智能家居手機藍牙開關(guān)控制電路設(shè)計與實現(xiàn)

曹樹偉 楊雪

摘要：以單片機為基礎(chǔ)，結(jié)合自動控制技術(shù)和藍牙2.0通信技術(shù)，設(shè)計完成一套無線遙控家用電器開關(guān)機系統(tǒng).整個系統(tǒng)以STC89C52單片機為核心，單片機主要實現(xiàn)HC-05藍牙指令的解析與繼電器開關(guān)控制指令的發(fā)出.藍牙通信單元采用工業(yè)級的HC-05藍牙模塊來完成，藍牙模塊在整個系統(tǒng)中負責(zé)藍牙開關(guān)指令的接收和傳輸.家電開關(guān)部分采用四路繼電器開關(guān)來實現(xiàn)，被控家用電器可接大部分家用電器，本文中選擇被控對象為室內(nèi)LED燈、熱水器、空調(diào)、音響.整個系統(tǒng)設(shè)計思路清晰，設(shè)計成本較低，具有較高的實用性和推廣價值.

關(guān)鍵詞：智能家居;藍牙;單片機;開關(guān)

中圖分類號：TN7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）01-0025-03

1 引言

微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)與通信技術(shù)的發(fā)展將人類社會帶入一個電子信息世界，各種電子控制系統(tǒng)應(yīng)用于生活的每一個角落.其中居住環(huán)境的智能化、人性化已經(jīng)越來越受到青睞，電子科技的發(fā)展已經(jīng)極大地便利了人們的生活，基于單片機與移動通信技術(shù)的藍牙無線家電開關(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.

隨著人們生活水平的提高，越來越多的家用電器被放置到自己的居住空間里，對每個電器獨立開關(guān)操作給人們帶來了一定的繁瑣與不便.基于人們?nèi)粘κ謾C的高度依賴，從而設(shè)計利用智能手機來隨時控制開啟自己家里的電器.這將使得人們對家電的開關(guān)操作更加便捷，因為手機藍牙遙控的方式集多個開關(guān)于一身，化繁為簡，不必面對一大堆獨立電器遙控器.同時藍牙無線遙控的工作模式使開啟電器不再受距離的限制，躺在床上翻閱手機的時候就能實現(xiàn)臥室燈、熱水器、空調(diào)、音響等電器的開關(guān)操作，大大提升了用戶的操作便捷和舒適度.

2 電路總體框圖與工作原理

2.1 電路總體框圖

智能家居手機藍牙開關(guān)控制電路總體框圖如圖1所示.電路原理圖如圖2所示.

2.2 電路工作原理

藍牙開關(guān)電路以STC89C52單片機為控制單元，設(shè)計電路如圖2所示.在用戶手機上安裝藍牙串口App，根據(jù)室內(nèi)家電名稱設(shè)置藍牙串口App相應(yīng)的界面按鍵的名稱和開關(guān)狀態(tài)，通過App界面按鍵操作發(fā)出控制指令信息.然后通過無線藍牙信號傳輸模式，由藍牙接收模塊接收手機發(fā)出的此藍牙信號，控制相應(yīng)端口所連接的繼電器開關(guān)開閉動作，從而實現(xiàn)相應(yīng)電器開關(guān)機控制.

3 功能模塊電路原理與實現(xiàn)

3.1 STC89C52RC單片機控制電路

單片機電路作為電路的核心控制單元，本設(shè)計采用了STC89C52RC型號的單片機，該單片機工作電壓為5.5v，最高時鐘頻率為80MHz，片內(nèi)Flash程序存儲器為8k字節(jié)，SRAM為512字節(jié)，EEPROM為4k字節(jié)，3個定時器，8個中斷源，共有32個通用IO口.

單片機STC89C52最小系統(tǒng)由電源VCC，地GND，晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成.圖2中，P1為外部直流電源接口.直流電源由接口P1引入電路板的自鎖開關(guān)SZ的3引腳，由5引腳引出.自鎖開關(guān)作為電路的電源總開關(guān).晶振Y1、電容C2、C3構(gòu)成單片機振蕩電路.電解電容C1和電阻R2構(gòu)成單片機上電復(fù)位電路.單片機IO口P1.0定義為照明燈的開關(guān)控制信號，接第一路繼電器控制端，即9012PNP型晶體三極管Q1的基極電阻前端，輸入低電平有效，繼電器KJ1導(dǎo)通.同理，單片機IO口P1.2、P1.4、P1.6分別定義為熱水器、空調(diào)和音響的開關(guān)控制信號，分別接入其他三路繼電器控制端，即9012晶體三極管Q2、Q3和Q4的基極電阻前端.同樣是輸入低電平有效，控制繼電器KJ2、KJ3和KJ4導(dǎo)通.單片機串行IO口P3.0用于接收藍牙模塊向單片機發(fā)來的信息，串行的IO口P3.1用于單片機向藍牙模塊發(fā)送信息.

3.2 繼電器控制電路

繼電器控制電路一共有4路，均為相同的電路結(jié)構(gòu).這里僅就第一路繼電器電路進行工作原理說明.其控制電路由SRS12VDCSL型繼電器KJ1、9012型號晶體三極管Q1、普通二極管D5、發(fā)光二極管D1、電阻R7、R8和接口J1構(gòu)成.繼電器3引腳接+5V電源，4引腳接Q1晶體管的發(fā)射極，5引腳為活動觸點，接外接電路接口J1的1接口，常開觸點2引腳接外接電路接口J2的2接口.當(dāng)晶體三極管基極輸入低電平信號（來自單片機的P1.0引腳）時，晶體三極管導(dǎo)通，繼電器3、4引腳間通電流，繼電器線圈吸合活動觸點5到常開觸點2引腳，從而接通外部電路接口J1的1、2端口.當(dāng)晶體三極管基極輸入高電平信號（來自單片機的P1.0引腳）時，晶體三極管斷開，繼電器3、4引腳間無電流，繼電器活動觸點5復(fù)位到常閉觸點1引腳，外部電路接口J1的1、2端口斷開.繼電器線圈兩端3、4引腳間接入普通二極管D5作為引流電路，起到對繼電器線圈通斷電時保護作用.發(fā)光二極管D1作為繼電器通斷指示作用，D1亮，表示繼電器閉合，D1滅，表示繼電器斷開.電阻R7、R8均為限流電阻，保護三極管Q1和發(fā)光二極管D1正常工作.接口J1為外部家用電器電器供電接口電路，相當(dāng)于家用電器在電路板上的開關(guān)接口.

3.3 SH-05嵌入式藍牙串口通訊模塊

本模塊用來和手機進行藍牙無線通信，接收手機發(fā)來的控制指令信息，然后傳輸給單片機，單片機程序根據(jù)輸入的指令信息進行相應(yīng)引腳高低電平輸出，從而控制繼電器開關(guān)動作.系統(tǒng)電路中采用SH-05嵌入式藍牙串口通訊模塊進行無線通信.

HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊具有兩種工作模式：命令響應(yīng)工作模式和自動連接工作模式，在自動連接工作模式下模塊又可分為主（Master）、從（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作角色.當(dāng)HC-05模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據(jù)事先設(shè)定的方式連接的數(shù)據(jù)傳輸;當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時能執(zhí)行相應(yīng)的AT命令，用戶可向模塊發(fā)送各種AT指令，為模塊設(shè)定控制參數(shù)或發(fā)布控制命令.通過控制模塊外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現(xiàn)模塊工作狀態(tài)的動態(tài)轉(zhuǎn)換.

3.4 手機App使用方法

在硬件電路構(gòu)建好之后，還需要在手機上裝入藍牙串口App才能實現(xiàn)對藍牙開關(guān)電路的命令控制.在手機應(yīng)用商店里搜索“藍牙串口”.然后在手機上安裝該App.打開藍牙串口App，對界面進行編輯.在界面上端選擇到開關(guān)界面下，如圖3所示.長按某個灰色方塊，即可進入開關(guān)按鈕編輯界面，如圖4“開關(guān)編輯界面1”所示.狀態(tài)OFF下面的“按鈕文本”行處輸入文字“照明關(guān)”，用于告訴用戶此按鈕功能.下一行選擇默認的“字符”方式.主要用于設(shè)定此APP與藍牙模塊之間的藍牙通信格式.在“消息”行輸入“o10”，是命令中具體發(fā)送的“照明關(guān)”信息代碼.同樣的方式來編輯狀態(tài)ON界面，狀態(tài)ON下面的“按鈕文本”行處輸入文字“照明開”，下一行選擇默認的“字符”方式.在“消息”行輸入“o11”.設(shè)置完成界面如圖5“開關(guān)編輯界面2”所示.當(dāng)手機與SH-05嵌入式藍牙串口通訊模塊完成設(shè)備連接時，即可通過點擊已經(jīng)設(shè)置好的按鍵實現(xiàn)對家用電器的開關(guān)操作.

3.5 家用電器部分

家用電器本系統(tǒng)主要設(shè)置了室內(nèi)LED燈，熱水器，空調(diào)，音響電器設(shè)備.設(shè)備電源線分別接入圖2.藍牙開關(guān)電路電路原理圖中J1、J2、J3、J4接口.其中每個電器的220v火線分別接到J1、J2、J3、J4接口的2端（對應(yīng)繼電器的常開觸點），地線分別接到J1、J2、J3、J4接口的1端（對應(yīng)繼電器的常閉觸點）.當(dāng)Q1、Q2、Q3和Q4晶體三極管基極低電平輸入時，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，繼電器內(nèi)部觸點由1位置接到2位置，J1、J2、J3、J4接口的1、2端接通.相當(dāng)于開關(guān)閉合，電器開始工作.當(dāng)基極高電平時，三極管閉合，繼電器觸點處于斷開狀態(tài).J1、J2、J3、J4接口的1、2端不導(dǎo)通.電器不通電，停止工作.

4 程序設(shè)計

智能家居手機藍牙開關(guān)控制電路系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示：

程序流程說明：藍牙數(shù)據(jù)接收模塊在上電后，先與手機藍牙進行配對連接，當(dāng)連接成功后，開始不斷檢測是否有控制信號命令傳輸，如果有，則建立連接，開始收發(fā)數(shù)據(jù)（傳來的控制信號和發(fā)送的當(dāng)前狀態(tài)信號），傳輸完成斷開連接，重新掃描是否有鍵按下，等待下次數(shù)據(jù)傳輸.

5 總結(jié)

本設(shè)計從實用性出發(fā)，結(jié)合人們?nèi)粘Ｉ盍?xí)慣，充分地利用了藍牙無線技術(shù)及手機App的功能，使人們在手機上方便地實現(xiàn)了家用電器開關(guān)操作，使人們的生活更加便捷，是科技服務(wù)生活的充分體現(xiàn).本設(shè)計實現(xiàn)電路簡單，方便安裝，同時操作簡潔，容易上手，價格低廉，適合在大眾層面推廣應(yīng)用.

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