基于單片機的WIFI智能無線開關

1、本科畢業(yè)論必設計）題目：基于單片機的 WIFI智能無線開關學院：物理與電子科學學院班級：姓名：指導老師：王強 職稱:助教完成日期：2014 年 5 月J基于單片機的WIFI智能無線開關摘要：科技高速發(fā)展，人們的需求也在日益增長，智能成為人們孜孜不倦的追求。電 子計算機的出現(xiàn)豐富了這個世界，也簡化了這個世界。當然微型處理系統(tǒng)也悄悄產(chǎn)生 了，并大量應用在實際中，利用 MClfi制，處理一些事務，降低了勞動時間，提高了 勞動效率，也提高了精度。MCU勺出現(xiàn)使生活與生產(chǎn)發(fā)生很大的改變。人們的生活與 網(wǎng)絡與智能越來越密不可分。本文闡述了一套智能 WIFI無線開關的設計，首先論述了 WIFI和開關的歷史與

2、發(fā) 展，然后提出了不同的方案，并進行了詳細的分析，在此基礎上形成了一套方案，并 對此方案提出了 一系列的軟件及硬件的設計方法。 最后對本方案存在的問題及應用前 景進行了分析。關鍵詞：WIFI;智能；無線開關目 錄引言這是一個智能的時代，科技決定生活質量。方便，高效，省時是這個時代的主題， 也是科學發(fā)展的方向。在千千萬萬的高科技術中，有一門技術雖然僅僅是在近來才發(fā) 展起來的，但是其對人類生活的影響卻不容小覷，這一技術就是WIFI技術。其實在WIFI技術之前，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 還在應用的藍牙技術，但是藍牙技術只能用于用戶到用戶也就是點到點的信息傳輸， 而與

3、其相比WIFI技術就不同了，WIFI可以作為圓點，向四面八方傳播信息，當然也 可以用于點到點的傳播，因此 WIFI技術大大提高了信息傳播的廣度，與藍牙技術相 比其方便性是不言而喻的。其實在目前的現(xiàn)實生活中，可以說 WIFI技術是無處不在的，比如說現(xiàn)在的大部 分飯店、咖啡館等公共場所都會免費提供 WIFI上網(wǎng)，以此作為一種營銷手段來招攬 顧客，使得顧客在享受服務的同時，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技術與生活中的開關技術相結合呢？這正是本論 文研究的核心之所在。在生活中我們經(jīng)常會用到開關，但是用WIFI來控制開關的開啟與關閉卻是很少見的，本論文將設計一個系統(tǒng)以期將

4、WIFI技術用于控制燈泡。具體的說就用WIFI來決定燈泡什么時候亮以及亮到什么程度。理論來說這一系統(tǒng)是可以實現(xiàn)的，因為在其之前已經(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器件。 智能開關，也就是遙控，可以對電氣設備實現(xiàn)中短 距離的無線控制。人們可以通過遙控進行無線控制，擺脫了電線的束縛。本設計是基于中短距離無線開關設計的一套系統(tǒng)，由一個主機和多個從機組成，主機與從機之間進行無線通信。 從機對開關進行控制。它可以通過手機實現(xiàn)在家里任 何地方實現(xiàn)對家用電器的控制。因為手機幾乎是每個人不離身的必須設備，不像遙控一樣隨便放置。手機又有 WIFI的功能，不必考慮直線傳播，比紅外要好很多，比藍

5、牙的穿透能力要好。手機通過安裝 AP項件作為上位機控制軟件，連接主機（由 STC89C52RC片組成）控制的UART-WIFI模塊，對其發(fā)送指令，進行連接。然后再 發(fā)送開關控制指令，MCU收到之后，通過中短距離無線模塊 NRF24L01向各個分機發(fā)送指令，分機接收到指令后進行核對，如果正確則執(zhí)行，反之保持現(xiàn)狀，繼續(xù)等待命令。1 WIFI與開關WIFI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社會越來越密 不可分，作為一種無線傳輸方式，給無線傳輸這個領域增添了不少色彩。開關的發(fā)展與現(xiàn)狀不用多說，開關更是我們不可缺少的一部分，它與我們的生活息息相關，為了適開關的發(fā)展歷

6、程應各種用途，它的演變也是很快很多樣的。開關發(fā)展歷史總結如下圖圖1-1開管的發(fā)展歷程2系統(tǒng)方案系統(tǒng)的設計要求本設計要求實現(xiàn)通過手機發(fā)送指令或者是直接按開關，均可實現(xiàn)對家用電器進行簡單控制。方案比較與選擇控制芯片的選擇STC89C52RC5片作為一種常用MCIB用領域很廣了，雖然它沒有嵌入式的功能 強大，也沒有AVRK列反應速度快，但是憑借它簡單易懂，功能齊全，性價比高的優(yōu) 勢在生產(chǎn)生活中占據(jù)著一席之地。因為此系統(tǒng)對芯片處理速度要求不是很大，考慮到主機程序稍微大一些，故 TC89C52R C而從機考慮至U體積大/、的問題選用了 STC12C2052ADWIFI模塊的選擇方案一：選用華為HG255

7、DE線路由器，對其進行刷機，變?yōu)?openwrt系統(tǒng),然 后 利用它接收手機發(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是基于串口通信無線網(wǎng)絡的 模塊，能夠實現(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡之間的轉換。通過串口 Wifi模塊，傳統(tǒng)的 串口設備也能接入無線網(wǎng)絡。經(jīng)斟酌方案一刷機過程比較繁瑣，跟單片機的接口驅動不太好移植，另外一個原因就是，會導致主機體積變大。方案二比較方便，可以直接利用單片機的串口通信進 行指令的獲取。故選用方案二。短距離無線模塊的選擇方案一：選用315M無線模塊315M無線模塊作為數(shù)據(jù)發(fā)射模塊在現(xiàn)實生活中比較常

8、見。接下來我們以315M無線模塊在現(xiàn)實生活中最普遍的應用一一車鑰匙為例，來對315M無線模塊進行簡單的理解。大部分車鑰匙內部都含有一個 315M無線模塊，用來實現(xiàn)對車輛的遠程控制。 當車主不在車內且車輛被物體碰撞或驚動之后會發(fā)出信號，而車鑰匙內部安裝的 315M無線模塊可以準確無誤地接收到這一信號，并發(fā)出報警，通知車主車輛遇到了 碰撞或驚動。由此我們可以看出 315M無線模塊在生活中的用處是很大的。方案二：選用NRF24L0優(yōu)線模塊nRF24L01無線收發(fā)器芯片是基于單片機的無線發(fā)收模塊，無需自己編寫通信協(xié) 議適用于短距離通信，效果不錯，多用于玩具車，無線鼠標中，市場前景不錯。這兩種方案中，3

9、15M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。開關的選擇方案一：選用繼電器電磁繼電器是一種常用的電器開關，用小電流去控制大電流運作的一種“自動開 關”，具有隔離的優(yōu)點，故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。缺 點是需要吸合電流，功耗稍大，有觸點，反應速度不是很迅速。方案二：選用三極管B基極PNP型C集電極E發(fā)射極圖2-1三極管三極管的作用是把小信號放大成大電信號， 也可以做無觸點開關。具有放大電流 的作用，用于功放中。而在很多地方常當直流開關使用，反應靈敏可以達到100KHz方案三：選用雙向可控硅

10、雙向可控硅也是一種常用的功率開關， 驅動能力比較大，常做為交流無觸點開關 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，具輸出 可以用來安全的觸發(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控制大電壓，繼電器反應速度慢，有觸點，閉合有聲音，經(jīng)測試吸合電流需要100mA三極管適合于做直流開關使用?？煽毓杩勺鼋?流開關使用，經(jīng)選擇選用可控硅3系統(tǒng)硬件電路設計該系統(tǒng)由主控芯片模塊STC89C52FRCSTC12C2052AD光控可控硅MOC3041雙向 可控硅BT136無線模塊NR

11、F24101等組成。下面分別對各個模塊作具體介紹。芯片STC89C52RC 芯片本設計系統(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 實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，軟件程序中通過串口的中斷檢測一幀的數(shù)據(jù)是否完成的傳送。STC89C52RC片用行口有四種工作方式， 根據(jù)SM價口 SMM行設置，方式0為8 為位同步移位寄存器，方式1為10位UAR餞送方式，方式2為11位UARTI：送，方 式3為11位UART其中方式1和方式3波特率可變。本設計采用的是方式 1,而且 采用的是中斷方式，與查詢方式比起來的話有節(jié)省 CPU勺作用。圖 3-1 STC89C52RC 芯片STC12C2052AD 芯片

12、把STC12C2052A階為從機，主要應用了它自帶的 SPI同步通信，關鍵是考慮到 NRF24L01使用了 SPI通信，比較方便，無需模擬 SPI通信協(xié)議。除了 flash比 STC89C52RC、一些外，其他功能都是差不多的。本設計在定時的部分使用了定時器， 利用定時器定時中斷進行精準的定時，然后控制開關通段時間。另外還需要用定時器來進行調光，市電的周期為20ms,經(jīng)過全橋整流后，會變?yōu)橹芷跒?0ms的脈動直流， 通過單片機可以控制可控硅的導通角，也就是10ms內導通的時間，從而改變燈的亮度。圖 3-2 STC12C2052AD 芯片對于主從機芯片均采用上電自動復位的電路設計，所以就沒有在接

13、復位按鍵。利用芯片的外部中斷功能可以實現(xiàn)在沒有手機的情況下，通過按鍵也可以控制電器的開關。WIFI模塊BLN-07是基于UART接口的WIFI無線網(wǎng)絡模塊，能夠實現(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線 網(wǎng)絡之間的交換。通過串口 Wifi模塊，傳統(tǒng)的串口設備就能接入無線網(wǎng)絡。此模塊與手機之間通信，使用的是ASCII碼，手機把編碼變?yōu)锳SCII碼進行發(fā)射， UART-WIFI會接收ASCII碼并產(chǎn)生中斷給單片機。此WIFI模塊可以通過終端像普通路由器一樣設置和修改密碼，也可以通過配置 軟件進行修改和設置，有比較不錯的安全性能。無線模塊nRF24L01作為單片無線收發(fā)器芯片無線收發(fā)器，擁有6個數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通道，本設計 主

14、機和從機均采用了它的數(shù)據(jù)通道 0,主機采用發(fā)射方式，而從機采用已知查詢接收 方式。對于主機，當接收的 WIFI信號后，會判斷接收到的數(shù)據(jù)，然后會先發(fā)送一審 代碼，作為識別碼，接著發(fā)送命令代碼。對于從機，當檢測到信號后，會把數(shù)據(jù)先存 入緩存，接收完這一幀數(shù)據(jù)后，判斷識別碼是否與自己的完全吻合，如果吻合，則采 取動作，反之，繼續(xù)檢測信號。圖3-3 NRF24L01芯片外圍電路開關MOC3041是一種光耦雙向可控硅，可以對單片機控制信號和交流市電進行隔離， 比較可靠安全，自帶過零檢測，在調光的環(huán)節(jié)省去了過零檢測電路。工作電流小，但 是驅動能力比較差，長時間工作可能會燒壞，壞所以需要利用MOC304先

15、去驅動雙向 可控硅BT136,然后再接用電器。MOC3041驅動電路采用單片機控制PNP三極管去驅動MOC3041控制端給低電 平，三極管導通，光耦中發(fā)光二極管導通，光控可控硅導通，BT136導通用電器接通。 反之用電器斷開。圖3-4可控硅電路設計圖總體設計3-5主機電路設計圖3-6從機電路設計4系統(tǒng)整體設計系統(tǒng)詳細設計及工作原理配置安卓開發(fā)環(huán)境，通過 eclipse 編寫上位機軟件。通過上位機給主機發(fā)送開關控制指令，單片機主機產(chǎn)生中斷，接收到之后，蜂鳴器會提示，接著進行數(shù) 據(jù)處理，然后準備給各從機發(fā)送。發(fā)送時進行編碼，加一段識別碼，從機接收得到之 后，先判斷識別碼，如果正確則產(chǎn)生動作。主機可

16、以通過指令實現(xiàn)對電器的開關， 定時，調光燈控制。當從機接收到定時指 令后會啟動定時器，根據(jù)接收到的指令具體定時時間進行設置，時間設置好會相應的 顯示在數(shù)碼管上，時間到后，定時器產(chǎn)生中斷，控制可控硅關斷用電器。上位機軟件的編寫下圖為手機控制系統(tǒng)的界面圖圖4-1安卓手機控制界面系統(tǒng)框架圖與流程圖STC12C2052AD 1STC12C2052AD 2RxSTC89C52RCSTC12C2052AD 3STC12C2052AD n圖4-2系統(tǒng)框圖等待手機發(fā)出。是否系統(tǒng)存在問題軟件方面：包括上位機和下位機兩部分上位機也就是手機軟件，目前的話，上位機缺少一個與下位機通信顯示界面， 因 為系統(tǒng)采用了單線通

17、信，只可以上位機發(fā)射信號，下位機接收信號，執(zhí)行指令，沒有 采用信息交互的方案。下位機也就是主機和從機構成的系統(tǒng)，也是采用單線通信，只接收了上位機指令, 沒有信息返回上位機，另外就是主從機之間也是單線傳輸，然后就是主從機之間是利 用段距離無線模塊進行通信只采用了簡單的密碼校對，存在安全隱患。硬件方面：短距離無線模塊發(fā)射和接收存在盲區(qū)5結束語經(jīng)由一個多月的學習以及對學過知識的系統(tǒng)化和創(chuàng)造，我終于實現(xiàn)了學校要求的設計論文以及無線開關的制作。從開始選定論文題目到自己設計實物的實現(xiàn)， 每前進步都是對我的新的挑戰(zhàn)，這也算是我用大學期間所學知識獨立完成的最大的項目,通過這段經(jīng)歷，我學到了很多知識也有很多感受

18、。對于論文完成的經(jīng)歷，我深深地體會到了把理論和實際結合在一起的重要性。在整個制作過程和論文設計中，我不僅在動手能力并且專業(yè)知識的運用都得到了很大的 提高，同時，我也學習到了如何去獨立思考和解決相應問題，如何靈活地改變的方法，通過不同的方案來實現(xiàn)設計。通過我的畢業(yè)設計，鞏固了我對專業(yè)知識的理解和記憶， 而且也增強了我對新產(chǎn)品的開發(fā)意識，讓我在這最后的大學期間得到了一次很好的而 且很有意義的鍛煉機會。參考文獻：1譚浩強.C程序設計M.北京：清華大學出版社，19912第 5 代 Wi-Fi 802.11ac 速度較 N版提高 3 倍J. BQJournal. 2013-10-17 13:01 201

19、3-11-16.3 Wi-Fi OriginsM. Carnegie Mellon University. 2013-3-22.4林建廷/李元生，行動商務概論、實務與應用：無所不在的云端運算、行動裝置、 RFID與物聯(lián)網(wǎng)C,身信息出版，2012年9月第1版，ISBN: 978-986-276-549-45 MTNet簡訊第10期J-交通部航港單一窗口服務平臺，2009-10-266王偉，鄭金奎.MCS-51單片機主從式多機系統(tǒng)實時通訊的實現(xiàn)J.西南自動化 研究所，1998年第3期P39347 Compaq,Intel,Microsoft, Universal Serial Bus Specif

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21、局研究所，鐵路計算機應用第5卷第2期P10-1214何曉紅，譚兵.PC機與多臺單片機的遠距離多機通信J重慶交通學院信息中 心，電子技術應用，1997年第12期P41-43.15 Universal Serial Bus Mass Storage Class Specification Overview,Revision 12,2003WIFI intelligent wireless switch based on single chip microcomputerAbstract : With rapid development of science and technology, the

22、demand of higher quality products is increasingly growing. In the meantime, intelligence becomesthe favorite pursuit of people. The emergenceof computer not only enriches the world but also makes the world course, the micro-processing system has also quietly come into existence, and a large number of applications are seen in practical situation, such as using MCU controls or deals with matters to reduce labour tim