基于51单片机蓝牙控制照明系统大学论文

摘要

随着社会的发展人们对生活质量的要求越来越高，照明在能耗中所占的比例日益增加,因而照明节能也日显重要。现在国内外普及使用的节能开关基本有声控型、触摸型、感光型等。这几种开关各有自己的弊端，如声控型不适合环境嘈杂场所、感光型开关在无人期间不能自动关闭。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统）。和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括地讲：一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。

单片机在工业控制领域广泛应用。单片机由仅有CPU的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成到复杂的对体积要求严格的控制设备当中。本文利用所学51单片机基础知识结合自动控制技术和蓝牙2.0通信技术设计完成一套无线遥控家电开关系统。本设计详细地讲述了51单片机控制原理和单片机编程技术，HC-06蓝牙通信技术以及自动化控制技术。整个系统以STC89C52单片机为核心，单片机实现HC-06蓝牙指令的解析与继电器开关控制指令的发出。蓝牙通信单元采用工业级的HC-06蓝牙模块来完成，蓝牙模块在整个系统中负责蓝牙指令的接收和传输；家电开关的自动控制部分采用4路继电器开关来实现，继电器开关是典型的弱电信号控制型照明系统开关。

关键词：单片机、蓝牙、照明系统

Abstract

With the development of society, people's quality of life is becoming more and more demanding, and the proportion of lighting in the energy consumption is increasing. Now the popularity of energy-saving switch at home and abroad, the basic use of voice control, touch type, sensitive type, etc.. These switches have their own

drawbacks, such as voice type is not suitable for noisy environment, photosensitive switch can not be automatically shut down during the unmanned. As the single chip computer is a typical embedded micro controller (Microcontroller Unit), usually abbreviated as MCU English letters single-chip microcontroller also known as single-chip microcontroller, it is not the completion of a logic function of the chip, but a computer system integrated into a chip. The single chip microcomputer is composed of an arithmetic device, a controller, a memory, an input and output device, which is equivalent to a microcomputer. Compared with the computer, SCM, such as the lack of peripherals. Generally speaking: a chip is a computer. The utility model has the advantages of small size, light weight, low cost and convenient conditions for learning, application and development. At the same time, learning to use the MCU is to understand the principle and structure of the computer the best choice.

SCM is widely used in the field of industrial control. Single chip processor developed by only CPU dedicated chip. The first idea is to integrate a large number of peripherals and CPU in a single chip, so that the computer system is smaller, more easily integrated into the complex requirements of the control of the volume of equipment. In this paper, we design a set of wireless remote control switch system based on the 51 basic knowledge of MCU and the technology of Bluetooth and 2. This design describes in detail the 51 single-chip microcomputer control principle and single-chip programming technology, HC-06 Bluetooth communication technology and automation control technology. The whole system is based on STC89C52 single chip microcomputer, and the analysis of the HC-06 Bluetooth command and the control of the relay switch control instructions. Bluetooth communication unit using HC-06 Bluetooth module to complete the industrial level, the Bluetooth module is responsible for Bluetooth instruction in the whole system of receiving and transmission; automatic control appliance switch using 4 way relay switch to achieve the relay switch control is a typical type of weak current signal lighting system switch.

Keywords: MCU, Bluetooth, lighting system

摘要 (1)

Abstract (1)

1绪论 (4)

1.1 课题研究的背景 (4)

1.2 课题的研究意义 (5)

2 体统的总体设计 (6)

2.1 选择单片机 (6)

2.2 蓝牙设备 (7)

2.3 检测光照 (8)

2.4 继电器 (8)

3 硬件的设计 (9)

3.1 系统硬件概述 (9)

3.2 CPU的介绍 (9)

3.3 主接线图设计 (10)

3.4 蓝牙通信模块设计 (10)

4 软件系统设计 (11)

4.1 系统流程设计 (11)

4.2 程序仿真 (12)

4.2.1 keil简介 (12)

5 系统测试 (15)

5.1 蓝牙通信模块测试 (15)

5.2 单片机最小电路测试 (16)

总结 (16)

参考文献 (18)

致谢 (19)

1绪论

随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也随着受教育者的数量增加而不断扩大，教室的数量也大幅度增加。为使师生有舒适的教学和学习的环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。但由于学校开放型的管理模式，以及全员的节能意识的淡薄，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习，但室内照明全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。这种有形和无形的浪费，给校方的水电支出带来了沉重的负担。学校的水电支出约占全校经费支出的1／4—1／5，电费支出占据较重比例。其中主要能耗浪费较大的是：教室照明和空调的使用。而教室照明的浪费源自予长明灯、白天亮灯、不合理使用照明以及旧灯管的不及时更换。单片机的出现至今已经有30多年的历史了。微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。

1.1 课题研究的背景

随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使

用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加。所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经成为必不可少了。目前国内大部分家用电器开关仍旧是传统的机械式按键开关。原因是传统式的电器开关开发周期短，制作成本低，方案成熟，因而在很长一段时间内，在国内市场上都是传统开关占据着主要的市场份额。然而，随着人们生活条件的逐步提高，家用电器的价格不断降低，使得大部分家庭都能够负担的起这些家电的使用，但是当人们把一个个新的家电从市场搬到家后会发现一个新的问题，就是室内电源开关有限，必需外接电源插板方可使用，这使得家用电器使用的便利性大打折扣，重新装修布线又会带来很大的金钱投入，正因为如此，最近几年来很多公司已经开始投入研发团队开发综合性、智能化、便捷性、无线遥控家电开关的设计，智能化家电开关与传统的开关有着本质上的区别，智能化家电开关采用继电器控制，完全脱离了实际的传统开关，继电器开关的存在已经有了很长一段时间了，在很多遥控家电开关中已经得到了普及和应用。目前市场上传统的遥控家电开关已经不能满足人们的对家电控制的要求了，传统的遥控器具有单一性，每种遥控器只能控制一种家用电器，随着家用电器的逐步增加，使得众多的遥控器很难去分辨，因而综合性、多用途的遥控器将是为了发展的方向。

在国外，20世纪末无线遥控开关系统以及得到推广和应用，比国内开发早了近20年，美国最早的蓝牙遥控开关并未用在家用电器上，而是用在工业的计算机上，我们熟知的笔记本电脑的蓝牙文件上传功能，蓝牙无线打印功能这些都是早期的典型蓝牙传输的应用。进入二十一世纪以来，蓝牙技术已经被众多的手机厂商所应用，正是由于手机蓝牙的应用，使蓝牙技术由传统的工业应用发展到了日常应用，各种手机蓝牙控制设备也逐步被开发和推广应用。

1.2 课题的研究意义

目前利用普通开关来控制电灯开关的方法有两种：单控开关和双联双控开关。前者只起灯的单一地点控制通断作用；后者可实现二地可控制电灯通断作用。

人们在日常生活中经常遇到以下情况，躺在床上看书或看电视时，书可以随

手放在枕头边电视可以用手中的遥控器来开关，但是灯电灯如何方便的控制呢？

现有的常见开关有如下缺点：

（一）不方便；

（二）不安全，有时为了方便开关进行私接电线这样很不安全。

（三）控制地点少，最多只能实现两地控制。

为了解决以上问题，在设计过程中想到了生活中无处不在的无线技术，如无线鼠标、无线耳机、无线路由器、无线遥控器、无线收音机等等，其实无线技术主要有调频无线技术、红外无线技术和蓝牙无线技术三种。其中蓝牙无线技术实际上是一种短距离无线通信技术。说得通俗一点，是蓝牙技术使现代一些易携带的移动通信设备和电脑设备不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等家电，组成一个巨大的无线通信网络。红外无线技术是设备或者系统通过红外辐射传递数据的一种无线技术。调频无线技术也最早使用的无线电技术。只要利用这三种技术中的一种我们就可以实现无线控制电灯开关了。

2 体统的总体设计

2.1 选择单片机

单片机为整个系统的控制核心，选择一款合适的单片机对整个系统设计的成功与否起着至关重要的作用，目前市场上单片机种类型号千差万别，从基础的8位单片机到高端的64位单片机，价格从几元到上百元不等，如此众多的单片机，如何才能选择一款适合本设计的型号呢？首先要从设计的功能上着手，由于系统功能相对较少，只是实现与GSM模块的通信以及继电器控制指令的发出，因而不需要选择引脚多的太高端的单片机；其次要考虑到设计的成本要求，目前市场上8位单片机相比16位以上单片机具有很好的价格优势，考虑到8位单片机完全能够达到设计的功能要求，因而本设计首选单片机是8位单片机；最后还需要考虑到单片机在设计过程中程序编译调试的可操作性以及实用性，鉴于以上各种原因考虑，本设计最终选择市场上较为普及的8位单片机作为系统的单片机MCS-51单片机应用最广泛的型号，现在以其为代表介绍其参数。AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成

电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其内部结构主要有以下几部分：

1.微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

2.数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

3.程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。

4.中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。

5.定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

6.串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

7.4个并行8位I/O口分别为P1口、P2口、P3口、P4口特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

2.2 蓝牙设备

蓝牙通信模块我们采用的是移摩通讯的HC-06蓝牙模块，该蓝牙模块具有成本低、体积小、收发灵敏度高等优点。模块采用Bluetooth2.1,遵循V2.1+EDR 蓝牙规范，可以与安卓智能手机完美通信，可编程I/O口。供电电源为：+5VDC 80mA。

主要引脚如下：

（1）ATUS：蓝牙状态输出，持续高电平表示数据链路已经连通。可以接单片机的IO口来查询蓝牙的状态。这个STATUS不是必须连接的。

（2）VCC：电源接口，接5V必须连接。

（3）GND：电源负极必须连接。

（4）TXD：数据输出接口，需要连接单片机的数据输入接口，一般单片机IO的名称为RX或者RXD。

（5）RXD：数据接收接口，需要连接单片机的数据发送接口，一般单片机IO的名称为TX或者TXD。

2.3 检测光照

方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。

2.4 继电器

(1)继电器为单刀双掷，一个公共端、一个常开端、一个常闭端。

(2)低电平吸合，高电平释放，吸合是指示灯亮，释放时指示灯灭。

(3)VCC为系统电源，JD_VCC为继电器电源。默认发5V继电器，插上跳线帽即可。

(4)接线说明：VCC：系统电源正极，GND：系统电源负极，IN1--IN2:继电器控制端口

3 硬件的设计

3.1 系统硬件概述

系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有六个主要部分：C51芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、延时选择电路、输出控制电路、蓝牙控制模块。蓝牙模块FBT-06，两路继电器模块SRD-05VDC-SL-C，电灯杜邦线等。继电器为单刀双掷，一个公共端、一个常开端、一个常闭端，最大输出为直流30/10A、交流250/10A。电源输出是AC220V变DC5V。在使用时由于蓝牙模块出现问题，因此我们借用了实验室中的HC-06。

通过三个部分来完成这套无线控制开关。第一个是信号传输的蓝牙模块部分，第二个是进行下达指令的单片机部分、第三个是完成执行任务的继电器部分。

3.2 CPU的介绍

本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS 8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，

15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。

3.3 主接线图设计

主控制器采用AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元。

3.4 蓝牙通信模块设计

目前市场上主流的蓝牙为2.0的蓝牙模块，同时市场上基于安卓系统的蓝牙手机也均采用蓝牙2.0作为蓝牙通信设备，目前只有苹果操作系统的手机和个别的高端手机上面采用蓝牙4.0的蓝牙接口，考虑到通用性和兼容性，系统采用标准的蓝牙2.0模块作为系统蓝牙的设计方案。

常用的蓝牙2.0标准的模块有HC-06和HC-06两种，下面通过对两种蓝牙模块的介绍和对比论证，选择其中一款蓝牙模块作为系统的蓝牙通信设计方案。

方案一：采用HC-06蓝牙模块，HC-06蓝牙模块是一款高性能的蓝牙主从一体串口通信模块，它可以和多种带蓝牙功能的电脑、手机、PAD等智能终端进行配对，该模块支持非常宽的波特率范围：4800-1382400，并且可兼容5V和3.3V 单片机系统，使用方便连接灵活具有较高的性价比，同时HC-06为工业级产品，性能稳定、可靠性较高。

方案二：采用HC-06蓝牙模块，HC-06蓝牙为从设备，他可以与其它2.0标准的蓝牙设备之间进行通信，但是它只能作为从设备，没法充当主设备来使用，

同时HC-06为普通消费级别的芯片，在可靠性和稳定性上比HC-06稍差一些，优点是价格相比HC-06较低，在一些低端的应用场合已经对成本控制要求较高的场合应用较为普及。

通过对上述两种方案的比较，由于系统蓝牙通信作为整个系统中至关重要的一个环节，充分考虑到稳定度的要求，系统最终采用HC-06蓝牙模块作为系统蓝牙通信设计的方案选择。

系统蓝牙通信模块子程序主要完成手机蓝牙指令的接收以及和单片机直接的数据通信等，此部分程序的完成是整个系统软件设计成功与否的关键所在。图为系统蓝牙通信子程序流程图。

4 软件系统设计

4.1 系统流程设计

软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对热释电传感器信号处理电路的输出信号进行处理。在光照较强时，系统继续对光照检测电路的输出状态进

行检测。光照较弱时，系统对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。若室内有人时Vo为高电平，系统控制照明设备点亮并按设定的时间进行延时。在延时时间内再一次检测到有人时，则系统又按设定的时间进行延时；若在延时时间内检测到室内无人时，则系统控制照明设备熄灭并重新对信号处理电路的输出状态Vo进行检测.

4.2 程序仿真

4.2.1 keil简介

随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。该软件是美国Keil Software公司出品的软件开发系统，其允许用户使用汇编或者C语言来开发MCS-51单片机（或与MSC-51指令兼容的其它单片机）的应用软件。功能上，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，包括C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。外观上采用全Windows界面，容易上手。性能上，即便是使用高级语言开发应用程序，其生成的目标代码效率也非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑。

主要模块程序

/****************************************************************************** *

* 实验名

* 使用的IO : P2

* 实验效果: 将接收到发送回电脑上面。

* 注意：

******************************************************************************* /

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar flag,busy;

uchar a;

uchar receiveData;

sbit Relay1=P2^0;

sbit Relay2=P2^1;

void SendString(uchar *s);

void SendData(uchar date);

void UsartConfiguration();

/****************************************************************************** *

* 函数名: main

* 函数功能: 主函数

* 输入: 无

* 输出: 无

******************************************************************************* /

void main()

{

Relay1=1; //继电器1赋初值

Relay2=1; //继电器2赋初值

UsartConfiguration();

SendString("cdef"); // 发送字符串

while(1)

{

if(flag==1)

{

SendData(a);

flag=0;

switch(a)

{

case 0xcc:Relay1=1;Relay2=1;break;

case 0xdd:Relay1=0;Relay2=1;break;

case 0xee:Relay1=1;Relay2=0;break;

case 0xff:Relay1=0;Relay2=0;break;

}

}

}

}

/****************************************************************************** *

* 函数名:UsartConfiguration()

* 函数功能:设置串口

* 输入: 无

* 输出: 无

******************************************************************************* /

void UsartConfiguration()

{

SCON=0X50; //设置为工作方式1

TMOD=0X20; //设置计数器工作方式2

PCON=0X80; //波特率加倍

TH1=0XF9; //计数器初始值设置，注意波特率是9600的

TL1=0XF9;

ES=1; //打开接收中断

EA=1; //打开总中断

TR1=1; //打开计数器

}

void SendString(uchar *s)

{

while(*s) //检测字符串结束标志

{

SendData(*s++); //发送当前字符

}

}

void SendData(uchar date)

{

while (busy); //等待前面的数据发送完成

busy=1;

SBUF=date; //写数据到UART数据寄存器

}

/****************************************************************************** *

* 函数名:Usart()

* 函数功能: 中断函数

* 输入: 无

* 输出: 无

******************************************************************************* /

void Usart() interrupt 4

{

TH1=0XF9; //计数器初始值设置，注意波特率是9600的

TL1=0XF9;

if (RI)

{

RI = 0;//清除接收中断标志位

a=SBUF;//将接收到的数据放入到发送寄存器

flag=1;

}

if (TI)

{

TI = 0; //清除TI位

busy = 0; //清忙标志

}

}

5 系统测试

系统测试，英文是System Testing。是将已经确认的软件、计算机硬件、外设、网络等其他元素结合在一起，进行信息系统的各种组装测试和确认测试，系统测试是针对整个产品系统进行的测试，目的是验证系统是否满足了需求规格的定义，找出与需求规格不符或与之矛盾的地方，从而提出更加完善的方案。系统测试发现问题之后要经过调试找出错误原因和位置，然后进行改正。是基于系统整体需求说明书的黑盒类测试，应覆盖系统所有联合的部件。对象不仅仅包括需测试的软件，还要包含软件所依赖的硬件、外设甚至包括某些数据、某些支持软件及其接口等。由于测试模块较多这里举例蓝牙模块与单片机最小电路测试5.1 蓝牙通信模块测试

蓝牙模块电路设计焊接好后，为了保证模块能够正常使用，首先要测试一下蓝牙模块收发功能是否正常，具体测试过程如下所述。首先HC-06模块通过usb 转TTL模块连接到电脑串口，连接方式如图所示。

HC-06模块出厂设置为从模式，所以发送AT+ROLE？得到的返回值为+ROLE：0，发送AT+ROLE=1即可设置模块为主机，若返回值为OK应答则模块设置成功，注意串口调试助手要勾选发送新行，这样就能自动发送回车了。

蓝牙模块与手机蓝牙之间的设置与匹配：统HC-05蓝牙模块设置为从设备，手机蓝牙为主设备，当手机安装好蓝牙串口助手后，打开蓝牙调试助手界面，搜索蓝牙设备，然后选择键盘模式，设置键盘指令即可。