基于STM32单片机的家庭温湿度防漏水系统设计（代码+仿真）

家庭安防系统的基本设置和操作 #生活技巧# #数码产品使用技巧# #智能家居控制策略#

基于STM32单片机的家庭温湿度防漏水系统设计

摘要

随着智能家居的快速发展，家庭环境监测和预警系统逐渐成为现代家庭安全的重要组成部分。本文设计了一种基于STM32单片机的家庭温湿度防漏水系统，通过DHT11传感器监测室内温湿度，超声波传感器检测漏水水位，并利用LCD1602显示屏显示相关数据和报警信息。该系统具有实时监测、阈值设置及报警功能，旨在提高家庭环境的安全性和舒适度。

1. 引言

在现代家庭生活中，环境温湿度和漏水问题直接影响到居民的生活质量和居住安全。传统的家庭环境监测方式大多依赖人工检查，不仅效率低下，而且难以及时发现并处理潜在的安全隐患。因此，开发一种能够自动监测、预警的家庭环境监控系统显得尤为重要。

STM32单片机作为一款高性能、低功耗的微控制器，在智能家居领域有着广泛的应用。结合DHT11温湿度传感器、超声波传感器及LCD1602显示屏等器件，可以构建一个功能全面、操作简便的家庭温湿度防漏水系统。本文将详细介绍该系统的硬件设计、软件编程及Proteus仿真实现过程。

2. 系统总体设计

2.1 系统功能需求 温湿度监测：通过DHT11传感器实时采集室内温湿度数据，并显示在LCD1602屏幕上。漏水水位监测：利用超声波传感器测量漏水水位高度，并显示在LCD1602屏幕上。报警阈值设置：通过独立按键设置漏水报警水位阈值，并显示在LCD1602屏幕上。报警提醒：当实际漏水水位超过设定的报警阈值时，蜂鸣器发出报警声，提醒用户及时处理。 2.2 系统架构

本系统主要由STM32单片机控制单元、DHT11温湿度传感器模块、超声波传感器模块、LCD1602显示模块、独立按键模块及蜂鸣器报警模块组成。系统架构如图2-1所示。

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3. 硬件设计

3.1 STM32单片机控制单元

STM32单片机作为系统的核心控制器，负责接收传感器数据、处理数据、控制显示屏显示及蜂鸣器报警。本系统选用STM32F103C8T6型号单片机，其具有高性能、低功耗、丰富的外设资源等优点，满足系统设计需求。

3.2 DHT11温湿度传感器模块

DHT11是一款含有数字信号输出的温湿度复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等特点。DHT11传感器通过单总线与STM32单片机通信，传输温湿度数据。

3.3 超声波传感器模块

超声波传感器利用超声波测距原理，通过发射超声波并接收反射回来的超声波来计算被测物体的距离。本系统选用HC-SR04超声波传感器，其测量范围广、精度高、稳定性好，适用于漏水水位监测。

3.4 LCD1602显示模块

LCD1602是一款16×2字符型液晶显示模块，能够显示两行字符，每行16个字符。通过并行接口与STM32单片机连接，用于显示温湿度数据、漏水水位及报警阈值等信息。

3.5 独立按键模块

独立按键模块用于设置漏水报警水位阈值。本系统采用4个独立按键，分别用于增加、减少报警阈值及确认设置。按键通过GPIO口与STM32单片机连接。

3.6 蜂鸣器报警模块

蜂鸣器模块用于报警提醒。当漏水水位超过设定的报警阈值时，STM32单片机控制蜂鸣器发出报警声，提醒用户及时处理。

4. 软件设计

4.1 主程序设计

主程序流程如图4-1所示。系统上电后，首先进行初始化操作，包括STM32单片机、DHT11传感器、超声波传感器、LCD1602显示屏及独立按键的初始化。然后，进入主循环，不断采集温湿度数据、漏水水位数据，并显示在LCD1602屏幕上。同时，检测按键输入，设置报警阈值。当漏水水位超过报警阈值时，控制蜂鸣器报警。

<img src="%E5%9B%BE4-1%E4%B8%BB%E7%A8%8B%E5%BA%8F%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE.png" />

4.2 DHT11传感器数据采集

DHT11传感器采用单总线数据通信，其数据传输包括40位数据，依次为8位湿度整数数据、8位湿度小数数据、8位温度整数数据、8位温度小数数据及8位校验数据。STM32单片机通过发送开始信号，等待DHT11响应并接收数据。数据采集流程如图4-2所示。

<img src="%E5%9B%BE4-2DHT11%E6%95%B0%E6%8D%AE%E9%87%87%E9%9B%86%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE.png" />

4.3 超声波传感器数据采集

HC-SR04超声波传感器通过TRIG引脚触发测距，ECHO引脚输出高电平表示超声波的往返时间。STM32单片机通过测量ECHO引脚高电平持续时间，计算得到漏水水位高度。数据采集流程如图4-3所示。

<img src="%E5%9B%BE4-3%E8%B6%85%E5%A3%B0%E6%B3%A2%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8%E6%95%B0%E6%8D%AE%E9%87%87%E9%9B%86%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE.png" />

4.4 LCD1602显示模块控制

LCD1602显示模块采用并行接口与STM32单片机连接，通过发送指令控制显示内容。指令包括清屏指令、光标移动指令、显示数据指令等。显示流程如图4-4所示。

<img src="%E5%9B%BE4-4LCD1602%E6%98%BE%E7%A4%BA%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE.png" />

4.5 独立按键模块控制

独立按键模块通过GPIO口与STM32单片机连接，采用轮询方式检测按键状态。当检测到按键按下时，执行相应的操作，如增加报警阈值、减少报警阈值或确认设置。按键控制流程如图4-5所示。

<img src="%E5%9B%BE4-5%E7%8B%AC%E7%AB%8B%E6%8C%89%E9%94%AE%E6%8E%A7%E5%88%B6%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE.png" />

4.6 蜂鸣器报警模块控制

蜂鸣器模块通过GPIO口与STM32单片机连接，当漏水水位超过报警阈值时，STM32单片机控制GPIO口输出高电平，驱动蜂鸣器发出报警声。报警控制流程如图4-6所示。

<img src="%E5%9B%BE4-6%E8%9C%82%E9%B8%A3%E5%99%A8%E6%8A%A5%E8%AD%A6%E6%8E%A7%E5%88%B6%E6%B5%81%E7%A8%8B%E5%9B%BE.png" />

5. Proteus仿真实现

5.1 Proteus软件介绍

Proteus是一款专业的EDA工具，支持电路原理图设计、PCB设计、电路仿真及程序调试等功能。通过Proteus仿真，可以验证电路设计的正确性，提高开发效率。

5.2 电路原理图设计

根据系统硬件设计，在Proteus中绘制电路原理图。电路原理图包括STM32单片机、DHT11传感器、超声波传感器、LCD1602显示屏、独立按键及蜂鸣器等器件的连接关系。电路原理图如图5-1所示。

<img src="%E5%9B%BE5-1%E7%94%B5%E8%B7%AF%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%9B%BE.png" />

5.3 程序编写与调试

在STM32CubeMX中配置STM32单片机的时钟、GPIO口、USART等外设，并生成初始化代码。然后，在Keil uVision中编写主程序及各模块子程序，完成数据采集、处理、显示及报警功能。编译生成HEX文件后，将其加载到Proteus中的STM32单片机模型中。

在Proteus仿真环境中，运行仿真程序，观察LCD1602显示屏上的温湿度数据、漏水水位及报警阈值等信息。通过模拟按键操作，设置报警阈值，并验证当漏水水位超过报警阈值时，蜂鸣器是否能够正确报警。

5.4 仿真结果分析

通过Proteus仿真，验证了系统设计的正确性。仿真结果显示，系统能够实时采集并显示温湿度数据、漏水水位及报警阈值等信息，当漏水水位超过报警阈值时，蜂鸣器能够发出报警声，提醒用户及时处理。仿真结果符合预期设计要求。

6. 结论

本文设计了一种基于STM32单片机的家庭温湿度防漏水系统，通过DHT11传感器监测室内温湿度，超声波传感器检测漏水水位高度，并利用LCD1602显示屏显示相关数据和报警信息。该系统具有实时监测、阈值设置及报警功能，能够有效提高家庭环境的安全性和舒适度。

通过Proteus仿真验证，系统能够稳定运行，满足设计要求。未来，可以进一步优化系统性能，如增加网络通信功能，实现远程监控和报警；或采用更先进的传感器和算法，提高监测精度和响应速度。

7. 参考文献

[1] STM32F103C8T6数据手册[Z]. STMicroelectronics, 2010.
[2] DHT11温湿度传感器数据手册[Z]. Aosong Electronics, 2011.
[3] HC-SR04超声波传感器数据手册[Z]. HC-SR04, 2012.
[4] LCD1602字符型液晶显示模块数据手册[Z]. Hitachi, 2004.
[5] 张毅刚. 单片机原理及应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2011.
 

#include <intrins.h>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sfr ISP_DATA = 0xe2;

sfr ISP_ADDRH = 0xe3;

sfr ISP_ADDRL = 0xe4;

sfr ISP_CMD = 0xe5;

sfr ISP_TRIG = 0xe6;

sfr ISP_CONTR = 0xe7;

sbit Fire_P = P1^0;

sbit DQ = P1^1;

sbit ADC_CS = P1^2;

sbit ADC_CLK = P1^3;

sbit ADC_DAT = P1^4;

sbit LcdRs_P = P2^7;

sbit LcdRw_P = P2^6;

sbit LcdEn_P = P2^5;

sbit Key1_P = P3^2;

sbit Key2_P = P3^3;

sbit Key3_P = P3^4;

sbit Buzzer_P = P2^0;

sbit Led1_P = P2^3;

sbit Led2_P = P2^2;

sbit Led3_P = P2^1;

uchar gMqAlarm;

int gTempAlarm;

void ISP_Disable()

{

ISP_CONTR = 0;

ISP_ADDRH = 0;

ISP_ADDRL = 0;

}

unsigned char EEPROM_Read(unsigned int add)

{

ISP_DATA = 0x00;

ISP_CONTR = 0x83;

ISP_CMD = 0x01;

ISP_ADDRH = (unsigned char)(add>>8);

ISP_ADDRL = (unsigned char)(add&0xff);

ISP_TRIG = 0x46;

ISP_TRIG = 0xB9;

_nop_();

ISP_Disable();

return (ISP_DATA);

}

void EEPROM_Write(unsigned int add,unsigned char ch)

{

ISP_CONTR = 0x83;

ISP_CMD = 0x02;

ISP_ADDRH = (unsigned char)(add>>8);

ISP_ADDRL = (unsigned char)(add&0xff);

ISP_DATA = ch;

ISP_TRIG = 0x46;

ISP_TRIG = 0xB9;

_nop_();

ISP_Disable();

}

void Sector_Erase(unsigned int add)

{

ISP_CONTR = 0x83;

ISP_CMD = 0x03;

ISP_ADDRH = (unsigned char)(add>>8);

ISP_ADDRL = (unsigned char)(add&0xff);

ISP_TRIG = 0x46;

ISP_TRIG = 0xB9;

_nop_();

ISP_Disable();

}

cpp

运行

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