太陽能多功能控氧家居系統

李安潤，陸慧博

（西藏大學 工學院電子信息系，西藏 拉薩 850000）

隨著科技革命步伐地不斷加快和智能家居時代的不斷逼近，人們對生活水平的質量不要提高，如何將科技手段融入到每一個家庭當中，讓每一個老百姓體驗到科技成果帶來的“新生活”已成為每個科研人的夢想。本項目立足于西藏地區，著眼于將科技更好為藏族同胞和廣大游客服務，以有效緩解高原缺氧問題、智能居家控制和實現安卓手機[8]控制家用電器等功能。

很多初入高原的人由于缺氧而引發的頭疼、頭暈、眼花、耳鳴、全身乏力、行走困難、難以入睡等癥狀。本項目針對高原地區普遍缺氧的情況，將有效解決如下問題：將使援藏者、有意向在西藏工作者和已在西藏工作者在該產品的幫助下解決缺氧問題，在室內就能合在內地一樣“呼吸”，而不必整天抱著氧氣袋；該項目對于心肌功能較弱的老年人和小孩子的健康成長也起著促進的作用；甚至能推動高原人才的引進和旅游業的發展。與此同時，傳統的家用制氧機存在諸多缺點，例如，無法實現自動地根據室內氧氣濃度來調節供氧的多少，只能24小時一直供氧。一方面不能自動控氧達到富氧狀態；另一方面，當室內沒人或者氧氣濃度已經達到富氧狀態時，繼續供氧會對資源造成一定的浪費。

1 硬件電路設計

1.1 系統硬件設計

項目設計的硬件包括，STC公司的增強型8051單片機、家用制氧機、氧氣傳感器、12864液晶顯示模塊、AD采樣模塊、穩壓電路、過充過放保護電路等。項目中利用西藏地區充足的太陽能提供能源支持，將太陽能轉化為電能并存儲在蓄電池當中。通過穩壓電路給單片機、制氧機及各個模塊供電，主控芯片利用AD采樣不斷采集各個信息，并將信息顯示在12864液晶顯示屏上；同時利用安卓手機的藍牙與藍牙模塊相連，并與單片機實現通信功能，同時也可通過電腦對其進行相應的控制操作。太陽能電池板的開路電壓為20 V，考慮到對蓄電池的保護，選用了8 W型號；蓄電池選用了20AH，DC12V的型號。系統硬件設計框圖如圖1所示。

1.2 STC15F2K61S2簡介

作品的設計平臺選型，是基于STC15F2K61S2單片機為核心的控制。STC15F2K61S2單片機，增強型8051CPU，1T型，運行速度為傳 統8051的7到12倍；內部有集成10位ADC，速度可達30萬次/秒，ADC轉換簡單方便，無需外加ADC芯片；38個I/O口方便使用，且I/O口 的功能可以切換，簡化設計外圍電路的設計；低功耗設計、空閑模式、掉電模式等，內部高可靠復位，ISP編程，無需外部晶振等強大功能。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 The structure diagram of system hardware

1.3 AD采樣

STC15F2K61S2單片機ADC由多路選擇開關、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC（數/模轉換）、轉換結果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC控制寄存器ADC_CONTR構成。

STC15F2K61S2單片機ADC是逐次比較型的，由1個比較器和D/A轉換器構成。啟動后，比較寄存器清“0”，然后通過逐次比較邏輯，從比較寄存器最高位開始對數據位置“1”，并將比較寄存器數據經DAC轉換為模擬量與輸入模擬量進行比較。若DAC轉換后模擬量小于輸入模擬量，保留數據位為“1”，否則清“0”數據位；依次對下一位數據置“1”，重復上述操作，直至最低位為止，則A/D轉換結束；然后，保存轉換結果，發出轉換結束標志。逐次比較型ADC具有轉換精度高、速度快等優點。

圖2 ADC結構圖Fig.2 ADCstructure

1.4 FBT-06藍牙串口模塊

藍牙模塊選用的是FBT-06 EVB藍牙串口模塊，是由移摩通訊公司生產的，采用世界領先的藍牙芯片供應商CSR公司的BlueCore4芯片，標準class2藍牙2.0版本規范設計，具有信號靈敏度高、通訊距離遠、簡單易用等特點，可通過AT指令查看或者設置控制參數，滿足無線串口通信遠距離傳輸的要求。

該型號藍牙模塊支持所有藍牙協議，采用標準HCI端口（UART or USB）、Full Speed USB1.1， Compliant With 2.0 USB協議。通過AT指令，可為模塊設置控制參數或發布控制命令；支持各種標準波特率，并支持硬件流傳輸控制，最高串口波特率為1 382 400 bps；通信頻段為藍牙標準2.4 GHz，搭載外置藍牙天線，在空曠、無遮擋地帶，收發距離可達30米。

單片機的 RS232串口、RXD、TXD分別與 FBT-06 EVB的RS232串口、TXD、RXD相連接，安卓手機的藍牙與FBT-06 EVB藍牙模塊相連接，從而實現安卓手機與單片機的連接。通過在安卓手機上安裝“安卓手機串口調試助手”軟件，實現安卓手機、藍牙模塊和單片機三者之間的通訊。從而實現安卓手機控制酥油燈、制氧機等功能。FBT-06模塊管腳示意圖、安卓手機串口調試助手示意圖分別如圖3、4所示。

1.5 12864液晶顯示屏

圖3 模塊管腳示意圖Fig.3 Module Pin Schematic

因本系統顯示的內容有漢字，字符，數字等，于是我們選擇了12864液晶顯示，此液晶使用5V電壓驅動，帶背光，內置8192個16*16點陣，128個字符（8*16點陣）及 64*256點陣顯示RAM。而且此液晶擁有較低的功耗，能夠清晰的顯示各種漢字、英文和各種圖形，部分液晶甚至帶有中文字庫，非常適用于我們此系統的使用，為了避免占用大量I/O口，我們采用串行的接口方式，使我們的系統設計變得更加簡單。

1.6 電源變換部分電路原理分析

系統的電源變換電路原理圖如圖5所示。

圖4 安卓手機串口調試助手示意圖Fig.4 Android phones serial debugging assistant schematic

圖5 穩壓電路原理圖Fig.5 Voltage stabilizing circuit principle diagram

電源變換部分采用的是三端集成穩壓器來實現的，具體電路圖如上所示，使用了7805變換得到穩定的直流5 V輸出，同時，由D8和R19組成了電源指示電路來顯示當前系統的供電是否正常。J3的端子為STC15F2K61S2主控板提供電源，B+為蓄電池電源引入端子。

1.7 氧氣傳感器工作原理

氧氣傳感器是一個密封容器（金屬的或塑料的容器），它里面包含有兩個電極：陰極是涂有活性催化劑的一片 PTFE（聚四氟乙烯），陽極是一個鉛塊。這個密封容器只在頂部有一個毛細微孔，允許氧氣通過進入工作電極。兩個電極通過集電器被連接到傳感器表面突出的兩個引腳，而傳感器通過這兩個觸角被連接到所應用的設備上。傳感器內充滿電解質溶液，使不同種離子得以在電極之間交換。

進入傳感器的氧氣的流速取決于傳感器頂部的毛細微孔的大小。當氧氣到達工作電極時，它立刻被還原釋放出氫氧根離子：

這些氫氧根離子通過電解質到達陽極（鉛），與鉛發生氧化反應，生成對應的金屬氧化物。

1.8 家用制氧機原理

本項目是采用分子篩制氧機。主要流程為兩塔。原料空氣由壓縮機加壓后，經過空氣預處理裝置除去油、塵埃等固體雜質及水，并冷卻至常溫，經過處理后的壓縮空氣由進氣閥進入裝有分子篩的吸附塔，空氣中的氮氣、二氧化碳等被吸附，流出的氣體即為高純度的氧氣，當吸附塔達到一定的飽和度后，進氣閥關閉，沖洗閥打開，吸附塔進入沖洗階段，過后沖洗閥關閉，解吸閥打開進入解吸再生階段，這樣即完成了一個循環周期。

2 軟件設計

2.1 主程序流程框圖

主程序是一個閉合的循環，I/O口初始化部分包括I/O口狀態是處于輸入，還是輸出狀態，是否設置為上拉下拉等操作，都在I/O端口初始化函數中完成；LCD初始化主要是對液晶顯示部分的相關數據線，控制線的狀態進行設置；串口初始化是設置好與藍牙模塊相連接的端口，以備單片機和藍牙模塊進行通訊，并不斷判斷是否有信息傳輸到單片機上；A/D采樣初始化主要是開啟A/D采樣，不斷判斷A/D采樣是否結束以完成各個傳感器的采樣，然后通過單片機進行處理，并將各個信息顯示在12864液晶顯示屏上。

圖6 主程序流程框圖Fig.6 Flow chart of main program

3 系統測試結果

3.1 太陽能控制器電路板消耗電路測試

太陽能控制器電路板的完成了對蓄電池充電的硬件控制，在正常工作時的電流測試結果如下：

3.2 實物圖

實物圖所圖7所示。

圖7 實物圖Fig.7 Pysical figure

4 結束語

針對高原地區諸多問題設計的太陽能多功能控氧家居系統，使用了STC15F2K61S2微處理器，結合太陽能供電技術、藍牙模塊、傳感器模塊、氧氣傳感器、液晶顯示等設計的。將藍牙功能接入單片機當中，從而實現安卓手機與單片機的通訊，最終實現對家居系統的控制，實現了家居的智能控制，并且該系統執行效率高、功耗低、穩定性好等優點。通過對西藏地區實際情況的考察，結合游客和當地市民的需要本設計不但解決了西藏地區的實際問題，而且具有非常好的市場空間，完全可以在內地諸多城市進行推廣。

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