基于STM32的智能衣柜系统设计与实现

摘要

随着生活水平的提升和智能家居技术的快速发展，传统衣柜仅具备衣物收纳功能的局限性日益凸显，难以满足人们对衣物护理、环境调控、便捷操作的高品质需求。传统衣柜普遍存在温湿度失衡导致衣物发霉、异味滋生，消毒不及时引发细菌滋生，操作繁琐且无法远程控制等问题。本文设计并实现了一套基于STM32F103C8T6单片机的智能衣柜系统，整合多种传感器和执行设备，实现衣物收纳与智能护理一体化，解决传统衣柜的使用痛点。

该系统以STM32F103C8T6为核心控制单元，搭载DHT11温湿度传感器、RTC实时时钟模块、光电红外传感器、光敏传感器、MQ-135空气质量传感器等检测模块，搭配OLED显示模块、按键模块、蜂鸣器报警模块、继电器模块、风扇模块、加热片模块、UV消毒灯模块、步进电机、大功率LED灯模块及BT04A蓝牙模块，实现九大核心功能。本文详细阐述了系统的总体设计方案、硬件电路设计、软件程序开发、蓝牙APP开发及系统调试过程，确保系统运行稳定、功能完善、操作便捷。

系统调试结果表明，该系统能够精准采集衣柜内温湿度、空气质量、光强等环境数据，实时显示在OLED屏幕上；可根据预设阈值自动实现加热、通风调控，根据RTC时间定时进行UV消毒，结合柜门状态和光强实现消毒和照明的智能切换；支持手动与自动模式灵活切换，手动模式下可精准控制各执行设备运行；通过蓝牙APP可远程查看环境数据、远程控制设备，空气质量超标时蜂鸣器及时报警。该系统成本适中、结构紧凑、实用性强，能够有效提升衣物护理质量，为用户提供便捷、智能的使用体验，具有一定的实际应用价值和推广前景。

关键词：STM32；智能衣柜；环境监测；自动控制；蓝牙通信；远程控制

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

在智能家居快速普及的当下，人们对居住环境的智能化、便捷化、健康化需求不断提升，衣柜作为家庭生活中不可或缺的收纳家具，其功能需求已从单纯的衣物存放向智能护理、环境调控、便捷操作方向升级。传统衣柜结构简单，仅能实现衣物的收纳功能，在日常使用中存在诸多弊端，难以适应现代家庭的高品质生活需求。

传统衣柜内部环境封闭，温湿度难以控制，潮湿天气易导致衣物发霉、受潮、产生异味，影响衣物使用寿命和穿着体验；衣柜内衣物长期存放易滋生细菌、螨虫，缺乏有效的消毒手段，可能危害人体健康；衣柜照明依赖外部光源，取放衣物时视线不佳，操作不便；同时，传统衣柜无法实现远程控制和智能调控，用户需手动操作各项功能，使用体验较差。

随着嵌入式技术、传感器技术、蓝牙通信技术和智能控制技术的飞速发展，智能家居产品不断迭代升级，智能衣柜作为智能家居的重要组成部分，逐渐进入人们的生活。基于微控制器的智能衣柜系统，能够实现衣柜内环境参数的实时监测、智能调控、自动消毒、远程控制等功能，有效解决传统衣柜的痛点，提升衣物护理质量和用户使用便捷性。

STM32系列单片机具有高性能、低功耗、性价比高、外设丰富等优势，广泛应用于智能家居、嵌入式智能设备开发领域。本文基于STM32F103C8T6单片机设计智能衣柜系统，整合多种检测模块和执行模块，实现温湿度调控、定时消毒、智能照明、空气质量监测、蓝牙远程控制等功能，对于提升衣柜的智能化水平、改善用户生活体验、推动智能家居产业的发展具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2 国内外研究现状

国外智能家居产业发展起步较早，智能衣柜相关技术已相对成熟。欧美、日本等发达国家推出了多种智能衣柜产品，如日本某品牌智能衣柜，集成温湿度调控、紫外线消毒、衣物烘干、远程控制等功能，通过手机APP可实现参数设置和设备控制，注重用户体验和产品实用性；欧美国家的智能衣柜则更注重环保和节能，采用低功耗传感器和执行设备，结合AI算法实现环境参数的精准调控，同时具备衣物分类、智能收纳等附加功能。这些产品功能完善、体验优良，但价格较高，难以在普通家庭中普及。

国内近年来也逐步重视智能家居领域的发展，智能衣柜的研究和产品开发取得了一定进展。国内科研机构和企业相继推出了基于单片机、STM32等微控制器的智能衣柜方案，多数系统实现了温湿度监测、消毒、照明等基本功能。但目前国内产品仍存在一些不足：部分系统功能单一，仅能实现简单的温湿度调控和消毒，缺乏手动/自动模式切换、蓝牙远程控制等功能；部分系统虽支持远程控制，但存在数据传输不稳定、响应速度慢等问题；此外，部分产品的阈值调节不够灵活，消毒定时不够精准，难以满足不同用户的个性化需求。

综上，现有智能衣柜系统仍有较大的改进空间，本文设计的基于STM32的智能衣柜系统，整合九大核心功能，兼顾实用性、经济性和稳定性，支持蓝牙远程控制和手动/自动模式切换，能够有效弥补现有产品的不足，满足普通家庭的智能衣物护理需求。

1.3 研究内容与目标

1.3.1 研究内容

本文主要围绕基于STM32的智能衣柜系统的设计与实现展开研究，具体研究内容如下：

1. 系统总体方案设计：明确系统的核心功能需求，结合给定的元器件清单，确定系统的总体架构，划分硬件模块和软件模块，制定系统的设计原则和技术路线。

2. 硬件电路设计：以STM32F103C8T6为核心，设计主控模块电路；选型并设计DHT11温湿度传感器、RTC实时时钟模块、光电红外传感器、光敏传感器、MQ-135空气质量传感器等检测模块电路；设计OLED显示模块、按键模块、蜂鸣器报警模块、继电器模块及各执行模块（风扇、加热片、UV消毒灯、LED灯、步进电机）、BT04A蓝牙模块电路，完成硬件焊接与组装。

3. 软件程序开发：基于Keil MDK开发环境，采用C语言编写系统软件，实现传感器数据采集与处理、OLED显示驱动、按键交互、报警控制、执行设备驱动、手动/自动模式切换、RTC时间获取与定时消毒、蓝牙通信等功能；开发配套蓝牙APP，实现远程数据查看与设备控制。

4. 系统调试与性能测试：对硬件电路进行调试，确保各模块正常工作；对软件程序进行调试，解决程序中的逻辑错误；对系统的各项功能和性能进行测试，验证系统的稳定性、可靠性和响应速度；测试蓝牙通信的稳定性，确保远程控制功能正常实现。

1.3.2 研究目标

本文的研究目标是设计并实现一套基于STM32的智能衣柜系统，具体目标如下：

1. 实现核心功能：完成温湿度检测与调控、RTC定时UV消毒、柜门状态检测与消毒/照明联动、光强检测与智能照明、空气质量监测与报警、阈值与定时调节、手动/自动模式切换、手动设备控制、蓝牙远程控制九大功能，满足智能衣柜的实际使用需求。

2. 保证系统性能：传感器数据采集精度高，温湿度、空气质量、光强数据误差控制在合理范围；自动控制响应时间短，设备动作准确；RTC时间精准，定时消毒误差小；蓝牙通信稳定，数据传输延迟低，远程控制响应及时；系统运行稳定，无明显故障。

3. 提升实用性：系统操作简便，按键可灵活调节时间、阈值和定时信息，模式切换便捷；OLED屏幕显示清晰，便于用户现场查看环境数据和系统状态；蓝牙APP界面简洁，易于操作；硬件成本适中，结构紧凑，便于安装和推广应用，能够适应不同家庭的使用场景。

1.4 论文结构安排

本文共分为6章，具体结构安排如下：

第一章为绪论，阐述本文的研究背景与意义、国内外研究现状、研究内容与目标及论文结构安排。

第二章为系统相关技术基础，介绍STM32单片机、传感器技术、蓝牙通信技术、OLED显示技术、RTC实时时钟技术及继电器驱动技术，为系统设计提供理论支撑。

第三章为系统总体设计，明确系统功能需求，设计系统总体架构，划分硬件模块和软件模块，制定系统设计方案和模式切换逻辑。

第四章为系统硬件设计，详细阐述各硬件模块的选型、电路设计及硬件组装过程。

第五章为系统软件设计，详细阐述软件总体架构、各模块程序设计、蓝牙通信程序及手机APP开发过程。

第六章为系统调试与性能测试，介绍系统调试过程，对系统各项功能和性能进行测试，分析测试结果，总结系统存在的不足及改进方向。

最后为结论与展望，总结本文的研究成果，对系统的未来发展进行展望。

第二章 系统相关技术基础

2.1 STM32单片机相关技术

2.1.1 STM32F103C8T6简介

本文选用STM32F103C8T6作为系统的核心控制单元，该芯片属于ST公司推出的STM32F1系列单片机，基于ARM Cortex-M3内核，主频最高可达72MHz，具有高性能、低功耗、外设丰富、性价比高的优势，非常适合智能衣柜系统的开发。

STM32F103C8T6拥有64KB的Flash存储器和20KB的SRAM，可满足系统程序存储和数据处理的需求；配备了多个通用I/O口、UART串口、SPI接口、I2C接口、ADC接口、RTC接口等外设，便于与传感器、显示模块、执行模块、蓝牙模块等外设进行连接；支持多种低功耗模式，可有效降低系统功耗，延长设备使用寿命，适应衣柜长期运行的需求。

2.1.2 STM32开发环境

系统软件开发采用Keil MDK5开发环境，该环境是ARM公司推出的嵌入式开发工具，支持STM32系列单片机的开发，具有强大的代码编辑、编译、调试功能。Keil MDK5集成了ARM Compiler 5编译器，能够对C语言程序进行高效编译，生成可执行文件；配备了调试器，支持在线调试，可实时查看程序运行状态，快速定位并解决程序中的错误。

此外，还需要安装STM32F103C8T6的芯片包，确保开发环境能够识别该芯片，正常进行程序的编译和下载；同时，需安装相关的库函数，简化程序开发流程，提高开发效率，实现各外设的快速驱动和功能开发。

2.2 传感器技术

2.2.1 温湿度传感器（DHT11）

本文选用DHT11温湿度传感器作为衣柜内温湿度检测的核心元件，该传感器是一种数字式温湿度传感器，具有精度高、响应速度快、接线简单、成本低等优势，无需复杂的ADC转换电路，可直接输出数字信号，便于与STM32单片机连接。

DHT11传感器的温度检测范围为0-50℃，误差为±2℃；湿度检测范围为20%-90%RH，误差为±5%RH，工作电压为3.3V-5V，通过单总线与STM32单片机进行通信，可快速采集衣柜内的温湿度数据，为温湿度调控提供数据依据。

2.2.2 空气质量传感器（MQ-135）

选用MQ-135空气质量传感器作为衣柜内空气质量检测元件，该传感器属于半导体式传感器，具有灵敏度高、响应速度快、成本低、检测范围广等优势，适用于衣柜内空气质量的实时监测，可检测甲醛、苯、氨气、烟雾等有害气体浓度。

MQ-135传感器的工作电压为5V，检测范围为10-10000ppm，输出信号为模拟信号。传感器内部的半导体敏感元件在接触到有害气体时，电阻值会发生变化，通过ADC转换将模拟信号转换为数字信号，即可得到空气质量数据，当数据超出预设阈值时，触发蜂鸣器报警。

2.2.3 光敏传感器

选用光敏电阻作为衣柜内光强检测元件，该传感器是一种模拟式传感器，具有灵敏度高、体积小、成本低、接线简单等优势，能够实时检测衣柜内的光照强度，为智能照明控制提供依据。

光敏电阻的工作电压为3.3V-5V，当光照强度发生变化时，其电阻值随之变化，光照越强，电阻值越小，输出的模拟电压越低；光照越弱，电阻值越大，输出的模拟电压越高。通过STM32的ADC接口将模拟信号转换为数字信号，即可得到光照强度数据，判断是否需要开启LED照明。

2.2.4 光电红外传感器

选用光电红外传感器作为衣柜门状态检测元件，该传感器分为发射端和接收端，具有检测精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优势，能够准确检测柜门的开关状态，为消毒功能和照明功能的联动控制提供依据。

光电红外传感器的工作电压为3.3V-5V，当柜门关闭时，发射端发出的红外光被接收端接收，传感器输出低电平；当柜门打开时，红外光被遮挡，接收端无法接收，传感器输出高电平。STM32单片机通过检测传感器的输出电平，判断柜门的开关状态。

2.3 蓝牙通信技术

本文选用BT04A蓝牙模块实现系统与手机APP的远程通信，BT04A是一款基于蓝牙4.0协议的低功耗蓝牙模块，具有体积小、功耗低、通信稳定、成本低等优势，支持UART串口通信，可实现数据的双向传输。

BT04A模块通过UART串口与STM32单片机连接，实现数据的双向传输：STM32单片机将采集到的温湿度、空气质量、光强、柜门状态、实时时间等数据发送给BT04A模块，BT04A模块通过蓝牙将数据传输到手机APP；手机APP将远程控制指令、阈值设置指令、定时设置指令传输到BT04A模块，再由BT04A模块发送给STM32单片机，实现远程控制和参数调节。

2.4 OLED显示技术

本文选用0.96英寸OLED显示屏作为系统的数据显示设备，该显示屏具有分辨率高、对比度高、响应速度快、功耗低、视角广、自发光等优势，能够清晰、直观地显示衣柜内的环境数据、实时时间、系统工作模式、设备运行状态及各项阈值。

0.96英寸OLED显示屏采用I2C通信协议，与STM32单片机的I2C接口连接，接线简单，占用I/O口少。显示屏的分辨率为128×64，可显示字符、数字、图形等信息，通过编写显示驱动程序，可实现数据的实时显示和界面的切换，方便用户现场查看系统状态。

2.5 RTC实时时钟技术

RTC（Real Time Clock）实时时钟模块用于获取实时时间，并实现定时UV消毒功能。本文选用DS1302 RTC模块，该模块具有体积小、功耗低、时间精准、接口简单等优势，支持年月日、时分秒的精准计时，可通过I2C接口与STM32单片机连接。

DS1302 RTC模块内置锂电池，当系统断电时，仍能保持时间的正常运行，确保定时消毒功能不受断电影响。STM32单片机通过I2C协议与DS1302模块通信，读取实时时间，并根据用户设置的定时时间，控制UV消毒灯的开启和关闭，实现定时消毒功能。

2.6 继电器驱动技术

系统中的风扇、加热片、UV消毒灯、LED灯等执行设备，需要通过继电器模块进行驱动控制。继电器是一种电子控制器件，具有隔离作用，可通过小电流控制大电流，保护STM32单片机不受高电压、大电流的损坏。

本文选用4路继电器模块，工作电压为5V，通过GPIO口与STM32单片机连接。当STM32单片机输出高电平时，继电器导通，控制相应的执行设备启动；输出低电平时，继电器截止，设备停止工作。通过继电器模块，实现STM32单片机对各执行设备的精准控制。

2.7 本章小结

本章主要介绍了系统设计过程中涉及的相关技术，包括STM32单片机技术、传感器技术、蓝牙通信技术、OLED显示技术、RTC实时时钟技术及继电器驱动技术。STM32F103C8T6单片机为系统提供核心控制能力；DHT11温湿度传感器、MQ-135空气质量传感器、光敏传感器、光电红外传感器实现衣柜内环境参数和柜门状态的采集；BT04A蓝牙模块实现系统与手机APP的远程通信；OLED显示屏实现数据的直观显示；DS1302 RTC模块实现实时时间获取和定时消毒；继电器模块实现执行设备的驱动控制。这些技术的应用，为系统的设计与实现提供了坚实的理论支撑和技术保障。

第三章 系统总体设计

3.1 系统功能需求分析

根据智能衣柜的实际使用需求，结合给定的元器件清单，本文设计的基于STM32的智能衣柜系统需实现九大核心功能，具体功能需求如下：

1. 温湿度检测与调控功能：通过DHT11传感器实时检测衣柜内温湿度数据，根据用户预设的阈值，自动开启加热片（温度过低时）或风扇（湿度过高时），实现衣柜内温湿度的智能调控，防止衣物发霉、受潮。

2. RTC定时UV消毒功能：通过RTC模块获取实时时间，用户可设置消毒时间和时长，当到达预设消毒时间且柜门关闭时，自动开启UV消毒灯进行消毒，消毒完成后自动关闭，避免UV光线对人体造成伤害。

3. 柜门状态检测与联动功能：通过光电红外传感器检测柜门状态，关门且在消毒时间范围内时，开启UV消毒灯；开门时，根据光敏传感器检测的光强，自动开启LED灯，方便用户取放衣物。

4. 光强检测与智能照明功能：通过光敏传感器采集衣柜内光强数据，实时显示在OLED屏幕上，当光强低于预设阈值且柜门打开时，自动开启LED灯；柜门关闭或光强达标时，自动关闭LED灯，节约能源。

5. 空气质量监测与报警功能：通过MQ-135传感器检测衣柜内空气质量，当有害气体浓度超出预设阈值时，蜂鸣器立即发出警报声，提醒用户及时通风，同时可自动开启风扇进行通风换气。

6. 参数调节功能：通过按键可调节实时时间、温湿度阈值、空气质量阈值、消毒定时时间、消毒时长等所有参数信息，满足用户的个性化需求。

7. 模式切换功能：通过按键可切换手动模式和自动模式，自动模式下系统根据预设参数实现智能调控；手动模式下，用户可手动控制各设备运行，灵活应对特殊场景。

8. 手动控制功能：手动模式下，用户可通过按键或手机APP，手动控制加热片、UV消毒灯、风扇、LED灯的开关，以及步进电机（挂衣架）的升降，实现便捷操作。

9. 蓝牙远程控制功能：通过蓝牙APP可实时接收衣柜内的温湿度、空气质量、光强、柜门状态、实时时间等数据，同时可远程控制加热、通风、照明、消毒等功能，以及挂衣架的升降。

3.2 系统总体架构设计

基于系统功能需求，本文设计的智能衣柜系统采用模块化架构，以STM32F103C8T6单片机为核心，分为硬件层、软件层和APP层三部分，系统总体架构如图3-1所示（此处可插入架构图，论文中补充）。

1. 硬件层：主要包括主控模块、检测模块、显示模块、按键模块、报警模块、执行模块及蓝牙通信模块。主控模块负责系统的整体控制和数据处理；检测模块负责采集衣柜内的环境参数和柜门状态；显示模块负责数据和系统状态的显示；按键模块负责参数调节和模式切换操作；报警模块负责触发空气质量超标报警；执行模块负责执行温湿度调控、消毒、照明、挂衣架升降等动作；蓝牙通信模块负责实现系统与手机APP的远程通信。

2. 软件层：主要包括主控程序、传感器数据采集与处理程序、OLED显示驱动程序、按键处理程序、报警控制程序、执行设备驱动程序、模式切换程序、RTC时间处理与定时消毒程序、蓝牙通信程序。主控程序负责协调各模块程序的运行；传感器数据采集与处理程序负责采集传感器数据并进行滤波、校准处理；显示驱动程序负责控制OLED显示屏显示数据；按键处理程序负责处理按键输入，实现参数调节和模式切换；报警控制程序负责判断是否触发报警，控制蜂鸣器工作；执行设备驱动程序负责控制各执行设备的启停；模式切换程序负责实现手动模式与自动模式的切换；RTC时间处理程序负责读取实时时间和实现定时消毒；蓝牙通信程序负责实现系统与手机APP的数据传输。

3. APP层：主要为蓝牙手机APP，负责接收系统发送的环境数据和系统状态，显示实时信息，同时向系统发送远程控制指令和参数设置指令，实现远程控制和参数调节。

3.3 系统设计原则

为确保系统的实用性、稳定性和可靠性，本文在系统设计过程中遵循以下原则：

1. 实用性原则：系统功能贴合智能衣柜的实际使用需求，操作简便，参数调节灵活，手机APP界面简洁，易于用户操作和使用；硬件选型兼顾性能和成本，结构紧凑，便于安装在衣柜内部，适合普通家庭推广应用。

2. 稳定性原则：选用性能稳定、质量可靠的元器件，硬件电路设计合理，软件程序逻辑严谨，确保系统长期稳定运行，减少故障发生，适应衣柜长期无人值守的需求；RTC模块配备备用电源，确保断电后时间正常运行。

3. 可靠性原则：传感器数据采集精度高，报警响应及时，执行设备动作准确，蓝牙通信稳定，数据传输延迟低，确保系统能够有效发挥环境调控、消毒、照明等功能，保障衣物护理质量。

4. 经济性原则：在满足系统功能和性能的前提下，选用性价比高的元器件，降低系统硬件成本，简化电路设计，降低开发和维护成本，便于大规模推广应用。

5. 安全性原则：设计UV消毒灯与柜门状态的联动控制，开门时自动关闭消毒灯，避免UV光线对人体造成伤害；继电器模块具有隔离作用，保护主控芯片和用户安全；蜂鸣器报警及时，提醒用户处理空气质量超标等异常情况。

3.4 系统技术路线

本文按照“需求分析—总体设计—硬件设计—软件设计—蓝牙APP开发—系统调试—性能测试”的技术路线，完成基于STM32的智能衣柜系统的设计与实现，具体技术路线如下：

1. 需求分析：明确系统的核心功能需求，梳理用户对系统的性能要求，结合给定的元器件清单，确定系统的设计目标和技术指标。

2. 总体设计：设计系统的总体架构，划分硬件模块、软件模块和APP层，制定系统的设计方案、模式切换逻辑和参数设置规则。

3. 硬件设计：完成各硬件模块的元器件选型、电路设计，绘制电路原理图，制作PCB板，进行硬件焊接与组装。

4. 软件设计：基于Keil MDK开发环境，编写系统各模块的软件程序，实现传感器数据采集、显示、控制、报警、模式切换、RTC定时、蓝牙通信等功能。

5. 蓝牙APP开发：开发配套的手机蓝牙APP，实现数据接收、实时显示、远程控制和参数设置功能。

6. 系统调试：对硬件电路进行调试，检查各模块是否正常工作；对软件程序进行调试，解决程序中的逻辑错误，确保系统正常运行；调试蓝牙通信，确保手机APP与系统的通信稳定。

7. 性能测试：对系统的各项功能和性能进行测试，验证系统的稳定性、可靠性和响应速度，分析测试结果，优化系统性能。

3.5 系统模式切换逻辑

系统支持手动模式和自动模式两种工作模式，用户可通过按键或手机APP进行模式切换，切换逻辑如下：

1. 系统上电后，默认进入自动模式，系统根据预设的温湿度阈值、空气质量阈值、消毒定时时间，自动实现温湿度调控、空气质量监测、定时消毒、智能照明等功能，无需人工干预。

2. 当用户需要手动控制时，可通过按键或手机APP切换到手动模式，此时自动控制功能失效，用户可通过按键或手机APP，手动控制加热片、UV消毒灯、风扇、LED灯的开关，以及步进电机（挂衣架）的升降。

3. 手动模式下，用户可随时切换回自动模式，切换后系统恢复自动控制功能，按照预设参数进行智能调控；无论处于哪种模式，空气质量超标报警功能始终有效，蜂鸣器及时报警。

4. 手动模式下，UV消毒灯的开启仍受柜门状态限制，开门时无法开启消毒灯，避免UV光线对人体造成伤害；自动模式下，消毒灯仅在柜门关闭且到达定时时间时开启。

3.6 本章小结

本章主要完成了系统的总体设计，包括系统功能需求分析、总体架构设计、设计原则、技术路线及模式切换逻辑。通过功能需求分析，明确了系统的九大核心功能；采用模块化架构，将系统分为硬件层、软件层和APP层，确保系统结构清晰、易于开发和维护；遵循实用性、稳定性、可靠性等设计原则，制定合理的技术路线和模式切换逻辑，为后续系统的硬件设计和软件设计奠定了基础。

第四章 系统硬件设计

4.1 硬件总体设计

系统硬件采用模块化设计，以STM32F103C8T6单片机为核心，整合检测模块、显示模块、按键模块、报警模块、执行模块及蓝牙通信模块，各模块通过相应的接口与主控模块连接，实现数据传输和指令交互。硬件总体框图如图4-1所示（此处可插入硬件框图，论文中补充）。

各硬件模块的功能如下：

1. 主控模块：STM32F103C8T6单片机，负责接收各传感器的检测数据，进行数据处理和分析，控制各模块的工作状态，实现系统的整体控制和模式切换。

2. 检测模块：包括DHT11温湿度传感器、MQ-135空气质量传感器、光敏传感器、光电红外传感器、DS1302 RTC模块，负责采集衣柜内的温湿度、空气质量、光强、柜门状态及实时时间，为系统控制提供数据依据。

3. 显示模块：0.96英寸OLED显示屏，负责显示各类传感器数据、实时时间、系统工作模式、设备运行状态及各项阈值。

4. 按键模块：4个独立按键，分别用于模式切换、参数调节（时间、阈值、定时）、设备手动控制，实现人机交互。

5. 报警模块：有源蜂鸣器，当MQ-135传感器检测到空气质量超标时，发出警报声，提醒用户及时处理。

6. 执行模块：包括4路继电器模块、风扇模块、加热片模块、UV消毒灯模块、大功率LED灯模块、步进电机（挂衣架），其中继电器模块用于控制风扇、加热片、UV消毒灯、LED灯的启停，步进电机用于控制挂衣架的升降，负责执行系统的各项调控动作。

7. 蓝牙通信模块：BT04A蓝牙模块，负责实现系统与手机APP的远程通信，传输数据和控制指令。

4.2 主控模块设计

4.2.1 主控芯片选型

结合系统功能需求、元器件清单和经济性原则，本文选用STM32F103C8T6作为系统的主控芯片，该芯片具有以下优势：

1. 性能强劲：基于ARM Cortex-M3内核，主频最高可达72MHz，能够快速处理传感器数据和控制指令，满足系统实时性要求，确保自动控制的响应速度。

2. 外设丰富：拥有多个通用I/O口、UART串口、I2C接口、SPI接口、ADC接口、RTC接口等，便于与各模块连接，无需额外扩展芯片，简化电路设计。

3. 低功耗：支持多种低功耗模式，可根据系统工作状态切换功耗模式，降低系统功耗，延长设备使用寿命，适应衣柜长期运行的需求。

4. 性价比高：价格适中，适合批量生产和推广应用，满足普通家庭的成本需求；同时，技术成熟，资料丰富，便于程序开发和调试。

4.2.2 主控模块电路设计

主控模块电路主要包括电源电路、复位电路、晶振电路三部分，确保STM32F103C8T6芯片正常工作。

1. 电源电路：系统采用5V直流电源供电，通过AMS1117-3.3V稳压芯片将5V电压转换为3.3V，为STM32F103C8T6芯片及其他需要3.3V供电的模块（如OLED显示屏、光敏传感器、光电红外传感器、BT04A蓝牙模块）供电。电源电路中加入电容滤波，减少电源噪声，确保供电稳定，避免电压波动影响系统运行。

2. 复位电路：采用手动复位和上电复位相结合的方式，复位电路由电阻、电容和复位按键组成，当系统出现故障时，按下复位按键可实现系统复位；上电时，通过电容充电实现上电复位，确保系统正常启动。

3. 晶振电路：采用外部晶振电路，晶振频率为8MHz，通过分频电路为STM32F103C8T6芯片提供时钟信号，确保芯片正常工作。晶振电路中加入电容，稳定晶振频率，减少干扰，提高系统的稳定性。

4.3 检测模块设计

4.3.1 温湿度传感器模块设计

温湿度传感器模块选用DHT11传感器，该传感器为数字式传感器，工作电压为3.3V-5V，通过单总线与STM32单片机连接。

DHT11传感器的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，DATA引脚（数据引脚）接STM32F103C8T6的PB0引脚。为了确保数据传输的稳定性，在DATA引脚与VCC引脚之间串联一个10KΩ的上拉电阻，防止信号失真，确保传感器数据采集的准确性。

STM32单片机通过单总线协议与DHT11传感器通信，发送启动信号后，传感器返回温湿度数据，经过数据解析后，得到当前衣柜内的温度和湿度数据，为温湿度调控提供依据。

4.3.2 空气质量传感器模块设计

空气质量传感器模块选用MQ-135传感器，该传感器为模拟式传感器，工作电压为5V，输出信号为模拟信号，需要通过STM32的ADC接口将模拟信号转换为数字信号。

MQ-135传感器的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，AO引脚（模拟输出）接STM32F103C8T6的ADC1通道（PA0引脚）。为了提高数据采集的稳定性，在传感器的AO引脚与GND之间并联一个100nF的电容，用于滤波，减少信号干扰，确保空气质量数据的准确性。

当衣柜内有害气体浓度发生变化时，MQ-135传感器的电阻值随之变化，AO引脚输出的模拟电压随之变化，STM32通过ADC转换将模拟电压转换为数字信号，经过数据处理后，得到空气质量数据，当数据超出预设阈值时，触发蜂鸣器报警。

4.3.3 光敏传感器模块设计

光敏传感器模块选用光敏电阻，该传感器为模拟式传感器，工作电压为3.3V，输出信号为模拟信号，需要通过STM32的ADC接口将模拟信号转换为数字信号。

光敏电阻的一端接3.3V电源，另一端接STM32F103C8T6的ADC2通道（PA1引脚），同时通过一个10KΩ的电阻接地。当衣柜内光照强度发生变化时，光敏电阻的电阻值随之变化，输出的模拟电压随之变化，STM32通过ADC转换将模拟电压转换为数字信号，经过数据处理后，得到光照强度数据，为智能照明控制提供依据。

4.3.4 光电红外传感器模块设计

光电红外传感器模块选用对射式光电传感器，分为发射端和接收端，工作电压为3.3V，输出信号为数字信号，可直接与STM32单片机的GPIO口连接。

发射端的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地；接收端的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，OUT引脚（输出端）接STM32F103C8T6的PB1引脚。当柜门关闭时，发射端发出的红外光被接收端接收，接收端输出低电平；当柜门打开时，红外光被遮挡，接收端输出高电平，STM32单片机通过检测接收端的输出电平，判断柜门的开关状态。

4.3.5 RTC实时时钟模块设计

RTC实时时钟模块选用DS1302模块，该模块采用I2C通信协议，工作电压为3.3V，内置锂电池，可实现断电后时间继续运行，与STM32单片机的I2C接口连接。

DS1302模块的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，SDA引脚（数据线）接STM32F103C8T6的PB7引脚（I2C1_SDA），SCL引脚（时钟线）接STM32F103C8T6的PB6引脚（I2C1_SCL）。STM32单片机通过I2C协议与DS1302模块通信，读取实时时间，并根据用户设置的定时消毒时间，控制UV消毒灯的开启和关闭，实现定时消毒功能。

4.4 显示模块设计

显示模块选用0.96英寸OLED显示屏，采用I2C通信协议，与STM32F103C8T6的I2C接口连接，接线简单，占用I/O口少。

OLED显示屏的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，SDA引脚（数据线）接STM32F103C8T6的PB7引脚（I2C1_SDA），SCL引脚（时钟线）接STM32F103C8T6的PB6引脚（I2C1_SCL）。

STM32单片机通过I2C协议与OLED显示屏通信，发送显示指令和数据，控制显示屏显示各类信息。显示屏分为多个显示区域，具体显示内容如下：第一行显示系统名称“智能衣柜系统”；第二行显示实时时间，格式为“时间：2026-XX-XX XX:XX:XX”；第三行显示温湿度数据，格式为“温湿度：XX℃ XX%RH”；第四行显示空气质量和光强，格式为“空气质量：XXX ppm 光强：XXX LUX”；第五行显示系统工作模式和柜门状态，格式为“模式：自动/手动  柜门：开/关”；第六行显示各项阈值，格式为“阈值：温XX 湿XX 空气质量XX”。

4.5 按键模块设计

按键模块选用4个独立按键，分别用于模式切换、参数调节、设备手动控制，实现人机交互。按键采用独立按键设计，结构简单，易于实现，抗干扰能力强。

4个按键的一端分别接STM32F103C8T6的PB2、PB3、PB4、PB5引脚，另一端共同接地。为了防止按键抖动，在每个按键的引脚与VCC引脚之间串联一个10KΩ的上拉电阻，同时在按键两端并联一个100nF的电容，用于消抖，确保按键操作的准确性。

按键功能分配如下：PB2引脚对应模式切换（自动/手动）；PB3引脚对应参数调节（切换时间、阈值、定时等参数）；PB4引脚对应参数增加（调节参数时，增加数值）；PB5引脚对应参数减少（调节参数时，减少数值）；手动模式下，长按按键可实现各设备的手动控制（如长按PB3控制加热片开关，长按PB4控制风扇开关）。

4.6 报警模块设计

报警模块选用有源蜂鸣器，工作电压为5V，具有体积小、声音大、功耗低等优势，可快速提醒用户空气质量超标。

蜂鸣器的VCC引脚接5V电源，GND引脚通过NPN三极管（PNP8050）接地，三极管的基极接STM32F103C8T6的PA2引脚。当MQ-135传感器检测到空气质量超出预设阈值时，STM32单片机输出高电平，控制三极管导通，蜂鸣器通电发出警报声；当空气质量恢复到阈值范围内后，STM32输出低电平，三极管截止，蜂鸣器停止报警。

为了保护蜂鸣器，在蜂鸣器两端并联一个二极管，防止电流反向冲击损坏蜂鸣器，延长蜂鸣器的使用寿命。

4.7 执行模块设计

执行模块主要包括4路继电器模块、风扇模块、加热片模块、UV消毒灯模块、大功率LED灯模块、步进电机（挂衣架），负责执行系统的各项调控动作，由STM32单片机统一控制。

1. 继电器模块：选用4路继电器模块，工作电压为5V，通过继电器控制风扇、加热片、UV消毒灯、LED灯的启停。继电器模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，IN1引脚接STM32F103C8T6的PA3引脚（控制风扇），IN2引脚接PA4引脚（控制加热片），IN3引脚接PA5引脚（控制UV消毒灯），IN4引脚接PA6引脚（控制LED灯）。当STM32输出高电平时，继电器导通，控制相应的设备启动；输出低电平时，继电器截止，设备停止工作。

2. 风扇模块：选用小型直流风扇，由继电器控制启停，当衣柜内湿度高于预设阈值时，风扇启动，进行通风换气，降低湿度；当空气质量超标时，风扇启动，排出有害气体，改善衣柜内空气质量。

3. 加热片模块：选用小型加热片，由继电器控制启停，当衣柜内温度低于预设阈值时，加热片启动，升高衣柜内温度，防止衣物受潮、发霉。

4. UV消毒灯模块：选用小型UV消毒灯，由继电器控制启停，仅在柜门关闭且到达预设消毒时间时启动，消毒完成后自动关闭，避免UV光线对人体造成伤害，用于杀灭衣柜内的细菌、螨虫。

5. 大功率LED灯模块：选用大功率LED灯，由继电器控制启停，当柜门打开且光强低于预设阈值时，LED灯启动，为用户取放衣物提供照明；柜门关闭或光强达标时，LED灯自动关闭，节约能源。

6. 步进电机模块：选用28BYJ-48步进电机，用于驱动挂衣架的升降，通过ULN2003驱动模块与STM32连接，驱动模块的VCC引脚接5V电源，GND引脚接地，IN1-IN4引脚分别接STM32F103C8T6的PA7-PA10引脚。STM32通过发送控制指令，控制步进电机的转动方向和角度，实现挂衣架的升降，方便用户取放高处衣物。

4.8 蓝牙通信模块设计

蓝牙通信模块选用BT04A蓝牙模块，通过UART串口与STM32单片机连接，实现系统与手机APP的远程通信。

BT04A模块的VCC引脚接3.3V电源，GND引脚接地，TXD引脚（发送端）接STM32F103C8T6的PA11引脚（USART1_RX），RXD引脚（接收端）接STM32F103C8T6的PA12引脚（USART1_TX）。为了确保数据传输的稳定性，在模块的VCC引脚与GND引脚之间并联一个100nF的电容，用于滤波，减少信号干扰。

BT04A模块通过蓝牙与手机APP建立连接，STM32单片机将采集到的温湿度、空气质量、光强、柜门状态、实时时间等数据通过UART串口发送给BT04A模块，BT04A模块将数据传输到手机APP；手机APP将远程控制指令（如加热、通风、消毒、照明控制）、参数设置指令（如阈值、定时时间调节）传输到BT04A模块，再由BT04A模块通过UART串口发送给STM32单片机，实现远程控制和参数调节。

4.9 硬件组装与调试

4.9.1 硬件组装

根据硬件电路原理图，制作PCB板，将各元器件按照设计要求焊接到PCB板上，注意焊接质量，避免虚焊、漏焊。焊接完成后，将各模块与主控模块连接，确保接线正确，无短路、接反等问题。具体组装步骤如下：

1. 焊接主控模块：将STM32F103C8T6芯片、AMS1117-3.3V稳压芯片、电阻、电容等元器件焊接到PCB板上，完成主控模块的组装。

2. 焊接检测模块：将DHT11温湿度传感器、MQ-135空气质量传感器、光敏电阻、光电红外传感器、DS1302 RTC模块分别焊接到对应的接口位置，确保引脚连接正确；将光电传感器的发射端和接收端分别安装在衣柜门的两侧，确保柜门关闭时能正常接收红外光。

3. 焊接其他模块：依次焊接显示模块、按键模块、报警模块、执行模块及蓝牙通信模块，将风扇、加热片、UV消毒灯、LED灯与继电器模块连接，将步进电机与ULN2003驱动模块连接，完成整个硬件系统的组装；将组装好的硬件系统安装在衣柜内部，固定各模块位置，确保设备运行稳定。

4.9.2 硬件调试

硬件组装完成后，对各模块进行调试，确保各模块正常工作，具体调试内容如下：

1. 主控模块调试：给系统供电，观察STM32芯片的电源指示灯是否亮起，通过示波器检测晶振电路的输出信号，确保主控模块正常工作。

2. 检测模块调试：分别测试各传感器的输出信号，观察传感器是否能够正常采集数据，数据是否准确；改变衣柜内环境参数（如喷水增加湿度、放入有害气体、改变光照强度、开关柜门），观察传感器数据是否随之变化，验证传感器的灵敏度和准确性；测试DS1302 RTC模块，观察时间是否精准，断电后是否能正常保持时间。

3. 显示模块调试：给显示模块供电，通过STM32发送显示指令，观察OLED显示屏是否能够正常显示字符和数据，显示是否清晰、准确，界面切换是否流畅。

4. 按键模块调试：按下各按键，通过万用表检测对应的I/O口电平变化，判断按键是否能够正常工作，是否存在抖动现象，验证模式切换、参数调节和手动控制功能是否正常。

5. 报警模块调试：模拟空气质量超标场景（放入有害气体），观察蜂鸣器是否能够正常发出警报声，声音是否清晰、响亮，报警触发是否及时；当空气质量恢复正常后，观察蜂鸣器是否停止报警。

6. 执行模块调试：控制继电器导通，观察风扇、加热片、UV消毒灯、LED灯是否能够正常启动和停止；控制步进电机，观察电机是否能够正常转动，挂衣架升降是否顺畅、准确；测试UV消毒灯与柜门状态的联动，开门时是否无法开启消毒灯。

7. 蓝牙通信模块调试：将BT04A模块与手机APP建立连接，测试模块与手机APP的通信是否稳定，数据传输是否正常；通过手机APP查看数据和发送控制指令，验证远程通信和远程控制功能是否正常。

经过调试，各硬件模块均能正常工作，数据采集准确，通信稳定，设备动作准确，满足系统设计要求。

4.10 本章小结