基于STM32的人体红外传感器系统电子信息.docx
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基于STM32的人体红外传感器系统电子信息
毕业设计（论文）
题目基于STM32的人体红外传感器系统
学生毕业设计（论文）原创性声明
本人以信誉声明：
所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。
与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计（论文）作者（签字）：
年月日
摘要
随着科学技术与物联网的发展，推动着智能化产品逐渐从无到有再到快速发展，智能科技逐渐改变社会发展方式，过去很多无法想象的科学技术或者生活方式，现在利用先进和智能化逐一解决，而过去普通人体信号采集由于准确性较低已经不能科学的需求。
为了设计一款基于单片机人体信号采集系统控制器，此设计利用STM32系列单片机，很好的设计出了一款智能化人体信号采集控制系统。
本设计完整的系统主要包括STM32系列单片机最小系统、热式红外采集模块、蜂鸣器报警电路、继电器控制电路和电源电路等组成。
当人体热式红外传感器采集到人体信号时，蜂鸣器开始报警同时继电器闭合；当人体信号消失时，蜂鸣器和继电器停止工作。
本设计软件系统采用模块设计思想，采用C语言作为程序设计语言，通过KEIMDK完成程序设计，使用仿真器下载软件完成程序的烧录和在线调试。
本文中设计了各个模块运行流程图和程序运行思想。
在系统硬件和软件系统都完成后，经过相应的软硬件测试后，通过搭建实验平台，逐步验证系统功能。
最后，经过实际试验，验证了本系统具有很好的实用性和稳定性。
关键词：
STM32单片机热式红外继电器程序流程图系统测量蜂鸣器报警
字数太多
ABSTRACT
WiththedevelopmentofscienceandtechnologyandtheInternetofthings,intelligentproductsaregraduallypromotedfromnothingtorapiddevelopment,intelligenttechnologygraduallychangesthewayofsocialdevelopment,inthepast,manyunimaginablescience,technologyorlifestyle,Nowuseadvancedandintelligenttosolveonebyone,butinthepastordinaryhumanbodysignalacquisitionbecauseoflowaccuracyhasbeenunabletoscientificrequirements.Inordertodesignacontrollerofhumanbodysignalacquisitionsystembasedonsinglechipmicrocomputer,thisdesignusesSTM32seriessinglechipmicrocomputertodesignakindofintelligenthumanbodysignalacquisitionandcontrolsystem.
ThecompletesystemofthisdesignmainlyincludesSTM32seriessinglechipmicrocomputerminimumsystem,thermalinfraredacquisitionmodule,buzzeralarmcircuit,relaycontrolcircuitandpowercircuitandsoon.Whenthehumanbodythermalinfraredsensorcollectsthehumanbodysignal,thebuzzerstartstoalarmandtherelaycloses,andwhenthehumanbodysignaldisappears,thebuzzerandrelaystopworking.
Thissoftwaresystemadoptstheideaofmoduledesign,usesClanguageastheprogramminglanguage,completestheprogramdesignthroughKEIMDK,usesthesimulatortodownloadthesoftwaretocompletetheburningandon-linedebuggingoftheprogram.Inthispaper,theflowchartandprogramrunningideaofeachmodulearedesigned.
Afterthehardwareandsoftwareofthesystemarecompleted,thefunctionofthesystemisverifiedstepbybuildinganexperimentalplatformafterthecorrespondingsoftwareandhardwaretestsarecarriedout.Finally,thepracticaltestshowsthatthesystemhasgoodpracticabilityandstability.
Keywords:
singlechipmicrocomputer;thermalinfrared;relay;programflowchart;systemtest
1绪论
1.1本文研究背景和意义
随着网络信息技术的发展，智能自动化控制技术、现代制造技术得到了迅速的发展，其市场也不断的扩大，不论是工作、生活需求，或者是安全需求等都必然会使其变成主流。
并且在大的制造业之中，自动化以逐渐替代了人工作业，因此目前的智能控制技术受到了人们的广泛关注。
随着科技的发展，人们的生活水平也得到了一定的提升，随着社会的进步，落后的科技已无法满足人们的发展需求，智能必然会变成未来高科技的重要代名词。
智能控制集智能、便利、安全以及高效等于一体，其已受到人们的关注。
控制科学可以给人们带来智能的生活体验，智能控制技术、人体信号收集技术等的发展，使得检测系统更为科学。
但因为个别产品技术仍然不够成熟，应用者不了解具体操作流程等，较易给人们的生活造成一些负面影响，比如说：
电子产品通常都有一定的使用寿命，若长时间的使用必然会致使线路老化问题，加大短路的风险性；有可能因为工艺的原因导致布线不合理，尤其是采样信号和高速信号在传输过程中是极易被干扰的，由于每个产品通讯协议不统一，造成通讯方式很繁琐，增加了系统内存空间的使用量，使得系统在运行过程中容易发生协议冲突或者死机。
在现代人们看来，老套的科技产品具有一定的落后性，便利性较差，因此，我们应该将现代科技有效的应用到生活之中，从而使得生活方式更加的智能化。
通过一系列的调查研究发现，现在智能产品所用系统主要包括：
智能控制技术、检测技术、信息技术以及组网技术等。
以前因为不同的厂家使用不同的技术指标以及通讯协议，这就致使许多智能产品都应用电力载波传输系统或综合布线系统。
由于各控制系统的关键都在于有效应用数据通信技术，因此，数据通信技术也为人体红外传感器控制系统之中的一个关键。
将来人体红外传感器控制系统必然会有效结合无线传感器技术、无线信号组网传输技术、高速信号处理技术以及智慧控制技术等，切实有效的推动多方信息交互的有效实现，改善人们的生活质量水平。
运用人体红外传感器控制系统还能够有效扩充至别的服务平台，提高人们工作、生活的智能化水平，并且能够做到环境保护以及安全性等。
1.2人体红外传感器控制系统发展状况
在上世纪末本世纪初，许多大制造厂都开始涉足人体红外传感器控制行业之中，部分企业将对人体红外传感器控制系统的研究工作视为企业较有发展潜力的项目，比如说：
JDS、NEYWELL以及Revolv等公司逐渐的进入到人体红外传感器控制产品的相关研发工作投资之中。
根据现在的发展状况，可将当前人体红外传感器控制系统分为以下阶段：
（1）产品电子化：
各种家电的电路日益丰富，但是都为个体，并未构成一个网络；
（2）产品自动化：
产品具有越来越多的功能，大体可以实现自动化控制工作，并且能够简单的开展组网控制工作；
（3）产品智能化：
应用组网技术奖家具给构成一个网络，互相通信，开展集中的控制工作。
1.2.1国外发展状况
随着越来越多的新技术应用到人体红外传感器之中，国外许多研究所及企业都较为关注人体红外传感器控制系统的发展，例如：
TELETASK、Merten以及Honeywell等公司，都投入了较大的人力资源、物力资源开展人体红外传感器控制系统研究工作，这些大型公司进行了广泛的研究，各具特点。
例如：
TELETASK主要开展控制方法的研究；Honeywell主要开展提升人体红外传感器稳定性及舒适性水平的研究，应用了各种模块化的设计方法，在各模块接口之中与总线进行有效连接。
1.2.2国内发展状况
我国智能化产品研究开始时间较晚，起始于新世纪初。
就我国科技发展现状而言，现已经逐渐从制造大国慢慢进入制造强国，之前我国很多产品都使用他国技术开展生产，创新含量较少，制造成本较高，生产出的产品缺乏市场竞争力。
但在政府重视智能化控制之后，我国的科技取得了迅速的发展，先已逐渐与发达国家接轨。
科技的进步大大的降低了我国产品所需的开发成本，提升了产品的内在价值。
现在，我国人体红外传感器控制系统在产品研发上已经处于世界先进行列。
比如说，现在我国开展人体红外床安琪研发的公司主要有科龙集团、清华同方以及海尔公司等，这些公司都开发了许多高质量的产品。
1.3本文研究内容
本文在进行人体红外传感器控制系统上合计中，结合了现在控制系统所存在的问题，所设计的产品成本较低、扩展性较强、安全感较高，在控制系统之中应用了模块化设计理念，切实有效的降低了系统设计工作的难度。
本文开发出一类人体红外传感器控制系统，是利用核心芯片STM32为开发平台，硬件系统设计了其最小系统和外围电路，软件系统主要包括底层驱动程序和应用程序[5]。
研究内容主要包括以下几点：
第一，绪论。
在绪论之中主要对研究的背景以及意义等进行了简要的介绍，并且对现在人体红外传感器发展的状况进行了分析，发现人体红外传感器具有较大的发展空间，能够获得一定的利益。
第二，在文章第二章节，主要探讨了控制系统总体设计方案，介绍了系统功能描述以及总体网关架构的描述设计方案，并且介绍了系统之中的重点技术。
第三，在文章第三章节，主要探讨了人体红传感器控制平台的建设，介绍了应用单片机系统原理以及设计，应用核心芯片构成电路，并且介绍了各模块电路的设计与各相关电路的制作等，有助于实现系统硬件电路的设计工作。
第四，在文章第四章节，主要探讨了控制系统软件系统设计内容，详细的介绍了单片机软件平台建设工作，如：
Keil软件，各个模块工作流程图以及应用程序的设计等。
第五，在文章第五章节，探讨了对人体红外传感器完整控制系统硬件电路以及软件测试工作，对控制系统的相关工作开展验证、数据分析和性能测试工作。
第六，在文章最后总结了本文所研究的主要内容，并且设计了相应的控制系统，介绍了系统未来研究及发展方向。
2控制系统总体方案设计
2.1控制系统功能分析
本文在对人体红外传感器控制系统研究工作中，应用的技术主要包括：
智慧控制技术、检测技术、通信技术以及组网技术等。
在研究过程中，检查安全性、环保性以及智慧性等，切实将用户的体验置于首要位置，使得用户能够依据自身需求开展控制工作。
文章所探讨的智能控制器系统主要是依据产品要求来开展功能设计工作的。
控制系统的功能主要包括以下几点：
如果热释红外传感器检测到人体信号，则灯亮，蜂鸣器报警且继电器闭合，否则灯不亮，蜂鸣器不报警，继电器断开（继电器上电默认断开）。
2.2系统网关架构设计
依据智能控制系统所提出的功能要求，结合当前的技术措施，可将控制系统给分为以下模块：
输入模块、输出模块、执行模块以及控制模块，下图2.1为系统整体网关构架设计图如图2.1。
图2.1系统整体网关架构设计图
此设计之中的网关主要架构是通过传感器模块采集信号，运用I/O把采集的信号送入单片机控制空心进行处理，处理后的结果反馈给执行结构作进一步处理，再通过通信协议把结果显示到输出模块。
组网硬件内容有：
电源、单片机控制中心、外围电路等，下面将分别进行简要介绍：
（1）电源部分：
在电源设计工作之中，设计的科学性是为了保证整个智能控制系统工作稳定性，因此是硬件设计的重点，整个系统的输入电压是市电220V，经由电源转换电路以及适配器等，将其转变成各模块的适应电压。
（全文标点符号与上述类似保持一致）
（2）单片机控制中心设计：
为切实有效的降低系统PCB设计工作的难度，在控制中心仅仅设计一些小单片机系统内容。
（3）外围电路设计：
在外围电路模块之中，主要包括：
继电器控制电路、蜂鸣器报警电路以及人体信号采集电路等内容。
2.3控制系统所用到关键技术
随着信息技术的发展，我国逐渐从互联网时代转变到物联网时代，从人们的普通家具电器、到高级医疗设备以及军事设备等，嵌入式系统都获得了相应的应用。
当前我们处在信息、网络以及科技迅速发展、相互交融的时代，大数据快速发展，物联网快速崛起，单片机系统依靠着其独特的优势以及较广的应用场景，已变成新世纪备受关注的技术。
在观念上，我们不应该把嵌入式系统与PC机、电脑等混淆，相提并论，一般来说，嵌入式系统的应用具有特制功能的特点。
其不同于日常用到的电脑或PC机，其具体应用通常要与具体情况结合起来，根据需要的功能才可以为嵌入式系统赋予相应的生命力。
需要注意的是其软件与硬件都能够依据要求进行裁剪，能够适应系统的安全性能、封装体积以及功耗等。
单片机系统的内容主要包括软件与硬件，其中软件内容有应用程序、驱动程序以及软件程序等，硬件内容包括内部Register、MCU、Memory以及I/O管脚等。
一般来说应用程序的功能主要是有效控制程序的正常开展，操作系统的功能主要是对应用程序及硬件间的交互进行有效控制。
它具有软件程序占比低、较高的智能化、反应时间比较短等特点，因此这一系统能够应用到多任务要求、实时性强的体系之中。
嵌入式系统与常用的计算机系统具有共通点，其主要是由软件、硬件相互配合的控制系统。
一般来说，在整个系统之中，硬件发挥物理基础的作用，其能够为软件运行提供相应的通信接口以及平台基础，而软件则是系统的关键，硬件电路构成部分可以分为：
搭配电路、外围电路以及嵌入式MCU；一般来说，软件构成部分可以分为两个层次，分别是嵌入式应用软件以及操作系统，如下图单片机系统层次结构如图2.2。
图2.2单片机系统层次结构
2.4本章小结
此章节主要分析了智能控制系统的功能，并且设定了控制系统要实现的功能，并且设定了功能间的信号输送关系。
在需要的基础上设计的功能能够将系统方案框架给确定下来，主要包括四大模块：
输入模块、控制模块、执行模块以及输出模块，此章节介绍了这四模块的框架，并且在最后也探讨了控制系统应用技术情况。
3系统的硬件平台设计
开展人体红外传感器硬件系统设计的时候，需要考虑以下因素：
（1）成本因素：
要想在激烈的市场竞争中占据优势地位，应该注意价格。
人体红外传感器硬件系统的功能主要为便于数据的输送与接收，需要在符合要求的基础上，实现低功耗以及低价格。
（2）接口标准统一：
在设计系统时应该考虑接口兼容性状况，市场上对于传统人体红外传感器接口并无统一标准，这就为后期工作的展开带来一定的麻烦，并且会大大降低系统的兼容性，由于我们在数据的输送都要求通信协议统一化，因此，设立一个可靠而稳定的设备是十分必要的。
（3）系统功能的完备性：
系统功能的完整性能够决定人体红外传感器的发展，并且影响用户的使用意愿度。
因此，研究者应该注意不断提高系统选择的多样性。
3.1系统总体框架设计
文章所探讨的控制系统通过器件集成化方法进行研究的设计，主要是运用将集成化的器件分成块状的控制部分，被研究的分支和数据传输分支，分步满足相应部分，所有的分支完成后组合在一起，设计出完整的控制系统，最后进行综合测试[9-10]。
从控制系统需要实现的功能和硬件设计的综合角度确立了研究目的的总体框图。
系统组成具体框图如3.1所示。
图3.1系统组成框图
在人体红外传感器控制系统设计过程中，依据各模块，对整体方案开展设计，总体而言方案可分为以下内容：
（1）信号输入端：
人体信号采集。
（2）信号处理中心：
主要是单片机最小系统。
（3）信号输出端：
蜂鸣器以及继电器
3.2控制中心电路设计
3.2.1MCU电路设计
在设计系统之中，MCU的选择时开发硬件电路的关键内容，选择适当的MCU能够有效的降低开发所需成本及开展难度[11]。
现在MCU类型较多，可根据数据总线宽度划分成：
8位MCU、16位MCU和32位MCU，每个MCU都能够根据其特性及应用场景进行选择，8为MCU及16位MCU的型号较多，具有成本较低、能耗较小、封装所需空间较小等特点，但是其也存在着一些缺点，比如说：
扩充功能较少、内存较小、数据信息处理较慢等[12]。
近几年32位MCU得到了较快的发展，应用场景日益广泛。
现在MCU中最受欢迎的为嵌入式ARM型号微处理器。
其较之于8位或者16位单片，具有更多的性能，仅仅需要提升一些项目成本。
随着科技的发展，这一缺点也得到了有效的解决[13-14]。
在进行MCU选择的时候应该注意以下几点：
（1）性能：
MCU内存、内核及主频率等信息。
（2）外围功能模块：
在进行设计的时候，要考虑外围模块微处理内部存在嵌入与否，比如说时钟模块以及A/D模块等。
若可应用微处理器内部模块，能够有效的降低系统开发的难度以及所需的成本等；
（3）能耗：
在充分考虑性能的基础上也应该选择较低能耗的微处理器；
（4）工具：
有相应的调试助手与开发软件等能够使得开发者更快的设计系统程序，有效的压缩开发软件所需的时间；
（5）技术支持：
在应用MCU的时候，要综合考虑厂家是否可以提供核心板、应用手册、程序例程等软件支持。
图序、图题以及图序出处
依据系统开发相关要求及MCU型号选择标准，本控制系统应用ARMCortex-M3内核下STM32系列的MCU。
这主要是由于Cortex-M3内核所应用的框架强度较大，这一系列微处理器运行效果较好、稳定性较强，而且信息传输与处理速度较快、产生的功耗较低等，有效的做到了稳压器、自动检测低电压以及内嵌RC振荡器等的有效综合。
除此之外，Cortex-M3还有一些外围功能模块，厂家能够提供出调试软件、核心板、应用手册以及程序例程等，具体如3.2。
3.2.2最小系统电源电路设计
应用控制系统模块电路进行DC5V的输出工作，因为ARM芯片（如图3.3）（全文类似的都按照此要求修改，以下雷同）的应用电压为3.3V，要进行降压处理，应用性能较为优良的稳压线芯输出3.3V电源，在设计之中应用AMS1117-3.3芯片，具备电流较低、带负载能力较强、输出京都较高等特点，为切实有效的额确保电源稳定，在进行芯片树丛的时候都进行了电容并联操作，切实有效的将降压芯片电压给保持到3.3V左右,具体采用如下图3-3ARM芯片电源电路：
图3.3ARM芯片电源电路
3.3信号采集与处理电路设计
3.3.1人体信号采集电路设计
文章应用HC-SR501人体热释红外传感器模块开展具体操作，这一模块具有较高的可靠性以及较高的灵敏性，应用电压为DC4.5V-DC20V，所使用的静态电流不超过50uA，开展单线输出工作，高电平输出为5V，而低电平则输出为0V左右，能直接与单片机I/O管脚相连接，下图3.4是HC-SR501检测范围。
图3.4HC-SR501检测范围
HC-SR501检测模块在中心位置检测距离是最远的，随着物体在检测的边沿，信号会逐渐间变弱的，一般做最远距离可以达到7米，在边沿可以达到3米左右。
例外该器件的封锁时间约0.2秒，采用的触发方式可以是H可重复、L非重复，默认值H并且W可跳线。
检测模块在输出之后可以设置为封锁的时间，在此时间段之中难以接触到各种新信号。
这一期间隐蔽性高、产生功耗较低，无辐射，价格较低，能够方干扰。
但其也具有一些问题，例如：
穿透力较弱，较易阻挡人体辐射信号，检测头胶南检测到各种信号，较易收到射频等相关因素的影响，如果环境温度与人体温度相差不大的时候，模块容易失灵或者灵敏度降低。
根据本文设计要求，设计如下3.5图模块接线图。
图3.5热式红外接线图
因为热式红外传感器检测到人体信号时输出低电平，检测不到人体信号时输出是高低平，所以设计了热式红外传感器与三极管连接电路，当检测到人体信号时，三极管的基极输入是低电平，此时三极管会导通，单片机接入的引脚（PA2）输入低电平，否则单片机接入的引脚输入高电平。
通过检测单片机引脚的电平信号来判断是否有人体信号。
3.3.2蜂鸣器和继电器及驱动电路设计
本设计选用的是5V蜂鸣器，它的发声原理是当电流通过电磁线圈会形成电磁场，从而使得蜂鸣器的振动模发出声音。
由于单片机I/O管脚输出的电流微小，不能让蜂鸣器形成一定的电磁场，必须增加额外的电流放大电路，因此设计了图3.6蜂鸣器及驱动电路，放大电路选用的是8050三极管驱动电路。
本文选用的8050三极管主要是当做开关器件来用的，三极管的主要特性是用微弱的小电流来控制系统的大电流，从而起到很好的开关作用的。
控制原理是：
例如用共发射极连接方式来看（传输参数从B极进入，从另一端C极出去，发射极连接低电平），这种连接方式下，B极电压出现极小的改变时候，B极电流紧接着发生微弱的变化的，由于B极电流的作用，C极电流会发生极大的改变；若B极电流变化越快，C极电流变化也就很大，相反，若B级电流改变很小的，C极电流变化也就很小，综上所述。
三极管工作在开关当中的原理是用B极电流的改变来控制C极电流的改变的一种开关器件。
在应用三级管对信号进行放大处理的时候，应该先处于导通状态，也就是先构建符合本控制方式的工作特点，也就是设立偏置，不然就会致使失真问题放大。
选择应用放大倍数适当的三极管，适当的加大放电电流能够驱动蜂鸣器和马达，而且三级管放大有成本低，易实现，易控制等优点。
图3.6蜂鸣器及驱动电路（全文图序出处，按照此要求修改，以下雷同）
上图中蜂鸣器的1号管脚接电源VCC（5V），三极管2号管脚通过串联100R电阻接入单片机引脚（PC13），3号引脚连接到蜂鸣器负端。
当三极管2号管脚到高电平（5V）之后，三极管可以始终处在导通的状态，也就是说蜂鸣器的状态为电源接入；当三极管2号管脚接入低电平（0V）时，则三极管处于关断状态，从而蜂鸣器断开电源，停止响声。
继电器控制方式和蜂鸣器控制电路一样，都是采用8050三极管当作开关。
3.3.3LED指示灯电路设计
由于LED是全固体冷光源，体积小，重量轻，性能稳定，而且工
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