摘要

隨著科技的飛速發(fā)展，魚缸在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上產(chǎn)品繁多，功能不統(tǒng)一，而且大多是非智能化的，功能使用不靈活、不方便，整體性能也無(wú)法得到提升，在科技改變生活的時(shí)代，對(duì)傳統(tǒng)的魚缸進(jìn)行科技化的改造勢(shì)在必得，這將會(huì)給人們帶來(lái)更多的幸福感。

本論文以 STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能溫控，智能換水，智能供養(yǎng)，智能照明和智能顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 esp8266WiFi 模塊通信為基礎(chǔ)，可以遠(yuǎn)程手機(jī)監(jiān)控。本設(shè)計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分為單片機(jī)核心控制器模塊，NTC 溫度傳感器檢測(cè)智能魚缸的水溫，通過(guò) OLED 顯示當(dāng)前設(shè)備的電流值、溫度值和充氧速率等，按鍵電路用來(lái)調(diào)節(jié)充氧速率、水溫參數(shù)的閾值、控制供養(yǎng)和補(bǔ)光，繼電器用來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵給魚缸加水。

還實(shí)現(xiàn)了通過(guò) ESP8266WIFI 模塊實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)上傳手機(jī) APP 進(jìn)行控制，而且可以通過(guò)按鍵或手機(jī) APP 調(diào)節(jié)控制魚缸的各項(xiàng)功能，本論文基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)代物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展具有一定的意義。

1 緒論

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸的發(fā)展意義重大，因此，根據(jù)市場(chǎng)需求，本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品采用了 STM32，該產(chǎn)品集成了多種控制功能，包括智能溫度控制，智能換水，智能供氧，智能照明和智能顯示。該系統(tǒng)通過(guò) WiFi 模塊連接到機(jī)智云手機(jī) APP，以通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)魚缸溫度，照明和水變化的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并可以在顯示器上顯示時(shí)間，水溫，電流，功率和功耗統(tǒng)計(jì)信息。

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)解決方案可以節(jié)約人工管理的繁瑣，在被動(dòng)的管理模下，轉(zhuǎn)化為宏觀的控制，當(dāng)監(jiān)視的人不在的時(shí)候可以根據(jù)微信端來(lái)控制供養(yǎng)和照明系統(tǒng)的的控制，還有電流和電量也可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于大型的水族館，可以節(jié)約大量人力和物力，對(duì)于家庭環(huán)境，可以提高家庭的和睦性，對(duì)現(xiàn)代生活的發(fā)展意義重大。

1.1 本設(shè)計(jì)主要完成工作

基于以上研究背景和研究意義，本文詳細(xì)介紹基于 stm32 單片機(jī)和 ESP8266WIFI 對(duì)接機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的無(wú)線魚缸智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)魚缸遠(yuǎn)程控制功能。硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由一些傳感器模塊和系統(tǒng)硬件電路組成，具體包括 ESP8266WIFI 通信模塊，OLED 人機(jī)交互顯示模塊，按鈕電路控制模塊，繼電器驅(qū)動(dòng)電路模塊，水溫檢測(cè) AD 處理電路，以及六個(gè)電路模塊，如系統(tǒng)電流和電壓檢測(cè)。其中，核心控制微控制器為 STM32F103C8T6，人機(jī)交互模塊使用 OLED12864 來(lái)顯示各種參數(shù)數(shù)據(jù)，并使用按鍵來(lái)調(diào)節(jié)每種模式作為輸入設(shè)備。

本文的結(jié)構(gòu)如下：

第一部分介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)背景，介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能魚缸控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)和研究目的。

第二部分是研究系統(tǒng)各模塊的通信原理，包括建立 WIFI 模塊或 Gizwits 終端服務(wù)器。

第三部分是完成整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能魚缸系統(tǒng)的原理圖和 PCB 圖。

第四部分是完成系統(tǒng)使用的開發(fā)環(huán)境的介紹和應(yīng)用，并編寫每個(gè)模塊的子功能和主要功能的程序設(shè)計(jì)。

第五部分是完成系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計(jì)，然后完成系統(tǒng)的焊接和實(shí)物功能測(cè)試。

2 各模塊的通信原理

2.1 系統(tǒng)功能分析

（1）基于 STM32 硬件系統(tǒng)，結(jié)合 ESP8266WiFi 通信技術(shù)對(duì)接機(jī)智云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)手機(jī) APP 遠(yuǎn)程控制照明燈光和繼電器等。

（2）系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、水溫、電流、功率、耗電量等基本信息，能實(shí)現(xiàn) APP 操作控制。

（3）系統(tǒng)手機(jī)端可以遠(yuǎn)程一鍵切斷設(shè)備的輸出控制，即 “緊急停止” 功能。

（4）LED 照明可以實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，充氧可以實(shí)現(xiàn)速率調(diào)節(jié)。此功能可以遠(yuǎn)程控制，也可以遠(yuǎn)程手機(jī)控制。

（5）人機(jī)交互采用 OLED 顯示屏，具有好的人性化操作界面。

（6）設(shè)備能夠聯(lián)網(wǎng)與機(jī)智云平臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)硬件模塊選擇方案的比較和分析確定了這個(gè)想法，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.1 所示，將整個(gè)系統(tǒng)分為以下組成部分：STM32 核心控制、按鍵調(diào)節(jié)、OLED 顯示、ESP8266 感知層配網(wǎng)、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、補(bǔ)光燈 LED 照明系統(tǒng)，電源穩(wěn)壓組成電路。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)控制器通過(guò)程序讀取由溫度感測(cè)元件組成的溫度檢測(cè)電路輸出的 AD 值，以讀取當(dāng)前的輸出溫度值 C，四路繼電器分別控制加熱電路，補(bǔ)光電路，供氧電路，輸出一定的電流電壓信號(hào)，溫度測(cè)試采用探頭式 DS18B20 傳感器，系統(tǒng)的輸入電壓電流由 DACMP2303 轉(zhuǎn)換電路采集之后經(jīng)過(guò)內(nèi)部再經(jīng)過(guò)內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換為電壓，再計(jì)算出器功率，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)控制器通過(guò)串口訪問(wèn) ESP8266WiFi 模塊，通過(guò)GAgent協(xié)議上傳機(jī)智云終端服務(wù)器，并經(jīng)過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理通過(guò)手機(jī) APP 顯示，當(dāng)用戶想調(diào)節(jié)手動(dòng)控制加熱或補(bǔ)光燈，只需通過(guò)手機(jī) APP 發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。最后，該系統(tǒng)通過(guò)按鈕掃描，響應(yīng)按鈕輸入并控制 OLED 顯示屏以顯示各種相關(guān)數(shù)據(jù)信息，完成人機(jī)交互。

2.3 主要元器件的選型

2.3.1 主控單片機(jī)

方案 1：STM32F103C8T6 單片機(jī)主要的特點(diǎn)就是運(yùn)行速度快，這就要從它的內(nèi)核架構(gòu) Cortex-M3 說(shuō)起，該架構(gòu)是 ARM 系列中最經(jīng)典的架構(gòu)，而 STM32 系列單片機(jī)恰好使用了這個(gè)架構(gòu)，不但提高了單片機(jī)的運(yùn)行速度，還在根本上提升了單片機(jī)的性能。而從內(nèi)存上來(lái)看 STM32 系列的單片機(jī)至少也有 16K 的內(nèi)存，而且還帶有 AD 轉(zhuǎn)換器、I2C 接口以及 SPI 接口，簡(jiǎn)化了電路連接。

方案 2：目前的主控制器中，STC89C52 單片機(jī)延用的架構(gòu)仍然是傳統(tǒng)的 51 系列單片機(jī)特有的 8051 架構(gòu)，基本上每一款的 51 系列單片機(jī)的程序、引腳等都是可以通用的。從單片機(jī)的引腳上來(lái)看，該款單片機(jī)有 32 個(gè) I/O 口可以開發(fā)使用，引腳的功能也都非常清楚明了，能夠幫助開發(fā)者來(lái)快速設(shè)計(jì)出電路，從軟硬件兩方面降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。但是該款單片機(jī)只能容納 8K 的代碼，會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行速度。

結(jié)論：STC89C52 單片機(jī)的運(yùn)行速度會(huì)影響系統(tǒng)全局，而 STM32F103C8T6 單片機(jī)軟件和硬件更加簡(jiǎn)單，符合系統(tǒng)需求，因此首選 STM32F103C8T6 方案。

2.3.2 顯示模塊型號(hào)的選擇

方案 1：LCD1602 是一款顯示容量為 32 個(gè)字符的液晶式顯示屏，其中包括大小寫字母、符號(hào)、簡(jiǎn)單的圖形等內(nèi)容。使用 LCD1602 時(shí)直接采用電壓就能對(duì)顯示屏的顯示區(qū)域進(jìn)行控制。如果想詳細(xì)的了解 LCD1602 可以查閱顯示屏的手冊(cè)，從手冊(cè)中可以找到顯示屏的代碼直接調(diào)用及修改即可，還可以了解到 LCD1602 的電路及各引腳功能，但是該模塊是不能顯示文字和圖片的，很多數(shù)據(jù)信息都無(wú)法顯示完整的，因此從軟件和硬件這兩個(gè)方面以及顯示內(nèi)容來(lái)看還得尋求其它的方案設(shè)計(jì)。

方案 2：本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇 0.96 寸的 OLED（Organic Light-Emitting Diode，有機(jī)發(fā)光半導(dǎo)體）是有機(jī)發(fā)光二極管的英文縮寫，液晶屏顯示。考慮到低功耗和交互的友好性，液晶屏顯示必然成為首先。傳統(tǒng)的字符型液晶顯示器，雖然可以能符合以上兩點(diǎn)要求。但相比于便攜性，選用 OLED 顯示器，將更為優(yōu)越，非常便合于便攜式設(shè)備上。本設(shè)計(jì)選用 OLED 最大支持 64 個(gè)字符顯示，其 4 行，每行 16 字符，除了支持所有 ASCII 碼，還自帶字體庫(kù)。非常便于顯示信息。顯示字符支持黃，藍(lán)兩種不同顏色。

結(jié)論：OLED12864 在顯示上更有優(yōu)勢(shì)，符合本系統(tǒng)要求，因此選擇方案 2。

2.3.3 無(wú)線通訊方案的選擇

使用 ESP8266 系列無(wú)線模塊是高性價(jià)比 WiFiSOC 模組，它能夠快速聯(lián)網(wǎng)，只需要五步就可以實(shí)現(xiàn) “IoT 技術(shù)”，WiFi 模塊采用低功率 32 位 CPU，并且可以作為處理器，主頻最高可達(dá) 160MHz。內(nèi)置 10 位高精度 ADC 轉(zhuǎn)換模塊，具備緩存能力、上手容易、開發(fā)邏輯簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，關(guān)鍵是傳輸數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，可以連接機(jī)智云終端服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如下表是 ESP8266 工作的指令。

2.3.4 溫度傳感器方案的選擇

為了實(shí)時(shí)檢測(cè)魚缸內(nèi)的溫度，我們需要一些防水的溫度傳感器，本設(shè)計(jì)采用 NTC 溫度傳感器，是一個(gè)熱敏電阻、探頭，其原理是：的電阻值隨著溫度的升高而迅速降低，實(shí)際尺寸非常靈活，它們可以小到 0.010 英寸，也可以是非常小的直徑，最大尺寸幾乎沒(méi)有限制，但通常不到半英寸。一般結(jié)構(gòu)由 NTC 熱敏電阻、探頭 (金屬外殼或塑料外殼等) 組成，延長(zhǎng)線和金屬端子或連接器，檢測(cè)的時(shí)候測(cè)得數(shù)據(jù)很穩(wěn)定，誤差很小。

圖 2-3 NTC 溫度傳感器

它的特點(diǎn)一般是靈敏度高，阻值和 B 值精度高，一致性互換性比較好，并且采用雙層包封工藝，具有良好的絕緣密封性和抗機(jī)械碰撞，抗彎折能力。

2.3.5 繼電器驅(qū)動(dòng)方案的選擇

為了驅(qū)動(dòng)繼電器更加有效的工作，系統(tǒng)增加了 ULN2003 驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片的主要作用就是對(duì)于輸入電流進(jìn)行放大，然后再驅(qū)動(dòng) 5V 和 12V 的繼電器，因?yàn)槔^電器驅(qū)動(dòng)的模塊電路是需要較大的電流和電壓工作的。該芯片可用于設(shè)置脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)或者直流電機(jī)，更有效的和最佳的選擇就是驅(qū)動(dòng)繼電器來(lái)控制設(shè)備，比如水泵、電壓電流互感器等。并且直接使用的時(shí)候該芯片和一些其他的類芯片大致原理上都相同，就直接可以用來(lái)使用并檢測(cè)。

圖 2-4 ULN2003 芯片邏輯圖

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

STM32F103C8T6 單片機(jī)可以說(shuō)是系統(tǒng)的控制中樞部分，外部的器件都需要單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部程序進(jìn)行指揮和協(xié)調(diào)，這樣才能保證特定功能的完成。將能夠?qū)崿F(xiàn)自己功能的各模塊搭建在一起就能有效降低系統(tǒng)制作的復(fù)雜性。

3.1 STM32F103C8T6 單片機(jī)最小系統(tǒng)

如下時(shí)本次系統(tǒng)的最小系統(tǒng)板原理圖設(shè)計(jì)如圖 3.1 所示，它由最小系統(tǒng)中芯片控制器、震蕩電路、晶振電路以及串口下載電路。

圖 3-1 最小系統(tǒng)單元電路

3.1.1 晶振電路

在單片機(jī)中，晶振電路的地位是不可取代的，系統(tǒng)能否啟動(dòng)成功該部分的電路起到了決定性的作用。晶振電路和單片機(jī)內(nèi)部的晶體振蕩器連接構(gòu)成了晶振電路，能使單片機(jī)擁有更高的運(yùn)行速度。可以說(shuō)晶振電路為單片機(jī)的運(yùn)行提供了重要的基礎(chǔ)。

STM32F103C8T6 單片機(jī)就是在 OSCIN 和 OSCOUT 引腳連接了 8MHZ 的晶振，在單片機(jī)上就能看到，選用的是 20PF 的電容能保證單片機(jī)更加快速、穩(wěn)定的運(yùn)行。晶振電路如圖 3.1 所示。

圖 3-2 晶振電路

3.1.2 復(fù)位電路

在單片機(jī)上還有一個(gè)白色的按鈕就是復(fù)位電路的按鈕，能支持單片機(jī)完成程序的初始化，直接就能將系統(tǒng)從頭開始執(zhí)行。STM32F103C8T6 單片機(jī)的 RST 復(fù)位引腳上連接了對(duì)應(yīng)的電阻和電容，通過(guò)按鍵就能控制復(fù)位。在語(yǔ)音分類垃圾桶系統(tǒng)中，就是選用了直接、方便的按鍵復(fù)位方式，阻值為 10K，電容的容量為 10μF。按下連接好的按鍵就能將系統(tǒng)重啟。圖 3.2 為復(fù)位電路。

圖 3-3 復(fù)位電路

3.1.3 電源電路

電源模塊電路如圖 3.6 所示，本系統(tǒng)需要兩種電壓，由于 OLED12864 顯示和 WiFi 通信模塊需要的電壓為 3.3V~5V，而 MCU 工作于 3.3V，由于主控 MCU 采用 3.3V 供電，就選用 AMS1117 三端穩(wěn)壓器模塊產(chǎn)生 3.3V 電壓。電容 E1，C22 為輸入電容，作用是防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置。C23，E2 為輸出濾波電容，作用是抑制自激振蕩和穩(wěn)定輸出電壓。

圖 3-4 電源電路

但是系統(tǒng)中需要用到 12V 電壓去給繼電器模塊供電，繼電器控制的設(shè)備需要的電壓電流功率較大，所以使用 MP2303 外接電源適配器，然后再降壓來(lái)整個(gè)設(shè)備需求，并且該模塊輸入電壓為 4.7v-28v，輸出電壓 0.8V-25v 直接調(diào)節(jié)，輸出電流連續(xù)輸出不低于 3A。

圖 3-5 MP2303 模塊降壓原理圖

3.2 EEPROM 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

該電路 EEPROM 存儲(chǔ)模塊采用 AT24C04 芯片，用于各種電參數(shù)的存儲(chǔ)以及各種傳感器的閾值的參數(shù)記錄，便于斷電情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

圖 3-6 EEPROM 存儲(chǔ)電路

3.3ESP8266WiFi 電路設(shè)計(jì)

ESP866 電路設(shè)計(jì)如圖 2.2 所示，GPIO 口為通用 IO，內(nèi)部以上拉，且有兩種工作模式：懸空 GPIO0 是工作模式，下拉 GPIO0 是下載模式。并且在 VCC 和 GND 之間使用鉭電容 E1，這樣能保證 WiFi 模塊長(zhǎng)時(shí)間維持更好的性能。

圖 3-7 ESP8266WiFi 電路

3.4 繼電器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

ULN2003 用于驅(qū)動(dòng)控制繼電器不僅簡(jiǎn)化了復(fù)雜的電路，還能對(duì) MCU 引腳輸出的電流進(jìn)行放大，提高了系統(tǒng)的帶載能力。在使用該 IC 時(shí)候，很多人喜歡在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，用于續(xù)流或者快速放電，其實(shí)這個(gè)根本沒(méi)有必要，在 IC 內(nèi)部本身就是集成了續(xù)流二極管，在此給出了經(jīng)典得驅(qū)動(dòng)電路，用于驅(qū)動(dòng)繼電器電路，如下所示：

圖 3-8 ULN2003 驅(qū)動(dòng)電路

其中需要注意得有兩點(diǎn)：

首先：COM 引腳，即引腳 9 必須連接到驅(qū)動(dòng)器電源的正極（而不是芯片電源的正極）。

第二：GND 引腳（即芯片的接地引腳）必須與驅(qū)動(dòng)電源的負(fù)極形成等電位。

圖 3-9 繼電器控制電路

3.5 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路采用內(nèi)部 AD 轉(zhuǎn)換，在電路設(shè)計(jì)上用 100nf 電容對(duì)采集的信號(hào)先進(jìn)行濾波處理，在 P7 端口外界一個(gè)探頭式得 NTC 溫度傳感器，探頭采集得模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理后，將信號(hào)傳給單片機(jī)，經(jīng)過(guò) AD 轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號(hào)，通過(guò)顯示屏顯示出溫度。

圖 3-10 溫度檢測(cè)電路

3.6 電流采樣電路設(shè)計(jì)

如下圖所示：R15 康銅絲作為采樣電阻，在經(jīng)過(guò) LM358 差分放大電路，然后 R14，R17，R13，R18 是對(duì)輸入的電流進(jìn)行放大，R16，C12 是對(duì)輸出做 RC 濾波，Rp18=Rp13，Rp14=R17。Vout=Rp18/Rp17*(Vin+-Vin-)。輸出電流傳給單片機(jī) PA5 管腳，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部 AD 數(shù)據(jù)處理再通過(guò) OLED 顯示屏顯示出電流大小。

圖 3-11 電流采集電路

3.7 按鍵電路設(shè)計(jì)

為了滿足按鍵調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，一共設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，分別接 PA0，PB12，PB13，PB14 這四個(gè)接口，按鍵 1 用來(lái)控制 OLED 顯示界面的切換，以達(dá)到可以調(diào)節(jié)溫度，充氧速率等操作。按鍵 3 可以設(shè)置溫度，補(bǔ)光燈強(qiáng)度，以及充氧速率等參數(shù)的增加。按鍵 4 是用來(lái)將參數(shù)數(shù)值調(diào)小。按鍵 2 是確認(rèn)鍵，每次調(diào)整后，按鍵 SW2 將存儲(chǔ)于系統(tǒng)保存當(dāng)前的變化。

圖 3-12 按鍵控制電路

3.8 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中加入無(wú)源蜂鳴器電路，主要用于系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警，通常通通過(guò) BUZZER 引腳輸入方波信號(hào)，該電路同樣是采用 NPN 三極管作為開關(guān)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲，而基極低電平則使三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止發(fā)聲。

圖 3-13 按鍵控制電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在前三章中的硬件電路章節(jié)中已經(jīng)將便攜式風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的硬件部分介紹完畢，此時(shí)就進(jìn)行下一步的軟件開發(fā)介紹。程序代碼編程軟件 KEIL 和 C 語(yǔ)言在系統(tǒng)的軟件部分起到了重大作用，達(dá)到軟件編程完成的目的。

4.1 軟件開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)中選用德國(guó) keil 公司推出的專為 arm 核控制器開發(fā)的一款編譯器軟件。該軟件集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，Keil5 軟件使用時(shí)候特別方便，它所占的系統(tǒng)類型為 64 位，兼容 WIN7/WIN8/WIN10，而且下載速度 SWD 模式是 keil4 的五倍，它的特點(diǎn)是集成開發(fā)環(huán)境，調(diào)試器和仿真環(huán)境。完美支持 Cortex-M，Cortex-R4、ARM7 和 ARM9 系列器件，并且有大量的項(xiàng)目可以讓使用者快速熟悉強(qiáng)大的內(nèi)置特征。

4.2 主程序設(shè)計(jì)

為了滿足水質(zhì)溫度、電流、用電量及其功率采集的實(shí)時(shí)性，本程序采用循環(huán)掃描的方式對(duì) NTC 溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。系統(tǒng)開始首先對(duì)各個(gè)模塊功能初始化，初始化完成之后可以通過(guò)按鍵調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)（充氧速率、水位閾值、限流大小、照明亮度、凈化速率以及一鍵換水操作），當(dāng)實(shí)際測(cè)得水溫低于閾值時(shí)，繼電器閉合加熱棒開始給水溫加熱，反之亦然。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載電流大于限流閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，負(fù)載電器都停止工作。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定完成之后，按鍵退出自動(dòng)保存參數(shù)，并且有斷電保存的效果。系統(tǒng) WiFi 通過(guò)無(wú)線將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī) APP 和終端控制中心，發(fā)送完畢后自動(dòng)清除緩存，結(jié)束本次循環(huán)。

圖 4-11 主程序流程路

4.4 系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)

4.4.1 IIC 通信程序設(shè)計(jì)

串行通信主要使用三條線路來(lái)實(shí)現(xiàn)：CS，SCLK 和 SDA。其中，CS 是可選芯片，SCLK 是同步時(shí)鐘信號(hào)，SDA 是發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)。該時(shí)序剛開始 CS 片段為高電平，SCLK 為矩形脈沖波動(dòng)，CS 為低電平時(shí)，SCLK 也為低電平，CS 為高電平時(shí)，SCLK 就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)。同時(shí) STD 就開始進(jìn)行時(shí)鐘字節(jié)的選取，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期，RW 進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取，RS 將數(shù)據(jù)發(fā)送給更高的電平進(jìn)行數(shù)據(jù)的選擇。最后進(jìn)行篩選到第二儲(chǔ)存區(qū)域，進(jìn)行第二次的字節(jié)變化，產(chǎn)生時(shí)序信號(hào)，最后 CS 片選回復(fù)低電平，脈沖信號(hào)停止，STD 停止字節(jié)的位選。圖 4-1 是串行通信時(shí)序圖:

圖 4-2 串行通信時(shí)序圖

4.4.2AD 采集程序設(shè)計(jì)
使用該 STM32 單片機(jī)采集電壓的時(shí)候大致可以分為兩種，一個(gè)是 DMA 采集，另外一種是定時(shí)采集，本次系統(tǒng)對(duì)電壓的采集是用了 DMA 方式進(jìn)行采集的，采集流程設(shè)計(jì)如下，ADC 采樣的話首先就是對(duì) ADC 進(jìn)行初始化，確定 ADC 的通道的級(jí)別方式，采集時(shí)間窗口預(yù)定目標(biāo)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)間和時(shí)鐘，定義好三種電壓、電流和溫度的采用結(jié)果，對(duì)每一個(gè)信號(hào)采樣 8 次，然后再將閾值通過(guò) STMFLASH 存儲(chǔ)到到芯片當(dāng)中，所以系統(tǒng)共采集了 3 個(gè)數(shù)據(jù)。如果預(yù)定的 ADC 中斷發(fā)生，則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入中斷服務(wù)程序，然后對(duì)當(dāng)前的設(shè)備的電壓電流采集進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和處理。

圖 4-3 電壓采集流程圖

4.4.3 WiFi 通信程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中 ESP8266WiFi 串口通訊協(xié)議是機(jī)智云平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)接入?yún)f(xié)議（4.2.0），設(shè)備的通訊信息為 9600 波特率，8 位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1 位停止位，傳輸字節(jié)序采用大端編碼，通信交互形式是采用一問(wèn)一答，每條命令需要由接收方給出 ACK 應(yīng)答確認(rèn)信息，超時(shí)時(shí)間 200ms，超時(shí)后重新發(fā)送。WiFi 模組上電后，需要向 MCU 查詢?cè)O(shè)備信息，獲取信息成功后，WiFi 模組才能正常工作，基本通信協(xié)議流程圖如下所示。

圖 4-4 WiFi

AIoT 設(shè)備自助開發(fā)平臺(tái)：

機(jī)智云 AIoT 自助開發(fā)平臺(tái)，提供從產(chǎn)品定義、開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)測(cè)、云端開發(fā)、運(yùn)營(yíng)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)等覆蓋 IoT 設(shè)備接入到運(yùn)營(yíng)管理全生命周期服務(wù)的開發(fā)能力。通過(guò)傻瓜化的自助工具、完善的 SDK 與開放的 API，最大限度降低 IoT 設(shè)備開發(fā)的技術(shù)門檻，已服務(wù) 320000 + 開發(fā)者。

5 系統(tǒng)調(diào)試分析

5.1 軟件調(diào)試

軟件程序的開發(fā)環(huán)境是 KEIL5，新建工程的選對(duì)單片機(jī)的型號(hào)，不斷地給系統(tǒng)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定，意淫單片機(jī)選用的是 C8T6 的型號(hào)，所以在 Target 目標(biāo)選擇欄里一定要記得修改晶振的大小，這樣才能保證時(shí)間的精確度。

圖 5-1 單片機(jī)型號(hào)選擇

反復(fù)通過(guò)斷點(diǎn)調(diào)試和單步調(diào)試的方式對(duì)代碼進(jìn)行檢查以及修改后，就可以編譯代碼查看程序調(diào)試的結(jié)果，在編程后看到了 “0 error” 的提示，如果看到這個(gè)提示結(jié)果就表示程序已經(jīng)是正確的了。如圖 5.2 所示。

圖 5-2 程序編譯通過(guò)

程序編譯完畢后接下來(lái)就是將單片機(jī)的程序通過(guò)串口燒錄軟件燒寫進(jìn)去，第一步就是打開 Fly-Mcu，設(shè)定 BOOT0 和 BOOT1 都為低電平，然后將串口軟件設(shè)定為 DTR 低電平復(fù)位，RTS 高電平進(jìn) Bootloader，

圖 5-3 程序燒寫設(shè)計(jì)

5.2 硬件調(diào)試

對(duì)于本系統(tǒng)的制作，首先采用的是硬件的焊接，然后是代碼的編寫，最后是運(yùn)行實(shí)物，因此對(duì)軟件和硬件這兩部分分別的調(diào)試是最后調(diào)整實(shí)物的基礎(chǔ)。

系統(tǒng)硬件的調(diào)節(jié)和測(cè)試主要時(shí)針對(duì)系統(tǒng)的電路和程序入手的，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可采用 AD 軟件根據(jù)各元器件的管腳特性及系統(tǒng)功能先繪制好電路，然后再根據(jù)電路進(jìn)行實(shí)物焊接，如果有耐心的話可以邊焊接邊使用萬(wàn)用板測(cè)試，可以大大降低硬件焊接的錯(cuò)誤率。一般的硬件調(diào)試可以遵循以下幾個(gè)步驟，得到事半功倍的效果：

（1）第一步：利用電路圖繪制軟件（本設(shè)計(jì)使用的軟件為 Altium Designer，作為 PROTEL 公司推出的一款智能型較高的專業(yè)繪圖軟件）繪制系統(tǒng)整體電路圖，如下圖所示，然后仔細(xì)檢查軟件里的元器件及電路連接走向是否正確；

（2）第二步：對(duì)照檢查好的原理圖繪制 PCB 圖，確保 PCB 圖的正確性、與原理圖繪制電路的一致性；

（3）第三步：查找元器件資料，對(duì)照實(shí)物功能及每個(gè)元器件的引腳，同時(shí)檢查原理圖及 PCB 圖；

（4）設(shè)計(jì)規(guī)則，注意電源線的線寬和元件之間的安全間距，設(shè)置 + 12V 電源線寬為 2mm，+5V 線寬 1.5mm，+3.3V 線寬 1.2mm，其余信號(hào)線 0.2mm。

（5）根據(jù) EMC 設(shè)計(jì)規(guī)范擺放元器件布局，先連電源線，再連信號(hào)線，最后再對(duì) GND 進(jìn)行敷銅處理，信號(hào)接口再滴淚處理，PCB 布線如下所示。

（6）第四步：安裝完成實(shí)物后，可以借助萬(wàn)用表等工具測(cè)試局部電路和整體電路，防止出現(xiàn)短路現(xiàn)象，及時(shí)糾正元器件電路錯(cuò)誤及整體電路中的錯(cuò)誤。

圖 5-4 PCB 布局及連線設(shè)計(jì)

圖 5-5 PCB 敷銅設(shè)計(jì)

圖 5-6 PCB3D 模型

5.3 實(shí)物測(cè)試

（1）通過(guò)電源系統(tǒng)給設(shè)備供電，顯示器顯示當(dāng)前時(shí)間，當(dāng)前水簇箱水質(zhì)溫度，環(huán)境大氣的溫度，以及當(dāng)前設(shè)備的供電電流、設(shè)備功率以及耗電量度，如下圖所示。

圖 5-7 供電顯示視圖

（2）水簇箱水溫傳感器 NTC 檢測(cè)與閾值顯示。

圖 5-8 水溫閾值調(diào)試

（3）充氧氣速率調(diào)試。

圖 5-9 充氧氣速率設(shè)置

（4）水族箱內(nèi)照明燈光調(diào)試。

圖 5-10 LED 照明亮度設(shè)置

（5）限流保護(hù)設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)備超過(guò) 5A 時(shí)，系統(tǒng)緊急停止工作。

圖 5-11 系統(tǒng)保護(hù)電流設(shè)置

（6）水泵控制進(jìn)出水，可以實(shí)現(xiàn) APP 遠(yuǎn)程操控和一鍵輕松換水。

圖 5-12 直流水泵設(shè)備

（7）以下是機(jī)智云公版手機(jī) APP 顯示界面。

? ?? ?圖 5-13 遠(yuǎn)程 APP 登錄和操作界面

（8）以下是機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的終端服務(wù)器數(shù)據(jù)歷史查詢界面。

圖 5-14 PC 端歷史數(shù)據(jù)信息查詢

（9）以下是作品的整體實(shí)物圖。