基于STM32F103C8T6与ESP8266的物联网智能温度采集与蓝牙OLED数字钟的设计与实现(基于stm32f103c8t6的毕业设计)

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作者： 颜孙炜

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wC12xZrc-1673843611066)(C:\Users\admin\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\image-20230110223524043.png)]

用STM32F103C8T6自有的RTC功能实现一款数字钟的设计，包括温度输入检测和显示模块、数字钟显示模块、定时提醒模块等。完成了，万年历，计时器，温度检测，电压监测等功能，此外随着科技的进步，物联网技术获得了飞速的发展，其已渗透到当前的多个行业领域。而温度作为我们生活中非常重要的一个环境参数，其变化情况会给我们的生产生活造成关键性的影响，这就要求我们必须做好温度的实时监测，本产品在完善其他功能的前提下,通过STM32监测温度并通过物联网系统储存温度检测的数据，并加以计算和显示在网页上。

此项目旨在开发一款，集万年历，温度检测，数字显示，且较为智能的产品

故罗列出以下开发需求

具有12/24小时切换的万年历

通过蓝牙及手机APP进行时间的设置

具有温度检测的功能

数据可以在云端储存和查看

硬件：STM32F103C8T6，ESP8266，BT04-E蓝牙模块

服务器：华为云

WEB:FLASK框架

数据库:SQLITE3

开发工具及版本：KEIL 5，ARDUINOIDE，VSCODE,STM32CUBEMX

调试工具：SSCOM5.13.1，APIPOST-POSTMAN

本项目采用的芯片为 STM32F103C8T6 STM32F103C8T6是一款基于ARM CORTEX-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V~3.6V，工作温度为-40°C ~ 85°C。本项目使用 HAL 库编写,在芯片的资源利用上，采用了 IO 高低电平输出控 ISP驱动OLED，串口 3 将数据发送至WIFI 模块通信。通用定时器TIM2用于定时中断，设置高速外部时钟HSE 选择外部时钟源。定时器的时钟频率为16MHZPRTSCALER (定时器分频系数)16COUNTER MODE(计数模式)UP(向上计数模式)COUNTER PERIOD(自动重装载值)1000CKD(时钟分频因子)NO DIVISION 不分频 定时器溢出时间： TOUT = (16*1000)/16/1000/1000=0.5S

温度作为我们生活中非常重要的一个环境参数, 其变化情况会给我们的生产生活造成关键性的影响, 这就要求我们必须做好温度的实时监测。热敏电阻是一种传感器电阻，其电阻值随着温度的变化而改变。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻（ptc thermistor，即 positive temperature coefficient thermistor）和负温度系数热敏电阻（ntc thermistor，即 negative temperature coefficient thermistor）。正温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而增大，负温度系数热敏电阻器的电阻值随温度的升高而减小，它们同属于半导体器件。本项目温度检测采用10K热敏电阻，通过ADC1通道1（PA1）进行转换变为具体数值。

WIFI通信部分采用 ESP8266 ，ESP8266 是一款适用于物联网和家庭自动化项目的 WI-FI 模块。本项目将主控芯片STM32获取的数据处理后通过串口3发送至ESP8266，ESP8266再将数据通过WIFI发送至云端。同时为了减少遗漏，防止数据丢包漏包，ESP8266接收数据的间隔需要得到控制，使得数据完整被发送至云端。蓝牙通信选择BT04-E蓝牙模块，BT04-E蓝牙模块可通过与单片机的串口相连，借助电脑或手机的蓝牙与单片机实现异步全双工通信。此项目中我们采用该蓝牙模块将APP与主控芯片进行数据的传输。从而实现手机端对设备的控制

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整体框架采用循环加switch函数,每当设备运行的时候，程序进入主函数先进行所有功能以及变量的初始化，然后进入while循环，并且进入switch函数,并在中断中执行按键的检测，用于控制进入switch函数的各个分支。Switch各分支实现不同的功能，如果在进入switch函数时刷新界面，则会造成屏幕的闪烁，本项目采用在中断检测按键触发时刷新屏幕，当按键按下切换功能时，进行屏幕的刷新，使屏幕显示更加稳定。

为了使oled上能显示时间并时刻更新，我们采用RTC时钟进行该功能的开发，实时时钟芯片是日常生活中应用最为广泛的消费类电子产品之一。它为人们提供精确的实时时间,或者为电子系统提供精确的时间基准。在设置好RTC后RTC每次中断都会产生一组新的时间数据供开发者使用，初始化系统时钟RTC时钟第一次设置RTC(查询标记)配置RTC(产生秒中断)设置当前时间(年/月/日/小时/分/秒)以此作为RTC计数器的初值计算并显示时间秒中断循环，该功能较为简单，只需简单的配置加显示即可，配置及显示方案如下：

在CUBEMX中将时钟源RCC设为外部中断

在RTC时钟中打开ACTIVATE CLOCK SOURCE以及ACTIVATE CALENDAR，同时打开中断

对于初始时间可以不进行设置，后续使用蓝牙进行设置。

在配置完环境后在主函数中添加HAL_RTC_GETTIME，HAL_RTC_GETDATE函数，该函数可以在每次中断时更新GETTIME与GETDATE的值,在后续代码中，通过"."访问HOURS,MONTH等储存时间的变量。

为了实现万年历的时钟功能，只需要以"时:分"格式将数据显示在OLED屏上即可。主要代码如下：

OLDE显示时间X:Y

为了使产品与用户之间产生良好的人机交互，对于时钟类产品，满足各类用户的需求，应当具有转换12/24小时制的功能，其原理是按键检测，当检测到按键按下，运行12/24转换函数，显示转换后的时间如13：02转换后为1：02,该功能需要对按键进行配置与扫描，然后对时制进行转化，方案如下：

在CUBEMX中将按键设置为GPIO_INPUT，作为输入。

在该功能中，需要实现按键按下切换为12小时制，抬起切换为24小时制。仅用独立按键就可以实现.由于按键按下会产生抖动，可以使用DELAY进行消抖。

按键检测代码如下：

先判断输入的24小时制是属于AM时间段的还是PM时间段的。

如果是AM，就不用改变小时的数据；如果是PM的，就需要换算小时的数据

换算小时时仅需将24小时制减去12即为12小时制时间。此外24点需要额外进行考虑，在英文的习惯中，中午12点被认为是下午，所以24小时制的12:00就是12小时制的12:0 PM；而0点被认为是第二天的时间，所以是0:0 AM

只需要将转化后的变量代替原来的GETTIME.HOUR即可实现12/24小时的转化。

为了利用ADC资源以及为后续的温度采集功能做出铺垫，并且能观测到电压变化的趋势，项目中使用ADC对电压进行采集，并且将电压值处理为可观测的坐标形式设计了以下功能，PA1输入电压，STM32内部AD进行转换，通过函数计算为电压值，并显示在OLED屏上，将AD转换的数值进行处理为OLED Y轴坐标，X轴为时间，即可模拟出电压变化的波形。该功能需对ADC进行配置，软件得到ADC值后转为电压在OLED上显示，并通过对ADC值的处理进行波形的绘制，方案如下：

在CUBEMX中将时钟源RCC设为外部中断

打开ADC设置，本项目中打开的是ADC1的通道1。

ADC的其他配置默认即可。

最后还需设置HCLK，本项目设置的HCLK为16MHZ。

首先以中断方式启动ADC。在程序中通过ADC_VALUE = HAL_ADC_GETVALUE(&HADC1)获取AD值。其次确定基准电压，本项目中使用的主控芯片ADC的基准电压为3.3V，所以可以通过ADC_VALUE * 3.3 / 4095计算出电压值并提供OLED加以显示。

在波形绘制中，以X为时间轴，以Y为数据轴，但发现ADC值值过大，超过了OLED屏幕的尺寸，因此成像成为问题，想到ADC转化为电压值的方案，计划对ADC的值进行缩小。尝试对ADC值统一减小，产生如下图像

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发现无法行成波形，原因是ADC值的个位与十位快速变化，因此对ADC数据进行35 + (ADC_VALUE - 1280) / 10处理，使ADC始终处于屏幕中线上下摆动，在电压值不发生大改变的情况下，可以观察到屏幕上随电压值改变产生曲线。

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搭建测温电路，测量10K热敏电阻的电压，通过公式T（℃）={（VN-VSENSE）/AVG_SLOPE}+N计算出温度,为了防止温度时刻变化，每一秒采集一次AD值并进行转换。在此功能中涉及传感电路的搭建，ADC的配置与上一个功能相同，不需要重复配置，但需要ADC值转为温度。

PA1为ADC1通道1引脚，本项目R1采用10KNTC热敏电阻，电路如下：

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通过公式T（℃）={（VN-VSENSE）/VSENSE}+N进行转化

这里：V N = V SENSE 在N °C时的数值AVG_SLOPE ＝ 温度与V SENSE 曲线的平均斜率(单位为MV/ °C 或 ΜV/ °C)N,VSENSE,VSENSE的典型值分别为25，1.43， 4.3MV/℃

只需将ADC值通过公式转化后显示在OLED上即可完成温度检测的功能。

为了利用按键资源和熟悉oled屏幕的开发，项目中开发了一个模仿谷歌恐龙的跳跃游戏，其原理是，BMP1，BMP2储存游戏人物跳跃和落下的两种状态图片，用画直线和画方块函数绘制障碍，并定时刷新屏幕避免重影。设置两个变量，模拟障碍和人物坐标，当坐标相碰切任务处于落下状态时，游戏结束，蜂鸣器响，OLED显示"GAME OVER"，具体方案如下：

这里我们使用PCTOLCD2002进行取模，图形的平移较为复杂，为了简单模拟跳起和落下两种状态，我们对两种状态的分别作图，分别进行显示。

当绘制完第一幅图后，为了不改变像素点间的位置，仅改变高度时，可以点击PCTOLCD2002上的上移按钮，上升合适的高度，得到第二幅图形

障碍的绘制：

障碍与人物图形不同，每一刻都在移动，即每一帧的障碍都是截然不同的，显然一帧一帧的绘制不仅麻烦，而且占用大量的单片机储存资源。因此，这里使用两种方法绘制障碍，一是通过坐标绘制线条，改变坐标改变每一帧的图形，二是通过平移图像来实现障碍的移动。本项目中采用的是第二种方法，我们需要获得四个点的坐标，并以此点为左上角点绘制正方形表示障碍，通过中断改变起始点的坐标，实现正方形的移动即障碍的移动，这里需要注意的是如何使障碍可以无限的循环下去，使障碍可以无限的循环下去需要对坐标进行计算

我们将两个屏幕进行拼接，一个屏幕长度为128，两个长度为128*2=256

如图为了使障碍可以衔接，屏幕最前方后最后方应当各存在半个空白。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-vnEwlhRw-1673843611072)(概述 {#概述-1}.assets/image-20230110224322880.png)]

设需要3个障碍列出方程

5X+X/2*2=128

X=21.3

故得到障碍的初始坐标

虽然在屏幕是小人是静止的，但对于障碍来说小人是相对运动的，那么设置一个变量代表小人的运动轨迹，由于障碍的坐标不是随机的而是我们事先计算好的，所以我们可以判断小人坐标是否达到我们设置的障碍的坐标，如果相等，则代表小人与障碍在X方向上相遇，同时判断在Y方向上小人是否跳起，若小人没有跳起，则判断小人与障碍在X与Y方向上同时相遇，对于二维平面，可以以此判定小人与障碍相撞。则游戏结束。

这里给出功能代码如下：

在日常生活中发现对于传统的电子时钟，时间的校验和设置比较复杂和烦琐，因此本项目采用蓝牙对时间进行校验和设置，用户只需要切换到时间设置模式，并在app上连接蓝牙，即可对当前时间进行设置，开启串口2，按下KEY2与KEY3进入修改时间模式，在手机端APP上设置需要修改的时间，点击确定，OLED上显示修改后的时间，并继续计时。修改后的时间支持12/24转化。该功能分为APP端的开发和主控芯片软件的开发，方案如下：

APP端分为界面组件的开发，以及功能逻辑的开发

APP做使用的组件及功能如下表：

1.蓝牙连接：

当列表选择框准备选择时，执行设列表选择框的文本为蓝牙客户端的地址及名称，当列表选择框完成选择时执行设蓝牙客户瑞连接设备 地址为列表选择框的选中项。

当用户点击列表框就会显示蓝牙的列表，选择BT04-E蓝牙模块的蓝牙进行后APP会自动连接蓝牙。

当时间选择框完成时间设定时执行

设时间选择框显示时间选择框的"时"+"：“加"分”。

当用户点击时间选择按钮后会弹出时间选择器，当用户完成选择后，时间选择框的文本会变成选中的时间，供用户加以确定

当按钮被按下时，蓝牙客户端发送数据，特别注意的是，数据的格式为时加分，

由于在后续的蓝牙与主控芯片的开发中，对串口的进行了重定向，所以要在数据的末尾加上空格，并且由于是HAL库进行开发，串口接收的数据为字符，发送的数据应当文字符串，所以完整的数据格式应为，时加分加空格，型如"1325 "，"0108 "。

蓝牙模块与主控芯片之间采用串口进行通信，首先连接好串口与主控芯片，连接方式如下表

连接完成后开始串口的配置,本项目蓝牙通信采用UART2即串口2进行通信。

启动串口2，将串口2的模式改为ASYNCHRONOUS,CUBEMX串口波特率默认为115200，但在与BT04-E蓝牙模块进行时,波特率需选择9600。

通过串口接收蓝牙从APP上获取的数据，处理后作为变量添加到RTC初始化函数中，通过RTC的初始化进行时间的重新设置。

HAL库中可以使用HAL_UART_TRANSMIT与HAL_UART_RECEIVE进行数据的收发，但HAL_UART_TRANSMIT与HAL_UART_RECEIVE接收变量的参数为UINT8_T数组，UINT8_T为无符号1个字节的整型，不能接收字节和数值,UINT8_T类似CHAR但不同，因此我们在这里利用FPUTS和FGETS的重定向对将参数类型改为CHAR数组接收字符串，那么数组中的每一个元素都是常见的CHAR变量。

对于如"1，2，3，4…“的CHAR类型我们通过格式化输出(”%D",X[N])将其转变为ASCII码,可以发现对于如"1，2，3，4…"的CHAR类型ASCLL码-48就是其代表的数值，我们从APP中收到的字符串以"XYZW "储存在CHAR类型数组中，我们按个十位取出并重新计算为一个数值

如((“%D”,X[0])-48)*10+(“%D”,X[1])-48)代表XY所代表的数值

我们通过上述方法分别取得时和分的值，但在RTC初始化函数中，STIME所接收的变量类型为16进制数，因此我们还需要将所得的10进制数转为16进制数，才能被RCT初始化函数正确的接收。

按照以下的流程，我们就实现了通过蓝牙连接从而快速设置时间的功能

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-l51138G3-1673843611072)(概述 {#概述-1}.assets/image-20230110224605913.png)]

在上文中通过绘制电压温度的波形，可以观察到短时间内电压及温度变化的状态，那能否使数据更长久的进行储存和利用成为该功能的出发点，为了良好利用数据及储存数据，项目中使用ESP8266模块对数据进行上上传，并提供数据库对数据进行保存，通过web前后端对数据进行处理和显示，思路如下：开启串口3，为了不给服务器造成过大压力，在定时器中每隔15S秒发送一次数据到ESP8266，再由ESP8266将数据拼接到GET请求中，后端程序获取GET请求参数，并添加到数据库中，客户端页面显示将调用数据库中的信息并显示在设计好的页面上。此功能需要进行WEB端的开发，ESP8266的开发，以及主控芯片的开发。

WEB开发分为三个部分前端开发用于显示数据，后端开发负责数据库的连接操作，和数据的处理，接口开发用于给ESP8266提供通信的通道。

后端和接口的开发我们使用FLASK框架进行开发，FLASK是一个使用 PYTHON 编写的轻量级 WEB 应用框架。其 WSGI 工具箱采用 WERKZEUG ，模板引擎则使用 JINJA2 。本项目的数据较为单一简单，在数据库的设计上，我们采用SQLITE3数据库进行数据的储存。SQLITE，是一款轻型的数据库，是遵守ACID的关系型数据库管理系统，它包含在一个相对小的C库中。它是D.RICHARDHIPP建立的公有领域项目。它的设计目标是嵌入式的。在实际项目的开发中，发现flask对各个文件的划分有较为严格的规定

本项目flask的文件结构如下

├─static

└─templates

其中项目文件夹下存放数据库，项目启动文件，static文件夹下存放图片和组件库，template文件夹下放置HTML文件。

，我们这次所实现的是将单片机发送的温度值存入数据库，因此数据库结构较为简单

在文件目录下打开终端

输入SQLITE3

创建数据库.OPEN DATA.DB

通过CREATE TABLE TEMS(DAT TEXT NOT NULL);创建一个含有TEXT类型的DAT值的数据表TEMS。

,ESP8266通过发送带参数的GET请求，向客户端发送请求，再接口设计中ROUTE()装饰器来告诉 FLASK 触发函数 的 URL，我们本项目中接口的URL为IP+/自定义字符/+<参数>

当接口接收到设备发送来的GET请求时，我们将GET请求的参数通过INSERT语句插入数据库中从而实现了一个简单接收储存数据的接口。

然后是显示页面后端开发，后端逻辑较为简单，连接数据库，通过SELECT*FROM TEMS语句将所有的数据调用出来，CONN.ROW_FACTORY=SQLITE3.ROW和FETCHALL()函数可以使数据像PYTHON字典一样便于操作。

为了使数据可以利用起来，项目中以计算平均值来进行数据的利用，通过设计数据库的步骤我们可以看出数据库中DAT类型为TEXT类型，在PYTHON中为字符串STR类型，为了使DAT可以进行计算，我们需要对其类型进行转化，PYTHON 是弱类型语言,相对于强类型语言,它不需要