基于單片機的溫濕度報警系統設計與實現

摘要

本項研究對溫濕度警報系統的需求進行了詳盡分析，并成功研制出一套以單片機為技術核心的溫濕度警報系統。該系統由硬件搭建和軟件編程兩大模塊構成。在硬件搭建方面，系統整合了STM32主控芯片、DS18B20溫度傳感器、濕敏電阻、按鍵組件、OLED顯示屏、蜂鳴器、LED燈、WiFi模塊以及電源供應等關鍵部件。在軟件編程方面，采用C語言進行開發，結合KEIL5開發平臺，實現了系統的功能設定和控制系統邏輯的編寫。經過實物焊接和系統調試，確保了系統的穩定運作和測量準確性。最終，該系統實現了對環境溫度的實時監控，并能根據設定的溫度和濕度閾值進行檢測和警報，達到了智能溫濕度監控的目的。
本溫濕度監測警報裝置能夠對環境中的溫度與濕度進行持續跟蹤。當溫度與濕度超出預定閾值，搭載的STM32處理器將下達命令，隨即蜂鳴器啟動警報，實現對周圍空氣狀況的有效監控。此外，系統還具備Wi-Fi連接功能，可通過手機APP實現警報通知，一旦檢測到異常，APP便會即時推送警報信息。

關鍵詞：溫濕度檢測；WiFi模塊；能耗管理

第2章系統設計方案

2.1 總體設計
應用STM32單片機作為主控模塊，通過DS18B20溫度傳感器采集環境溫度，并通過濕敏電阻傳感器采集環境濕度，通過按鍵模塊根據不同的環境設置溫濕度報警的上下限度，在測得超過限度值的數值信息時進行報警，同時可以利用液晶顯示模塊實時顯示當前溫度、濕度情況。單片機采集到的溫濕度數據可以通過Wi-Fi模塊上傳至MQTT云平臺。用戶無論身處何地，只要能接入互聯網，就可以通過手機、電腦等終端登錄云平臺查看實時的溫濕度數據。整個系統結構緊湊，簡單可靠，操作靈活，較好的滿足了現代生產和科研的需要。系統結構框圖如圖2-1所示。在這里插入圖片描述

圖2-1 系統結構框圖

2.2 方案選擇
2.2.1 單片機方案選擇
方案一：STM32單片機，則以其卓越的性能脫穎而出。STM32單片機采用了先進的ARM Cortex-M內核，這一核心架構賦予了它極高的運算能力和處理速度，使得它能夠輕松應對各種復雜任務和實時應用場景。同時，STM32單片機的靈敏度極高，能夠迅速響應外部信號變化，確保系統的實時性和準確性。其內置的可編程Flash存儲器，不僅便于程序的更新和維護，還大大提高了系統的靈活性。此外，STM32單片機的功耗極低，能效表現十分優異，有助于降低系統的整體能耗。
方案二：51單片機, 采用經典的8位CISC（復雜指令集）架構，指令周期通常為4個機器周期（12個時鐘周期），執行速度較慢。時鐘頻率范圍：通常為0~33MHz（部分增強型可達40MHz）。靜態功耗較低，但動態功耗較高（受限于CISC架構和較慢的時鐘頻率）。
綜合考慮各方面因素，對于追求高性能、高處理速度和高靈敏度的項目來說，STM32單片機無疑是更優的選擇。盡管其成本相較于其他方案略高一些，但其所帶來的性能提升和開發便利性卻是無可比擬的。因此，我們認為選擇STM32單片機是合理且值得的，它將為我們的項目帶來更加出色的表現和發展潛力。
2.2.2 傳感器方案選擇
方案一：DS18B20溫度傳感器。在各類應用場景中都顯得尤為便捷和經濟。而且在測量精度和穩定性方面表現出色。它能夠準確、實時地反映環境中的實際溫度情況，這種高精度和穩定性為各類應用提供了可靠、準確的數據支持，確保了系統運行的準確性和可靠性。此外，DS18B20溫度傳感器采用數字信號輸出方式，這一特點使得數據傳輸變得更加便捷高效。與傳統的模擬信號傳感器相比，數字信號輸出有效避免了信號衰減和干擾問題，提高了數據傳輸的準確性和穩定性。同時，這種輸出方式也使得DS18B20溫度傳感器更易于與各種微控制器或系統集成，降低了使用難度，提高了系統的靈活性和可擴展性。DS18B20溫度傳感器如圖2-2所示。在這里插入圖片描述

圖2-2 DS18B20溫度傳感器

方案二：SHT20溫度傳感器。是一款采用I2C通信協議的智能溫度檢測器件。由于I2C通信協議需要MCU實現更多的通信協議和處理邏輯， MCU的處理能力可能相對有限，因此過多的通信協議和處理邏輯可能會占用大量的MCU資源，影響系統的整體性能。由于傳感器在工作過程中需要不斷地與MCU進行通信，這可能會增加系統的整體功耗。在電池供電的應用中，功耗的增加可能會直接影響電池的壽命。因此，在設計長時間連續監測的系統時，需要充分考慮功耗對電池壽命的影響，并采取相應的措施來降低系統的功耗。
在溫度傳感器的選擇中，我們對比了方案一中的DS18B20溫度傳感器和方案二中的SHT20溫度傳感器。經過從精準度、可靠性和長期穩定性以及抗干擾性等多方面的綜合考量，最終我們選擇了DS18B20溫度傳感器作為最優方案。

第3章系統硬件設計

3.1 系統的功能分析
溫濕度報警器系統主要涵蓋了STM32主控芯片、DS18B20溫度傳感器、濕敏電阻模塊、按鍵模塊、OLED顯示屏、蜂鳴器、LED燈、WiFi模塊以及電源供應單元等核心部件。各模塊之間通過STM32單片機進行協調工作，確保系統的穩定性和高效性。
3.1.1 STM32主控芯片模塊
在STM32主控芯片模塊是一款功能強大、易于開發、高性能、低功耗的微控制器，適用于各種嵌入式系統和物聯網應用。其豐富的外設接口和強大的處理能力使得STM32成為眾多開發者的首選。內部集成有閃存存儲器（Flash）和靜態隨機存取存儲器（SRAM）。Flash用于存放程序和數據，SRAM用于存放程序運行時的變量和堆棧。如圖3-1 STM32主控芯片模塊。
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圖3-1 STM32主控芯片模塊
3.1.2 STM32復位電路
復位電路是STM32芯片的電路設計中一個重要的部分，它主要的目的是在系統上電的時候或需要復位的時候，能夠確保微控制器能夠正確的啟動和進行復位操作。復位電路通常是由一個上拉電阻、一個按鍵以及一個電容構成的。復位電路存在的目的是對芯片進行強制復位，讓電路恢復到起始的狀態，是低電平復位，其電路設計圖如圖3-2所示。STM32的復位引腳為NRST，它的工作方式有兩種：上電復位、手動按鍵復位。
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圖3-2 STM32復位電路

第4章軟件設計

4.1 總體主設計
在基于單片機的溫濕度報警設計與實現的論文中，總體主程序是整個系統的核心部分，負責協調各個模塊的功能，實現數據采集、處理和控制操作。總體主程序的設計需要考慮系統的穩定性、實時性和可靠性，以確保系統能夠準確地監測環境參數并實現相應的控制功能。
首先，在總體主程序中，需要包含初始化模塊，用于初始化系統的各個硬件和軟件模塊，確保系統在啟動時能夠正常運行。在初始化模塊中，需要對傳感器進行校準、設置控制參數，并建立與外部設備的通信連接，如圖4-1 總體主設計圖。
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圖4-1 總體主設計圖

第5章系統調試

5.1 實物焊接
在設計單片機的溫濕度報警系統時，需要考慮系統的整體架構和功能模塊。系統的核心部分包括傳感器模塊、控制模塊、通信模塊和顯示模塊。傳感器模塊用于數據如環境數據溫度與濕度閾值等；控制模塊負責根據傳感器數據實現環境參數的監測和控制；通信模塊可實現與外部設備的數據交互，顯示模塊則用于顯示監測到的環境數據或控制結果。
焊接實物時需要注意焊接技術和連接布局。焊接時應確保焊點牢固可靠，避免短路或開路情況發生。另外，連接布局要合理，避免信號干擾或電磁干擾。可以采用多層PCB板設計或屏蔽罩等方法來提高系統的穩定性和抗干擾能力。
在論文中，需要詳細介紹系統的硬件設計和軟件設計。硬件設計包括電路原理圖設計、PCB布局設計、傳感器選型和參數設置等內容；軟件設計則包括單片機程序設計、通信協議設計、數據處理算法設計等方面。同時，需要對系統的性能進行測試和分析，驗證系統在實際環境中的可靠性和穩定性。
最后，在論文中還需要對系統的優缺點進行評價，提出改進和優化方向。可以結合實際測試結果和用戶反饋，對系統的性能和功能進行綜合評估，為進一步的研究和開發提供參考，如圖5-1 室內環境監測實物圖。在這里插入圖片描述

圖5-1 室內環境監測實物圖

5.2 DS18B20溫度傳感器端信息顯示溫度
在溫度報警系統中，通過實時濕度閾值將數據傳輸至DS18B20溫度傳感器端，根據濕度閾值超出系統設定范圍值，觸發蜂鳴報警系統，從而提示用戶注意環境濕度變化，如圖5-2 DS18B20溫度傳感器端顯示溫度。在這里插入圖片描述

圖5-2 DS18B20溫度傳感器端顯示溫度圖
5.3 濕敏電阻傳感器端信息顯示濕度
在濕度報警系統中，通過實時濕度閾值將數據傳輸至濕敏電阻傳感器端，根據濕度閾值超出系統設定范圍值，觸發蜂鳴報警系統，從而提示用戶注意環境濕度變化，如圖5-3 濕敏電阻傳感器端顯示濕度。在這里插入圖片描述

圖5-3 濕敏電阻傳感器顯示濕度圖
5.4 MQTT云平臺端信息顯示溫濕度
通過MQTT云平臺端可以實現用戶遠程對溫濕度報警系統的控制，也能夠為用戶提供更加智能、便捷的室內環境管理方案。這種系統的應用將為用戶的生活帶來更多便利和舒適，體現了科技在居家生活中的重要作用，如圖5-4 MQTT云平臺端實物圖。
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