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毕业论文（翻译）

题 目 考虑静态和动态边端效应的直线感应电机的新型等效电路模型

原 题 A Novel Equivalent Circuit Model of Linear Induction Motors Considering Static and Dynamic End Effects

基于STM32的智能家居硬件设计

殷昊

华北电力大学（保定）电气工程系 中国 保定 0710000

摘要：本文论述了基于STM32的智能家居系统中，关于温度传感器、湿度传感器与光照传感器的部分。该系统使用DHT11数字温湿度传感器获取与发送数据，此外还使用了BH1750FVI侦测光照强度。本文还论述了每个传感器的发送时序与数据传输格式。在本文的结尾附上了使用Keil MDK编写的C语言代码。

关键词：智能家居，STM32，传感器，物联网

绪论

1984年，在美国的康涅狄格州出现了世界上第一栋智能建筑物，它实际上只是一座在某些方面经过翻修的传统建筑。该建筑物使用计算机实时监测与控制楼宇内的电梯系统、照明系统、空调系统与其他设施和设备。这栋建筑的出现拉开了智能家居发展的序幕。

如今，随着微型集成电路的发展，低功耗芯片正在变得愈来愈廉价。因此，基于STM32或者其他单片机的智能家居系统将使得在任意时间地点监测电气设备的操作状态变得更加容易，这也将大大提高人们日常生活的舒适性与便捷性。

硬件部分

如下几点是本设计中的主要硬件部分，此外还有关于它们的简单说明。

STM32F103

本项目所选择的STM32F103属于STM32系列中的增强型系列型号。增强型的STM32单片机的时钟频率可以倍频至72MHz，这是一个在同类产品相对较高的频率。STM32F103系列拥有丰富的接口一个大容量的片内存储空间。

STM32F103是一款由意法半导体公司生产的、基于Cortex-M3内核的单片机，它有丰富的接口一个大容量的片内存储空间。得益于芯片内部的内置Flash，所以无需为其配置一个外部ROM，这可大大简化整体系统设计。当STM32F103的时钟频率达到最高的72MHz时，它的工作电流将达到36mA。
STM32F103拥有三种模式：睡眠模式，停止模式与稳定模式。在睡眠模式下，仅仅CPU部分会停止工作，其余所有外设将会继续工作。在该模式下，可通过触发一个中断事件唤醒CPU；在停止模式下，在保证内部寄存器与SRAM中数据不丢失的情况下，STM32F103将会达到最低的功耗水平。所有在1.8V电源域的时钟源将会停止工作，PLL，HIS RC与HSE晶振将会被失能；稳定模式可以使STM32F103处于最低功耗状态下，此时内部的稳压器将会被关闭，这将导致1.8V电源内的所有外设处于掉电状态下。

DHT11

DHT11数字式温湿度传感器是一款还已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。精度：湿度plusmn;5% RH，温度 plusmn;2℃，支持的湿度检测范围为20~90% RH，温度范围为0~50℃。

DHT11数字式温湿度传感器应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术。该传感器包含一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件，可与一个高性能的32位单片机相连，确保产品具有可靠性与卓越的长期稳定性。因此，该产品具有质量优良、快速响应、抗干扰能力强、性能高等优点。

BH1750FVI

本项目使用的光照强度传感器是由ROHM公司发布的16位数字光强传感器——BH1750FVI。这是一款拥有标准I2C接口的的芯片，并且具有光源依赖性弱、抗干扰能力强等特点。

传统的光照强度传感器往往采用光敏电阻和光电电容作为其主要部分，它们的工作原理是光敏电阻电流。然而，由于光敏电阻的光学电特性并不是理想的线性关系，所以它不适合用于进行高精度的监测。此外由于不恰当的使用方法，光敏电阻往往对可见光不敏感（往往是由于红外线与紫外线造成的干扰）。而BH1750FVI是一个高精度、测量周期短、外围电路简单与相对易于使用的光照强度传感器，因此现今已被广泛地应用于各类嵌入式系统，主要包括移动电话、LCD电视、照明控制、数码相机、汽车导航系统等等。

软件开发环境

Keil MDK是应用最为广泛的、针对ARM Cortex-M微控制器的软件开发解决方案。它包含IDE、C/C 编译器、调试器、软件包管理组件与CMSIS等组成部分。

智能家居系统的硬件实施方法

DHT11数据格式

DHT11使用单总线数据格式并遵循高位最先输出的原则。其完整的输出数据长度是40个二进制位，包括16位温度数据、16位湿度数据与8位校验和数据。每16位数据均拥有8位整数与8位小数。为了确保数据传输的准确性，校验和数据应该等于8位湿度整数数据、8位湿度小数数据、8位温度整数数据与8位温度小数数据相加所得结果的末8位。例如当湿度为39.80%，温度为21.15℃时，对应的40位数据为 0010 0111，001 0000，0001 0101，0011 0010，1011 1110。详情如下表所示：

DHT11时序

DHT11的通讯步骤如下图所示，（实线表示主机信号，虚线表示来自DHT11的信号）。首先STM32F103主机将发送一个起始信号。当DHT11检测到起始信号后，它将会发送一个反馈输出信号，并将数据线拉高至高电平。这个反馈信号意味着传感器将会向主机发送检测到的温度与湿度数据。最终，在完成数据发送之后总线将会被释放。

DHT11的示例代码

for(I = 0;I lt; DHT_Size;i )

{

value_arry[i] = DHT11_ReadChar();

if(value_array[i] == ERROR amp;amp; (i!=1) amp;amp; (i!=3))

{

DHT_OutH();

return ERROR;

}

//check sum

If(i!=DHT_Size -1)
{

check_value = val[i];

}

If(check_value == value_array[DHT_Size-1])

{

humi = value-array[0];

temper = value_array[2];

DHT_OutH();

return OK;

}

else

{

DHT_OutH();

return ERROT;

}

}

BH1750FVI数据格式

BH1750FVI的数据格式如图所示，在此用一个例子加以说明：

架设高字节为 1000 0011，低字节为 1001 0000。那么实际结果为(2¹⁵ 2⁹ 2⁸ 2⁷ 2⁴)/1.2 = 28067lx。

BH1750FVI时序

下图为BH1750的时序，它相比DHT11的时序更加复杂。

BH1750示例代码

float BH1750_ReadResult()

{

U8 resultH = 0,resultL = 0;

float result = 0;

//start signal

BH1750_Start();

//send device address and WR signal

BH1750_SendByte(SlaveAddress 1);

//read high data

result = BH1750_ReadByte();

BH1750_SednAck(0);

//read low data

result = BH1750_ReadByte();

BH1750_SendAck(1);

result = (result*pow(2,8) resultL)/1.2;

//send stop signal

BH1750_Stop();

return result;

}

总结

该系统应用了单总线接口的传感器，并使用STM32单片机实现了对温度与光照强度的探测功能。若配合额外的继电器控制与开关控制，可实现在不同条件下的自动控制。

参考

[1] Wacks K. Home Systems Standards:achievements and challenges[j]. Communications Magazine, IEEE, 2002, 40(4): 152-159

[2] SUN S, CHEN Z, KOU C. The Developing and Application of the New Generation of Embedded

MPU-STM32F103 [J][J]. Microcomputer Applications, 2010, 12: 009.

[3] Available from Internet :

http://www2.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/33/d4/6f/1d/df/0b/4c/6d/CD

00161566.pdf/files/CD00161566.pdf/jcr:content/translations/en.CD00161566.pdf

[4] The module product manual of temperature and humidity: DHT11[EB/OL].

http://www.aosong.com

[5] Zhang Y M, Fu S J. Stm 32s Controling System of Intelligent Greenhouse[J]. Ruanjian-

Software, 2010, 31(12): 14-18.

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