基于STM32控制的智能收納系統探討

黑小東　伊婧文　蘇佳福　馬強　羅興維　楊偉新　馬小琴

摘要：智能收納系統的設計即為解決生活中繁瑣的“小事”，柜子的雛形定位為中藥柜、元器件柜、化學用品柜、生活用品柜等，以藥店、實驗室、私人住宅為主要使用環境設計。文章對基于STM32控制的智能收納系統進行了探討。

關鍵詞：STM32F407單片機；傳感器；收納柜；語音模塊；智能收納系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP36 文章編號：1009-2374（2017）02-0074-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.035

立足于當今科技高速發展的時代，高效率的工作是大家共同追求的目標，而智能化的設計是人們共同向往的生活。今天我們設計出了一款智能收納柜：您是否有過這樣的經歷，家里剛剛大掃除完，急著找什么就找不到什么，隔個三五天一抬頭沒準就看到了；在藥店大夫抓中藥時，看到藥物的名字之后，首先要找藥柜，有時還會找錯；在工作室，找個元器件、小工具等這些小東西時，左翻右翻最后就在手邊。如此情況，不僅降低了效率，而且影響了心情。智能收納柜的設計即為解決此等繁瑣“小事”。直觀效果：人報物品名字時，柜子中存放相應物品的格子燈顯示為亮，示意位置后自動打開；取放物品后，若格子沒有合嚴實，就會有報警提示；柜子上安裝以液晶為主的顯示模塊，可自定義顯示每個格子的備注事項，從小做起希望能給大家帶來更為明朗的生活工作環境；通過藍牙實現了手機與收納柜之間的無線通信。

1 智能收納柜系統設計和組成

本收納柜由機械結構、控制器、語音模塊、穩壓模塊、舵機、繼電器、多種傳感器等部分構成。

圖1 智能收納柜的雛形

控制器由STM32F407單片機芯片為主控，對溫度、濕度、光照強度、藍牙模塊等進行控制，并將各傳感器檢測到的數值靈活地顯示在TLT液晶屏上。具體過程：當溫度超過所設置的上限值時，控制繼電器打開，繼而柜子里的小風扇開啟，降低內部的溫度；光照強度檢測柜子是否關閉好，若采集光照強度的值不在設置范圍內，則說明柜子沒有關閉好，蜂鳴器發出警報提示；主控將各參數通過藍牙發送給手機，實現柜子與手機之間無線通信功能。

STC89C51單片機控制語音模塊，當語音模塊接受到聲音時，對應的格子會亮燈提示在哪個位置，并且控制舵機打開對應的格子。系統控制結構框圖如圖2所示：

2 智能收納柜硬件選擇及電路設計

2.1 STM32F407單片機

STM32F4系列基于最新的ARM Cortex M4內核，在現有出色的STM32微控制器產品組合中新增了信號處理功能，并提高了運行速度；STM32F4x集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外存接口、實時時鐘、CRC計算單元和模擬仿真隨機數發生器在內的整套先進外設，具有接口豐富、設計靈活、資源充足的特點，因此我們使用這款單片機作為主控，可以順利實現所有控制功能。

2.2 穩壓部分電路設計

穩壓電路，是指在輸入電壓、負載、環境溫度、電路參數等發生變化時仍能保持輸出電壓恒定的電路。它的作用就是將變化的直流電壓穩定輸出，保證電路正常工作。這種電路能提供穩定的直流電源，廣泛地為各種電子設備所采用。

本系統中采用LM2940-5.0低壓差三端穩壓芯片來設計5V穩壓電路。LM2940輸出電壓5V；輸出電流1A時，最小輸入輸出電壓差小于0.8V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40℃～+125℃；內含電流限制保護電路。它就是一個線性穩壓器，相比于78系列的穩壓芯片，它的壓差小、功耗低、精度高，所以選擇LM2940。

與此同時，電路中采用的AMS1117正向低壓降穩壓器來設計3.3V穩壓電路，在1A電流下壓降為1.2V。AMS1117內部含靜態電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路，是電池供電和便攜式計算機的最佳選擇，它有限流功能，而且具有過熱切斷的特性。

本系統所設計穩壓電路輸入為12V，輸出為3.3V和5V。以滿足系統中對繼電器、舵機的5V供電，主控、傳感器等其他部分使用3.3V供電。電路設計如圖3所示：

2.3 語音識別系統

我們所選取的語音識別部分采用WT7010語音芯片，它內部擁有8位DSP核心，它能提供高分辨率ADC模擬采樣和高質量的差分音頻輸入及麥克風輸入，配備數學處理器以精確處理高壓縮語音編解碼或語音識別。我們通過編程將語音特征存儲到芯片內部，當語音輸入時，語音芯片會將輸入的聲音特征和參考模塊庫內的特征進行匹配，匹配成功則輸出成功值。到目前為止，我們項目已經實現語音的采集與識別，即當語音模塊接收到聲音時，對應的格子會亮燈提示在哪個位置，然后控制舵機推開格子。

2.4 藍牙模塊

HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊（以下簡稱模塊）主要用于短距離的數據無線傳輸領域，可以方便地和PC機的藍牙設備相連，也可以兩個模塊之間的數據互通。模塊支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，并支持SPP藍牙串口協議，具有成本低、體積小、功耗低、收發靈敏性高等優點，只需配備少許的外圍元件就能實現其強大功能。通過控制模塊外部引腳，輸入電平，實現模塊工作狀態的動態轉換。最高傳輸速率可達2.1m/s，傳輸距離超過20m。通過藍牙模塊實現柜子與手機之間的無線通信功能，避免繁瑣的線纜連接，具有高強度的信號傳輸，從而更加體現出柜子的智能化。

2.5 TFT-LCD液晶顯示系統

將各傳感器檢測到的數值傳回給單片機，再經過單片機控制將其顯示在液晶屏幕上。TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器。其英文全稱為：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。TFT-LCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個像素上都設置有一個薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態特性與掃描線數無關，因此大大提高了圖像質量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶顯示器。該模塊支持65K色顯示，顯示分辨率為320×240，接口為16位的80并口，自帶觸摸屏，因此我們控制的液晶屏具有圖標、觸摸等功能，如圖4所示：

3 控制軟件程序設計

在收納柜的程序設計上，運用了主控芯片上的I/O口、串口和4個通道的ADC采集口。通過單片機對語音模塊的控制，實現了語音的采集與識別，即當語音模塊接受到聲音時，對應的格子會亮燈提示在哪個位置，并且控制舵機打開相對應的格子。單片機的ADC采集口采集光敏電阻接收到的信號，將其轉化為電壓值并對其實施控制。單片機的串口負責藍牙無線傳輸功能，實現了手機與柜子之間的無線通信。而單片機的I/O口則負責采集溫、濕度傳感器傳回的數據，輸出信號控制繼電器，進而控制小風扇、蜂鳴器以及LED燈泡，并且I/O口接TLT液晶顯示模塊，將其各個傳感器接收到的數據顯示出來，給人一種直觀、智能、方便的感覺。

4 實驗結果

本系統在測試過程中，一切運行正常，能夠將各個傳感器檢測到的數值顯示在TFT液晶屏上，并完成了相應的控制功能。與相同規格的普通柜子相比，此收納柜具有智能性、方便性能。試驗結果表明：智能收納柜具有語音控制功能，操作簡單、識別準確、執行高效、實用性能高。

5 結語

本文通過對智能收納柜硬件制作、電路原理及其軟件的控制原理的系統介紹，系統結合了硬件模擬電路控制和單片機程序控制兩種方式，先經過模擬電路初步調節，再通過單片機程序軟件逐步精細優化，在測試過程中表現出了穩定、靈活、高效的特點，能夠有效體現出柜子的智能化，具有廣闊的應用前景、研究和市場價值。

參考文獻

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基金項目：西北民族大學國家大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：201610742084）。

作者簡介：黑小東（1994-），男，甘肅蘭州人，西北民族大學電氣工程學院學生，研究方向：智能控制系統。

（責任編輯：王 波）