基于蓝牙技术的家庭智能控制系统设计.docx
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基于蓝牙技术的家庭智能控制系统设计
轻工业学院
本科毕业设计（论文）
题目基于蓝牙技术的家庭智能控制系统设计
学生郝天飞
专业班级电子科学与技术11-01
学号2
院（系）物理与电子工程学院
指导教师（职称）翟凤潇（副教授）
完成时间2015年05月24日
基于蓝牙技术的家庭智能控制系统设计
摘要
随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，传统的家居设备已经无法满足人们的需求，智能家居的发展与应用将成为必然的结果。
本设计是一种通过蓝牙设备用手机对家用电器进行控制的系统。
设计中采用AT89S52单片机作为主控芯片来进行数据的采集，处理以及各项指令的接收与发送。
在主控板上外接蓝牙从模块来接收手机通过蓝牙串口APP发送的指令，这些指令将被发送给核心控制模块，单片机对这些数据进行分析处理之后根据处理结果再进一步对相应的家用电器的运行状态进行控制。
本设计成本较低，方便易用，适用于家庭和办公场所，很好的开发了移动互联网的功能，必将有着良好的发展前景。
关键词智能家居/STC89C52/蓝牙
HOMEINTELLIGENTCONTROLSYSTEMBASED
ONBLUETOOTHTECHNOLOGY
ABSTRACT
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementofpeople'slivingstandards,traditionalhomedevicehasbeenunabletomeetpeople'sneeds,anddevelopmentandapplicationofintelligenthomewillbecomeinevitableresult.Thisdesignistocontrolthehomeappliancesbyphone,withwirelessconnectionofthemobilephoneandhomeappliances.ItmadeuseofAT89S52asthemainchip,whichisusedtocollectandprocessdata,andreceiveandsentcommands.ThemaincontrolmoduleconnectabluetoothmoduletoreceiveinstructionwhichissentbybluetoothserialAPP.Theseinstructionswillbesenttothecentralcontrolmodule,andthemicrocontrolleranalysis,processthedataandcontrolthecorrespondingappliancesaccordingtotheresults.Thedesignislowcost,easytouse,andsuitableforhomesandoffices.Besidnes,itisagooddevelopmentofthemobileInternetfeatures.Ofcourse,itwillhavegoodprospectsfordevelopment.
KEYWORDSintelligenthome,AT89S52,bluetooth
1绪论
1.1引言
在现在的社会中，人们的生活水平在不断地提高，对生活品质的关注也越来越多。
与此同时，伴随着现代科学技术的发展进步以及互联网技术的广泛普及，家居产品的智能化也越来越受到人们的关注，智能化家居产品进入人们的日常生活中也将是必然的结果。
在这样的大背景下，消费者对智能家居产品的兴趣与日俱增，但是市场需要的是性能稳定和价格合理的产品，这也给各个家电设计和制造企业提出了更高的要求。
家用电器智能化的发展主要在于控制技术的进步以及这一技术与家电行业的完美结合，这将使得传统的家用电器摇身一变成为有着一定智能化的家居设备，这些智能化家用电器的出现在一定程度上推翻了人们对家用电器的传统认识，让家电行业面貌一新。
在现在各个科学领域的技术，例如计算机，电子电气，机电一体化等学科，都飞速发展的时代背景下，智能系统正在不断的与这些学科进行结合与发展。
这是因为传统的控制观念与设备功能已经无法满足人们日益增长的物质要求了，而智能化控制系统与传统的控制系统可以有着非常完美的结合，二者优势互补，开创了一个新的纪元，智能控制必将迎来它的发展时代。
因此智能家居的研究与应用都是有着相当重大的意义和很高的市场价值的。
1.2智能家居研究背景
1.2.1我国家用电器的发展现状
随着科学技术的进步与发展，家用电器也在悄然发生着变化。
传统的家用电器有电视机，洗衣机等，新型的家用电器有微波炉，电磁炉等。
无论是二者中的哪种类型，它们的科技含量都在不断的提升。
这些提升中最为显著的一方面就是它们都使用了非常先进的控制技术，进而将传统的机械式的家用电器升级为具有一定智能化的家用电器。
这些改进改变了我们对于家用电器的认识，也使得我们的家居生活变得焕然一新。
如图1.1就是一个很好的智能家居控制系统的例子。
就目前而言，智能家居产品可以分为两大类：
一类是采用电子、电气等前沿技术的先进设备；另一类是能够模拟我们日常生活中的生活经验从而进行模糊推理和控制的设备。
随着智能控制技术的发展，不断有先进的智能家居产品涌现出来。
例如，研发者把计算机和数控技术结合起来开发出了数控冰箱，具有模糊逻辑思维的电饭煲、全自动洗衣机等。
当然，不同的智能家居产品其职能程度不尽相同，甚至即使是同一类的智能家居中不同厂商的产品其智能程度也参差不齐。
由此，我们大致可以将智能家居产品分为单项智能产品和多项智能产品。
单向智能产品一般是指只有一种模拟人类智能机功能。
例如模糊电饭煲可以检测饭量并对其进行一定程度的控制，这只是一种模拟人类智能的过程。
电饭煲检测饭量并不是通过重量传感器来检测饭量，因为电饭煲的环境温度过高，无法满足传感器工作的条件。
事实上电饭煲是根据饭量多则吸热时间长，吸热
图1.1智能家居控制系统
量大这种人的思维来对饭量进行判断的，并根据具体饭量的多少采取不同的控制过程。
这种电饭煲就是一种具有单项智能的电饭煲，它采用模糊推理进行饭量的判断，同时使用模糊控制推理对整个煲饭过程进行控制。
多项智能产品则是拥有多种模拟人类智能功能的家居产品。
最好理解的例如多功能模糊电饭煲则拥有多种模拟人类智能的功能。
1.2.2智能家居研究的意义
如今，生活在我们这样一个现代化的城市，许多领域都涉及到了智能二字。
随着经济水平的提高，人们对生活品质的要求也越来越高，对生活中接触到的事物特别是家居产品的智能化的要求也越来越高。
然而传统的控制观念远远无法满足人们的要求，而智能化的控制理念与这些传统的控制机制的有机结合将会很好的改变这一现状。
在现如今计算机技术、电子电气技术等飞速发展的背景下，智能控制特别是智能家居行业必将迎来它的全新的发展时代。
2器件介绍
2.1主控制芯片AT89S52
2.1.1AT89S52的性能
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，有8K可编程Flash存储器[1]。
其实物图如图2.1所示。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，
图2.1STC89C52实物图
与工业80C51产品指令和引脚完全兼容，这使AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用[2]。
其主要性能如下：
1、与MCS-51单片机产品兼容；
2、8K字节在系统可编程Flash存储器；
3、1000次擦写周期；
4、全静态操作：
0Hz-33MHz；
5、三级加密程序存储器；
6、32个可编程I/O口线；
7、三个16位定时器/计数器；
8、8个中断源；
9、全双工UART串行通道；
10、低功耗空闲和掉电模式；
11、掉电后中断可唤醒；
12、看门狗定时器；
13、双数据指针；
14、掉电标识符。
2.1.2引脚说明
AT89S52单片机可为众多嵌入式控制应用系统提供灵活有效的解决方案。
AT89S52具有8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路[3]。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[4]。
其引脚排布如图2.2所示：
图2.2引脚排布图
2.1.3寄存器
对于AT89S52单片机来说，并不是所有的地址都被定义了，片上没有定义的地址都是不能用的。
在对地址进行读取的时候，一般都是获取一个随机的数据，并且之后都无法再对这些地址进行数据写入。
对于那些未定义的地址用户不得对其写入数据“1”，因为这些寄存器可能会被附加一些新的功能，在复位后这些位都将变为“0”。
定时器2寄存器：
寄存器T2CON和T2MOD包含定时器2的控制位和状态位[5]。
定时器2的控制位和状态位如表2.1和表2.2所示。
表2.1定时器2的控制位
TF2
EXF2
RLCLK
TCLK
EXEN2
TR2
C/T2
CP/RL2
7
6
5
4
3
2
1
0
表2.2定时器2的状态位
中断寄存器：
IE寄存器中包含有中断允许位，且可设置6个中断源的优先级。
双数据指针寄存器：
为有利于访问部和外部数据存储器，系统提供了两路16位数据指针寄存器。
特殊寄存器AUXR1中DPS=0选择DP0,DPS=1选择DP1。
AUXR：
辅助寄存器如表2.3所示
AUXR地址：
8EH复位值：
XXX00XX0B
不可位寻址
表2.3辅助寄存器
WDIDLE
DISRTO
DISALE
7
6
5
4
3
2
1
0
2.1.4存储器
MCS-51有单独的程序存储器和数据存储器，二者均可64K寻址。
程序存储器：
如果把EA引脚连接到GND上，那么程序的读取只可以从外部存储器开始进行。
若AT89S52单片机的EA引脚连接到VCC的，程序读写会先从部存储器开始，再从外部开始寻址。
当一条指令访问高于7FH的地址时，CPU是访问高128字节的RAM还是访问特殊功能寄存器由不同的寻址方式决定[6]。
数据存储器：
AT89S52有着256字节的片数据存储器，其中高128字节与特殊功能寄存器重叠。
即高128字节虽然与特殊功能寄存器有相同的地址，但二者在物理上却是分开的[7]。
2.1.5片上资源
看门狗定时器（WatchDogTimer）
WDT是一种需要相应的软件程序进行控制的复位方式。
WDT由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器构成[8]。
WDT计时周期需要依赖于外部时钟的频率。
除了复位，没有办法停止WDT的工作。
当WDT溢出，它将驱动RSR引脚输出一个高电平。
2.1.6中断源
AT89S52单片机有两个外部中断，三个定时中断和一个串行中断。
这些中断源都可通过置位使得中断源有效或无效，IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断[9]。
AT89S52的中断控制位如表2.4所示。
表2.4中断控制位
符号
位地址
功能
EA
IE.7
中断总允许控制位。
EA=0，中断总禁止；EA=1，各中断由各自的控制位设定
IE.6
预留
ET2
IE.5
定时器2中断允许控制位
ES
IE.4
串行口中断允许控制位
ET1
IE.3
定时器1中断允许控制位
EX1
IE.2
外部中断1允许控制位
ET0
IE.1
定时器0中断允许控制位
EX0
IE.0
外部中断0允许控制位
定时器0和定时器1标志位TF0和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。
它们的值将会一直持续到下一个周期被电路捕捉下来。
此外，定时器2还可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑所触发。
在程序进入中断服务之后，这些标志位都可以由硬进行件清0处理。
2.2蓝牙技术
2.2.1蓝牙技术的功能
蓝牙是一种功耗相当低的无线技术。
蓝牙技术最初被开发出来只是为了以一种无线的方式将手机、电脑、以及各种数字信息部件的外部设备连接起来，从而取代各种繁杂的接口连线，并形成一种个人网络，使得各种资源可以在被连接起来的设备之间实现快速便捷的共享。
蓝牙技术拥有非常广泛的应用，可以适用于不同的场合。
由于蓝牙设备是通过无线方式而不是有线电缆进行连接的，因此其具有非常优良的可移动性。
蓝牙技术的无线传输是通过2.4GHZ的载波来实现的的，可以同时连接多个系统和设备[10]。
此外，设备之间的连接不需要进行任何额外的设置和调试，只要设备之间的距离达到10米（在加大功率后可达到100米）之，各个设备上加载的蓝牙设备就可以进行自动的连接，从而进行各种数据和信息的自由交换。
蓝牙技术这样的特点让人们在使用过程中省去了许多繁杂的设置工作，从而使得整个过程变得非常的便捷。
2.2.2蓝牙技术的特点
在各种短距无线数据传输技术中，蓝牙技术有着非常明显的优势。
蓝牙技术不仅可以以相当便捷的方式实现数据和语言的交换，并且其成本和功耗都非常的低。
如图2.3所示，蓝牙技术不仅可以实现单点和单点之间，还可以实现单点和多点之间的无线连接。
这样，不同的蓝牙设备之间就可以将各种信息快速、方便地进行相互之间的交换。
在蓝牙实现数据传输的过程中，我们称主动发出数据的为主设备（Master），相对而言，被动接收数据的设备就成为从设备（Slave）。
在时分复用的模式下任何1台蓝牙设备都最多可与7台设备通信。
在使用蓝牙技术进行数据交换时，不同设备之
a）点对点b）点对多点c）多个微微网组成的分布网
图2.3蓝牙设备间的连接方式
间的主从身份只有在各个设备进行网络连接的过程中才生效，只要设备之间断开连接，那么其间的主从身份关系也就随之被取消。
蓝牙技术的主要特点有：
射频特性：
蓝牙技术工作的频段为全球通用的2.4GHZ频段。
在这个频段中不存在权限的归属与使用的问题，也就是说厂家在使用这项技术时不需要申请就可以进行任意的使用。
蓝牙技术采用了时分双工的方式来实现双工传输的目的。
蓝牙的无限发射机采用FM调制方式，这可以在很大程度上降低设备的复杂性和生产成本。
跳频技术：
蓝牙技术相对于其他通信技术而言具有非常突出的安全性和抗干扰能力，之所以能够这样的根本原因就是蓝牙技术采用了跳频技术。
蓝牙在2.4~2.4835GHZ这一围划分出了79个频点，并可以根据一定的调频序列进行跳频。
TDMA结构：
蓝牙采用时分复用多路访问技术，其基带传输速率为1Mb/s。
蓝牙系统支持实时的同步定向连接和非实时的异步不定向连接。
软件的层次结构：
蓝牙通信系统采用的是多层次式结构的通信协议。
其底层为通用结构，高层则有所不同。
从宏观上讲我们可以将软件的层次结构分为非计算机背景和计算机背景。
非计算机背景不需要HCI（Host Control Interface）。
而计算机背景则需要HCI实现高/低的连接。
蓝牙技术这样的特点可以使其拥有非常高地通用性和灵活性。
2.2.3蓝牙技术的通信协议
蓝牙技术的技术协议由协议栈所规定。
其可分为四部分：
核心协议（SDP）、电缆替代协议（RMCOMM）、传输控制协议（TSC）和选用协议[11]。
图2.4蓝牙协议栈
蓝牙协议栈如图2.4所示。
蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专利协议组成。
对于大部分蓝牙设备来说，想到正常运行核心协议是必不可缺的部分，其他协议就要根据不同应用而定。
总之，各种协议都是在核心协议的基础上相互结合才构成了面向不同应用的协议。
根据以上的介绍我们可以很清楚的看到，在蓝牙技术通信协议的基础之上，蓝牙设备所构成的主从网和分散网连接在一起使得蓝牙设备之间可以无条件的对围的任何其他设备进行人工或者自动地查询，进而可以实现设备之间数据的相互接收与发送。
2.2.4蓝牙技术的应用
居家应用：
在家居产品中，厂家通过在其中加装蓝牙设备就可以使得各种家居产品告别设备间繁杂的连接线的烦恼。
例如，鼠标、键盘、打印机、笔记本、蓝牙耳机等电子设备均可以通过蓝牙设备在无线状态下使用。
这不但可以增加室装饰的美感，而且还可以为室装饰增添了更多创意和自由设计的想象空间。
此外，通过把移动设备和家用电脑通过蓝牙技术的连接可以把开关设置，状态等信息实时的同步起来，并可以随时的进行相关的设置，用户也可以随时随地的存取最新的信息。
由此可见，蓝牙设备不仅可以使居家生活和办公变得更加轻松和便捷，还可以增加许多生活的乐趣。
例如，我们可以在下班时就打开家中的空调，在进门之前打开门锁和室的灯具，我们还可以在30英尺通过蓝牙设备无线控制和存储电脑或者音乐播放器中的音乐文件等等。
此外，蓝牙技术还可以使用在适配器之中，它可以允许用户通过相机、手机或者平板电脑向智能电视发送照片或者视频，并与朋友分享。
工作应用：
和居家应用相似的是，蓝牙技术的使用使得我们的办公室中不见了那些凌乱的连接线，取而代之的是整洁的办公空间，整个办公室就像一台高效的机器有条不紊的快速运行着。
在这样的环境下手机可以和我们的电脑同步和共享各种数据和信息，外围设备可以直接与计算机进行高效的数据交换，公司的职工可以通过蓝牙耳机随时随地的接听与他人联系，所有的这些都在无线的状态下运行，不需要任何连接线进行连接。
此外，蓝牙技术在办公环境下的运用不仅仅局限于可以让人们告别杂乱的办公环境，它还可以极大程度的提高我们的办公效率。
我们可以通过蓝牙设备来为同事或者客户进行相关的演示或者访问一些文件，等。
当我们需要进行会议讨论的时候只需要各个会议成员连接到蓝牙设备就可以不受地域限制的开始会议讨论。
在会议中所使用的各种演示文稿等也可以随时传输到计算机中，这样可以极提高我们的工作效率，节约时间成本。
2.3步进电机
2.3.1步进电机的工作原理
步进电机可以接收脉冲信号然后根据脉冲信号的不同作出相应的角位移，其转轴所转动的角度完全由接收到的脉冲次序以及脉冲个数所决定。
电机输入的脉冲个数可以控制转动角度，输入的脉冲频率可以控制转动速率[12]。
步进电机的部结构主要由定子和转子组成。
对于定子而言，主要结构就是其部的绕组，N相电机就又N个绕组。
步进电机工作时需要遵循一定的“相序”，所谓相序就是电机部绕组的通电顺序[13]。
转子的主要结构是磁性转轴，当绕组在相序的作用下按照一定的规律进行通电与断电的时候，转子的周围将会生成一个有规律的变化的电磁场，这个磁场会带动转子进行转动。
由于转子总是会趋向于转动到磁阻最小的位置，所以转子将会按照固定的步距角进行有规律的转动，从而带动电机轴的转动。
步进电机部实物图如图2.5所示。
图2.5步进电机部实物图
2.3.2步进电机的驱动系统
步进电机的正常运行需要相应的驱动系统的支持。
步进电机的驱动系统包含控制器和驱动器两部分，而二者的连接又分为串行和并行两种不同的控制方式。
在串行控制中，控制器中会有脉冲的输出，然后通过脉冲分配器将并行驱动信号进行一定的转换，以达到使各个绕组导通或截止的效果[14]。
由此可见，时钟脉冲的有无决定步进电机的运行或停止，脉冲频率决定电机的运行速率，方向电平决定运转方向。
在并行控制中，绕组的导通或者截止由控制器所输出的并行信号直接控制[15]。
在这种情况下将由部软件程序来取代控制器中脉冲分配器的功能。
总的来说，无论驱动系统采用串行控制还是并行控制，脉冲分配器这一部分都是整个步进电机驱动系统不可或缺的。
从应用的角度考虑的话，失步和震荡是步进电机的主要限制条件。
而步进电机是否可以全效运行的在很大程度上取决于驱动器，负载和电机本身的情况，造成这一情况的主要原因是因为步进电机在大多数情况下的运行方式为开环运行。
步进电机的正常运行关键取决于失步和震荡是否可以得到比较好的解决。
就失步而言，在很多时候步进电机都会出现失步的现象，例如启动或者停止的时候频率发生突变，高速运行时电机的输入频率超出了电机本身最大运行频率围，以及电机带动的负载转矩大于电机的启动转矩等等。
解决这一问题的一个很有效的方法就是改善驱动器的驱动能力，这样就能够在很大程度上降低步进电机失步的概率。
除了失步之外，步进电机的另一个需要解决的问题就是电机的低频振荡。
当步进电机改变一次通电状态时转子会转过一个步距角，如果步进电机持续处在一个低频脉冲输入并且电机阻尼较小的时候就会产生一种持续衰减的震荡，在这种情况下转子需要在自由振荡的频率下进行数次震荡之后才能衰减到一个新的平衡位置，最终停止下来。
步进电机每输入一个脉冲，转子都可能产生一次震荡。
因为转子在每个脉冲输入时都会从转矩跃变中得到一次能量补充，这种能量就是引起振荡的直接原因，二者之间大小成正比。
而当这种脉冲的输入频率等于或者接近于电机自由振荡频率时电机会出现严重的低频振荡甚至失步导致无法工作，所以一般情况下不允许步进电机在共振频率下工作。
2.4其它元器件
除了单片机、蓝牙设备、步进电机等器件之外，本设计还使用到了直流电机，继电器和高亮LED等。
由于这些元器件较为常见且原理简单，在此就不再赘述。
3系统设计
3.1硬件设计
3.1.1电源模块
本装置由4组4节5号干电池（1.5V）进行供电。
由于4节干电池的电压之和为6V，而单片机需要的供电电压为5V，因此电源模块还加装了LM2940稳压芯片进行稳压。
LM2940稳压芯片是一款高性能稳压芯片，具有稳压效果明显，发热较小，能够长期稳定工作，以及成本低等特性。
由于电池输出的电流不太稳定，在稳压芯片输入与输出端分别需要加装两片104贴片电容，这样使电池输出的电流将会更加稳定，能够满足单片机的供电需求，从而使其正常的工作。
电源模块的电路原理图如图3.1所示。
图3.1电源模块原理图
3.1.2主控模块
该系统的主控板是由AT89S52单片机设计而成，其电路图及PCB如下图3.2及图3.3所示。
该系统的主控板采用AT89S52单片机作为核心控制芯片。
AT89S52单片机是51系列单片机中较为经典的一款。
与其他51系列的单片机一样拥有51核、部定时器、外部中断以及多路的I/O输出口，这些配置足以满足本装置的需求。
此外本装置还选取了11.0592MHZ的晶振作为本装置的时钟源，以及增加了复位电路，通过复位电路上电容的充放电效应，同时使其具有上电复位的功能。
此外，主控模块还采用了AT89S52单片机的TX和RX两个端口作为蓝牙通讯模块的连接端，它们能够接收与装置中蓝牙配对的手机所发送过来的字符，并由蓝牙将字符传送到单片机部，单片机根据既定的程序读取该字符，并作出相应的控制。
通过控制I/O口的高低电平可以控制外围继电器的断开与闭合，进而控制电器的开关。
门锁的动力部分由步进电机提供，步进电机由51单片机的4路I/O口的脉冲共同控制，当单片机接收到开门或者关门的指令后，通过单片机部既定的程序，精准的控制步进电机的转速和转动时间，使其达到打开或闭合的效果。
图3.2主控板电路图
图3.3主控板PCB
3.1.3继电器控制模块
本装置采用了高亮LED以及直流电机等器件
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