基于单片机的温湿度报警系统设计与实现

摘要

本项研究对温湿度警报系统的需求进行了详尽分析，并成功研制出一套以单片机为技术核心的温湿度警报系统。该系统由硬件搭建和软件编程两大模块构成。在硬件搭建方面，系统整合了STM32主控芯片、DS18B20温度传感器、湿敏电阻、按键组件、OLED显示屏、蜂鸣器、LED灯、WiFi模块以及电源供应等关键部件。在软件编程方面，采用C语言进行开发，结合KEIL5开发平台，实现了系统的功能设定和控制系统逻辑的编写。经过实物焊接和系统调试，确保了系统的稳定运作和测量准确性。最终，该系统实现了对环境温度的实时监控，并能根据设定的温度和湿度阈值进行检测和警报，达到了智能温湿度监控的目的。
本温湿度监测警报装置能够对环境中的温度与湿度进行持续跟踪。当温度与湿度超出预定阈值，搭载的STM32处理器将下达命令，随即蜂鸣器启动警报，实现对周围空气状况的有效监控。此外，系统还具备Wi-Fi连接功能，可通过手机APP实现警报通知，一旦检测到异常，APP便会即时推送警报信息。

关键词：温湿度检测；WiFi模块；能耗管理

第2章系统设计方案

2.1 总体设计
应用STM32单片机作为主控模块，通过DS18B20温度传感器采集环境温度，并通过湿敏电阻传感器采集环境湿度，通过按键模块根据不同的环境设置温湿度报警的上下限度，在测得超过限度值的数值信息时进行报警，同时可以利用液晶显示模块实时显示当前温度、湿度情况。单片机采集到的温湿度数据可以通过Wi-Fi模块上传至MQTT云平台。用户无论身处何地，只要能接入互联网，就可以通过手机、电脑等终端登录云平台查看实时的温湿度数据。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，较好的满足了现代生产和科研的需要。系统结构框图如图2-1所示。在这里插入图片描述

图2-1 系统结构框图

2.2 方案选择
2.2.1 单片机方案选择
方案一：STM32单片机，则以其卓越的性能脱颖而出。STM32单片机采用了先进的ARM Cortex-M内核，这一核心架构赋予了它极高的运算能力和处理速度，使得它能够轻松应对各种复杂任务和实时应用场景。同时，STM32单片机的灵敏度极高，能够迅速响应外部信号变化，确保系统的实时性和准确性。其内置的可编程Flash存储器，不仅便于程序的更新和维护，还大大提高了系统的灵活性。此外，STM32单片机的功耗极低，能效表现十分优异，有助于降低系统的整体能耗。
方案二：51单片机, 采用经典的8位CISC（复杂指令集）架构，指令周期通常为4个机器周期（12个时钟周期），执行速度较慢。时钟频率范围：通常为0~33MHz（部分增强型可达40MHz）。静态功耗较低，但动态功耗较高（受限于CISC架构和较慢的时钟频率）。
综合考虑各方面因素，对于追求高性能、高处理速度和高灵敏度的项目来说，STM32单片机无疑是更优的选择。尽管其成本相较于其他方案略高一些，但其所带来的性能提升和开发便利性却是无可比拟的。因此，我们认为选择STM32单片机是合理且值得的，它将为我们的项目带来更加出色的表现和发展潜力。
2.2.2 传感器方案选择
方案一：DS18B20温度传感器。在各类应用场景中都显得尤为便捷和经济。而且在测量精度和稳定性方面表现出色。它能够准确、实时地反映环境中的实际温度情况，这种高精度和稳定性为各类应用提供了可靠、准确的数据支持，确保了系统运行的准确性和可靠性。此外，DS18B20温度传感器采用数字信号输出方式，这一特点使得数据传输变得更加便捷高效。与传统的模拟信号传感器相比，数字信号输出有效避免了信号衰减和干扰问题，提高了数据传输的准确性和稳定性。同时，这种输出方式也使得DS18B20温度传感器更易于与各种微控制器或系统集成，降低了使用难度，提高了系统的灵活性和可扩展性。DS18B20温度传感器如图2-2所示。在这里插入图片描述

图2-2 DS18B20温度传感器

方案二：SHT20温度传感器。是一款采用I²C通信协议的智能温度检测器件。由于I²C通信协议需要MCU实现更多的通信协议和处理逻辑， MCU的处理能力可能相对有限，因此过多的通信协议和处理逻辑可能会占用大量的MCU资源，影响系统的整体性能。由于传感器在工作过程中需要不断地与MCU进行通信，这可能会增加系统的整体功耗。在电池供电的应用中，功耗的增加可能会直接影响电池的寿命。因此，在设计长时间连续监测的系统时，需要充分考虑功耗对电池寿命的影响，并采取相应的措施来降低系统的功耗。
在温度传感器的选择中，我们对比了方案一中的DS18B20温度传感器和方案二中的SHT20温度传感器。经过从精准度、可靠性和长期稳定性以及抗干扰性等多方面的综合考量，最终我们选择了DS18B20温度传感器作为最优方案。

第3章系统硬件设计

3.1 系统的功能分析
温湿度报警器系统主要涵盖了STM32主控芯片、DS18B20温度传感器、湿敏电阻模块、按键模块、OLED显示屏、蜂鸣器、LED灯、WiFi模块以及电源供应单元等核心部件。各模块之间通过STM32单片机进行协调工作，确保系统的稳定性和高效性。
3.1.1 STM32主控芯片模块
在STM32主控芯片模块是一款功能强大、易于开发、高性能、低功耗的微控制器，适用于各种嵌入式系统和物联网应用。其丰富的外设接口和强大的处理能力使得STM32成为众多开发者的首选。内部集成有闪存存储器（Flash）和静态随机存取存储器（SRAM）。Flash用于存放程序和数据，SRAM用于存放程序运行时的变量和堆栈。如图3-1 STM32主控芯片模块。
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图3-1 STM32主控芯片模块
3.1.2 STM32复位电路
复位电路是STM32芯片的电路设计中一个重要的部分，它主要的目的是在系统上电的时候或需要复位的时候，能够确保微控制器能够正确的启动和进行复位操作。复位电路通常是由一个上拉电阻、一个按键以及一个电容构成的。复位电路存在的目的是对芯片进行强制复位，让电路恢复到起始的状态，是低电平复位，其电路设计图如图3-2所示。STM32的复位引脚为NRST，它的工作方式有两种：上电复位、手动按键复位。
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图3-2 STM32复位电路

第4章软件设计

4.1 总体主设计
在基于单片机的温湿度报警设计与实现的论文中，总体主程序是整个系统的核心部分，负责协调各个模块的功能，实现数据采集、处理和控制操作。总体主程序的设计需要考虑系统的稳定性、实时性和可靠性，以确保系统能够准确地监测环境参数并实现相应的控制功能。
首先，在总体主程序中，需要包含初始化模块，用于初始化系统的各个硬件和软件模块，确保系统在启动时能够正常运行。在初始化模块中，需要对传感器进行校准、设置控制参数，并建立与外部设备的通信连接，如图4-1 总体主设计图。
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图4-1 总体主设计图

第5章系统调试

5.1 实物焊接
在设计单片机的温湿度报警系统时，需要考虑系统的整体架构和功能模块。系统的核心部分包括传感器模块、控制模块、通信模块和显示模块。传感器模块用于数据如环境数据温度与湿度阈值等；控制模块负责根据传感器数据实现环境参数的监测和控制；通信模块可实现与外部设备的数据交互，显示模块则用于显示监测到的环境数据或控制结果。
焊接实物时需要注意焊接技术和连接布局。焊接时应确保焊点牢固可靠，避免短路或开路情况发生。另外，连接布局要合理，避免信号干扰或电磁干扰。可以采用多层PCB板设计或屏蔽罩等方法来提高系统的稳定性和抗干扰能力。
在论文中，需要详细介绍系统的硬件设计和软件设计。硬件设计包括电路原理图设计、PCB布局设计、传感器选型和参数设置等内容；软件设计则包括单片机程序设计、通信协议设计、数据处理算法设计等方面。同时，需要对系统的性能进行测试和分析，验证系统在实际环境中的可靠性和稳定性。
最后，在论文中还需要对系统的优缺点进行评价，提出改进和优化方向。可以结合实际测试结果和用户反馈，对系统的性能和功能进行综合评估，为进一步的研究和开发提供参考，如图5-1 室内环境监测实物图。在这里插入图片描述

图5-1 室内环境监测实物图

5.2 DS18B20温度传感器端信息显示温度
在温度报警系统中，通过实时湿度阈值将数据传输至DS18B20温度传感器端，根据湿度阈值超出系统设定范围值，触发蜂鸣报警系统，从而提示用户注意环境湿度变化，如图5-2 DS18B20温度传感器端显示温度。在这里插入图片描述

图5-2 DS18B20温度传感器端显示温度图
5.3 湿敏电阻传感器端信息显示湿度
在湿度报警系统中，通过实时湿度阈值将数据传输至湿敏电阻传感器端，根据湿度阈值超出系统设定范围值，触发蜂鸣报警系统，从而提示用户注意环境湿度变化，如图5-3 湿敏电阻传感器端显示湿度。在这里插入图片描述

图5-3 湿敏电阻传感器显示湿度图
5.4 MQTT云平台端信息显示温湿度
通过MQTT云平台端可以实现用户远程对温湿度报警系统的控制，也能够为用户提供更加智能、便捷的室内环境管理方案。这种系统的应用将为用户的生活带来更多便利和舒适，体现了科技在居家生活中的重要作用，如图5-4 MQTT云平台端实物图。
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