基于单片机的WIFI智能无线开关.doc

本科毕业论文(设计)题目： 基于单片机的WIFI智能无线开关 学院： 物理与电子科学学院 班级： 姓名： 指导老师： 王强 职称： 助教 完成日期： 2014 年 5 月 1 基于单片机的WIFI智能无线开关摘要：科技高速发展，人们的需求也在日益增长，智能成为人们孜孜不倦的追求。电子计算机的出现丰富了这个世界，也简化了这个世界。当然微型处理系统也悄悄产生了，并大量应用在实际中，利用MCU控制，处理一些事务，降低了劳动时间，提高了劳动效率，也提高了精度。MCU的出现使生活与生产发生很大的改变。人们的生活与网络与智能越来越密不可分。 本文阐述了一套智能WIFI无线开关的设计，首先论述了WIFI和开关的历史与发展，然后提出了不同的方案，并进行了详细的分析，在此基础上形成了一套方案，并对此方案提出了一系列的软件及硬件的设计方法。最后对本方案存在的问题及应用前景进行了分析。 关键词：WIFI；智能；无线开关目 录引言11 WIFI与开关11.1 WIFI的发展与现状11.2开关的发展与现状12 系统方案22.1系统的设计要求22.2方案比较与选择22.2.1 控制芯片的选择22.2.2 WIFI模块的选择32.3 短距离无线模块的选择32.4开关的选择33 系统硬件电路设计53.1芯片53.1.1 STC89C52RC芯片53.1.2 STC12C2052AD芯片63.2 WIFI模块73.3 无线模块73.4开关83.5总体设计84 系统整体设计84.1系统详细设计及工作原理84.2上位机软件的编写94.2系统框架图与流程图94.3 系统存在问题105 结束语10引言 这是一个智能的时代，科技决定生活质量。方便，高效，省时是这个时代的主题，也是科学发展的方向。在千千万万的高科技术中，有一门技术虽然仅仅是在近来才发展起来的，但是其对人类生活的影响却不容小觑，这一技术就是WIFI技术。其实在WIFI技术之前，已经存在有很多种通信方式了，比如说以前很火的到目前为止仍然还在应用的蓝牙技术，但是蓝牙技术只能用于用户到用户也就是点到点的信息传输，而与其相比WIFI技术就不同了，WIFI可以作为圆点，向四面八方传播信息，当然也可以用于点到点的传播，因此WIFI技术大大提高了信息传播的广度，与蓝牙技术相比其方便性是不言而喻的。 其实在目前的现实生活中，可以说WIFI技术是无处不在的，比如说现在的大部分饭店、咖啡馆等公共场所都会免费提供WIFI上网，以此作为一种营销手段来招揽顾客，使得顾客在享受服务的同时，也可以轻松、方面的上网浏览信息。 但是能不能将目前火热的WIFI技术与生活中的开关技术相结合呢？这正是本论文研究的核心之所在。在生活中我们经常会用到开关，但是用WIFI来控制开关的开启与关闭却是很少见的，本论文将设计一个系统以期将WIFI技术用于控制灯泡。具体的说就用WIFI来决定灯泡什么时候亮以及亮到什么程度。 理论来说这一系统是可以实现的，因为在其之前已经就是通过控制它可以的控制家用电器的通断工作的一个器件。智能开关，也就是遥控，可以对电气设备实现中短距离的无线控制。人们可以通过遥控进行无线控制，摆脱了电线的束缚。 本设计是基于中短距离无线开关设计的一套系统，由一个主机和多个从机组成，主机与从机之间进行无线通信。从机对开关进行控制。它可以通过手机实现在家里任何地方实现对家用电器的控制。因为手机几乎是每个人不离身的必须设备，不像遥控一样随便放置。手机又有WIFI的功能，不必考虑直线传播，比红外要好很多，比蓝牙的穿透能力要好。手机通过安装APP文件作为上位机控制软件，连接主机（由STC89C52RC芯片组成）控制的UART-WIFI模块，对其发送指令，进行连接。然后再发送开关控制指令，MCU接收到之后，通过中短距离无线模块 NRF24L01向各个分机发送指令，分机接收到指令后进行核对，如果正确则执行，反之保持现状，继续等待命令。1 WIFI与开关1.1 WIFI的发展与现状 WIFI的出现改变了我们的生活和工作，极大的方便了人们与这个社会越来越密不可分，作为一种无线传输方式，给无线传输这个领域增添了不少色彩。 1.2开关的发展与现状 不用多说，开关更是我们不可缺少的一部分，它与我们的生活息息相关，为了适应各种用途，它的演变也是很快很多样的。开关发展历史总结如下图:图 1-1 开管的发展历程2 系统方案2.1系统的设计要求 本设计要求实现通过手机发送指令或者是直接按开关，均可实现对家用电器进行简单控制。2.2方案比较与选择2.2.1 控制芯片的选择 STC89C52RC芯片作为一种常用MCU应用领域很广了，虽然它没有嵌入式的功能强大，也没有AVR系列反应速度快，但是凭借它简单易懂，功能齐全，性价比高的优势在生产生活中占据着一席之地。 因为此系统对芯片处理速度要求不是很大，考虑到主机程序稍微大一些，故TC89C52RC，而从机考虑到体积大小的问题选用了STC12C2052AD。2.2.2 WIFI模块的选择 方案一：选用华为HG255D无线路由器，对其进行刷机，变为openwrt系统，然后 利用它接收手机发出的指令。 方案二：选用串口WIFI模块 WIFI-M03 WIFI-M03是一种嵌入式串口WIFI模块产品。Wifi 是基于串口通信无线网络的模块，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。通过串口Wifi模块，传统的串口设备也能接入无线网络。 经斟酌方案一刷机过程比较繁琐，跟单片机的接口驱动不太好移植，另外一个原因就是，会导致主机体积变大。方案二比较方便，可以直接利用单片机的串口通信进行指令的获取。故选用方案二。 2.3 短距离无线模块的选择 方案一：选用315M无线模块 315M无线模块作为数据发射模块在现实生活中比较常见。接下来我们以315M无线模块在现实生活中最普遍的应用车钥匙为例，来对315M无线模块进行简单的理解。大部分车钥匙内部都含有一个315M无线模块，用来实现对车辆的远程控制。当车主不在车内且车辆被物体碰撞或惊动之后会发出信号，而车钥匙内部安装的315M无线模块可以准确无误地接收到这一信号，并发出报警，通知车主车辆遇到了碰撞或惊动。由此我们可以看出315M无线模块在生活中的用处是很大的。 方案二：选用NRF24L01无线模块 nRF24L01无线收发器芯片是基于单片机的无线发收模块，无需自己编写通信协议适用于短距离通信，效果不错，多用于玩具车，无线鼠标中，市场前景不错。 这两种方案中，315M需要自己制作编码，比较繁琐，而且自己编码，容易造成系统不稳定，而NRF24L01比较方便，自带编码，稳定可靠，故选用方案二。2.4开关的选择 方案一：选用继电器 电磁继电器是一种常用的电器开关，用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”，具有隔离的优点，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。缺点是需要吸合电流，功耗稍大，有触点，反应速度不是很迅速。 方案二：选用三极管PNP 型NPN型E 发射极E 发射极B 基极B 基极 C集电极 C集电极图 2-1 三极管三极管的作用是把小信号放大成大电信号，也可以做无触点开关。具有放大电流的作用，用于功放中。而在很多地方常当直流开关使用，反应灵敏可以达到100KHz。 方案三：选用双向可控硅双向可控硅也是一种常用的功率开关，驱动能力比较大，常做为交流无触点开关使用。 图 2-2 双向可控硅光控可控硅也属于可控硅，它把控制端与被控制端隔离开，提高安全性，其输出可以用来安全的触发双向可控硅，不需要在双向可控硅两端并联阻容吸收电路，可以直接触发。图2-3 光耦合可控硅 经斟酌三者均是利用小电压信号控制大电压，继电器反应速度慢，有触点，闭合有声音，经测试吸合电流需要100mA。三极管适合于做直流开关使用。可控硅可做交流开关使用，经选择选用可控硅。 3 系统硬件电路设计该系统由主控芯片模块STC89C52RC、STC12C2052AD、光控可控硅MOC3041、双向可控硅BT136、无线模块NRF24l01等组成。下面分别对各个模块作具体介绍。3.1芯片 3.1.1 STC89C52RC芯片本设计系统的数据传输方式采用串口通信，而此芯片带有UART 可以直接利用它实现数据传输，软件程序中通过串口的中断检测一帧的数据是否完成的传送。STC89C52RC芯片串行口有四种工作方式，根据SM0和SM1进行设置，方式0为8为位同步移位寄存器，方式1为10位UART发送方式，方式2为11位UART发送，方式3为11位UART，其中方式1和方式3波特率可变。本设计采用的是方式1，而且采用的是中断方式，与查询方式比起来的话有节省CPU的作用。图 3-1 STC89C52RC芯片3.1.2 STC12C2052AD芯片 把STC12C2052AD作为从机，主要应用了它自带的SPI 同步通信,关键是考虑到NRF24L01使用了SPI通信，比较方便，无需模拟SPI通信协议。除了flash比STC89C52RC小一些外，其他功能都是差不多的。本设计在定时的部分使用了定时器，利用定时器定时中断进行精准的定时，然后控制开关通段时间。另外还需要用定时器来进行调光，市电的周期为20ms,经过全桥整流后，会变为周期为10ms的脉动直流，通过单片机可以控制可控硅的导通角，也就是10ms内导通的时间，从而改变灯的亮度。 图 3-2 STC12C2052AD芯片 对于主从机芯片均采用上电自动复位的电路设计，所以就没有在接复位按键。利用芯片的外部中断功能可以实现在没有手机的情况下，通过按键也可以控制电器的开关。3.2 WIFI模块 BLN-07 是基于UART 接口的WIFI无线网络模块，能够实现用户串口数据到无线网络之间的交换。通过串口Wifi 模块，传统的串口设备就能接入无线网络。 此模块与手机之间通信，使用的是ASCII码，手机把编码变为ASCII码进行发射，UART-WIFI会接收ASCII码并产生中断给单片机。 此WIFI模块可以通过终端像普通路由器一样设置和修改密码，也可以通过配置软件进行修改和设置，有比较不错的安全性能。3.3 无线模块 nRF24L01 作为单片无线收发器芯片无线收发器,拥有6个数据数据通道，本设计主机和从机均采用了它的数据通道0，主机采用发射方式，而从机采用已知查询接收方式。对于主机，当接收的WIFI信号后，会判断接收到的数据，然后会先发送一串代码，作为识别码，接着发送命令代码。对于从机，当检测到信号后，会把数据先存入缓存，接收完这一帧数据后，判断识别码是否与自己的完全吻合，如果吻合，则采取动作，反之，继续检测信号。 图 3-3 NRF24L01芯片外围电路3.4开关 MOC3041是一种光耦双向可控硅，可以对单片机控制信号和交流市电进行隔离，比较可靠安全，自带过零检测，在调光的环节省去了过零检测电路。工作电流小，但是驱动能力比较差，长时间工作可能会烧坏，坏所以需要利用MOC3041先去驱动双向可控硅BT136，然后再接用电器。 MOC3041驱动电路采用单片机控制PNP型三极管去驱动MOC3041，控制端给低电平，三极管导通，光耦中发光二极管导通，光控可控硅导通，BT136导通用电器接通。反之用电器断开。 图 3-4 可控硅电路设计图3.5总体设计 3-5 主机电路设计 图3-6 从机电路设计4 系统整体设计4.1系统详细设计及工作原理 配置安卓开发环境，通过eclipse编写上位机软件。通过上位机给主机发送开关控制指令，单片机主机产生中断，接收到之后，蜂鸣器会提示，接着进行数据处理，然后准备给各从机发送。发送时进行编码，加一段识别码，从机接收得到之后，先判断识别码，如果正确则产生动作。 主机可以通过指令实现对电器的开关，定时，调光灯控制。当从机接收到定时指令后会启动定时器，根据接收到的指令具体定时时间进行设置，时间设置好会相应的显示在数码管上，时间到后，定时器产生中断，控制可控硅关断用电器。4.2上位机软件的编写下图为手机控制系统的界面图图 4-1 安卓手机控制界面STC12C2052AD 14.2系统框架图与流程图STC12C2052AD 2 STC89C52RCP3.0/RxP3.1/Tx手机终端STC12C2052AD 3 STC12C2052AD n图 4-2 系统框图执行指令等待手机发出指令是等待指令判断从机代码是否正确处理指令向从机发送指令接受指令发送从机代码+指令信号否图 4-3 程序设计流程图4.3 系统存在问题 软件方面：包括上位机和下位机两部分。 上位机也就是手机软件，目前的话，上位机缺少一个与下位机通信显示界面，因为系统采用了单线通信，只可以上位机发射信号，下位机接收信号，执行指令，没有采用信息交互的方案。 下位机也就是主机和从机构成的系统，也是采用单线通信，只接收了上位机指令，没有信息返回上位机，另外就是主从机之间也是单线传输，然后就是主从机之间是利用段距离无线模块进行通信只采用了简单的密码校对，存在安全隐患。 硬件方面：短距离无线模块发射和接收存在盲区。5 结束语经由一个多月的学习以及对学过知识的系统化和创造，我终于实现了学校要求的设计论文以及无线开关的制作。从开始选定论文题目到自己设计实物的实现，每前进一步都是对我的新的挑战，这也算是我用大学期间所学知识独立完成的最大的项目，通过这段经历，我学到了很多知识也有很多感受。对于论文完成的经历，我深深地体会到了把理论和实际结合在一起的重要性。在整个制作过程和论文设计中，我不仅在动手能力并且专业知识的运用都得到了很大的提高，同时，我也学习到了如何去独立思考和解决相应问题，如何灵活地改变的方法，通过不同的方案来实现设计。通过我的毕业设计，巩固了我对专业知识的理解和记忆，而且也增强了我对新产品的开发意识，让我在这最后的大学期间得到了一次很好的而且很有意义的锻炼机会。参考文献：1 谭浩强.C程序设计M.北京：清华大学出版社，19912 第5代Wi-Fi 802.11ac速度较N版提高3倍J. BQJournal. 2013-10-17 13:01 2013-11-16.3 Wi-Fi OriginsM. Carnegie Mellon University. 2013-3-22.4 林建廷/李元生，行动商务概论、实务与应用：无所不在的云端运算、行动装置、RFID与物联网C ，碁峯信息出版，2012年9月第1版，ISBN：978-986-276-549-45 MTNet简讯第10 期 J- 交通部航港单一窗口服务平台, 2009-10-266 王伟，郑金奎MCS-51单片机主从式多机系统实时通讯的实现J.西南自动化研究所，1998年第3期P39347 Compaq,Intel,Microsoft, Universal Serial Bus Specification Revision 1.1,19988 惠玥琳基于单片机的USB主从机的设计与实现D.电子科技大学，2007年9 易志明等SPI总线在51系列单片机系统中的实现J.天津大学，精密仪器与光电子工程学院，天津30007210 姚志成单片机多机通信协议的设计J中国核心期刊(嵌入式与SOC),2006年第22卷第2期11 范逸之等Visual Basic与RS-232串行通信控制M最新版北京：北京航空航天大学出版社，200212 张明锋PIC单片机入门与实践M北京：北京航空航天大学出版社，200413 张传新，徐少杰PC机与MCS-51单片机主从多机通信控制程序的研究J伊图里河分局研究所，铁路计算机应用第5卷第2期P10-1214 何晓红，谭兵PC机与多台单片机的远距离多机通信J重庆交通学院信息中心，电子技术应用，1997年第12期P41-43.15 Universal Serial Bus Mass Storage Class Specification Overview,Revision 12,2003 WIFI intelligent wireless switch based on single chip microcomputerAbstract：With rapid development of science and technology, the demand of higher quality products is increasingly growing. In the meantime, intelligence becomes the favorite pursuit of people. The emergence of computer not only enriches the world but also makes the world simplified.Of 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 time and improve work efficiency. For that reason, the appearance of MCU has great influence on the way people live and work, the relation of which becomes more and more intimate closely. This thesis elaborates the design of a smart WIFI wireless switch. At first, it describes the history and development of using WIFI on design of switches. Then it puts forward some different project designs and gives a detailed description of each scheme. Whats more, being grounded on the former parts, this scheme comes up with a series of design approaches to software and hardware. Last but not least, this thesis makes considerably profound analyses of problems present in this design and applications in future.Keywords：WIFI; intelligence; The wireless switch