STM32在智能家居系统设计中的应用：代码实践与仿真探索

基于 STM32 的智能家居系统设计

基于 STM32 的智能家居系统的设计 P ro te us 仿真 Keil5，proteus 8.15（非同版本打开存在的问题不负责）。含程序源代码、仿真电路文件，有演示的仿真视频。

摘要：本文设计了一种基于 STM32F103R6 的智能家居系统。该系统利用 DHT11 温湿度传感器、OLED 显示屏、光照模块等硬件，结合舵机模拟窗户、继电器驱动电机控制风扇和灯光。系统具备根据温湿度和光照强度自动控制风扇、窗户和灯光的功能，可通过 OLED 显示屏展示设备状态与模式，还支持远程控制灯光、窗户和风扇的开关，有效提升了家居的智能化与便捷性。

关键词：STM32F103R6；智能家居系统；传感器；自动控制；远程控制

一、引言

随着科技的飞速发展，智能家居逐渐成为人们生活中不可或缺的一部分。智能家居系统能够通过传感器感知环境信息，并根据预设的规则自动控制家居设备的运行，为用户提供更加舒适、便捷、安全的生活环境。STM32F103R6 是一款性能强大、资源丰富的微控制器，广泛应用于各种嵌入式系统开发。本文将详细介绍基于 STM32F103R6 的智能家居系统的设计过程。

二、系统总体设计

2.1 设计目标

设计一款基于 STM32F103R6 的智能家居系统，实现以下功能：

根据温湿度和设定的阈值关系自动控制风扇的开关。

依据光照强度和设定的阈值关系自动控制窗户和灯光的开关。

通过 OLED 显示屏实时显示风扇、窗户、灯光的状态以及系统所处模式。

支持远程控制灯光、窗户和风扇的开关操作。

2.2 系统总体框图

系统主要由 STM32F103R6 单片机、DHT11 温湿度传感器、OLED 显示屏、光照模块、舵机（模拟窗户）、灯光（LED 模拟）、风扇（继电器驱动电机）以及远程控制模块（如 Wi-Fi 模块或蓝牙模块，本文假设采用 Wi-Fi 模块）组成。STM32F103R6 单片机作为核心控制单元，负责采集传感器数据、处理控制逻辑、与显示模块和远程控制模块通信以及控制各个家居设备的运行。系统总体框图如图 1 所示。

<img src="%E5%9B%BE1_%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E6%80%BB%E4%BD%93%E6%A1%86%E5%9B%BE.png" /> （此处假设有对应图片，实际撰写论文时需插入）

三、硬件设计

3.1 STM32F103R6 单片机

STM32F103R6 是一款基于 ARM Cortex – M3 内核的 32 位微控制器，具有丰富的外设资源，如 GPIO、ADC、定时器、USART、SPI 等，能够满足智能家居系统的设计需求。

3.2 DHT11 温湿度传感器

DHT11 是一款数字式温湿度传感器，具有测量精度高、稳定性好、接口简单等优点。它通过单总线与 STM32F103R6 单片机通信，实时采集环境的温度和湿度数据。

3.3 OLED 显示屏

采用 0.96 寸 OLED 显示屏，用于显示风扇、窗户、灯光的状态以及系统所处模式。OLED 显示屏具有自发光、对比度高、视角广等特点，能够清晰地显示信息。

3.4 光照模块

光照模块采用光敏电阻，通过分压电路将光敏电阻的阻值变化转换为电压变化，再通过 STM32F103R6 单片机的 ADC 采集电压值，从而得到光照强度。

3.5 窗户模拟（舵机）

使用舵机模拟窗户的开关动作。舵机通过 PWM 信号控制转角，STM32F103R6 单片机通过输出不同占空比的 PWM 信号来控制舵机的转动角度，实现窗户的打开和关闭。

3.6 灯光（LED 模拟）

采用 LED 模拟灯光，通过 STM32F103R6 单片机的 GPIO 口控制 LED 的亮灭。

3.7 风扇（继电器驱动电机）

风扇通过继电器驱动电机运行。STM32F103R6 单片机通过控制继电器的吸合和断开，来控制风扇电机的启动和停止。

3.8 远程控制模块（Wi-Fi 模块）

选用合适的 Wi-Fi 模块（如 ESP8266），实现与手机 APP 或其他远程终端的通信。通过手机 APP 发送控制指令，Wi-Fi 模块将指令传输给 STM32F103R6 单片机，从而实现对灯光、窗户和风扇的远程控制。

3.9 硬件电路连接

DHT11 温湿度传感器的数据引脚连接到 STM32F103R6 单片机的 GPIO 口。

OLED 显示屏的 SCL 和 SDA 引脚连接到 STM32F103R6 单片机的 I2C 接口。

光敏电阻的分压电路输出端连接到 STM32F103R6 单片机的 ADC 引脚。

舵机的控制引脚连接到 STM32F103R6 单片机的 PWM 输出引脚。

LED 的正极通过限流电阻连接到 STM32F103R6 单片机的 GPIO 口，负极接地。

继电器的控制端连接到 STM32F103R6 单片机的 GPIO 口。

Wi-Fi 模块与 STM32F103R6 单片机通过 USART 接口进行通信。

四、软件设计

4.1 软件总体流程

软件设计主要包括主程序、传感器数据采集程序、控制逻辑程序、显示程序、远程控制程序等。主程序负责初始化系统、循环检测传感器数据和远程控制指令、调用各子程序；传感器数据采集程序负责采集温湿度和光照强度数据；控制逻辑程序根据采集的数据和设定的阈值判断是否控制风扇、窗户和灯光的开关；显示程序负责将设备状态和系统模式显示到 OLED 显示屏上；远程控制程序负责处理 Wi-Fi 模块接收到的远程控制指令。软件总体流程图如图 2 所示。

<img src="%E5%9B%BE2_%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E6%80%BB%E4%BD%93%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE.png" /> （此处假设有对应图片，实际撰写论文时需插入）

4.2 初始化程序

初始化程序主要包括系统时钟初始化、GPIO 初始化、ADC 初始化、I2C 初始化、PWM 初始化、USART 初始化等。系统时钟初始化设置 STM32F103R6 单片机的主频；GPIO 初始化将连接传感器、显示屏、舵机、LED、继电器和 Wi-Fi 模块的 GPIO 口设置为相应的输入或输出模式；ADC 初始化设置 ADC 的通道、采样频率等参数；I2C 初始化设置 I2C 的通信速率和地址；PWM 初始化设置 PWM 的频率和占空比；USART 初始化设置 USART 的波特率、数据位、停止位等参数。

4.3 传感器数据采集程序

DHT11 温湿度传感器：通过单总线协议与 STM32F103R6 单片机通信，读取温度和湿度数据。

光照模块：使用 ADC 采集光敏电阻分压电路的输出电压，根据预先标定的电压 – 光照强度曲线计算出光照强度。

4.4 控制逻辑程序

风扇控制：比较采集到的温度和湿度数据与设定的阈值。当温度大于温度阈值或湿度大于湿度阈值时，控制继电器吸合，启动风扇；否则，控制继电器断开，停止风扇。

窗户和灯光控制：比较采集到的光照强度与设定的阈值。当光照强度小于光照阈值时，控制舵机转动打开窗户，同时点亮 LED 模拟灯光；当光照强度大于光照阈值时，控制舵机转动关闭窗户，同时熄灭 LED。

4.5 显示程序

使用 OLED 显示屏的驱动程序，将风扇、窗户、灯光的状态以及系统所处模式显示到 OLED 显示屏上。

4.6 远程控制程序

通过 USART 接口接收 Wi-Fi 模块传输的远程控制指令。解析指令内容，根据指令控制灯光、窗户和风扇的开关。例如，当接收到打开灯光的指令时，控制对应的 GPIO 口输出高电平，点亮 LED。

五、系统测试与优化

5.1 系统测试

在实际硬件电路上进行系统测试，检查智能家居系统的各项功能是否正常。测试内容包括传感器数据采集的准确性、控制逻辑的合理性、显示信息的正确性、远程控制的可靠性等。

5.2 问题分析与解决

在测试过程中，可能会遇到一些问题，如传感器数据不准确、控制指令执行延迟、显示信息乱码等。针对这些问题，进行详细的分析，找出问题的原因，并采取相应的解决措施。例如，如果传感器数据不准确，可能是传感器校准不准确或信号干扰导致，需要重新校准传感器或增加滤波措施；如果控制指令执行延迟，可能是程序执行效率低下或通信延迟导致，需要优化程序代码或提高通信速率。

5.3 系统优化

为了提高系统的性能和稳定性，对系统进行优化。例如，优化传感器数据采集算法，提高数据采集的精度和速度；优化控制逻辑程序，减少控制指令的执行时间；优化显示程序，提高显示的刷新频率和清晰度；优化远程控制程序，提高远程控制的响应速度和可靠性。

六、结论

本文设计了一款基于 STM32F103R6 的智能家居系统，实现了根据温湿度和光照强度自动控制风扇、窗户和灯光的功能，通过 OLED 显示屏实时显示设备状态和系统模式，并支持远程控制灯光、窗户和风扇的开关。经过系统测试和优化，该智能家居系统具有较高的准确性和稳定性，能够有效提升家居的智能化和便捷性。

七、展望

未来的研究可以进一步拓展该智能家居系统的功能，如增加更多的传感器（如空气质量传感器、人体红外传感器等），实现更全面的环境监测和智能控制；增加语音控制功能，通过语音识别技术实现语音指令控制家居设备；优化系统的能耗管理，降低系统的功耗，提高系统的续航能力。同时，可以进一步提高系统的集成度和可靠性，降低成本，使智能家居系统具有更广泛的应用前景。

以上论文仅供参考，你可以根据实际设计情况对内容进行调整和补充，同时在撰写过程中需确保数据和描述的准确性。

#include "LCD1602.h"
#include "delay.h"
#include "sys.h"

u8 Dao_xu(u8 data)//倒序函数
{
    u8 i = 0 ,temp = 0;;
	  
	  for(i = 0; i < 8; i++)
	 {
	   temp += (((data >> i) & 0x01) << (7 - i));
	 }
	 return temp;
}
/*-----------------------------------------------
  名称：LCD1602
  论坛：www.doflye.net
  编写：shifang
  日期：2009.5
  修改：无
  内容：通过标准程序静态显示字符
  引脚定义如下：1-VSS 2-VDD 3-V0 4-RS 5-R/W 6-E 7-14 DB0-DB7 15-BLA 16-
              判忙函数
------------------------------------------------*/
 void  LCD_Check_Busy(void) 
 
{
  LCD1602_RS0;	
	delay_ms(1);
  LCD1602_RW1;    
	delay_ms(1);
  LCD1602_EN0;
	delay_ms(1);
  GPIO_Write(GPIOC,0Xff); 
	delay_ms(1);
  LCD1602_EN1; 
	delay_ms(100);
}

/*------------------------------------------------
              写入命令函数
------------------------------------------------*/
 void LCD1602_write_com(unsigned char com) 
{                               
  LCD1602_RS0;	
	delay_ms(1);
  LCD1602_RW0;
  delay_ms(1);	
  LCD1602_EN1;                    
	delay_ms(1);
  GPIO_Write(GPIOA,(GPIO_ReadOutputData(GPIOA)&0XFF00)+Dao_xu(com));              
	delay_ms(1);
  LCD1602_EN0;
}

/*------------------------------------------------
              写入数据函数
------------------------------------------------*/
 void LCD1602_write_data(unsigned char Data) 
{                                    
  LCD1602_RS1;                
	delay_ms(1);
  LCD1602_RW0;
  delay_ms(1);	
  LCD1602_EN1;                    
	delay_ms(1);
  GPIO_Write(GPIOA,(GPIO_ReadOutputData(GPIOA)&0XFF00)+Dao_xu(Data));
	delay_ms(1);
  LCD1602_EN0;
}
/*------------------------------------------------
              写入字符串函数
------------------------------------------------*/
 void LCD_Write_String(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *s) 
 {     
 if (y == 0) 
 	{     
	 LCD1602_write_com(0x80 + x);     
 	}
 else 
 	{     
 	LCD1602_write_com(0xC0 + x);     
 	}        
 while (*s) 
 	{     
 LCD1602_write_data( *s);     
 s ++;     
 	}
 }
/*------------------------------------------------
              写入字符函数
------------------------------------------------*/
 void LCD_Write_Char(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char Data) 
 {     
 if (y == 0) 
 	{     
 	LCD1602_write_com(0x80 + x);     
 	}    
 else 
 	{     
 	LCD1602_write_com(0xC0 + x);     
 	}        
 LCD1602_write_data( Data);  
 }
 
 
 void LCD1602_write_long(unsigned char x,unsigned char y,u32 data,unsigned char num) 
{
    unsigned char temp[12],i = 12,temp_num = num;
    while(i--)
    {
         temp[i] = ' ';
    }
    temp[num] = '\0';
    while(num--)
    {
      if(data || data%10)
         temp[num] = data % 10 + 0x30;
      data = data/10;
    }
		if(temp[temp_num - 1] == ' ')  temp[temp_num - 1] = '0';
    LCD_Write_String(x,y,temp);   
}

 /*------------------------------------------------
                清屏函数
------------------------------------------------*/
 void LCD_Clear(void) 
 { 
 LCD1602_write_com(0x01); 
 delay_ms(5);
 }
   

void LCD1602_write_word(unsigned char *s)
{
	while(*s>0)
	{
		LCD1602_write_data(*s);
		s++;
	}
}

void LCD_Init()
{
		GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	  
	  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);  //开启GPIOA GPIOB GPIOC时钟
	  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 |GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3 |
    GPIO_Pin_4 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6 | GPIO_Pin_7;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //输出速度50MHZ
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化GPIOA
	
	
	  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 |GPIO_Pin_14|GPIO_Pin_15;  // LCD1602 RS-RW-EN?
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   //推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   //输出速度50MHZ
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);   //GPIOC
	
	LCD1602_EN0;
	LCD1602_RW0;						//设置为写状态
	LCD1602_write_com(0x38);			//显示模式设定
	LCD1602_write_com(0x0c);			//开关显示、光标有无设置、光标闪烁设置
	LCD1602_write_com(0x06);			//写一个字符后指针加一
	LCD1602_write_com(0x01);			//清屏指令
}

作者：科创工作室li

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