微信硬件设计文档格式.docx

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说明

作者

2015.12.26

V1.0

文档生成

秦才霞

一、项目名称

《微信硬件设计》

二、设计要求及性能指标

设计一个微信硬件，选用STC15W4K48S4单片机作为主控芯片进行设计和实现。

具体任务包括项目技术设计方案，硬件电路的设计，系统软件设计，仿真调试，实际测试等。

具体要求如下：

1.在触摸屏上实现无线网络登录设置界面；

2.用单片机将温度、湿度、光照度信息采集上来，并且显示在触摸屏上；

3.通过WiFi模块接入乐为物联服务器，将温度、湿度、光照度信息传送到第三方云平台，手机微信通过关注乐为物联的公众号，获取这些传感器信息。

三、项目总体方案设计

1、系统总体方案

编写单片机程序，在触摸屏上实现环境信息显示界面和无线网络登录设置界面，用单片机将温度、湿度、光照度信息采集上来，并且显示在触摸屏上，最后通过WiFi模块接入乐为物联服务器，将温度、湿度、光照度信息传送到第三方云平台，手机微信通过关注乐为物联的公众号，获取这些传感器信息。

图3.1系统结构框图

系统详细设计方案如下：

以STC15W4K48S4单片机作为微控制器，采用触摸屏电路的TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器实现无线网络登录界面的显示，采用DHT11温湿度传感器对温度和湿度进行采集，采用光强模块的光强度传感器BH1750FVI进行光强采集，采集好温度、湿度、光照度的采集后，将其显示在TFT触摸屏上，然后通过WiFi模块接入乐为物联服务器，将温度、湿度、光照度信息传送到第三方云平台，手机微信通过关注乐为物联的公众号，获取这些传感器信息。

系统的基本原理：

光强模块、温湿度模块将检测到的环境信息传送给微处理器来处理，然后微处理器通过WiFi模块将处理结果送到乐为物联服务器第三方云平台，最后通过手机可获取上述信息。

2、关键技术、设计难点及其解决方案

关键技术：

1、熟悉AD开发环境，绘制电路原理图和PCB，合理布局布线。

2、检测环境温湿度，通过串口上报并打印检测信息。

3、用数字光照传感器检测光强，通过串口上报并打印检测信息。

4、通过发送相关指令将WiFi模块接入乐为物联服务器，将温度、湿度、光照度信息传送到第三方云平台。

难点：

1、对AltiumDesigner的学习不深，对原理图和PCB绘制的过程不了解，从而硬件绘制过程缓慢，无从下手。

2、软件设计部分的硬件原理不理解，编写程序无从下手。

3、利用wifi发送相关指令连接乐为物联网时，无法判断连接是否成功，何时发送传送数据指令。

解决方案：

1、上网查询相关视频教材，听老师讲解，以及请教熟悉此类软件的同学。

2、认真阅读并合理利用老师给的例程，合理利用其中的子程序，了解其工作原理

3、合理利用延时函数，利用while语句等待连接成功指令的返回值到达后，再发送下一条指令。

四、项目详细方案设计

1、核心器件选型

核心器件1：

单片机控制模块

选型依据和原则：

功能，性价比等

可供选择的器件：

MCS-51系列单片机、STC15W4K48S4等单片机

选择原因：

STC15W4K48S4单片机的主要功能简介：

（1）增强型8051CPU，单时钟周期/机器周期1T，速度比普通8051快8-12倍

（2）工作电压：

2.5V-5.5V，采用3.3V供电

（3）48K字节内部Flash程序存储器，片内大容量4096字节的SRAM

（4）大容量片内EEPROM，擦写次数10万次以上

（5）内部高精度R/C时钟，ISP编程时内部时钟从5MHz~35MHz可设，本项目选用33.1776MHz

（6）四组完全独立的高度异步串行通信端口

（7）62个通用I/O口，具有四种工作模式，每个I/O口驱动能力均可达到20mA

（8）8通道10位高速ADC，7个定时器，6通道15位专门的高精度PWM

选型原因：

从主要功能可知，STC15W4K48S4单片机相比于其他的普通单片机速度快，可提高用户体验感；

采用3.3V供电，其他的器件也可采用相同的电压供电，可实现统一的外部供电；

4路串口可用；

有64个可用的I/O口；

这个类型的单片机制作成本较低，可提高性价比。

从功能和价格角度最终选择STC15W4K48S4单片机。

核心器件2：

触摸液晶屏模块

功能、显示图像质量，价格等

TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）、OLED、COB、COG.

TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）的主要功能简介：

（1）3.2寸屏幕，工作电压2.8~3.3V

（2）320×

240的分辨率

（3）接口为16位并行8080接口，16位真彩显示

（4）自带触摸屏，可以用来作为控制输入

采用薄膜晶体管，克服串扰，可有效提高图像的显示质量，增强用户体验感；

可采用3.3V电源供电，与选择的单片机采用统一电源供电。

从功能和用户体验感的角度我们最终选择TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器）。

核心器件3：

温湿度传感器模块

功能、价格等

DHT11数字温度传感器、DS1820、MAX6575、DS1722、MAX6635

DHT11数字温度传感器的主要功能简介：

（1）含有已校准数字信号输出的温湿度传感器；

（2）包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件；

（3）DHT11器件采用简单的单总线通信方式，一次传送40位数据，高位先出。

DH11温度传感器为数字传感器，测量精度更高；

该温度传感器输出的信号经过数字校对，对温度更加敏感，在相似价位中，其功能相对强大。

从功能和价格角度出发我们选择DHT11数字温度传感器。

核心器件4：

光感模块

光强度传感器BH1750FVI、RS232光强度传感器

BH1750FVI光强度传感器的主要功能简介：

（1）两线式串行总线接口的集成电路，采用I2C总线与单片机通信。

（2）光照被高精度光敏二极管PD探测，通过集成运算放大器将PD电流转换为PD电压，由模数转换器获取16位数字数据，读取出内部存储的光照数据。

采用高精敏度光敏二极管采集光照信号，通过数模转换转为数字信号，精度高，电路较简单，实现方便。

从功能和灵敏度触发我们选择BH1750FVI光强度传感器。

2、硬件电路设计

（1）微信硬件设计

微信的硬件电路主要由单片机模块，温湿度模块，触摸屏模块，光强模块，WIFi模块等组成，循迹小车硬件电路如下图所示。

图4.2.1微信硬件设计电路

（2）单片机模块和电源模块

单片机系统的扩展是以基本最小系统为基础的，单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位电路。

单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。

在复位期间，单片机的ALE引脚和\P\S\E\N引脚均输出高电平。

当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。

时钟电路是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号，单片机内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。

另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。

单片机模块和电源模块如下图所示。

图4.2.2单片机模块和电路模块

（3）温湿度模块

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度符合传感器。

它应用专门的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检验信号的处理过程中要强调这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功能，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为4针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

温湿度模块如下图所示。

图4.2.3温湿度模块

（4）触摸屏模块

TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器简介：

液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，大大提高了图像质量。

特点：

图4.2.4触摸屏模块

（5）光强模块

光强度传感器BH1750FVI是一种两线式串行总线接口的集成电路，采用I2C总线与单片机通信。

工作原理为当外部光照被高精度光敏二极管PD探测到后，通过集成运算放大器将PD电流转换为PD电压，由模数转换器获取16位数字数据，然后通过逻辑和IC接口进行数据处理与存储。

通过相应的指令操作即可读取出内部存储的光照数据。

4.2.5单片机模块和电源电路

（6）WiFi模块

WiFi模块ESP-01核心处理器ESP8266在较小尺寸封装中集成了超低功耗32位微型MCU，带有16位精简模式，主频支持80MHz和160MHz。

模块负责无线上网接入承担WiFi适配器的任务，可以将其添加到任何基于微控制器的设计中，连接简单易⾏，只需通过SPI/SDIO接口或I2C/UART口即可，这里选择UART接口通信。

该模块工作电压：

3.3V，通信波特率为115200，共引出8个接口，还具有强大的片上处理和存储能⼒。

WiFi模块如4.2.6所示。

图4.2.6WiFi模块

3、系统软件设计

（1）系统程序流程图（画出项目的系统程序流程图并做详细的说明）

主程序WIFI模块，主程序单片机系统，主要完成数据采集传送，对WIFI联网指令进行检，联网控制的任务，联网完成后即可进行数据上传，物联网端完成数据接收。

图4.3主程序流程图

（2）主要子程序流程图（画出主要子程序的程序流程图并做详细的说明）

微信硬件系统程序要求对温度湿度光照强度信息采集，然后单片机根据检测到的信号做出相应的控制，利用LED显示检测的信号。

接着进行WIFI连入，开始连接，到连接完成。

最后传输数据到物联网端。

具体程序流程图如下图所示。

a、环境数据显示子程序流程图

环境数据显示子程序通过传感器模块监测数据，然后通过IO口将环境数据传送到单片机。

首先初始化传感器，和数据传输IO口，然后设置定时器定时1S用于设置更新环境数据显示的时间，便于显示。

设置好以后开始传感器监测，1S后发送数据到单片机并在触摸屏上显示，并在每隔1S更新数据并显示。

图（a）环境数据显示子程序流程图

b、wifi连接部分子程序流程图

wifi连接时，主要任务是从触摸屏的键盘上读取账号、密码并发送指令连接到wifi。

首先在界面上显示键盘界面，包括10个数字和“确认”、“取消”一共12个按键，屏幕上方的账号密码框，屏幕下方还有一个主界面按键。

一旦触摸数字按键则更新账号、密码数组，