣不僅需要耗費更多的資源還很浪費時間[1]。但隨著技術(shù)的提升，復合式傳感器出現(xiàn)了。復合式傳感器簡單來說就是把一個溫度傳感器和一個濕度傳感器集成在一起，復合式傳感器的出現(xiàn)不僅要感謝材料物理學的發(fā)展，也要感謝集成技術(shù)的提高。只有在集成技術(shù)提高的前提下才能將溫度傳感器和濕度傳感器集成于一體，而且集成后的傳感器體積很小。比如DHTT11，在集成了一個溫度傳感器和一個濕度傳感器后，它也只有5.5mm厚，12*15.5mm大。同時無線技術(shù)也迎來了大發(fā)展。當今較為成熟的無線技術(shù)有WIFI和藍牙。其中WIFI誕生自1999年，是無線局域網(wǎng)中的一個標準。通常它使用的是2.4GHZ和5GHZ周圍頻段。它的優(yōu)點是覆蓋范圍廣，傳輸速率快。缺點是穩(wěn)定性較差，功耗較高；藍牙技術(shù)最早誕生于1994年，它采用調(diào)頻技術(shù)，通信頻段為2.402GHZ-2.480GHZ.它的優(yōu)點是功耗低，速率快，缺點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少。就本設(shè)計而言WIFI更能滿足設(shè)計的需要，但由于WIFI設(shè)計較為復雜，我使用了藍牙模塊來傳輸信息。在屏幕顯示方面，有LCD和OLED兩種可選。LCD誕生于1968年，有CCFL和LED兩種。作為商用的顯示屏，LCD成本較低，但它的顯示質(zhì)量卻很高，同時有較低的功耗。而OLED顯示屏誕生在1978年，被譽為繼LCD以及PDP之后的最理想、最具潛力的下一代平板顯示技術(shù)。于LCD相比，輕薄是它最大的優(yōu)點，因為輕薄，它的制作工藝更簡單，制作的成本也更低。當然OLED有著壽命較低的缺點，當溫濕度監(jiān)測節(jié)點較多，要使用較多的傳感器來傳遞溫濕度信息時，就需要使用壽命長，顯示清晰地LCD屏幕了，但在本次設(shè)計中使用OLED就可以了。智能溫濕度傳感器傾向于在以下領(lǐng)域發(fā)展:(1)隨著自動生產(chǎn)的增加，對傳感器的要求越來越大，需要開發(fā)敏感、準確、反應(yīng)迅速和可互換的新傳感器，以確保生產(chǎn)自動運行的可靠性。(2)對于電子設(shè)備來說，傳感器的可靠性是影響電子設(shè)備的一個重要因素。因為許多電子設(shè)備都工作在高溫，高濕或高電磁干擾的環(huán)境中，因此傳感器也要能抗干擾。(3)對于各種控制裝置來說，傳感器的大小會很大程度上影響控制裝置的工作效率，因此傳感器本身越小越好，這意味著傳感器的生產(chǎn)加工技術(shù)要盡快更新?lián)Q代。(4)隨著技術(shù)的發(fā)展，傳感器已不再是從前那個只能產(chǎn)生模擬信號的傳感器了，它已經(jīng)可以產(chǎn)生數(shù)字信號。(5)傳感器通常從非電能變?yōu)殡娔?，在工作時不能再排放，無論是在野外還是在電網(wǎng)外，通常使用電池或太陽能。這是傳感器發(fā)展的必經(jīng)之路，這樣不僅可以節(jié)約能源，也能保護環(huán)境。(6)網(wǎng)絡(luò)化是傳感器發(fā)展的重要趨勢，網(wǎng)絡(luò)的作用和優(yōu)勢正在顯現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)傳感器肯定會對電子技術(shù)的發(fā)展作出貢獻。2.3藍牙系統(tǒng)的研究背景和前景藍牙模塊工作的原理是藍牙模塊發(fā)射射頻信號，射頻信號被其他藍牙設(shè)備的天線接收后，通過基帶信號處理器處理，分析，最后進行連接，這樣幾個相連的藍牙設(shè)備就構(gòu)成了一個微微網(wǎng)，設(shè)備可以在微微網(wǎng)中進行信息的交互，但微微網(wǎng)可以容納的設(shè)備不能超過8臺。 藍牙具備優(yōu)秀的特性：（1）藍牙屬于無線技術(shù)，傳遞信息不需要通過電纜，極大地縮減了傳遞信息所需的時間，方便了人們的生活。（2）藍牙設(shè)備無須擔心“國界”的障礙，由于藍牙技術(shù)使用的工作頻段在全球都是通用的，因此即使身在異國他鄉(xiāng)，也可以自由的與他人進行藍牙連接，可以迅速，便捷的進行數(shù)據(jù)的傳輸。（3）藍牙技術(shù)有較強的安全性和抗干擾能力，由于跳頻功能的使用，藍牙技術(shù)抗干擾能力大大提升，同時藍牙技術(shù)也具有很好的兼容性。（4）雖然目前藍牙技術(shù)傳輸距離較短，但也可以通過增加射頻功率來增長傳輸距離，這樣還可以提高藍牙傳播時的工作質(zhì)量與效率。但藍牙技術(shù)也存在一些問題：（1）功耗問題。藍牙在傳輸數(shù)據(jù)時，只要傳輸?shù)念l率不高，傳輸過程消耗的能量就較少，但藍牙模塊之間為了能及時響應(yīng)連接請求，在等待連接的過程中要進行輪詢訪問，在這一過程中藍牙要進行大量的數(shù)據(jù)交互，這就產(chǎn)生了較高的能耗。（2）使用問題。藍牙設(shè)備在連接時涉及多次的信息傳遞與驗證過程，雖然在使用者看來并沒有復雜的步驟和較長時間的等待，但多次的數(shù)據(jù)加解密過程和身份的驗證過程，都極大的浪費了設(shè)備的計算資源。（3）安全問題。藍牙技術(shù)的產(chǎn)生是為了能讓數(shù)個藍牙模塊組成一個無基站式的局域網(wǎng)，在這一局域網(wǎng)中，人們可以利用藍牙自如的傳輸數(shù)據(jù)，因此需要保證每次連接的私密性和安全性。藍牙技術(shù)發(fā)展前景：（1）普及藍牙技術(shù)的認知與利用目前藍牙技術(shù)早已在我們的生活中普及，在手機，筆記本電腦，平板電腦等一系列電子設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，雖然人人都會打開手機的藍牙功能，并與自己的藍牙耳機相連，但人們對它們工作的原理卻知之甚少，為了能讓藍牙技術(shù)再次迎來大發(fā)展，就需要普及對藍牙技術(shù)的認知與利用，只有讓更多的人了解到藍牙的重要性，才能發(fā)展藍牙技術(shù)。（2）拓展藍牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域雖然目前的藍牙技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在了很多的領(lǐng)域，但更多的還是在民用領(lǐng)域，比如手機，筆記本電腦，藍牙耳機，藍牙音箱等，因此要大力拓展藍牙技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，讓藍牙技術(shù)可以出現(xiàn)在軍工，商業(yè)等領(lǐng)域。（3）與更多的操作系統(tǒng)之間兼容在當前這個信息大發(fā)展的時代，如何能與多種類型的計算機操作系統(tǒng)相兼容，是藍牙技術(shù)能否穩(wěn)定發(fā)展的前提。不管是Windowsxp，IOS還是PC，藍牙技術(shù)都要為它們定制服務(wù)，比如在WIN10系統(tǒng)中存在著電腦無法識別出部分藍牙設(shè)備的情況，這就是藍牙技術(shù)沒有足夠兼容WIN10系統(tǒng)的表現(xiàn)。因此藍牙技術(shù)要與時俱進，為各個操作系統(tǒng)開發(fā)專屬的藍牙技術(shù)，讓更多操作系統(tǒng)之間的兼容成為可能。（4）低成本發(fā)展，芯片小巧且價格下降在芯片設(shè)計方面，要向小和便宜兩個方向發(fā)展。更小的芯片意味著更低的成本和更廣闊的應(yīng)用范圍。而便宜則會讓藍牙技術(shù)被更廣泛的應(yīng)用，這也意味著應(yīng)用藍牙技術(shù)的設(shè)備價格更低。（5）加強合作開發(fā)趨勢 在各行各業(yè)飛速發(fā)展的今天，作為通訊技術(shù)的藍牙不能閉門造車，要與其他相關(guān)行業(yè)建立良好的合作開發(fā)關(guān)系。比如在汽車制造業(yè)中，藍牙技術(shù)可以運用于無人駕駛技術(shù)，通過在汽車控制系統(tǒng)中加裝藍牙模塊，人們可以利用藍牙設(shè)備遠程操控汽車，實現(xiàn)汽車的開關(guān)門，自動停車等；還可以應(yīng)用于安全傳輸信息方面，可以通過提高加密技術(shù)，讓藍牙傳遞的信息更安全，抗干擾能力更強。2.4本設(shè)計方案思路本設(shè)計的目的是實現(xiàn)溫濕度信息的采集，分析和傳輸，同時能模擬實現(xiàn)控溫控濕。在數(shù)據(jù)采集方面，使用DHT11溫濕度傳感器，同步采集溫濕度信息；在數(shù)據(jù)顯示方面，使用OLED屏，實時顯示采集到的溫濕度信息；在數(shù)據(jù)傳輸方面，使用CC2541藍牙傳輸模塊實時傳輸溫濕度信息到客戶端，同時客戶端可發(fā)送指令模擬控制溫濕度；在報警方面，使用蜂鳴器實現(xiàn)報警功能[3]。2.5研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵（1）合理使用DHT11溫濕度傳感器，提高系統(tǒng)的精度；（2）OLED屏幕實時顯示數(shù)據(jù)；（3）蜂鳴器報警功能；（4）通過藍牙模塊實時傳輸溫濕度信息。2.6主要技術(shù)指標工作電壓

：3.3V-5v信號類型：數(shù)字信號響應(yīng)時間：1/e(63%)6-30s供電電流：最大2.5mA溫度范圍：0-50℃，誤差±2℃濕度范圍：當環(huán)境溫度在

0℃時為30-90%RH;當環(huán)境溫度在25℃時為20-90%RH;當環(huán)境溫度在50℃時為20-80%RH采樣周期間隔：<1s

3方案設(shè)計3.1系統(tǒng)總體設(shè)計本次設(shè)計的總體方案是利用OLED屏實時顯示DHT11采集到的數(shù)據(jù)，并利用CC2541藍牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到客戶端，同時設(shè)置不同的閾值，當溫濕度不在閾值內(nèi)時，觸發(fā)蜂鳴器報警以便管理人員及時處理實現(xiàn)系統(tǒng)的保護，最后利用CC2541藍牙模塊實時傳輸溫濕度信息到客戶端，便于管理人員實時監(jiān)測室內(nèi)情況。3.2系統(tǒng)設(shè)計原則 單片機系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高，性價比高，操作簡便等特點[2]。設(shè)計原則有以下幾個方面：（1）可靠性高。高可靠性是各個PC系統(tǒng)應(yīng)用的必要條件，在各個Pc系統(tǒng)的開發(fā)中，必須始終以可靠性為基礎(chǔ)。通過提高可靠性，我們可以考慮使用可靠性更高的組件。電力供應(yīng)有抗干擾，硬件電路等。（2）物有所值。除體積小、能耗低外，性價比是一個重要特點。在電路設(shè)計中提供良好的性能，同時降低總成本，簡化電路，使用軟件代替一些硬件等。（3）操作方便。在系統(tǒng)設(shè)計中，對用戶和用戶來說，使用系統(tǒng)的復雜性都必須最小化。這簡化了工作，最大限度地減少了工作場所的互動。3.3系統(tǒng)方案的論證與選擇3.3.1單片機的選擇方案一：采用AT89C51單片機。51系列的一個優(yōu)點是，它有一個完整的操作系統(tǒng)，有點叫處理器或Boolean處理器，從硬件到軟件。它處理比特，而不是字或字節(jié)。它不僅處理存儲器區(qū)域中的特定位，還處理函數(shù)選項卡中的特定位如：發(fā)送、配置、清零、測試等。以及與位相關(guān)的邏輯操作，這些操作如此強大，用戶友好。其他類型的單個驅(qū)動器也有傳輸位，但是有幾種方法可以執(zhí)行位邏輯操作。系列51還提供一個雙向地址空間，16字節(jié)，單位地址20Hx2FH，它充當字節(jié)和處理位(在位處理中，128位加上相應(yīng)的OH-7FH地址)。系列51的另一個優(yōu)點是指令的乘法和分離，它簡化了編程。51單片機的缺點是速度太慢。方案二:采用STM32F103單片機。STM32界面相對簡單，因為它功能多，運行速度快。STM32微處理器結(jié)合了高實時性、數(shù)字信號處理、低功耗和低電壓，同時保持了高集成度和開發(fā)方便性。業(yè)界最強大的基于標準處理器的產(chǎn)品組合、大量硬件和軟件開發(fā)工具使STM32成為中小型項目和完整平臺的獨立理想選擇。STM32是一個32位芯片，同時32位寬，51位只能處理8位。這意味著一個STM32芯片的速度是51單片機處理器的十倍。 綜合來看，STM32單片機更能滿足我們的設(shè)計要求，因此選擇方案二。3.3.2顯示器的選擇方案一：采用LCD屏幕。LCD屏的大致原理是基于白色光穿透彩色濾光器產(chǎn)生不同顏色，借助電流來控制每個像素點的透光率從而實現(xiàn)不同顏色的顯示，技術(shù)特點是需要借助背光板照射才能顯示色彩。雖然LCD屏不會發(fā)生屏閃現(xiàn)象且像素密度高，成像更清晰，但LCD屏厚度太厚，對比度較低而且更耗電。方案二：采用OLED屏幕。OLED則是OrganicLight-EmittingDiode有機發(fā)光二極管的簡稱，由于省去了背光板和彩色濾光器，所以厚度更薄。OLDE屏的每一個像素點都是獨立的，因此可以實現(xiàn)部分點亮，耗電也更低。OLED的光譜中沒有紫外線也沒有紅外線，沒有輻射沒有污染，是典型的的綠色照明光源。綜合來看，OLED更能滿足我們的設(shè)計要求，因此選擇方案二。3.3.3傳感器的選擇 方案一：采用SHT11溫濕度傳感器。SHT11溫濕度傳感器是集合了溫度傳感器和濕度傳感器于一體的一款復合型傳感器，因此它具有精度高，成本低等優(yōu)點。但它的相對價格較高，用于室內(nèi)溫濕度監(jiān)測的話，性價比不高。 方案二：采用DHT11溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器也是一款集成了溫度傳感器和濕度傳感器的復合型傳感器，它具有穩(wěn)定性高，抗干擾能力強等優(yōu)點[4]，與SHT11相比，雖然在精度方面略遜一籌，但價格較為便宜，用在室內(nèi)的話，性價比較高。綜合來看，DHT11能更好的在室內(nèi)工作，因此選擇方案二。

4硬件設(shè)計 本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由主控模塊、傳感器模塊、OLED顯示模塊、時鐘電路、復位電路、報警模塊和藍牙模塊組成。4.1主控模塊 本系統(tǒng)采用STM32F103單片機作為主控模塊，利用DHT11溫濕度傳感器采集溫濕度信息，再通過單片機將采集到的信息顯示在OLED屏幕上，以顯示溫濕度信息。本設(shè)計可自行設(shè)置溫濕度的閾值，當溫濕度過高或過低時都會觸發(fā)蜂鳴器報警系統(tǒng)，同時溫濕度信息會實時通過藍牙模塊傳輸?shù)娇蛻舳恕?.1.1STM32F103簡介Stm32f103xx增強型系列由Stm32f103xx半導體集團設(shè)計。它配備了強大的armcortex-m332位RISC內(nèi)核、72MHz、高速內(nèi)部存儲器(高達128kb閃存和20KBSRAM)、先進的I/O端口和用于外設(shè)的2條APB總線。所有型號包括兩個12位APC、三個通用16位定時器和PWM定時器，以及標準和高級通信接口:最多兩個I2C和SPIs、三個USART端口、usb端口和can總線結(jié)構(gòu)。4.1.2STM32F103主要特點 STM32F103主要特點有：低功耗。與經(jīng)典的51單片機相比，STM32F103開發(fā)板做到了杰出的功耗控制，STM32F103系統(tǒng)板為自己的每個模塊都單獨設(shè)置了時鐘開關(guān)，當你需要降低功耗時只需要關(guān)閉相應(yīng)的開關(guān)即可。價格便宜。STM32系列開發(fā)板從大到小，從復雜到簡單，每一款的價格相對來說都很便宜，即使是最小系統(tǒng)板，你也能用最便宜的價格買到最豐富的模塊。豐富的外設(shè)。STM32F103擁有非常多的外設(shè)，包括：I2C總線，USB接口，ADC和DAC，CAN總線以及其他很常用的諸多模塊。即使是最小系統(tǒng)板也能滿足一般的需求。極低的開發(fā)成本。利用STM32F103開發(fā)只需要通過串口就可以把寫好的代碼下載進開發(fā)板中。STM32F103模塊框圖如圖4.1.圖4.1STM32模塊框圖(4-2)4.2復位電路 STM32使用的是低電平復位。當按下復位按鍵時，RST與GND相連，為低電平，實現(xiàn)復位；當復位鍵松開時，RST與VCC相連，為高電平，正常工作。因此可以利用按鍵SW1實現(xiàn)系統(tǒng)的復位。復位電路的電路圖如圖4.2所示。圖4.2復位電路的電路圖4.3時鐘電路 時鐘是像計算機處理器一樣運行一個設(shè)備所必需的，一個設(shè)備不能運行程序，除非有每小時來創(chuàng)建一個計數(shù)器時鐘。如果沒有時鐘信號，觸發(fā)器狀態(tài)就不能改變，當任務(wù)完成時，一個設(shè)備內(nèi)的所有電路都達到穩(wěn)定狀態(tài)，而不能執(zhí)行任何額外的任務(wù)。一臺計算機可以被看作是時鐘控制的邏輯電路。設(shè)計包括8-8MhZ晶體和22-PF電容。，如圖4.3所示。圖4.3時鐘電路4.4顯示模塊本次設(shè)計采用的顯示模塊是OLED顯示屏。OLED學名“有機發(fā)光二極管”，意思是當有電流通過它時，它就會發(fā)光，且發(fā)光亮度取決于電流大小，電流越大，亮度越高，反之越暗。4.4.1顯示原理OLED的基本結(jié)構(gòu)如圖4.4.1所示，在類似三明治的結(jié)構(gòu)中，一層薄而透明且具有半導體特性的錮錫氧化物（ITO）與陽極相連，同時用另一片金屬當做陰極。當輸入電壓時，正極空穴與陰極電荷就會在發(fā)光層中結(jié)合而發(fā)光。依其不同的配方，可產(chǎn)生紅、綠、藍（R、G、B）三基色，構(gòu)成基本色彩。與LED液晶屏不同，OLED屬于電流型的有機自發(fā)光器件。如圖4.4.1所示，在OLED的玻璃基板上通過噴墨打印、有機氣相沉積或真空熱蒸發(fā)等工藝，形成納米級的正（陽）電極、空穴傳輸層、發(fā)光層、電子傳輸層和負（陰）電極附著物。當給陽極加上＋2V～＋10V的直流電壓時，金屬陰極產(chǎn)生電子，ITO陽極產(chǎn)生空穴，在電場力的作用下，電子穿過電子傳輸層，空穴穿過空穴傳輸層，在有機發(fā)光層相遇。電子和空穴分別帶負電和正電，它們相互吸引，激發(fā)有機材料發(fā)光。由于ITO陽極段是透明的，人們就可以看到它發(fā)出的光。通過控制電流的大小，可調(diào)整發(fā)光亮度。每個OLED顯示單元（像素點）都能受控制地產(chǎn)生三種不同顏色的光，而OLED顯示單元（像素點）后都有一個薄膜晶體管TFT，顯示單元（像素點）在TFT驅(qū)動下點亮。薄膜晶體管TFT的開啟與否由邏輯板形成的柵極驅(qū)動信號和源極數(shù)據(jù)信號控制。

圖4.4.1OLED顯示原理4.4.2顯示過程OLED發(fā)光的方式類似于LED，需經(jīng)歷一個稱為電磷光的過程。具體過程如下：電池或電源設(shè)備為OLED設(shè)備供電電流經(jīng)過有機層從陰極傳遞向陽極同時陰極向有機分子發(fā)射層輸出電子陽極吸收從有機分子傳導層傳來的電子。（這可以視為陽極向傳導層輸出空穴，兩者效果相等）。電子會在發(fā)射層和傳導層的交界處與空穴結(jié)合。電子遇到空穴時，會填充空穴。當這一過程發(fā)生時，電子就會以光子的形式釋放能量。OLED發(fā)光。光的顏色取決于發(fā)射層有機物分子的類型。生產(chǎn)商會在同一片OLED上放置幾種有機薄膜，這樣就能構(gòu)成彩色顯示器。為OLED屏施加的電流越大，OLED屏能發(fā)出的光就越亮。 OLED顯示屏原理圖如圖4.4.2所示。圖4.4.2OLED顯示屏原理圖4.4.3通信模式 OLED屏有多種通信模式，比如I2C，SPI等。其中使用I2C通信的OLED屏如圖4.4.3所示。圖4.4.3I2CLED I2COLED共有四個引腳： GND:接地 VCC：接3.3V-5V電源 SCL:I2C總線時鐘信號 SDA:I2C總線數(shù)據(jù)信號 I2C總線是主從結(jié)構(gòu)，單片機是主器件，存儲器是從器件。一條總線可以帶多個從器件（也可以有多主結(jié)構(gòu)），I2C總線的SDA和SCL是雙向的，開路門結(jié)構(gòu)，通過上拉電阻接正電源。進行數(shù)據(jù)傳輸時，SDA線上的數(shù)據(jù)必須在時鐘的高電平周期保持穩(wěn)定。 在SCL線是高電平時，SDA線從高電平向低電平切換表示起始條件；當SCL是高電平時SDA線由低電平向高電平切換表示停止條件如圖4.4.4所示。圖4.4.4起始和停止信號 SPI通信方式包括3線SPI和4線SPI。其中4線接口包括四個信號，時鐘信號，片選信號，主機輸出從機輸入信號和主機輸入從機輸出信號。其中時鐘信號包含SPI,CLK和SCLK三個接口，片選信號包含CS引腳，主機輸出從機輸入信號包含MOSI引腳，主機輸入從機輸出信號包含MISO引腳。 產(chǎn)生時鐘信號的器件稱為主機。主機和從機之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與主機產(chǎn)生的時鐘同步。同I2C接口相比，SPI器件支持更高的時鐘頻率。用戶應(yīng)查閱產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊以了解SPI接口的時鐘頻率規(guī)格。SPI接口只能有一個主機，但可以有一個或多個從機。圖1顯示了主機和從機之間的SPI連接。來自主機的片選信號用于選擇從機。這通常是一個低電平有效信號，拉高時從機與SPI總線斷開連接。當使用多個從機時，主機需要為每個從機提供單獨的片選信號。本文中的片選信號始終是低電平有效信號。MOSI和MISO是數(shù)據(jù)線。MOSI將數(shù)據(jù)從主機發(fā)送到從機，MISO將數(shù)據(jù)從從機發(fā)送到主機。I2C與SPI相比：I2C：（1）總線拓撲結(jié)構(gòu)：I2C只需兩根信號線，而標準SPI至少四根信號，如果有多個從設(shè)備，信號需要更多。一些SPI變種雖然只使用三根線——SCLK、SS和雙向的MISO/MOSI，但SS線還是要和從設(shè)備一對一根。另外，如果SPI要實現(xiàn)多主設(shè)備結(jié)構(gòu)，總線系統(tǒng)需額外的邏輯和線路。用I2C構(gòu)建系統(tǒng)總線唯一的問題是有限的7位地址空間，但這個問題新標準已經(jīng)解決——使用10位地址。從第一點上看，I2C是明顯的大贏家。（2）優(yōu)雅性：I2C常被稱更優(yōu)雅于SPI。I2C的優(yōu)雅在于它的特色——用很輕盈的架構(gòu)實現(xiàn)了多主設(shè)備仲裁和設(shè)備路由。但是對使用的工程師來講，理解總線結(jié)構(gòu)更費勁，而且總線的性能不高。SPI：（1）傳輸速率：如果應(yīng)用中必須使用高速數(shù)據(jù)傳輸，那么SPI是必然的選擇。因為SPI是全雙工，IIC的不是。SPI沒有定義速度限制，一般的實現(xiàn)通常能達到甚至超過10Mbps。IIC最高的速度也就快速+模式(1Mbps)和高速模式(3.4Mbps)，后面的模式還需要額外的I/O緩沖區(qū)，還并不是總是容易實現(xiàn)的。（2）易掌握性：SPI的優(yōu)點在于它的結(jié)構(gòu)相當?shù)闹庇^簡單，容易實現(xiàn)，并且有很好擴展性。SPI的簡單性不足稱其優(yōu)雅，因為要用SPI搭建一個有用的通信平臺，還需要在SPI之上構(gòu)建特定的通信協(xié)議軟件。也就是說要想獲得SPI特有而IIC沒有的特性——高速性能，工程師們需要付出更多的勞動。另外，這種自定的工作是完全自由的，這也說明為什么SPI沒有官方標準。IIC和SPI都對低速設(shè)備通信提供了很好的支持，不過，SPI適合數(shù)據(jù)流應(yīng)用，而IIC更適合“字節(jié)設(shè)備”的多主設(shè)備應(yīng)用。4.5報警模塊在室內(nèi)花卉種植方面，溫濕度是很重要的檢測指標，當溫度或濕度不在花卉生長的適宜范圍內(nèi)時，就需要單片機報警來提醒人們即使調(diào)節(jié)溫濕度。而報警的方式有很多種，比如利用蜂鳴器發(fā)出尖銳的鳴叫聲來報警，也可以利用報警閃光燈的閃爍提醒人們發(fā)生了緊急情況，還可以使用語音播報模塊。這三種報警方式各有所長，但閃光燈報警在白天時不易被察覺，可能會耽誤人們發(fā)現(xiàn)緊急情況，從而影響花卉的生長；語音播報報警，聲音清晰，還能根據(jù)不同的情況發(fā)出不同的報警聲，但相對價格較高，實現(xiàn)較為復雜。而蜂鳴器報警不僅報警聲清晰，而且容易實現(xiàn)，價格很便宜。蜂鳴器包括壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器[7]。壓電式蜂鳴器實物如圖4.5.1。圖4.5.1壓電式蜂鳴器電磁式蜂鳴器實物如圖4.5.2。圖4.5.2電磁式蜂鳴器 蜂鳴器工作電路原理圖如圖4.5.3所示。圖4.5.3蜂鳴器工作電路4.6藍牙模塊4.6.1模塊簡介本次設(shè)計采用的藍牙模塊是CC2541藍牙模塊。CC2541是一款高度集成的芯片，這款芯片的成功研發(fā)使得藍牙能夠更低功耗的應(yīng)用成為了可能[5]。CC2541的電池有更長的使用壽命，僅用一枚小小的硬幣型電池，它便可以運行超過一年的時間，這為人們在硬件的低功耗使用方面提供了新的思路。CC2541使用的是藍牙4.0版本的協(xié)議棧，有效傳輸距離可以達到30米，它的工作電壓在2—3.6V之間。CC2541是一款可以快速進行開發(fā)的藍牙模塊，它極大地簡化了藍牙調(diào)試方面的工作。與CC2540相比，CC2541加入了I2C總線，豐富了模塊的通信方式，而且價格也更便宜。CC2540則有USB接口，有更強的信號，但這也意味著CC2540有著更高的功耗。同時CC2541在原來的基礎(chǔ)上大大簡化了智能藍牙傳感器應(yīng)用的設(shè)計，縮短了開發(fā)的時間。 藍牙串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式。 當模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行AT命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令。在自動連接工作模式下模塊又可分為主、從和回環(huán)三種工作角色。 進入命令響應(yīng)工作模式有兩種方法：模塊上電，未配對情況下就是AT模式，波特率為模塊本身的波特率，默認：9600，發(fā)送一次AT指令時需要置高一次PIO11；PIO11置高電平后，再給模塊上電，此時模塊進入AT模式，波特率固定為：38400，可以直接發(fā)送AT指令。 在藍牙模塊中有一個小按鍵，按一下就置高一次PIO11。也就是說，第一種方法需要每發(fā)送一次AT指令按一次；而第二種方式是長按的過程中上電，之后就無需再管了，直接發(fā)送AT命令即可。需要注意一下，兩種進入命令響應(yīng)工作模式的方式使用的波特率是不一樣的，建議使用第二種方式。怎么區(qū)分進了命令響應(yīng)工作模式呢？在藍牙模塊上有燈，當燈快閃的時候，就是自動連接工作模式；當燈慢閃的時候，就是命令響應(yīng)工作模式。常用的AT指令如下圖4.6.1所示。圖4.6.1常用的AT指令4.6.2模塊特性CC2541的器件特性有：價格：與CC2540相比，CC2541相對來說更便宜。布局：（1）極少的外部組件 （2）提供參考設(shè)計 低功率：（1）工作模式RX低至：17.9mA（2）工作模式TX（0dBm）：18.2mA（3）功率模式1（4μs喚醒）：270μA（4）功率模式2（睡眠定時器打開）：1μA（5）功率模式3（外部中斷）：0.5μs（6）寬泛的電源電壓范圍（2V-3.6V）（7）工作模式下TPS62730兼容低功率 CC2541引腳圖如圖4.6.圖4.6CC2541引腳圖4.7傳感器模塊4.7.1模塊簡介DHT11DigitalHumiditySensor是一種復合熱水分傳感器，它包含校準數(shù)字信號輸出，并利用專用技術(shù)采集數(shù)字機組和熱水分傳感器，由此該產(chǎn)品具有較高的可靠性和較長時間的穩(wěn)定性[6]。該傳感器由一個電阻式濕度傳感元件和一個熱敏電阻構(gòu)成。實物圖如圖4.7.1。 圖4.7.1DHT11溫濕度傳感器 DHT11溫濕度傳感器工作原理圖如圖4.7.2所示。圖4.7.2DHT11工作原理圖各引腳說明如下：VCC端：供電3.5-5.5VDCGND端：接地，電源負極DATA端：串行數(shù)據(jù)，，單總線NC端：空懸4.7.2工作原理DATA端用于MCU與DHT11之間的通訊和同步，使用單總線數(shù)據(jù)格式，每隔4ms左右發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括小數(shù)部分和整數(shù)部分，當前小數(shù)部分用于以后擴展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗和[8]只有數(shù)據(jù)傳送正確時，校驗和的數(shù)據(jù)等于“8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。信號發(fā)送如圖4.7.3所示。4.7.3數(shù)據(jù)時序圖4.7.3工作步驟DHT11采集并發(fā)送數(shù)據(jù)有如下幾個步驟： 步驟一：DHT11接入電路并打開電源后，DATA端保持為高電平，同時處于輸入狀態(tài)，便與檢測外部信號的輸入。步驟二：微處理器的I/O接口在輸出狀態(tài)下先把總線拉低至少18ms，再拉高20-40us，之后I/O接口轉(zhuǎn)化為輸入狀態(tài)，等待DHT11返回響應(yīng)信號。發(fā)送信號如圖4.7.4所示：圖4.7.4主機發(fā)送信號步驟三：在DHT11接收到主機發(fā)送的起始信號后，會先將總線拉低80us，再拉高80us作為響應(yīng)。發(fā)送信號如圖4.7.5所示：圖4.7.5發(fā)送信號步驟四：DHT11在發(fā)送出響應(yīng)信號后，發(fā)送40位的溫濕度數(shù)據(jù)信息，此時I/O接口處于輸入狀態(tài)。位數(shù)據(jù)包含“0”和“1”兩種。其中“0”信號表示為50us的低電平+26-28us的高電平，“1”信號表示為50us的低電平+70us的高電平。因此讀取時可以選取78us-120us之間的一個節(jié)點，如果此時有高電平信號則說明發(fā)送的是“1”數(shù)據(jù)，如果采集到的是低電平信號則說明發(fā)送的是“0”數(shù)據(jù)。位數(shù)據(jù)“0”、“1”格式信號如圖4.7.6所示：圖4.7.6位數(shù)據(jù)“0”“1”格式信號5軟件設(shè)計5.1總體程序流程框圖 在對系統(tǒng)的各部分有一定的了解之后，就可以先設(shè)計出總體程序流程框圖，便于我們把握整個設(shè)計的設(shè)計思路，總體程序流程框圖如圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)總體程序流程框圖 首先，整個系統(tǒng)利用2個DHT11溫濕度傳感器同步采集室內(nèi)不同區(qū)域的溫濕度信息，之后將采集到的溫濕度信息發(fā)送到單片機，由單片機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理，分析。之后將處理好的信息同時發(fā)送到OLED顯示屏和CC2541藍牙模塊，通過OLED顯示屏實時顯示室內(nèi)溫濕度信息，并通過藍牙模塊將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到手機端，當手機打開藍牙功能并接收到藍牙模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過藍牙調(diào)試助手顯示收集到的數(shù)據(jù)，這樣可以實現(xiàn)遠程的溫濕度監(jiān)控功能。同時單片機會將處理好的溫濕度信息與設(shè)置好的閾值進行比較，若當前室內(nèi)溫濕度在一段時間內(nèi)超出閾值，則發(fā)送信號到蜂鳴器，此時蜂鳴器報警，人們可以通過按鍵復位來關(guān)閉報警也可以通過手機端遠程關(guān)閉報警。同時在手機端可以發(fā)送降溫，升溫等指令，通過單片機模擬實現(xiàn)控制溫度。5.2溫濕度采集程序 DHT11采集數(shù)據(jù)流程框圖如圖5.2所示。圖5.2DHT11采集數(shù)據(jù)流程框圖 首先，從總體來說應(yīng)當有一個初始化函數(shù)，這個函數(shù)主要是為了初始化DHT11引腳，時鐘等，在檢測到DHT11連接無誤后，返回復位函數(shù)。初始化函數(shù)如圖5.2.1所示。圖5.2.1初始化函數(shù)在復位函數(shù)中，要根據(jù)DHT11的特性，通過主機先發(fā)送至少18ms的拉低信號，再發(fā)送20-40us的拉高信號，只有這樣DHT11才能實現(xiàn)復位。復位函數(shù)如圖5.2.2所示。圖5.2.2復位函數(shù)復位后有一個檢測信號函數(shù)，該函數(shù)的作用是判斷是否檢測到響應(yīng)信號，主要通過檢測DHT11是否先發(fā)送80us的低電平信號，延遲一段時間后又發(fā)送80us高電平信號。檢測信號函數(shù)如圖5.2.3所示。圖5.2.3檢測信號函數(shù)在檢測到響應(yīng)信號后就讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)時要先檢測數(shù)據(jù)是0還是1。它的原理是數(shù)據(jù)0和1在DHT11輸出信號拉低50us后，再拉高的一段時間不同。數(shù)據(jù)0拉高26-28us，數(shù)據(jù)1拉高70us。由此可以通過總時長來判斷數(shù)據(jù)是0還是1。之后再將每8位數(shù)據(jù)合成一字節(jié)數(shù)據(jù)保存即可。讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)如圖5.2.4所示。圖5.2.4讀取一字節(jié)數(shù)據(jù)的函數(shù)之后要進行1次讀取操作，在這里需要讀取5次數(shù)據(jù)，每次8位，共40位數(shù)據(jù)，其中第一次是濕度數(shù)據(jù)，第三次是溫度數(shù)據(jù)。讀取一次數(shù)據(jù)的函數(shù)如圖5.2.5所示。圖5.2.5讀取一次數(shù)據(jù)的函數(shù)5.3OLED顯示程序 OLED屏顯示溫濕度信息流程圖如圖5.3所示。圖5.3OLED屏顯示溫濕度信息流程圖 本次實驗采取的是四引腳，I2C通訊的OLED屏。在實現(xiàn)方面先寫I2C協(xié)議代碼，大致包含引腳定義，啟動I2C,結(jié)束I2C，字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，字節(jié)數(shù)據(jù)接收函數(shù)這幾個部分。 OLED顯示溫濕度的軟件包含初始化OLED，清屏函數(shù)，開關(guān)OLED顯示函數(shù)，OLED顯示數(shù)據(jù)函數(shù)，點亮像素點函數(shù)這幾部分。其中初始化函數(shù)包含所有用到的OLED命令，比如OLED_WR_Byte(0xAE,OLED_CMD)用于關(guān)閉屏幕顯示功能，OLED_WR_Byte(0xAF,OLED_CMD)用于開啟屏幕顯示功能。清屏函數(shù)是清空屏幕里所有內(nèi)容，屏幕會變?yōu)楹谏?。顯示數(shù)據(jù)時，需要先確定光標位置，再根據(jù)要顯示的數(shù)據(jù)點亮像素點。數(shù)據(jù)的顯示需要先取模，利用取模軟件將漢字，數(shù)字，英文字母等取模，再將數(shù)據(jù)保存到word.c工程文件。顯示溫濕度信息時只要將DHT11采集到的信息傳給OLED，再將信息轉(zhuǎn)化為10進制數(shù)顯示在OLED中即可。5.4蜂鳴器報警程序 蜂鳴器報警流程圖如圖5.4所示。圖5.4蜂鳴器報警流程圖 本次實驗使用的蜂鳴器是高電平觸發(fā)，即在I/O接口接收到高電平信號時蜂鳴器報警，一般情況下處于低電平。在DHT11檢測到的溫濕度超過設(shè)定的閾值一段時間后給蜂鳴器發(fā)送高電平信號，蜂鳴器報警，在報警期間，如果溫濕度恢復到閾值內(nèi)則傳輸?shù)碗娖叫盘枺澍Q器停止報警。也可以通過手動按下開發(fā)板上的復位按鈕來實現(xiàn)手動復位，還可以通過藍牙模塊遠程控制蜂鳴器停止報警。5.5藍牙傳輸程序 藍牙模塊傳輸信息流程圖如圖5.5所示。圖5.5藍牙模塊傳輸信息流程圖 在藍牙的AT模式中，使用AT指令設(shè)置藍牙的名稱，藍牙配對碼等，比如AT+NAME=”BLUENAME”,就是設(shè)置了藍牙名稱為“BLUENAME”。 在自動連接模式中，我們可以打開手機藍牙搜索到該藍牙，再輸入配對碼進行連接。6制作與調(diào)試6.1硬件電路制作（1）所用器件比較常見，每部分電路的原理都比較簡單。（2）使用了STM32F103最小系統(tǒng)板，兩個DHT11溫濕度傳感器，一個OLED顯示屏，一個有源蜂鳴器，一個CC2541藍牙模塊，使用杜邦線將它們連接起來，不用焊接。6.2使用工具6.2.1AltiumDesigner（1）打開軟件，點擊菜單欄“File—>New—>Schematic”,新建原理圖。（2）點擊右側(cè)的Libraries，可以打開庫文件。在庫文件中可以找到自己所需的電阻，電容，芯片等。如果庫文件中沒有自己所需的元器件，則需要去網(wǎng)站找到包含該器件的器件庫并導入到AD中。（3）找到所需要的元器件后，使用導線將它們一一相連，完成電路圖。6.2.2Keil（1）運行Keil軟件，點擊“Project—>NewuVisionProject”,新建一個項目工程。（2）選擇保存的目錄，給這個工程取個名字，保存這個工程。（3）在彈出的對話框中選擇STM32F103這一型號的開發(fā)板（4）在file中選擇new，新建一個文本，并保存為“.c”文件，把“.c”文件添加到這個文本中。（5）在設(shè)置中，選擇以單片機一樣頻率的晶振。（6）在Output中勾選CreateHEXFile，使編譯器輸出單片機需要的HEX文件。（7）最后代碼無誤，點擊工具欄上的編譯，構(gòu)建，重構(gòu)建，就能生成HEX文件。6.3調(diào)試6.3.1硬件調(diào)試 硬件調(diào)試步驟：在不接通電源的情況下，通過一一對比每個模塊及系統(tǒng)板引腳的意義，確定電源沒有接錯，接地端正確，各引腳連接正確。接通電源，觀察最小系統(tǒng)板指示燈是否正常，其它模塊電源指示燈是否正常亮起。觀察一段時間，通過用手接觸各芯片，觀察是否有發(fā)熱現(xiàn)象，如果有異常情況，馬上斷電，再進行檢查。在一段時間無狀況后，將寫好的代碼燒錄進開發(fā)板中，觀察OLED顯示屏能否正常顯示兩個地方的溫濕度，并用嘴向傳感器吹氣，使其溫度或濕度不在設(shè)定的閾值內(nèi)，此時觀察蜂鳴器是否報警，如果有問題先檢查連