第1章緒論1.1研究目的及意義單片機(jī)已被成熟應(yīng)用于許多工業(yè)控制和家電的設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，使用單片機(jī)最小系統(tǒng)板與外部擴(kuò)展模塊相結(jié)合，對(duì)最小系統(tǒng)板與外部模塊之間的通訊進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)成為研究課題的難點(diǎn)與重點(diǎn)。智能煙灰缸是一種新型的煙灰缸，它將傳統(tǒng)的煙灰缸與智能模塊相結(jié)合，具備實(shí)用性和藝術(shù)性，能夠滿足不同的使用需求，并且具備極高的藝術(shù)品鑒賞價(jià)值。通過對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)的融入，我們開發(fā)出了一種全新的智能煙灰缸，它集超聲波傳感器、加濕器和其他功能于一體。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2014年TobaccoControl期刊有一篇文章《TraditionalTrackingwithKalmanFilteronParallelArchitecturesJournalofPhysics》做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較香煙與汽車柴油機(jī)對(duì)PM(fineparticulatematter)的貢獻(xiàn)率。在60立方公尺的儲(chǔ)藏室里，依次點(diǎn)上三根香煙，共燒30分鐘。在此期間，TDCi2000

cc柴油發(fā)動(dòng)機(jī)將在30min內(nèi)（760km/min）運(yùn)行。結(jié)果資料表明，煙草的燃燒量是柴油的十多倍。2017年，孫慧翔在《汽車煙灰缸設(shè)計(jì)研究》中，本文對(duì)車載煙灰缸的結(jié)構(gòu)、性能、安全性等方面進(jìn)行了分析，為車載煙灰缸的研制提供了依據(jù)。車載煙灰缸是一種置于車輛儀表板、副儀表板或車門等部分，是一種用于撲滅煙頭和儲(chǔ)存煙灰的裝置。煙灰缸是一種用于車輛內(nèi)部裝飾的功能性部件，由外殼，門，消煙片，彈簧，齒輪，阻尼組成；由裝飾件，緩沖墊，及其他部件構(gòu)成。煙灰缸是提高車輛內(nèi)部裝飾質(zhì)量的關(guān)鍵部件之一，它不僅要達(dá)到實(shí)用、美觀的目的，而且要符合一套規(guī)范的規(guī)定；它的設(shè)計(jì)好壞非常關(guān)鍵。2019年MOLLERM發(fā)表的《SmarteyeData:devdtopahealtO0%ofoundationformedicalrescarchusingSmartdataapplications》提到，2010年國(guó)家衛(wèi)生部發(fā)表的研究結(jié)果表明，所有披露于大麻煙霧中的致癌化學(xué)成分均會(huì)對(duì)DNA誘發(fā)肝癌產(chǎn)生不利影響。2.二手煙暴露于環(huán)境中會(huì)對(duì)心血管系統(tǒng)造成嚴(yán)重的損害，它會(huì)加速血液凝結(jié)，加大心臟病發(fā)作和中風(fēng)的危險(xiǎn)性。3.抽煙還會(huì)使女性更難受孕，并可能會(huì)造成流產(chǎn)、早產(chǎn)和產(chǎn)后身材不佳。此外，二手煙還會(huì)損害男性的生殖能力REF_Ref4700\r\h[18]。2019年米娟芳在《單片機(jī)控制系統(tǒng)的干擾因素及控制策略研究》一文中提出中國(guó)的卷煙產(chǎn)量大約為26，000億支。一支煙自然燃燒，足以讓100平米左右房間的PM2.5值達(dá)到800REF_Ref4785\r\h[4]。PM2.5超過500就屬于嚴(yán)重的污染，對(duì)大氣和環(huán)境都有很大的影響。當(dāng)排放量超出了空氣循環(huán)系統(tǒng)的容量和承受范圍時(shí)，空氣中的微粒物質(zhì)會(huì)繼續(xù)積累。將導(dǎo)致大面積的空氣污染，尤其是在寧?kù)o的環(huán)境中，更容易發(fā)生大規(guī)模的空氣污染。2019年楊曉燕,徐廣振,王瑣瑣三人在《基于STM32單片機(jī)的表面貼裝自動(dòng)質(zhì)檢裝置的設(shè)計(jì)》一書中提到本研究采用問卷調(diào)查法，采用網(wǎng)上問卷調(diào)查法及現(xiàn)場(chǎng)訪談法，共收集到99人的調(diào)查問卷。男性和女性的比例是一樣的。49?.50%的人認(rèn)為煙灰缸存在難清理的問題，21.21%的人認(rèn)為放在煙灰缸上未熄滅的煙頭也會(huì)制造二手煙影響他人，另外有23.23%的人同意現(xiàn)有煙灰缸的使用功能過于單一的看法REF_Ref4913\r\h[3]。這反應(yīng)了目前的設(shè)計(jì)缺乏對(duì)兩個(gè)問題的關(guān)注：1、干凈；2、被動(dòng)煙霧。其次是30.30%的受訪者，他們覺得普通的玻璃煙灰缸又重又脆，17.17%的受訪者覺得木質(zhì)煙灰缸在清潔之后會(huì)吸收水分而變得扭曲。說明了用戶想要的是更輕的材料，同時(shí)也想要的是形狀和材料在使用時(shí)容易保存，不會(huì)變形。而目前的煙灰缸在這一點(diǎn)上還存在一定的不足，今后還需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的完善，使其成為一種方便、多功能的產(chǎn)品。2020年，Raafi在《DesignofIntelligentAshtraySystemBasedonSingleChipMicrocomputerTechnology》中提到，現(xiàn)在的吸煙者數(shù)量特別多，大約有三億一千六百萬(wàn)人，其中百分之二十七點(diǎn)七是世界上最大的吸煙者。抽煙的人越來(lái)越多了。大量吸煙者將煙蒂丟到公共場(chǎng)合是常有的事，造成了很大的環(huán)境污染。另外，雖然煙蒂很小，但是它的表面的溫度通常為200~300攝氏度，而其中央的溫度可以達(dá)到700~800攝氏度。如果抽過一支香煙后，沒有將煙頭的火花徹底熄滅就將其丟棄在地面，如果丟棄在干燥疏松的可燃物體上，或者丟棄在綠地或垃圾箱等地方，都有可能引起火災(zāi)。為了解決這個(gè)問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)可以有效地減輕抽煙人員抽完煙后，不能找到煙灰缸，隨便丟的現(xiàn)象，從而降低對(duì)環(huán)境的損害，從而有效地提高了城市的品位。經(jīng)過對(duì)北京市南站抽煙者的采訪問答，我們深入了解了煙塵缸的使用，并對(duì)其材質(zhì)、造型和功能進(jìn)行了分析，總結(jié)出了優(yōu)缺點(diǎn)，最終結(jié)合現(xiàn)有產(chǎn)品的功能，進(jìn)行了全面的改進(jìn)和升級(jí)，以滿足不同的使用需求。1.3主要研究?jī)?nèi)容1.閱讀相關(guān)文獻(xiàn)確定了設(shè)計(jì)功能和軟件硬件的選擇方案2.硬件部分采用STM32單片機(jī)3.設(shè)計(jì)采用KEIL5軟件平臺(tái)和C編程語(yǔ)言完成位軟件設(shè)計(jì)4.將系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行并成功實(shí)現(xiàn)5.實(shí)現(xiàn)的成果為實(shí)物該系統(tǒng)應(yīng)完成的主要功能有: 藍(lán)牙通信，手機(jī)端上位機(jī)上位機(jī)：1.需要通過藍(lán)牙模塊接收下位機(jī)數(shù)據(jù)，顯示溫度，濕度，煙霧濃度。各個(gè)模塊是否工作2.控制煙灰缸蓋子的打開或者關(guān)閉；下位機(jī)：1.煙霧傳感器采集煙霧濃度，發(fā)送至上位機(jī)；2.溫濕度傳感器采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，發(fā)送至上位機(jī)；溫濕度傳感器注意其最高可承受的溫度，避免高溫?zé)龤鞲衅鳌?.超聲波檢測(cè)是否有障礙物，若有，打開煙灰缸蓋子；明確超聲波測(cè)距的距離，確保使用者的方便。4.當(dāng)溫度過高時(shí)，開啟加濕器，濕度達(dá)到一定值，加濕器關(guān)閉；5.當(dāng)煙霧濃度過高時(shí)，開啟風(fēng)扇。為保證煙霧可以吸進(jìn)煙灰缸內(nèi)部。需要在煙灰缸內(nèi)部提前加入少量的石灰水，并在風(fēng)扇另一側(cè)加通風(fēng)口，并加濾紙。第2章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)技術(shù)的智能煙灰缸系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由煙霧傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、STM32單片機(jī)、藍(lán)牙模塊等部分組成；采用STM32單片機(jī)技術(shù)對(duì)傳感器模塊采集參數(shù)進(jìn)行處理，并通過手機(jī)端顯示并通過按鍵模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉煙灰缸，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式和手動(dòng)模式的切換。2.2功能需求分析2.2.1技術(shù)路線：（1）硬件部分需要STM32單片機(jī)；（2）軟件平臺(tái)程序用keil5；（3）畫原理圖用CAD；（4）編程語(yǔ)言用C語(yǔ)言；2.2.2預(yù)期結(jié)果：作品展示，完成一個(gè)智能煙灰缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)的功能如下：完成煙灰缸的實(shí)物設(shè)計(jì)，并對(duì)其中的功能完成實(shí)現(xiàn)。藍(lán)牙通信，手機(jī)端上位機(jī)上位機(jī)：1.接收下位機(jī)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)其顯示；2.通過按鍵來(lái)控制煙灰缸蓋子的開啟與關(guān)閉；下位機(jī)：1.煙霧傳感器采集煙霧濃度信息，發(fā)送至上位機(jī)，并通過手機(jī)端app顯示煙霧濃度；2.溫濕度傳感器采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，發(fā)送至上位機(jī)，通過手機(jī)端app顯示溫度與濕度；3.通過超聲波測(cè)距模塊與舵機(jī)控制煙灰缸蓋子的開啟與關(guān)閉；；4.當(dāng)溫度過高時(shí)，達(dá)到一定值，加濕器自動(dòng)開啟，濕度過高達(dá)到一定值則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。5.當(dāng)煙霧濃度過高時(shí)，風(fēng)扇自動(dòng)開啟，把煙灰缸外的煙霧吸到煙灰缸內(nèi)部，通過加濕器，使煙霧濃度降低2.3總體方案設(shè)計(jì)第一：在理論知識(shí)準(zhǔn)備階段，要深入理解設(shè)計(jì)課題，仔細(xì)研究其中所包含的內(nèi)容，以便更好地掌握相關(guān)知識(shí)；第二：明確系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，梳理出它們之間的聯(lián)系，并搜集有關(guān)軟硬件的信息；第三：制定詳細(xì)的計(jì)劃，明確系統(tǒng)的組成部分，建立一個(gè)宏觀的系統(tǒng)框架，并以此為基礎(chǔ)繪制出相應(yīng)的原理圖；第四：使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)，畫出各個(gè)部分的電路圖，把各個(gè)部分用連接器連接起來(lái)，并畫出對(duì)應(yīng)的電路圖；第五：進(jìn)一步分析了系統(tǒng)的控制流程，進(jìn)一步改進(jìn)了軟件的設(shè)計(jì)，并將其轉(zhuǎn)化為可視化的主流程圖；第六：進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的控制功能進(jìn)行檢驗(yàn)，整理論文。2.4單片機(jī)型號(hào)選擇方案一：采用C51單片機(jī)。該系統(tǒng)包含了一個(gè)完整的存儲(chǔ)器、一個(gè)可以連接到各種設(shè)備的輸入/輸出端子、一個(gè)可以連續(xù)計(jì)數(shù)的定時(shí)器和一個(gè)串行外設(shè)端子。采用的是按鍵位式操作和處理技術(shù)系統(tǒng)，可以對(duì)片內(nèi)器件進(jìn)行各種操作，它還具備很強(qiáng)的保護(hù)電路，可以使程序在正常運(yùn)行后得到很好的維護(hù)保養(yǎng)，它在片內(nèi)的RAM地址區(qū)間外還有一個(gè)具備雙重保護(hù)電路功能的地址區(qū)間，使其在使用和維護(hù)上都很方便。然而由于其恢復(fù)速度較慢，所以保護(hù)電路的能力也很差，很容易出現(xiàn)短路和燒壞芯片的現(xiàn)象。方案二：STM32系列單片機(jī)是一款??性能好，功能強(qiáng)的系??列單片機(jī)。這一系列的單個(gè)微處理器通常被用在對(duì)成本、性能和功耗都有較高要求的嵌入式系統(tǒng)，其在集成和功耗方??面也展現(xiàn)出良好的性??能。STM單片機(jī)因其易用、緊湊、高效、可靠等優(yōu)勢(shì)，在操控上表現(xiàn)出色，它可以自動(dòng)調(diào)整時(shí)間，不需要人力介入，可以按照預(yù)定義的時(shí)間間隔進(jìn)行操控，從而提高效率。在業(yè)界很受歡迎。??本實(shí)驗(yàn)采用的最小系統(tǒng)如圖2.1。圖2.1STM32F103C8T6原理圖通過對(duì)比，再考慮到本設(shè)計(jì)所需要完成的功能，所以應(yīng)該選擇STM32F103C8T6單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控器主控制芯片選擇STM32F103C8T6，STM32F103C8T6是由意法半導(dǎo)體集團(tuán)基于STM32系列ARMCortex-M內(nèi)核開發(fā)的一款具有64KB的程序存儲(chǔ)器的32位微控制器。其工作時(shí)需要2V~3.6V的電壓和-40℃~85℃環(huán)境溫度。表2.1STM32F103C8T6各個(gè)部分表示意義1STM32STM32表示ARMCortex-M內(nèi)核的32位微控制器2FF代表芯片子系列3103103代表增強(qiáng)型系列4CR這一項(xiàng)代表引腳數(shù)，其中T代表36腳，C代表48腳R代表64腳，V代表100腳，Z代表144腳，I代表176腳58B這一項(xiàng)代表內(nèi)嵌Flash容量，其中6代表32K字節(jié)Flash，8代表64K字節(jié)Flash，C代表256K字節(jié)Flash，D代表384字節(jié)Flash，E代表512K字節(jié)Flash，G代表1M字節(jié)Flash6TT這一項(xiàng)代表封裝，其中H代表BGA封裝，T代表LQFP封裝，U代表VFQFPN封裝766這一項(xiàng)代表工作溫度范圍，其中6代表-40——85℃，7代表-40——105℃

2.5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是智能煙灰缸系統(tǒng)，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作與處理，溫濕度傳感器和煙霧傳感器采集煙灰缸內(nèi)部信息；超聲測(cè)距傳感器檢測(cè)是否有物體靠近，有物體靠近通過舵機(jī)打開煙灰缸蓋子，通過步進(jìn)電機(jī)來(lái)刮蹭煙灰；上位機(jī)端實(shí)時(shí)檢測(cè)溫濕度、煙霧濃度以及蓋子、風(fēng)扇、加濕器的狀態(tài)。總體原理圖如下所示：圖2.2總體原理圖第3章系統(tǒng)的硬件部分3.1煙霧檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)圖3.1煙霧檢測(cè)模塊原理圖與實(shí)物這個(gè)模塊使用了MQ-7煙霧傳感器，它的工作原理是通過與其相連的負(fù)載電阻RL產(chǎn)生有效的電壓信號(hào)VRL來(lái)測(cè)量氣體的濃度。這個(gè)模塊的主要功能是測(cè)量氣體中煙霧的濃度。兩個(gè)量的比值是：Rs/RL=（Vc-VRL）/VRL。MQ-7型的煙霧傳感器是一種采用了二氧化錫氣敏材料的氣體敏感元件，它的特點(diǎn)是在溫度達(dá)到200-300℃的時(shí)候，二氧化錫會(huì)從房間里的氧氣中吸取氧氣，產(chǎn)生負(fù)離子，從而減少了半導(dǎo)體里的電子濃度。這就使得電感器的電阻率變得更高。煙塵進(jìn)入晶粒間界面后，會(huì)引起表面電導(dǎo)率的變化，進(jìn)而影響電路的性能。因此，可以利用這一點(diǎn)來(lái)獲取煙霧存在的信息，當(dāng)煙氣的濃度增加時(shí)，表層導(dǎo)電率也會(huì)提高，進(jìn)而導(dǎo)致電路的阻力降低，進(jìn)而產(chǎn)生更多的模擬信息。特點(diǎn)：1、具有信號(hào)輸出指示。2、雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）3、TTL輸出的有效信號(hào)為低電平。（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可以直接接單片機(jī)）4、模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高。5、對(duì)一氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性。6、具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性3.2溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)在該設(shè)計(jì)方案中，我們使用了DHT11型溫濕傳感器。該傳感器所占空間很小，測(cè)量精確度為0.2，使用單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。該傳感器具有很好的抗干擾性能，通常被應(yīng)用在高爐測(cè)溫，機(jī)房檢測(cè)，家庭溫度控制等，適用于許多空間相對(duì)狹小的場(chǎng)所和數(shù)字溫度檢測(cè)等。這種溫度感應(yīng)器轉(zhuǎn)換時(shí)間只需75納秒，比傳統(tǒng)DS1820速度要快很多。檢測(cè)的結(jié)果以數(shù)字量方式串行傳送。溫濕度傳感器模塊電路圖如圖3.2所示:圖3.2溫濕度檢測(cè)模塊原理圖DHT11數(shù)據(jù)溫濕度傳感器使采用了高級(jí)的數(shù)字模組技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)采集、傳輸溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校正，具有很高的精度。和長(zhǎng)時(shí)間安全性，可以滿足各種環(huán)境需求。這款感應(yīng)器由一組電阻式感濕器件和一組NTC測(cè)溫元件構(gòu)成，它們與一組先進(jìn)的8位數(shù)字單片機(jī)相連接，使得它能夠提供出色的測(cè)量性能，擁有出色的反饋速度，高度的耐受性，以及出色的性能與性能的完美結(jié)合。每個(gè)DHT11感應(yīng)器都經(jīng)過嚴(yán)格的校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果被存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中，這些校準(zhǔn)結(jié)果可用于處理檢測(cè)信號(hào)，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確性和可信度。使用單線制串行端口，使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變得更為簡(jiǎn)便快速，其容積小巧、消耗低廉，數(shù)據(jù)傳送長(zhǎng)度可到達(dá)20米之上，使其變成各種應(yīng)用，尤其是極端環(huán)境下的理想之選。這款產(chǎn)品采用4針單排引腳封裝，連接簡(jiǎn)單，并且能夠滿足不同封裝要求。應(yīng)用信息：超過所推薦的工作范圍，會(huì)引起暫態(tài)信號(hào)，最多可達(dá)到3%相對(duì)濕度。當(dāng)傳感器回到正常的工作條形時(shí)，它就會(huì)慢慢的回到標(biāo)定的位置。在異常工況下長(zhǎng)期工作，可加快制品的老化進(jìn)程。電阻式濕度檢測(cè)傳感器的探測(cè)層深受化學(xué)蒸氣的影響，這或許會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的偏差和敏感度的降低。然而，在一種完全無(wú)污染的自然環(huán)境中，污染物質(zhì)會(huì)被有效地抑制，從而使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。高濃度的化學(xué)污染會(huì)導(dǎo)致傳感器感應(yīng)層的徹底損壞。下文所述的恢復(fù)處理將加速實(shí)現(xiàn)這一過程。當(dāng)一個(gè)傳感器處于極端工作環(huán)境或在化學(xué)蒸氣環(huán)境中時(shí)，可以按照以下操作步驟，將它還原為標(biāo)定時(shí)的情況。在50-60攝氏度，相對(duì)濕度為10%（干燥）的情況下（干燥）保存2小時(shí)。然后在20-30攝氏度，相對(duì)濕度70%的環(huán)境中保存超過5個(gè)小時(shí)。氣體中的相對(duì)濕度，與溫度有極大的關(guān)系。所以，在進(jìn)行濕度測(cè)定時(shí)，應(yīng)該盡量使?jié)穸葌鞲衅鞅３衷谙嗤墓ぷ鳒囟取Ｈ襞c散熱的電子器件共用一塊印刷電路板，則DHT11要盡量與電子器件距離較遠(yuǎn)，且要放在熱源下面，并要保證機(jī)箱的空氣流通。為了減少導(dǎo)熱，DHT11和印刷電路板其他部位的鍍銅應(yīng)該盡量減少，并且在它們中間留下一個(gè)狹縫。3.3藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)方案一：Zigbee是一種廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，它能夠支持2.4GHz、868MHz、915MHz等多種頻段，并且具有極高的傳輸速度，最高可達(dá)每秒250kbit/s。然而，在某些情況下，在特定頻段上可以更高的速度傳輸。傳輸距離已經(jīng)達(dá)到了10-75m，而且還有望進(jìn)一步提升。(1)低功耗:由于ZigBee技術(shù)具有極高的性能，特別是在節(jié)能方面。它的傳輸速度很快，只需要1mW的發(fā)射能量，并且具有休眠模式，所以能夠節(jié)約大量電力。根據(jù)測(cè)試，只需兩節(jié)5號(hào)電池。（2）zigbee具有極低的傳輸速率，其中包括傳輸?shù)?0毫秒、傳輸?shù)?5毫秒以及傳輸?shù)?5毫秒以內(nèi)，這使得它特別適合那些需要極高傳輸速率的工業(yè)控制場(chǎng)合，如工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)。(3)一個(gè)Zigbee星形架構(gòu)的系統(tǒng)具有極高的容錯(cuò)能力，它能夠承載254個(gè)從端與一個(gè)主端，一個(gè)地理范圍內(nèi)也能夠同時(shí)擁有100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，這使得它具有極強(qiáng)的靈活性(4)安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。方案二:使用WiFi模組來(lái)進(jìn)行通訊。Wi-Fi模組也叫串口Wi-Fi模組，這是物聯(lián)網(wǎng)中的一種傳輸層，其功能是將串行接口或

TTL電平轉(zhuǎn)化為符合Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊。在傳統(tǒng)的硬件設(shè)備中，嵌入Wi-Fi模塊，使其可以利用Wi-Fi直接與互聯(lián)網(wǎng)相連，在無(wú)線智能家居、M2M等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，它是一個(gè)重要的組成部分，是一種十分重要的智能硬件。Wifi模塊包含兩類拓?fù)洌夯A(chǔ)網(wǎng)（Infra）和自組織網(wǎng)（Adhoc）。1.Infra又稱為基礎(chǔ)網(wǎng)，是一種以AP為核心的、以STA為支撐的復(fù)雜的、高效的、可靠的、可擴(kuò)展的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它的核心在于AP，它可以將網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸和控制，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換和控制。2.Adhoc：又被稱作“自組網(wǎng)”，它的特點(diǎn)是只包含兩個(gè)或更多的STA，而沒有AP，因此它具備一種極其靈活的架構(gòu)，使得每個(gè)STA之間能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的交互。3.該模塊具有強(qiáng)大的安全性，可以提供多種不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)，以確保用戶的信息在不同的環(huán)境中得到有效的防護(hù)，其中包括：WEP64/WEP128/TKIP/CCMP（AES）、WEP/WPA-PSK/WPA2-PSK等。4.這個(gè)模塊可以幫助用戶快速聯(lián)網(wǎng)，只需要指定一個(gè)信道號(hào)即可。它可以自動(dòng)掃描當(dāng)前的所有信道，以便找到目標(biāo)AP，并將它們連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。這樣，用戶就可以快速地實(shí)現(xiàn)無(wú)線聯(lián)網(wǎng)。通過本模塊，用戶可以根據(jù)已知的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)信道，自由調(diào)整工作信道參數(shù)，從而大大提升聯(lián)網(wǎng)效率，實(shí)現(xiàn)更高效、更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接。方案三：采用藍(lán)牙通訊模塊HC05其傳送效率高，可以和各種藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合的通信，其中包含了藍(lán)牙技術(shù)的計(jì)算機(jī)，藍(lán)牙主機(jī)，移動(dòng)電話；與

PDA,

PSP等多個(gè)終端相匹配，可以進(jìn)行串口傳輸。在驅(qū)動(dòng)HC05模塊的時(shí)候，只要使用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)的串口（5

V/3.3

V電壓均可）就可以了，它所支持的波特率范圍為4800~1382400，十分適用于在單片機(jī)系統(tǒng)中擴(kuò)展藍(lán)牙特性。綜上所述本設(shè)計(jì)選擇藍(lán)牙通信作為本實(shí)驗(yàn)的通信方法。圖3.3藍(lán)牙模塊原理圖3.4超聲波傳感器模塊設(shè)計(jì)圖3.4超聲波傳感器模塊原理圖方案一:采用紅外感應(yīng)模塊。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)設(shè)備廣泛應(yīng)用于城市公共場(chǎng)所的紅外線路燈開關(guān)自動(dòng)報(bào)警控制等的應(yīng)用，但同時(shí)也存在著一些缺陷，主要表現(xiàn)在；紅外線探測(cè)距離遠(yuǎn)。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)設(shè)備利用了人體的熱輻射原理，采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，使其在測(cè)量物體表面溫度的同時(shí)，也可以測(cè)量物體內(nèi)部的溫度。這種技術(shù)利用了人類的視覺系統(tǒng)來(lái)探測(cè)物體表面的溫度。適用場(chǎng)所范圍廣。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)設(shè)備采用人體的熱輻射原理，適用于城市公共場(chǎng)所以及工礦企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、學(xué)校等場(chǎng)所，其應(yīng)用范圍廣泛。抗干擾處理能力強(qiáng)。紅外感應(yīng)開關(guān)檢測(cè)設(shè)備利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，使其在工作過程中不受電磁、環(huán)境等因素影響。工作性能較穩(wěn)定持久。實(shí)際測(cè)距時(shí)，光線強(qiáng)度可能與距離關(guān)系不一定成正比方案二:使用超聲模組。超聲探測(cè)的基本理論是：被探測(cè)對(duì)象發(fā)射出的聲波。然后，我們?cè)偻ㄟ^檢測(cè)物體發(fā)出的超聲波，還需要根據(jù)其聲速變化，來(lái)計(jì)算出該物體與其所在點(diǎn)的距離。通過使用壓電陶瓷材料制造的超聲波探測(cè)器，我們可以同時(shí)檢測(cè)和傳播多種波長(zhǎng)的信號(hào)。這些信號(hào)的頻率通過將電荷分配給陶瓷材料的不同部位來(lái)調(diào)節(jié)，從而使得探測(cè)器的檢測(cè)精度達(dá)到最佳。通過比較分析可以看出，第一種方案在有日照的戶外不能很好地實(shí)現(xiàn)。至于第二個(gè)方案，則是沒有室內(nèi)外之分，因此，選擇第二個(gè)方案。本文采用HC-SR04超聲波定距系統(tǒng)擁有出色的非接觸式間距感測(cè)功能，即可檢測(cè)出間距到達(dá)3mm的間距，它由超聲波發(fā)射器、接收機(jī)和精確的控制電路構(gòu)成。這款超聲波模塊有著出色的性能，其能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出特定的物體，而且模塊的準(zhǔn)確率極高，能夠有效地減少盲點(diǎn)的出現(xiàn)。基本工作原理：（1）使用IO端TRIG來(lái)檢測(cè)物體的位置，并提供至少10us的高精度數(shù)據(jù)。（2）該模塊能夠同時(shí)產(chǎn)生8組40khz的方波，并能夠快速識(shí)別并反饋出任何信息；（3）當(dāng)一個(gè)信號(hào)被接收并被IO和ECHO控制后，它將導(dǎo)致一個(gè)高電平，而此高電平所維持的時(shí)間就是整個(gè)傳輸過程所需的長(zhǎng)度。我們可以根據(jù)高電平的長(zhǎng)度，測(cè)量出傳輸?shù)恼鎸?shí)距離。3.5舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)舵機(jī)作為一種角度控制驅(qū)動(dòng)器，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高端遙控系統(tǒng)玩具，如航模、航空模具和潛艇模具，以及遙控機(jī)器人中，以適應(yīng)變化的角度需求，并保持其安全性。舵機(jī)，也被叫做伺服電動(dòng)機(jī)，它的功能比較強(qiáng)大。工作原理：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，得到一個(gè)直流偏壓。其內(nèi)部有一個(gè)參考電路，其生成一個(gè)周期為20

ms，寬度為1.5

ms的參考信號(hào)，將所得到的直流偏置電壓與電位計(jì)的電壓進(jìn)行比較，得到一個(gè)電壓差。最終將該電壓差值的正向和負(fù)向輸入給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片，以確定馬達(dá)的正向和反向。在電動(dòng)機(jī)的速度不變的情況下，利用串聯(lián)的減速器，使電位計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使兩個(gè)電位的差值等于0，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。舵機(jī)的控制：通常，舵機(jī)操作所需的時(shí)基脈沖大約為20ms，其中高電平部分可以在0.5ms~2.5ms范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確的角度調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)以180度角度進(jìn)行伺服時(shí)，相應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)如下：0.5ms0度；1.0ms45度；1.5ms90度；2.0ms135度；2.5ms180度；圖3.5舵機(jī)模塊原理圖第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件主流程圖軟件部分的主要任務(wù)時(shí)完成對(duì)溫濕度傳感器和煙霧傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理；通過超聲波傳感器和舵機(jī)來(lái)煙灰缸自動(dòng)開啟關(guān)閉蓋子；步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)刮蹭煙灰；通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信。圖4.1軟件主流程序圖

4.2煙霧檢測(cè)模塊的軟件設(shè)計(jì)如圖4.2為該模塊的設(shè)計(jì)流程圖。接通電源后，煙霧傳感將會(huì)對(duì)煙灰缸內(nèi)的煙霧濃度信息進(jìn)行收集，然后傳輸給單片機(jī)，在由單片機(jī)進(jìn)行信息處理。圖4.2煙霧檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)流程圖4.3溫濕度檢測(cè)模塊的軟件設(shè)計(jì)如圖4.3，當(dāng)電源被激活時(shí)，溫濕度傳感器就可以采集并發(fā)送數(shù)據(jù)至單片機(jī)，然后經(jīng)過精確的數(shù)據(jù)分析和處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖4.3溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)流程圖在總線閑置狀態(tài)是高電平的時(shí)候，服務(wù)器會(huì)降下總線，等待DHT11的應(yīng)答。服務(wù)器必須使總線下降到18毫秒以上，來(lái)使DHT11檢測(cè)到開始信號(hào)。從伺服器收到訊號(hào)之后，等待開始訊號(hào)完成，推送低電平回應(yīng)訊號(hào)。等待20.40us，收到服務(wù)器的開始信號(hào)，加載DHT11的應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)啟動(dòng)信號(hào)傳出之后，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)功率大的均值，總線被上拉電阻下拉。圖4.4DHT11時(shí)序圖4.4舵機(jī)模塊的軟件設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中，為了更好地控制舵機(jī)的角度，我們需要使用delaymemory指令，它的延遲時(shí)間由8位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的1個(gè)指令周期組成，其中memory的數(shù)據(jù)為0-255位的數(shù)據(jù)可以滿足舵機(jī)角度級(jí)數(shù)的要求，而且，由于舵機(jī)的角度級(jí)數(shù)一般為1024級(jí)，因此，我們可以使用兩個(gè)內(nèi)存單元來(lái)存儲(chǔ)舵機(jī)的角度伺服參數(shù)，從而更好地控制舵機(jī)的性能。通過采用這種軟件架構(gòu)，我們可以實(shí)現(xiàn)更高效的工作效率。圖4.5舵機(jī)軟件結(jié)構(gòu)4.5藍(lán)牙模塊的軟件設(shè)計(jì)如圖4.6為該模塊的設(shè)計(jì)流程圖。接通電源后，通過該模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)通信。HC-05嵌入式藍(lán)牙串口通訊模塊(以下簡(jiǎn)稱模塊)。有兩種運(yùn)行方式：指令應(yīng)答運(yùn)行方式和自動(dòng)連接運(yùn)行方式，其中該模塊可以分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）運(yùn)行方式。在模塊在自動(dòng)連接工作模式中的時(shí)候，它會(huì)按照預(yù)先設(shè)置好的方法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送：在模塊在命令響應(yīng)工作模式中的時(shí)候，它可以完成下面描述的全部

AT命令，使用者可以給模塊發(fā)出不同的

AT指令，為模塊設(shè)置一個(gè)控制參數(shù)或者發(fā)出一個(gè)控制命令。藉由模組外部引腳（PIO11）輸入電平來(lái)進(jìn)行模組操作之動(dòng)態(tài)切換。圖4.6藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計(jì)

第5章系統(tǒng)測(cè)試5.1系統(tǒng)實(shí)物圖本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主要控制單元。該系統(tǒng)包括一系列的傳感器，例如溫度，濕度傳感器，煙霧傳感器和超聲波傳感器。其它還包括藍(lán)牙模組、步進(jìn)電機(jī)、加濕器和風(fēng)扇繼電器。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一套完整的煙灰缸智能控制系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要求將電路中的所有元件都準(zhǔn)備好，因?yàn)槭侨斯ず附樱x用的元件都是直插的，便于焊接生產(chǎn)。焊接制作要隨時(shí)進(jìn)行測(cè)試，連接的線路不能有短路，這一點(diǎn)很重要，如圖5.1所示，為整體焊接好的實(shí)物圖。圖5.1系統(tǒng)完整實(shí)物圖在焊接的第一步中，必須確認(rèn)單片機(jī)的最低端電路已經(jīng)被正確地連接，并且檢查所有的連接點(diǎn)是否存在短路的問題。這樣，我們才能夠在檢查完整部分的基礎(chǔ)上，檢查和評(píng)估整體的性能。以使用

Keil對(duì)軟件代碼設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試代碼的邏輯性、語(yǔ)法等，找到與邏輯、語(yǔ)法等相關(guān)的問題，優(yōu)化代碼設(shè)計(jì)，解決問題。Keil的能力很強(qiáng)，可以看到每個(gè)步驟中，所有的代碼都運(yùn)行了一遍，查看每個(gè)字后面的代碼，是否合理，是否正確。5.2測(cè)試原理圖5.2藍(lán)牙模塊如圖5.2為藍(lán)牙模塊，通過藍(lán)牙模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)通信。圖5.3溫濕度模塊如圖5.3為溫濕度模塊，采集煙灰缸內(nèi)溫濕度信息，當(dāng)溫度上升時(shí)，達(dá)到一定值，煙灰缸內(nèi)部的加濕器開始工作。濕度達(dá)到一定值后，加濕器會(huì)停止工作圖5.4風(fēng)扇繼電器和加濕器繼電器如圖5.4為繼電器模塊，模擬煙灰缸內(nèi)的風(fēng)扇和加濕裝置，當(dāng)煙灰缸內(nèi)部溫度過高，達(dá)到一定值時(shí)，加濕裝置開啟。確保煙霧與煙灰進(jìn)入煙灰缸的潮濕狀態(tài)。方便煙灰缸對(duì)空氣的凈化以及步進(jìn)電機(jī)對(duì)煙霧的剮蹭。當(dāng)煙霧濃度過高，達(dá)到一定值時(shí)，風(fēng)扇開啟。通過風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)，將煙霧吸進(jìn)煙灰缸的內(nèi)部，完成對(duì)空氣的凈化。圖5.5煙霧傳感器模塊如圖5.5為煙霧檢測(cè)模塊，用來(lái)采集煙灰缸內(nèi)部的煙霧濃度，當(dāng)煙霧濃度過高時(shí)，風(fēng)扇開啟。圖5.6超聲波與舵機(jī)測(cè)距模塊如圖5.6通過超聲波傳感器來(lái)檢測(cè)是否有人需要使用煙灰缸，通過舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)煙灰缸的開蓋關(guān)蓋的功能。當(dāng)超聲波測(cè)距模塊前方有障礙物時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)則煙灰缸的蓋子會(huì)自動(dòng)打開圖5.7步進(jìn)電機(jī)模塊如圖5.7為步進(jìn)電機(jī)模塊，當(dāng)進(jìn)行開蓋的操作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)開始工作，起到一個(gè)剮蹭煙灰的作用。圖5.8手機(jī)APP如圖5.8為上位機(jī)端手機(jī)APP，通過藍(lán)牙與下位機(jī)進(jìn)行通信。上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間、溫濕度、煙霧濃度以及蓋子、加濕裝置、風(fēng)扇是否開啟，0表示“關(guān)閉”，1表示“開啟”；可通過上位機(jī)手動(dòng)打開和關(guān)閉蓋子；當(dāng)通過上位機(jī)開啟蓋子時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不會(huì)運(yùn)行，且此時(shí)下位機(jī)無(wú)法通過超聲波傳感器和舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)開蓋關(guān)蓋的功能。方便了對(duì)煙灰缸內(nèi)部的清理。

第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)當(dāng)今，STM32芯片的應(yīng)用已經(jīng)成為無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)因素，其發(fā)展的重要性已經(jīng)深刻地改變了人類的日常生活。在STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種以凈化空氣為目的的智能煙灰缸，它根據(jù)煙灰缸前方有無(wú)障礙物來(lái)控制煙灰缸蓋子的開啟與關(guān)閉。它可以根據(jù)溫度的變化來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的開關(guān)，根據(jù)煙氣的濃度來(lái)調(diào)節(jié)加濕器的運(yùn)轉(zhuǎn)和關(guān)機(jī)。最后，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)證。通過與設(shè)計(jì)的功能進(jìn)行比對(duì)，符合設(shè)計(jì)要求。但在實(shí)際使用中仍存在不足之處，比如對(duì)于溫度的閾值確定存在一些問題。環(huán)境溫度對(duì)該設(shè)計(jì)的影響較大。需要減少外界環(huán)境對(duì)該設(shè)計(jì)的影響，以便適應(yīng)不同的工作環(huán)境。6.2展望設(shè)計(jì)以智能煙灰缸系統(tǒng)為研究對(duì)象，在具體分析人們對(duì)各種生活中常用的道具要求逐漸提高的現(xiàn)象，明確提出了一種智能煙灰缸設(shè)計(jì)。全部設(shè)計(jì)的首要工作中如下所示。(1)根據(jù)查看相關(guān)資料，確定了人們對(duì)煙灰缸的更高要求，并在這個(gè)基礎(chǔ)上明確提出了自動(dòng)開蓋關(guān)蓋和監(jiān)測(cè)煙灰缸內(nèi)部溫濕度及煙霧的濃度。以凈化空氣為首要目的的智能煙灰缸系統(tǒng)；(2)對(duì)于上一部分提到的問題，明確提出了運(yùn)用單片機(jī)和傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用單片機(jī)設(shè)計(jì)操縱所有體系的設(shè)計(jì)計(jì)劃方案。(3)硬件配置電源電路以STM32為主板芯片。雖然實(shí)物顯示，整個(gè)設(shè)計(jì)完全可以滿足智能煙灰缸系統(tǒng)的要求，但是，整個(gè)系統(tǒng)軟件還是有一些問題和需要改進(jìn)的地方，這些都需要在以后的討論中完善。(1)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)包括溫濕度檢測(cè)模塊。在具體運(yùn)用中，采用DHT11溫濕度傳感器來(lái)檢測(cè)煙灰缸內(nèi)部的溫濕度情況。對(duì)于DHT11傳感器的耐熱程度問題，需要進(jìn)一步的對(duì)其增加保護(hù)(2)在該設(shè)計(jì)中沒有操縱誤差實(shí)行的優(yōu)化算法。在具體運(yùn)用中，應(yīng)加入優(yōu)化算法操縱，如模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等。根據(jù)引入該優(yōu)化算法，可以進(jìn)一步提高實(shí)行高效率。

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附錄電路圖程序#include"sys.h"#include"delay.h"#include"oled.h"#include"tim.h"#include"port.h"#include"app.h"#include"hcsr04.h"#include"usart3.h" #include"usart.h"#include"timer.h"#include"adc.h"#include"dht11.h"intmain(void){ delay_init(); NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); system_Time_Init(9,7199); sys_gpio_init();adc_init();DHT11_Init(); OLED_Init(); OLED_Clear();OLED_ShowString(0,0,"nihao",1