智能风扇的设计与实现

智能风扇的设计与实现摘要：夏天即将到来，我们都会遇到这样的情况，躺在床上看书或者玩手机的时候，气温越来越高，身上出汗又乏累，但又不想下床去开风扇，所以有没有一种办法，既可以不下床，又能打开风扇呢，答案是可以的，这就是智能风扇的所用之处了，不用下床或者手动去打开风扇，只需要用手中的手机连接上蓝牙，即可远距离控制风扇的开关和风速，实用又便捷。本文阐述的智能风扇的设计是基于51单片机来实现的，手机控制端采用的是SPP蓝牙串口，蓝牙芯片采用的是JDY-31蓝牙模块，组装好后的智能风扇系统经过测试，反应灵敏，操作简单，实用性强。论文详细介绍了智能风扇的用处和潜在的价值，很好的贴合了时代的发展和人们的生活需要，首先阐述了单片机与蓝牙近几年的发展，为智能风扇的设计提供了很好的硬件支持，使智能风扇在功能上的实现成为可能。其次，本文详细阐述了智能风扇系统在硬件和软件上是如何设计的，给出系统各个模块的说明和实现的功能，在设计上介绍了智能风扇是如何使用并实现远程控制的。智能风扇系统具有运行可靠，成本低廉，操作简单，实用性强等特点。可广泛应用于城市社区，具有很大的推广价值。关键词：Android；单片机；蓝牙控制DesignandimplementationofsmartfanintelligentIOTMajorClass1LiZihengInstructor:LiJizhongAbstract:Summeriscoming,wewillencountersuchasituation.Whenlyinginbedreadingorplayingonthephone,thetemperatureisgettinghigherandhigher,sweatingandtired,butdonotwanttogetoutofbedtoturnonthefan,soisthereaway,Youcanturnonthefanwithoutgettingoutofbed,theanswerisyes,thisiswherethesmartfanisused,youdon’thavetogetoutofbedormanuallyturnonthefan,youonlyneedtoconnectBluetoothwithyourmobilephone,youcanremoteItispracticalandconvenienttocontroltheswitchandwindspeedofthefan.Thedesignofthesmartfandescribedinthisarticleisbasedonthe51singlechipmicrocomputer.ThecontrolterminalofthemobilephoneusestheSPPBluetoothserialport.TheBluetoothchipusestheJDY-31Bluetoothmodule.Theassembledsmartfansystemistested,responsive,andoperationalSimpleandpractical.Thepaperintroducestheusefulnessandpotentialvalueofsmartfansindetail,whichiswellsuitedtothedevelopmentofthetimesandpeople'slifeneeds.First,thedevelopmentofMCUandBluetoothinrecentyearsisdescribed,whichprovidesagooddesignforsmartfans.Hardwaresupportmakesitpossibletorealizethefunctionsofsmartfans.Secondly,thisarticleexplainsindetailhowtheintelligentfansystemisdesignedinhardwareandsoftware,givesdescriptionsandfunctionsofeachmoduleofthesystem,andintroduceshowtheintelligentfanisusedandrealizesremotecontrolinthedesign.Theintelligentfansystemhasthecharacteristicsofreliableoperation,lowcost,simpleoperationandstrongpracticability.Itcanbewidelyusedinurbancommunitiesandhasgreatpromotionvalue.Keywords:Android;SCM;Bluetoothcontrol1引言1.1背景随着经济的发展，人们的生活、工作和学习正在进入快节奏化，不断提升的生活质量成为了人们的追求，现代生活的主旋律向着方便和快捷发展，如何节约利用好时间是现代人们所追求的，所以，由于近几年智能手机的迅速发展，可与手机互动或被手机操控的家用电器越来越多，无线控制深得人们的喜爱，不用过多的移动，随时随地的控制家里的电器，所以在家中这样的小空间中如何做用手机来控制家用电器呢，这就要用到所谓的蓝牙技术了。小功耗近距离无线通信技术的全称就是我们常说的蓝牙技术了。它的特点就是不需要数据线就可以完成数据的通信。人与人之间不需要使用计算机就能在短距离内实现各种操作。一般来说，10厘米到10米之间，是它主要的通信距离。随着功率的增加，传输距离也会增加到100米甚至是更远。1.2课题的研究目的及发展1.2.1研究目的试想一下，如果我们可以利用移动设备无线遥控生活中的各式电子设施，无论是大型的电子设备比如建筑设备起重机还是不同的家用电器。我们控制它们时，要做的只是启动手机的蓝牙，将与设备相匹配的蓝牙连接到密码打进去，配对后，打开手机中的软件即可以对电子设备进行遥控。同样的方法我们也可以用来控制家用轿车的报警器等。下班时拿出手机并按几个键，回家之前打开空调，让舒适的室内温度迎接来者工作。电热水器也可以用同样的方法进行预热，每天的疲倦都可以在家里立即洗掉。不仅如此，您还可以使用手机提前为在门口等候的朋友打开门，提前打开家庭照明灯，以及远程浇花...夏天来临，躺在床上的你又不想下床去打开风扇，这时候只需要拿起手机，按下几个按键，就能体验到风扇带来的凉风，为你驱除夏天的炎热，这种干将是不是很舒服呢，所以，智能风扇的设计应运而生1.2.2蓝牙的发展现在，人们大都认同了蓝牙技术带来的便利，人们使用它们自己的蓝牙设备和其它的人的蓝牙设备进行配对，实现对数据的相互发送与互换。直至目前，世界范围内有不低于20亿的人们使用蓝牙，因为第三代通信技术的发展，现代的蓝牙技术有了更加广大的市场。现在许多的高科技产品比如手机，汽车，电脑等都应用了蓝牙技术，蓝牙可以实现各种不同的蓝牙设备之间的数据通信和传输，例如手机与手机之间，手机与汽车之间，各个电脑之间等。1.2.3单片机的发展因为人们对生活的不懈追求，不停发展的社会，一直完善的市场。产品设计的使用方式被高科技不断的更改和变化，智能化是现在的主流，家中的电器也在向这方面发展，我们的生活也因为这些富含科技的设备变得更加的方便和快捷。这些产品我们不难发现，单片机是他们的核心控制器件，这也是这些产品的一个所拥有的共同点。目前，我们在生活的各个地方都能找到单片机的使用，并且很难找到有哪些地方没有使用到单片机。例如轮船，汽车的各种仪器等的精确制导。与蓝牙的设计使命密切相关的计算机，手机和其他的设备。功耗，内部的构造，外部电压高低和制作工艺等等指标是单片机发展的主要体现。当前，用到单片机的地方越来越多，需求也有所提升，所以，人们对单片机的性能和使用的途径提出来更严格的要求，近年来，单片机的实用性不断地提高，集成的部件也只增不减，所以所能达到的功能也更加的全面。单片机已经慢慢的向低功耗，与模拟电路的集成度逐渐提升发展。1.3课题解决的主要内容该设计是一个以STC89C52作为主控制芯片的智能风扇。在整个设计过程中，除了美观又要方便，还必须要注重人性化的设计。本文的总体内容如下：（1）选择要求比较高的主控芯片：高性价比，简单的结构，强储存能力；（2）设计硬件要求：电路应该非常简单，明了；（3）根据芯片选择电路：接口和外部都有电路；（4）焊接设备；（5）软件设计：编写程序并将其载入单片机，使程序运行并实现智能风扇的功能。2系统的设计方案当前有用于打开和关闭控制台灯的三种主要方案：1.无线红外遥控器。目前市场上的许多产品都使用此方法，方法是利用红外线来远距离的遥控台灯开关，但抗干扰能力的不足是它的主要劣势。红外线的传播受各种光的影响较大，并且在工作时将难以接收红外线。此外，在远程控制家用电器时，设备还必须一对一的对各种电器使用。并且家中各种的电器也会使红外线之间相互干扰，从而较难的的分辨出各样的红外线信号。所以即便红外线遥控是很好的无线遥控方式，这个方法也不在我们的考虑之内。2.按键控制。该方式的设计容易实现，不需要很高的成本。但不符合我们无线控制的要求。3.第三是本研究的设计，利用手机蓝牙来控制风扇，目前的智能手机都配置了蓝牙这项功能，并且几乎所有人都在使用智能手机。蓝牙有着不同于红外线的特征，即不会在各种信号之间存在干扰，这种设计十分的便捷，我们只需在手机上下载一个蓝牙APP，就能对风扇实现远程的控制2.1系统及框图说明这项设计对单片机的要求是其要有灵活的寻址方式和很快的运算速度，因为蓝牙模块对单片机模块发出指令时，单片机模块要及时做出相应。所以综合分析STC89C52有很大的优势作为核心单片机模块。首先，本设计通过JDY-31蓝牙模块接收到来自手机端APP发送的数据指令。然后，通过JDY-31模块与单片机模块之间的数据通信，给风扇供电完成风扇的转动。图2.1设计系统结构框图2.2单片机芯片的设计单片机是整个系统的控制核心。选择合适的单片机对整个系统设计的成功至关重要。市面上的单片机种类各式各样，最基本的8位微型计算机，还有更加高端的64位微型计算机，价格便宜的几元，昂贵的可到上百元。所以我们应该如何从这么多的单片机芯片中选择呢，首先，设计功能是我们第一要考虑的，本设计的风扇功能不大，只需要实现和蓝牙模块的通信以及对风扇发出开关的命令，所以我们不需要选择功能多，引脚数量多的高端单片机。其次，要考虑到风扇的成本和实现的功能，考虑到8位微控制器可以完全满足设计的功能要求，目前市场上的8位微控制器具有非常好的价格优势，因此，此设计的首选单芯片微控制器为8位微控制器；最后需要考虑单片机在设计过程中，程序的可操作性和实用性的编译和调试。考虑到上述因素，本次设计最后选择了功能全面且价格相对较低的STC89C52微控制器。用STC89C52作为主控制芯片，它可以较低的电压下被施加到工作。兼容性的优势是非常明显的，而且它与MCS-51系列单片机的电脑完全兼容。AT89S52单片机的缺陷是没有ISP在线编程功能，所以修改程序当操作较为复杂，且可能导致对单片机某些损坏。该芯片的优势：（1）储存空间比较大：8KBROM。（2）有较好的兼容性：完全兼容MCS-51。（3）功耗小：工作电压较低，3V电压可以使其正常的运行。（4）支持ISP在线编程技术。（5）有较长的使用寿命。2.3蓝牙芯片的设计JDY-31蓝牙模块基于蓝牙3.0SPP设计，这样的优势是可以完成Linux、Windows和Android的通信，工作频段为2.4GHZ,传输距离可30米，通过GFSK调试，发射频率可达8db，用户可通过AT命令修改设备名、波特率等指令，操作简单。JDY-31为经典蓝牙协议、可以与支持蓝牙的电脑（台式、笔记本）、手机（android）通信。可应用于Windows电脑蓝牙串口透传、Android蓝牙串口透传。2.4手机端APP的设计手机端采用的是最新的蓝牙串口软件，SPP协议（SerialPortProfile）是蓝牙串口的基础协议，能在不同的蓝牙设备之间进行连接的，创建串口进行数据的传输。蓝牙串口实现了针对如何在两个不同设备（通信的两端）上的应用之间保证一条完整的通信路径的目的。能够与JDY-31蓝牙模块很好的兼容，实现收发信息的功能，操作简单。3系统硬件的设计上文已经对各个硬件的选择进行了叙述与对比，接下来根据电路图进行硬件系统的整体设计。3.1单片机最小系统单片机最小系统，又可以说是最小应用系统，是指在使用的元件数量最少的前提下，依旧能够完成功能的系统。对51系列单片机来说，最小系统包括以下三个部分：单片机、复位电路和晶振电路。下面给出的电路图就是一个单片机的最小系统。图3.1单片机最小系统电路图3.1.1STC89C52单片机STC单片机是系统的主要模块，刚开始我们先对单片机模块的构造进行细致的解说，然后对单片机各个部分所完成的功能作简单的介绍。STC89C52RC是8位由STC产生微控制器，有着低功耗且高性能的优点，具有8K字节的系统可编程闪存。使用的是经典的MCS-51核心，但已经取得了很大的改进，使该芯片具有的功能，传统的51单片机没有。在单个芯片上，用智能8位CPU和在系统可编程闪存，STC单片机实现了将许多的多个嵌入式控制整合到一个系统并且能够灵活和方便。它具有以下标准功能：8K字节闪存，512字节RAM，32位I/O线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位的定时器/计数器，4个外部中断，A7矢量4级别中断结构（与传统的51向量5级别2中断结构兼容），全双工串行端口。此外，STC89C52可以减小到0Hz静态逻辑操作，和支撑体2种软件来选择功率保存模式。在空闲模式下，CPU停止工作，从而允许RAM，计时器/计数器，串行端口和中断继续工作。在掉电保护模式下，RAM的内容被保存，振荡器被冻结，微控制器的所有工作被停止，直到下一次中断或硬件复位为止。最大工作频率为35MHz，6T/12T是可选的。STC89C52的主要特征有：（1）8K字节程序存储空间；（2）512字节数据存储空间；（3）内带4K字节EEPROM存储空间;（4）可直接使用串口下载；3.1.2复位电路一、复位电路的目的：电脑的重启键就和单片机复位电路有一样的功能。电脑的运行过程中出现死机时，我们可以按下重新启动按键来重新开始将电脑回到最初的设置，对于单片机来说复位电路就是一样的，单片机系统使用过程中由于外界的干扰而停止运行时，复位按键按下后就会从头执行的一开始的内部程序。二、本文介绍了复位电路的工作原理。要重置51单片机，只需将2US的高电平连接到第9引脚。如何执行此过程？在单芯片系统中，打开系统电源时，系统将重置一次；按下按钮时，系统将再次重置。如果释放后按下按钮，系统就会被重置，因此，运行中的系统可以被按钮的打开与按下来控制复位。复位为什么会在按钮被按下后进行：电容器两端的电压会在微型控制器开始运行的0.1秒后将两端的电压提高到5V，原因是10K电阻器两端的电压接近0V，RST处于低电平，因此系统正常运行，开关在按钮被按下后开启。此时，回路在电容器的两端形成，并且电容器短路。因此，电容器在按钮被按下的过程中释放一开始充入的电能。随着时间的流逝，电容器在0.1S内释放出5伏到1.5伏，可能甚至低于1.5伏的电压。根据串联电路的电压作为所有部分的总和，此时单片机系统因为10K电阻两端的电压为3.5伏甚至超过3.5伏，单片机的RST引脚再次收到高电平而自动的复位。3.1.3晶振电路晶体电路：晶体电路是晶体振荡器的缩写。它等效与一个二端网络，即一个电容与一个电阻并联后，再与一个电容串联的网络。该网络在电气工程中具有两个谐振点。按照频率的高低来分辨，串联谐振频率低，并联谐振频率高。但这两个频率的距离十分的接近，这是因为晶体独有的特性导致的，晶体在这个很小的取值内就会等效于电感。所以，只要晶体的两端与适当的电容器并联连接，就会形成并联谐振电路。该并联谐振电路被添加到负反馈电路以形成正弦波振荡电路。由于晶体的频率范围等效于电感，因此振荡器的频率范围也不会因为各个元件的参数发生变化而变化。负载电容值是晶振电路的一个不可忽视的数据，并联电路的选择要与负载电容值相等，这样就可以等到晶振相同的谐振频率。 一般的晶体振荡器电路在反相放大器的两端连接到晶体振荡器（注意，该放大器不是反相器），然后两个电容器分别连接到晶体振荡器的两端。将每个电容器的另一端接地。串联的两个电容器的电容值应等于负载电容。请注意，通用IC的引脚具有相等的输入电容，因此不能忽略。15pF或者12pF是一般晶振的负载电容，要是顾虑到元件引脚是等效输出电容，那就应该挑两个22pF的电容，来完成振荡电路。单片机的工作速度由脉冲来表示，工作信号的脉冲是晶振给单片机提供的，如果单片机的工作速度是16M每秒，则表示成16M。单片机的工作频率不能太大，最大值为24M，高于24M就不会往上了，因为会导致不稳定。由晶体振荡器以及MCU的XTAL0和XTAL1引脚形成的振荡电路将产生抖动波（即其他频率的波，这是不希望的）。该波对电路影响很小，但是会降低时钟振荡器的稳定性。为了电路的稳定性，ATMEL仅建议将两个10pf-50pf陶瓷电容器连接到晶体振荡器的两个引脚接地，以减少电波对电路稳定性的影响。在50pf之间就可以了，但是并没有什么计算的公式。3.1.4系统单片机最小系统电路测试当我们设计好了这个最小的单片机系统后，我们首先要做的就是通过一定的方法来测试电路能不能正常的运行。首先，保证正常的运行晶体振荡器。然后我们通过观察振荡器的引脚输出的波形是否有振动波形输出的方式来检测晶体振荡器是否已经开始，最低系统基本上可以工作，那么，微控制器放置到相应的IO端口的控制程序。此时，一个简单的LED灯可以被控制，以验证该程序是否运行正常。3.2JDY-31蓝牙模块本设计的蓝牙芯片本设计选择JDY-31芯片。该蓝牙模块相比较来说有许多的优势，比如功耗低，体积适中，价格便宜，收发消息速度快，灵敏度高等。功能实现的方法十分的简单，只需要在在外围稍加一些电路。如果想应用于功耗比较低的系统，此芯片就是一个很好的选择，芯片在运行模式中所需要的转换时间非常短。此芯片主要在近距离的无线传输数据时使用，例如：车载音乐播放器，蓝牙音箱，小型的蓝牙打印机，工业近距离测距，各种蓝牙设备等。3.2.1蓝牙模块详细参数：工作频段：2.4GHZ通信接口：UART天线：内置PCB天线工作电压：3.6-6V（建议5V）工作温度：-40℃-80℃蓝牙版本：Bluetooth3.0SPPMSTM焊接温度：<260℃未连接工作电流：4.7mAEBLE连接后电流：7.3mA传输距离：30米发射功率;8db（最大）主从支持：从机接收灵敏度:-97dbmPSPP最大吞吐量：16Kbytes/s(android、windows)模块尺寸：19.6*14.94*1.8mm（长宽高）3.2.2引脚功能说明JDY-31单片机一共有六个引脚，实物图如下图所示，各个引脚有不同的功能，本设计用到其中的3个引脚。各引脚功能：STATE连接状态引脚（未连接低电平，连接后高电平）VCC电源（支持3.6-6V）TXD串口输出引脚（TTL电平）RXD串口输入引脚（TTL电平）GND电源地EN空图3.2JDY-31各引脚名称3.3USB风扇USB风扇是应用USB接口，可以在新型USB充电器或者笔记本电脑和手机充电宝上的微型电风扇。新型的无刷直流电机风扇比起传统的马达风扇更安静、更省电、寿命更长。USB风扇可以在USB接口上使用，可塑性强的软波纹管能够使USB风扇向任何方向吹风，并且耗电量很小。USB风扇适合在对噪音要求比较小的环境中使用，通过USB接头供电，方便的同时也会产生一些噪音，因此不适合在安静的环境中使用。4系统的软件设计智能风扇系统中包括了软件和硬件的设计，由两者结合实现系统的功能，这一章来讲一下系统中软件部分的设计内容。4.1单片机程序设计4.1.1系统主程序流程图系统主程序主要包括串口的初始化、蓝牙串口通信、系统开关状态的显示以及信号的输出控制等，系统主程序流程图如图4-1所示。图4.1主程序