基于藍(lán)牙技術(shù)家庭智能控制系統(tǒng)設(shè)計

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于藍(lán)牙技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名 郝天飛 專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù)11-01 學(xué) 號 541111010112 院 （系） 物理與電子工程學(xué)院 指導(dǎo)教師（職稱） 翟鳳瀟（副教授） 完成時間 2015年05月24 日 基于藍(lán)牙技術(shù)的家用智能控制系統(tǒng)設(shè)計目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1 引言11.2 智能家居研究背景11.2.1 我國家用電器的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 智能家居研究的意義22 器件介紹32.1 主控制芯片AT89S5232.1.1 AT89S52的性能32.1.2 引腳說明42.1.3 寄存器42.1.4 存儲器62

2、.1.5 片上資源62.1.6 中斷源62.2 藍(lán)牙技術(shù)72.2.1 藍(lán)牙技術(shù)的功能72.2.3 藍(lán)牙技術(shù)的通信協(xié)議92.2.4 藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用102.3 步進(jìn)電機(jī)102.3.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理102.3.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)112.4 其它元器件123 系統(tǒng)設(shè)計133.1 硬件設(shè)計133.1.1 電源模塊133.1.2 主控模塊133.1.3 繼電器控制模塊153.1.4 藍(lán)牙模塊163.1.5 步進(jìn)電機(jī)模塊173.2 軟件設(shè)計183.3 實物展示214 系統(tǒng)調(diào)試224.1 硬件調(diào)試224.2 軟件調(diào)試225 總結(jié)23致 謝24參考文獻(xiàn)25附 錄26基于藍(lán)牙技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)設(shè)計摘

3、 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的家居設(shè)備已經(jīng)無法滿足人們的需求，智能家居的發(fā)展與應(yīng)用將成為必然的結(jié)果。本設(shè)計是一種通過藍(lán)牙設(shè)備用手機(jī)對家用電器進(jìn)行控制的系統(tǒng)。設(shè)計中采用AT89S52單片機(jī)作為主控芯片來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，處理以及各項指令的接收與發(fā)送。在主控板上外接藍(lán)牙從模塊來接收手機(jī)通過藍(lán)牙串口APP發(fā)送的指令，這些指令將被發(fā)送給核心控制模塊，單片機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之后根據(jù)處理結(jié)果再進(jìn)一步對相應(yīng)的家用電器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。本設(shè)計成本較低，方便易用，適用于家庭和辦公場所，很好的開發(fā)了移動互聯(lián)網(wǎng)的功能，必將有著良好的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞 智能家居/STC89C52/藍(lán)牙II

4、 HOME INTELLIGENT CONTROL SYSTEM BASED ON BLUETOOTH TECHNOLOGYABSTRACTWith the development of science and technology and the improvement of peoples living standards, traditional home device has been unable to meet peoples needs, and development and application of intelligent home will become inevita

5、ble result. This design is to control the home appliances by phone, with wireless connection of the mobile phone and home appliances. It made use of AT89S52 as the main chip, which is used to collect and process data, and receive and sent commands. The main control module connect a bluetooth module

6、to receive instruction which is sent by bluetooth serial APP. These instructions will be sent to the central control module, and the microcontroller analysis, process the data and control the corresponding appliances according to the results. The design is low cost, easy to use, and suitable for hom

7、es and offices. Besidnes, it is a good development of the mobile Internet features. Of course, it will have good prospects for development.KEY WORDS intelligent home, AT89S52, bluetoothIV1 緒論1.1 引言在現(xiàn)在的社會中，人們的生活水平在不斷地提高，對生活品質(zhì)的關(guān)注也越來越多。與此同時，伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛普及，家居產(chǎn)品的智能化也越來越受到人們的關(guān)注，智能化家居產(chǎn)品進(jìn)入人們的日常生

8、活中也將是必然的結(jié)果。在這樣的大背景下，消費(fèi)者對智能家居產(chǎn)品的興趣與日俱增，但是市場需要的是性能穩(wěn)定和價格合理的產(chǎn)品，這也給各個家電設(shè)計和制造企業(yè)提出了更高的要求。家用電器智能化的發(fā)展主要在于控制技術(shù)的進(jìn)步以及這一技術(shù)與家電行業(yè)的完美結(jié)合，這將使得傳統(tǒng)的家用電器搖身一變成為有著一定智能化的家居設(shè)備，這些智能化家用電器的出現(xiàn)在一定程度上推翻了人們對家用電器的傳統(tǒng)認(rèn)識，讓家電行業(yè)面貌一新。在現(xiàn)在各個科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)，例如計算機(jī)，電子電氣，機(jī)電一體化等學(xué)科，都飛速發(fā)展的時代背景下，智能系統(tǒng)正在不斷的與這些學(xué)科進(jìn)行結(jié)合與發(fā)展。這是因為傳統(tǒng)的控制觀念與設(shè)備功能已經(jīng)無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)要求了，而智能化

9、控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以有著非常完美的結(jié)合，二者優(yōu)勢互補(bǔ)，開創(chuàng)了一個新的紀(jì)元，智能控制必將迎來它的發(fā)展時代。因此智能家居的研究與應(yīng)用都是有著相當(dāng)重大的意義和很高的市場價值的。1.2 智能家居研究背景1.2.1 我國家用電器的發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，家用電器也在悄然發(fā)生著變化。傳統(tǒng)的家用電器有電視機(jī)，洗衣機(jī)等，新型的家用電器有微波爐，電磁爐等。無論是二者中的哪種類型，它們的科技含量都在不斷的提升。這些提升中最為顯著的一方面就是它們都使用了非常先進(jìn)的控制技術(shù)，進(jìn)而將傳統(tǒng)的機(jī)械式的家用電器升級為具有一定智能化的家用電器。這些改進(jìn)改變了我們對于家用電器的認(rèn)識，也使得我們的家居生活變得煥然

10、一新。如圖1.1就是一個很好的智能家居控制系統(tǒng)的例子。就目前而言，智能家居產(chǎn)品可以分為兩大類：一類是采用電子、電氣等前沿技術(shù)的先進(jìn)設(shè)備；另一類是能夠模擬我們?nèi)粘Ｉ钪械纳罱?jīng)驗從而進(jìn)行模糊推理和控制的設(shè)備。隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，不斷有先進(jìn)的智能家居產(chǎn)品涌現(xiàn)出來。例如，研發(fā)者把計算機(jī)和數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來開發(fā)出了數(shù)控冰箱，具有模糊邏輯思維的電飯煲、全自動洗衣機(jī)等。當(dāng)然，不同的智能家居產(chǎn)品其職能程度不盡相同，甚至即使是同一類的智能家居中不同廠商的產(chǎn)品其智能程度也參差不齊。由此，我們大致可以將智能家居產(chǎn)品分為單項智能產(chǎn)品和多項智能產(chǎn)品。單向智能產(chǎn)品一般是指只有一種模擬人類智能機(jī)功能。例如模糊電飯煲可以

11、檢測飯量并對其進(jìn)行一定程度的控制，這只是一種模擬人類智能的過程。電飯煲檢測飯量并不是通過重量傳感器來檢測飯量，因為電飯煲的環(huán)境溫度過高，無法滿足傳感器工作的條件。事實上電飯煲是根據(jù)飯量多則吸熱時間長，吸熱圖1.1 智能家居控制系統(tǒng)量大這種人的思維來對飯量進(jìn)行判斷的，并根據(jù)具體飯量的多少采取不同的控制過程。這種電飯煲就是一種具有單項智能的電飯煲，它采用模糊推理進(jìn)行飯量的判斷，同時使用模糊控制推理對整個煲飯過程進(jìn)行控制。多項智能產(chǎn)品則是擁有多種模擬人類智能功能的家居產(chǎn)品。最好理解的例如多功能模糊電飯煲則擁有多種模擬人類智能的功能。1.2.2 智能家居研究的意義如今，生活在我們這樣一個現(xiàn)代化的城市，

12、許多領(lǐng)域都涉及到了智能二字。隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對生活品質(zhì)的要求也越來越高，對生活中接觸到的事物特別是家居產(chǎn)品的智能化的要求也越來越高。然而傳統(tǒng)的控制觀念遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足人們的要求，而智能化的控制理念與這些傳統(tǒng)的控制機(jī)制的有機(jī)結(jié)合將會很好的改變這一現(xiàn)狀。在現(xiàn)如今計算機(jī)技術(shù)、電子電氣技術(shù)等飛速發(fā)展的背景下，智能控制特別是智能家居行業(yè)必將迎來它的全新的發(fā)展時代。2 器件介紹2.1 主控制芯片AT89S522.1.1 AT89S52的性能AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，有8K可編程Flash 存儲器1。其實物圖如圖2.1所示。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，

13、 圖2.1 STC89C52實物圖與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，這使AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用2。其主要性能如下：1、與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容；2、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器；3、1000次擦寫周期；4、全靜態(tài)操作：0Hz-33MHz；5、三級加密程序存儲器；6、32個可編程I/O口線；7、三個16位定時器/計數(shù)器；8、8個中斷源；9、全雙工UART串行通道；10、低功耗空閑和掉電模式；11、掉電后中斷可喚醒；12、看門狗定時器；13、雙數(shù)據(jù)指針；14、掉電標(biāo)識符。2.1.2 引腳說明AT89S52單片機(jī)可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活有效的

14、解決方案。 AT89S52具有8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路3?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止4。其引腳排布如圖2.2所示：圖2.2 引腳排布圖2.1.3 寄存器對于AT89S52單片機(jī)來說，并不是所有的地址都被定義了，片上沒有定義的地址都是不能用的。在對地址進(jìn)行讀取的時候，一般都是獲取一個隨機(jī)的數(shù)據(jù)，并且之后都無法再對

15、這些地址進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入。對于那些未定義的地址用戶不得對其寫入數(shù)據(jù)“1”，因為這些寄存器可能會被附加一些新的功能，在復(fù)位后這些位都將變?yōu)椤?”。 定時器2寄存器：寄存器T2CON和T2MOD包含定時器2的控制位和狀態(tài)位5。定時器2的控制位和狀態(tài)位如表2.1和表2.2所示。表2.1 定時器2的控制位TF2EXF2RLCLKTCLKEXEN2TR2C/T2CP/RL276543210表2.2 定時器2的狀態(tài)位中斷寄存器：IE寄存器中包含有中斷允許位，且可設(shè)置6個中斷源的優(yōu)先級。雙數(shù)據(jù)指針寄存器：為有利于訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器，系統(tǒng)提供了兩路16位數(shù)據(jù)指針寄存器。特殊寄存器AUXR1中DPS=0選擇D

16、P0,DPS=1選擇DP1。AUXR：輔助寄存器 如表2.3所示 AUXR 地址：8EH 復(fù)位值：XXX00XX0B不可位尋址表2.3 輔助寄存器WDIDLEDISRTODISALE765432102.1.4 存儲器MCS-51有單獨(dú)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，二者均可64K尋址。程序存儲器：如果把EA引腳連接到GND上，那么程序的讀取只可以從外部存儲器開始進(jìn)行。若AT89S52單片機(jī)的EA引腳連接到VCC的，程序讀寫會先從內(nèi)部存儲器開始，再從外部開始尋址。當(dāng)一條指令訪問高于7FH的地址時，CPU是訪問高128字節(jié)的RAM還是訪問特殊功能寄存器由不同的尋址方式?jīng)Q定6。數(shù)據(jù)存儲器： AT89S52

17、有著256 字節(jié)的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，其中高128 字節(jié)與特殊功能寄存器重疊。即高128字節(jié)雖然與特殊功能寄存器有相同的地址，但二者在物理上卻是分開的7。2.1.5 片上資源看門狗定時器（WatchDog Timer）WDT是一種需要相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行控制的復(fù)位方式。WDT 由13位計數(shù)器和特殊功能寄存器中的看門狗定時器復(fù)位存儲器構(gòu)成8。WDT計時周期需要依賴于外部時鐘的頻率。除了復(fù)位，沒有辦法停止WDT的工作。當(dāng)WDT溢出，它將驅(qū)動RSR引腳輸出一個高電平。2.1.6 中斷源AT89S52單片機(jī)有兩個外部中斷，三個定時中斷和一個串行中斷。這些中斷源都可通過置位使得中斷源有效或無效，IE還包括一個

18、中斷允許總控制位EA，它能一次禁止所有中斷9。AT89S52的中斷控制位如表2.4所示。表2.4 中斷控制位符號位地址功能EAIE.7中斷總允許控制位。EA=0，中斷總禁止；EA=1，各中斷由各自的控制位設(shè)定IE.6預(yù)留ET2IE.5定時器2中斷允許控制位ESIE.4串行口中斷允許控制位ET1IE.3定時器1中斷允許控制位EX1IE.2外部中斷1允許控制位ET0IE.1定時器0中斷允許控制位EX0IE.0外部中斷0允許控制位定時器0和定時器1標(biāo)志位TF0和TF1在計數(shù)溢出的那個周期的S5P2被置位。它們的值將會一直持續(xù)到下一個周期被電路捕捉下來。此外，定時器2還可以被寄存器T2CON中的TF2

19、和EXF2的或邏輯所觸發(fā)。在程序進(jìn)入中斷服務(wù)之后，這些標(biāo)志位都可以由硬進(jìn)行件清0處理。2.2 藍(lán)牙技術(shù)2.2.1 藍(lán)牙技術(shù)的功能藍(lán)牙是一種功耗相當(dāng)?shù)偷臒o線技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)最初被開發(fā)出來只是為了以一種無線的方式將手機(jī)、電腦、以及各種數(shù)字信息部件的外部設(shè)備連接起來，從而取代各種繁雜的接口連線，并形成一種個人網(wǎng)絡(luò)，使得各種資源可以在被連接起來的設(shè)備之間實現(xiàn)快速便捷的共享。藍(lán)牙技術(shù)擁有非常廣泛的應(yīng)用，可以適用于不同的場合。由于藍(lán)牙設(shè)備是通過無線方式而不是有線電纜進(jìn)行連接的，因此其具有非常優(yōu)良的可移動性。藍(lán)牙技術(shù)的無線傳輸是通過2.4GHZ的載波來實現(xiàn)的的，可以同時連接多個系統(tǒng)和設(shè)備10。此外，設(shè)備之間的

20、連接不需要進(jìn)行任何額外的設(shè)置和調(diào)試，只要設(shè)備之間的距離達(dá)到10米（在加大功率后可達(dá)到100米）之內(nèi)，各個設(shè)備上加載的藍(lán)牙設(shè)備就可以進(jìn)行自動的連接，從而進(jìn)行各種數(shù)據(jù)和信息的自由交換。藍(lán)牙技術(shù)這樣的特點(diǎn)讓人們在使用過程中省去了許多繁雜的設(shè)置工作，從而使得整個過程變得非常的便捷。2.2.2 藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)在各種短距無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，藍(lán)牙技術(shù)有著非常明顯的優(yōu)勢。藍(lán)牙技術(shù)不僅可以以相當(dāng)便捷的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)和語言的交換，并且其成本和功耗都非常的低。如圖2.3所示，藍(lán)牙技術(shù)不僅可以實現(xiàn)單點(diǎn)和單點(diǎn)之間，還可以實現(xiàn)單點(diǎn)和多點(diǎn)之間的無線連接。這樣，不同的藍(lán)牙設(shè)備之間就可以將各種信息快速、方便地進(jìn)行相互之間的交換。

21、在藍(lán)牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，我們稱主動發(fā)出數(shù)據(jù)的為主設(shè)備（Master），相對而言，被動接收數(shù)據(jù)的設(shè)備就成為從設(shè)備（Slave）。在時分復(fù)用的模式下任何1臺藍(lán)牙設(shè)備都最多可與7臺設(shè)備通信。在使用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，不同設(shè)備之 a)點(diǎn)對點(diǎn) b )點(diǎn)對多點(diǎn) c)多個微微網(wǎng)組成的分布網(wǎng)圖2.3 藍(lán)牙設(shè)備間的連接方式間的主從身份只有在各個設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接的過程中才生效，只要設(shè)備之間斷開連接，那么其間的主從身份關(guān)系也就隨之被取消。藍(lán)牙技術(shù)的主要特點(diǎn)有：射頻特性：藍(lán)牙技術(shù)工作的頻段為全球通用的2.4GHZ頻段。在這個頻段中不存在權(quán)限的歸屬與使用的問題，也就是說廠家在使用這項技術(shù)時不需要申請就可以進(jìn)行任

22、意的使用。藍(lán)牙技術(shù)采用了時分雙工的方式來實現(xiàn)雙工傳輸?shù)哪康?。藍(lán)牙的無限發(fā)射機(jī)采用FM調(diào)制方式，這可以在很大程度上降低設(shè)備的復(fù)雜性和生產(chǎn)成本。跳頻技術(shù)：藍(lán)牙技術(shù)相對于其他通信技術(shù)而言具有非常突出的安全性和抗干擾能力，之所以能夠這樣的根本原因就是藍(lán)牙技術(shù)采用了跳頻技術(shù)。藍(lán)牙在2.42.4835GHZ這一范圍內(nèi)劃分出了79個頻點(diǎn)，并可以根據(jù)一定的調(diào)頻序列進(jìn)行跳頻。TDMA結(jié)構(gòu)：藍(lán)牙采用時分復(fù)用多路訪問技術(shù)，其基帶傳輸速率為1Mb/s。藍(lán)牙系統(tǒng)支持實時的同步定向連接和非實時的異步不定向連接。軟件的層次結(jié)構(gòu)：藍(lán)牙通信系統(tǒng)采用的是多層次式結(jié)構(gòu)的通信協(xié)議。其底層為通用結(jié)構(gòu)，高層則有所不同。從宏觀上講我們可以

23、將軟件的層次結(jié)構(gòu)分為非計算機(jī)背景和計算機(jī)背景。非計算機(jī)背景不需要HCI（HostControlInterface）。而計算機(jī)背景則需要HCI實現(xiàn)高/低的連接。藍(lán)牙技術(shù)這樣的特點(diǎn)可以使其擁有非常高地通用性和靈活性。2.2.3 藍(lán)牙技術(shù)的通信協(xié)議藍(lán)牙技術(shù)的技術(shù)協(xié)議由協(xié)議棧所規(guī)定。其可分為四部分：核心協(xié)議（SDP）、電纜替代協(xié)議（RMCOMM）、電話傳輸控制協(xié)議（TSC）和選用協(xié)議11。 圖2.4 藍(lán)牙協(xié)議棧藍(lán)牙協(xié)議棧如圖2.4所示。藍(lán)牙核心協(xié)議由SIG制定的藍(lán)牙專利協(xié)議組成。對于大部分藍(lán)牙設(shè)備來說，想到正常運(yùn)行核心協(xié)議是必不可缺的部分，其他協(xié)議就要根據(jù)不同應(yīng)用而定?？傊?，各種協(xié)議都是在核心協(xié)議的基

24、礎(chǔ)上相互結(jié)合才構(gòu)成了面向不同應(yīng)用的協(xié)議。根據(jù)以上的介紹我們可以很清楚的看到，在藍(lán)牙技術(shù)通信協(xié)議的基礎(chǔ)之上，藍(lán)牙設(shè)備所構(gòu)成的主從網(wǎng)和分散網(wǎng)連接在一起使得藍(lán)牙設(shè)備之間可以無條件的對范圍內(nèi)的任何其他設(shè)備進(jìn)行人工或者自動地查詢，進(jìn)而可以實現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的相互接收與發(fā)送。2.2.4 藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用居家應(yīng)用：在家居產(chǎn)品中，廠家通過在其中加裝藍(lán)牙設(shè)備就可以使得各種家居產(chǎn)品告別設(shè)備間繁雜的連接線的煩惱。例如，鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、筆記本、藍(lán)牙耳機(jī)等電子設(shè)備均可以通過藍(lán)牙設(shè)備在無線狀態(tài)下使用。這不但可以增加室內(nèi)裝飾的美感，而且還可以為室內(nèi)裝飾增添了更多創(chuàng)意和自由設(shè)計的想象空間。此外，通過把移動設(shè)備和家用電腦通過藍(lán)

25、牙技術(shù)的連接可以把開關(guān)設(shè)置，狀態(tài)等信息實時的同步起來，并可以隨時的進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，用戶也可以隨時隨地的存取最新的信息。由此可見，藍(lán)牙設(shè)備不僅可以使居家生活和辦公變得更加輕松和便捷，還可以增加許多生活的樂趣。例如，我們可以在下班時就打開家中的空調(diào)，在進(jìn)門之前打開門鎖和室內(nèi)的燈具，我們還可以在30英尺內(nèi)通過藍(lán)牙設(shè)備無線控制和存儲電腦或者音樂播放器中的音樂文件等等。此外，藍(lán)牙技術(shù)還可以使用在適配器之中，它可以允許用戶通過相機(jī)、手機(jī)或者平板電腦向智能電視發(fā)送照片或者視頻，并與朋友分享。工作應(yīng)用：和居家應(yīng)用相似的是，藍(lán)牙技術(shù)的使用使得我們的辦公室中不見了那些凌亂的連接線，取而代之的是整潔的辦公空間，整個

26、辦公室就像一臺高效的機(jī)器有條不紊的快速運(yùn)行著。在這樣的環(huán)境下手機(jī)可以和我們的電腦同步和共享各種數(shù)據(jù)和信息，外圍設(shè)備可以直接與計算機(jī)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交換，公司的職工可以通過藍(lán)牙耳機(jī)隨時隨地的接聽電話與他人聯(lián)系，所有的這些都在無線的狀態(tài)下運(yùn)行，不需要任何連接線進(jìn)行連接。此外，藍(lán)牙技術(shù)在辦公環(huán)境下的運(yùn)用不僅僅局限于可以讓人們告別雜亂的辦公環(huán)境，它還可以極大程度的提高我們的辦公效率。我們可以通過藍(lán)牙設(shè)備來為同事或者客戶進(jìn)行相關(guān)的演示或者訪問一些文件，郵件等。當(dāng)我們需要進(jìn)行會議討論的時候只需要各個會議成員連接到藍(lán)牙設(shè)備就可以不受地域限制的開始會議討論。在會議中所使用的各種演示文稿等也可以隨時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中

27、，這樣可以極大地提高我們的工作效率，節(jié)約時間成本。2.3 步進(jìn)電機(jī)2.3.1 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電機(jī)可以接收脈沖信號然后根據(jù)脈沖信號的不同作出相應(yīng)的角位移，其轉(zhuǎn)軸所轉(zhuǎn)動的角度完全由接收到的脈沖次序以及脈沖個數(shù)所決定。電機(jī)輸入的脈沖個數(shù)可以控制轉(zhuǎn)動角度，輸入的脈沖頻率可以控制轉(zhuǎn)動速率12。步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。對于定子而言，主要結(jié)構(gòu)就是其內(nèi)部的繞組，N相電機(jī)就又N個繞組。步進(jìn)電機(jī)工作時需要遵循一定的“相序”，所謂相序就是電機(jī)內(nèi)部繞組的通電順序Error! Reference source not found.。轉(zhuǎn)子的主要結(jié)構(gòu)是磁性轉(zhuǎn)軸，當(dāng)繞組在相序的作用下按照一定的規(guī)律進(jìn)行

28、通電與斷電的時候，轉(zhuǎn)子的周圍將會生成一個有規(guī)律的變化的電磁場，這個磁場會帶動轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)子總是會趨向于轉(zhuǎn)動到磁阻最小的位置，所以轉(zhuǎn)子將會按照固定的步距角進(jìn)行有規(guī)律的轉(zhuǎn)動，從而帶動電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部實物圖如圖2.5所示。 圖2.5 步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部實物圖2.3.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行需要相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)的支持。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)包含控制器和驅(qū)動器兩部分，而二者的連接又分為串行和并行兩種不同的控制方式。在串行控制中，控制器中會有脈沖的輸出，然后通過脈沖分配器將并行驅(qū)動信號進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換，以達(dá)到使各個繞組導(dǎo)通或截止的效果14。由此可見，時鐘脈沖的有無決定步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行或停

29、止，脈沖頻率決定電機(jī)的運(yùn)行速率，方向電平?jīng)Q定運(yùn)轉(zhuǎn)方向。在并行控制中，繞組的導(dǎo)通或者截止由控制器所輸出的并行信號直接控制15。在這種情況下將由內(nèi)部軟件程序來取代控制器中脈沖分配器的功能?？偟膩碚f，無論驅(qū)動系統(tǒng)采用串行控制還是并行控制，脈沖分配器這一部分都是整個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)不可或缺的。從應(yīng)用的角度考慮的話，失步和震蕩是步進(jìn)電機(jī)的主要限制條件。而步進(jìn)電機(jī)是否可以全效運(yùn)行的在很大程度上取決于驅(qū)動器，負(fù)載和電機(jī)本身的情況，造成這一情況的主要原因是因為步進(jìn)電機(jī)在大多數(shù)情況下的運(yùn)行方式為開環(huán)運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)的正常運(yùn)行關(guān)鍵取決于失步和震蕩是否可以得到比較好的解決。就失步而言，在很多時候步進(jìn)電機(jī)都會出現(xiàn)失步的

30、現(xiàn)象，例如啟動或者停止的時候頻率發(fā)生突變，高速運(yùn)行時電機(jī)的輸入頻率超出了電機(jī)本身最大運(yùn)行頻率范圍，以及電機(jī)帶動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩等等。解決這一問題的一個很有效的方法就是改善驅(qū)動器的驅(qū)動能力，這樣就能夠在很大程度上降低步進(jìn)電機(jī)失步的概率。除了失步之外，步進(jìn)電機(jī)的另一個需要解決的問題就是電機(jī)的低頻振蕩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)改變一次通電狀態(tài)時轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過一個步距角，如果步進(jìn)電機(jī)持續(xù)處在一個低頻脈沖輸入并且電機(jī)阻尼較小的時候就會產(chǎn)生一種持續(xù)衰減的震蕩，在這種情況下轉(zhuǎn)子需要在自由振蕩的頻率下進(jìn)行數(shù)次震蕩之后才能衰減到一個新的平衡位置，最終停止下來。步進(jìn)電機(jī)每輸入一個脈沖，轉(zhuǎn)子都可能產(chǎn)生一次震蕩。因為轉(zhuǎn)子在

31、每個脈沖輸入時都會從轉(zhuǎn)矩躍變中得到一次能量補(bǔ)充，這種能量就是引起振蕩的直接原因，二者之間大小成正比。而當(dāng)這種脈沖的輸入頻率等于或者接近于電機(jī)自由振蕩頻率時電機(jī)會出現(xiàn)嚴(yán)重的低頻振蕩甚至失步導(dǎo)致無法工作，所以一般情況下不允許步進(jìn)電機(jī)在共振頻率下工作。2.4 其它元器件 除了單片機(jī)、藍(lán)牙設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)等器件之外，本設(shè)計還使用到了直流電機(jī)，繼電器和高亮LED等。由于這些元器件較為常見且原理簡單，在此就不再贅述。3 系統(tǒng)設(shè)計 3.1 硬件設(shè)計3.1.1 電源模塊本裝置由4組4節(jié)5號干電池（1.5V）進(jìn)行供電。由于4節(jié)干電池的電壓之和為6V，而單片機(jī)需要的供電電壓為5V，因此電源模塊還加裝了LM2940穩(wěn)

32、壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。LM2940穩(wěn)壓芯片是一款高性能穩(wěn)壓芯片，具有穩(wěn)壓效果明顯，發(fā)熱較小，能夠長期穩(wěn)定工作，以及成本低等特性。由于電池輸出的電流不太穩(wěn)定，在穩(wěn)壓芯片輸入與輸出端分別需要加裝兩片104貼片電容，這樣使電池輸出的電流將會更加穩(wěn)定，能夠滿足單片機(jī)的供電需求，從而使其正常的工作。電源模塊的電路原理圖如圖3.1所示。圖3.1 電源模塊原理圖3.1.2 主控模塊該系統(tǒng)的主控板是由AT89S52單片機(jī)設(shè)計而成，其電路圖及PCB如下圖3.2及圖3.3所示。該系統(tǒng)的主控板采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制芯片。AT89S52單片機(jī)是51系列單片機(jī)中較為經(jīng)典的一款。與其他51系列的單片機(jī)一樣擁有51

33、內(nèi)核、內(nèi)部定時器、外部中斷以及多路的I/O輸出口，這些配置足以滿足本裝置的需求。此外本裝置還選取了11.0592MHZ的晶振作為本裝置的時鐘源，以及增加了復(fù)位電路，通過復(fù)位電路上電容的充放電效應(yīng)，同時使其具有上電復(fù)位的功能。此外，主控模塊還采用了AT89S52單片機(jī)的TX和RX兩個端口作為藍(lán)牙通訊模塊的連接端，它們能夠接收與裝置中藍(lán)牙配對的手機(jī)所發(fā)送過來的字符，并由藍(lán)牙將字符傳送到單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)根據(jù)既定的程序讀取該字符，并作出相應(yīng)的控制。通過控制I/O口的高低電平可以控制外圍繼電器的斷開與閉合，進(jìn)而控制電器的開關(guān)。門鎖的動力部分由步進(jìn)電機(jī)提供，步進(jìn)電機(jī)由51單片機(jī)的4路I/O口的脈沖共同控

34、制，當(dāng)單片機(jī)接收到開門或者關(guān)門的指令后，通過單片機(jī)內(nèi)部既定的程序，精準(zhǔn)的控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動時間，使其達(dá)到打開或閉合的效果。 圖3.2 主控板電路圖圖3.3 主控板PCB3.1.3 繼電器控制模塊本裝置采用了高亮LED以及直流電機(jī)等器件用來模擬家用電器，為了通過單片機(jī)控制它們的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計了如下三種方案，（1）由于用來模擬家用電器的器件對電流要求較高，單片機(jī)I/O口的驅(qū)動能力有限，于是選擇了在單片機(jī)的I/O口上加上10K的上拉電阻用來驅(qū)動這些器件，但是經(jīng)過嘗試高亮LED燈亮度太弱，直流點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)速也較低，效果十分不理想。（2）經(jīng)過方案1的嘗試，顯然用上拉電阻驅(qū)動不了高亮LED燈等器件，于是

35、選擇嘗試用三極管將I/O口的輸出電流進(jìn)行放大，然后再來驅(qū)動高亮LED燈、直流電機(jī)等器件。我最終選取了型號為0805的三極管來進(jìn)行此次嘗試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高亮LED燈的光強(qiáng)比第一次嘗試要亮一些但是依然無法滿足本裝置的要求，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速也有所提升，但是與本設(shè)計的預(yù)期還是有一定的差距，最終此次嘗試也以失敗告終。（3）經(jīng)過方案1和方案2的失敗經(jīng)歷以后，我決定用電池盒直接為高亮LED燈，直流電機(jī)等器件進(jìn)行供電，并用繼電器作為它們的控制開關(guān)。將控制端連接到單片機(jī)的I/O口上，由I/O的高低電平來控制繼電器的斷開與閉合，進(jìn)而可以控制這些器件的開或關(guān)。進(jìn)過此次嘗試發(fā)現(xiàn)，高亮LED燈的亮度，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以及各個

36、器件的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況都非常理想。最終我決定選用方案3。通過三次的嘗試，我們發(fā)現(xiàn)只有方案3才可以滿足本裝置的需求，因為方案1和方案2的供電電流雖然經(jīng)過放大但是依然無法達(dá)到各器件正常工作的電流。而方案3是由電池組直接供電，其電流大小由電池組內(nèi)的電池決定，而電池的輸出電流一般較大不需要進(jìn)行放大，硬件連接也較為簡單，驅(qū)動能力不行的時候更換一下電池即可。這使本裝置的使用更加方便。3.1.4 藍(lán)牙模塊本設(shè)計藍(lán)牙模塊采用LC-05藍(lán)牙串口模塊，該藍(lán)牙模塊支持主從一體，可以用AT命令實現(xiàn)主從之間的切換，指令十分豐富齊全，功能也很強(qiáng)大，可以與手機(jī)，筆記本電腦等設(shè)備進(jìn)行無線連接。設(shè)計中將電路板上的藍(lán)牙模塊設(shè)置為從模塊來

37、接收手機(jī)發(fā)出的指令，從而進(jìn)一步的控制各種元器件的狀態(tài)。藍(lán)牙模塊的主要參數(shù)如下所示：1） 采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。2） 2）串口模塊工作電壓3.3V。3） 工作電流：配對中為30mA，配對完畢通訊中為8mA。4） 休眠電流：不休眠。5） 指示燈顏色：紅色。6） 將該模塊設(shè)置為從機(jī)即可。7） 該模塊原理圖如圖3.4所示 圖3.4 藍(lán)牙模塊原理圖3.1.5 步進(jìn)電機(jī)模塊3.1.5.1 步進(jìn)電機(jī)本設(shè)計步進(jìn)電機(jī)采用的是4相5線制5V步進(jìn)電機(jī)28BYJ48。設(shè)計根據(jù)步進(jìn)電機(jī)可以精確控制轉(zhuǎn)動角度的特點(diǎn)自制了一個簡易門禁鎖。通過控制步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動使門鎖處于不同的狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到控制簡易門

38、開關(guān)的目的。其實物圖如圖3.5所示。 圖3.5 簡易門鎖模型步進(jìn)電機(jī)主要參數(shù)如下所示：1） 直徑28mm。2） 工作電壓：5V。3） 減速比：1/64。4） 最大空載牽出頻率：900pps5） 最大空載牽入頻率：500pps3.1.5.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動本設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動采用的是ULN2003步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動板。其驅(qū)動電路原理圖如圖4.2.2.1所示。 圖3.6 驅(qū)動電路原理圖3.2 軟件設(shè)計本設(shè)計軟件部分通過單片機(jī)輸出四路脈沖來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，其具體程序如下：步進(jìn)電機(jī)正傳：void motor_z() uchar i; uint j; for (j=0; j8; j+) /轉(zhuǎn)1*n圈 fo

39、r (i=0; i8; i+) /一個周期轉(zhuǎn)45度 P1 = FFWi; /取數(shù)據(jù) delay(1); /調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)：void motor_f() uchar i; uint j; for (j=0; j8; j+) /轉(zhuǎn)1n圈 for (i=0; i8; i+) /一個周期轉(zhuǎn)45度 P1 = REVi; /取數(shù)據(jù) delay(1); /調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 接收到字符之后，單片機(jī)將接收到的字符暫存到Rcv中,通過判斷不同的字符，來控制不同的電器。如果接收到的字符為“1”，則打開或關(guān)閉直流電機(jī)： if(Rcv=1) Rcv=0; P00=!P00; /直流電機(jī) 如果接收到的字符為“2”，則打開

40、或關(guān)閉排風(fēng)扇： else if(Rcv=2) Rcv=0; P01=!P01; /排風(fēng)扇 如果接收到的字符為“3”，則打開或關(guān)閉高亮LED： else if(Rcv=3) Rcv=0; P02=!P02; /高亮LED 如果接收到的字符為“4”，則打開或關(guān)閉弱光燈： else if(Rcv=4) Rcv=0; P24=!P24; /弱光燈 如果接收到的字符為“5”，則順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)：else if(Rcv=5)Rcv=0;kaiguan=!kaiguan;if(kaiguan=1)for(i=0;i17;i+) motor_z(); /步進(jìn)電機(jī) 開if(kaiguan=0)for(

41、i=0;i17;i+) motor_f(); /步進(jìn)電機(jī) 關(guān)本設(shè)計的完整程序詳見附錄。3.3 實物展示斷電效果圖：運(yùn)行效果圖：4 系統(tǒng)調(diào)試4.1 硬件調(diào)試（1）檢查電路板焊接是否異常；（2）檢查單片機(jī)是否運(yùn)行，晶振是否起振；（3）檢查單片機(jī)的ISP口是否能夠正常下載程序；4.2 軟件調(diào)試（1）在keil 3的環(huán)境下編寫簡單程序，測試單片機(jī)各I/O口輸出是否正常；（2）根據(jù)各模塊的功能編寫相應(yīng)的程序，編譯、鏈接程序，使其生成相應(yīng)的hex文件； （3）將生成的hex文件下載到單片機(jī)內(nèi)使其運(yùn)行，根據(jù)單片機(jī)的實際運(yùn)行情況改進(jìn)程序。5 總結(jié)通過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我了解到更多的有關(guān)課外的知識，同時也鍛煉了自

42、己的動手實踐能力。在整個畢業(yè)設(shè)計的過程中，讓我自己去發(fā)現(xiàn)問題，并分析問題和解決問題，讓我真正的明白做好一件事需要的不僅僅是知識，還應(yīng)當(dāng)具備各方面的能力，查閱資料的能力，利用知識的能力，分析和解決問題的能力以及和他人的溝通能力，自我學(xué)習(xí)的能力等。經(jīng)過前期的資料準(zhǔn)備以及設(shè)計規(guī)劃構(gòu)思，中期長時間的軟硬件調(diào)試和后期的完善工作。本次基于藍(lán)牙技術(shù)的家庭智能控制系統(tǒng)設(shè)計圓滿完成任務(wù)，實現(xiàn)了預(yù)期的功能：即通過手機(jī)藍(lán)牙串口軟件發(fā)出指令，單片機(jī)接收指令，并對其收到的指令作出處理，再將處理結(jié)果發(fā)送給對應(yīng)的家用電器，最后家用電器再作出相應(yīng)的反應(yīng)，從而達(dá)到無線控制家用電器的目的。不過本設(shè)計還不算完美，還有許多需要改進(jìn)的

43、地方。例如：在裝置供電方面，由于設(shè)備數(shù)量略多以及一些元器件對電壓電流消耗較大，這使得只靠將室內(nèi)220V電壓轉(zhuǎn)換的5V電壓不足以帶動整個裝置的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。最后不得已采用了多節(jié)電池盒對各個裝置采取分別供電的方法。此外整個裝置在外觀上還不夠美觀，內(nèi)部的一些需要打膠，焊接的地方等做工有點(diǎn)粗糙，略微有點(diǎn)影響整體觀感。在完成畢業(yè)設(shè)計的這些時間里，我經(jīng)歷了很多困難，很多焦慮，當(dāng)然還有很多快樂。但值得慶幸的是每一天我都在成長，都有收獲。特別是在由一個階段進(jìn)到下一個階段，一個模塊進(jìn)到下一個模塊的時候，剛開始都會有一段迷茫和疑惑期，這也應(yīng)驗了那句話：萬事開頭難。整個畢業(yè)設(shè)計做下來讓我在電子制作方面的水平有了很大的提

44、升，對我有著重大的意義。因為我用心記錄著這段日子中的每一天，每一個經(jīng)驗，每一個教訓(xùn)，這些不僅僅局限于一個畢業(yè)設(shè)計，它們更多的承載著我大學(xué)期間最后的記憶，也記錄著我的成長，是我以后闖蕩社會的資本，是一筆寶貴的財富。致 謝經(jīng)過了近半年的努力我成功的完成了畢業(yè)設(shè)計，在這半年時間里我得到了很多老師和同學(xué)的幫助，在此我向他們都表示感謝。首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師翟鳳瀟老師，在本次畢業(yè)設(shè)計的整個過程中她給了我很大的幫助和支持，無論是最初的選題構(gòu)思，還是中期的電路設(shè)計、硬件調(diào)試、軟件編程再到后期的完善功能和包裝加工，他總能提出一些很好的建議和指導(dǎo)。其次，我要感謝我的同學(xué)，在我設(shè)計思路遇到阻塞的時候他們會和我

45、認(rèn)真的討論問題，他們的一些見解和建議有時會給我很大的啟發(fā)，從而幫我打開思路，解決問題。在這樣的過程中也使得我自身分析問題的能力得到了極大的提升。我的畢業(yè)設(shè)計之所以能夠順利的完成，老師和同學(xué)們的幫助是不可或缺的部分。我非常感謝他們的無私幫助。最后，我要感謝在大學(xué)四年間家人對我生活和學(xué)業(yè)上的關(guān)懷和支持，宿舍室友們對我的關(guān)心和幫助。謹(jǐn)以此獻(xiàn)給所有關(guān)心和幫助過我的人們！參考文獻(xiàn)1 張毅剛，單片機(jī)原理及接口技術(shù)（C51編程），北京：人民郵電出版社，2011.2 李廣弟，朱月秀，冷祖祁，單片機(jī)基礎(chǔ), 北京：北京航空航天出版社，2007.3 陳海晏，51單片機(jī)原理及應(yīng)用，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，201

46、3.4 高衛(wèi)東，51單片機(jī)原理與實踐，北京：北京航航空航天大學(xué)出版社，2011.5 張桂紅，單片機(jī)技術(shù)，北京：北京郵電大學(xué)出版社，2014.6 劉金華，單片機(jī)課程設(shè)計指導(dǎo)書, 北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.7 朱永金, 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)，北京：中國勞動社會保障出版社, 2012.8 齊向東，劉立群, 單片機(jī)控制技術(shù)實踐，北京：中國電力出版社, 2009.9 王幸之，陳志軍，單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)，北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.10 喻宗泉，藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.11 何廣富，低功耗藍(lán)牙開發(fā)權(quán)威指南，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.12 王自強(qiáng)，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用技術(shù)

47、，北京：科學(xué)出版社，2010.13 A. Helal, W. Mann, H. Elzabadani, et al. Gator Tech Smart House: A Programmable Pervasive SpaceJ. IEEE Computer magazine, 2005(3):64-74.14 Serial infrared physical layer link specification, Infrared Data Association, 2009.15 Kabn J M，Barry J RWireless infrared communicationsJProcIEEE, 2010，85：265298.附 錄#in