基于STM32智能家居系統的硬件設計

王翀 高海深 羅琦

摘要：本文主要介紹智能家居系統的硬件設計部分。本設計以STM32F429IG為核心，硬件系統設計部分充分利用直流電機、步進電機、傳感器以及外部開關，使用不同LDO對各部分電路電壓進行穩壓。根據設計要求畫出對應的PCB設計圖，并使用SMD精準焊接，搭建電路后，聯機調試，確保硬件能夠安全運行，再通過程序的編寫，最終實現自動報警、燈光照明控制、溫濕度控制、空氣質量測量、家用電器定時、窗簾自動控制等功能。

Abstract： This article mainly introduces the hardware design part of the smart home system. This design uses STM32F429IG as the core. The hardware system design part makes full use of the DC motor， stepper motor， sensor and external switch， and uses different LDOs to regulate the voltage of each part of the circuit. It draws the corresponding PCB design drawing according to the design requirements， and uses SMD to accurately weld. After the circuit is built， it makes debug online to ensure that the hardware can operate safely. Then， through programming， the automatic alarm， lighting control， temperature and humidity control， air Quality measurement， home appliance timing and automatic curtain control are achieved.

關鍵詞：STM32;智能家居;硬件設計

Key words： STM32;smart home;hardware design

中圖分類號：TP273;TU855? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）02-0164-02

1? 硬件系統設計

1.1 總體方案設計

本設計使用了STM32F4單片機作為主控，利用24G無線通信與STM32F1單片機通信，令STM32F1單片機通過驅動步進電機時限門窗窗簾等的開關，同時使用MQ-2煙霧氣敏傳感器監測可燃氣泄漏、火災，通過蜂鳴器報警;使用MQ-135氣體傳感器、DHT11溫濕度傳感器、AP3216C光照傳感器等監測室內居住環境;使用熱釋電傳感器、蜂鳴器實現防盜功能;選擇安信可的樂鑫ESP8266串口WIFI模塊，利用機智云協議實現聯網的功能，使用戶能在移動端隨時隨地了解家中居住環境質量以及遠程控制窗簾、窗戶、燈光、插座等等。

1.2 系統功能

本系統的開發設計可以實現以下幾種功能：

①家用電器定時、窗簾自控等功能;

②利用MQ-2傳感器檢測甲烷等可燃氣體、防盜報警器實現防盜報警的功能;

③利用WI-FI智能插座控制燈的開關，以實現燈光照明控制的功能;

④利用DHT11傳感器測量溫濕度，調節溫度和濕度，以實現溫濕度控制的功能;

⑤利用MQ-135傳感器作為空氣質量檢測模塊，監測空氣質量等等。

1.3 硬件系統框圖

2? 硬件電路設計介紹

2.1 嵌入式微處理器選擇

本設計選擇STM32F429IG作為主控。STM32F429IG是Cortex-M4內核的微處理器，主頻可達到180MHz，超頻可達到220MHz，擁有圖1中所需要的各種外接模塊接口，并且有6路USART串口，其中一路USART串口可配合使用485信號轉換芯片形成485通訊接口，F4的Flash存儲空間有1M。

2.2 DHT11溫濕度傳感器

在設計中，我們使用5V電源對DHT11溫濕度傳感器進行供電，而不使用3.3V進行供電，是因為它在3.3V供電的環境下，進行測量一次后，需要等待2.5S（經測試得出的）后，才能再次進行下一次的數據讀取，而在使用5V對其進行供電的情況下，進行測量一次之后，只需要等待1S就可以進行下一次的讀取，這樣，對應的效率將會高很多，對實時性要求也能相對滿足。它有以下幾點特性：

①可以測量相對濕度和溫度，不需要額外的組件。

②全部校準，數字輸出，具有極好的長期的穩定性。

③信號傳輸的距離很長，能耗很低。

2.3 MQ-2煙霧氣敏傳感器

MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊使用ADC讀取，如果有可燃氣出現，則在對應的溫度下，不同的可燃氣會輸出不同的電壓，此時使用MCU的ADC功能，對輸入的電壓模擬量進行轉換，將其轉換成數字量，并對對應的數據進行處理，當再ADC讀取數據的時候，需要進行濾波處理，我們使用的濾波方法是FIR濾波器濾波，用的是軟件模擬FIR濾波器進行濾波，將其中的雜波過濾掉。

在設計中，使用的是5V對其進行供電。首次使用時，必須要先預熱，預熱時間一般不少于48小時，預熱一般是由廠家進行處理。為了減少壓降，應在MQ-2串聯一個電阻RL，預防過壓，再并聯一個精度為5%的0.1uf陶瓷電容，作為旁路電容（退耦電容），在MQ-2的供電口加退耦電容，信號路則接MCU的IO口，而RL作為上拉電阻，一般為4.7-10kΩ。

2.4 28BYJ-48步進電機

本設計選擇的是直徑為28mm、可以四拍和八拍運行的四相八拍電機，也叫做28BYJ48步進電機。在設計中，對其使用的是DC5V—DC12V電源供電。

當步進電機監測到一系列的不間斷的控制脈沖信號時，它可以一直反復地旋轉。其步距角為5.625度。電機的轉子旋轉完成一圈必須要有64個脈沖信號，但轉子的減速比為64，經過詳細的計算得出，轉子完成64圈，輸出軸才旋轉一圈。所以，必須有64的平方（即4096）個脈沖信號，輸出轉軸才能轉一圈。兩相電機的基本步距角為1.8°。一般來說，1個脈沖能走一步，則200個脈沖能走360°。

因為單片機的接口信號稍小，所以，在連接到相應的電機接口前需要用ULN2003對其進行放大。其電路原理圖如圖2所示。

2.5 蜂鳴器電路設計

常見的蜂鳴器電路設計對電流進行放大采用的是PNP三極管，而本設計的蜂鳴器電路的電流放大則使用的是NPN三極管。可以使用PNP三極管的電路，基本上都能被NPN來代替使用，但是，由于PNP的造價比NPN的要高，而且使用起來的效果并沒有NPN的好，要調的參數很多。因此，在進行硬件電路設計時，使用NPN三極管對電路進行放大使用。

3? 小結

本設計在確定系統的整體功能后，更細致劃分多個部分，確定各組成模塊的功能，從而根據各模塊的功能選出最優的硬件型號，再進行組裝，并結合相應的程序進行軟硬聯調，我們對調試過程中的問題進行記錄，并不斷優化程序，使系統的功能實現達到最理想化。但由于我們能力和時間有限，部分功能還無法達到預期效果。例如：系統功能不足，對于部分功能沒有進行深入的分析。

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