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基于STM32的智能语音浴缸设计

news 2025/9/3 6:33:18

基于STM32的智能语音浴缸设计

1. 系统功能介绍

智能家居的概念不断发展，现代家庭对于舒适性与智能化的需求日益增长，智能浴缸的出现正是这一趋势下的产物。传统浴缸仅具备简单的储水功能，而智能浴缸能够结合温度、水位检测、自动加热、自动注水以及语音交互，从而显著提升用户的使用体验与安全性。

本设计以 STM32单片机 为核心控制器，结合温度传感器DS18B20、水位传感器、OLED显示屏、语音识别模块及继电器控制电路，构建了一套完整的 智能语音浴缸系统。系统既能通过传感器自动采集数据并进行判断控制，也能通过语音交互实现个性化操作。

系统主要功能包括：

数据采集与显示
- 使用 DS18B20 温度传感器检测水温；
- 使用水位传感器实时监测水位高度；
- 通过 OLED显示屏 实时显示水温与水位。
按键设置与自动控制
- 提供按键操作，用户可设置水温与水位阈值；
- 系统根据设置值自动控制加热器与水泵工作；
- 当温度低于阈值时自动加热，当水位低于设定值时自动加水。
语音控制
- 集成语音识别模块，用户通过语音口令控制浴缸；
- 例如说“加水”，系统启动水泵进行加水；说“加热”，系统开启加热器。
安全保护
- 超过设定阈值时自动停止加水或加热，避免溢水与过热；
- 系统设计有延时与故障检测机制，提高安全性与可靠性。

2. 系统电路设计

系统硬件部分由以下几个主要模块构成： STM32最小系统、温度传感器电路、水位传感器电路、OLED显示电路、继电器驱动电路、语音识别电路、电源电路。

2.1 STM32最小系统

选用 STM32F103C8T6 单片机作为主控；
具有丰富的GPIO资源，支持多外设接口；
内部集成定时器、USART、I2C、SPI，方便与传感器和模块通信；
提供时钟电路与复位电路，保证稳定运行。

2.2 温度采集电路（DS18B20）

DS18B20 是一种数字温度传感器，采用单总线通信；
测量范围广（-55℃~125℃），精度可达 ±0.5℃；
单片机通过单总线协议读取温度数据；
数据经过计算后显示在OLED屏上，并用于加热控制。

2.3 水位传感器电路

采用数字式水位传感器，输出电平信号；
当水位高于某点时，传感器输出高电平；
单片机通过GPIO口读取水位信号，实现水位检测；
可与按键设定的阈值比较，判断是否需要加水。

2.4 OLED显示电路

显示屏采用 0.96寸 OLED，分辨率128×64；
通信方式为 I2C接口，节省IO口资源；
用于显示实时水温、水位以及系统状态；
界面清晰直观，用户体验良好。

2.5 继电器控制电路

继电器由单片机GPIO口驱动，控制水泵与 加热器；
当系统判断需要加水时，继电器闭合驱动水泵；
当温度低于阈值时，继电器闭合驱动加热模块；
继电器电路增加二极管保护，避免反向电流损坏单片机。

2.6 语音识别电路

采用常见的语音识别模块（如LD3320、Elechouse语音模块）；
模块与STM32通过串口通信；
用户通过语音下达指令，单片机解析后控制水泵或加热器；
支持简单的语音命令，例如“加水”、“加热”、“停止”。

2.7 电源电路

系统采用 +5V 电源供电；
单片机及OLED通过 AMS1117-3.3V稳压芯片 转换为3.3V电源；
继电器与水泵、加热模块单独供电，避免电流冲击影响控制部分。

3. 程序设计

系统软件部分采用 C语言 编写，基于STM32标准库开发。整体结构包括：

主程序框架
温度采集与处理模块
水位采集与处理模块
OLED显示模块
按键设置与存储模块
继电器控制模块
语音识别控制模块

3.1 主程序框架

#include "stm32f10x.h"
#include "oled.h"
#include "ds18b20.h"
#include "water_level.h"
#include "relay.h"
#include "voice.h"
#include "key.h"float temperature = 0;
uint8_t water_level = 0;
float temp_threshold = 40;   // 默认水温阈值40℃
uint8_t level_threshold = 2; // 默认水位阈值，等级制
uint8_t voice_cmd = 0;int main(void)
{OLED_Init();DS18B20_Init();WaterLevel_Init();Relay_Init();Voice_Init();Key_Init();OLED_ShowString(0,0,"Smart Bath");while(1){temperature = DS18B20_ReadTemp();water_level = WaterLevel_Read();OLED_ShowString(2,0,"Temp:");OLED_ShowNum(2,6,temperature,2);OLED_ShowString(3,0,"Level:");OLED_ShowNum(3,6,water_level,1);Key_Scan(&temp_threshold, &level_threshold);voice_cmd = Voice_GetCommand();ControlSystem(temperature, water_level, temp_threshold, level_threshold, voice_cmd);}
}

3.2 温度采集模块

float DS18B20_ReadTemp(void)
{int temp;float t;DS18B20_Start();DelayMs(750); // 转换时间DS18B20_Read(&temp);t = temp * 0.0625; // 分辨率0.0625℃return t;
}

说明：

通过单总线协议读取温度；
温度值经过换算后以浮点数形式返回。

3.3 水位采集模块

uint8_t WaterLevel_Read(void)
{if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 1)return 3; // 高水位else if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 1)return 2; // 中水位elsereturn 1; // 低水位
}

说明：

将水位划分为低、中、高三级；
通过多路水位探针信号判断水位高度。

3.4 OLED显示模块

void Display_Info(float temp, uint8_t level)
{OLED_ShowString(2,0,"Temp:");OLED_ShowNum(2,6,temp,2);OLED_ShowString(3,0,"Level:");OLED_ShowNum(3,6,level,1);
}

说明：

OLED显示实时水温与水位；
提示用户当前浴缸状态。

3.5 按键设置模块

void Key_Scan(float *temp_threshold, uint8_t *level_threshold)
{if(Key1_Pressed()) (*temp_threshold)++;if(Key2_Pressed()) (*temp_threshold)--;if(Key3_Pressed()) (*level_threshold)++;if(Key4_Pressed()) (*level_threshold)--;
}

说明：

提供四个按键用于设置水温与水位阈值；
可存储在EEPROM中，掉电不丢失。

3.6 继电器控制模块

void ControlSystem(float temp, uint8_t level, float temp_thr, uint8_t level_thr, uint8_t voice_cmd)
{if(temp < temp_thr || voice_cmd == CMD_HEAT)Relay_Heat_On();elseRelay_Heat_Off();if(level < level_thr || voice_cmd == CMD_WATER)Relay_Water_On();elseRelay_Water_Off();
}

说明：

根据阈值自动判断是否加水或加热；
语音命令可直接触发继电器动作。

3.7 语音识别模块

uint8_t Voice_GetCommand(void)
{uint8_t cmd = 0;if(USART_ReceiveData(USART1) == 'H') cmd = CMD_HEAT;if(USART_ReceiveData(USART1) == 'W') cmd = CMD_WATER;return cmd;
}