基于STM32控制的智能收纳系统探讨

黑小东　伊婧文　苏佳福　马强　罗兴维　杨伟新　马小琴

摘要：智能收纳系统的设计即为解决生活中繁琐的“小事”，柜子的雏形定位为中药柜、元器件柜、化学用品柜、生活用品柜等，以药店、实验室、私人住宅为主要使用环境设计。文章对基于STM32控制的智能收纳系统进行了探讨。

关键词：STM32F407单片机；传感器；收纳柜；语音模块；智能收纳系统 文献标识码：A

中图分类号：TP36 文章编号：1009-2374（2017）02-0074-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.035

立足于当今科技高速发展的时代，高效率的工作是大家共同追求的目标，而智能化的设计是人们共同向往的生活。今天我们设计出了一款智能收纳柜：您是否有过这样的经历，家里刚刚大扫除完，急着找什么就找不到什么，隔个三五天一抬头没准就看到了；在药店大夫抓中药时，看到药物的名字之后，首先要找药柜，有时还会找错；在工作室，找个元器件、小工具等这些小东西时，左翻右翻最后就在手边。如此情况，不仅降低了效率，而且影响了心情。智能收纳柜的设计即为解决此等繁琐“小事”。直观效果：人报物品名字时，柜子中存放相应物品的格子灯显示为亮，示意位置后自动打开；取放物品后，若格子没有合严实，就会有报警提示；柜子上安装以液晶为主的显示模块，可自定义显示每个格子的备注事项，从小做起希望能给大家带来更为明朗的生活工作环境；通过蓝牙实现了手机与收纳柜之间的无线通信。

1 智能收纳柜系统设计和组成

本收纳柜由机械结构、控制器、语音模块、稳压模块、舵机、继电器、多种传感器等部分构成。

图1 智能收纳柜的雏形

控制器由STM32F407单片机芯片为主控，对温度、湿度、光照强度、蓝牙模块等进行控制，并将各传感器检测到的数值灵活地显示在TLT液晶屏上。具体过程：当温度超过所设置的上限值时，控制继电器打开，继而柜子里的小风扇开启，降低内部的温度；光照强度检测柜子是否关闭好，若采集光照强度的值不在设置范围内，则说明柜子没有关闭好，蜂鸣器发出警报提示；主控将各参数通过蓝牙发送给手机，实现柜子与手机之间无線通信功能。

STC89C51单片机控制语音模块，当语音模块接受到声音时，对应的格子会亮灯提示在哪个位置，并且控制舵机打开对应的格子。系统控制结构框图如图2所示：

2 智能收纳柜硬件选择及电路设计

2.1 STM32F407单片机

STM32F4系列基于最新的ARM Cortex M4内核，在现有出色的STM32微控制器产品组合中新增了信号处理功能，并提高了运行速度；STM32F4x集成了定时器、3个ADC、2个DAC、串行接口、外存接口、实时时钟、CRC计算单元和模拟仿真随机数发生器在内的整套先进外设，具有接口丰富、设计灵活、资源充足的特点，因此我们使用这款单片机作为主控，可以顺利实现所有控制功能。

2.2 稳压部分电路设计

稳压电路，是指在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。它的作用就是将变化的直流电压稳定输出，保证电路正常工作。这种电路能提供稳定的直流电源，广泛地为各种电子设备所采用。

本系统中采用LM2940-5.0低压差三端稳压芯片来设计5V稳压电路。LM2940输出电压5V；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；最大输入电压26V；工作温度-40℃～+125℃；内含电流限制保护电路。它就是一个线性稳压器，相比于78系列的稳压芯片，它的压差小、功耗低、精度高，所以选择LM2940。

与此同时，电路中采用的AMS1117正向低压降稳压器来设计3.3V稳压电路，在1A电流下压降为1.2V。AMS1117内部含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择，它有限流功能，而且具有过热切断的特性。

本系统所设计稳压电路输入为12V，输出为3.3V和5V。以满足系统中对继电器、舵机的5V供电，主控、传感器等其他部分使用3.3V供电。电路设计如图3所示：

2.3 语音识别系统

我们所选取的语音识别部分采用WT7010语音芯片，它内部拥有8位DSP核心，它能提供高分辨率ADC模拟采样和高质量的差分音频输入及麦克风输入，配备数学处理器以精确处理高压缩语音编解码或语音识别。我们通过编程将语音特征存储到芯片内部，当语音输入时，语音芯片会将输入的声音特征和参考模块库内的特征进行匹配，匹配成功则输出成功值。到目前为止，我们项目已经实现语音的采集与识别，即当语音模块接收到声音时，对应的格子会亮灯提示在哪个位置，然后控制舵机推开格子。

2.4 蓝牙模块

HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块（以下简称模块）主要用于短距离的数据无线传输领域，可以方便地和PC机的蓝牙设备相连，也可以两个模块之间的数据互通。模块支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。通过控制模块外部引脚，输入电平，实现模块工作状态的动态转换。最高传输速率可达2.1m/s，传输距离超过20m。通过蓝牙模块实现柜子与手机之间的无线通信功能，避免繁琐的线缆连接，具有高强度的信号传输，从而更加体现出柜子的智能化。

2.5 TFT-LCD液晶显示系统

将各传感器检测到的数值传回给单片机，再经过单片机控制将其显示在液晶屏幕上。TFT-LCD即薄膜晶体管液晶显示器。其英文全称为：Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display。TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个像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，因此大大提高了图像质量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶显示器。该模块支持65K色显示，显示分辨率为320×240，接口为16位的80并口，自带触摸屏，因此我们控制的液晶屏具有图标、触摸等功能，如图4所示：

3 控制软件程序设计

在收纳柜的程序设计上，运用了主控芯片上的I/O口、串口和4个通道的ADC采集口。通过单片机对语音模块的控制，实现了语音的采集与识别，即当语音模块接受到声音时，对应的格子会亮灯提示在哪个位置，并且控制舵机打开相对应的格子。单片机的ADC采集口采集光敏电阻接收到的信号，将其转化为电压值并对其实施控制。单片机的串口负责蓝牙无线传输功能，实现了手机与柜子之间的无线通信。而单片机的I/O口则负责采集温、湿度传感器传回的数据，输出信号控制继电器，进而控制小风扇、蜂鸣器以及LED灯泡，并且I/O口接TLT液晶显示模块，将其各个传感器接收到的数据显示出来，给人一种直观、智能、方便的感觉。

4 实验结果

本系统在测试过程中，一切运行正常，能夠将各个传感器检测到的数值显示在TFT液晶屏上，并完成了相应的控制功能。与相同规格的普通柜子相比，此收纳柜具有智能性、方便性能。试验结果表明：智能收纳柜具有语音控制功能，操作简单、识别准确、执行高效、实用性能高。

5 结语

本文通过对智能收纳柜硬件制作、电路原理及其软件的控制原理的系统介绍，系统结合了硬件模拟电路控制和单片机程序控制两种方式，先经过模拟电路初步调节，再通过单片机程序软件逐步精细优化，在测试过程中表现出了稳定、灵活、高效的特点，能够有效体现出柜子的智能化，具有广阔的应用前景、研究和市场价值。

参考文献

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[2] 陈至坤，马晓峰，刘振东.数码语音芯片录音系统及其应用[J].河北理工学院学报，2002，（B05）.

[3] 李朝清.单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4] 刘爱华，满宝元.传感器原理与应用技术[M].北京：人民邮电出版社，2006.

基金项目：西北民族大学国家大学生创新创业训练计划项目资助（项目编号：201610742084）。

作者简介：黑小东（1994-），男，甘肃兰州人，西北民族大学电气工程学院学生，研究方向：智能控制系统。

（责任编辑：王 波）