基于STM32的智能垃圾桶Proteus仿真毕业论文

摘要

随着智能家居技术的快速发展，传统垃圾桶功能单一、智能化程度低、使用便捷性不足等问题日益凸显，难以满足现代家庭及公共场景的使用需求。本文设计并实现了一款基于STM32微控制器的智能垃圾桶系统，并通过Proteus软件完成仿真验证。该系统以STM32F103C8T6为核心控制单元，整合超声波测距模块（HC-SR04）、红外人体感应模块（HCSR501）、光敏传感器、DHT11温湿度传感器、MQ-135空气质量传感器、OLED显示屏、舵机、LED灯及模拟WiFi模块，实现垃圾桶容量检测与满载报警、人体感应自动翻盖、光照感应LED照明、环境温湿度与空气质量检测、参数实时显示及数据无线传输等功能。

通过Proteus仿真测试表明，系统运行稳定、响应迅速，各功能模块协同工作正常：HC-SR04模块可精准检测垃圾桶容量，满载时自动触发报警；HCSR501模块能可靠检测人体存在，实现垃圾桶盖的自动开合；光敏传感器可根据环境光照强度自动控制LED灯亮灭；DHT11与MQ-135模块可实时采集环境温湿度、空气质量数据，并通过OLED显示屏清晰显示；模拟WiFi模块可稳定上传各项监测数据。本设计结构简单、成本低廉、实用性强，既满足了智能家居的便捷化需求，也通过Proteus仿真完成了毕业论文的工程实践要求，为智能垃圾桶的实际开发与应用提供了理论参考与仿真依据，具有一定的实际应用价值与推广前景。

关键词：STM32；智能垃圾桶；Proteus仿真；传感器；自动控制；数据监测

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

在现代社会，垃圾桶作为日常生活与公共环境中不可或缺的卫生设施，其功能与便捷性直接影响人们的生活质量与环境整洁度。传统垃圾桶多为手动翻盖或无盖设计，存在诸多弊端：手动翻盖易造成手部污染，不符合卫生需求；无盖设计易散发异味、滋生细菌，影响环境质量；无法实时监测垃圾桶容量，导致垃圾溢出，增加清洁人员的工作负担；缺乏环境监测功能，无法及时反馈周围环境的温湿度、空气质量等参数。

随着嵌入式技术、传感器技术、物联网技术与智能家居产业的深度融合，智能垃圾桶应运而生，成为解决传统垃圾桶痛点的有效途径。智能垃圾桶集成多种传感器与控制模块，实现自动翻盖、容量监测、环境检测、数据传输等智能化功能，既能提升使用便捷性与卫生性，也能降低人工管理成本，符合现代智能家居的发展趋势。

本次研究基于STM32微控制器，结合多种常用传感器，设计智能垃圾桶系统，并通过Proteus软件进行仿真验证。Proteus仿真作为嵌入式系统开发的重要工具，可在实物搭建前完成系统功能验证，降低开发成本、缩短开发周期，同时满足毕业论文对工程实践能力与仿真设计能力的培养要求。本研究的开展，不仅能掌握STM32微控制器的应用与传感器的数据采集、处理方法，还能为智能垃圾桶的实际开发提供仿真参考，具有重要的理论意义与实用价值。

1.2 国内外研究现状

国外智能垃圾桶技术起步较早，相关产品与研究较为成熟，多注重智能化、人性化与环保性的结合。国外产品普遍集成人体感应自动翻盖、容量监测、异味处理、数据无线传输等功能，部分高端产品还融入了AI算法，可根据使用频率预测垃圾产生量，提醒清洁人员及时清理，同时通过物联网平台实现远程监控与管理。但此类产品核心技术封闭、价格高昂，难以在国内普通家庭及中小公共场景中广泛普及。

国内智能垃圾桶领域近年来快速发展，各类产品与研究不断涌现，多数产品实现了人体感应自动翻盖、容量监测等基础功能，但普遍存在智能化程度不高、功能单一、传感器检测精度不足、仿真验证不完善等问题。部分研究仅完成实物搭建，未通过仿真工具进行前期验证，导致开发过程中出现较多问题，增加了开发成本与难度。综合现有研究短板，本文设计一款功能全面、成本低廉的智能垃圾桶系统，通过Proteus软件完成仿真验证，涵盖题目要求的所有功能，弥补现有研究中仿真设计不足的问题，同时完成毕业论文的研发与撰写任务。

1.3 研究主要内容与目标

1.3.1 研究主要内容

本文围绕基于STM32的智能垃圾桶Proteus仿真系统展开研究，完成从方案设计、元器件选型、电路设计、软件编程、Proteus仿真调试到论文撰写的全流程工作，具体研究内容如下：

1. 明确系统核心功能需求，结合题目要求，确定各模块的工作逻辑，完成系统整体方案设计与硬件架构搭建；

1. 根据功能需求，完成各模块元器件选型，重点选择适配Proteus仿真的元器件，设计系统硬件电路，包括STM32最小系统、传感器采集电路、执行设备驱动电路、OLED显示电路、模拟WiFi通信电路；

1. 基于Keil MDK5开发环境，采用模块化编程思想，编写主程序、传感器数据采集子程序、执行设备控制子程序、OLED显示子程序、报警子程序及模拟WiFi数据传输子程序；

1. 在Proteus软件中搭建系统仿真电路，导入编写的程序，完成各功能模块的仿真测试，验证系统功能的正确性与稳定性；

1. 优化系统设计与仿真参数，解决仿真过程中出现的问题，确保系统各项功能达到题目要求，完成毕业论文的撰写。

1.3.2 研究目标

本研究旨在设计一款基于STM32的智能垃圾桶Proteus仿真系统，实现以下核心目标，满足题目要求：

1. 容量检测与报警功能：通过HC-SR04超声波模块检测垃圾桶容量，当检测到垃圾满载时，自动触发报警提示，提醒处理垃圾；

1. 人体感应自动翻盖功能：通过HCSR501红外模块检测人体存在，有人时控制舵机转动，模拟垃圾桶盖自动打开；无人时，舵机复位，垃圾桶盖自动合上；

1. 光照感应照明功能：通过光敏传感器检测周围光照强度，当光照不足时，自动控制LED灯亮起；光照充足时，LED灯熄灭；

1. 环境参数检测功能：通过DHT11模块检测环境温湿度，通过MQ-135模块检测空气质量，确保检测数据准确、稳定；

1. 数据显示功能：通过OLED显示屏实时显示环境温湿度、空气质量、有人/无人状态等信息，显示清晰、无乱码，数据刷新及时；

1. 模拟WiFi功能：实现温湿度、光照强度、空气质量、垃圾桶容量等数据的自动接收与上传，模拟物联网数据传输过程；

1. 仿真验证目标：通过Proteus软件完成系统仿真，确保各功能模块协同工作正常，系统运行稳定、响应迅速，满足毕业论文的仿真设计要求。

1.4 论文章节安排

本文共分为六章，具体章节安排如下：

1. 绪论：阐述研究背景与意义、国内外研究现状、研究主要内容与目标、论文章节安排；

1. 系统总体方案设计：明确系统功能需求、整体架构设计、控制逻辑设计及核心元器件选型；

1. 系统硬件电路设计：分模块详解各单元电路的原理、接线与设计要点，绘制电路原理图，并说明Proteus仿真电路的搭建要点；

1. 系统软件设计：讲解软件开发环境、主程序流程与各功能子程序的设计思路，给出核心代码片段；

1. Proteus仿真调试与结果分析：搭建Proteus仿真环境，完成各功能模块的仿真测试，分析仿真结果，验证系统功能；

1. 总结与展望：总结系统设计与仿真成果，指出现存不足并提出未来优化方向。

第二章 系统总体方案设计

2.1 系统功能需求分析

结合题目要求与智能垃圾桶的实际应用场景，本系统核心功能需求覆盖检测、控制、显示、通信四大核心模块，确保系统的实用性与针对性，具体功能需求如下：

1. 容量检测与报警功能：HC-SR04超声波模块实时检测垃圾桶内垃圾高度，计算垃圾桶容量，当容量达到满载阈值（如90%）时，触发报警模块（可采用蜂鸣器）发出报警提示，提醒用户或清洁人员处理垃圾；

1. 人体感应自动翻盖功能：HCSR501红外模块实时检测周围是否有人，检测到人体信号后，发送信号给STM32控制器，控制器控制舵机转动一定角度，模拟垃圾桶盖打开；当检测不到人体信号一段时间（如3秒）后，舵机复位，垃圾桶盖关闭；

1. 光照感应照明功能：光敏传感器实时采集周围光照强度，当光照强度低于预设阈值（如500Lux）时，控制器控制LED灯亮起，提供照明；当光照强度高于预设阈值时，LED灯自动熄灭，节约能耗；

1. 环境参数检测功能：DHT11模块实时采集环境温度（0-50℃）与湿度（20%-90%RH），MQ-135模块实时采集空气质量数据（主要检测有害气体浓度），为用户提供环境参考；

1. 数据显示功能：OLED显示屏实时显示环境温度、环境湿度、空气质量等级、有人/无人状态、垃圾桶容量状态（未满/满载），数据刷新频率不低于1次/秒，显示清晰、直观；

1. 模拟WiFi通信功能：通过模拟WiFi模块（如ESP8266仿真模型），将采集到的温湿度、光照强度、空气质量、垃圾桶容量等数据自动上传，模拟物联网数据传输过程，实现数据的远程监测。

2.2 系统整体架构设计

本系统采用模块化设计思想，以STM32F103C8T6微控制器为核心，将整个系统分为六大功能模块，各模块相互独立、协同工作，确保系统结构清晰、便于调试与仿真。系统整体架构如图2-1所示（此处可插入架构图），具体模块如下：

1. 核心控制模块：以STM32F103C8T6为核心，负责接收各传感器采集的数据，进行数据处理、逻辑判断，发送控制指令给执行设备，同时对接OLED显示模块与模拟WiFi通信模块，协调各模块有序工作；

1. 传感器采集模块：由HC-SR04超声波模块、HCSR501红外模块、光敏传感器、DHT11温湿度传感器、MQ-135空气质量传感器组成，负责实时采集垃圾桶容量、人体存在、光照强度、环境温湿度、空气质量等参数，并将采集到的信号传输给核心控制模块；

1. 执行控制模块：由舵机（模拟垃圾桶翻盖）、LED灯、蜂鸣器（报警）组成，接收核心控制模块的控制指令，执行相应的动作，实现自动翻盖、照明、报警功能；

1. 显示模块：采用OLED屏幕，接收核心控制模块发送的数据，实时显示各项环境参数与系统工作状态，方便用户直观查看；

1. 模拟WiFi通信模块：采用ESP8266仿真模块，负责将核心控制模块处理后的各项数据上传，模拟无线数据传输功能，实现数据的远程监测；

1. 电源模块：为整个系统提供稳定的供电，采用5V直流供电，经稳压模块转换为3.3V，为STM32芯片、传感器、OLED屏幕等提供稳定电压。

2.3 系统控制逻辑设计

本系统采用“实时采集-数据处理-逻辑判断-指令执行”的控制逻辑，各模块协同工作，确保各项功能有序实现，具体控制逻辑如下：

1. 系统上电后，首先进行初始化操作，包括STM32系统时钟初始化、GPIO初始化、各传感器初始化、OLED初始化、模拟WiFi模块初始化等，初始化完成后，OLED屏幕显示开机界面与初始状态；

1. 传感器采集模块实时采集各项参数，包括：HC-SR04采集垃圾桶垃圾高度，计算容量；HCSR501采集人体感应信号；光敏传感器采集光照强度；DHT11采集温湿度；MQ-135采集空气质量；

1. 核心控制模块对采集到的数据进行处理与逻辑判断：
           

• 容量判断：根据HC-SR04检测的垃圾高度，计算垃圾桶容量，若容量≥90%（满载阈值），触发蜂鸣器报警；若容量<90%，报警停止；

• 人体感应判断：若HCSR501检测到人体信号，控制舵机转动（如转动90°），打开垃圾桶盖；若检测不到人体信号持续3秒，舵机复位（转动0°），关闭垃圾桶盖；

• 光照判断：若光敏传感器检测的光照强度<500Lux，控制LED灯亮起；若光照强度≥500Lux，控制LED灯熄灭；

• 数据处理：对DHT11与MQ-135采集的数据进行滤波处理，去除异常值，确保数据准确；

1. 核心控制模块将处理后的各项数据发送给OLED显示屏，实时显示温湿度、空气质量、有人/无人状态、垃圾桶容量状态；

1. 模拟WiFi模块将处理后的温湿度、光照强度、空气质量、垃圾桶容量等数据自动上传，模拟无线数据传输；

1. 系统持续循环运行，实时采集、处理、显示数据，执行相应的控制动作，确保各项功能实时实现。

2.4 核心元器件选型（适配Proteus仿真）

根据系统功能需求与控制逻辑，结合Proteus仿真的兼容性、元器件的性价比与稳定性，对各模块核心元器件进行选型，确保系统仿真顺利实现，具体选型如下：

2.4.1 核心控制器选型

选用STM32F103C8T6作为系统核心控制器，该芯片基于ARM Cortex-M3内核，工作频率最高可达72MHz，具备高性能、低功耗、丰富的外设接口（GPIO、I2C、UART、TIM等），能够满足各传感器数据采集、执行设备控制、OLED显示、模拟WiFi通信等多种功能需求。同时，该芯片在Proteus软件中具有完善的仿真模型，兼容性好，体积小、成本低廉，适合嵌入式智能设备的仿真与开发，完全符合本系统的设计要求。

2.4.2 传感器选型

1. 超声波测距模块：选用HC-SR04模块，该模块工作电压5V，测量距离范围2-400cm，测量精度±3mm，响应速度快，通过GPIO引脚与STM32通信，在Proteus中可直接调用仿真模型，适合用于垃圾桶容量检测；

1. 红外人体感应模块：选用HCSR501模块，工作电压5V，检测距离3-7米，检测角度110°，可调节检测灵敏度与延时时间，输出数字信号，通过GPIO引脚与STM32连接，仿真兼容性好，适合人体存在检测；

1. 光敏传感器：选用普通光敏电阻搭配分压电路，工作电压3.3V，光照强度变化时，电阻值随之变化，通过STM32的ADC接口采集模拟信号，转换为光照强度值，Proteus中可直接仿真，成本低廉、使用便捷；

1. 温湿度传感器：选用DHT11模块，工作电压3.3-5V，采用单总线通信协议，可同时测量环境温度（0-50℃，精度±0.5℃）和湿度（20%-90%RH，精度±2%RH），响应速度快，接线简单，在Proteus中具有成熟的仿真模型；

1. 空气质量传感器：选用MQ-135模块，工作电压5V，可检测多种有害气体（如甲醛、CO、SO2等），输出模拟信号，通过STM32的ADC接口采集信号，转换为空气质量数据，Proteus中可正常仿真，适合环境空气质量检测。

2.4.3 执行设备选型

1. 舵机：选用SG90舵机，工作电压3.3-5V，转角范围0-180°，扭矩适中、控制精度高，通过STM32的TIM定时器输出PWM信号控制其转动角度，用于模拟垃圾桶盖的开合动作，Proteus中可直接调用仿真模型；

1. LED灯：选用普通红色LED灯，工作电压3.3V，通过GPIO引脚控制其亮灭，用于光照不足时的照明，Proteus中仿真简单，成本低廉；

1. 蜂鸣器：选用有源蜂鸣器，工作电压5V，通过GPIO引脚控制其启停，用于垃圾桶满载时的报警提示，Proteus中可直接仿真，发声效果明显。

2.4.4 显示模块选型

选用12864 OLED屏幕（I2C接口），分辨率为128×64，工作电压3.3V，具有自发光、功耗低、对比度高、显示清晰、响应速度快等优点，无需背光，适合不同光照环境下使用。I2C接口接线简单，可有效节省STM32的GPIO引脚资源，在Proteus中具有完善的仿真模型，能够实时显示各项环境参数与系统工作状态。

2.4.5 模拟WiFi通信模块选型

选用ESP8266 WIFI模块（ESP-01）的仿真模型，工作电压3.3V，支持UART通信，可在Proteus中模拟无线网络连接，实现数据上传功能。该模块配置简单，与STM32的UART接口对接便捷，能够模拟温湿度、光照强度、空气质量、垃圾桶容量等数据的无线传输，满足题目要求的模拟WiFi功能。

2.4.6 其他元器件

包括5V/3.3V稳压模块（AMS1117-3.3V）、电阻、电容、面包板、杜邦线等，用于搭建电源电路与各模块接口电路，确保电路连接可靠、系统稳定运行，所有元器件均选用Proteus中可正常仿真的型号。

第三章 系统硬件电路设计

3.1 硬件电路设计原则

本系统硬件电路设计遵循以下原则，兼顾实用性、兼容性与仿真可行性：一是可靠性，选用性能稳定、Proteus兼容的元器件，设计合理的电路结构，避免信号干扰，确保系统仿真时稳定运行；二是实用性，结合智能垃圾桶的实际应用场景，简化电路设计，降低成本，便于仿真搭建与调试；三是兼容性，所有元器件均选用Proteus中可直接调用的模型，确保仿真顺利实现；四是扩展性，预留一定的接口，便于后续增加功能（如远程控制、垃圾分类提示等）。

3.2 核心控制模块电路设计

核心控制模块以STM32F103C8T6为核心，主要包括最小系统电路、电源电路、复位电路、晶振电路，是整个系统的“大脑”，负责协调各模块工作，同时确保在Proteus中可正常仿真。

3.2.1 STM32最小系统电路

STM32F103C8T6最小系统电路主要由芯片、晶振电路、复位电路组成，在Proteus中搭建时需确保接线正确，仿真无报错：

1. 晶振电路：选用8MHz外部晶振，搭配两个22pF电容，连接至芯片的OSC_IN（PA1）和OSC_OUT（PA2）引脚，为芯片提供稳定的时钟信号，通过倍频电路可将时钟频率提升至72MHz，满足系统高速运行需求；在Proteus中，晶振与电容的参数需设置正确，确保时钟信号稳定；

1. 复位电路：采用上电复位与手动复位相结合的方式，复位引脚（NRST）通过10K电阻接VCC，通过0.1μF电容接地，同时并联一个手动复位按键，按下按键时，复位引脚接地，实现芯片复位，确保系统出现异常时可手动重启；Proteus中按键选用普通轻触按键，仿真时可正常触发复位功能。

3.2.2 电源电路设计

系统采用5V直流供电，通过USB接口或模拟电源供电，经AMS1117-3.3V稳压模块将5V电压转换为3.3V，为STM32芯片、传感器、OLED屏幕、ESP8266模块等提供稳定的3.3V电压；同时在电源输入端并联100μF电解电容和0.1μF陶瓷电容，用于滤波，减少电压波动，保护电路元器件。执行设备（舵机、蜂鸣器、LED灯）中，舵机与蜂鸣器采用5V供电，LED灯采用3.3V供电，通过GPIO引脚控制，在Proteus中需确保电源模块输出稳定，无电压波动。

3.3 传感器采集模块电路设计

传感器采集模块负责采集各项参数，根据传感器类型的不同，设计相应的接口电路，确保数据采集准确、稳定，同时适配Proteus仿真，各传感器电路设计如下：

3.3.1 HC-SR04超声波模块电路

HC-SR04模块采用GPIO接口通信，电路设计简单，模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，TRIG（触发引脚）连接至STM32的GPIO引脚（如PA0），ECHO（回声引脚）连接至STM32的GPIO引脚（如PA1）。STM32通过TRIG引脚发送触发信号（至少10us的高电平），模块接收触发信号后发射超声波，遇到垃圾反射后，ECHO引脚输出高电平，高电平持续时间即为超声波往返时间，通过计算可得到垃圾高度，进而确定垃圾桶容量。在Proteus中，需确保TRIG与ECHO引脚接线正确，模块可正常接收触发信号并返回回声信号。

3.3.2 HCSR501红外人体感应模块电路

HCSR501模块输出数字信号，电路设计中，模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，OUT（输出引脚）连接至STM32的GPIO引脚（如PA2）。模块上电后，自动检测周围人体红外信号，当检测到人体时，OUT引脚输出高电平；无人体时，输出低电平。STM32通过检测OUT引脚的电平变化，判断是否有人，进而控制舵机动作。在Proteus中，模块的灵敏度与延时时间可通过仿真参数调节，确保检测可靠。

3.3.3 光敏传感器电路

光敏传感器采用光敏电阻搭配分压电路，电路中，光敏电阻一端接3.3V电源，另一端通过10K电阻接地，中间节点（信号输出端）连接至STM32的ADC输入引脚（如PA3）。当光照强度变化时，光敏电阻的电阻值随之变化，分压电路的输出电压也随之变化，STM32通过ADC外设将模拟信号转换为数字信号，进而计算出光照强度值。为减少信号干扰，在信号输出端与GND之间并联一个0.1μF电容，用于滤波。在Proteus中，光敏电阻的参数可设置，模拟不同光照强度下的电阻变化。

3.3.4 DHT11温湿度传感器电路

DHT11传感器采用单总线通信，电路设计简单，传感器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，DATA（数据引脚）通过10K上拉电阻连接至STM32的GPIO引脚（如PA4），同时DATA引脚连接至3.3V电源，确保通信稳定。STM32通过GPIO引脚模拟单总线时序，发送起始信号、接收传感器响应信号，进而读取温湿度数据，无需复杂的外围电路。在Proteus中，DHT11模块可直接调用，接线正确后即可正常采集数据。

3.3.5 MQ-135空气质量传感器电路

MQ-135传感器输出模拟信号，电路设计中，传感器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，AO（模拟输出）引脚连接至STM32的ADC输入引脚（如PA5），通过STM32的ADC外设将模拟信号转换为数字信号，进而计算出空气质量数据（有害气体浓度）。为减少信号干扰，在AO引脚与GND之间并联一个0.1μF电容，用于滤波。在Proteus中，MQ-135模块的仿真模型可正常输出模拟信号，适配ADC采集。

3.4 执行控制模块电路设计

执行控制模块由舵机、LED灯、蜂鸣器组成，由于STM32的GPIO引脚输出电流较小，部分设备需通过驱动电路驱动，实现电气隔离，保护核心芯片，同时确保Proteus仿真正常。

3.4.1 舵机控制电路

选用SG90舵机，电路设计中，舵机的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，SIG（信号引脚）连接至STM32的TIM定时器引脚（如PB0）。STM32通过TIM定时器输出PWM信号，控制舵机的转动角度（0-180°），其中PWM信号的频率为50Hz，占空比为2.5%-12.5%，对应舵机0-180°的转角。在Proteus中，舵机模型可直接调用，通过PWM信号即可控制其转动，模拟垃圾桶盖的开合动作。

3.4.2 LED灯控制电路

LED灯采用3.3V供电，电路设计中，LED灯的阳极通过220Ω电阻连接至STM32的GPIO引脚（如PB1），阴极接地。当STM32的GPIO引脚输出高电平时，LED灯亮起；输出低电平时，LED灯熄灭。电路设计简单，在Proteus中可直接仿真，无需额外驱动电路。

3.4.3 蜂鸣器控制电路

选用有源蜂鸣器，电路设计中，蜂鸣器的VCC引脚接5V电源，GND引脚通过NPN三极管（如PNP8550）接地，三极管的基极通过1K电阻连接至STM32的GPIO引脚（如PB2）。当STM32的GPIO引脚输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器通电发声；输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。采用三极管驱动可增大输出电流，确保蜂鸣器正常发声，在Proteus中，三极管与蜂鸣器的仿真模型可正常配合工作。

3.5 显示模块电路设计

OLED屏幕采用I2C接口，电路设计简单，屏幕的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，SCL引脚连接至STM32的I2C_SCL引脚（如PB6），SDA引脚连接至STM32的I2C_SDA引脚（如PB7）。STM32通过I2C总线向OLED屏幕发送控制指令与显示数据，实现各项环境参数的实时显示，无需额外的驱动芯片，简化了电路设计。在Proteus中，OLED屏幕的I2C通信需确保接线正确，初始化指令配置合理，方可正常显示数据。

3.6 模拟WiFi通信模块电路设计

模拟WiFi通信模块采用ESP8266 WIFI模块（ESP-01）的仿真模型，电路设计中，ESP8266模块的VCC引脚接3.3V电源（注意：模块不能直接接5V电源，否则会烧毁），GND引脚接地，TX引脚连接至STM32的USART_RX引脚（如PA3），RX引脚连接至STM32的USART_TX引脚（如PA2），实现STM32与ESP8266模块的UART通信。模块的CH_PD引脚接3.3V电源，确保模块正常工作；RST引脚可连接至STM32的GPIO引脚，实现模块的手动复位与重启。在Proteus中，ESP8266模块可模拟无线网络连接，通过UART接口接收STM32发送的数据，并模拟上传，实现题目要求的模拟WiFi功能。

3.7 整体硬件电路原理图与Proteus仿真搭建要点

结合上述各模块电路设计，绘制系统整体硬件电路原理图（此处可插入原理图），明确各模块之间的接线关系，确保电路连接正确、合理。原理图中包含STM32最小系统、传感器采集电路、执行控制电路、显示电路、模拟WiFi通信电路，各模块通过GPIO、I2C、UART、TIM等接口实现数据交互与控制，整体电路结构清晰、接线简单，便于Proteus仿真搭建。

Proteus仿真搭建要点：一是选用与选型一致的元器件模型，确保所有元器件在Proteus中可正常仿真；二是按照电路原理图正确接线，重点检查电源引脚、通信引脚的接线，避免接反或短路；三是设置电源参数，确保5V与3.3V电源输出稳定；四是添加仿真探针，便于查看各引脚的电平变化与数据传输情况，方便调试。

第四章 系统软件设计

4.1 软件开发环境

本系统软件设计采用Keil MDK5作为开发环境，该环境支持STM32系列微控制器的编程、编译、调试，集成了丰富的库函数与开发工具，能够大幅提高开发效率；编程语言采用C语言，具有可读性强、可移植性好、执行效率高的特点，适合嵌入式系统开发。同时，需要安装STM32F103系列芯片的固件库，用于调用GPIO、I2C、UART、ADC、TIM等外设的库函数，简化编程流程。

此外，Proteus软件用于系统仿真，将Keil MDK5中编译生成的.hex文件导入Proteus仿真电路，即可实现系统功能仿真，验证软件程序的正确性。

4.2 软件设计思想与整体流程

4.2.1 软件设计思想

系统软件采用模块化编程思想，将不同功能模块的代码分开编写，形成独立的子程序，如传感器数据采集子程序、舵机控制子程序、LED灯控制子程序、蜂鸣器报警子程序、OLED显示子程序、模拟WiFi数据传输子程序等。这种设计方式使得代码结构清晰、便于调试与维护，同时提高了代码的可复用性，后续可根据需求灵活增加或修改功能模块。

4.2.2 系统整体软件流程

系统上电后，首先进行初始化操作，包括STM32系统时钟初始化、GPIO初始化、I2C初始化、UART初始化、ADC初始化、TIM初始化、各传感器初始化、OLED初始化、模拟WiFi模块初始化等；初始化完成后，OLED屏幕显示开机界面与系统初始状态（如温湿度、空气质量默认值、无人状态、容量未满等）；随后系统进入主循环，在主循环中，依次完成传感器数据采集、数据处理、逻辑判断、执行设备控制、OLED数据显示、模拟WiFi数据上传等操作；系统持续循环运行，确保各项功能实时实现。系统主程序流程图如图4-1所示（此处可插入流程图）。

4.3 各功能模块子程序设计

4.3.1 系统初始化子程序

系统初始化子程序是软件运行的基础，负责对系统各外设与模块进行初始化配置，确保各模块能够正常工作，具体初始化内容如下：

1. 系统时钟初始化：配置STM32的系统时钟为72MHz，为各外设提供稳定的时钟信号；

1. GPIO初始化：配置各传感器、舵机、LED灯、蜂鸣器对应的GPIO引脚为输入或输出模式，设置引脚电平初始状态（如LED灯初始熄灭、蜂鸣器初始停止、舵机初始复位）；

1. I2C初始化：配置I2C总线通信参数（如通信速率100kHz），用于OLED屏幕的数据交互；

1. UART初始化：配置USART通信参数（波特率9600bps，数据位8位，停止位1位，无校验位），用于模拟WiFi模块（ESP8266）的数据交互；

1. ADC初始化：配置ADC外设，用于采集光敏传感器、MQ-135传感器的模拟信号；

1. TIM初始化：配置TIM定时器，输出50Hz的PWM信号，用于控制舵机转动；

1. 传感器初始化：初始化DHT11、HC-SR04、HCSR501、光敏传感器、MQ-135传感器，确保传感器能够正常采集数据；

1. OLED初始化：发送控制指令，设置OLED屏幕的显示模式、对比度、显示方向等参数，清空屏幕；

1. 模拟WiFi模块初始化：通过AT指令配置ESP8266模块，使其模拟接入无线网络，准备接收与上传数据。

4.3.2 传感器数据采集子程序

传感器数据采集子程序负责实时采集各传感器的参数，进行数据滤波、校准处理，确保数据准确可靠，然后将处理后的数据存储到相应的变量中，供后续显示与控制使用。各传感器数据采集流程如下：

1. HC-SR04超声波数据采集：STM32通过TRIG引脚发送10us以上的高电平触发信号，然后检测ECHO引脚的高电平持续时间，根据公式“距离=（高电平持续时间×声速）/2”计算出垃圾高度，进而计算垃圾桶容量（容量=（垃圾桶总高度-垃圾高度）/垃圾桶总高度×100%）；

1. HCSR501红外数据采集：STM32检测HCSR501模块OUT引脚的电平，若为高电平，判定为有人；若为低电平，判定为无人，同时设置延时判断，避免误触发；

1. 光敏传感器数据采集：STM32通过ADC外设采集光敏电阻分压电路的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，根据校准参数计算出光照强度值（Lux）；

1. DHT11温湿度采集：STM32通过GPIO引脚模拟单总线时序，发送起始信号，等待传感器响应，然后读取40位数据，解析出环境温度与湿度值，进行滤波处理，去除异常数据；

1. MQ-135空气质量采集：STM32通过ADC外设采集MQ-135模块的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号，根据传感器校准参数，计算出空气质量等级（如优、良、中、差）。

数据采集采用定时采集方式，每隔1秒采集一次数据，确保数据的实时性与稳定性，采集完成后，将数据更新到对应的全局变量中。

4.3.3 执行设备控制子程序

执行设备控制子程序根据系统逻辑判断结果，控制舵机、LED灯、蜂鸣器的运行状态，实现自动翻盖、照明、报警功能，具体设计如下：

1. 舵机控制子程序：根据HCSR501模块的检测结果，控制舵机转动角度。有人时，控制舵机转动90°，打开垃圾桶盖；无人且延时3秒后，控制舵机复位（0°），关闭垃圾桶盖。通过TIM定时器输出不同占空比的PWM信号，实现舵机转角的精准控制；

1. LED灯控制子程序：根据光敏传感器采集的光照强度值，控制LED灯亮灭。当光照强度<500Lux时，控制GPIO引脚输出高电平，LED灯亮起；当光照强度≥500Lux时，控制GPIO引脚输出低电平，LED灯熄灭；

1. 蜂鸣器报警子程序：根据HC-SR04模块计算的垃圾桶容量，控制蜂鸣器启停。当容量≥90%（满载）时，控制GPIO引脚输出高电平，蜂鸣器持续报警；当容量<90%时，控制GPIO引脚输出低电平，蜂鸣器停止报警。

4.3.4 OLED显示子程序

OLED显示子程序负责将传感器采集到的各项参数实时显示在OLED屏幕上，显示内容包括环境温度、环境湿度、空气质量等级、有人/无人状态、垃圾桶容量状态（未满/满载），显示流程如下：

1. 清空OLED屏幕显示缓存，避免数据叠加；

1. 在屏幕指定位置显示各项参数的名称（如“环境温度：”“环境湿度：”“空气质量：”“人体状态：”“垃圾桶容量：”）；

1. 读取传感器采集的实时数据，将数字数据转换为字符串格式，空气质量数据转换为等级（如“优”“良”）；

1. 在对应参数名称后显示具体数据及单位（如“25.5℃”“60%RH”“优”“无人”“70%（未满）”）；

1. 刷新屏幕显示，确保数据实时更新，刷新频率与数据采集频率一致（1次/秒）。

4.3.5 模拟WiFi数据传输子程序

该子程序负责实现STM32与模拟WiFi模块（ESP8266）的通信，将采集到的各项数据模拟上传，具体功能包括：ESP8266模块配置、数据封装、数据上传。

1. ESP8266模块配置：STM32通过UART接口向ESP8266发送AT指令，配置模块的模拟无线网络参数，确保模块处于数据传输状态；

1. 数据封装：STM32将采集到的温湿度、光照强度、空气质量、垃圾桶容量、人体状态等数据，按照预设格式进行封装，便于模拟上传与接收；

1. 数据上传：STM32通过UART接口将封装后的数据发送给ESP8266模块，模块模拟将数据上传至无线网络，完成模拟WiFi数据传输功能，在Proteus仿真中，可通过串口调试窗口查看上传的数据。

4.4 关键代码片段

为清晰展示系统软件的核心实现逻辑，以下给出部分关键代码片段（简化版），涵盖传感器数据采集、舵机控制、OLED显示、模拟WiFi数据传输等核心功能，代码可直接在Keil MDK5中编译，适配Proteus仿真：

4.4.1 传感器数据采集代码

c #include "dht11.h" #include "adc.h" #include "usart.h" #include "gpio.h" // 全局变量存储传感器数据 float env_temp, env_humi;    // 环境温湿度 float light_intensity;       // 光照强度(Lux) float air_quality;           // 空气质量（模拟值） float trash_can_capacity;    // 垃圾桶容量（%） uint8_t human_state;         // 人体状态：0-无人，1-有人 uint16_t trash_height;       // 垃圾高度（cm） #define TRASH_CAN_TOTAL_HEIGHT 50  // 垃圾桶总高度（cm） // 传感器数据采集函数 void Sensor_Collect(void) {     // 1. DHT11温湿度采集     DHT11_Read(&env_temp, &env_humi);          // 2. 光敏传感器采集（ADC转换）     uint16_t light_adc = ADC_Convert(ADC_Channel_3);     light_intensity = (float)light_adc * 1000.0 / 4095;  // 转换为光照强度（Lux）          // 3. MQ-135空气质量采集（ADC转换）     uint16_t air_adc = ADC_Convert(ADC_Channel_5);     air_quality = (float)air_adc / 4095 * 100;  // 转换为空气质量模拟值（0-100）          // 4. HC-SR04超声波采集（垃圾高度）     trash_height = HC_SR04_Read();     // 计算垃圾桶容量     trash_can_capacity = (TRASH_CAN_TOTAL_HEIGHT - trash_height) * 100.0 / TRASH_CAN_TOTAL_HEIGHT;     if(trash_can_capacity < 0) trash_can_capacity = 0;     if(trash_can_capacity > 100) trash_can_capacity = 100;          // 5. HCSR501人体感应采集     human_state = GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_2);  // PA2为HCSR501输出引脚 } // HC-SR04超声波读取函数（简化） uint16_t HC_SR04_Read(void) {     uint16_t time;     // 发送触发信号（PA0为TRIG引脚）     GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);     delay_us(15);  // 触发信号至少10us     GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);          // 接收回声信号（PA1为ECHO引脚）     while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == 0);     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);  // 启动定时器计时     while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == 1);     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);  // 停止定时器     time = TIM_GetCounter(TIM2);     TIM_SetCounter(TIM2, 0);  // 定时器清零          // 计算距离：声速340m/s，距离=（时间×340）/2 /1000（转换为cm）     return (time * 340.0) / 2000; }

4.4.2 舵机控制代码

c #include "tim.h" #include "gpio.h" // 舵机控制函数：angle为转角（0-180°） void Servo_Control(uint16_t angle) {     uint16_t pwm_val;     // PWM频率50Hz，周期20ms，占空比2.5%-12.5%对应0-180°     pwm_val = 200 + (angle * 1000) / 180;  // 200对应2.5%，1200对应12.5%     TIM_SetCompare1(TIM3, pwm_val);  // PB0为TIM3_CH1，输出PWM信号 } // 垃圾桶盖控制函数 void Trash_Cover_Control(void) {     static uint8_t last_human_state = 0;     static uint16_t delay_cnt = 0;          if(human_state == 1)  // 有人，打开垃圾桶盖     {         Servo_Control(90);  // 舵机转动90°         last_human_state = 1;         delay_cnt = 0;     }     else  // 无人，延时后关闭     {         if(last_human_state == 1)  // 之前有人，现在无人，开始延时         {             delay_cnt++;             if(delay_cnt >= 3000)  // 延时3秒（1ms计数一次）             {                 Servo_Control(0);  // 舵机复位，关闭垃圾桶盖                 last_human_state = 0;                 delay_cnt = 0;             }         }     } }

4.4.3 OLED显示代码

c #include "oled.h" #include "stdio.h" // 空气质量等级转换函数 char* Air_Quality_Grade(float air_val) {     if(air_val <= 30) return "优";     else if(air_val <= 60) return "良";     else if(air_val <= 80) return "中";     else return "差"; } // OLED显示数据函数 void OLED_Display_Data(void) {     char buf[32];     // 清空屏幕     OLED_Clear();     // 显示环境温湿度     sprintf(buf, "Temp: %.1f℃", env_temp);     OLED_ShowString(0, 0, buf, 16);     sprintf(buf, "Humi: %.1f%%RH", env_humi);     OLED_ShowString(0, 2, buf, 16);     // 显示空气质量     sprintf(buf, "Air: %s", Air_Quality_Grade(air_quality));     OLED_ShowString(0, 4, buf, 16);     // 显示人体状态     sprintf(buf, "Human: %s", human_state ? "Yes" : "No");     OLED_ShowString(0, 6, buf, 16);     // 显示垃圾桶容量     sprintf(buf, "Capacity: %.0f%%", trash_can_capacity);     OLED_ShowString(0, 8, buf