【智能开关的硬件和软件设计7000字（论文）】

智能开关的硬件和软件设计目录TOC\o"1-2"\h\u28400摘要 1545引言 1275081.选题的意义 2129172.智能开关的设计目的和整体方案 3208513.智能开关元器件的选择 3250013.1控制关键单片机的选择 3199473.2无线设备模块的选用 4177023.3开关的选择 4131543.4供电模块的选择 554004.各单元模块的硬件设计 5128384.1总体的硬件设计 5322874.2STC89C52RC简要介绍 5132394.3最小系统电路 6321494.4电源电路电路设计 7313594.5WiFi模块的简介 8258274.6继电器模块的简介 9287345.软件设计 9258005.1主程序流程图 984005.2WiFi模块子程序流程图 10182935.3继电器控制流程图 1131346.系统调试 12309566.1硬件调试 1246626.2软件调试 12140926.3实物测试 1326517.总结 1420261参考文献 14摘要：本文主要论述的是，由STC89C52RC单片机结合WiFi技术，去实现一个对家电开关的智能控制功能，弥补普通开关的不足。并且此插座可以通过ESP8266-01WiFi模块,用手机APP实现对四路继电器控制的家电进行远程控制，同时还可以设定定时关闭插座的功能。智能开关不仅可以使外接电器按照设定的顺序进行工作，还在很大的程度上起到了节约能源的作用，更重要的是智能开关大大的增加了电器使用的安全性。关键词：单片机；WiFi；远程控制；手机APP引言开关，在人们日常生活中，随处可见，虽然只是一个小小元件，但是却是人们生活中，却必不可少的。随着时代在不断的进步，科技在不断地发展的大环境下，人们对日常生活的舒适化，智能化的需求也在与之慢慢的在提升，随之而然的是，许许多多的信息化产业也在发生。随着越来越多智能化产品进入人们的生活中，智能家居也随之产生，更好的便利人们生活，并且被人们广泛使用。智能家居是一种使用计算机系统、自动控制、网络通讯等技术使家庭中的各种电器设备相结合在一起的一种技术，它是通过集中式的控制，使人们的生活越来越舒适、安全、高效、节能，从而达到“智能化”的目的[1]。还有一点，智能家居的各种电器可以互相通讯，不用用户发出指令，它们会在不同的模式下进行互动运行，这样就会给用户一个非常好的体验，更加的高效、便利、舒适与安全，提高了用户的满意度。相对于普通的家庭用户来说，智能家居不只是一个简简单单的具有开关功能的传统断路器，它还可以提供非常人性化的生活空间，更能达到节约减排的效果，最重要的是安全，它对家庭用电安全有一个非常好的保障，将家庭中的各个电器变得智能化，它提供了集中式管理，可以集中查看各个电器的信息，与此同时，还可以提升人们日常生活水平。选题的意义在当今科技不断发展的前提下，人们的衣食住行的方式，也发生了巨大改变，越来越便利人们的生活，提升人们的生活品质。从而人们对家庭生活的要求也越来越高，更加方便，便捷,智能化成为了人们追求的方向。智能化家电纷纷涌入人们的生活，进而开关功能也随之越来越智能化。在高温不断的夏天，在往家中赶的途中，烈日高悬，使用手机发出指令，就可以早早的打开家中的空调，榨取一杯新鲜爽口又解渴的果汁，放上你常听的美妙音乐，当你回到家中，你就可以尽情的享受这一切，解除工作的疲劳，使整个人身心得到放松，身心愉悦。冬天，天气十分的寒冷，躺在家里，不想自己动手打开想使用的电器，那么打开手机，通过APP，就可以控制家里电器的开关，打开在厨房中的咖啡机，很快我们就可以喝到一杯热气腾腾的咖啡了，瞬间觉得有了些许的暖意，让着这个冬天不再那么寒冷。在日常生活中小区的保安，也不用那么紧张，哪家的煤气泄露起火，一旦有个电器忘了关或出现故障，将会自动短路，人们也能更加放心的使用各种电器；当有不法分子非法闯入时，都可以自动拉起警报，同时立即通知小区的工作人员，及时保证人们生活的安全。智能型开关控制系统在智能家居中占据非常重要的地位，是不可或缺的一部分，它具有十分独特的智能、节能、环保等特点，非常符合当今社会发展趋势。此智能控制系统不仅可以实现对家庭中的照明灯、电视、洗衣机、空调等家用电器进行开启和关闭的控制，还可以对其进行预约，以及定时开关的控制。拥有如此智能开关，可以让人们的生活更加的省心，省时，安全，便利。实际上，在人们的日常生活当中，各个场所都有WiFi的存在，在大部分场景中，打开手机都会有很多的WiFi可以连接，例如现在大部分的宾馆酒店、餐馆、娱乐场所等都有免费的WiFi的提供，把这个作为一个营销策略来招揽客户，增加营业额，在客户享受服务的时候，能够轻松的进行上网，使顾客更加享受这个消费的过程。既然如此，那么怎样才能将无线通讯技术和人们的生活相结合起来，使人们能通过网络，更加充分的享受生活。这是一个值得研究的课题，本文的研究就是以此为核心内容。人们经常使用开关，但用WiFi来控制开关的开关量却不多见，因此，本文旨在设计一种能将WiFi技术应用于灯泡控制的系统。用WiFi来确定灯泡何时亮、何时关以及定时开关。智能开关的设计目的和整体方案这个设计的主体方案是将家用的普通插座进行改进，把普通的开关改进成具有智能化的开关，更加便利人们生活使用的设计。本次设计使用的核心组件是单片机，通过程序控制单片机信号的输入输出，以及导电与否，从而决定着继电器的通断，并且以此达到对外接电器开启和关闭的控制。不仅如此，本设计还可以通过WiFi模块与手机APP连接，并且通过APP来进行控制，实现对每个插座的单独控制，以及一键既可以决定开关的关断，与此同时，人们还可以通过APP进行对家电进行预定，和定时的控制，实现开关的更加智能化，更加便于人们使用，以及更加的环保[2]。此设计的硬件部分主要包括：单片机控制核心、WiFi模块、继电器模块、以及电源模块等。3.智能开关元器件的选择3.1控制关键单片机的选择本智能开关设计中选择是STC89C52RCSTC89C52RC单片机安全可靠，而且价格低廉，性价比极高，比较适合学生或者初学者进行使用[3]。如图1所示STC89C52RC单片机实物图：图1STC89C52RC单片机实物图3.2无线设备模块的选用本智能开关设计中WiFi模块有两种选择的方案：方案一：ES8266-WiFi模块方案二：蓝牙模块对于方案一：传统串口设备使用ESP8266模块，只需配置简单的串口AT指令，就可以通过WiFi进行数据传输。此组件超低功耗，可以使用3.3V电池供电，且具有多种封装模式，且ESP8266的适用范围十分广泛，可适用智能家居以及智能电网和智能交通等多种领域。对于方案二：蓝牙模块可以用短距离的传输，其广泛应用于各种智能设备中，价格低，产量大，易用，点对点[4]。其缺点是速度极慢，并且对距离信号有限制。综上所述两款都是无线通信网络，且性能良好，都可以用于远程控制，以及可以用于人们日常生活的智能家居，并且也符合智能开关设计的功能，蓝牙模块虽然价格和功耗上都比WiFi模块低，但是没有WiFi模块传输速度快，最重要的是WiFi模块可以一对多连接，就是同时可以多人进行连线，很符合居家的使用，家庭成员多，可以同时进行连接，方便大家的使用。但是蓝牙模块则无法满足，一个蓝牙设备，只可以允许一个家庭成员进行连接，这样的话，在本设计中使用，不便于人们共同使用。并且WiFi模块传输距离远，穿透能力比较强。所以选用WiFi模块做为无线设备模块。3.3开关的选择本智能开关设计中继电器的有两种选择的方案：方案一：选用电磁继电器。方案二：选用三极管无触点开关对于方案一：电磁继电器是用较小的电流、较低的电压，来控制较大电流、较高电压的自动开关，具有电气隔离、自动调节、安全保护、变换电路等优点[5]。如图2所示为本次设计使用的继电器实物：图2继电器实物图对于方案二：三极管可作无接触开关，具有电流放大作用。许多地方还采用了直流开关。综上所述，两款开关都功能较多，性能良好。但继电器的功能更适用与本设计所需，更好的保证了，人们使用家电时的安全，以及更加方便人们的使用，让人们更加的放心使用。所以选用方案一，电磁继电器。3.4供电模块的选择该插头采用DC直流接口，这个插头USB接口不仅可以连接到电脑的USB接口上，还可以连接到充电宝上和充电器接口上供电源，而且供电安全，使用方便。4.各单元模块的硬件设计4.1总体的硬件设计本设计包括STC89C52RC控制核心单片机模块电路、WiFi模块电路、继电器控制模块电路、51单片机的最小系统模块电路等部分[6]。如图3所示的是硬件系统框图：图3硬件系统框图4.2STC89C52RC简要介绍单片机是一种高性能微控制器。单片机拥有着众多的端口而且功能齐全，各种类型传感器、电源、电路都可以和其连接，配合使用，完全可以解决一些简单的控制[7]。而且价格经济实惠，非常容易购买，并且单片机的应用范围也非常普遍，已经应用到人们日常生活的方方面面。4.3最小系统电路单独一款单片机的单片机是不能正常工作的，需要一些辅助电路才能正常工作，完成人们所需的要求。STC89C52RC单片机的工作方式是要求晶振电路、复位电路、才能组成一个最小系统电路[8]。其如下图4所示：图4STC89C52RC单片机最小系统电路4.3.1复位电路复位电路的作用是，它可以使单片机处于初始化状态。在复位后，在单片机里写下符合对应本设计程序重新开始执行，而且复位可以分为两种，一种是自动复位：通过电容的充放电实现的复位，给系统上电，当电容C1因为时间短暂，还没有充电完成时，C1连接的电源端此时为高电平，C1接RES端此时为低电平，当给C1充电结束放电后，RST端为高电平，此时完成自动复位；第二种是手动复位：而手动复位通过按压复位按钮实现，原理是按下K1键，电容C1两端被短路，进而使RST变成高电平，从而使单片机完成手动的复位。复位电路图如图5所示：图5复位电路4.3.2晶振电路晶体振荡电路是单片机系统中不可或缺的一个重要组成部分，没有晶振电路，单片机就不能正常进行使用，并且无法去完成其需要的功能。本设计采用11.0592MHZ晶体振荡，时钟频率在0~24MHZ之间。从图6中可以看出，STC89C52RC单片机的晶振电路采用18、19的单片机引脚相连，选择振荡频率为11.0592MHZ的晶振，满足电路传输速度，保证单片机正常工作；然后晶振X1两端分别串连一个30PF的电容C1，C2，一端连接复位电路，另一端接地，就构成了一个自激振荡器，然后这个震荡电路就可以产生信号时钟，从而保证整个系统正常工作。图6STC89C52RC晶振电路4.4电源电路电路设计此智能开关设计所需的电源模块，对电源要求并不高，可完成基本的USB5V供电即可。如下图7所示为开关控制的电路图。电源插口为P4电源DC，2、3脚接地线保护电路，1脚接开关控制脚，通断通过开关P3控制系统电源，输出到VCC为整个系统供电，VCC为5V。图7开关控制电路图由于本次设计用到ESP8266模块，该WiFi模块正常状态下的工作电压为3.3V，而系统输入所提供的电源却是5V，因此需要进行降压，本设计中采用ASM1117-3.3V三端稳压管进行降压，那么该如何去降压呢？首先把由电源传输出过来的5V电压，输入到该稳压管的3引脚，然后电压被该稳压管从5V降到3.3V，从2，4引脚输出，接到ESP8266模块的2，4脚给WiFi模块供电，保证此设计中的WiFi模块正常工作[9]。如下图8所示为ASM1117-3.3V稳压电路图：图8ASM117-3.3V稳压电路图4.5WiFi模块的简介ESP8266-01是一款超低功耗UART-WiFi模块，由乐鑫科技推出，其最大特点就是体积小，功耗低，在使用时只需要通用串口发送AT指令即可使用[10,11]。如下图9为ESP8266-01模块实物图：图9ESP8266-01模块实物图通过本设计所用到功能，设计出ESP8266-01模块的电路图，如下图10所示，4引脚接3.3V电源脚，是通过稳压模块将5V电压，降到3.3V由2，4引脚输入该WiFi模块，满足该WiFi模块的正常工作电压。8引脚接地GND保护电路，该WiFi模块串行通信脚接STC89C52RC单片机的串口，在单片机中，P3不仅可以作为I/O使用，而且具有第二功能。其中P3.0脚RXD,是串行输入口，P3.1脚TXD是串行输出口。ESP8266模块1引脚是串口发送数据脚接STC89C52RC单片机的串口数据接收脚P3.0，ESP8266模块5引脚串口发送数据脚接STC89C52RC的串口数据发送脚P3.1，保证整个系统数据的传输和接收，以至于系统正常工作。引脚2接一个电阻R10，阻值为10K，进行保护电路，以保证电路正常工作，使WiFi模块进入工作AT指令模式。图10ESP8266-01WiFi模块电路设计图4.6继电器模块的简介本设计中采用了HK4100F-DC5V-SHG型6脚继电器，由于其正常工作电压为5V，且51单片机I/O输出能力有限，所以采用三极管方式驱动继电器的导通和闭合[12]。如图11所示，其中P4为继电器，3,4脚为继电器的线圈端，工作的时候加DC直流电压，是不用分电压的正负，为电压驱动。COM公共端1，2脚触电。6脚常作为起始，5脚常作为结束。P1脚连接的被控制设备，也就是人们平时，所使用的家用电器，电饭煲、空调、冰箱等。图11继电器控制电路设计图5.软件设计前几章，介绍了硬件部分，但是要是想达到，本设计所需的功能，必须要是要通过软件才可以实现。5.1主程序流程图如下图12所示。在系统开始前，要先进行初始化，然后再进行程序的循环，首先是单片机发送信号给WiFi模块配置，如果配置成功的话，WiFi模块的指示灯LED会亮，如果没有配置成功的化，需要继续配置，直到配置成功，LED灯亮。此时，手机APP会显示是否已连接成功，如果连接成功，则可以进行对家用设备，进行定时操作，以定时5秒为例。如果没有连接成功，则要继续连接。然后检测，单片机是否收到了定时数据，如果收到了，则对相应的家电进行控制，如果家电并没有做出定时5秒的反应，则说明单片机没有收到APP发过来的定时数据，那么此时，则需要APP再发送一次定时数据。进而完成一次循环控制。图12主程序流程图5.2WiFi模块子程序流程图此WiFi模块，我们使用它的无线接入点模式。首先是串口和WiFi模块初始化，然后通过单片机串口发送指令将该模块设定为服务器模式，进行连接该模块的WiFi热点，进而连接该服务器的端口，连接成功后建立TCP通信。就可以去处理来自单片机的数据，并且对该数据进行处理分析。如下图13所示为WiFi模块子程序流程图。图13WiFi模块子程序流程图5.3继电器控制流程图本次设计总共是有4路继电器，去进行对相对应连接的家电进行控制。继电器的数量可以根据家里电器而定，利用WiFi通过手机APP发送数据，进行实现控制家电通断。先进行初始化配置，配置成功后，当单片机发送数据时，继电器会执行相应的开启和关断，从而进行控制家电。如果被控制的家电没有做出任何反应，那么需要重新进行初始化配置，直到配置成功。与此同时也可以对家电设定开启和关断的时间，如果被控制家电没有显示出，被设定时间，那么则需要重新开启定时功能。定时时间到之后会自动关闭相对应的家电。整个设计流程图如下图14所示。图14继电器控制流程图6.系统调试本系统的总体设计包括硬件和软件两部分，硬件和软件在完成设计所需的功能后，需要进行一系列的调试工作，其中最关键的是系统测试。测试能够确定系统的工作性能和稳定性，以及功能是否能够实现，包括检测代码是否书写正确。通过测试看是否达到人们想要的效果。6.1硬件调试在智能开关的硬件调试中，主要是检测在焊接电路时是否完整，是否能够正常导通各个元器件，是以及各个元器件否完整，有无损坏，智能开关控制系统内部的各个设备是否能正常工作，保证电源模块正常，WiFi模块能够连接成功，正常工作，继电器模块能够正常的控制开断。6.2软件调试软件调试在Keil4软件上进行调试，通过此软件中编译的问题进行修改和调试，达到设计所需的功能。6.3实物测试本次课题设计的是通过WiFi控制人们所使用的家电插座系统，首先完成硬件电路的设计，然后制作出相对应的电路板，最后再把各个模块焊接起来，则实物如下图15所示：图15实物图进行实物测试的时候，刚接上电源各个指示灯均亮，显示正常，但是手机APP无法和我的实物连接成功。经过我的反复检查，并没有没有出现虚焊，漏焊等现象，刚开始我以为是，我的软件部分没有完全调试好，在我询问过我的指导老师朱老师，经过朱老师的指导，找出了最终的原因所在，是我应该，先把我手机的数据给关了，然后再打开手机WiFi去和我的实物的WiFi模块进行连接，此时手机APP界面会显示已连接成功，然后我就可以通过APP，去控制所连接的家电。则APP界面效果图如下图16所示：图16APP界面效果图然后可以通过APP进行控制与继电器相连接家电的通断，开关1到开关4，可以分别控制相对应继电器所连接的家电，同时还可以通过总开关，进行一起打开或者关闭相对应的所有的家电。与此同时，人们还可以手动调节时间提前预约，或者定时关断。更加的人性化，以及更符合人们日常生活对开关的需求。7.总结本设计主要结合单片机STC89C52RC为核心原件，继电器模块，通过WiFi模块结合手机APP实现通过继电器控制的家电，进行远程控制，同时还可以设定定时关闭插座。可以使得人们所接的家电按一定规律的工作，因为使用继电器控制的原因，更加的保证人们使用时的安全，方便了人们的生活。本设计由于能力不足的原因，还有部分功能尚未完善，还可以增加更多的功能，比如语音模块，不仅可以通过WiFi进行远程控制，而且人们还可以通过语音控