课程设计（论文）-基于蓝牙的网络家电程控模块设计.doc

西华大学课程设计说明书目 录1 前言.22 基于蓝牙的网络家电程控模块设计.32.1蓝牙的网络家电技术指标.32.2蓝牙网络家电原理框图.33 基于蓝牙的网络家电程控模块单元电路的设计.43.1蓝牙技术特点与规范.43.2 蓝牙模块semit7708介绍.53.3单片机对蓝牙的控制和蓝牙hci命令.53.4 rs-232接口及通信协议.63.5 uln2003a驱动电路.84 基于蓝牙技术的网络家电实现.11 4.1网络家电的功能要求.114.2 网络家电的通信实现.115 总结.136 参考文献.14附录一 蓝牙网络家电仿真图.151 前言所谓的信息家电又称为网络家电(internet appliance，简称ia)，即internet设备，可泛指一切与internet相连接的器件，从这个意义上讲，计算机也可看成是一种网络家电。网络家电的主要特点是“三化”：数字化、智能化和网络化，同时又是3c：通讯、计算机和消费电子技术的结合。由于与internet进行了连接，因此网络家电具备一般家电所不具备的功能与性能。以网络洗衣机为例，与常规洗衣机相比，网络洗衣机具有的功能优势包括：首先可以通过internet实现对洗衣机的远程监控，即在异地可通过internet了解洗衣机目前所处的状态，也可以通过internet对洗衣机进行操作，如在离开办公室的同时通过internet开启家中的网络洗衣机，从而达到节约时间的目的。其次，是有利于对洗衣机进行维护，这里包括两方面的内容，一是可以自动更新洗衣机程控板中的洗涤程序，以取得更好的洗涤效果；二是一旦洗衣机发生故障，维修部门可通过internet获取该洗衣机的有关信息，从而达到远程检测与修理的目的。第三是可以获得更好的洗涤效果，如使用者可以在网络的帮助下对不同的衣物如丝绸、毛料等分别进行处理。正因为网络家电所具备的性能和功能优势，使得计算机生产厂家和家电生产厂家对此都十分看好。2 基于蓝牙的网络家电程控模块设计2.1蓝牙的网络家电技术指标1工作频率2.4ghz，电平灵敏度-80 dbm,波特率200kbps.2调制方式gfsk.3发射功率20dbm，传输距离100m。2.2 蓝牙网络家电原理框图方案主要包括了4个模块：控制模块、与pc机通信模块、可控硅及驱动电路模块、蓝牙7708模块。其设计的原理框图如图2.1所示。图2.1 网络家电原理框图 1.核心器件是蓝牙模块semit7708，它适用于短距离无线通信的场合，可直接用来代替传统串行电缆。 2.基于蓝牙技术的信息家电网络通信的实现，rc232的接口与蓝牙7708相连接实现电平转换器。 3.单片机at89c51同过rs232与7708的从端相连。由此可见，这里设计的程控模块就是表现为单片机at89c51与pc端口间的蓝牙无线通信。 4.可控硅及驱动电路uln2003a。5 .semit7708(简称为7708)是由南京东大移动互联技术有限公司推出的一种通用蓝牙数据语音模块，适用于短距离无线通信的场合，可直接用来代替传统串行电缆，具有很好的通用性4。 7708在软件上实现了串口替代应用模型内部蓝牙协议栈封装：hci、l2cap、rfcomm、sdp协议和上层应用程序。3 基于蓝牙的网络家电程控模块单元电路的设计3.1蓝牙技术特点与规范蓝牙（bluetooth）是1998年5月由爱立信、ibm、intel、诺基亚、东芝等五家公司联合制订的近距离无线通信的技术标准。蓝牙技术具有很多优点13。 图3.1 蓝牙协议栈 蓝牙技术规范（specification）包括协议（protocol）和应用规划（profile）两个部分。图3.1描述了蓝牙协议栈，整个协议栈按功能可分为4层：核心协议：lmp、l2cap、sdp；电缆替代协议：rfcomm；电话控制协议：tcs binary、at指令集；可选协议：ppp、udp/tcp/ip、obex、wap、vcard、vcal、irda、wae。除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（hci），为基带控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。应用规范阐述了为实现一个特定的应用模型，各层协议间的运转协同机制。制定应用规范的目的是明确为了实现某一种应用而必须满足的规定，以确保不同厂商的蓝牙设备能相互连接，4种常用的应用模式包括：通用访问应用模式：用于处理未连接设备之间的相互发现、建立连接和交换信息； 服务发现应用模式：用于定义蓝牙单元可利用的服务发现，处理已知和特殊的服务搜索； 串口替代应用模式：用于定义怎样在两个蓝牙单元建立虚拟串行口，利用rs232控制信令可以提供对蓝牙单元的串行电缆仿真.通用对象交换应用模式：用于定义处理对象交换的协议和步骤。3.2 蓝牙模块semit7708介绍semit7708(简称为7708)是由南京东大移动互联技术有限公司推出的一种通用蓝牙数据语音模块，适用于短距离无线通信的场合，可直接用来代替传统串行电缆，具有很好的通用性4。其技术指标如表1所示。7708在软件上实现了串口替代应用模型内部蓝牙协议栈封装：hci、l2cap、rfcomm、sdp协议和上层应用程序。总之，2个7708合在一起，相当于在它们之间建立了一条串口线。 表3.1 蓝牙7708技术指标3.3单片机对蓝牙的控制和蓝牙hci命令hci提供访问蓝牙硬件的统一治理方式，它的主要目的是实现透明性。执行hci指令将以事件的形式返回给单片机。 蓝牙的hci uart传输层传输hci命令，单片机通过hci uart传输层向蓝牙模块的主控制器发送hci指令分组和hci数据分组，实现对蓝牙模块的控制。蓝牙模块的主控制器接收hci事件分组和hci数据分组后通知单片机。图3.2 单片机程序流程图3.4 rs-232接口及通信协议rs-232是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（eia）制订并发布的，rs-232在1962年发布，命名为eia-232-e，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。rs-422由rs-232发展而来，它是为弥补rs-232之不足而提出的。为改进rs-232通信距离短、速率低的缺点，rs-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。rs-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为tia/eia-422-a标准。为扩展应用范围，eia又于1983年在rs-422基础上制定了rs-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为tia/eia-485-a标准。由于eia提出的建议标准都是以“rs”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以rs作前缀称谓。 rs-232是现在主流的串行通信接口之一，由于rs232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： 1接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与ttl电平不兼容故需使用电平转换电路方能与ttl电路连接。 2传输速率较低，在异步传输时，波特率为20kbps；因此在“南方的老树51cpld开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。 3接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。图3.3 rs232模块图以上规定说明了rs-323c 标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3v，逻辑“0”（空号）的电平告语+3v；对于控制信号；接通状态（on）即信号有效的电平高于+3v，断开状态(off)即信号无效的电平低于-3v，也就是当传输电平的绝对值大于3v 时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3v 之间的电压无意义，低于-15v或高于+15v的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在(315)v 之间。eia-rs-232c与ttl转换：eia-rs-232c是用正负电压来表示逻辑状态，与ttl 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的ttl 器件连接，必须在eia-rs-232c 与ttl电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如mc1488、sn75150芯片可完成ttl 电平到eia 电平的转换，而mc1489、sn75154可实现eia 电平到ttl电平的转换。max232 芯片可完成ttleia 双向电平转换，图1 显示了1488 和1489的内部结构和引脚。mc1488 的引脚(2)、(4,5)、(9,10)和(12,13)接ttl 输入。引脚3、6、8、11 输出端接eia-rs-232c。mc1498 的14 的1、4、10、13 脚接eia 输入，而3、6、8、11 脚接ttl输出。具体连接方法如图2 所示。图中的左边是微机串行接口电路中的主芯片uart，它是ttl 器件，右边是eia-rs-232c 连接器，要求eia 高电压。因此，rs-232c所有的输出、输入信号都要分别经过mc1488和mc1498转换器，进行电平转换后才能送到连接器上去或从连接器上送进来。3.5 uln2003a驱动电路uln2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅npn 达林顿管组成。该电路的特点如下：uln2003 的每一对达林顿都串联一个2.7k 的基极电阻,在5v 的工作电压下它能与ttl 和cmos 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。uln2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500ma，并且能够在关态时承受50v 的电压，输出还以在高负载电流并行运行。uln2003 采用dip16 或sop16 塑料封装。图3.4 uln2003模块图uln2003a的极限参数如下表3.2所示：项目符号数值单位最大输入电压vi(max)30v集电极-发射极电压vo(max)50v最大基极输入电流ib(max)25ma输出电流io500ma贮存温度ts-65150结温tj175引线耐焊接温度td300项目符号数值单位最小最大集电极-发射极电压vce0.515v输入电压vi0.25v集电极电流imax350ma工作环境温度ta-4085表3.2 uln2003a的极限参数uln2003a型高压大电流达林顿晶体管阵列电路的输入脉冲占空比、输出的路数与输出电流的关系曲线如图3所示,从图3可以看出,随着输入脉冲的占空比以及输出路数的增加,允许的输出电流随之降低,也就是说：电路的输出路数的增加将导致电路的驱动能力下降。图3.5所示为uln2003a电路输出电流ic、输出电压vce和输入电流ii三者之间的关系曲线,从图4可以看出,随着输入电流的增加,输出电压随之降低,而随着输出电流的增加,输出电压也随之增加。图3.5 uln2003a特性曲线uln2003a的主要电特性如下表3.2所示：特性符号条件（若无其它规定,ta=-4085）规范值单位最小最大直流放大倍数hefvce=2v,ic350ma1000-集电极-发射极饱和电压vce(sat)ib=500a,ic=350ma-1.6v箝位二极管正向电压vfif=350ma,输入开路-2.0v集电极截止电流icexvce=50vii=0ma-50avi=6v-500a箝位二极截止电流ifexvf=50vta=25-50avi=85-100a集电极最大电压vamx空载50-v集电极最大电流imaxvce=2v500-ma开态延迟时间tonvce=5v,16khz的方波输入-1.0s关态延迟时间toffvce=5v,16khz的方波输入-1.0s表3.3 uln2003a的主要电特性4 基于蓝牙技术的网络家电实现4.1网络家电的功能要求本文设计的网络家电程控板采用单片机at89c51和通用蓝牙数据语音模块7708，配以执行驱动单元、水位和安全检测、显示及按键、故障报警等外围接口电路，组成一套完整的网络家电电脑程序控制器，整个程控器具备两个主要功能：常规洗衣机的功能和网络功能。 所谓常规功能是指能完成广东省江门市金羚集团公司生产的全自动洗衣机xqb46318的全部功能，包括浸泡、强力、标准、轻柔、快速、单独洗涤、漂洗脱水、单独脱水、留水待机等9种全自动程序及预约定时功能，能控制洗衣机程序的启动、暂停、故障报警等。网络功能包括三方面：首先可以通过internet网络实现对洗衣机的远程监控；其次，可远程对洗衣机进行维护；第三是可以通过网络获得各种在线帮助，如特殊衣料的洗涤方法、洗衣机的使用方式等。4.2 网络家电的通信实现在软件上，网络家电与一般家电的差别仅是通过蓝牙无线通信增加了对家电的监视和控制操作，考虑到一般洗涤过程的软件流程可在众多参考书中找到，因而在这里就只介绍网络家电与pc机的无线通信的实现方法。实际上，本文设计的网络家电为智能家居系统的一部分，这主要是考虑到单纯一个家电上网意义不是很大。图4.1为智能家居系统的示意图，图中所示的其它设备包括空调、微波炉、摄像头等，家庭网站建立在一台pc机上。7708的主端与该pc机的串口连接，家电程控板上的单片机at89c51通过rs232与7708从端相连接。由此可见，这里需要设计的网络家电在通信方式上表现为单片机at89c51与pc机串口之间蓝牙无线通信。 图4.1 智能家居系统由于蓝牙模块7708提供了一个标准的rs-232接口，因此只要在家电程控板上做一个rs-232接口就可以接上7708，实现程控板和家庭网站之间的无线连接。同时为节约单片机的资源，本设计采用家庭网站主动、程控板被动的通信方式。家庭网站发给程控板的是一些命令，程控板返回给家庭网站的是一些状态信息。家庭网站发往程控板的命令主要有：查询洗衣机状态命令、执行某种洗衣操作命令、暂停/启动命令。程控板返回给家庭网站的状态信息主要有：洗衣机当前执行的洗衣程序及处于该洗衣程序的那一阶段、离完成该洗衣程序所剩下的时间、出错提示、洗衣完成提示等。家庭网站每隔一段时间就发送一条查询命令查询洗衣机当前的状态，程控板收到命令后就将洗衣机当前的状态发回给家庭网站。程控板只有在洗衣完成或者出错时才主动发数据给家庭网站。家庭网站发送给程控板的数据帧格式如图4.2(a)所示，第一字节为起始标志，第二字节为地址，第三字节为命令，第四字节为结束标志。程控板收到起始标志后就开始接收数据，然后判别接收到的地址是否和本机的地址相符，相符的话就继续接收数据，直到收到结束标志为止，若不相符就不接收后面的数据。程控板返回给家庭网站的数据帧格式如图4.2(b)所示，家庭网站在收到起始标志后就开始接收数据，第二字节的地址是该发送数据洗衣机的地址，第三字节包含了洗衣机当前的状态信息，第四字节为完成洗衣机当前执行洗衣功能的剩余时间。 图4.2 数据帧格式程控板在正确接收到命令后，根据命令字的值相应地改变系统的状态标志和状态字，主程序和键盘解释程序检测到了状态标志和系统状态字的变化后就执行相应的控制功能，这样就达到了家庭网站对程控板的控制。另外，在执行家庭网站发出的执行某种洗衣程序命令前，通信解释程序会先查询系统状态，如果系统的状态为非待命状态（如执行状态、出错状态等），那么通信解