基于單片機(jī)的WIFI智能化無(wú)線開關(guān)

./本科畢業(yè)論文<設(shè)計(jì)>題目：基于單片機(jī)的WIFI智能無(wú)線開關(guān)學(xué)院：物理與電子科學(xué)學(xué)院班級(jí)：姓名：指導(dǎo)老師：王強(qiáng)職稱：助教完成日期：2014年5月1.基于單片機(jī)的WIFI智能無(wú)線開關(guān)摘要：科技高速發(fā)展,人們的需求也在日益增長(zhǎng),智能成為人們孜孜不倦的追求。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)豐富了這個(gè)世界,也簡(jiǎn)化了這個(gè)世界。當(dāng)然微型處理系統(tǒng)也悄悄產(chǎn)生了,并大量應(yīng)用在實(shí)際中,利用MCU控制,處理一些事務(wù),降低了勞動(dòng)時(shí)間,提高了勞動(dòng)效率,也提高了精度。MCU的出現(xiàn)使生活與生產(chǎn)發(fā)生很大的改變。人們的生活與網(wǎng)絡(luò)與智能越來(lái)越密不可分。本文闡述了一套智能WIFI無(wú)線開關(guān)的設(shè)計(jì),首先論述了WIFI和開關(guān)的歷史與發(fā)展,然后提出了不同的方案,并進(jìn)行了詳細(xì)的分析,在此基礎(chǔ)上形成了一套方案,并對(duì)此方案提出了一系列的軟件及硬件的設(shè)計(jì)方法。最后對(duì)本方案存在的問題及應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞：WIFI；智能；無(wú)線開關(guān)目錄引言11WIFI與開關(guān)11.1WIFI的發(fā)展與現(xiàn)狀11.2開關(guān)的發(fā)展與現(xiàn)狀12系統(tǒng)方案22.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求22.2方案比較與選擇22.2.1控制芯片的選擇22.2.2WIFI模塊的選擇32.3短距離無(wú)線模塊的選擇32.4開關(guān)的選擇33系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)53.1芯片53.1.1STC89C52RC芯片53.1.2STC12C2052AD芯片63.2WIFI模塊73.3無(wú)線模塊73.4開關(guān)83.5總體設(shè)計(jì)84系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)84.1系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及工作原理84.2上位機(jī)軟件的編寫94.2系統(tǒng)框架圖與流程圖94.3系統(tǒng)存在問題105結(jié)束語(yǔ)10.引言這是一個(gè)智能的時(shí)代,科技決定生活質(zhì)量。方便,高效,省時(shí)是這個(gè)時(shí)代的主題,也是科學(xué)發(fā)展的方向。在千千萬(wàn)萬(wàn)的高科技術(shù)中,有一門技術(shù)雖然僅僅是在近來(lái)才發(fā)展起來(lái)的,但是其對(duì)人類生活的影響卻不容小覷,這一技術(shù)就是WIFI技術(shù)。其實(shí)在WIFI技術(shù)之前,已經(jīng)存在有很多種通信方式了,比如說以前很火的到目前為止仍然還在應(yīng)用的藍(lán)牙技術(shù),但是藍(lán)牙技術(shù)只能用于用戶到用戶也就是點(diǎn)到點(diǎn)的信息傳輸,而與其相比WIFI技術(shù)就不同了,WIFI可以作為圓點(diǎn),向四面八方傳播信息,當(dāng)然也可以用于點(diǎn)到點(diǎn)的傳播,因此WIFI技術(shù)大大提高了信息傳播的廣度,與藍(lán)牙技術(shù)相比其方便性是不言而喻的。其實(shí)在目前的現(xiàn)實(shí)生活中,可以說WIFI技術(shù)是無(wú)處不在的,比如說現(xiàn)在的大部分飯店、咖啡館等公共場(chǎng)所都會(huì)免費(fèi)提供WIFI上網(wǎng),以此作為一種營(yíng)銷手段來(lái)招攬顧客,使得顧客在享受服務(wù)的同時(shí),也可以輕松、方面的上網(wǎng)瀏覽信息。但是能不能將目前火熱的WIFI技術(shù)與生活中的開關(guān)技術(shù)相結(jié)合呢？這正是本論文研究的核心之所在。在生活中我們經(jīng)常會(huì)用到開關(guān),但是用WIFI來(lái)控制開關(guān)的開啟與關(guān)閉卻是很少見的,本論文將設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)以期將WIFI技術(shù)用于控制燈泡。具體的說就用WIFI來(lái)決定燈泡什么時(shí)候亮以及亮到什么程度。理論來(lái)說這一系統(tǒng)是可以實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)樵谄渲耙呀?jīng)就是通過控制它可以的控制家用電器的通斷工作的一個(gè)器件。智能開關(guān),也就是遙控,可以對(duì)電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)中短距離的無(wú)線控制。人們可以通過遙控進(jìn)行無(wú)線控制,擺脫了電線的束縛。本設(shè)計(jì)是基于中短距離無(wú)線開關(guān)設(shè)計(jì)的一套系統(tǒng),由一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)組成,主機(jī)與從機(jī)之間進(jìn)行無(wú)線通信。從機(jī)對(duì)開關(guān)進(jìn)行控制。它可以通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)在家里任何地方實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的控制。因?yàn)槭謾C(jī)幾乎是每個(gè)人不離身的必須設(shè)備,不像遙控一樣隨便放置。手機(jī)又有WIFI的功能,不必考慮直線傳播,比紅外要好很多,比藍(lán)牙的穿透能力要好。手機(jī)通過安裝APP文件作為上位機(jī)控制軟件,連接主機(jī)〔由STC89C52RC芯片組成控制的UART-WIFI模塊,對(duì)其發(fā)送指令,進(jìn)行連接。然后再發(fā)送開關(guān)控制指令,MCU接收到之后,通過中短距離無(wú)線模塊NRF24L01向各個(gè)分機(jī)發(fā)送指令,分機(jī)接收到指令后進(jìn)行核對(duì),如果正確則執(zhí)行,反之保持現(xiàn)狀,繼續(xù)等待命令。1WIFI與開關(guān)1.1WIFI的發(fā)展與現(xiàn)狀WIFI的出現(xiàn)改變了我們的生活和工作,極大的方便了人們與這個(gè)社會(huì)越來(lái)越密不可分,作為一種無(wú)線傳輸方式,給無(wú)線傳輸這個(gè)領(lǐng)域增添了不少色彩。1.2開關(guān)的發(fā)展與現(xiàn)狀不用多說,開關(guān)更是我們不可缺少的一部分,它與我們的生活息息相關(guān),為了適應(yīng)各種用途,它的演變也是很快很多樣的。開關(guān)發(fā)展歷史總結(jié)如下圖:圖1-1開管的發(fā)展歷程2系統(tǒng)方案2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)通過手機(jī)發(fā)送指令或者是直接按開關(guān),均可實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器進(jìn)行簡(jiǎn)單控制。2.2方案比較與選擇控制芯片的選擇STC89C52RC芯片作為一種常用MCU應(yīng)用領(lǐng)域很廣了,雖然它沒有嵌入式的功能強(qiáng)大,也沒有AVR系列反應(yīng)速度快,但是憑借它簡(jiǎn)單易懂,功能齊全,性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)在生產(chǎn)生活中占據(jù)著一席之地。因?yàn)榇讼到y(tǒng)對(duì)芯片處理速度要求不是很大,考慮到主機(jī)程序稍微大一些,故TC89C52RC,而從機(jī)考慮到體積大小的問題選用了STC12C2052AD。WIFI模塊的選擇方案一：選用華為HG255D無(wú)線路由器,對(duì)其進(jìn)行刷機(jī),變?yōu)閛penwrt系統(tǒng),然后利用它接收手機(jī)發(fā)出的指令。方案二：選用串口WIFI模塊WIFI-M03WIFI-M03是一種嵌入式串口WIFI模塊產(chǎn)品。Wifi是基于串口通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。通過串口Wifi模塊,傳統(tǒng)的串口設(shè)備也能接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)斟酌方案一刷機(jī)過程比較繁瑣,跟單片機(jī)的接口驅(qū)動(dòng)不太好移植,另外一個(gè)原因就是,會(huì)導(dǎo)致主機(jī)體積變大。方案二比較方便,可以直接利用單片機(jī)的串口通信進(jìn)行指令的獲取。故選用方案二。2.3短距離無(wú)線模塊的選擇方案一：選用315M無(wú)線模塊315M無(wú)線模塊作為數(shù)據(jù)發(fā)射模塊在現(xiàn)實(shí)生活中比較常見。接下來(lái)我們以315M無(wú)線模塊在現(xiàn)實(shí)生活中最普遍的應(yīng)用——車鑰匙為例,來(lái)對(duì)315M無(wú)線模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的理解。大部分車鑰匙內(nèi)部都含有一個(gè)315M無(wú)線模塊,用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)車主不在車內(nèi)且車輛被物體碰撞或驚動(dòng)之后會(huì)發(fā)出信號(hào),而車鑰匙內(nèi)部安裝的315M無(wú)線模塊可以準(zhǔn)確無(wú)誤地接收到這一信號(hào),并發(fā)出報(bào)警,通知車主車輛遇到了碰撞或驚動(dòng)。由此我們可以看出315M無(wú)線模塊在生活中的用處是很大的。方案二：選用NRF24L01無(wú)線模塊nRF24L01無(wú)線收發(fā)器芯片是基于單片機(jī)的無(wú)線發(fā)收模塊,無(wú)需自己編寫通信協(xié)議適用于短距離通信,效果不錯(cuò),多用于玩具車,無(wú)線鼠標(biāo)中,市場(chǎng)前景不錯(cuò)。這兩種方案中,315M需要自己制作編碼,比較繁瑣,而且自己編碼,容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,而NRF24L01比較方便,自帶編碼,穩(wěn)定可靠,故選用方案二。2.4開關(guān)的選擇方案一：選用繼電器電磁繼電器是一種常用的電器開關(guān),用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種"自動(dòng)開關(guān)",具有隔離的優(yōu)點(diǎn),故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。缺點(diǎn)是需要吸合電流,功耗稍大,有觸點(diǎn),反應(yīng)速度不是很迅速。方案二：選用三極管PNP型NPN型E發(fā)射極E發(fā)射極B基極B基極C集電極C集電PNP型NPN型E發(fā)射極E發(fā)射極B基極B基極C集電極C集電極圖2-1三極管三極管的作用是把小信號(hào)放大成大電信號(hào),也可以做無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)。具有放大電流的作用,用于功放中。而在很多地方常當(dāng)直流開關(guān)使用,反應(yīng)靈敏可以達(dá)到100KHz。方案三：選用雙向可控硅雙向可控硅也是一種常用的功率開關(guān),驅(qū)動(dòng)能力比較大,常做為交流無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)使用。圖2-2雙向可控硅光控可控硅也屬于可控硅,它把控制端與被控制端隔離開,提高安全性,其輸出可以用來(lái)安全的觸發(fā)雙向可控硅,不需要在雙向可控硅兩端并聯(lián)阻容吸收電路,可以直接觸發(fā)。圖2-3光耦合可控硅經(jīng)斟酌三者均是利用小電壓信號(hào)控制大電壓,繼電器反應(yīng)速度慢,有觸點(diǎn),閉合有聲音,經(jīng)測(cè)試吸合電流需要100mA。三極管適合于做直流開關(guān)使用?？煽毓杩勺鼋涣鏖_關(guān)使用,經(jīng)選擇選用可控硅。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)由主控芯片模塊STC89C52RC、STC12C2052AD、光控可控硅MOC3041、雙向可控硅BT136、無(wú)線模塊NRF24l01等組成。下面分別對(duì)各個(gè)模塊作具體介紹。3.1芯片STC89C52RC芯片本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式采用串口通信,而此芯片帶有UART可以直接利用它實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,軟件程序中通過串口的中斷檢測(cè)一幀的數(shù)據(jù)是否完成的傳送。STC89C52RC芯片串行口有四種工作方式,根據(jù)SM0和SM1進(jìn)行設(shè)置,方式0為8為位同步移位寄存器,方式1為10位UART發(fā)送方式,方式2為11位UART發(fā)送,方式3為11位UART,其中方式1和方式3波特率可變。本設(shè)計(jì)采用的是方式1,而且采用的是中斷方式,與查詢方式比起來(lái)的話有節(jié)省CPU的作用。圖3-1STC89C52RCSTC12C2052AD芯片把STC12C2052AD作為從機(jī),主要應(yīng)用了它自帶的SPI同步通信,關(guān)鍵是考慮到NRF24L01使用了SPI通信,比較方便,無(wú)需模擬SPI通信協(xié)議。除了flash比STC89C52RC小一些外,其他功能都是差不多的。本設(shè)計(jì)在定時(shí)的部分使用了定時(shí)器,利用定時(shí)器定時(shí)中斷進(jìn)行精準(zhǔn)的定時(shí),然后控制開關(guān)通段時(shí)間。另外還需要用定時(shí)器來(lái)進(jìn)行調(diào)光,市電的周期為20ms,經(jīng)過全橋整流后,會(huì)變?yōu)橹芷跒?0ms的脈動(dòng)直流,通過單片機(jī)可以控制可控硅的導(dǎo)通角,也就是10ms內(nèi)導(dǎo)通的時(shí)間,從而改變燈的亮度。圖3-2STC12對(duì)于主從機(jī)芯片均采用上電自動(dòng)復(fù)位的電路設(shè)計(jì),所以就沒有在接復(fù)位按鍵。利用芯片的外部中斷功能可以實(shí)現(xiàn)在沒有手機(jī)的情況下,通過按鍵也可以控制電器的開關(guān)。3.2WIFI模塊BLN-07是基于UART接口的WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊,能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的交換。通過串口Wifi模塊,傳統(tǒng)的串口設(shè)備就能接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。此模塊與手機(jī)之間通信,使用的是ASCII碼,手機(jī)把編碼變?yōu)锳SCII碼進(jìn)行發(fā)射,UART-WIFI會(huì)接收ASCII碼并產(chǎn)生中斷給單片機(jī)。此WIFI模塊可以通過終端像普通路由器一樣設(shè)置和修改密碼,也可以通過配置軟件進(jìn)行修改和設(shè)置,有比較不錯(cuò)的安全性能。3.3無(wú)線模塊nRF24L01作為單片無(wú)線收發(fā)器芯片無(wú)線收發(fā)器,擁有6個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通道,本設(shè)計(jì)主機(jī)和從機(jī)均采用了它的數(shù)據(jù)通道0,主機(jī)采用發(fā)射方式,而從機(jī)采用已知查詢接收方式。對(duì)于主機(jī),當(dāng)接收的WIFI信號(hào)后,會(huì)判斷接收到的數(shù)據(jù),然后會(huì)先發(fā)送一串代碼,作為識(shí)別碼,接著發(fā)送命令代碼。對(duì)于從機(jī),當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)后,會(huì)把數(shù)據(jù)先存入緩存,接收完這一幀數(shù)據(jù)后,判斷識(shí)別碼是否與自己的完全吻合,如果吻合,則采取動(dòng)作,反之,繼續(xù)檢測(cè)信號(hào)。圖3-3NRF24L01芯片外圍電路3.4開關(guān)MOC3041是一種光耦雙向可控硅,可以對(duì)單片機(jī)控制信號(hào)和交流市電進(jìn)行隔離,比較可靠安全,自帶過零檢測(cè),在調(diào)光的環(huán)節(jié)省去了過零檢測(cè)電路。工作電流小,但是驅(qū)動(dòng)能力比較差,長(zhǎng)時(shí)間工作可能會(huì)燒壞,壞所以需要利用MOC3041先去驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BT136,然后再接用電器。MOC3041驅(qū)動(dòng)電路采用單片機(jī)控制PNP型三極管去驅(qū)動(dòng)MOC3041,控制端給低電平,三極管導(dǎo)通,光耦中發(fā)光二極管導(dǎo)通,光控可控硅導(dǎo)通,BT136導(dǎo)通用電器接通。反之用電器斷開。圖3-4可控硅電路設(shè)計(jì)圖3.5總體設(shè)計(jì)..3-5主機(jī)電路設(shè)計(jì)圖3-6從機(jī)電路設(shè)計(jì)4系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及工作原理配置安卓開發(fā)環(huán)境,通過eclipse編寫上位機(jī)軟件。通過上位機(jī)給主機(jī)發(fā)送開關(guān)控制指令,單片機(jī)主機(jī)產(chǎn)生中斷,接收到之后,蜂鳴器會(huì)提示,接著進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,然后準(zhǔn)備給各從機(jī)發(fā)送。發(fā)送時(shí)進(jìn)行編碼,加一段識(shí)別碼,從機(jī)接收得到之后,先判斷識(shí)別碼,如果正確則產(chǎn)生動(dòng)作。主機(jī)可以通過指令實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的開關(guān),定時(shí),調(diào)光燈控制。當(dāng)從機(jī)接收到定時(shí)指令后會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器,根據(jù)接收到的指令具體定時(shí)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置,時(shí)間設(shè)置好會(huì)相應(yīng)的顯示在數(shù)碼管上,時(shí)間到后,定時(shí)器產(chǎn)生中斷,控制可控硅關(guān)斷用電器。4.2上位機(jī)軟件的編寫下圖為手機(jī)控制系統(tǒng)的界面圖圖4-1安卓手機(jī)控制界面STC12C2052AD14.2系統(tǒng)框架圖與流程圖STC12C2052AD1STCSTC12C2052AD2STC89C52RCP3.0/RxP3.1/TxSTC89C52RCP3.0/RxP3.1/Tx手機(jī)終端STC12C2052AD3…STCSTC12C2052ADn圖4-2系統(tǒng)框圖執(zhí)行指令等待手機(jī)發(fā)出指令執(zhí)行指令等待手機(jī)發(fā)出指令是是等待指令判斷從機(jī)代碼是否正確處理指令等待指令判斷從機(jī)代碼是否正確處理指令向從機(jī)發(fā)送指令向從機(jī)發(fā)送指令接受指令發(fā)送從機(jī)代碼+指令信號(hào)否接受指令發(fā)送從機(jī)代碼+指令信號(hào)否圖4-3程序設(shè)計(jì)流程圖4.3系統(tǒng)存在問題軟件方面：包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。上位機(jī)也就是手機(jī)軟件,目前的話,上位機(jī)缺少一個(gè)與下位機(jī)通信顯示界面,因?yàn)橄到y(tǒng)采用了單線通信,只可以上位機(jī)發(fā)射信號(hào),下位機(jī)接收信號(hào),執(zhí)行指令,沒有采用信息交互的方案。下位機(jī)也就是主機(jī)和從機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng),也是采用單線通信,只接收了上位機(jī)指令,沒有信息返回上位機(jī),另外就是主從機(jī)之間也是單線傳輸,然后就是主從機(jī)之間是利用段距離無(wú)線模塊進(jìn)行通信只采用了簡(jiǎn)單的密碼校對(duì),存在安全隱患。硬件方面：短距離無(wú)線模塊發(fā)射和接收存在盲區(qū)。5結(jié)束語(yǔ)經(jīng)由一個(gè)多月的學(xué)習(xí)以及對(duì)學(xué)過知識(shí)的系統(tǒng)化和創(chuàng)造,我終于實(shí)現(xiàn)了學(xué)校要求的設(shè)計(jì)論文以及無(wú)線開關(guān)的制作。從開始選定論文題目到自己設(shè)計(jì)實(shí)物的實(shí)現(xiàn),每前進(jìn)一步都是對(duì)我的新的挑戰(zhàn),這也算是我用大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)獨(dú)立完成的最大的項(xiàng)目,通過這段經(jīng)歷,我學(xué)到了很多知識(shí)也有很多感受。對(duì)于論文完成的經(jīng)歷,我深深地體會(huì)到了把理論和實(shí)際結(jié)合在一起的重要性。在整個(gè)制作過程和論文設(shè)計(jì)中,我不僅在動(dòng)手能力并且專業(yè)知識(shí)的運(yùn)用都得到了很大的提高,同時(shí),我也學(xué)習(xí)到了如何去獨(dú)立思考和解決相應(yīng)問題,如何靈活地改變的方法,通過不同的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。通過我的畢業(yè)設(shè)計(jì),鞏固了我對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和記憶,而且也增強(qiáng)了我對(duì)新產(chǎn)品的開發(fā)意識(shí),讓我在這最后的大學(xué)期間得到了一次很好的而且很有意義的鍛煉機(jī)會(huì)。參考文獻(xiàn)：[1]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,1991[2]第5代Wi-Fi802.11ac速度較N版提高3倍[J].BQJournal.2013-10-1713:01[2013-11-16].[3]Wi-FiOrigins[M].CarnegieMellonUniversity.[[4]林建廷/李元生,行動(dòng)商務(wù)概論、實(shí)務(wù)與應(yīng)用：無(wú)所不在的云端運(yùn)算、行動(dòng)裝置、RFID與物聯(lián)網(wǎng)[C],碁峯信息出版,2012年9月第1版,ISBN：978-986-276-549-4[5]MTNet簡(jiǎn)訊第10期[J]-交通部航港單一窗口服務(wù)平臺(tái),2009-10-26[6]王偉,鄭金奎．MCS-51單片機(jī)主從式多機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊的實(shí)現(xiàn)[J].西南自動(dòng)化研究所,1998年第3期P3934[7]Compa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