设计者：STCode (微信官方账号同名)
第一章 绪论
1.1培训设计的背景和意义
随着生活水平的提高和科技水平的发展，人们越来越考虑自己和家庭安全。越来越多的安全监控系统和设备进入人们的生活，如家庭防火系统、家庭防盗系统、家庭远程监控装置等。各种现代高科技逐渐应用于各个行业和领域，为人类社会生产力的发展形成了强大的动力。本设计将温湿度检测系统应用于家庭，通过检测家庭温湿度反映家庭环境的变化，在环境异常时，可以报警，使系统用户及时发现家庭安全风险，快速解决安全问题，具有一定的社会意义和应用价值。
1.2实训设计任务
本设计的任务主要是应用Arduino Uno配备温湿度传感器和主控制器led、蜂鸣器、OLED显示器等，实现温湿度检测功能和报警功能，在环境异常情况下，可及时通知系统用户处理异常，发挥良好的安全防范作用。
1.3实训具体内容
具体内容如下：
家庭安全监测系统的设计主要可以检测温湿度的两个关键环境变量，通过温湿度传感器DHT11获取，获取数据后判断，当环境异常时，如温度过高，可触发蜂鸣器报警，提示用户温度异常，疑似火灾；此外，当环境湿度变化时LED湿度低时，点亮LED灯，提醒用户当前环境干燥，可加湿。可视化当前环境的温湿度数据，将通过OLED显示器显示，方便用户随时监控环境。
1) 学习Arduino Uno熟悉使用方法Arduino编程语法，掌握其控制和操作原理，接收传感器数据作为主控制器，进行数据分析，然后控制某些部件的工作。
2) 学习和掌握温湿度传感器DHT使用11，掌握其库函数的用法。
3) 学习并掌握OLED使用显示器，掌握文本显示和变量显示的方法。
4) 掌握LED、使用蜂鸣器。
第二章 硬件设计
2.硬件设计理念
硬件设计包括硬件材料选择、通信模式和接线模式的设计。主控制器是Arduino Uno，其芯片为ATMEGA328P；传感器的主要应用是DHT11温湿度传感器，可检测温湿度信息；输出元件有OLED、蜂鸣器、LED。传感器将获取环境的温湿度信息并传输到Arduino，Arduino获取数据后，进行数据分析，根据设定的阈值设计声光报警，并对分析的温湿度信息进行分析OLED显示器。
2.2硬件选择
以下材料主要用于硬件选材：
1) 主控制器：Arduino Uno
2) 传感器：DHT11温湿度传感器
3) 显示元件：OLED液晶显示器
4) 发光元件：LED小灯
5) 声音元件：无源蜂鸣器
6) 面包板、数据线、杜邦线
2.2.1 DHT11温湿度传感器
1)硬件描述
该传感器是一种含有校准数字信号输出的温湿度复合传感器。采用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证产品的高可靠性和优异的长期稳定性。传感器包括电阻式感湿元件和NTC与高性能8位单片机连接的测温元件。因此，该产品具有品质优良、响应超快、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个DHT在极其精确的湿度校验室中校准传感器。校准系数以程序的形式存储在OTP这些校准系数应调用于传感器内部的检测信号处理。单线串行接口使系统集成简单快捷。超小体积，功耗极低，信号传输距离可达20米以上，成为各种应用甚至最苛刻的应用场合的最佳选择。因此，本设计的选择DHT11作为环境检测的传感器。
2)硬件参数：
工作电压 ：3.3V-5v
尺寸大小：40mm x 28mm
重量大小：3g
信号类型：数字信号
电流：最大2.5mA
温度范围：0-50℃，误差±2℃
湿度范围：当环境温度在时 0 ℃时为30-90%RH;当环境温度为25时℃时为20-90%RH ;当环境温度为50时℃时为20-80%RH
响应时间:1/e(63%) 6-30s
测量分辨率为:温度(8bit)湿度(8bit)
采样周期间隔：<1s
2.2.2 OLED显示器
1)硬件描述
0.96寸OLED模块亮度高，功耗低OLED屏幕，显示纯色，在阳光下有很好的视觉效果。模块电源可以是3.3V也可以是5V，不需要修改模块电路，OLED屏幕有多个控制指令，可以控制OLED亮度、对比度、开关升压电路等指令操作方便，功能丰富。因此，本设计选择了此设计OLED作为显示元件。
2)硬件参数
高分辨率：12864和12864LCD相同的分辨率，但是OLED屏幕单位面积像素点多)
超广视角：大于160°
超低功耗：正常显示时0.06W
宽供电范围：直流3V-5V
工业级:工作温度范围-30℃~70℃
体积小：27mm27mm*2mm
通信方式：SPI、IIC
程序指令可以控制亮度和对比度
使用寿命不少于16000小时
OLED屏幕内部驱动芯片：SSD1306
2.2.3无源蜂鸣器
蜂鸣器是一种采用直流电源供电的综合结构电子信息器。广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话、定时器等电子产品。蜂鸣器主要分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。本设计采用无源蜂鸣器控制PWM蜂鸣器的鸣叫频率可以控制。
2.2.4 LED小灯
Led小灯为一种发光二极管，能够发出不同颜色的灯光，本设计使用led当湿度不符合我们的要求时，目的是提醒用户环境，led闪烁可以提醒用户。
2.3电路连接
采用电路连接Altium Designer软件绘制，温湿度传感器为5V信号输出端连接到电源Arduino的8号I/O引脚上；OLED显示器的通信方式是IIC通信，所以除了两条电源线，只需要一条信号线SDA时钟线SCK就可以。无源蜂鸣器的正极I/O原因是引脚Arduino的3号引脚支持PWM输出，以控制蜂鸣器的鸣叫频率；LED小灯正极接4号I/O引脚。
第三章 软件设计
本设计的主控制器为Arduino Uno，控制控制器最常用的语言是C/C 这种语言也用于混合编程，编译和上传代码的环境是Arduino IDE软件。软件设计主要分为两部分，一是输入元件的编程，即DHT11传感器内容；第二部分是输出元件的编程，主要是OLED显示设计，LED蜂鸣器的闪烁和鸣叫。
3.输入元件程序设计
本设计的输入元件的输入元件DHT在程序设计中，将11温湿度传感器引入其库函数DHT.h通过初始化传感器和调用获得温湿度的函数，可以直接获得数据处理的温湿度变量，然后根据这些变量控制输出元件。
一些程序解释：
#include
DHT引入11传感器库；
#define DHTPIN 8
定义了这句话DHT11传感器信号线连接到Arduino数字引脚8；
#define DHTTYPE DHT11
宏定义；
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
定义对象，并匹配引脚输入和类型；
dht.begin();
温湿度传感器初始化；
void get_temp_humi() //
{
HH = int(dht.readHumidity()); //获得湿度
TT = int(dht.readTemperature()); //获得温度
Serial.print("Temp: "); ////串口显示温湿度信息
Serial.println(TT);
Serial.print("Humi: ");
Serial.println(HH);
}
其中定义了一个子函数HH存储湿度数据的变量，TT用户可以打开变量存储温度数据并打开串口Arduino的串口监视器查看当前的温湿度数据。该子函数将在循环函数loop里面调用。
3.2.输出元件程序设计
有三个输出元件，分别是OLED显示器、LED、蜂鸣器。
3.2.1 OLED显示器
从以上电路图可以知道，OLED的数据线SDA接到A4，时钟线SCK接到A5，因为Arduino的IIC接口正是A4\A5，当然，A4\A5接口也可以作为普通数字IO口用，这里属于引脚复用。
一些程序解释：
#include "U8glib.h"
OLED引入显示器库函数；
设置通讯方式为IIC通讯；
void dis_play() //OLED数据显示子函数
{
u8g.firstPage(); // OLED首页
do
{
char buffer1[1]; //定义字符buffer1
// 将int转为char显示出来
itoa(TT, buffer1, 10); //10：10进制显示
u8g.setFont(u8g_font_gdr10r); //设置字体
u8g.drawStr(25, 26, "Temp:"); //第26行25列显示“Temp：”
u8g.drawStr(70, 26, buffer1); //第26行70列显示温度数据
char buffer2[1]; //定义字符buffer2
// 将int转为char显示出来
itoa(HH, buffer2, 10); //10：10进制显示
u8g.setFont(u8g_font_gdr10r); //设置字体
u8g.drawStr(25, 60, "Humi:"); //第60行25列显示“Humi：”
u8g.drawStr(70, 60, buffer2); //第60行70列显示湿度数据
} while (u8g.nextPage()); //执行配置
}
上述代码为OLED显示文本和数据的子函数，在第26行25列显示温度数据，在第26行70列显示湿度数据，并且该子函数将在循环函数loop里面调用。
3.2.2 LED灯
LED灯的功能在于当湿度小于某个阈值的时候闪烁，这里设置的值为30，湿度过小，代表环境干燥，提示用户适当进行加湿。
部分代码讲解：
int led = 4;
定义LED引脚4；
pinMode(led, OUTPUT);
设置LED引脚为输出模式；
if (HH < 30)
{
digitalWrite(led, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(led, LOW);
delay(50);
}
当湿度小于30的时候，LED灯将进行间隔50ms的闪烁，提醒用户当前环境的湿度情况。
3.2.3 无源蜂鸣器
无源蜂鸣器在该设计的作用是当环境的温度大于50度的时候，产生鸣叫，从而提醒使用者环境温度超标，可能有火情出现。
部分代码讲解：
int buzzer = 3;
定义蜂鸣器所接引脚为3；
pinMode(buzzer, OUTPUT);
设置蜂鸣器所接引脚为输出模式；
if (TT > 50)
analogWrite(buzzer, 100);
else
analogWrite(buzzer, 0);
当温度数值大于50度的时候，蜂鸣器响起，提醒使用者当前环境的温度值超标，可能出现火情，当温度值小于50的时候，蜂鸣器不鸣叫。
第四章 系统调试
系统调试分为硬件调试和软件调试。硬件调试中主要为确保接线的正确性，软件部分主要为检测各功能是否满足预设的目标，调试发现，给Arduino上电后，OLED显示器立即显示由DHT11温湿度传感器获得的数据，可以显示出当前环境的温湿度情况，与实际温湿度情况大体一致，并且拿到干燥地方，led灯会闪烁，当环境温度超过50摄氏度的时候，无源蜂鸣器会鸣叫，调试各功能顺利，基本满足预设要求。
第四章 系统调试
系统调试分为硬件调试和软件调试。硬件调试中主要为确保接线的正确性，软件部分主要为检测各功能是否满足预设的目标，调试发现，给Arduino上电后，OLED显示器立即显示由DHT11温湿度传感器获得的数据，可以显示出当前环境的温湿度情况，与实际温湿度情况大体一致，并且拿到干燥地方，led灯会闪烁，当环境温度超过50摄氏度的时候，无源蜂鸣器会鸣叫，调试各功能顺利，基本满足预设要求。
第五章 实物展示
1)整体实物图
第六章 总结
这次实训本人设计的家庭安全监测系统，可以有效地监测家庭温度和湿度的情况，并且具有预警功能，达到很好的提醒作用。随着人们生活水平的提高和安全防范意识的日渐加强，智能防火防盗系统也在不断升级，防火防盗设备也在不断更新，希望此设计能给家庭安全设备提供一定的思路。
附件：程序清单
#include //引入头文件
#include "U8glib.h"//引入Oled头文件
U8GLIB_SH1106_128X64 u8g(U8G_I2C_OPT_NONE); //设置通讯方式为IIC通讯
#define DHTPIN 8//湿度传感器OUT接8号口
#define DHTTYPE DHT11//定义DHT11传感器
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); //定义湿度传感器OUT与8号口连接并且读取温湿度传感器的数值
int buzzer = 3; //定义蜂鸣器引脚3
int led = 4; //定义led引脚4
int HH; //定义HH变量，用于储存湿度数据
int TT; //定义TT变量，用于储存温度数据
void setup()
{
pinMode(buzzer, OUTPUT); //设置蜂鸣器引脚为输出模式
pinMode(led, OUTPUT); //设置led引脚为输出模式
Serial.begin(9600); //串口波特率
dht.begin(); //温湿度传感器初始化
}
void loop()
{
get_temp_humi(); //获得温湿度子函数
dis_play(); //oled显示数据子函数
if (TT > 50) //如果温度大于50°，蜂鸣器响
analogWrite(buzzer, 100);
else //否则，蜂鸣器不响
analogWrite(buzzer, 0);
if (HH < 30) //如果湿度小于30，led闪烁
{
digitalWrite(led, HIGH);
delay(50);
digitalWrite(led, LOW);
delay(50);
}
else //否则，led熄灭
digitalWrite(led, LOW);
}
void get_temp_humi() //获取温湿度数据子函数
{
HH = int(dht.readHumidity()); //获得湿度
TT = int(dht.readTemperature()); //获得温度
Serial.print("Temp: "); //串口显示温湿度信息
Serial.println(TT);
Serial.print("Humi: ");
Serial.println(HH);
}
void dis_play() //OLED数据显示子函数
{
u8g.firstPage(); // OLED首页
do
{
char buffer1[1]; //定义字符buffer1
// 将int转为char显示出来
itoa(TT, buffer1, 10); //10：10进制显示
u8g.setFont(u8g_font_gdr10r); //设置字体
u8g.drawStr(25, 26, "Temp:"); //第26行25列显示“Temp：”
u8g.drawStr(70, 26, buffer1); //第26行70列显示温度数据
char buffer2[1]; //定义字符buffer2
// 将int转为char显示出来
itoa(HH, buffer2, 10); //10：10进制显示
u8g.setFont(u8g_font_gdr10r); //设置字体
u8g.drawStr(25, 60, "Humi:"); //第60行25列显示“Humi：”
u8g.drawStr(70, 60, buffer2); //第60行70列显示湿度数据
} while (u8g.nextPage()); //执行配置
}