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                    2. 关于手机蓝牙控制电灯开关的设计解读

                      来源:互联网 由 盛开的花360 ?#27605;?nbsp;责任编辑:鲁倩  

                      上海新侨职业技术学院

                      毕 业 综 合 训 练

                      (报告、设计说明书)

                      专业班级:机电一体化技术J102班

                      课题名称:关于手机蓝牙的电灯开关控制设计

                      指导教师: 严 亚 芳

                      学生姓名: 徐 朱 力

                      完成日期: 2013年6月

                      目 录

                      摘要……………………………………………………………………………3

                      前言……………………………………………………………………………3

                      一、利用手机蓝牙来控制电灯的开关思路…………………………………4

                      二、选择蓝牙做无线开关的原因……………………………………………4

                      三、资料收集…………………………………………………………………6

                      四、编写程序的前期准备……………………………………………………8

                      五、程序的修改………………………………………………………………11

                      六、开发板上调试……………………………………………………………13

                      七、元器件的购买……………………………………………………………15

                      八、改进电路调试……………………………………………………………16

                      九、220v电压真实环境下调试………………………………………………17

                      十、理想功能介绍……………………………………………………………18

                      结论 …………………………………………………………………………20

                      感谢 …………………………………………………………………………21

                      参考文献 ……………………………………………………………………22

                      摘 要

                      本文拟从通过手机蓝牙进行开关控制的角度来进行设计的,主要从为什么想到无线开关、为什么选择蓝牙做无线开关、如何编制程序、如何开发板上进行调试、如何绘制原理图、如何在220v电压真实环境下的利用手机开关做实验,等角度经行阐述,从而确定整个设计的方案和调试步骤。

                      关键词:手机蓝牙,开关,控制

                      前 言

                      电灯开关一般是能控制电源通断的一种元器件。手机蓝牙是一种短距离无线通讯技术。本设计是利用手机蓝牙来实现无线电灯开关工作。在大量的参考资料,进行大量的调试实验的基础上,一步步完善设计方案,从而实现了关于手机蓝牙的电灯开关控制的毕业设计。

                      一、利用手机蓝牙来控制电灯的开关思路

                      目前利用普通开关来控制电灯开关的方法有两种:单控开关和双联双控开关。前者只起灯的单一地点控制通断作用;后者可实现二地可控制电灯通断作用。

                      人们在日常生活中经常遇到以下情况,躺在床上看书或看电视时,书可以随手放在枕头边电视可以用手中的遥控器来开关,但是灯电灯如何方便的控制呢?

                      现有的常见开关有如下缺点:

                      (一)?#29615;?#20415;;

                      (二)不安全,有时为了方便开关进行私接电线这样很不安全。

                      (三)控制地点少,最多只能实现两地控制。

                      为了解决以上问题,在设计过程中想到了生活中无处不在的无线技术,如无线鼠标、无线耳机、无线路由器、无线遥控器、无线收音机等等,其实无线技术主要有调频无线技术、红外无线技术和蓝牙无线技术三种。其中蓝牙无线技术?#23548;?#19978;是一种短距离无线通信技术。说得通俗一点,是蓝牙技术使现代一些易携带的移动通信设备和电脑设备不必借助电缆就能联网,并且能够实现无线上因特网,其?#23548;视?#29992;范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等家电,组成一个巨大的无线通信网络。红外无线技术是设备或者系统通过红外辐射传递数据的一种无线技术。调频无线技术也最早使用的无线电技术。只要利用这三种技术中的一种我们就可以实现无线控制电灯开关了。

                      二、选择蓝牙做无线开关的原因

                      无线遥控开关不能是一个遥控器控制一盏灯,否则遥控器多了就会分不清楚,所以遥控器越少越好,最好是不用专门的遥控器。生活中有很多学习型遥控器,又称拷贝型遥控器,它具有学习功能,可以与学习型控制器自动?#26376;耄?#30452;接使用,不需要编码。学习型遥控器可?#38498;?#20854;他遥控器一起使用。但即便如此也?#29615;?#20415;,因此想到了利用手机做遥控器。

                      手机能无线控制玩具小车的前进后退,转向等,说明手机无线控制电灯的开关完是以实现的。在大二学习了PLC知识的基础上,了解到很多设备的控制,主要是利用输出高低电平来实现的,就是在数电中所说的用二进制0和1来实现的。

                      只要让手机发出一个信号,一个小的仪器接收手机发出的信号,马上输出一个和原来相反的电平,这样再带动一个接触器,就可以实现开和关的动作。

                      但是有什么设备可以接收手机发出信号呢?

                      手机打电话发短信的时候,两部手机间的信号是可以相互交换的。由此有一个想法,就是利用两部手机,一部手机里的振动马达接线引出来换成一个接触器,用另外一部手机打这手机一下电话,接触器就马上动作了,从而实现关灯或开灯。但是这想法并没有去动手论证,因为这样做法成本也比较高,装接触器的那部手机必须要每月交话费保持不停机。

                      用两部手机的方法?#29615;?#23450;了。又想到利用蓝牙做无线传输。利用蓝牙技术,可以无线控制电视、空调、电饭锅等等家用电器。目前有人用HTC手机蓝牙来代替电视和空调的遥控器。所以想到从蓝牙入手,做一个利用手机蓝牙来无线传输从而实现控制。

                      那么议利用手机的无线网络wifi来实现控制如?#25991;兀縲ifi比蓝牙传输距离更远,也更稳定,运用范围比较广。但是反复思考后,发现wifi有一个缺点:当手机已经接上了一个wifi网络时进行下载时,想要连接另外wifi网络进行关灯遥控就必须要先退出下载,这比?#19979;?#28902;。如果利用蓝牙就不一样了,手机可以同时连接wifi和蓝牙。所以最终决定利用蓝牙。

                      三、资料收集

                      通过对手机遥控玩具汽车的研究,发现手机蓝牙和汽车蓝牙进行信息传输的模块是一个叫做蓝牙模块的芯片板子。在淘宝网上搜索,发?#20013;?#29255;的型号比较多厂,家也很杂。蓝牙模块按功能可以分成三类:主机模块、从机模块、主从一体模块。主机模块是只能在设置从机模块时和从机模块连接,是设置用的。从机模块是和主机模块或者PC的蓝牙适配器、PDA、蓝牙手机等通讯用的。

                      (一)从机模块具体用法:

                      1.ATUS:蓝牙状态输出,?#20013;?#39640;电平表示数据链路已经连通。可以接单片机的IO口来查询蓝牙的状态。这个STATUS不是必须连接的。

                      2.VCC:电源接口,接5V必须连接。

                      3.GND:电源负极必须连接。

                      4.TXD:数据输出接口,需要连接单片机的数据输入接口,一般单片机IO的名称为RX或者RXD。

                      5.RXD:数据接收接口,需要连接单片机的数据发送接口,一般单片机IO的名称为TX或者TXD。

                      6.MCLR:主模块清除配对功能的管脚。一般接单片机的某一个IO,单片机输出一个500ms的低电平,然后再上拉输出高电平,实现清除蓝牙主机配对信息的功能。从模块管脚无定义,没有任何功能。

                      (二)识别主机模块和从机模块的方法:

                      图1:蓝牙从机模块

                      1.最大的区别是主机模块有按钮,从机模块没有按钮。

                      2.主机模块主芯片上有一个白点,从机模块没有白点。

                      3.主机模块只能和从机模块通讯,从机模块可?#38498;?#20027;机模块或者PC的蓝牙适配器、PDA、蓝牙手机通讯。

                      跳线1:用于选择是用3.3V对模块进行供电,还是5V对模块供电。跳线1短路表示用3.3V对系统供电,跳线1断开表示用5V对模块供电。出厂默认不短路跳线,也就是模块需要5V供电。跳线短路的情况下绝对不能用5V对模块进行供电,否则模块必烧。这样设计的原因,是因为考虑使用STM32开发板,如果开发板上没有5V,只有3.3V输出,那么只要焊接短路这个跳线即可和STM32无缝连接,出厂默认不短路

                      跳线2:如果用于和STM32开发板链接,这个跳线短路。Arduino开发板基本都是5V的所?#28304;?#36339;线不用短路(出厂默认不短路)。

                      跳线3:如果用于和STM32开发板链接,这个跳线短路。Arduino开发板基本都是5V的所?#28304;?#36339;线不用短路(出厂默认不短路)。

                      选择专门测试蓝牙通信串口的软件装在电?#38498;?#25163;机里。用手机或者电?#38498;?#34013;牙模块连接进?#20889;?#36755;时,在txd或者rxd脚产生一个高电平。但是在测试时结果令人失望。用万用表测电压未发生任何变化。

                      四、编写程序的前期准备

                      在蓝牙智能小车机器人论坛里了解到了蓝牙小车的详细情况如下:蓝牙小车有一块单片机控制4个接触器,单片机和手机是通过蓝牙从机模块进行信号交换的。不仅要编写一段单片机程序,还要编写一?#31283;?#20214;程序。

                      单片机:单片微型计算机简称单片机,是典型的?#24230;?#24335;微控制器(Microcontroller Unit), 常用英文字母的缩写MCU表示单片机,单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而?#21069;?#19968;个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器,控制器,存储器,输入输出设备构成,相当于一个微型的计算机(最小系?#24120;?#21644;计算机相比,单片机缺少了外围设备等。概括地讲:一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

                      单片机在工业控制领域广泛应用。单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成到复杂的对体积要求严格的控制设备当?#23567;?p>在单片机开发板上进行测试实验。在10条程序中测试出了三条程序是可以用的。以下是条中字数最少的一条,也是后来进行修改后写进单片机的那条:

                      “include

                      sbit p0=P2^7;

                      sbit p1=P2^6;

                      sbit p2=P2^5;

                      sbit p3=P2^4;

                      unsigned char a;

                      void main()

                      {

                      TMOD=0x20;

                      TH1=0xfd;

                      TL1=0xfd;

                      TR1=1;

                      REN=1;//开始接收

                      SM0=0;//8位UART

                      SM1=1;

                      EA=1;//中断

                      ES=1;

                      while(1)

                      {

                      switch(a)

                      {

                      case 1:p0=1;p1=0;p2=0;p3=0;break;//s

                      case 2:p0=0;p1=1;p2=0;p3=0;break;//w

                      case 3:p0=0;p1=0;p2=1;p3=0;break;//d

                      case 4:p0=0;p1=0;p2=0;p3=1;break;//a

                      case 0:p0=0;p1=0;p2=0;p3=0;break;//STOP

                      case 5:p0=1;p1=0;p2=1;p3=0;break;//A

                      case 6:p0=1;p1=0;p2=0;p3=1;break;//B

                      case 7:p0=0;p1=1;p2=1;p3=0;break;//C

                      case 8:p0=0;p1=1;p2=0;p3=1;break;//D

                      }

                      }

                      }

                      void mhp() interrupt 8//串口中断

                      {

                      RI=0;

                      P1=SBUF;

                      a=SBUF;

                      }”

                      这只是解决?#35828;?#29255;机(俗称下位机)的程序。至于上位机。电?#38498;?#25163;机上的软件程序也收集?#24605;?#26465;,但是在运用vb或c++软件导出的EXE文件都是无法运行的,最后只能下载现成的软件到电?#38498;?#25163;机里进行调试。

                      五、程序的修改

                      由于网上寻?#19994;?#30340;单片机程序是小车用的,它有4个输出,通过程序sbit p0=P2^7;sbit p1=P2^6;sbit p2=P2^5;sbit p3=P2^4我们知道了每组都有互锁的作用:

                      case 1:p0=1;p1=0;p2=0;p3=0;break;//s

                      case 2:p0=0;p1=1;p2=0;p3=0;break;//w

                      case 3:p0=0;p1=0;p2=1;p3=0;break;//d

                      case 4:p0=0;p1=0;p2=0;p3=1;break;//a

                      表1:端口分配表

                      P0

                      P1

                      P2

                      P3

                      S

                      1

                      0

                      0

                      0

                      W

                      0

                      1

                      0

                      0

                      D

                      0

                      0

                      1

                      0

                      A

                      0

                      0

                      0

                      1

                      这样不仅单片机输出端口要浪费,而且每组控制都有着一定关系的。比如按下s按钮,p1端口对应的接触器闭合,本想按下w按钮才关,但是以上所示按d 、a都可以关。程序如下:

                      #include

                      sbit p0=P2^7;

                      sbit p1=P2^6;

                      unsigned char a;

                      void main()

                      {

                      TMOD=0x20;

                      TH1=0xfd;

                      TL1=0xfd;

                      TR1=1;

                      REN=1;//开始接收

                      SM0=0;//8位UART

                      SM1=1;

                      EA=1;//中断

                      ES=1;

                      while(1)

                      {switch(a)

                      {

                      ase 1:p0=1;break;//s

                      case 2:p0=0;break;//w

                      case 3:p1=1;break;//d

                      case 4:p1=0;break;//a

                      case 0:p0=0;p1=0;break;//STOP

                      case 5:p0=1;p1=0;break;//A

                      case 6:p0=1;p1=0;break;//B

                      case 7:p0=0;p1=1;break;//C

                      case 8:p0=0;p1=1;break;//D

                      }

                      }

                      }

                      void mhp() interrupt 8//串口中断

                      {

                      RI=0;

                      P1=SBUF;

                      a=SBUF;

                      }

                      这段程序的输出端口只有两个sbit p0=P2^7;sbit p1=P2^6;也就是一个端口可以接一个接触器,这段程序可以控制两盏灯。按钮和输出情况见表2

                      表2:改进端口表

                      P0(灯1)

                      P1(灯2)

                      S(开1)

                      1

                      W(关1)

                      0

                      D(开2)

                      1

                      A(关2)

                      0

                      STOP(总关)

                      0

                      0

                      如果按下s按钮p0端口接触器闭合,按w断开,按下a和d?#29615;从Α?p>六、开发板上调试

                      用Keil uVision3软件,点击新建工程创建文件位置,选择单片机我们用的89C52RC单片机是国产的因此在软件里面无法?#19994;?#30456;应的型号,不过可以用飞利浦公司中的P89C51RC2X XX的单片机来代替。?#24188;?#28857;击target1跳出source group1,再点击任务栏的文件新建,在保存时后缀改为点c。将以上修改完成的程序复制进去,保存后再点击编译,最后产生相应的hex文件,这就是下一步将下载进单片机的文件。

                      ?#24188;?#23601;将单片机开发板和电脑用usb数据线连接,打开STC_ISP_V483.exe软件,选择单片机STC89C52RC,?#19994;?#30456;应串口和刚才的hex文件,选择单片机中晶振频率,最后点击下载。上操作过程是我对单片机下载过程的大致描述。

                      由于单片机开发板上提供了两个接触器,应?#31169;?#32447;做起来比较方便。

                      图2所示是单片机开发版的部分电路图,图中的继电器就是上文所说的接触器。从图中我们可以看出只要把j42处的1端口和单片机中的2.7端口相接,点击w或者s按钮,接触器就会有动作。

                      图2单片机原理图

                      ?#27604;唬?#36825;只是完成?#35828;?#29255;机的开发板的接线,要想实现用电脑或者手机的接线必须要?#35757;?#29255;机和蓝牙模块进行接线。

                      图3,是开发板和蓝牙模块之间的接线就这样打开电脑或者手机上的蓝牙,?#19994;紸C的蓝牙设备,输入密码,再打开下载到的那个软件,点一下软件上的w按钮,继电器有动作了。

                      图3开发板原理图

                      可以说,这已经基本实现了利用手机蓝牙来无线控制电灯的开关。

                      七、元器件的购买

                      一个单片机开发板的板尺寸如果是25×15cm的话就太大了。而且一个单片机开发板功能太多也浪费,因此决定买一些元器件做一个最小的控制器。在淘宝上订了51单片机最小系统板、单片机STC89C52RC、松乐T73?#22270;?#30005;器 DC5V继电器、单面万用板电木板7*9cm、杜邦线单芯线20cm、接线?#20439;?P。通过三个部分来完成这套无线控制开关。第一个是信号传输的蓝牙模块部分,第二个是进行下达指令的单片机部分、第三个是完成执行任务的继电器部分。

                      蓝牙模块

                      图4:组成图

                      根据上述的思路画出接线图,如图5所示。

                      图5:接线图

                      八、电路的改进调试

                      图5所示是单片机输出高电平时,对应的脚会输出一个5v的电压。这样只要当p2.7脚输出一个高电平时继电器就会动作。

                      但是当用烙铁焊接完电路后在进行调试时,发现继电器一点?#20174;?#37117;没有。当用万用表检测继电器两端电压时的?#35789;?.7v在继电器的驱动电压范围内。因?#24605;?#32493;查?#23452;?#20048;继电器的技术手册,如表3所示。

                      表3:技术手册节选表

                      查表后发现没考虑电流。仪器检测电流发现问题出在电流上。单片机虽然输出的是接近5v的高电平电压,但是电流只有0.8微安,P2.7和GND底线直接短接电流也只有17微安,相比71.4毫安相差了四千多倍。

                      晶闸管是一种大功率开关型半导体器件,在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。门极只要小小的电流就可以使其导通,能起开关的作用。晶闸管在加正向电压且门极有触发电流。其派生器件有快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。用p2.7接口和晶闸管的门极相接,阳极接正5v,阴极接地。当p2.7输出高电平时继电器正常动作,但是当p2.7输出0v低电平时,继电器没有复位。通过实验发现,普通晶闸管是不可关断的,只有可关断晶闸管才可以实现关断。

                      三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。我们知道三极管可以放大电流能起开关作用。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结,组成一个PNP(或NPN)结构。中间的N区(或P区)?#35874;?#21306;,两边的区域叫发射区和集电区,这三部?#25351;?#26377;一条电极引线,分别?#35874;?#26497;B、发射极E和集电极C,是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。但是能放大四千多倍么?果真一个NPN型的三级管由于ie=(1+β)ib;ic=β*ib 所以测ie电流为2.4毫安,当再接一个三极管进行放大那一测电流就超过了71微安了,在这中间件加了一个电子1.1k的电阻,然后再接一个三极管电流在53微安左右。装上继电器可以正常的闭合和断开。电路图如,图6所示

                      表4是对VT1、VT2的e、b、c三个角所测的?#23548;?#30005;流值和理论电流值。

                      图6:接线图

                      表4:电流表

                      引脚

                      VT1b(微安)

                      VT2c(毫安)

                      VT1e/VT2b(毫安)

                      VT2c(毫安)

                      VT2e(毫安)

                      理论电流

                      微安级

                      2.25

                      2.2875

                      ?#23548;?#30005;流

                      37.5

                      2.4

                      2.5

                      53

                      55

                      九、220v真实环境下调试

                      由于松乐T73?#22270;?#30005;器可以通过250v以下6安以下的电流,因此可以用作220v电压的1000瓦以下的开关。继电器又带有一组常开常闭触点,所以可以接成双联,可以实现手动的硬件开关和电脑手机的软件开关相互?#35874;弧?p>图7是一张完整的电路图,共有以下五部分组成,分别是无线蓝牙控制电路、单片机电路、放大电路、主电路、手动控制。

                      给单片机和蓝牙模块以及继电器接上5v直流电压,通上220v交流电,打开手机蓝牙?#19994;紸C的蓝牙设备,输入密码,再打开网上下载到的那个软件,点一下软件上的w按钮,灯可以正常的开关了。当用手动开关开灯后,电灯亮了,然后在点一下手机上的按钮电灯可以熄灭繁殖也可以实现。

                      图7:最终原理图

                      十、理想功能介绍

                      设想我们只要通过手机,就可以对生活中的各种电气设备,无论是大型的吊车还是小型的打印机等进行无线控制。在需要控制时,只要打开手机蓝牙,输入和该设备匹配的蓝牙密码,连接打开手机中的组态软件进行控制。我们还可以利用同样的办法对汽车报警上锁等进行控制,下班时?#32479;?#25163;机按几个键,在回家前就打开空调,让舒适的室内温度迎接下班拐来的人们。也可以用同样的方式预热电?#20154;?#22120;,到家就可以立即洗去一天的疲惫。不仅如此,还可以用手机提前给等在门口的朋友开门、提前打开家里电灯、远程浇花……

                      结 论

                      利用手机蓝牙进行无线控制电灯开关,从而实现了手机不仅可?#28304;?#30005;话、发短信、上网、玩游戏、还可以控制电灯,使得手机又多了一项实用的功能。

                      本文通过为什么想到无线开关、为什么选择蓝牙做无线开关、如何编制程序、如何开发板上进行调试、如何绘制原理图、如何在220v电压真实环境下的利用手机开关做实验,等方面讲述了设计的过程。本文还通过对单片机、蓝牙模块、三极管、晶闸管、继电器等基础知识的介绍,说明了在电路中所起的作用。文章中还通过几种方案的对比如蓝牙和wifi的对比说明了用蓝牙的?#20040;Α?#36890;过用一部手机和两部手机的对比说明用一部手机进行控制的可行性等等。

                      在本设计中明白了在产品设计中不仅要考虑电压是否达到额定值还要考虑电流的问题。所谓的高电平只是一种用电压来传递的信号,而电流是很微弱的,因此高电平电压?#35789;?#36798;到用电器的额定电压也不具备驱动用电器要求。信号是用来控制的,高低电平信号只要通过三极管、晶闸管、达林顿管等就可以实现驱动了。其中三极管是最基础的元件无论是晶闸管还是达林顿管都是在三极管的基础上发展而来的。当单片机2.7端口输出低电平时,三极管基极电压为0v处于截至状态。当2.7端口输出高电平时,基极电压高于发射极,集电极电流随着基极电流增大而增大,但是由于基极电流处于微安级,并?#35789;?#19977;级管饱和,所以在后面又加了一个三极管,使电流继续放大直到饱和。当三级管饱和后,集电极和发射极直接电阻很小,?#36127;?#26159;导通。

                      感 谢

                      光阴似箭,日月如梭。三年的时间,在我们漫长的人生旅途中是那么的短暂,但是,这短短的三年是最真诚的青?#28023;?#26368;纯真的岁月,最美丽的大学生活……我们的自学能力在这里得?#25945;?#21319;,我感谢所有的恩师:是你们赋予我有意义的收获,是你们带领我走进知识殿堂,使我不不断进步。

                      在这次的毕业设计中,我在学校学到的知识和技能得以应用,?#23548;?#27700;平得到了提高。感谢我的指导老师,还有我的班主任老师,以及其他任课老师,感谢你们的教诲,让我不但顺利地完成毕业设计,还学会了不少做人的道理。

                      参考文献

                      [1]胡斌主编.九大系统电路识图宝典.?#26412;?#20154;民邮电出版社.2011.9

                      [2]穆克主编. 电子电路识读一本通. ?#26412;?#21270;学工业出版社.2011.6

                      [3]胡启明,程钢主.51单片机应用开发从入门到精通.?#26412;?#20154;民邮电出版社.2012.2

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