基于STM32F103的智能卫浴环境监测与控制系统设计技术说明本文围绕智能卫浴环境监测与控制系统进行嵌入式开发复盘重点整理STM32F103主控、DS18B20温度检测、DHT11湿度采集、MQ-135空气质量监测、人体与光照检测、OLED显示、防雾控制和蓝牙通信等技术要点。内容用于单片机应用、传感器采集和环境控制方法交流不涉及产品推广或销售服务。摘 要随着智能家居技术的快速发展卫浴设备作为家庭中的重要组成部分各类功能型装饰品悄然融入家居环境之中其智能化设计越来越受到重视。然而卫生间卫浴设施的相关问题依旧悬而未决。此次设计把STM32作为核心芯片用一个DS18B20传感器检测环境温度再用另一个DS18B20传感器检测浴室温度以便于在用户使用防雾模式时装置可以自我加热或制冷。然后通过使用湿度传感器检测浴室内的湿度当湿度设定的阈值被超过时打开风扇通风。其次通过MQ-135传感器检测当前空气质量当室内空气质量值高于设定的最大值时启动风扇。还有通过音乐播放器可播放音乐、通过光敏电阻检测光照值以及D203S传感器专门用于探测人体释放的热辐射能量去判断空间内是否有人存在。当它探测到有人存在且当前环境光照强度低于预设的最低光照阈值时照明系统会自动激活为环境提供照明。该装置可以通过按键调整各项数据阈值、开关灯、防雾模式、音乐在显示画面上显示各种测量数据还可以通过Bluetooth模块把数据迅速发送给手机。并且手机可以远程开启/关闭照明切换防雾模式播放音乐。音频模块可用于控制开/关照明改变防雾模式播放音乐。这次发明的智能卫浴系统在实际测试中彰显了出色的除臭效能并能精确地将温湿度调节至用户预设的理想范围确保浴室空间既洁净无虞又卫生达标且操作体验流畅便捷。故而该设计项目具备深厚的研究底蕴与显著的实际应用价值。关键词STM32F103卫浴测控智能检测ABSTRACTWith the improvement of peoples living standards and the rise of interior decoration, various functional decoration has quietly entered the family, but the problem of bathroom bathroom has not been solved. This time, STM32 single chip computer is used for design. The design detects the ambient temperature through DS18B20, and the bathroom temperature through another DS18B20. When the anti-fog mode is turned on, the bathroom is automatically heated or cooled, and the humidity value is detected through DHT11. When the humidity is greater than the set maximum value, ventilation and dehumidification are carried out, and the air quality is detected through MQ-135. When the air quality value is greater than the set maximum value, ventilation is carried out, Music can be played through the music player, the light value can be detected through the photosensitive resistor, and whether there is a person can be detected through the D203S human pyroelectric detector. If there is a person, and the light is lower than the set minimum value, the lighting lamp will be automatically turned on, the threshold value can be set by pressing the key, the lighting lamp can be manually switched on, the anti-fog mode can be switched on, the music can be played, the measurement data can be displayed through the display screen, and the mobile terminal can be connected through the Bluetooth module, and the measurement data can be obtained from the mobile terminal, It can also control the lighting switch, switch the anti-fog mode, and play music. The voice recognition module can control the lighting switch, switch the anti-fog mode, and play music. After physical test, the intelligent bathroom designed in this design can achieve demisting, temperature and humidity within the appropriate range of user settings, keep the bathroom environment clean and sanitary, and users can use it easily and conveniently. Therefore, this design has certain research background and research significance.Key wordsSTM32F103;bathroom;Measurement and control;Intelligent detection第1章 绪论1.1 研究背景及其研究意义民众生活质量显著提高之际室内装潢风尚蔚然兴起各种具有辅助作用的室内用品被慢慢融入到房间之中。但是与卫生间卫浴设施的相关问题依然没有得到有效的处理。卫生的空间也在不断增大设备也在不断革新人们的需求也更加多样化卫浴的智能化也就成了一个很吸引人的功能更不用说宾馆饭店了。但是当人们进去卫浴间的时候总是会遇到各种各样的问题例如室内温度不适宜、气味难闻、湿度过高过低等等[1]。商用或家用浴室都装着卫浴设施。在人们进行洗浴时淋浴和泡浴都能让浴室内产生水蒸气。水蒸气碰到冷的物体表面就会起雾这会影响我们对浴室的正常使用和日常放松。人们经常用抹布去擦拭掉这些雾气但这种方法起到的效果并不怎么样。浴室里的雾气到处都是刚擦完马上就会被新的雾气覆盖。现在有研究说可以通过加热装置把室内加热到30至45度来消除雾气。市面上也已经出现有相关产品。但是浴室内没有人洗浴时大概率不会产生水雾。这时候加热让室内保持固定温度又耗能又不安全。最近几年物联网、传感器、自动化控制等技术被各大公司广泛应用在各种地方把很多发展的契机带给了浴室控制系统。把这些新的技术应用在浴室设备的相互连接与个性化控制。比如让温湿度传感器实时监测浴室环境参数再把浴霸、通风等设备的预设条件让它们自己调节去维持室内温湿度适宜。再者把能发现人体热释电的装置用来检测用户是否在浴室里让装置自动控制灯光、防雾模式等功能或设备的开关不仅能把用户使用装置的便利性提升还能达到节能的目的。还有一点每个人对浴室里的环境的喜好有所差异有些人喜欢较高的水温、温暖的灯光有些人则喜欢凉爽的温度、明亮的灯光。老套的浴室没有能力把这种个性化需求满足。而且智能浴室控制系统能把用户在手机里的操作给实现让每个用户都能在浴室中拥有符合自身喜好的舒适环境。在这样背景下使用单片机平台为基础搭建核心架构去设计一个浴室智能控制系统它会借助温度传感单元采集环境温度信息再让温控单元监测卫浴空间温度还要利用湿度传感单元测量浴室湿度把空气质量通过空气质量监测模块检测依靠光照感应模块捕获光照强度数据让人体存在状态能被人体感应模块识别实现多种多样的数据采集。根据这些实时、精准的检测数据系统能智能化地对浴室的进行加热制冷去调节环境温度、空气质量及照明设施可以被自动调节为用户营造舒适的浴室环境。同时这次的设计还融入了语音指令及蓝牙连接技术让用户可以轻松地控制音乐播放器以达到放松的目的。再者就是能源资源每刻都在被大量消耗节能减排被各领域看作是发展重要方向。浴室作为家庭用水、用电的主要场所它的能源利用效率还要进一步提升。智能浴室控制系统可通过优化设备运行逻辑根据实际使用情况去控制加热、制冷和通风等能有效降低能源消耗实现节能减排目标。于是这次设计使用了一种新型的电加热装置通过接通电源启动装置的加热共能可以显著提升室内温度也可用于浴室内镜子的除雾。待室内水雾完全消散后该装置能够自动中止运行。并且这次的设计还具备监测浴室空气质量、探测人体红外热释电信号及感应光照强度的功能。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状随着科学技术强调性的发展与应用可编程逻辑控制器在产业、科学研究和其他领域被广泛使用。2022年佟赫使用三菱电机PLC触摸屏集成机作为核心控制器当智能浴室开始工作时控制系统会按照指定的水压控制水输出自动清洗适当的水温、室温及对人体的研磨力。他设计的装置对人体位置的感知采用光电红外传感器整个自动清洗装置使用压力传感器温度控制采用PLC的模拟读取模块。该控制系统便于被老年人操作,具有节约用水、成本低、易于维护以及稳定性强等特点。吴雅珽2023设计了一种关于浴室环境的智能控制系统主要把ZigBee无线电RF通信协调员终端PC由监视接口的4个部分组合。以STC89C52RC微控制器为核心芯片DHT11温湿度传感器MQ-7有害气体传感器ADC0832芯片及热电效应BISS0001红外线热电处理芯片等构成。这个设计把浴室环境信息、人体心率监测、自动开启风扇、自动报警、人员检测、水温自动调节等功能实现了浴室的安全性和智能性被大大改善[2]。王宁2023的系统设计是把STC89C52微控制器作为核心的公共浴室装置。DHT11温湿度传感器用于收集空气中的温度数据它内置A/D转换功能用来把收集到的模拟信号转换为数字信号。然后把数字信号交由微控制器进行分析和处理处理后的数据为LCD1602的双曲正切值。同时微控制器还可以智能控制公共浴室系统的工作状态。设计中还配备了水位监视电路和防止低水位造成硬件损伤的警报电路。系统具有简单电路、传感器灵敏度高、采集数据精度高、安全性高的优点[3]。汪丹丹2025把家庭安全漏洞作为目标STC12C5A60S2微控制器包括散射反射红外线开关和SIM800L与模块结合把这个组合作为核心控制器用于实现异常滞留监测和老年人浴室即时报警。结果显示该智能监测系统灵敏高效安装便捷实用性强适于推广有效保障老人安全[4]。1.2.2 国外研究现状2020年JYPark独出心裁研发了一款具有创新意义的防雾浴室配件。该配件精巧地将阀门与浴室洗手盆下水龙头相联结巧妙实现除味功能。启用水龙头时水流即经卫浴设施上精密设计的微细管孔喷洒而出。此装置仅凭水与阀门的协同机理便达成了既经济又高效的除味成效。同年为弥补浴室健康监测领域的技术空白Chapron的跨学科团队历时两年研发出一款基于红外接近传感器的智能传感器平台。这个平台突破传统环境监测局限通过多传感器融合技术能够精准识别如厕、淋浴等基础浴室活动为用户提供非侵入式健康监测服务。为验证系统性能他们开展了为期6个月的实地测试招募了200名不同年龄、性别的志愿者参与实验。为了测试环在不同环境下的表现涵盖家庭浴室、养老院卫生间等10种典型场景有效数据累计被采集到128,000条。实验结果显示系统在活动识别方面表现卓越评分高达96.94%非常明显的好于市场上同类产品的平均水平88.3%。在活动持续时间监测时系统测量值与实际值的平均误差仅为5.8秒医疗监测场景的精度要求被满足。特别值得一提的是系统在复杂场景下展现出强大的鲁棒性即使在浴室被多人连续使用、传感器部分被遮挡等极端情况下它仍然能保持93.6%的识别准确率。2022年弗里德曼涉足浴室设计领域其匠心独运的浴室空间通过多重墙体的精妙分隔包括外围墙体营造出独树一帜的内部构造。浴室外墙巧妙地融入至少一扇窗户其旁则安置着一张梳妆台台上悬挂着至少一面卫浴镜。正面观之窗户的部分边缘与卫浴镜外框交相辉映形成巧妙的视觉延伸。此番设计令自然光线得以巧妙绕过卫浴镜边缘温柔地渗透至室内为用户提供了相较于传统浴室人造光源更为温馨、自然的照明感受。浴室被作为英国家庭住宅热水的主要场地。2025年ToyosiK.Oye为了在浴室中获得高效的水和能源消耗把“智能”和“可持续”的概念作为最基本的设计思路。因此他选用浴室系统开发智能/智能能源模糊逻辑控制去最大程度地减少能耗。这个过程可以自动控制浴室的水流和温度。有一个关键的发现随着最小速度快速上升时间和零稳态误差等数据的结合这个系统的步骤响应非常有效。结果还表明模糊逻辑控制在其运行效率上是有效的可以把能耗降低。1.3 研究目标1、环境温度由DS18B20传感器实施监测而浴室内空间的温度会让另一DS18B20传感器探测。当我们启动防雾模式后浴室镜会根据我们设置好的需求自动加热或制冷。2、通过DHT11检测湿度值当湿度大于设置的阈值时进行通风除湿。3、通过MQ-135检测空气质量当空气质量值大于设置的阈值时进行通风换气。4、通过音乐播放器播放音乐。5、通过光敏电阻检测光照。6、D203S传感器专门用于探测人体释放的热辐射能量以精准判断空间内的人员存在状态。当该传感器探测到人体存在且当前环境光照强度低于预设的最低光照阈值时照明系统会自动激活为环境提供照明。7、通过按键设置各阈值、手动开关照明灯、切换防雾模式、播放音乐。8、通过显示屏显示各测量数据。9、各项测量数据均可通过蓝牙模块高效地传送至手机端且手机端亦能实现对灯的开关、防雾模式的开启关闭及音乐的播放与否。10、通过语音控制开关灯、开关防雾、开关音乐。第2章 系统方案设计2.1 整体方案设计图2.1 系统框图这个设计把单片机作为中枢控制核心多个功能模块被使用于是构建了一个全面的系统架构。这个系统被划分为中控模块、信息输入模块及结果输出模块三大组成部分。把单片机作为中央控制的智能核心并把接收的输入模块的信息通过其内部的精密算法与逻辑处理机制对输出模块实施精确调控。把信息输入模块设计了三重保障机制先是设计了温度感知单元能够把环境温度的微妙变化敏锐地捕捉然后又设计了按键操控组件便于用户进行界面切换、阈值预设及模式转换等操作还有电力供给模块为整个系统提供持续稳定的能源支持。输出模块在这次的设计中同样很重要把显示界面、继电器组件及音乐播放模块三部分作为输出。监测数据及预设阈值能够被显示界面直观地展示继电器组件则被应用于加热与制冷两大功能的控制音乐播放模块则在接收到用户语音指令或蓝牙控制信号时即时播放悦耳音乐。尤为值得一提的是蓝牙模块兼具输入与输出的双重功能能够与智能手机实现无缝对接既能够把监测数据每时每刻传送到用户手机里面又可以让用户通过手机把指令发送到这个模块远程控制继电器的运作及系统模式的切换。系统的大概框架即图2.1所示。2.2 主要器件选型选择2.2.1 主控芯片选择把STM32F103C6T6这款微控制器作为主控芯片这种32位单片机内置双串行通信接口、六组定时器模块、众多输入输出端口及三通道脉宽调制功能。同时IIC、SPI、IRDA、ADC、DAC等多种通信与转换协议被它所支持。把这些功能和特点用于此次设计它的资源足够丰富而且还能利用它的资源实现各种功能这个芯片除了这些特点更重要的是它在很多领域已经被使用很多年了所以它技术成熟并且价格相对来说便宜。此次系统把32位单片机作为最重要的芯片选用更多的是因为适配它的软件多而且好编辑、价格还非常亲民且资源又丰富。STM32见图2.2.1。图2.2.1 STM32安装在电路板上2.2.2 环境温度检测模块选择这部分模块选择了DS18B20传感器虽然DS18B20有几个缺点即通信速度比较慢温度转换时间长且及只能测量温度但是它可以减少与硬件的连接降低我们在使用它时的复杂性和成本而且它的测量精度非常高测量范围特别宽还可以适应很多复杂的环境还有一点是它的抗干扰能力特别强它采集到的信息通过数字信号的形式被传输稳定好。还要更加重要的一点它的体积小方便安装。详情见图2.2.2。图2.2.2 DS18B20安装在电路板上2.2.3 湿度检测模块选择DHT11温湿度传感器被选择主要是因为它的成本低而且通过数字信号输出不需要用复杂的模拟数字转换电路就可以把湿度数据直接提供出来还会使接口设计变得简单。而且它的尺寸较小被安装在小设备上非常容易配合其他模块。它还有良好的稳定性、较强的反干扰能力把它用在复杂的电磁环境中也可以正常工作。使用它也比较简单安装驱动程序也更加容易开发的困难性可以被它大大减小。详情见图2.2.3。图2.2.3 DHT11传感器2.2.4 空气质量检测模块选择把MQ-135传感器应用在本模块考虑到它可以检测出来的气体种类比较多在复杂环境下还能做到综合性监测并且它的灵敏度较高很快就可以反应出气体浓度的改变虽然它也存在测量精度较小对气体分辨性较差但也因为它的体积小容易被集成到设备里面而且使用较为简单设计它的电路模型也比较方便最终选择了这个传感器作为该模块的主要传感器。详情见图2.2.4。图2.2.4 空气质量检测模块2.2.5 人体热释电检测模块选择把D203S传感器放在这个模块因为它能快速的检测到人体放出的红外线对人体的移动有着非常好的感应效果精确性非常高同时它还具备非常低的能耗还拥有非常长的使用寿命也因其小巧的特点把它应用在此次设计中可以使此次设计更加灵活。它的缺点就是检测范围比较小但是浴室内的空间一般都不会太大所以与其它型号相比选用它不仅成本低还更加节能。详情见图2.2.5。图2.2.5 人体热释电检测模块2.2.6 光照强度检测模块选择此模块把光敏电阻用作检测光照的手段光电阻器的优点是灵敏度高对弱光产生很大的电阻变化正确检测光信号的微妙变化。它的光谱响应范围很广覆盖了紫外线到红外线的领域可以被用来检测各种波长的光适合于可见光检测和红外线检测等多个领域。其结构简单用半导体材料制作没有复杂的内部结构简单的制造工艺低成本大量生产容易在有成本要求的电子产品中可以广泛使用。同时在通常的使用条件下光电阻器具有稳定的性能不被温度和湿度等外部环境因素的影响。它可以长时间稳定工作具有很长的寿命。光敏电阻图见2.2.6。图2.2.6 光敏电阻2.2.7 语音识别模块选择选用SU-03T的优点是能正确识别语音命令支持离线工作模式即使在网络信号不好的地区也能正常工作的被广泛应用在人工智能领域。它还支持多种语言识别以非常快的应答速度简单地处理文华语、方言、外语。声音一被它检测到就马上开始行动。该模块还具有自然语言语音识别、文本到语音合成等功能。它不依赖云服务具有响应速度、稳定性和安全性的优点。能把长距离准确的语音识别及命令控制的专业级DSP采用芯片及远野麦克风技术给实现。同时它还支持离线语言包升级随时更新语音识别和合成技术改善用户体验。模块图见2.2.7。图2.2.7 语音识别模块2.2.8 音乐播报模块选择MP3播放器的优点是紧密符合特定设备的功能要求与设备的整体设计深入集成为设备使用情境提供更适合的操作体验。它的稳定性高被专业软件和硬件优化后可可以长期稳定地工作减少故障的可能性。它被大规模生产过程中通过综合设计可以减少硬件的数量简化电路降低成本。另一方面其紧凑的设计可以直接集成到设备电路板上节省空间适合空间有限的设备。音乐播放器见图2.2.8。图2.2.8 音乐模块2.2.9 显示模块选择OLED屏被选用是因为和其它屏比起来OLED屏只能显示单色被算作缺点可是它却有展示英文、中文、字母及汉字的能力并且还可以把它的分辨率设置到一个很高的水平。再加上它亮度高和成本低的特点OLED屏被很多先进的产品使用所以它被成为低成本方案中的极好的选择。显示数据的数量和清晰度被作为浴室屏幕的重点进行选择时要考虑降低成本以便于被大规模使用且减少前期投入的资金所以最后选用了OLED。显示屏幕见图2.2.9。图2.2.9 显示屏幕2.2.10 继电器模块选择SRD-05VDC-SLC能够把高负载能力作为自身优势它可以承载高达10A的负载电流进而把大功率负载驱动起来。5VDC的工作电压让它可以用在低电压环境在这方面它被给予了不一样的适配性。该继电器把快速响应作为一大特点具有毫秒级的开关速度能够把控制指令及时且准确地执行。在电气隔离方面它被设计得十分出色优秀的电气隔离性能够把控制系统保护起来让它不被高压冲击。由于不存在机械磨损部件在理论上它被认为具有较长的使用寿命其采用标准DIP封装这使得它便于被安装到 PCB板或现有系统中同时它内置EMI滤波器因此把外部电磁干扰的影响有效减少具备较强的抗干扰能力。故选择此型号继电器。继电器模块见图2.2.10。图2.2.10 继电器2.2.11 无线传输模块本次设计采用蓝牙技术以实现无线通讯功能鉴于蓝牙技术具有诸多显著优势如模块结构便于检测、操作流程简捷高效、成本经济合理故而在家用电器遥控领域得以广泛应用涵盖了调节空调温度、播放MP3音乐等多种功能。鉴于蓝牙技术在短距离调控浴室环境方面具有局限性同时考虑到其经济成本优势加之本次设计时间紧迫最终决定采纳蓝牙模块作为实现无线数据传输的技术方案。蓝牙模块见图2.2.11。图2.2.11 蓝牙模块第3章 系统程序设计3.1 编程软件及编写语言介绍3.1.1 编写软件介绍此设计所用到的编程软件为Keil5其界面如图3.1所示图3.1 Keil5开发界面这个设计中使用的编程软件Keil5来修改标记元素的显示属性。与其他编程环境相比Keil5嵌入软件开发人员喜欢使用它。51微控制器STM32,HC32,NXP以及其他芯片类型与之广泛兼容它还能生成HEX文件可以直接把文件装载到微控制器中所以Keil5可以通过单文件编译、部分编译和完全编译三种方法进行编译为使用者提供丰富的选择。编译结果显示在接口底部便于使用者发现错误并且快速修改错误。3.1.2 编写语言介绍此次设计是用编程中常用的C语言完成编写的它在硬件相关程序的写入方面具有广泛的应用。主要原因是C语言能把编写硬件控制程序用到的代码更好的维护使后续改进和扩展更方便。C语言的强大功能可以更高效地开发更大规模、更出色的性能系统。因此C语言作为这个微控制器设计的编程语言被使用能很好地处理内存访问和硬件相互作用达到系统的稳定性和可靠性。3.2 系统主流程设计在主程序的运行逻辑架构中各功能模块的执行脉络把while循环模式作为中央驱动。在进入循环迭代流程之前系统会把各模块进行初始化操作保证所有功能单元处于待命状态为后续良性运行奠定基础。当循环启动后第一个被触发执行的关键函数它的内部结构被两个关系密切的核心部分组成。函数执行的第一个重要环节就是调用键扫描函数。这个函数凭借它精密的信号检测与分析算法能够把用户的按键操作精准执行把物理按键的触发信号转化为系统能够识别的标准指令为后续的处理提供了关键的输入依据。函数的第二部分则围绕键值展开处理流程把获取到的不同键值去调用相应到的开关接口。这些开关接口就像中枢枢纽负责调度其他部件执行相应操作。比如为获取关键测量数据把相关驱动程序通过传感器收集各种环境参数再借助Bluetooth模块将实时监控数据毫无分差地传输到手机里面。在整个交互过程中手机被作为重要的控制终端用户可通过手机上的小程序把各类操作指示发送到设备。设备把接收的指令执行对应的处理流程实现远程操控的功能。与此同时系统使用显示功能把采集到的检测数据以及其他的关键信息比如设备运行状态等直观显示在显示界面方便用户实时掌握设备情况[5]。最后输入处理功能把用户的各种输入操作进行统一管理与解析确保设备能够把操作意图准确理解并执行。在DeFog模式下系统会一直监测浴室与周围环境的温度关系并按照检测到的数据执行不同的温控策略。当检测到浴室的温度低于周围环境温度时设备将启动加热慢慢提升浴室温度创建一个舒适的浴室环境若浴室温度高于环境温度制冷系统则被自动打开降低室内温度而当二者温度差不多时设备把温控系统关闭以维持稳定的环境温度。值得注意的是若设备未处于除雾模式无论是加热还是制冷功能都处于不可用状态以避免不必要的能源被消耗。在环境监测与调节方面当系统检测到湿度或气体浓度预先设定的最大值被超过时会马上启动通风系统加速空气流通改善室内空气质量一旦相关数值被降至设定阈值以下通风系统马上自动停止运行。另外在人员与光线检测场景下如果检测到有人存在且环境光线强度低于设定的最低值用户便能够通过手动操作来把照明设备打开或关闭满足个性化的使用需求。在语音识别方面用户即时发出的指令可以被精确辨识一旦检测到有人员存在装置依据所接收的指令执行相应操作。该模块借助串口与单片机实现连接以达成控制目标进而赋予用户操控音乐播放等功能的能力。系统流程图见图3.2。图3.2 程序总体流程图3.3 温湿度检测模块子流程先把引脚初始化再发送开始信号。DHT11响应后系统立即读取40位数据并以适当的间隔发送结束信号。拿到数据后对它进行解析与校验最终得出温湿度值。温湿度检测的子程序流程图详见图示3.3。图3.3 温湿度检测函数子流程图4.3 温度检测模块子流程首先把此传感器初始化然后发送“0xcc”命令省略掉64位ROM的识别步骤。再发送“0x44”命令开启温度调整功能。调整完成后传感器再次初始化。为了把有关ROM的操作减少需要反复发送“0xcc”命令。之后为了要求读寄存器的内容发送“0xbe”命令。然后依次获取低字节和高字节的温度数据并对它进行整理合并等操作。最后经过单片机处理得出精确的温度值。温度检测的子程序流程详见图3.4。图3.4 温度检测子流程图3.5 独立按键刚开始需要对按键引加以定义分配并清除状态。如果下一个模式标志显示1则表示连续按下时按钮状态设置为1。然后当按钮状态为1且按钮引脚处于低电平状态这两个条件都被满足时系统为了把抖动现象抑制将进行10ms的延迟操作把按钮状态标志恢复为0。再次检查按键销。如果它还在低水平则按键返回对应的按键值。相反如果按钮状态标志不是1或按钮针脚不是低平则取决于按钮针脚是否处于高平状态。如果已经处于高平的话就代表着按键抬起了这时候就把按键状态标志位重新设置为1并返回0值。要是按键引脚不是高电平即按键没抬起则直接返回0。独立按键的程序子流程详见图3.5所示。图3.5 独立按键子流程图3.6 OLED显示流程设计先把从机地址正确的配置好之后导入包含内存地址模式、显示时钟频率分割因子、多路比率、开始线位置、显示偏移设定、对比度调整、充电泵构成、显示模式等重要参数的一系列初始化指示。在把这些初始化指令执行了之后就会进入数据展示阶段。在这个阶段我们要把确定显示的起始坐标预先设置好然后再把程序去用作调用字模数组通过对比字模数组去定位我们需要展示的字模并激活数据写入函数确保数据能够准确无误地呈现在显示屏上。详情见图3.6。图3.6 OLED显示流程设计3.7 蓝牙模块流程先把计时器1的控制位清除发生溢出时为了让TH1能够重新加载到TL1需要适当设定8位自动重载模式即模式2。然后将串行端口设定为模式1模式1为8位UART模式支持可变板速率。接下来设定计时器1的重新加载值确认板速率最终达到9600。最后启动计时器1以启用串行和全局中断。串行端口初始化过程完成后每次接收数据时都会触发串行端口的中断。此时接收到的数据SBUF可以从寄存器读取并且可以清除接收中断标志以准备下一个数据接收。如果需要发送数据请调用发送函数SBUF在寄存器中写入数据清除发送中断标志。蓝牙流程见图示3.7。图3.7 蓝牙传输流程图第4章 硬件电路设计4.1 主控模块电路本次智能卫浴系统的核心控制器采用了STM32F103C6T6芯片此选择基于对产品性能、数据处理速度及串行通信接口数量的全面评估。虽然有成本更低的51系列但是它的处理速度慢且串口少本次设计的需求很难被它满足。因此在这次设计里STM32单片机被作为智能浴室系统的主控芯片靠它接收和处理传感器与按键的输入信号从而操控音乐的播放与继电器的工作确保各项功能能够顺利实现。把STM32F103C8T6作为本次浴室设计的中心处理器它是Cortex-M架构32位的微型控制中心。这个芯片有64个KB的程序存储空间最多64个MHz的频率的高性能内部振荡器被装备。此功能包括STM32在构筑最小系统时把追加的外部结晶振动器排除复杂的电路被它简化。同时STM32支持多种程序下载方法该设计方便JLINK工具用作下载路径。这次设计的智能浴室控制器为了避免程序的运行、程序的弯曲代码、或者使用中的用户的复位采用了复位以及按钮复位电源的调整作业方法。电源接通复位是在微控制器接通电源时自动复位按钮复位是在2个周期间维持高水平时系统复位。单片机电路结构的详细示意图参见图4.1。图4.1 单片机最小系统原理图4.2 环境温度测量电路浴室环境温度和卫浴温度由来自美国的DS18B20传感器进行检测跟如今比较老旧的热敏电阻比起来DS18B20能实时检测当前温度而且精度较高优势显著。DS18B20传感器把它检测到的温度传输给单片机处理有利于单片机对其数据进行分析而热敏电阻主要搞的是模数转换DS18B20被作为数字式温度传感元件它仅仅需要三条数据线就可以实现其功能能读到小数点后两位那么精确的温度值[6]。还有DS18B20还能进行写入操作原理和读操作差不多只需要通过那根数据线写就行。关于水质与水温的模块电路设计详情见图示4.2。图4.2 环境温度检测模块原理图4.3 湿度检测模块电路在此次设计中使用了DHT11温湿度传感器去检测当前环境的湿度情况。这个传感器不仅能拿去检测湿度还能用它进行自动校准可以提高测量数据的可靠性。它还具有体积小、响应速度快、能耗低且抗干扰性能强的特点。我们知道DHT11传感器和STM32内部的比较器可以进行协同把它们的协同功能去用作设定除湿阈值这样会比较便捷[7]。比较器里有模拟量采集系统能输出模拟量所以用STM32的模数转换器ADC采集到的环境湿度值更精确。该模块是4引脚封装的1引脚接电源4引脚接地2引脚用10K的上拉电阻连到电源VCC且另一头接单片机的P103引脚空着。传感器与单片机间的电路连接方式请参见图4.3。图4.3 温湿度检测模块原理图4.4 空气质量检测模块电路MQ-135模块用于检测浴室环境的空气质量可以同时输出数字信号和模拟信号。这个设计的目的是把空气质量的特定值检测出来所以为了确认有害气体把模块的3号脚连接到了微控制器上。4号脚检测空气质量特定值。关于检测模块电路引脚配置的电路连接请参见图4.4。图4.4 空气质量检测模块原理图4.5 人体热释电检测模块电路此次设计把人体热释电模块用作于检测浴室内有没有人这个模块以能够精确的检测有无人员为特点被经常使用它的工作原理就是能精准抓到人体释放的热辐射还能对此进行分析。具体而言人体热释电检测模块的1引脚连接电源VCC2引脚接GND3引脚把是否有人的检测信息传输给单片机。有关人体热释电检测模块的详尽构造参见附图4.5。图4.5 人体热释电检测模块原理图4.6 光照强度检测模块电路本次浴室光照强度检测采用了光电阻器被用作感测元件。由于光电阻器电阻根据光强度的变化而不同该模块通过精确测量不同阻值所对应的电压分配情形从而间接地评估当前的光照强度。详细的工作原理图示可参阅图4.6。图4.6 光照强度检测模块原理图4.7 语音识别模块电路本次设计融入了语音识别模块用以精确辨识用户即时发出的指令一旦检测到用户存在即依据所接收的指令执行相应操作。该模块借助串口与单片机实现连接以达成控制目标进而赋予用户操控音乐播放等功能的能力。其设计原理图详见附图4.7。图4.7 语音识别模块原理图4.8 音乐播报模块电路在本次设计中使用了音乐模块把音乐播放的功能实现。系统一旦检测到用户发出的音乐播放控制指令便会即刻激活音乐播放流程。音乐播放器的TX引脚编号为10经由音乐模块与单片机的PA1引脚实现了精密对接此精妙构思精准满足了广大用户在浴室中享受音乐体验的需求[8]。音乐播放相关的引脚连接图示详见图4.8。图4.8 音乐播放模块原理图4.9 显示模块电路本次设计精妙地将浴室内的温湿度及卫浴设施温度等核心数据整合至显示屏之上用户仅需一视即可通过此显示屏轻松获取全面的监测信息[9]。显示屏的接线流程极为简捷其GND引脚1号与电源负极相接VCC引脚2号则接入3.3V电源D0引脚3号作为时钟信号线当处于高电平时确保单片机与显示屏间的数据传输畅通否则数据传输中断D1引脚4号则担任数据串口角色精准无误地将单片机所检测的数据传送至显示屏。有关其原理的详细图解请参阅附图4.9。图4.9 显示模块原理图4.10 继电器模块电路四个继电器被此次设计采用分别用于浴室卫浴的制冷、加热环境的照明和通风末端执行模块的驱动继电器本设计选的是SRD-05VDC-SLC电磁继电器芯片在执行最终操作的过程中为了控制最终操作的执行向继电器发送运行信号。作为控制开关进入电路PNP有晶体管晶体管的C终端接地E终端与继电器一个输入终端连接B终端通过1000欧姆电阻GPIO连接到插针继电器的其他输入终端为3.3V的VCC连接到电压。同时二极管反过来连接在继电器的2个输入终端之间过滤逆电流。在该电路中晶体管被当成开关。它的工作原理是GPIO输出高电压时晶体管B终端和E终端之间没有电压差和传导电流不能通过继电器流动。继电器正常工作。GPIO输出低电平时晶体管B终端和E终端之间有电压差和传导电流通过继电器流动继电器关闭、不正常工作[10]。电路设计见图4.10。图4.10 继电器模块原理图4.11 蓝牙模块电路在这次智能浴室控制系统的设计中蓝牙与用户的手机之间通过串口实现了精妙联结这一设计把系统的智能化和便捷性打下了一个坚实的基础。在被用户使用时需要打开手机上微信的蓝牙调试小程序这个小程序界面非常简单但是它的操作非常方便能够被用户非常容易的完成与蓝牙模块的配对操作。在配对的过程中这部分模块使用了先进的加密技术保障了连接的安全性与稳定性还能防止数据被泄露与其它的非法接入[11]。当蓝牙配对成功后用户在手机端发出的指令把声波当成媒介通过无线的方式快速传递至蓝牙模块。用户可以自己使用的指令包括对浴室设备各种使用比如开灯关灯、打开关闭防雾模式、开关音乐等。由于我们的蓝牙模块具有灵敏度高与反应快的特点一旦它接收到指令就会立刻把指令交给单片机进行处理。单片机作为整个系统的核心控制中心它凭借超强的运算能力与高效的处理逻辑能够把指令快速解析并依据指令要求把相应的设备快速控制起来它能有效确保指令执行的准确性与设备的响应速度。与此同时为了把系统的安全性与可靠性提升上去这次的系统还具备一定的提示功能。当出现异常情况被系统感知到时当重要操作被执行时它会自动把提示信息推送到用户的手机上。这些提示信息会尽可能详细准确能够让用户第一时间了解浴室的运行状态以便于及时采取应对措施。在连接机制上当蓝牙主端设备发起呼叫时它会启动一种的搜寻机制先是搜寻附近可探测的蓝牙设备。在搜寻时系统会把周围的蓝牙信号进行筛选与识别优先选择信号稳定、兼容性强的设备进行连接。一经发现合适的设备蓝牙主端设备会迅速与目标设备建立稳定的连接把一个可靠的通道提供给数据传输与指令交互确保整个浴室控制系统在蓝牙操控时的流畅性与稳定性为用户带来便捷、智能且安全的使用体验。原理图见4.11。图4.11 蓝牙模块原理图第5章 实物调试5.1 浴室温度检测在本次智能卫浴系统的设计中温度检测模块被作为核心组成部分采用了双传感器各自独立检测的机制把精准的数据采集与先进的算法融合实现了对环境温度与卫浴空间温度的实时、精确监测。这个系统主要被环境温度传感器、卫浴空间温度传感器、信号调理电路、数据采集模块和温度融合算法等部分组成形成了一套完整的温度监测网络[13]。当卫浴空间温度被检测至偏低时系统将自动激活加热继电器进入运作模式实物测试成效详见图示5.1。图5.1 温度过低实物测试图当卫浴空间的当前温度超出预设的最高阈值时制冷继电器即自动激活并进入运行状态实物测试的具体效果请参见图示5.2。图5.2 温度过高实物测试图5.2 浴室湿度检测在本次设计中DHT11温湿度传感器模块被拿来监测当前环境的湿度状况[12]。当检测到实际湿度超过预设的最大阈值时系统将自动触发通风继电器执行除湿作业。实物测试的具体成效请参见图5.3。图5.3 湿度过高实物测试图5.3 浴室空气质量检测本次研发的智能卫浴系统采用MQ-135传感器对浴室空气质量进行实时监测。若监测数据超越预设的最大阈值系统将自动激活通风继电器运行。实物测试的具体成效详见图5.4。图5.4 空气质量检测实物测试图5.4 人体热释电及浴室光照强度检测当浴室中的人体被感应模块通过人体热释电模块检测到有人体存在的信号时系统会立刻触发环境光线检测流程。此时光照传感器会把实时采集到的当前浴室的光线强度数据与提前设定在系统里的最低光照阈值进行对比。若检测到的结果为当前光线亮度低于预设的最低阈值意味着环境光线不足以提供较好的视觉照明设备将会迅速做出反应人员离开浴室被人体感应模块检测到后系统不会立刻关闭照明设备反而会延迟一段时间以确保用户有足够的时间完成后续动作。实物验证场景详见图示5.5。图5.5 检测到人员并且光照强度较低测试图5.5 音乐播放检测此次设计的音乐播放模块使用了MP3播放器。这个模块不仅可以通过按键控制音乐的播放还能被蓝牙连接从而在手机上进行控制。音乐被储存在内存卡里。音乐播放见图5.6.图5.6 音乐播放测试5.6 显示模块检测显示模块可以把包括环境温度、浴室温度、空间湿度、气体浓度、光照强度以及防雾模式是否打开的情况清楚地显示在屏幕上。详情见图5.7。图5.7 显示模块测试图5.7 卫浴蓝牙检测本次研发的智能卫浴系统能够借助蓝牙技术将监测信息无线传送至手机端从而实现设备的智能化[15]。用户仅凭智能手机即可便捷地发布指令灵活调节浴室灯光的明暗、防雾功能的启停以及音乐播放的开关状态[14]。具体实测效果详见图示5.8。图5.8 卫浴蓝牙实物测试图结 论我国智能卫浴市场方兴未艾众多卫浴品牌辨识度尚待提升且普遍聚焦于材质安全这一核心卖点。随着市场日益成熟与健全卫浴产品将超脱基础使用功能的局限向更高层次迈进。智能卫浴用户在选购时愈发重视产品使用过程中的便捷性与实用性考量。这次的智能浴室控制系统功能还算丰富而且能相互配合。在温度监测方面采用DS18B20传感器一个被用来环境温度监测另一个拿去浴室内做一个空间温度探测并且在防雾模式被打开后浴室镜可根据设定需求自动进行加热或制冷操作。湿度情况被DHT11传感器检测当它检测到的湿度值大于预先设置的最大值时系统就开通风除湿。空气质量的监测被MQ-135传感器执行一旦空气质量值超过设置的最大值就会启动通风换气功能。音乐播放功能被MP3音乐播放器完成。光照检测就使用了光敏电阻完成。D203S传感器被拿去探测人体释放的热辐射能量从而判断有没有人在浴室当探测到人在在浴室内而且环境光照强度低于预设最低光照阈值时照明系统会自动开启。在这次设计的操作方面用户可以通过按键设置各项阈值手动控制照明灯开关、切换防雾模式以及播放音乐。还要一块显示屏可以展示各测量数据。同时各项测量数据能通过蓝牙模块快速传送至我们的手机手机不仅能接收数据还能控制灯的开关、防雾模式的开启与关闭以及音乐的播放等操作此外还支持语音控制开关灯、开关防雾功能以及音乐的开关为用户提供了便捷、智能的浴室使用体验。本文所述内容经反思后不难发现受个人经验与能力所限文中势必存有若干瑕疵。本次设计聚焦于浴室卫浴行业的现状而当前设计尚处于初级模拟阶段成效尚未彰显。望此次设计的智能浴室控制系统能满足人们对浴室体验的需求激发学界及设计界同仁的广泛兴趣促使人们深入探究智能卫浴的多元功能悉心体察用户的实际需求以期共创更为优越的生活空间。致 谢在设计的探索之旅中我深受导师的精心培育。导师学识广博为我提供了极大的助益。她不仅向我传授设计的核心要义与策划的高超技艺更在我遭遇困境之际屡次慷慨相助及时为我消除疑难。整个历程中导师倾注心血无数从论文选题的审慎甄选、设计方向的明确确立直至作品的周密布局均给予了我精准且富有前瞻性的指导与规划。在论文撰写与实物创作的历程中尽管肩负繁重的教学职责老师仍慷慨拨冗以严谨细致的态度对我的论文进行修订与审阅。我则经过长时间的资料搜集、元件采购、实物构建及软件编程之艰辛历程终使论文与实物臻于完善。数载不懈之努力与辛勤耕耘终获丰厚回报。随着毕业论文的圆满完成与实习经历的完美谢幕我的大学生活悄然步入了终章落下了具有深远意义的帷幕。这段转瞬即逝的大学时光恍若白驹过隙历经两季更迭虽短犹长镌刻着无数隽永的记忆。其间既有课业繁重的困扰也有新知汲取的喜悦。我从一个青涩稚嫩的少年逐步成长为一个勤勉进取的青年。此番蜕变得益于学校的精心栽培、老师的循循善诱以及同窗与挚友的鼎力支持。是他们引领我品味人生甘饴直面生活挑战。而今虽初涉人生旅途却已至离别之际在此我向所有助我成长之人致以最深的敬意与最诚挚的感谢。在学业旅程圆满落幕之际我满怀感恩之心回溯往昔向自幼辛勤培育我茁壮成长的双亲致以最深切的敬意与感激。若无他们矢志不渝的支持与毫无保留的付出断无今日之成就。衷心致谢于吾父吾母是您们的养育之恩、深切体恤与持续激励犹如璀璨明灯照亮了我人生的前行之路。每当我有所建树您们总是以温馨的微笑相伴赋予我鼓励与赞誉而当我面临困境与挑战唯有您们坚定不移地鼓励我、信任我。这一切宛若不竭的动力之泉使我满怀信心无惧前行。爸爸妈妈您们永远是我生命中最为坚实的后盾。此外我谨向同班的伙伴们致以诚挚的谢意。在撰写论文的艰辛历程中他们慷慨相助给予了我莫大的鼓舞与支持。我们时常围炉共商热烈探讨设计构思细致入微地甄选每一模块所需器件并孜孜不倦地搜集资料悉心研习前辈们的杰出设计案例。正是得益于这份并肩奋战的默契我得以汲取无尽灵感从而打造出更为卓越的设计方案为论文增色添彩。也因此我的论文方能顺利且圆满地告竣。参考文献廖兵宾,冯博,陈乐帆,雷嘉欣,佘俊辉,邢应寿.基于单片机的智能浴室控制系统设计[J].大众科学,2024,45(23):16-18.吴雅珽,李婧瑶,赵和锋,等.一种浴室环境智能控制系统设计[J].山西电子技术,2023,(05):43-45.王宁,徐凯,曾梓城,等.智能公共浴室系统的研究与设计[J].现代信息科技,2023,7(02):145-148152.DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.02.036.汪丹丹.基于单片机的独居老人浴室智能监测系统设计[J].数字通信世界,2025,(02):73-7578.彭华亮.智能卫浴设备的用户界面设计研究[J].陶瓷,2025(2):64-67.蒋祥龙,李诗芸.农用太阳能热水器测控仪控制系统设计[J].数字农业与智能农机,2024(2):32-3566.陈娟,竺兴妹.基于STM32单片机的智能取暖系统[J].电子测试,2021,32(24):11-13.Wen,Xinglin.Using 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L. Cheng.Intelligent Bathroom Lift[C].2019:137-138.李曾婷.2024年智能卫浴电器行业技术交流会在厦门召开[J].电器,2024(9):54-57.附 录附录原理图
基于STM32F103的智能卫浴环境监测与控制系统设计技术说明本文围绕智能卫浴环境监测与控制系统进行嵌入式开发复盘重点整理STM32F103主控、DS18B20温度检测、DHT11湿度采集、MQ-135空气质量监测、人体与光照检测、OLED显示、防雾控制和蓝牙通信等技术要点。内容用于单片机应用、传感器采集和环境控制方法交流不涉及产品推广或销售服务。摘 要随着智能家居技术的快速发展卫浴设备作为家庭中的重要组成部分各类功能型装饰品悄然融入家居环境之中其智能化设计越来越受到重视。然而卫生间卫浴设施的相关问题依旧悬而未决。此次设计把STM32作为核心芯片用一个DS18B20传感器检测环境温度再用另一个DS18B20传感器检测浴室温度以便于在用户使用防雾模式时装置可以自我加热或制冷。然后通过使用湿度传感器检测浴室内的湿度当湿度设定的阈值被超过时打开风扇通风。其次通过MQ-135传感器检测当前空气质量当室内空气质量值高于设定的最大值时启动风扇。还有通过音乐播放器可播放音乐、通过光敏电阻检测光照值以及D203S传感器专门用于探测人体释放的热辐射能量去判断空间内是否有人存在。当它探测到有人存在且当前环境光照强度低于预设的最低光照阈值时照明系统会自动激活为环境提供照明。该装置可以通过按键调整各项数据阈值、开关灯、防雾模式、音乐在显示画面上显示各种测量数据还可以通过Bluetooth模块把数据迅速发送给手机。并且手机可以远程开启/关闭照明切换防雾模式播放音乐。音频模块可用于控制开/关照明改变防雾模式播放音乐。这次发明的智能卫浴系统在实际测试中彰显了出色的除臭效能并能精确地将温湿度调节至用户预设的理想范围确保浴室空间既洁净无虞又卫生达标且操作体验流畅便捷。故而该设计项目具备深厚的研究底蕴与显著的实际应用价值。关键词STM32F103卫浴测控智能检测ABSTRACTWith the improvement of peoples living standards and the rise of interior decoration, various functional decoration has quietly entered the family, but the problem of bathroom bathroom has not been solved. This time, STM32 single chip computer is used for design. The design detects the ambient temperature through DS18B20, and the bathroom temperature through another DS18B20. When the anti-fog mode is turned on, the bathroom is automatically heated or cooled, and the humidity value is detected through DHT11. When the humidity is greater than the set maximum value, ventilation and dehumidification are carried out, and the air quality is detected through MQ-135. When the air quality value is greater than the set maximum value, ventilation is carried out, Music can be played through the music player, the light value can be detected through the photosensitive resistor, and whether there is a person can be detected through the D203S human pyroelectric detector. If there is a person, and the light is lower than the set minimum value, the lighting lamp will be automatically turned on, the threshold value can be set by pressing the key, the lighting lamp can be manually switched on, the anti-fog mode can be switched on, the music can be played, the measurement data can be displayed through the display screen, and the mobile terminal can be connected through the Bluetooth module, and the measurement data can be obtained from the mobile terminal, It can also control the lighting switch, switch the anti-fog mode, and play music. The voice recognition module can control the lighting switch, switch the anti-fog mode, and play music. After physical test, the intelligent bathroom designed in this design can achieve demisting, temperature and humidity within the appropriate range of user settings, keep the bathroom environment clean and sanitary, and users can use it easily and conveniently. Therefore, this design has certain research background and research significance.Key wordsSTM32F103;bathroom;Measurement and control;Intelligent detection第1章 绪论1.1 研究背景及其研究意义民众生活质量显著提高之际室内装潢风尚蔚然兴起各种具有辅助作用的室内用品被慢慢融入到房间之中。但是与卫生间卫浴设施的相关问题依然没有得到有效的处理。卫生的空间也在不断增大设备也在不断革新人们的需求也更加多样化卫浴的智能化也就成了一个很吸引人的功能更不用说宾馆饭店了。但是当人们进去卫浴间的时候总是会遇到各种各样的问题例如室内温度不适宜、气味难闻、湿度过高过低等等[1]。商用或家用浴室都装着卫浴设施。在人们进行洗浴时淋浴和泡浴都能让浴室内产生水蒸气。水蒸气碰到冷的物体表面就会起雾这会影响我们对浴室的正常使用和日常放松。人们经常用抹布去擦拭掉这些雾气但这种方法起到的效果并不怎么样。浴室里的雾气到处都是刚擦完马上就会被新的雾气覆盖。现在有研究说可以通过加热装置把室内加热到30至45度来消除雾气。市面上也已经出现有相关产品。但是浴室内没有人洗浴时大概率不会产生水雾。这时候加热让室内保持固定温度又耗能又不安全。最近几年物联网、传感器、自动化控制等技术被各大公司广泛应用在各种地方把很多发展的契机带给了浴室控制系统。把这些新的技术应用在浴室设备的相互连接与个性化控制。比如让温湿度传感器实时监测浴室环境参数再把浴霸、通风等设备的预设条件让它们自己调节去维持室内温湿度适宜。再者把能发现人体热释电的装置用来检测用户是否在浴室里让装置自动控制灯光、防雾模式等功能或设备的开关不仅能把用户使用装置的便利性提升还能达到节能的目的。还有一点每个人对浴室里的环境的喜好有所差异有些人喜欢较高的水温、温暖的灯光有些人则喜欢凉爽的温度、明亮的灯光。老套的浴室没有能力把这种个性化需求满足。而且智能浴室控制系统能把用户在手机里的操作给实现让每个用户都能在浴室中拥有符合自身喜好的舒适环境。在这样背景下使用单片机平台为基础搭建核心架构去设计一个浴室智能控制系统它会借助温度传感单元采集环境温度信息再让温控单元监测卫浴空间温度还要利用湿度传感单元测量浴室湿度把空气质量通过空气质量监测模块检测依靠光照感应模块捕获光照强度数据让人体存在状态能被人体感应模块识别实现多种多样的数据采集。根据这些实时、精准的检测数据系统能智能化地对浴室的进行加热制冷去调节环境温度、空气质量及照明设施可以被自动调节为用户营造舒适的浴室环境。同时这次的设计还融入了语音指令及蓝牙连接技术让用户可以轻松地控制音乐播放器以达到放松的目的。再者就是能源资源每刻都在被大量消耗节能减排被各领域看作是发展重要方向。浴室作为家庭用水、用电的主要场所它的能源利用效率还要进一步提升。智能浴室控制系统可通过优化设备运行逻辑根据实际使用情况去控制加热、制冷和通风等能有效降低能源消耗实现节能减排目标。于是这次设计使用了一种新型的电加热装置通过接通电源启动装置的加热共能可以显著提升室内温度也可用于浴室内镜子的除雾。待室内水雾完全消散后该装置能够自动中止运行。并且这次的设计还具备监测浴室空气质量、探测人体红外热释电信号及感应光照强度的功能。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状随着科学技术强调性的发展与应用可编程逻辑控制器在产业、科学研究和其他领域被广泛使用。2022年佟赫使用三菱电机PLC触摸屏集成机作为核心控制器当智能浴室开始工作时控制系统会按照指定的水压控制水输出自动清洗适当的水温、室温及对人体的研磨力。他设计的装置对人体位置的感知采用光电红外传感器整个自动清洗装置使用压力传感器温度控制采用PLC的模拟读取模块。该控制系统便于被老年人操作,具有节约用水、成本低、易于维护以及稳定性强等特点。吴雅珽2023设计了一种关于浴室环境的智能控制系统主要把ZigBee无线电RF通信协调员终端PC由监视接口的4个部分组合。以STC89C52RC微控制器为核心芯片DHT11温湿度传感器MQ-7有害气体传感器ADC0832芯片及热电效应BISS0001红外线热电处理芯片等构成。这个设计把浴室环境信息、人体心率监测、自动开启风扇、自动报警、人员检测、水温自动调节等功能实现了浴室的安全性和智能性被大大改善[2]。王宁2023的系统设计是把STC89C52微控制器作为核心的公共浴室装置。DHT11温湿度传感器用于收集空气中的温度数据它内置A/D转换功能用来把收集到的模拟信号转换为数字信号。然后把数字信号交由微控制器进行分析和处理处理后的数据为LCD1602的双曲正切值。同时微控制器还可以智能控制公共浴室系统的工作状态。设计中还配备了水位监视电路和防止低水位造成硬件损伤的警报电路。系统具有简单电路、传感器灵敏度高、采集数据精度高、安全性高的优点[3]。汪丹丹2025把家庭安全漏洞作为目标STC12C5A60S2微控制器包括散射反射红外线开关和SIM800L与模块结合把这个组合作为核心控制器用于实现异常滞留监测和老年人浴室即时报警。结果显示该智能监测系统灵敏高效安装便捷实用性强适于推广有效保障老人安全[4]。1.2.2 国外研究现状2020年JYPark独出心裁研发了一款具有创新意义的防雾浴室配件。该配件精巧地将阀门与浴室洗手盆下水龙头相联结巧妙实现除味功能。启用水龙头时水流即经卫浴设施上精密设计的微细管孔喷洒而出。此装置仅凭水与阀门的协同机理便达成了既经济又高效的除味成效。同年为弥补浴室健康监测领域的技术空白Chapron的跨学科团队历时两年研发出一款基于红外接近传感器的智能传感器平台。这个平台突破传统环境监测局限通过多传感器融合技术能够精准识别如厕、淋浴等基础浴室活动为用户提供非侵入式健康监测服务。为验证系统性能他们开展了为期6个月的实地测试招募了200名不同年龄、性别的志愿者参与实验。为了测试环在不同环境下的表现涵盖家庭浴室、养老院卫生间等10种典型场景有效数据累计被采集到128,000条。实验结果显示系统在活动识别方面表现卓越评分高达96.94%非常明显的好于市场上同类产品的平均水平88.3%。在活动持续时间监测时系统测量值与实际值的平均误差仅为5.8秒医疗监测场景的精度要求被满足。特别值得一提的是系统在复杂场景下展现出强大的鲁棒性即使在浴室被多人连续使用、传感器部分被遮挡等极端情况下它仍然能保持93.6%的识别准确率。2022年弗里德曼涉足浴室设计领域其匠心独运的浴室空间通过多重墙体的精妙分隔包括外围墙体营造出独树一帜的内部构造。浴室外墙巧妙地融入至少一扇窗户其旁则安置着一张梳妆台台上悬挂着至少一面卫浴镜。正面观之窗户的部分边缘与卫浴镜外框交相辉映形成巧妙的视觉延伸。此番设计令自然光线得以巧妙绕过卫浴镜边缘温柔地渗透至室内为用户提供了相较于传统浴室人造光源更为温馨、自然的照明感受。浴室被作为英国家庭住宅热水的主要场地。2025年ToyosiK.Oye为了在浴室中获得高效的水和能源消耗把“智能”和“可持续”的概念作为最基本的设计思路。因此他选用浴室系统开发智能/智能能源模糊逻辑控制去最大程度地减少能耗。这个过程可以自动控制浴室的水流和温度。有一个关键的发现随着最小速度快速上升时间和零稳态误差等数据的结合这个系统的步骤响应非常有效。结果还表明模糊逻辑控制在其运行效率上是有效的可以把能耗降低。1.3 研究目标1、环境温度由DS18B20传感器实施监测而浴室内空间的温度会让另一DS18B20传感器探测。当我们启动防雾模式后浴室镜会根据我们设置好的需求自动加热或制冷。2、通过DHT11检测湿度值当湿度大于设置的阈值时进行通风除湿。3、通过MQ-135检测空气质量当空气质量值大于设置的阈值时进行通风换气。4、通过音乐播放器播放音乐。5、通过光敏电阻检测光照。6、D203S传感器专门用于探测人体释放的热辐射能量以精准判断空间内的人员存在状态。当该传感器探测到人体存在且当前环境光照强度低于预设的最低光照阈值时照明系统会自动激活为环境提供照明。7、通过按键设置各阈值、手动开关照明灯、切换防雾模式、播放音乐。8、通过显示屏显示各测量数据。9、各项测量数据均可通过蓝牙模块高效地传送至手机端且手机端亦能实现对灯的开关、防雾模式的开启关闭及音乐的播放与否。10、通过语音控制开关灯、开关防雾、开关音乐。第2章 系统方案设计2.1 整体方案设计图2.1 系统框图这个设计把单片机作为中枢控制核心多个功能模块被使用于是构建了一个全面的系统架构。这个系统被划分为中控模块、信息输入模块及结果输出模块三大组成部分。把单片机作为中央控制的智能核心并把接收的输入模块的信息通过其内部的精密算法与逻辑处理机制对输出模块实施精确调控。把信息输入模块设计了三重保障机制先是设计了温度感知单元能够把环境温度的微妙变化敏锐地捕捉然后又设计了按键操控组件便于用户进行界面切换、阈值预设及模式转换等操作还有电力供给模块为整个系统提供持续稳定的能源支持。输出模块在这次的设计中同样很重要把显示界面、继电器组件及音乐播放模块三部分作为输出。监测数据及预设阈值能够被显示界面直观地展示继电器组件则被应用于加热与制冷两大功能的控制音乐播放模块则在接收到用户语音指令或蓝牙控制信号时即时播放悦耳音乐。尤为值得一提的是蓝牙模块兼具输入与输出的双重功能能够与智能手机实现无缝对接既能够把监测数据每时每刻传送到用户手机里面又可以让用户通过手机把指令发送到这个模块远程控制继电器的运作及系统模式的切换。系统的大概框架即图2.1所示。2.2 主要器件选型选择2.2.1 主控芯片选择把STM32F103C6T6这款微控制器作为主控芯片这种32位单片机内置双串行通信接口、六组定时器模块、众多输入输出端口及三通道脉宽调制功能。同时IIC、SPI、IRDA、ADC、DAC等多种通信与转换协议被它所支持。把这些功能和特点用于此次设计它的资源足够丰富而且还能利用它的资源实现各种功能这个芯片除了这些特点更重要的是它在很多领域已经被使用很多年了所以它技术成熟并且价格相对来说便宜。此次系统把32位单片机作为最重要的芯片选用更多的是因为适配它的软件多而且好编辑、价格还非常亲民且资源又丰富。STM32见图2.2.1。图2.2.1 STM32安装在电路板上2.2.2 环境温度检测模块选择这部分模块选择了DS18B20传感器虽然DS18B20有几个缺点即通信速度比较慢温度转换时间长且及只能测量温度但是它可以减少与硬件的连接降低我们在使用它时的复杂性和成本而且它的测量精度非常高测量范围特别宽还可以适应很多复杂的环境还有一点是它的抗干扰能力特别强它采集到的信息通过数字信号的形式被传输稳定好。还要更加重要的一点它的体积小方便安装。详情见图2.2.2。图2.2.2 DS18B20安装在电路板上2.2.3 湿度检测模块选择DHT11温湿度传感器被选择主要是因为它的成本低而且通过数字信号输出不需要用复杂的模拟数字转换电路就可以把湿度数据直接提供出来还会使接口设计变得简单。而且它的尺寸较小被安装在小设备上非常容易配合其他模块。它还有良好的稳定性、较强的反干扰能力把它用在复杂的电磁环境中也可以正常工作。使用它也比较简单安装驱动程序也更加容易开发的困难性可以被它大大减小。详情见图2.2.3。图2.2.3 DHT11传感器2.2.4 空气质量检测模块选择把MQ-135传感器应用在本模块考虑到它可以检测出来的气体种类比较多在复杂环境下还能做到综合性监测并且它的灵敏度较高很快就可以反应出气体浓度的改变虽然它也存在测量精度较小对气体分辨性较差但也因为它的体积小容易被集成到设备里面而且使用较为简单设计它的电路模型也比较方便最终选择了这个传感器作为该模块的主要传感器。详情见图2.2.4。图2.2.4 空气质量检测模块2.2.5 人体热释电检测模块选择把D203S传感器放在这个模块因为它能快速的检测到人体放出的红外线对人体的移动有着非常好的感应效果精确性非常高同时它还具备非常低的能耗还拥有非常长的使用寿命也因其小巧的特点把它应用在此次设计中可以使此次设计更加灵活。它的缺点就是检测范围比较小但是浴室内的空间一般都不会太大所以与其它型号相比选用它不仅成本低还更加节能。详情见图2.2.5。图2.2.5 人体热释电检测模块2.2.6 光照强度检测模块选择此模块把光敏电阻用作检测光照的手段光电阻器的优点是灵敏度高对弱光产生很大的电阻变化正确检测光信号的微妙变化。它的光谱响应范围很广覆盖了紫外线到红外线的领域可以被用来检测各种波长的光适合于可见光检测和红外线检测等多个领域。其结构简单用半导体材料制作没有复杂的内部结构简单的制造工艺低成本大量生产容易在有成本要求的电子产品中可以广泛使用。同时在通常的使用条件下光电阻器具有稳定的性能不被温度和湿度等外部环境因素的影响。它可以长时间稳定工作具有很长的寿命。光敏电阻图见2.2.6。图2.2.6 光敏电阻2.2.7 语音识别模块选择选用SU-03T的优点是能正确识别语音命令支持离线工作模式即使在网络信号不好的地区也能正常工作的被广泛应用在人工智能领域。它还支持多种语言识别以非常快的应答速度简单地处理文华语、方言、外语。声音一被它检测到就马上开始行动。该模块还具有自然语言语音识别、文本到语音合成等功能。它不依赖云服务具有响应速度、稳定性和安全性的优点。能把长距离准确的语音识别及命令控制的专业级DSP采用芯片及远野麦克风技术给实现。同时它还支持离线语言包升级随时更新语音识别和合成技术改善用户体验。模块图见2.2.7。图2.2.7 语音识别模块2.2.8 音乐播报模块选择MP3播放器的优点是紧密符合特定设备的功能要求与设备的整体设计深入集成为设备使用情境提供更适合的操作体验。它的稳定性高被专业软件和硬件优化后可可以长期稳定地工作减少故障的可能性。它被大规模生产过程中通过综合设计可以减少硬件的数量简化电路降低成本。另一方面其紧凑的设计可以直接集成到设备电路板上节省空间适合空间有限的设备。音乐播放器见图2.2.8。图2.2.8 音乐模块2.2.9 显示模块选择OLED屏被选用是因为和其它屏比起来OLED屏只能显示单色被算作缺点可是它却有展示英文、中文、字母及汉字的能力并且还可以把它的分辨率设置到一个很高的水平。再加上它亮度高和成本低的特点OLED屏被很多先进的产品使用所以它被成为低成本方案中的极好的选择。显示数据的数量和清晰度被作为浴室屏幕的重点进行选择时要考虑降低成本以便于被大规模使用且减少前期投入的资金所以最后选用了OLED。显示屏幕见图2.2.9。图2.2.9 显示屏幕2.2.10 继电器模块选择SRD-05VDC-SLC能够把高负载能力作为自身优势它可以承载高达10A的负载电流进而把大功率负载驱动起来。5VDC的工作电压让它可以用在低电压环境在这方面它被给予了不一样的适配性。该继电器把快速响应作为一大特点具有毫秒级的开关速度能够把控制指令及时且准确地执行。在电气隔离方面它被设计得十分出色优秀的电气隔离性能够把控制系统保护起来让它不被高压冲击。由于不存在机械磨损部件在理论上它被认为具有较长的使用寿命其采用标准DIP封装这使得它便于被安装到 PCB板或现有系统中同时它内置EMI滤波器因此把外部电磁干扰的影响有效减少具备较强的抗干扰能力。故选择此型号继电器。继电器模块见图2.2.10。图2.2.10 继电器2.2.11 无线传输模块本次设计采用蓝牙技术以实现无线通讯功能鉴于蓝牙技术具有诸多显著优势如模块结构便于检测、操作流程简捷高效、成本经济合理故而在家用电器遥控领域得以广泛应用涵盖了调节空调温度、播放MP3音乐等多种功能。鉴于蓝牙技术在短距离调控浴室环境方面具有局限性同时考虑到其经济成本优势加之本次设计时间紧迫最终决定采纳蓝牙模块作为实现无线数据传输的技术方案。蓝牙模块见图2.2.11。图2.2.11 蓝牙模块第3章 系统程序设计3.1 编程软件及编写语言介绍3.1.1 编写软件介绍此设计所用到的编程软件为Keil5其界面如图3.1所示图3.1 Keil5开发界面这个设计中使用的编程软件Keil5来修改标记元素的显示属性。与其他编程环境相比Keil5嵌入软件开发人员喜欢使用它。51微控制器STM32,HC32,NXP以及其他芯片类型与之广泛兼容它还能生成HEX文件可以直接把文件装载到微控制器中所以Keil5可以通过单文件编译、部分编译和完全编译三种方法进行编译为使用者提供丰富的选择。编译结果显示在接口底部便于使用者发现错误并且快速修改错误。3.1.2 编写语言介绍此次设计是用编程中常用的C语言完成编写的它在硬件相关程序的写入方面具有广泛的应用。主要原因是C语言能把编写硬件控制程序用到的代码更好的维护使后续改进和扩展更方便。C语言的强大功能可以更高效地开发更大规模、更出色的性能系统。因此C语言作为这个微控制器设计的编程语言被使用能很好地处理内存访问和硬件相互作用达到系统的稳定性和可靠性。3.2 系统主流程设计在主程序的运行逻辑架构中各功能模块的执行脉络把while循环模式作为中央驱动。在进入循环迭代流程之前系统会把各模块进行初始化操作保证所有功能单元处于待命状态为后续良性运行奠定基础。当循环启动后第一个被触发执行的关键函数它的内部结构被两个关系密切的核心部分组成。函数执行的第一个重要环节就是调用键扫描函数。这个函数凭借它精密的信号检测与分析算法能够把用户的按键操作精准执行把物理按键的触发信号转化为系统能够识别的标准指令为后续的处理提供了关键的输入依据。函数的第二部分则围绕键值展开处理流程把获取到的不同键值去调用相应到的开关接口。这些开关接口就像中枢枢纽负责调度其他部件执行相应操作。比如为获取关键测量数据把相关驱动程序通过传感器收集各种环境参数再借助Bluetooth模块将实时监控数据毫无分差地传输到手机里面。在整个交互过程中手机被作为重要的控制终端用户可通过手机上的小程序把各类操作指示发送到设备。设备把接收的指令执行对应的处理流程实现远程操控的功能。与此同时系统使用显示功能把采集到的检测数据以及其他的关键信息比如设备运行状态等直观显示在显示界面方便用户实时掌握设备情况[5]。最后输入处理功能把用户的各种输入操作进行统一管理与解析确保设备能够把操作意图准确理解并执行。在DeFog模式下系统会一直监测浴室与周围环境的温度关系并按照检测到的数据执行不同的温控策略。当检测到浴室的温度低于周围环境温度时设备将启动加热慢慢提升浴室温度创建一个舒适的浴室环境若浴室温度高于环境温度制冷系统则被自动打开降低室内温度而当二者温度差不多时设备把温控系统关闭以维持稳定的环境温度。值得注意的是若设备未处于除雾模式无论是加热还是制冷功能都处于不可用状态以避免不必要的能源被消耗。在环境监测与调节方面当系统检测到湿度或气体浓度预先设定的最大值被超过时会马上启动通风系统加速空气流通改善室内空气质量一旦相关数值被降至设定阈值以下通风系统马上自动停止运行。另外在人员与光线检测场景下如果检测到有人存在且环境光线强度低于设定的最低值用户便能够通过手动操作来把照明设备打开或关闭满足个性化的使用需求。在语音识别方面用户即时发出的指令可以被精确辨识一旦检测到有人员存在装置依据所接收的指令执行相应操作。该模块借助串口与单片机实现连接以达成控制目标进而赋予用户操控音乐播放等功能的能力。系统流程图见图3.2。图3.2 程序总体流程图3.3 温湿度检测模块子流程先把引脚初始化再发送开始信号。DHT11响应后系统立即读取40位数据并以适当的间隔发送结束信号。拿到数据后对它进行解析与校验最终得出温湿度值。温湿度检测的子程序流程图详见图示3.3。图3.3 温湿度检测函数子流程图4.3 温度检测模块子流程首先把此传感器初始化然后发送“0xcc”命令省略掉64位ROM的识别步骤。再发送“0x44”命令开启温度调整功能。调整完成后传感器再次初始化。为了把有关ROM的操作减少需要反复发送“0xcc”命令。之后为了要求读寄存器的内容发送“0xbe”命令。然后依次获取低字节和高字节的温度数据并对它进行整理合并等操作。最后经过单片机处理得出精确的温度值。温度检测的子程序流程详见图3.4。图3.4 温度检测子流程图3.5 独立按键刚开始需要对按键引加以定义分配并清除状态。如果下一个模式标志显示1则表示连续按下时按钮状态设置为1。然后当按钮状态为1且按钮引脚处于低电平状态这两个条件都被满足时系统为了把抖动现象抑制将进行10ms的延迟操作把按钮状态标志恢复为0。再次检查按键销。如果它还在低水平则按键返回对应的按键值。相反如果按钮状态标志不是1或按钮针脚不是低平则取决于按钮针脚是否处于高平状态。如果已经处于高平的话就代表着按键抬起了这时候就把按键状态标志位重新设置为1并返回0值。要是按键引脚不是高电平即按键没抬起则直接返回0。独立按键的程序子流程详见图3.5所示。图3.5 独立按键子流程图3.6 OLED显示流程设计先把从机地址正确的配置好之后导入包含内存地址模式、显示时钟频率分割因子、多路比率、开始线位置、显示偏移设定、对比度调整、充电泵构成、显示模式等重要参数的一系列初始化指示。在把这些初始化指令执行了之后就会进入数据展示阶段。在这个阶段我们要把确定显示的起始坐标预先设置好然后再把程序去用作调用字模数组通过对比字模数组去定位我们需要展示的字模并激活数据写入函数确保数据能够准确无误地呈现在显示屏上。详情见图3.6。图3.6 OLED显示流程设计3.7 蓝牙模块流程先把计时器1的控制位清除发生溢出时为了让TH1能够重新加载到TL1需要适当设定8位自动重载模式即模式2。然后将串行端口设定为模式1模式1为8位UART模式支持可变板速率。接下来设定计时器1的重新加载值确认板速率最终达到9600。最后启动计时器1以启用串行和全局中断。串行端口初始化过程完成后每次接收数据时都会触发串行端口的中断。此时接收到的数据SBUF可以从寄存器读取并且可以清除接收中断标志以准备下一个数据接收。如果需要发送数据请调用发送函数SBUF在寄存器中写入数据清除发送中断标志。蓝牙流程见图示3.7。图3.7 蓝牙传输流程图第4章 硬件电路设计4.1 主控模块电路本次智能卫浴系统的核心控制器采用了STM32F103C6T6芯片此选择基于对产品性能、数据处理速度及串行通信接口数量的全面评估。虽然有成本更低的51系列但是它的处理速度慢且串口少本次设计的需求很难被它满足。因此在这次设计里STM32单片机被作为智能浴室系统的主控芯片靠它接收和处理传感器与按键的输入信号从而操控音乐的播放与继电器的工作确保各项功能能够顺利实现。把STM32F103C8T6作为本次浴室设计的中心处理器它是Cortex-M架构32位的微型控制中心。这个芯片有64个KB的程序存储空间最多64个MHz的频率的高性能内部振荡器被装备。此功能包括STM32在构筑最小系统时把追加的外部结晶振动器排除复杂的电路被它简化。同时STM32支持多种程序下载方法该设计方便JLINK工具用作下载路径。这次设计的智能浴室控制器为了避免程序的运行、程序的弯曲代码、或者使用中的用户的复位采用了复位以及按钮复位电源的调整作业方法。电源接通复位是在微控制器接通电源时自动复位按钮复位是在2个周期间维持高水平时系统复位。单片机电路结构的详细示意图参见图4.1。图4.1 单片机最小系统原理图4.2 环境温度测量电路浴室环境温度和卫浴温度由来自美国的DS18B20传感器进行检测跟如今比较老旧的热敏电阻比起来DS18B20能实时检测当前温度而且精度较高优势显著。DS18B20传感器把它检测到的温度传输给单片机处理有利于单片机对其数据进行分析而热敏电阻主要搞的是模数转换DS18B20被作为数字式温度传感元件它仅仅需要三条数据线就可以实现其功能能读到小数点后两位那么精确的温度值[6]。还有DS18B20还能进行写入操作原理和读操作差不多只需要通过那根数据线写就行。关于水质与水温的模块电路设计详情见图示4.2。图4.2 环境温度检测模块原理图4.3 湿度检测模块电路在此次设计中使用了DHT11温湿度传感器去检测当前环境的湿度情况。这个传感器不仅能拿去检测湿度还能用它进行自动校准可以提高测量数据的可靠性。它还具有体积小、响应速度快、能耗低且抗干扰性能强的特点。我们知道DHT11传感器和STM32内部的比较器可以进行协同把它们的协同功能去用作设定除湿阈值这样会比较便捷[7]。比较器里有模拟量采集系统能输出模拟量所以用STM32的模数转换器ADC采集到的环境湿度值更精确。该模块是4引脚封装的1引脚接电源4引脚接地2引脚用10K的上拉电阻连到电源VCC且另一头接单片机的P103引脚空着。传感器与单片机间的电路连接方式请参见图4.3。图4.3 温湿度检测模块原理图4.4 空气质量检测模块电路MQ-135模块用于检测浴室环境的空气质量可以同时输出数字信号和模拟信号。这个设计的目的是把空气质量的特定值检测出来所以为了确认有害气体把模块的3号脚连接到了微控制器上。4号脚检测空气质量特定值。关于检测模块电路引脚配置的电路连接请参见图4.4。图4.4 空气质量检测模块原理图4.5 人体热释电检测模块电路此次设计把人体热释电模块用作于检测浴室内有没有人这个模块以能够精确的检测有无人员为特点被经常使用它的工作原理就是能精准抓到人体释放的热辐射还能对此进行分析。具体而言人体热释电检测模块的1引脚连接电源VCC2引脚接GND3引脚把是否有人的检测信息传输给单片机。有关人体热释电检测模块的详尽构造参见附图4.5。图4.5 人体热释电检测模块原理图4.6 光照强度检测模块电路本次浴室光照强度检测采用了光电阻器被用作感测元件。由于光电阻器电阻根据光强度的变化而不同该模块通过精确测量不同阻值所对应的电压分配情形从而间接地评估当前的光照强度。详细的工作原理图示可参阅图4.6。图4.6 光照强度检测模块原理图4.7 语音识别模块电路本次设计融入了语音识别模块用以精确辨识用户即时发出的指令一旦检测到用户存在即依据所接收的指令执行相应操作。该模块借助串口与单片机实现连接以达成控制目标进而赋予用户操控音乐播放等功能的能力。其设计原理图详见附图4.7。图4.7 语音识别模块原理图4.8 音乐播报模块电路在本次设计中使用了音乐模块把音乐播放的功能实现。系统一旦检测到用户发出的音乐播放控制指令便会即刻激活音乐播放流程。音乐播放器的TX引脚编号为10经由音乐模块与单片机的PA1引脚实现了精密对接此精妙构思精准满足了广大用户在浴室中享受音乐体验的需求[8]。音乐播放相关的引脚连接图示详见图4.8。图4.8 音乐播放模块原理图4.9 显示模块电路本次设计精妙地将浴室内的温湿度及卫浴设施温度等核心数据整合至显示屏之上用户仅需一视即可通过此显示屏轻松获取全面的监测信息[9]。显示屏的接线流程极为简捷其GND引脚1号与电源负极相接VCC引脚2号则接入3.3V电源D0引脚3号作为时钟信号线当处于高电平时确保单片机与显示屏间的数据传输畅通否则数据传输中断D1引脚4号则担任数据串口角色精准无误地将单片机所检测的数据传送至显示屏。有关其原理的详细图解请参阅附图4.9。图4.9 显示模块原理图4.10 继电器模块电路四个继电器被此次设计采用分别用于浴室卫浴的制冷、加热环境的照明和通风末端执行模块的驱动继电器本设计选的是SRD-05VDC-SLC电磁继电器芯片在执行最终操作的过程中为了控制最终操作的执行向继电器发送运行信号。作为控制开关进入电路PNP有晶体管晶体管的C终端接地E终端与继电器一个输入终端连接B终端通过1000欧姆电阻GPIO连接到插针继电器的其他输入终端为3.3V的VCC连接到电压。同时二极管反过来连接在继电器的2个输入终端之间过滤逆电流。在该电路中晶体管被当成开关。它的工作原理是GPIO输出高电压时晶体管B终端和E终端之间没有电压差和传导电流不能通过继电器流动。继电器正常工作。GPIO输出低电平时晶体管B终端和E终端之间有电压差和传导电流通过继电器流动继电器关闭、不正常工作[10]。电路设计见图4.10。图4.10 继电器模块原理图4.11 蓝牙模块电路在这次智能浴室控制系统的设计中蓝牙与用户的手机之间通过串口实现了精妙联结这一设计把系统的智能化和便捷性打下了一个坚实的基础。在被用户使用时需要打开手机上微信的蓝牙调试小程序这个小程序界面非常简单但是它的操作非常方便能够被用户非常容易的完成与蓝牙模块的配对操作。在配对的过程中这部分模块使用了先进的加密技术保障了连接的安全性与稳定性还能防止数据被泄露与其它的非法接入[11]。当蓝牙配对成功后用户在手机端发出的指令把声波当成媒介通过无线的方式快速传递至蓝牙模块。用户可以自己使用的指令包括对浴室设备各种使用比如开灯关灯、打开关闭防雾模式、开关音乐等。由于我们的蓝牙模块具有灵敏度高与反应快的特点一旦它接收到指令就会立刻把指令交给单片机进行处理。单片机作为整个系统的核心控制中心它凭借超强的运算能力与高效的处理逻辑能够把指令快速解析并依据指令要求把相应的设备快速控制起来它能有效确保指令执行的准确性与设备的响应速度。与此同时为了把系统的安全性与可靠性提升上去这次的系统还具备一定的提示功能。当出现异常情况被系统感知到时当重要操作被执行时它会自动把提示信息推送到用户的手机上。这些提示信息会尽可能详细准确能够让用户第一时间了解浴室的运行状态以便于及时采取应对措施。在连接机制上当蓝牙主端设备发起呼叫时它会启动一种的搜寻机制先是搜寻附近可探测的蓝牙设备。在搜寻时系统会把周围的蓝牙信号进行筛选与识别优先选择信号稳定、兼容性强的设备进行连接。一经发现合适的设备蓝牙主端设备会迅速与目标设备建立稳定的连接把一个可靠的通道提供给数据传输与指令交互确保整个浴室控制系统在蓝牙操控时的流畅性与稳定性为用户带来便捷、智能且安全的使用体验。原理图见4.11。图4.11 蓝牙模块原理图第5章 实物调试5.1 浴室温度检测在本次智能卫浴系统的设计中温度检测模块被作为核心组成部分采用了双传感器各自独立检测的机制把精准的数据采集与先进的算法融合实现了对环境温度与卫浴空间温度的实时、精确监测。这个系统主要被环境温度传感器、卫浴空间温度传感器、信号调理电路、数据采集模块和温度融合算法等部分组成形成了一套完整的温度监测网络[13]。当卫浴空间温度被检测至偏低时系统将自动激活加热继电器进入运作模式实物测试成效详见图示5.1。图5.1 温度过低实物测试图当卫浴空间的当前温度超出预设的最高阈值时制冷继电器即自动激活并进入运行状态实物测试的具体效果请参见图示5.2。图5.2 温度过高实物测试图5.2 浴室湿度检测在本次设计中DHT11温湿度传感器模块被拿来监测当前环境的湿度状况[12]。当检测到实际湿度超过预设的最大阈值时系统将自动触发通风继电器执行除湿作业。实物测试的具体成效请参见图5.3。图5.3 湿度过高实物测试图5.3 浴室空气质量检测本次研发的智能卫浴系统采用MQ-135传感器对浴室空气质量进行实时监测。若监测数据超越预设的最大阈值系统将自动激活通风继电器运行。实物测试的具体成效详见图5.4。图5.4 空气质量检测实物测试图5.4 人体热释电及浴室光照强度检测当浴室中的人体被感应模块通过人体热释电模块检测到有人体存在的信号时系统会立刻触发环境光线检测流程。此时光照传感器会把实时采集到的当前浴室的光线强度数据与提前设定在系统里的最低光照阈值进行对比。若检测到的结果为当前光线亮度低于预设的最低阈值意味着环境光线不足以提供较好的视觉照明设备将会迅速做出反应人员离开浴室被人体感应模块检测到后系统不会立刻关闭照明设备反而会延迟一段时间以确保用户有足够的时间完成后续动作。实物验证场景详见图示5.5。图5.5 检测到人员并且光照强度较低测试图5.5 音乐播放检测此次设计的音乐播放模块使用了MP3播放器。这个模块不仅可以通过按键控制音乐的播放还能被蓝牙连接从而在手机上进行控制。音乐被储存在内存卡里。音乐播放见图5.6.图5.6 音乐播放测试5.6 显示模块检测显示模块可以把包括环境温度、浴室温度、空间湿度、气体浓度、光照强度以及防雾模式是否打开的情况清楚地显示在屏幕上。详情见图5.7。图5.7 显示模块测试图5.7 卫浴蓝牙检测本次研发的智能卫浴系统能够借助蓝牙技术将监测信息无线传送至手机端从而实现设备的智能化[15]。用户仅凭智能手机即可便捷地发布指令灵活调节浴室灯光的明暗、防雾功能的启停以及音乐播放的开关状态[14]。具体实测效果详见图示5.8。图5.8 卫浴蓝牙实物测试图结 论我国智能卫浴市场方兴未艾众多卫浴品牌辨识度尚待提升且普遍聚焦于材质安全这一核心卖点。随着市场日益成熟与健全卫浴产品将超脱基础使用功能的局限向更高层次迈进。智能卫浴用户在选购时愈发重视产品使用过程中的便捷性与实用性考量。这次的智能浴室控制系统功能还算丰富而且能相互配合。在温度监测方面采用DS18B20传感器一个被用来环境温度监测另一个拿去浴室内做一个空间温度探测并且在防雾模式被打开后浴室镜可根据设定需求自动进行加热或制冷操作。湿度情况被DHT11传感器检测当它检测到的湿度值大于预先设置的最大值时系统就开通风除湿。空气质量的监测被MQ-135传感器执行一旦空气质量值超过设置的最大值就会启动通风换气功能。音乐播放功能被MP3音乐播放器完成。光照检测就使用了光敏电阻完成。D203S传感器被拿去探测人体释放的热辐射能量从而判断有没有人在浴室当探测到人在在浴室内而且环境光照强度低于预设最低光照阈值时照明系统会自动开启。在这次设计的操作方面用户可以通过按键设置各项阈值手动控制照明灯开关、切换防雾模式以及播放音乐。还要一块显示屏可以展示各测量数据。同时各项测量数据能通过蓝牙模块快速传送至我们的手机手机不仅能接收数据还能控制灯的开关、防雾模式的开启与关闭以及音乐的播放等操作此外还支持语音控制开关灯、开关防雾功能以及音乐的开关为用户提供了便捷、智能的浴室使用体验。本文所述内容经反思后不难发现受个人经验与能力所限文中势必存有若干瑕疵。本次设计聚焦于浴室卫浴行业的现状而当前设计尚处于初级模拟阶段成效尚未彰显。望此次设计的智能浴室控制系统能满足人们对浴室体验的需求激发学界及设计界同仁的广泛兴趣促使人们深入探究智能卫浴的多元功能悉心体察用户的实际需求以期共创更为优越的生活空间。致 谢在设计的探索之旅中我深受导师的精心培育。导师学识广博为我提供了极大的助益。她不仅向我传授设计的核心要义与策划的高超技艺更在我遭遇困境之际屡次慷慨相助及时为我消除疑难。整个历程中导师倾注心血无数从论文选题的审慎甄选、设计方向的明确确立直至作品的周密布局均给予了我精准且富有前瞻性的指导与规划。在论文撰写与实物创作的历程中尽管肩负繁重的教学职责老师仍慷慨拨冗以严谨细致的态度对我的论文进行修订与审阅。我则经过长时间的资料搜集、元件采购、实物构建及软件编程之艰辛历程终使论文与实物臻于完善。数载不懈之努力与辛勤耕耘终获丰厚回报。随着毕业论文的圆满完成与实习经历的完美谢幕我的大学生活悄然步入了终章落下了具有深远意义的帷幕。这段转瞬即逝的大学时光恍若白驹过隙历经两季更迭虽短犹长镌刻着无数隽永的记忆。其间既有课业繁重的困扰也有新知汲取的喜悦。我从一个青涩稚嫩的少年逐步成长为一个勤勉进取的青年。此番蜕变得益于学校的精心栽培、老师的循循善诱以及同窗与挚友的鼎力支持。是他们引领我品味人生甘饴直面生活挑战。而今虽初涉人生旅途却已至离别之际在此我向所有助我成长之人致以最深的敬意与最诚挚的感谢。在学业旅程圆满落幕之际我满怀感恩之心回溯往昔向自幼辛勤培育我茁壮成长的双亲致以最深切的敬意与感激。若无他们矢志不渝的支持与毫无保留的付出断无今日之成就。衷心致谢于吾父吾母是您们的养育之恩、深切体恤与持续激励犹如璀璨明灯照亮了我人生的前行之路。每当我有所建树您们总是以温馨的微笑相伴赋予我鼓励与赞誉而当我面临困境与挑战唯有您们坚定不移地鼓励我、信任我。这一切宛若不竭的动力之泉使我满怀信心无惧前行。爸爸妈妈您们永远是我生命中最为坚实的后盾。此外我谨向同班的伙伴们致以诚挚的谢意。在撰写论文的艰辛历程中他们慷慨相助给予了我莫大的鼓舞与支持。我们时常围炉共商热烈探讨设计构思细致入微地甄选每一模块所需器件并孜孜不倦地搜集资料悉心研习前辈们的杰出设计案例。正是得益于这份并肩奋战的默契我得以汲取无尽灵感从而打造出更为卓越的设计方案为论文增色添彩。也因此我的论文方能顺利且圆满地告竣。参考文献廖兵宾,冯博,陈乐帆,雷嘉欣,佘俊辉,邢应寿.基于单片机的智能浴室控制系统设计[J].大众科学,2024,45(23):16-18.吴雅珽,李婧瑶,赵和锋,等.一种浴室环境智能控制系统设计[J].山西电子技术,2023,(05):43-45.王宁,徐凯,曾梓城,等.智能公共浴室系统的研究与设计[J].现代信息科技,2023,7(02):145-148152.DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2023.02.036.汪丹丹.基于单片机的独居老人浴室智能监测系统设计[J].数字通信世界,2025,(02):73-7578.彭华亮.智能卫浴设备的用户界面设计研究[J].陶瓷,2025(2):64-67.蒋祥龙,李诗芸.农用太阳能热水器测控仪控制系统设计[J].数字农业与智能农机,2024(2):32-3566.陈娟,竺兴妹.基于STM32单片机的智能取暖系统[J].电子测试,2021,32(24):11-13.Wen,Xinglin.Using 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