基于藍(lán)牙的51單片機(jī)智能控制開關(guān)設(shè)計(jì)

孟毅博,肖玉蘭,張文

（內(nèi)江師范學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院四川內(nèi)江 641110）

1 引言

智能家居是高科技光速發(fā)展的現(xiàn)代社會最熱門的話題之一，最終目的是通過網(wǎng)絡(luò)等信息化方法實(shí)現(xiàn)對家用電器等的智能化控制，使其能夠按照人們的設(shè)想去工作運(yùn)行，但卻不考慮距離的遠(yuǎn)近。智能化和遠(yuǎn)程控制是智能家居的兩大特色。目前，已經(jīng)有越來越多的企業(yè)和個(gè)人開始了對智能家居的研究。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是藍(lán)牙通信技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)可提供遙控、家電控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、防盜報(bào)警、電話遠(yuǎn)程控制及計(jì)算機(jī)控制等多種功能，使生活更加舒適、便利和安全。電子科技的發(fā)展已經(jīng)極大地優(yōu)化了人們的生活，基于單片機(jī)與移動通信技術(shù)的藍(lán)牙無線家電開關(guān)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步在高端住宅場合得到了推廣和應(yīng)用并取得了一致的好評。

2 工作原理

單片機(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。此智能家居控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，通過藍(lán)牙通信技術(shù)，把傳感器實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)反饋給智能手機(jī)終端控制平臺。智能手機(jī)控制平臺分析、處理收到的反饋數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙通信技術(shù)返回給51單片機(jī)相應(yīng)的指令信息。51單片機(jī)接收和解析指令，利用電路和各元器件(計(jì)數(shù)器、信號發(fā)生器等)發(fā)出相應(yīng)的電平信號。電磁繼電器接收給定的電平信號，并做出響應(yīng)，控制智能家用電器的開啟或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)家用電器的自動控制。

系統(tǒng)的遙控是利用藍(lán)牙模塊，用戶可通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看家用電器的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

圖1 原理圖

3 無線通信技術(shù)

在現(xiàn)代通信技術(shù)中，居民住宅使用的無線通信技術(shù)大多以藍(lán)牙通信和WiFi通信為主。相比較兩種無線通信技術(shù)，WiFi的信號更穩(wěn)定、傳輸距離更遠(yuǎn)、適用范圍更廣，但在智能家用電器開或關(guān)的使用過程中，運(yùn)用WiFi的話會比較麻煩，手機(jī)要不定時(shí)的連接不同的WiFi網(wǎng)絡(luò)，才能夠?qū)χ悄芗矣秒娖鬟M(jìn)行遙控，但藍(lán)牙能很好地彌補(bǔ)這一問題，手機(jī)可同時(shí)連接藍(lán)牙和WiFi，這就能使智能家用電器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、可靠的多點(diǎn)控制[1]。

本設(shè)計(jì)基于藍(lán)牙通信技術(shù)，以51單片機(jī)為核心。藍(lán)牙模塊采用工業(yè)級HC-05藍(lán)牙模塊完成手機(jī)藍(lán)牙指令的接收和通信，然后和單片機(jī)控制電路之間通過串口通信電路完成數(shù)據(jù)的傳輸。單片機(jī)控制單元通過解析所接收到的藍(lán)牙指令，然后對相應(yīng)的家用電器開關(guān)進(jìn)行開啟和關(guān)閉的操作。

圖2 藍(lán)牙模塊電路圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1.1 單片機(jī)系統(tǒng)電路 考慮到經(jīng)濟(jì)性和控制精度需求，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)使用51單片機(jī)。該單片機(jī)擁有4KB的Flash存儲器、32根I/O線外部存貯器，2個(gè)16bit的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、2個(gè)中斷優(yōu)先級和全雙工串行口，完全滿足本設(shè)計(jì)的控制需求[2]。另外，51單片機(jī)在電子設(shè)計(jì)中有大量的應(yīng)用途徑，穩(wěn)定性較好，價(jià)格適中，兼容性好。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

4.1.2 驅(qū)動電路 驅(qū)動電路作為整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)的重要組成部分，通過接收單片機(jī)控制單元對藍(lán)牙指令解析之后而發(fā)出的命令，來實(shí)現(xiàn)智能家居的開關(guān)控制。因此，它是不可或缺的一部分。對于驅(qū)動機(jī)制的選擇，有三種不同的方法，雙向可控硅、三極管、電磁繼電器。

（1）雙向可控硅：雙向可控硅是一種性能較好的功率開關(guān)，擁有很大的驅(qū)動能力，可用于交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。雖然雙向可控硅反向?qū)ǎ菀讚舸时仨毷闺p向可控硅能承受這種反向電壓。

（2）三極管：三極管可作為無觸點(diǎn)開關(guān)，具有電流放大的作用，可以用于功率放大。但大多數(shù)情況是使用其直流開關(guān)的功能，而且其反應(yīng)靈敏可以達(dá)到100KHz，擁有很好的靈敏度。

（3）電磁繼電器：電磁繼電器是用小電流、低電壓控制大電流、高電壓的擁有自動開啟或關(guān)閉的功能的“新型開關(guān)”，并且擁有電氣隔離、轉(zhuǎn)換電路、安全保護(hù)、自動調(diào)節(jié)等功能[3]。

經(jīng)過比較分析，三種方法都是利用小電壓控制大電壓。三極管適合于做直流開關(guān)使用。雙向可控硅可反向?qū)ǎ菀讚舸亩覀冞x擇使用電磁繼電器。電磁繼電器控制電路采用弱電控制強(qiáng)電的控制原理，單片機(jī)通過控制繼電器的斷開和吸合來控制外接家用電器的通斷。具體控制電路如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路

圖5 程序流程圖

4.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)和手機(jī)都是通過藍(lán)牙模塊之間進(jìn)行信號交換，需要編寫單片機(jī)程序和軟件程序，由單片機(jī)、藍(lán)牙模塊和繼電器來組成系統(tǒng)控制體系，如圖5所示。

啟動手機(jī)控制平臺（APP）并進(jìn)行初始化（復(fù)位）操作。啟動家電終端藍(lán)牙模塊，指示燈為紅色（未匹配藍(lán)牙）。手機(jī)藍(lán)牙與家電終端藍(lán)牙模塊進(jìn)行對接完成藍(lán)牙匹配，指示燈變?yōu)榫G色。使用手機(jī)智能控制平臺發(fā)送“開”指令給家用電器（如空調(diào)、窗簾、熱水器等），家電終端藍(lán)牙模塊接受并解析指令，通過串行通信把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。單片機(jī)獲悉數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)的電平信號控制繼電器，使得家用電器通電工作[4]。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為核心，結(jié)合HC-05藍(lán)牙模塊和電磁繼電器模塊，通過對單片機(jī)的編程設(shè)計(jì)來組成了一套智能家電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對家用電器的遠(yuǎn)程控制。在這個(gè)信息化的社會中，智能化的設(shè)備使人們應(yīng)接不暇，智能家居實(shí)現(xiàn)了高效率的住宅設(shè)施與家庭日常事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升了家居舒適性、安全性、便利性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境，這不僅提高了人們的生活效率也改善了生態(tài)環(huán)境，可謂是一舉兩得。本方案在設(shè)計(jì)的過程中遇到過硬件故障和軟件出錯(cuò)等許多問題，通過找尋和翻閱文獻(xiàn)資料，然后互相討論，最終完善了本設(shè)計(jì)。舒適、時(shí)尚的家居生活是社會進(jìn)步的標(biāo)志，智能家居控制系統(tǒng)能夠在不改變?nèi)魏渭译姷那闆r下，對家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境等進(jìn)行方便的控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時(shí)尚的現(xiàn)代生活。