【智能開關的硬件和軟件設計7000字（論文）】

智能開關的硬件和軟件設計目錄TOC\o"1-2"\h\u28400摘要 1545引言 1275081.選題的意義 2129172.智能開關的設計目的和整體方案 3208513.智能開關元器件的選擇 3250013.1控制關鍵單片機的選擇 3199473.2無線設備模塊的選用 4177023.3開關的選擇 4131543.4供電模塊的選擇 554004.各單元模塊的硬件設計 5128384.1總體的硬件設計 5322874.2STC89C52RC簡要介紹 5132394.3最小系統(tǒng)電路 6321494.4電源電路電路設計 7313594.5WiFi模塊的簡介 8258274.6繼電器模塊的簡介 9287345.軟件設計 9258005.1主程序流程圖 984005.2WiFi模塊子程序流程圖 10182935.3繼電器控制流程圖 1131346.系統(tǒng)調(diào)試 12309566.1硬件調(diào)試 1246626.2軟件調(diào)試 12140926.3實物測試 1326517.總結 1420261參考文獻 14摘要：本文主要論述的是，由STC89C52RC單片機結合WiFi技術，去實現(xiàn)一個對家電開關的智能控制功能，彌補普通開關的不足。并且此插座可以通過ESP8266-01WiFi模塊,用手機APP實現(xiàn)對四路繼電器控制的家電進行遠程控制，同時還可以設定定時關閉插座的功能。智能開關不僅可以使外接電器按照設定的順序進行工作，還在很大的程度上起到了節(jié)約能源的作用，更重要的是智能開關大大的增加了電器使用的安全性。關鍵詞：單片機；WiFi；遠程控制；手機APP引言開關，在人們?nèi)粘Ｉ钪校S處可見，雖然只是一個小小元件，但是卻是人們生活中，卻必不可少的。隨著時代在不斷的進步，科技在不斷地發(fā)展的大環(huán)境下，人們對日常生活的舒適化，智能化的需求也在與之慢慢的在提升，隨之而然的是，許許多多的信息化產(chǎn)業(yè)也在發(fā)生。隨著越來越多智能化產(chǎn)品進入人們的生活中，智能家居也隨之產(chǎn)生，更好的便利人們生活，并且被人們廣泛使用。智能家居是一種使用計算機系統(tǒng)、自動控制、網(wǎng)絡通訊等技術使家庭中的各種電器設備相結合在一起的一種技術，它是通過集中式的控制，使人們的生活越來越舒適、安全、高效、節(jié)能，從而達到“智能化”的目的[1]。還有一點，智能家居的各種電器可以互相通訊，不用用戶發(fā)出指令，它們會在不同的模式下進行互動運行，這樣就會給用戶一個非常好的體驗，更加的高效、便利、舒適與安全，提高了用戶的滿意度。相對于普通的家庭用戶來說，智能家居不只是一個簡簡單單的具有開關功能的傳統(tǒng)斷路器，它還可以提供非常人性化的生活空間，更能達到節(jié)約減排的效果，最重要的是安全，它對家庭用電安全有一個非常好的保障，將家庭中的各個電器變得智能化，它提供了集中式管理，可以集中查看各個電器的信息，與此同時，還可以提升人們?nèi)粘Ｉ钏健＿x題的意義在當今科技不斷發(fā)展的前提下，人們的衣食住行的方式，也發(fā)生了巨大改變，越來越便利人們的生活，提升人們的生活品質(zhì)。從而人們對家庭生活的要求也越來越高，更加方便，便捷,智能化成為了人們追求的方向。智能化家電紛紛涌入人們的生活，進而開關功能也隨之越來越智能化。在高溫不斷的夏天，在往家中趕的途中，烈日高懸，使用手機發(fā)出指令，就可以早早的打開家中的空調(diào)，榨取一杯新鮮爽口又解渴的果汁，放上你常聽的美妙音樂，當你回到家中，你就可以盡情的享受這一切，解除工作的疲勞，使整個人身心得到放松，身心愉悅。冬天，天氣十分的寒冷，躺在家里，不想自己動手打開想使用的電器，那么打開手機，通過APP，就可以控制家里電器的開關，打開在廚房中的咖啡機，很快我們就可以喝到一杯熱氣騰騰的咖啡了，瞬間覺得有了些許的暖意，讓著這個冬天不再那么寒冷。在日常生活中小區(qū)的保安，也不用那么緊張，哪家的煤氣泄露起火，一旦有個電器忘了關或出現(xiàn)故障，將會自動短路，人們也能更加放心的使用各種電器；當有不法分子非法闖入時，都可以自動拉起警報，同時立即通知小區(qū)的工作人員，及時保證人們生活的安全。智能型開關控制系統(tǒng)在智能家居中占據(jù)非常重要的地位，是不可或缺的一部分，它具有十分獨特的智能、節(jié)能、環(huán)保等特點，非常符合當今社會發(fā)展趨勢。此智能控制系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)對家庭中的照明燈、電視、洗衣機、空調(diào)等家用電器進行開啟和關閉的控制，還可以對其進行預約，以及定時開關的控制。擁有如此智能開關，可以讓人們的生活更加的省心，省時，安全，便利。實際上，在人們的日常生活當中，各個場所都有WiFi的存在，在大部分場景中，打開手機都會有很多的WiFi可以連接，例如現(xiàn)在大部分的賓館酒店、餐館、娛樂場所等都有免費的WiFi的提供，把這個作為一個營銷策略來招攬客戶，增加營業(yè)額，在客戶享受服務的時候，能夠輕松的進行上網(wǎng)，使顧客更加享受這個消費的過程。既然如此，那么怎樣才能將無線通訊技術和人們的生活相結合起來，使人們能通過網(wǎng)絡，更加充分的享受生活。這是一個值得研究的課題，本文的研究就是以此為核心內(nèi)容。人們經(jīng)常使用開關，但用WiFi來控制開關的開關量卻不多見，因此，本文旨在設計一種能將WiFi技術應用于燈泡控制的系統(tǒng)。用WiFi來確定燈泡何時亮、何時關以及定時開關。智能開關的設計目的和整體方案這個設計的主體方案是將家用的普通插座進行改進，把普通的開關改進成具有智能化的開關，更加便利人們生活使用的設計。本次設計使用的核心組件是單片機，通過程序控制單片機信號的輸入輸出，以及導電與否，從而決定著繼電器的通斷，并且以此達到對外接電器開啟和關閉的控制。不僅如此，本設計還可以通過WiFi模塊與手機APP連接，并且通過APP來進行控制，實現(xiàn)對每個插座的單獨控制，以及一鍵既可以決定開關的關斷，與此同時，人們還可以通過APP進行對家電進行預定，和定時的控制，實現(xiàn)開關的更加智能化，更加便于人們使用，以及更加的環(huán)保[2]。此設計的硬件部分主要包括：單片機控制核心、WiFi模塊、繼電器模塊、以及電源模塊等。3.智能開關元器件的選擇3.1控制關鍵單片機的選擇本智能開關設計中選擇是STC89C52RCSTC89C52RC單片機安全可靠，而且價格低廉，性價比極高，比較適合學生或者初學者進行使用[3]。如圖1所示STC89C52RC單片機實物圖：圖1STC89C52RC單片機實物圖3.2無線設備模塊的選用本智能開關設計中WiFi模塊有兩種選擇的方案：方案一：ES8266-WiFi模塊方案二：藍牙模塊對于方案一：傳統(tǒng)串口設備使用ESP8266模塊，只需配置簡單的串口AT指令，就可以通過WiFi進行數(shù)據(jù)傳輸。此組件超低功耗，可以使用3.3V電池供電，且具有多種封裝模式，且ESP8266的適用范圍十分廣泛，可適用智能家居以及智能電網(wǎng)和智能交通等多種領域。對于方案二：藍牙模塊可以用短距離的傳輸，其廣泛應用于各種智能設備中，價格低，產(chǎn)量大，易用，點對點[4]。其缺點是速度極慢，并且對距離信號有限制。綜上所述兩款都是無線通信網(wǎng)絡，且性能良好，都可以用于遠程控制，以及可以用于人們?nèi)粘Ｉ畹闹悄芗揖樱⑶乙卜现悄荛_關設計的功能，藍牙模塊雖然價格和功耗上都比WiFi模塊低，但是沒有WiFi模塊傳輸速度快，最重要的是WiFi模塊可以一對多連接，就是同時可以多人進行連線，很符合居家的使用，家庭成員多，可以同時進行連接，方便大家的使用。但是藍牙模塊則無法滿足，一個藍牙設備，只可以允許一個家庭成員進行連接，這樣的話，在本設計中使用，不便于人們共同使用。并且WiFi模塊傳輸距離遠，穿透能力比較強。所以選用WiFi模塊做為無線設備模塊。3.3開關的選擇本智能開關設計中繼電器的有兩種選擇的方案：方案一：選用電磁繼電器。方案二：選用三極管無觸點開關對于方案一：電磁繼電器是用較小的電流、較低的電壓，來控制較大電流、較高電壓的自動開關，具有電氣隔離、自動調(diào)節(jié)、安全保護、變換電路等優(yōu)點[5]。如圖2所示為本次設計使用的繼電器實物：圖2繼電器實物圖對于方案二：三極管可作無接觸開關，具有電流放大作用。許多地方還采用了直流開關。綜上所述，兩款開關都功能較多，性能良好。但繼電器的功能更適用與本設計所需，更好的保證了，人們使用家電時的安全，以及更加方便人們的使用，讓人們更加的放心使用。所以選用方案一，電磁繼電器。3.4供電模塊的選擇該插頭采用DC直流接口，這個插頭USB接口不僅可以連接到電腦的USB接口上，還可以連接到充電寶上和充電器接口上供電源，而且供電安全，使用方便。4.各單元模塊的硬件設計4.1總體的硬件設計本設計包括STC89C52RC控制核心單片機模塊電路、WiFi模塊電路、繼電器控制模塊電路、51單片機的最小系統(tǒng)模塊電路等部分[6]。如圖3所示的是硬件系統(tǒng)框圖：圖3硬件系統(tǒng)框圖4.2STC89C52RC簡要介紹單片機是一種高性能微控制器。單片機擁有著眾多的端口而且功能齊全，各種類型傳感器、電源、電路都可以和其連接，配合使用，完全可以解決一些簡單的控制[7]。而且價格經(jīng)濟實惠，非常容易購買，并且單片機的應用范圍也非常普遍，已經(jīng)應用到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?.3最小系統(tǒng)電路單獨一款單片機的單片機是不能正常工作的，需要一些輔助電路才能正常工作，完成人們所需的要求。STC89C52RC單片機的工作方式是要求晶振電路、復位電路、才能組成一個最小系統(tǒng)電路[8]。其如下圖4所示：圖4STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)電路4.3.1復位電路復位電路的作用是，它可以使單片機處于初始化狀態(tài)。在復位后，在單片機里寫下符合對應本設計程序重新開始執(zhí)行，而且復位可以分為兩種，一種是自動復位：通過電容的充放電實現(xiàn)的復位，給系統(tǒng)上電，當電容C1因為時間短暫，還沒有充電完成時，C1連接的電源端此時為高電平，C1接RES端此時為低電平，當給C1充電結束放電后，RST端為高電平，此時完成自動復位；第二種是手動復位：而手動復位通過按壓復位按鈕實現(xiàn)，原理是按下K1鍵，電容C1兩端被短路，進而使RST變成高電平，從而使單片機完成手動的復位。復位電路圖如圖5所示：圖5復位電路4.3.2晶振電路晶體振蕩電路是單片機系統(tǒng)中不可或缺的一個重要組成部分，沒有晶振電路，單片機就不能正常進行使用，并且無法去完成其需要的功能。本設計采用11.0592MHZ晶體振蕩，時鐘頻率在0~24MHZ之間。從圖6中可以看出，STC89C52RC單片機的晶振電路采用18、19的單片機引腳相連，選擇振蕩頻率為11.0592MHZ的晶振，滿足電路傳輸速度，保證單片機正常工作；然后晶振X1兩端分別串連一個30PF的電容C1，C2，一端連接復位電路，另一端接地，就構成了一個自激振蕩器，然后這個震蕩電路就可以產(chǎn)生信號時鐘，從而保證整個系統(tǒng)正常工作。圖6STC89C52RC晶振電路4.4電源電路電路設計此智能開關設計所需的電源模塊，對電源要求并不高，可完成基本的USB5V供電即可。如下圖7所示為開關控制的電路圖。電源插口為P4電源DC，2、3腳接地線保護電路，1腳接開關控制腳，通斷通過開關P3控制系統(tǒng)電源，輸出到VCC為整個系統(tǒng)供電，VCC為5V。圖7開關控制電路圖由于本次設計用到ESP8266模塊，該WiFi模塊正常狀態(tài)下的工作電壓為3.3V，而系統(tǒng)輸入所提供的電源卻是5V，因此需要進行降壓，本設計中采用ASM1117-3.3V三端穩(wěn)壓管進行降壓，那么該如何去降壓呢？首先把由電源傳輸出過來的5V電壓，輸入到該穩(wěn)壓管的3引腳，然后電壓被該穩(wěn)壓管從5V降到3.3V，從2，4引腳輸出，接到ESP8266模塊的2，4腳給WiFi模塊供電，保證此設計中的WiFi模塊正常工作[9]。如下圖8所示為ASM1117-3.3V穩(wěn)壓電路圖：圖8ASM117-3.3V穩(wěn)壓電路圖4.5WiFi模塊的簡介ESP8266-01是一款超低功耗UART-WiFi模塊，由樂鑫科技推出，其最大特點就是體積小，功耗低，在使用時只需要通用串口發(fā)送AT指令即可使用[10,11]。如下圖9為ESP8266-01模塊實物圖：圖9ESP8266-01模塊實物圖通過本設計所用到功能，設計出ESP8266-01模塊的電路圖，如下圖10所示，4引腳接3.3V電源腳，是通過穩(wěn)壓模塊將5V電壓，降到3.3V由2，4引腳輸入該WiFi模塊，滿足該WiFi模塊的正常工作電壓。8引腳接地GND保護電路，該WiFi模塊串行通信腳接STC89C52RC單片機的串口，在單片機中，P3不僅可以作為I/O使用，而且具有第二功能。其中P3.0腳RXD,是串行輸入口，P3.1腳TXD是串行輸出口。ESP8266模塊1引腳是串口發(fā)送數(shù)據(jù)腳接STC89C52RC單片機的串口數(shù)據(jù)接收腳P3.0，ESP8266模塊5引腳串口發(fā)送數(shù)據(jù)腳接STC89C52RC的串口數(shù)據(jù)發(fā)送腳P3.1，保證整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸和接收，以至于系統(tǒng)正常工作。引腳2接一個電阻R10，阻值為10K，進行保護電路，以保證電路正常工作，使WiFi模塊進入工作AT指令模式。圖10ESP8266-01WiFi模塊電路設計圖4.6繼電器模塊的簡介本設計中采用了HK4100F-DC5V-SHG型6腳繼電器，由于其正常工作電壓為5V，且51單片機I/O輸出能力有限，所以采用三極管方式驅(qū)動繼電器的導通和閉合[12]。如圖11所示，其中P4為繼電器，3,4腳為繼電器的線圈端，工作的時候加DC直流電壓，是不用分電壓的正負，為電壓驅(qū)動。COM公共端1，2腳觸電。6腳常作為起始，5腳常作為結束。P1腳連接的被控制設備，也就是人們平時，所使用的家用電器，電飯煲、空調(diào)、冰箱等。圖11繼電器控制電路設計圖5.軟件設計前幾章，介紹了硬件部分，但是要是想達到，本設計所需的功能，必須要是要通過軟件才可以實現(xiàn)。5.1主程序流程圖如下圖12所示。在系統(tǒng)開始前，要先進行初始化，然后再進行程序的循環(huán)，首先是單片機發(fā)送信號給WiFi模塊配置，如果配置成功的話，WiFi模塊的指示燈LED會亮，如果沒有配置成功的化，需要繼續(xù)配置，直到配置成功，LED燈亮。此時，手機APP會顯示是否已連接成功，如果連接成功，則可以進行對家用設備，進行定時操作，以定時5秒為例。如果沒有連接成功，則要繼續(xù)連接。然后檢測，單片機是否收到了定時數(shù)據(jù)，如果收到了，則對相應的家電進行控制，如果家電并沒有做出定時5秒的反應，則說明單片機沒有收到APP發(fā)過來的定時數(shù)據(jù)，那么此時，則需要APP再發(fā)送一次定時數(shù)據(jù)。進而完成一次循環(huán)控制。圖12主程序流程圖5.2WiFi模塊子程序流程圖此WiFi模塊，我們使用它的無線接入點模式。首先是串口和WiFi模塊初始化，然后通過單片機串口發(fā)送指令將該模塊設定為服務器模式，進行連接該模塊的WiFi熱點，進而連接該服務器的端口，連接成功后建立TCP通信。就可以去處理來自單片機的數(shù)據(jù)，并且對該數(shù)據(jù)進行處理分析。如下圖13所示為WiFi模塊子程序流程圖。圖13WiFi模塊子程序流程圖5.3繼電器控制流程圖本次設計總共是有4路繼電器，去進行對相對應連接的家電進行控制。繼電器的數(shù)量可以根據(jù)家里電器而定，利用WiFi通過手機APP發(fā)送數(shù)據(jù)，進行實現(xiàn)控制家電通斷。先進行初始化配置，配置成功后，當單片機發(fā)送數(shù)據(jù)時，繼電器會執(zhí)行相應的開啟和關斷，從而進行控制家電。如果被控制的家電沒有做出任何反應，那么需要重新進行初始化配置，直到配置成功。與此同時也可以對家電設定開啟和關斷的時間，如果被控制家電沒有顯示出，被設定時間，那么則需要重新開啟定時功能。定時時間到之后會自動關閉相對應的家電。整個設計流程圖如下圖14所示。圖14繼電器控制流程圖6.系統(tǒng)調(diào)試本系統(tǒng)的總體設計包括硬件和軟件兩部分，硬件和軟件在完成設計所需的功能后，需要進行一系列的調(diào)試工作，其中最關鍵的是系統(tǒng)測試。測試能夠確定系統(tǒng)的工作性能和穩(wěn)定性，以及功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，包括檢測代碼是否書寫正確。通過測試看是否達到人們想要的效果。6.1硬件調(diào)試在智能開關的硬件調(diào)試中，主要是檢測在焊接電路時是否完整，是否能夠正常導通各個元器件，是以及各個元器件否完整，有無損壞，智能開關控制系統(tǒng)內(nèi)部的各個設備是否能正常工作，保證電源模塊正常，WiFi模塊能夠連接成功，正常工作，繼電器模塊能夠正常的控制開斷。6.2軟件調(diào)試軟件調(diào)試在Keil4軟件上進行調(diào)試，通過此軟件中編譯的問題進行修改和調(diào)試，達到設計所需的功能。6.3實物測試本次課題設計的是通過WiFi控制人們所使用的家電插座系統(tǒng)，首先完成硬件電路的設計，然后制作出相對應的電路板，最后再把各個模塊焊接起來，則實物如下圖15所示：圖15實物圖進行實物測試的時候，剛接上電源各個指示燈均亮，顯示正常，但是手機APP無法和我的實物連接成功。經(jīng)過我的反復檢查，并沒有沒有出現(xiàn)虛焊，漏焊等現(xiàn)象，剛開始我以為是，我的軟件部分沒有完全調(diào)試好，在我詢問過我的指導老師朱老師，經(jīng)過朱老師的指導，找出了最終的原因所在，是我應該，先把我手機的數(shù)據(jù)給關了，然后再打開手機WiFi去和我的實物的WiFi模塊進行連接，此時手機APP界面會顯示已連接成功，然后我就可以通過APP，去控制所連接的家電。則APP界面效果圖如下圖16所示：圖16APP界面效果圖然后可以通過APP進行控制與繼電器相連接家電的通斷，開關1到開關4，可以分別控制相對應繼電器所連接的家電，同時還可以通過總開關，進行一起打開或者關閉相對應的所有的家電。與此同時，人們還可以手動調(diào)節(jié)時間提前預約，或者定時關斷。更加的人性化，以及更符合人們?nèi)粘Ｉ顚﹂_關的需求。7.總結本設計主要結合單片機STC89C52RC為核心原件，繼電器模塊，通過WiFi模塊結合手機APP實現(xiàn)通過繼電器控制的家電，進行遠程控制，同時還可以設定定時關閉插座?？梢允沟萌藗兯拥募译姲匆欢ㄒ?guī)律的工作，因為使用繼電器控制的原因，更加的保證人們使用時的安全，方便了人們的生活。本設計由于能力不足的原因，還有部分功能尚未完善，還可以增加更多的功能，比如語音模塊，不僅可以通過WiFi進行遠程控制，而且人們還可以通過語音控