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蓝牙家电控制硬件设计分析
毕业设计（论文）
题目：
蓝牙家电控制硬件设计
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学生姓名：
指导教师：
20XX年X月
蓝牙家电控制硬件设计
摘要
随着人们生活水平逐渐的提高，大家对生活质量的要求也就越来越高，从而推动了智能家居的发展，随着普通家庭使用家电设备渐渐增多，迫切的需要集中控制家电设备。
如此同时，智能手机性能的提升以及互联网的发展，使得智能手机已成为人们生活中不可缺少的一部分，以后将成为智能家电控制系统的主流控制终端。
在这样的背景下，本文研究智能家居手机控制家电系统，该系统以蓝牙通信技术为基础，以Android智能手机作为终端控制，安装手机APP，向系统发送命令来达到对家电的控制。
关键词：
智能家居蓝牙Android家电控制
目录
第1章绪论3
1.1蓝牙技术介绍………………………….…………………………………………………..........3
1.2蓝牙在智能家居中的应用…………….……….…………………………………………….…4
第二章Arduino介绍6
2.1Arduino平台介绍…………………………………………………………………………………6
2.2Arduino未来展望……………………………………………………………………………....9
第三章硬件电路设计11
3.1电源电路设计……………………………………………………………………………...11
3.2单片机系统电路设计…………………………………………………………………………11
3.3蓝牙接口电路设计……………………………………………………………………………..12
3.4继电器接口电路设计…………………………………………………………………………..12
第四章硬件实物制作与测试14
4.1硬件实物制作……………………………………………………………………………..……14
第1章绪论
1.1蓝牙技术介绍
自上世纪90年代后期以来,各种短距离的无线通信技术标准纷纷涌现,其中蓝牙技术作为一种很有竞争力的小范围无线通信协议，以其全球统一的标准性、数据和语音传输方面的优越性、低功耗、低成本和高安全性等特点，目前得到越来越广泛的应用。
随着网络技术和自动化技术的普及，零散的、功能单一的家电设备会被逐步淘汰，智能家庭网络、智能家居必将成为我国今后发展的主流。
由于目前蓝牙技术在我们的日常生活中最为常见，在今后的智能家庭中采用蓝牙无疑给客户带来巨大方便。
可以说蓝牙是智能家庭网络的理想选择。
因此,对基于蓝牙技术的无线家庭网络进行研究具有极大的理论和实际应用价值。
智能家居中的无线联网与通信已成为蓝牙技术的一个重要应用领域。
“蓝牙”是一种开放型的技术规范，它可以在世界上任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。
所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线电技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。
蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的ISM频段，这样用户不必经过申请便可以在2400～2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。
频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。
调制方式为BT=0．5的GFSK，调制指数为0．28～0．35。
蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。
最大发射功率分为三个等级，100mW（20dBm），2．5mW（4dBm），lmw（0dBm），在4~20dBm范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10～100m。
另外，由于蓝牙的数据传输率为1Mb/S，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0．625s。
蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技术支持一个异步数据通道或一个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。
每一个语音通道支持64KB／S的同步语音，异步通道支持最大速率为721KB／S，反向应答速度为57.6KB／s的非对称连接，或者一是速率为432.6KB／S的对称连接。
所以蓝牙技术采用的是TMDA结构。
蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHzISM频段。
该频段对所有无线电系统都开放，因此，蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。
这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平，为此，采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。
所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道。
在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接收方也是按照相同的跳转规律进行通信。
这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道干什么，否则，从理论上计野外法完整获得信息的，而干扰源也是不可能按同样的规律进行干扰的。
跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性。
1.2蓝牙在智能家居中的应用
基于蓝牙技术的智能家居系统，其硬件组成主要包括蓝牙模块、MCU、传感器网络和家庭计算机，总体构成如图1所示．从机由蓝牙模块、MCU、传感器组以及外部RAM等组成．考虑到电话普及率高以及不同家庭的需要，系统可以通过电话线或互联网与外界连接．其中与互联网连接可以通过嵌入式Modem直接连接，也可以通过家庭计算机与互联网连接，后者可以由家庭计算机保存数据以及进行传感网络的数据融合处理．图1主机框图中所示的蓝牙模块主要用于与控制中心交换数据和管理蓝牙网络链路；紧急开关供主人在室内遇到紧急情况时使用；存储器用于存储各种数据．从机组组成蓝牙传感网络，使数据采集和家庭安防监控灵活方便，摆脱了布线系统的束缚．用户可以通过互联网或电话控制家里电器的运作并获得其运作信息。
而家庭中的家庭网络系统正是在这种强烈的需求愿望驱使下产生的，它属于家庭网络范畴，正是有了它，才使人们觉得网络就在身边，无处不在，才使人们在工作中、学习中、生活中能充分利用网络资源和优势，高效、便捷、安全的生活。
家庭网络系统将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装臵，通过家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。
这些功能都是通过家庭网络系统中的家庭网络控制器未实现的，家庭网络控制器具有家庭总线系统、通过家庭总线系统提供各种服务功能、并和住宅以外的外部世界相通连。
可以这样说，家庭网络系统是智能住宅的核心。
由此可见，家庭网络系统在智能住宅中的重要地位。
家庭网络控制器功能：
通过总线与各种类型的模块相连接，通过电话线路。
计算机互联网、CATV线路与外部相连接。
通过利用个人电脑或网络电视，主用户设臵控制命令（开关控制、时间表控制或联动控制）。
根据设臵在内部的时钟功能，和内部的软件程序，执行控制命令，并向单元控制模块传达命令，对联接的各种家电进行控制。
家庭通讯网主机：
家庭通讯网主机实质就是现在的Internet机顶盒也叫网络电视，主要完成Internet、电脑、电视功能的融合，并且完成与小区管理中心的互连。
家庭通信网络单元由电话通信模块、计算机互联网模块、CATV模块组成，有些还具有蓝牙技术的接口，以利于将来蓝牙技术的设备进入家庭使用。
在美国40％的家庭拥有PC，网络电视也达到同一普及率，这一部分约占网络电视用户的35％。
1998年约有25万台，在日本1998年也约有25万台。
有人预计，2005年机顶盒的市场规模将达上亿台。
因此机顶盒将是计算机技术与家用电器结合的先导，是数字化技术的先锋。
家庭网络的控制器。
家庭网络控制器主机是由中央处理器CPU、通信模块组成。
它的主要功能是：
通过利用个人电脑或网络电视，由用户设臵控制命令（开关控制、时间表控制或联动控制）。
根据设臵在内部的时钟功能，执行控制命令，并向单元控制模块传达命令，对联接的各种家电进行控制。
家庭网络遥控器的主要功能是：
使用者不需要使用个人电脑或网络电视，而只需按动按钮即可随意进行家电控制，还可选择声控方式，大大方便了老人和儿童的使用。
第二章Arduino介绍
2.1Arduino平台介绍
Arduino是一种开源的电子平台，该平台最初主要基于AVR单片机的微控制器和相应的开发软件，目前在国内正受到电子发烧友的广泛关注。
自从2005年Arduino腾空出世以来，其硬件和开发环境一直进行着更新迭代。
现在Arduino已经有将近十年的发展历史，因此市场上称为Arduino的电路板已经有各式各样的版本了。
Arduino开发团队正式发布的是ArduinoUno和ArduinoMega2560，如图2-1所示。
图1-1ArduinoUnoR3
Arduino项目起源于意大利，该名字在意大利是男性用名，音译为“阿尔杜伊诺”，意思为“强壮的朋友”，通常作为专有名词，在拼写时首字母需要大写。
其创始团队成员包括：
MassimoBanzi、DavidCuartielles、TomIgoe、GianlucaMartino、DavidMellis和NicholasZambetti6人。
Arduino的出现并不是偶然，Arduino最初是为一些非电子工程专业的学生设计的。
设计者最初为了寻求一个廉价好用的微控制器开发板从而决定自己动手制作开发板，Arduino一经推出，因其开源、廉价、简单易懂的特性迅速受到了广大电子迷的喜爱和推崇。
几乎任何人，即便不懂电脑编程，利用这个开发板也能用Arduino做出炫酷有趣的东西，比如对感测器探测做出一些回应、闪烁灯光、控制马达等。
Arduino的硬件设计电路和软件都可以在官方网站上获得，正式的制作商是意大利的SmartProjects，许多制造商也在生产和销售他们自己的与Arduino兼容的电路板和扩展板，但是由Arduino团队设计和支持的产品需要始终保留着Arduino的名字。
所以，Arduino更加准确的说法是一个包含硬件和软件的电子开发平台，具有互助和奉献的开源精神以及团队力量。
在嵌入式开发中，根据不同的功能开发者会用到各种不同的开发平台。
而Arduino作为新兴开发平台，在短时间内受到很多人的欢迎和使用，这跟其设计的原理和思想是密切相关的。
首先，Arduino无论是硬件还是软件都是开源的，这就意味着所有人都可以查看和下载其源码、图表、设计等资源，并且用来做任何开发都可以。
用户可以购买克隆开发板和基于Arduino的开发板，甚至可以自己动手制作一个开发板。
但是自己制作的不能继续使用Arduino这个名称，可以自己命名，比如Robotduino。
Arduino开发板设计得非常简洁，一块AVR单片机、一个晶振或振荡器和一个5V的直流电源。
常见的开发板通过一条USB数据线连接计算机。
Arduino有各式各样的开发板，其中最通用的是ArduinoUNO。
另外，还有很多小型的、微型的、基于蓝牙和Wi-Fi的变种开发板。
还有一款新增的开发板叫做ArduinoMega2560，它提供了更多的I/O引脚和更大的存储空间，并且启动更加迅速。
以ArduinoUNO为例，ArduinoUNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个16MHz的晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSPheader和一个复位按钮。
因为ArduinoUNO开发板的基础构成在一个表里显示不下，所以这里特意设计了两个表来展示，如表1-1和表1-2所示。
表2-1ArduinoUNO开发板基本概要构成（ATmega328）1
处理器
工作电压
输入电压
数字I/O脚
模拟输入脚
串口
ATmega328
5V
6-20V
14
6
1
表2-2ArduinoUNO开发板基本概要构成（ATmega328）2
IO脚直流电流
3.3V脚直流电流
程序存储器
SRAM
EEPROM
工作时钟
40mA
50mA
32KB
2KB
1KB
16MHz
图1-4对一块ArduinoUNO开发板功能进行了详细标注。
图1-2ArduinoUNOR3功能标注
在电源接口上方，一个右侧引出3个引脚，左侧一个比较大的引脚细看会发现上面有AMST1117的字样，其实这个芯片是个三端5V稳压器，电源口的电源经过它稳压之后才给板子输入，其实电源适配器内已经有稳压器，但是电池没有。
可以理解为它是一个安检员，一切从电源口经过的电源都必须过它这一关，这个“安检员”对不同的电源会进行区别对待。
首先，AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。
再者根据输入电压的不同而输出不同的电压，可提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V稳定输出，电流最大可达800mA，内部的工作原理这里不必去探究，读者只需要知道，当输入5V的时候输出为3.3V，输入9V的时候输出才为5V，所以用9V（9V~12V均可，但是过高的电源会烧坏板子）电源供电的原因就在这，如使用5V的适配器与Arduino连接，之后连接外设做实验，会发现一些传感器没有反应，这就是某些传感器需要5V的信号源，可是板子最高输出只能达到3.3V，必然有问题。
重置按钮和重置接口都用于重启单片机，就像重启电脑一样。
若利用重置接口来重启单片机，应暂时将接口设置为0V即可重启。
GND引脚为接地引脚，也就是0V。
A0~A5引脚为模拟输入的6个接口，可以用来测量连接到引脚上的电压，测量值可以通过串口显示出来。
当然也可以用作数字信号的输入输出。
Arduino同样需要串口进行通信，图1-4所示的串口指示灯在串口工作的时候会闪烁。
Arduino通信在编译程序和下载程序时进行，同时还可以与其他设备进行通信。
而与其他设备进行通信时则需要连接RX（接收）和TX（发送）引脚。
ATmega328芯片中内置的串口通信硬件是可以通过同步和异步模式工作的。
同步模式需要专用的信号来表示时钟信息，而Arduino的串口（USART外围设备，即通用同步/异步接收发送装置）工作在异步模式下，这和大多数PC的串口是一致的。
数字引脚0和1分别标注着RX和TX，表明这两个可以当做串口的引脚是异步工作的，即可以只接收、发送，或者同时接收和发送信号。
2.2Arduino未来展望
Arduino自诞生以来，简单、廉价的特点使得Arduino如同雨后春笋般迅速风靡全球，在不断发展的同时，Arduino也在发挥着更重要的作用。
本节将对Arduino发展的特点和未来发展做一点总结和展望。
Arduino作为一款开源硬件平台，一开始被设计的目标人群就是非电子专业尤其是艺术家学习使用的，让他们更容易实现自己的创意。
当然，这不是说Arduino性能不强、有些业余，而是表明Arduino很简单，易上手。
Arduino内部封装了很多函数和大量的传感器函数库，即使不懂软件开发和电子设计的人也可以借助Arduino很快创作出属于自己的作品。
可以说Arduino与创客文化是相辅相成的。
一方面，Arduino简单易上手、成本低廉这两大优势让更多的人都能有条件和能力加入创客大军；另一方面，创客大军的日益扩大也促进了Arduino的发展。
各种各样的社区、论坛的完善，不同的人、不同的环境、不同的创意每时每刻都在对Arduino进行扩展和完善。
在2011年举行的GoogleI/O开发者大会上，Google公司发布了基于Arduino的AndroidOpenAccessory标准和ADK工具，这使得大家对Arduino的巨大的发展前景十分看好。
Arduino发展潜力巨大，既可以让创客根据创意改造成为一个小玩具，也可以大规模制作成工业产品。
国内外Arduino社区良好的运作和维护使得几乎每一个创意都能找到实现的理论和实验基础，相信随着城市的不断发展，人们对生活创新的不断追求，会有越来越多的人听说Arduino、了解Arduino、玩转Arduino。
纵观计算机语言的发展，从0和1相间的二进制语言到汇编语言，从K&R的C语言到现在各式各样的高级语言，计算机语言正在逐渐变成更自由、更易学易懂的大众化语言。
硬件的发展已经逐渐降低软件开发的复杂性，编程的门槛正在逐渐降低。
曾有人预言：
未来的时代，程序员将要消失，编程不再是局限人们思维和灵感的桎梏。
在软件行业飞速发展的现在，几乎任何具有良好逻辑思维能力的人只要对某些产品感兴趣，就可以通过互联网获得足够的资源从而成为一名软件开发人员。
而Arduino的出现，让人们看到了不仅是软件，硬件的开发也越来越简单和廉价。
不必从底层开始学习开发计算机的特性让更多的人从零上手，将自己的灵感用最快的速度转化成现实。
以Arduino为其中代表的开源硬件，降低了入行的门槛，从而设计电子产品不再是专业领域电子工程师的专利，“自学成才”的电子工程师正在逐渐成为可能。
开源硬件将会使得软件同硬件、互联网产业更好的结合到一起，在未来的一段时间里，开源硬件将会有非常好的发展，最终形成硬件产品少儿化、平民化、普及化的趋势。
同时，Arduino的简单易学也会成为一些电子爱好者进入电子行业的一块基石，随着使用Arduino制作电子产品的深入，相应的也会对硬件进行更深层次的探索。
在简单易学的前提下，比一开始就学习单片机、汇编入行要简单有趣得多。
Arduino开源和自由的设计无疑是全世界电子爱好者的福音，大量的资源和资料让很多人快速学习Arduino，开发一个电子产品开始变得简单。
互联网的飞速发展让科技的脚步加快，互联网产品正在变得更简单。
利用Arduino，电子爱好者们可以快速设计出原型，从而根据反馈改进出更加稳定可靠的版本。
第三章硬件电路设计
3.1电源电路设计
图3-1系统电源电路设计
ArduinoUNO也可以使用USB口直接供电,可以给ArduinoUNO提供5V的电压。
D1是保险管，同时也可以采用DC接口接入7-12V的电源。
采用DC接口输入点阿姨时，当UNO所需要的电流大于500mA的时候，该保险管会自动断开，以防止电路板损坏。
保险管D1是带自我恢复功能的，当ArduinoUNO所需要的5V电流恢复到允许的范围内后，保险管会自动恢复连接，继续为ArduinoUNO提供5V电压。
器件U1是线性稳压器AMS1117，负责把5V电源转变成3V电源，该器件能给ArduinoUNO提供大约50mA的电流.
从上述的描述可知,ArduinoUNO有两种供电通道:
USB口供电和外接电源口供电。
当插入外接电源，并且该电源电压值大于7V时，电路自动切断USB口的供电，从而由外接电源给ArduinoUNO进行供电。
3.2单片机系统电路设计
单片机要想正常工作，没有晶振电路、复位电路的支持，是不可能实现的。
为此，晶振电路和复位电路是单片机电路设计中必须要先设计的。
单片机晶振电路中，采用的晶振为16M，为单片机提供16M的工作主频。
同时，为了提高晶振的稳定可靠性能，采用两个22PF的电容进行去耦。
为了防止单片机掉电时寄存器异常，或者程序运行时出现问题，本设计中特意添加了复位电路。
复位电路采用上电复位电路和案件复位电路结合的方式，在上电时，和按键按下时，对单片机的寄存器进行清零初始化。
图3-2单片机电路设计
3.3蓝牙接口电路设计
本设计选用的是HC-06蓝牙模块，与本系统通过串口相连。
HC-06蓝牙模块采用3.3V供电，因此从Arduino板上取出3.3V接到蓝牙模块上。
系统接线图如下所示：
图3-3蓝牙电路设计
3.4继电器接口电路设计
继电器的控制，可以采用数字I/O引脚直接驱动。
Arduino板上有数字量输出引脚，本设计采用的是数字引脚5进行输出驱动控制。
接线图如下所示：
图3-4继电器电路设计
第四章硬件实物制作与测试
4.1硬件实物制作
在完成硬件电路设计之后，就开展电路的制作。
本设计中，采用成熟的Arduino单片机电路板，电源采用充电宝提供5V的电源输入，蓝牙模块选用HC-06蓝牙模块，控制家电开和关采用继电器控制，通过继电器，系统可以控制220V家电负载。
实物效果图如下所示：
图4-1整体电路效果图
致谢
回顾大学的四年学习生涯，有很多收获但也存在不足，在学习生涯即将结束之际，对四年来关心、指导、帮助和鼓励过我的老师、同学们表示衷心的感谢。
本毕业论文是在老师的悉心指导下进行的。
从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，直至论文定稿，高老师都给了我耐心的指导和无私的帮助，使得我的毕业设计课题能够深入地进行下去，从而使我接触到了许多新知识和实际应用的新问题，使我做了许多有益的思考，加深了对本专业核心知识的认识和对工程设计的思考。
在此首先对高老师表示诚挚的感谢和由衷的敬意！
还要非常地感谢大学学习期间的授课老师和同学在学习中给我的教导和帮助，谢谢!
最后，自己之所以能顺利完成，更要感谢自己的父母，如果没有他们每日辛苦的劳动与从小对我学习严格的要求，而且培养我认真做事的态度，也没有今天的我，可以说正是他们的养育和教导，才使我有了现在的成绩。
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