基于單片機(jī)的家用電器無線管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李穎

【摘 要】 本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了家用電器的無線控制功能，利用無線電數(shù)據(jù)收發(fā)技術(shù)，控制遠(yuǎn)程主機(jī)繼電器的開關(guān)。本設(shè)計(jì)分為遙控器和控制主機(jī)兩部分，都使用stc89c52單片機(jī)作為控制核心，遙控器負(fù)責(zé)將按鍵的鍵值發(fā)送給設(shè)定的主機(jī)，當(dāng)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送給自己，然后根據(jù)接收的鍵值執(zhí)行不同的操作，當(dāng)接收鍵值并驗(yàn)證正確后，控制主機(jī)將數(shù)據(jù)反送回遙控器，由遙控器判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。

【關(guān)鍵詞】 遙控器 家用電器 ?單片機(jī) ?溫度傳感器

隨著家用電器的普及，人們已經(jīng)不單單追求“能用”，而是更加注重用戶體驗(yàn)，所以現(xiàn)在很多家電廠商推出各種高端的產(chǎn)品，家用電器正在向著智能化的方向發(fā)展?；趩纹瑱C(jī)的家用電器無線管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一種家用電器無線控制器的實(shí)現(xiàn)方案，通過這個(gè)方案，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制。

1 總體方案介紹

本設(shè)計(jì)分為遙控器和控制主機(jī)兩部分，都使用stc89c52單片機(jī)作為控制核心，遙控器負(fù)責(zé)將按鍵的鍵值發(fā)送給設(shè)定的主機(jī)，當(dāng)主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送給自己，然后根據(jù)接收的鍵值執(zhí)行不同的操作，當(dāng)接收鍵值并驗(yàn)證正確后，控制主機(jī)將數(shù)據(jù)反送回遙控器，由遙控器判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

STC89C52單片機(jī)是C51核心的單片機(jī)，較傳統(tǒng)MSC-51單片機(jī)增加了一些功能，其內(nèi)置復(fù)位電路，具有8KB的Flash存儲(chǔ)空間和512B的RAM空間。

單片機(jī)的最小工作電路中Download為單片機(jī)的下載端口，即單片機(jī)的串口。單片機(jī)內(nèi)置復(fù)位電路，復(fù)位口RST內(nèi)置一個(gè)下拉電阻，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，單片機(jī)只需要外面提供一個(gè)電容即可，通過這個(gè)電容可以控制單片機(jī)的復(fù)位延時(shí)時(shí)間，所以使用的電容C3為0.1uF的，只需要很短的復(fù)位延時(shí)即可。

2.2 無線模塊nRF24L01電路的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)通信的可靠性和穩(wěn)定，選擇數(shù)字式的無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片作為無線通信的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，nRF24L01為NORDIC公司生產(chǎn)的一個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸芯片，數(shù)據(jù)傳輸于2.4G全球開放ISM頻段，無需入網(wǎng)許可證。nRF24L01適用于多種無線通信的場(chǎng)合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控玩具等。

高頻通信的天線設(shè)計(jì)是需要專業(yè)環(huán)節(jié)下進(jìn)行的，天線模型建立后還需要進(jìn)行頻譜儀測(cè)試，所以設(shè)計(jì)過程繁瑣，同時(shí)nRF24L01封裝為QFP封裝，焊接難度大，因?yàn)樘炀€和封裝的緣故，在不要求尺寸的應(yīng)用中通常使用的是nRF24L01的模塊，模塊自帶天線，并將通信接口引出。與單片機(jī)通信使用的是SPI通信接口，可以直接和輸出電流<10mA的5V端口相連。

nRF24L01模塊的接口電路中，設(shè)計(jì)時(shí)選擇一片AMS1117的穩(wěn)壓芯片，該芯片可以穩(wěn)定提供500mA的供電電流，由于nRF24L01工作電流與工作狀態(tài)有關(guān)，所以需要在AMS1117的輸出端并聯(lián)一個(gè)100uF的電容來保證供電電壓的穩(wěn)定性。

2.3 液晶顯示電路的實(shí)現(xiàn)

液晶的接口電路里，VO為液晶自帶的負(fù)壓輸出端口，通過Rp電位器調(diào)節(jié)液晶負(fù)壓輸入端口的電壓值，負(fù)壓決定液晶顯示的對(duì)比度，負(fù)壓絕對(duì)值越大，液晶的對(duì)比度也越大，為了實(shí)現(xiàn)良好的視覺效果，需要調(diào)整Rp電位器，以便液晶對(duì)比度合適。

2.4 時(shí)鐘和溫度電路的實(shí)現(xiàn)

如圖1為PCF8563時(shí)鐘芯片原理圖，芯片內(nèi)置晶振的起振電容，所以外面無需電容即可工作，但是由于晶振參數(shù)不一致，所以一般需要外置兩個(gè)電容C14和C15，對(duì)晶振進(jìn)行細(xì)微補(bǔ)償。

如圖2為18B20溫度傳感器原理圖，R4的作用是提高單片機(jī)IO的驅(qū)動(dòng)能力，在數(shù)據(jù)線較長(zhǎng)或者多顆18B20并聯(lián)時(shí)，為數(shù)據(jù)線DQ提供驅(qū)動(dòng)電流。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 遙控器軟件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)

遙控器軟件流程為，系統(tǒng)上電后，遙控器首先進(jìn)行初始化，初始化內(nèi)部數(shù)據(jù)和硬件，之后對(duì)nRF24L01進(jìn)行初始化操作。初始化結(jié)束后，處在待機(jī)狀體，當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下后，遙控器將按鍵鍵值包括地址和密碼發(fā)送出去，當(dāng)控制主機(jī)接受到數(shù)據(jù)后，密碼地址驗(yàn)證正確后會(huì)將鍵值返回，此時(shí)為一個(gè)正確的收發(fā)控制循環(huán)，然后遙控器將待命，準(zhǔn)備下一次發(fā)送。當(dāng)遙控器多次為接受到返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，證明系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，此時(shí)進(jìn)行報(bào)警操作。

3.2 控制主機(jī)軟總體設(shè)計(jì)件

上電后系統(tǒng)首先進(jìn)行的初始化后系統(tǒng)循環(huán)顯示當(dāng)前的溫度，時(shí)間以及工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)接收時(shí)，將數(shù)據(jù)從nRF24L01內(nèi)部將數(shù)據(jù)讀取到單片機(jī)里，然后進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)密碼和地址都正確的時(shí)候，按照按鍵的鍵值控制主機(jī)將進(jìn)行相應(yīng)的操作，驗(yàn)證不正確的時(shí)候，系統(tǒng)將會(huì)把該次接收值摒棄，不進(jìn)行任何操作。這樣做的目的是為了使得整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定有序的工作。

3.3 無線模塊nRF24L01控制程序設(shè)計(jì)

nRF24L01單次循環(huán)操作流程為：在空閑模式，單片機(jī)設(shè)置nRF24L01工作在接收模式，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后nRF24L01的IRQ引腳輸出低電平，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)后，就可以直接從nRF24L01芯片內(nèi)將接收的數(shù)據(jù)讀取出來。

nRF24L01的通信接口為SPI，選擇的單片機(jī)為STC89C52沒有硬件SPI接口，所以需要由軟件來模擬實(shí)現(xiàn)SPI通信，對(duì)于SPI通信，操作時(shí)序比較簡(jiǎn)單，單片機(jī)一直工作在主機(jī)模式，nRF24L01模塊工作于從機(jī)模式。

對(duì)nRF24L01的控制，實(shí)際就是通過程序?qū)RF24L01內(nèi)部寄存器的讀寫過程，論文已經(jīng)敘述了SPI的通信接口時(shí)序，根據(jù)此時(shí)序可以完成SPI底層驅(qū)動(dòng)程序的編寫，底層的驅(qū)動(dòng)包含對(duì)nRF24L01數(shù)據(jù)的讀寫，對(duì)nRF24L01寄存器的讀寫，利用這兩個(gè)基本的讀寫操作函數(shù)，程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)nRF24L01芯片內(nèi)固定地址數(shù)據(jù)進(jìn)行單個(gè)讀寫或者連續(xù)讀寫操作。

3.4 時(shí)鐘和溫度程序設(shè)計(jì)

時(shí)鐘信號(hào)線為SCL，時(shí)鐘信號(hào)都是由主機(jī)來負(fù)責(zé)產(chǎn)生的，在本設(shè)計(jì)中STC89C52單片機(jī)作為通信主機(jī)，所以時(shí)鐘信號(hào)線上的時(shí)鐘信號(hào)需要由單片機(jī)來提供。

I2C時(shí)序?qū)r(shí)鐘信號(hào)的時(shí)間精度要求很低，所以I2C程序的難點(diǎn)在于如何控制同步信號(hào)上，同步信號(hào)包括起始信號(hào)，停止信號(hào)，以及應(yīng)答信號(hào)。

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