基于单片机的WIFI智能无线开关

1、本科毕业论必设计）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J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 MClfi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勺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

2、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

3、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

4、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

5、牙的穿透能力要好。手机通过安装 AP项件作为上位机控制软件，连接主机（由 STC89C52RC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。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，为了适开关的发展历

6、程应各种用途，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。方案比较与选择控制芯片的选择STC89C52RC5片作为一种常用MCIB用领域很广了，虽然它没有嵌入式的功能 强大，也没有AVRK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 TC89C52R C而从机考虑至U体积大/、的问题选用了 STC12C2052ADWIFI模块的选择方案一：选用华为HG255

7、DE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-M03WIFI-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。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

8、见。接下来我们以315M无线模块在现实生活中最普遍的应用一一车钥匙为例，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NRF24L0优线模块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，3

9、15M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。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B基极PNP型C集电极E发射极图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

10、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，具输出 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STC89C52FRCSTC12C2052AD光控可控硅MOC3041双向 可控硅BT136无线模块NR

11、F24101等组成。下面分别对各个模块作具体介绍。芯片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片用行口有四种工作方式， 根据SM价口 SMM行设置，方式0为8 为位同步移位寄存器，方式1为10位UAR饯送方式，方式2为11位UARTI：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勺作用。图 3-1 STC89C52RC 芯片STC12C2052AD 芯片

12、把STC12C2052A阶为从机，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、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

13、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。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。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

14、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，然后会先发送一审 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MOC304先

15、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

16、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。上位机软件的编写下图为手机控制系统的界面图图4-1安卓手机控制界面系统框架图与流程图STC12C2052AD 1STC12C2052AD 2RxSTC89C52RCSTC12C2052AD 3STC12C2052AD n图4-2系统框图等待手机发出。是否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

17、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

18、。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 13:01 201

19、3-11-16.3 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,身信息出版，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 Specif

20、ication Revision ,19988惠明琳.基于单片机的USBi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-5俾片机主从多机通彳S控制程序的研究J伊图 里河分

21、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 12,2003WIFI 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