一種新型可升降智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

溫博閣

摘 要：采用STC89C51處理器智能家居及監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)多空間溫度、光強(qiáng)、煙霧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)和傳感器構(gòu)成，其中下位機(jī)由主控芯片以及功能模塊構(gòu)成，上位機(jī)由APP應(yīng)用構(gòu)成，傳感器包括溫傳感器、光線傳感器和煙霧傳感器。最后，做出了實(shí)物，試驗(yàn)結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有一定市場推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能家居 單片機(jī) 藍(lán)牙 傳感器 智能控制

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，智能家居產(chǎn)品逐漸走進(jìn)千家萬戶，大多數(shù)以智能開關(guān)、智能馬桶、智能鎖和智能保溫杯等，智能書桌鮮有人去關(guān)注，市面上出現(xiàn)的主要以6周歲一下使用者居多，真正推向大眾化和市場化產(chǎn)品很少。國外同類產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展很成熟，不管是設(shè)計(jì)工藝還是使用感受都很好，受制于昂貴的價(jià)格和運(yùn)費(fèi)，銷量一直不溫不火。目前，在國內(nèi)也有不少學(xué)者已經(jīng)取得了少成果，杜偉[1]等采用STM32F103Zet6單片機(jī)作為核心微控制器，設(shè)計(jì)了一款基于人體健康監(jiān)測的智能書桌，存在結(jié)構(gòu)簡單且功能不全，達(dá)不到理想測試結(jié)果。湯潔[2]等主要采用調(diào)查與報(bào)告，面向群體是兒童設(shè)計(jì)一款簡易書桌，研究內(nèi)容僅限于國內(nèi)外對比，深入研究內(nèi)容太少。

因此，本文采主要研究智能升降書桌控制系統(tǒng)，以STC 89C52芯片為核心，采用模擬I2C總線以及單總線通信協(xié)議將三個(gè)傳感器模塊采樣值傳輸至主控芯片，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后通過藍(lán)牙模塊傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示各自的數(shù)值并判斷是否在設(shè)定的允許范圍內(nèi)，一旦超出閾值則調(diào)出手機(jī)短信框進(jìn)行報(bào)警，最后還可根據(jù)環(huán)境光亮度，通過控制 LED亮滅實(shí)現(xiàn)模擬家電控制。本設(shè)計(jì)中的傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器和煙霧傳感器。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，符合常規(guī)思維，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2 整體設(shè)計(jì)

該智能書桌主要由桌板底下控制系統(tǒng)、升降系統(tǒng)組成，采用STC89C51處理器智能家居及監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)多空間溫度、光強(qiáng)、煙霧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[3]。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)和傳感器構(gòu)成，其中下位機(jī)由主控芯片以及功能模塊構(gòu)成，上位機(jī)由APP應(yīng)用構(gòu)成，傳感器包括溫傳感器、光線傳感器和煙霧傳感器[4]。智能升降桌的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框圖

該書桌使用DS18B20高精度煙霧傳感器模塊、MQ-2煙霧傳感器模塊、5516光敏電阻傳感器模塊采集室內(nèi)溫度、煙霧和亮度，再通過PCF8591數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和單總線通信將信號傳給STC89C52主控芯片，經(jīng)過一定的算法處理通過藍(lán)牙模塊與APP配對，將信號傳給上位機(jī)，上位機(jī)接收信號并進(jìn)行判斷選擇報(bào)警，上位機(jī)可給下位機(jī)發(fā)信號，控制下位機(jī)LED燈的亮滅，達(dá)到了題目的所有要求[5]。

3.2 子系統(tǒng)流程圖

在軟件程序上首先對單片機(jī)外設(shè)初始化，以及模擬I2C時(shí)序、單總線時(shí)序初始化，再循環(huán)程序?qū)D模塊進(jìn)行讀操作從而獲得MQ-2測量值，單片機(jī)通過單總線直接讀取DS18b20的值并進(jìn)行算法處理獲得環(huán)境溫度值，單片機(jī)根據(jù)模擬I2C時(shí)序與BH1750進(jìn)行通信并選擇模式，從而讀取返回室內(nèi)光強(qiáng)（lux）值，將讀取的三個(gè)傳感器模塊存入緩沖區(qū)中，并每隔500ms將緩沖區(qū)中的內(nèi)容發(fā)送給上位機(jī)。單片機(jī)時(shí)刻讀取RI接收標(biāo)志位準(zhǔn)備接收開關(guān)燈數(shù)據(jù)，接收特定的數(shù)值后控制IO口電平變化，進(jìn)而控制LED燈的亮滅。通過流程圖進(jìn)行上位機(jī)和下位機(jī)程序編寫與制作[6]。

3.3 上位機(jī)程序流程圖

上位機(jī)調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙與HC-05藍(lán)牙模塊連接，波特率為9600。待藍(lán)牙連接后立即啟動(dòng)手機(jī)定時(shí)器，定是時(shí)間為500ms，等500ms結(jié)束上位機(jī)調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙接收下位機(jī)發(fā)來的四個(gè)數(shù)為一幀的數(shù)據(jù)幀，幀頭為0X70，第二個(gè)數(shù)據(jù)為溫度的正負(fù)值判斷，后三個(gè)數(shù)據(jù)分別為溫度絕對值、室內(nèi)亮度（·lux）值和MQ-2測量值，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較并顯示在標(biāo)簽上，如果不再允許閾值內(nèi)則短信報(bào)警。顯示在標(biāo)簽后手機(jī)重新開始計(jì)時(shí)500ms。

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 下位機(jī)測試流程

對于測試本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性本設(shè)計(jì)了一套測量方案：對于測量亮度，通過用手捂住BH1750光敏電阻造成一種黑暗環(huán)境來測試本系統(tǒng)對于黑暗環(huán)境的反應(yīng)，用手電筒照射BH1750光敏電阻造成一種強(qiáng)光環(huán)境來測試本系統(tǒng)對于強(qiáng)光環(huán)境的反應(yīng)。對于測量室內(nèi)煙霧濃度，可通過點(diǎn)燃香煙靠近MQ-2來測試系統(tǒng)對于煙霧濃度超標(biāo)的反應(yīng)。對于溫度測量，可通過打火機(jī)靠近DS18B20溫度傳感器來測試系統(tǒng)對于高溫的反應(yīng)，將其拿到室外可測試系統(tǒng)對于低溫的反應(yīng)。通過這些方法可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

4.2 上位機(jī)操作流程

如圖2操作界面所示，最上排為藍(lán)牙連接設(shè)置部分，首先點(diǎn)擊“藍(lán)牙地址”出現(xiàn)列表選擇框選擇所連接HC-05藍(lán)牙模塊的名字以及地址。點(diǎn)擊“連接”按鈕連接藍(lán)牙，點(diǎn)擊“開關(guān)”按鈕開始啟動(dòng)定時(shí)器，等到500ms定時(shí)開始接收下位機(jī)的數(shù)據(jù)。第二排為閾值設(shè)置，點(diǎn)擊“重設(shè)閾值”，“溫度”、“亮度”、“煙霧濃度”閾值按鈕開啟，通過點(diǎn)擊“+/-”按鈕調(diào)整閾值，閾值設(shè)置完畢點(diǎn)擊“設(shè)置完畢”后“+/-”按鈕關(guān)閉，重設(shè)閾值完畢。上位機(jī)把下位機(jī)收到的數(shù)據(jù)分別顯示在“溫度（℃）”、“室內(nèi)兩度（lux）”、“煙霧濃度”后面。

4.3 上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)

經(jīng)過測試可判斷下位機(jī)對光強(qiáng)、煙霧濃度反應(yīng)靈敏程度，以及測量溫度準(zhǔn)確程度，上位機(jī)對不在閾值范圍內(nèi)的報(bào)警速度判斷系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。上位機(jī)能夠控制LED亮滅，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.4 控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出，各個(gè)傳感器模塊以及外加AD模塊均能正常與單片機(jī)通信，并且時(shí)序正確，這里采用滑動(dòng)變阻器模擬MQ-2分壓，單片機(jī)接收功數(shù)據(jù)以及發(fā)送數(shù)據(jù)能正常，滿足設(shè)計(jì)課題所有要求。

5 實(shí)驗(yàn)

最后筆者借助三維軟件根據(jù)二維圖紙，加工并制作出物理原型機(jī)，如圖3所示，電路部分如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：當(dāng)上升時(shí)，螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)收縮，筒螺桿保持不轉(zhuǎn)，一級、二級和三級同時(shí)升高，運(yùn)行速度平穩(wěn)，且噪音低于30db，行程隨時(shí)間變化曲線圖，如圖5所示。

6 結(jié)語

本文提出了一種帶輔助光源可升降的智能學(xué)習(xí)桌設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，運(yùn)用UG進(jìn)行三維建模，來驗(yàn)證升降系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，并且對升降機(jī)控制系統(tǒng)和電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出物理原型機(jī)，經(jīng)調(diào)試后測試，結(jié)果表明：升降和下降變化曲線平穩(wěn)，輔助光源和矯姿系統(tǒng)功能良好，整體機(jī)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求，為繼續(xù)優(yōu)化完善升降桌打下了基礎(chǔ)，也為解決此類問題應(yīng)用提供一種技術(shù)驗(yàn)證手段。

參考文獻(xiàn)：

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