太阳能多功能控氧家居系统

李安润，陆慧博

（西藏大学 工学院电子信息系，西藏 拉萨 850000）

随着科技革命步伐地不断加快和智能家居时代的不断逼近，人们对生活水平的质量不要提高，如何将科技手段融入到每一个家庭当中，让每一个老百姓体验到科技成果带来的“新生活”已成为每个科研人的梦想。本项目立足于西藏地区，着眼于将科技更好为藏族同胞和广大游客服务，以有效缓解高原缺氧问题、智能居家控制和实现安卓手机[8]控制家用电器等功能。

很多初入高原的人由于缺氧而引发的头疼、头晕、眼花、耳鸣、全身乏力、行走困难、难以入睡等症状。本项目针对高原地区普遍缺氧的情况，将有效解决如下问题：将使援藏者、有意向在西藏工作者和已在西藏工作者在该产品的帮助下解决缺氧问题，在室内就能合在内地一样“呼吸”，而不必整天抱着氧气袋；该项目对于心肌功能较弱的老年人和小孩子的健康成长也起着促进的作用；甚至能推动高原人才的引进和旅游业的发展。与此同时，传统的家用制氧机存在诸多缺点，例如，无法实现自动地根据室内氧气浓度来调节供氧的多少，只能24小时一直供氧。一方面不能自动控氧达到富氧状态；另一方面，当室内没人或者氧气浓度已经达到富氧状态时，继续供氧会对资源造成一定的浪费。

1 硬件电路设计

1.1 系统硬件设计

项目设计的硬件包括，STC公司的增强型8051单片机、家用制氧机、氧气传感器、12864液晶显示模块、AD采样模块、稳压电路、过充过放保护电路等。项目中利用西藏地区充足的太阳能提供能源支持，将太阳能转化为电能并存储在蓄电池当中。通过稳压电路给单片机、制氧机及各个模块供电，主控芯片利用AD采样不断采集各个信息，并将信息显示在12864液晶显示屏上；同时利用安卓手机的蓝牙与蓝牙模块相连，并与单片机实现通信功能，同时也可通过电脑对其进行相应的控制操作。太阳能电池板的开路电压为20 V，考虑到对蓄电池的保护，选用了8 W型号；蓄电池选用了20AH，DC12V的型号。系统硬件设计框图如图1所示。

1.2 STC15F2K61S2简介

作品的设计平台选型，是基于STC15F2K61S2单片机为核心的控制。STC15F2K61S2单片机，增强型8051CPU，1T型，运行速度为传 统8051的7到12倍；内部有集成10位ADC，速度可达30万次/秒，ADC转换简单方便，无需外加ADC芯片；38个I/O口方便使用，且I/O口 的功能可以切换，简化设计外围电路的设计；低功耗设计、空闲模式、掉电模式等，内部高可靠复位，ISP编程，无需外部晶振等强大功能。

图1 系统硬件结构框图Fig.1 The structure diagram of system hardware

1.3 AD采样

STC15F2K61S2单片机ADC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC（数/模转换）、转换结果寄存器（ADC_RES和ADC_RESL）以及ADC控制寄存器ADC_CONTR构成。

STC15F2K61S2单片机ADC是逐次比较型的，由1个比较器和D/A转换器构成。启动后，比较寄存器清“0”，然后通过逐次比较逻辑，从比较寄存器最高位开始对数据位置“1”，并将比较寄存器数据经DAC转换为模拟量与输入模拟量进行比较。若DAC转换后模拟量小于输入模拟量，保留数据位为“1”，否则清“0”数据位；依次对下一位数据置“1”，重复上述操作，直至最低位为止，则A/D转换结束；然后，保存转换结果，发出转换结束标志。逐次比较型ADC具有转换精度高、速度快等优点。

图2 ADC结构图Fig.2 ADCstructure

1.4 FBT-06蓝牙串口模块

蓝牙模块选用的是FBT-06 EVB蓝牙串口模块，是由移摩通讯公司生产的，采用世界领先的蓝牙芯片供应商CSR公司的BlueCore4芯片，标准class2蓝牙2.0版本规范设计，具有信号灵敏度高、通讯距离远、简单易用等特点，可通过AT指令查看或者设置控制参数，满足无线串口通信远距离传输的要求。

该型号蓝牙模块支持所有蓝牙协议，采用标准HCI端口（UART or USB）、Full Speed USB1.1， Compliant With 2.0 USB协议。通过AT指令，可为模块设置控制参数或发布控制命令；支持各种标准波特率，并支持硬件流传输控制，最高串口波特率为1 382 400 bps；通信频段为蓝牙标准2.4 GHz，搭载外置蓝牙天线，在空旷、无遮挡地带，收发距离可达30米。

单片机的 RS232串口、RXD、TXD分别与 FBT-06 EVB的RS232串口、TXD、RXD相连接，安卓手机的蓝牙与FBT-06 EVB蓝牙模块相连接，从而实现安卓手机与单片机的连接。通过在安卓手机上安装“安卓手机串口调试助手”软件，实现安卓手机、蓝牙模块和单片机三者之间的通讯。从而实现安卓手机控制酥油灯、制氧机等功能。FBT-06模块管脚示意图、安卓手机串口调试助手示意图分别如图3、4所示。

1.5 12864液晶显示屏

图3 模块管脚示意图Fig.3 Module Pin Schematic

因本系统显示的内容有汉字，字符，数字等，于是我们选择了12864液晶显示，此液晶使用5V电压驱动，带背光，内置8192个16*16点阵，128个字符（8*16点阵）及 64*256点阵显示RAM。而且此液晶拥有较低的功耗，能够清晰的显示各种汉字、英文和各种图形，部分液晶甚至带有中文字库，非常适用于我们此系统的使用，为了避免占用大量I/O口，我们采用串行的接口方式，使我们的系统设计变得更加简单。

1.6 电源变换部分电路原理分析

系统的电源变换电路原理图如图5所示。

图4 安卓手机串口调试助手示意图Fig.4 Android phones serial debugging assistant schematic

图5 稳压电路原理图Fig.5 Voltage stabilizing circuit principle diagram

电源变换部分采用的是三端集成稳压器来实现的，具体电路图如上所示，使用了7805变换得到稳定的直流5 V输出，同时，由D8和R19组成了电源指示电路来显示当前系统的供电是否正常。J3的端子为STC15F2K61S2主控板提供电源，B+为蓄电池电源引入端子。

1.7 氧气传感器工作原理

氧气传感器是一个密封容器（金属的或塑料的容器），它里面包含有两个电极：阴极是涂有活性催化剂的一片 PTFE（聚四氟乙烯），阳极是一个铅块。这个密封容器只在顶部有一个毛细微孔，允许氧气通过进入工作电极。两个电极通过集电器被连接到传感器表面突出的两个引脚，而传感器通过这两个触角被连接到所应用的设备上。传感器内充满电解质溶液，使不同种离子得以在电极之间交换。

进入传感器的氧气的流速取决于传感器顶部的毛细微孔的大小。当氧气到达工作电极时，它立刻被还原释放出氢氧根离子：

这些氢氧根离子通过电解质到达阳极（铅），与铅发生氧化反应，生成对应的金属氧化物。

1.8 家用制氧机原理

本项目是采用分子筛制氧机。主要流程为两塔。原料空气由压缩机加压后，经过空气预处理装置除去油、尘埃等固体杂质及水，并冷却至常温，经过处理后的压缩空气由进气阀进入装有分子筛的吸附塔，空气中的氮气、二氧化碳等被吸附，流出的气体即为高纯度的氧气，当吸附塔达到一定的饱和度后，进气阀关闭，冲洗阀打开，吸附塔进入冲洗阶段，过后冲洗阀关闭，解吸阀打开进入解吸再生阶段，这样即完成了一个循环周期。

2 软件设计

2.1 主程序流程框图

主程序是一个闭合的循环，I/O口初始化部分包括I/O口状态是处于输入，还是输出状态，是否设置为上拉下拉等操作，都在I/O端口初始化函数中完成；LCD初始化主要是对液晶显示部分的相关数据线，控制线的状态进行设置；串口初始化是设置好与蓝牙模块相连接的端口，以备单片机和蓝牙模块进行通讯，并不断判断是否有信息传输到单片机上；A/D采样初始化主要是开启A/D采样，不断判断A/D采样是否结束以完成各个传感器的采样，然后通过单片机进行处理，并将各个信息显示在12864液晶显示屏上。

图6 主程序流程框图Fig.6 Flow chart of main program

3 系统测试结果

3.1 太阳能控制器电路板消耗电路测试

太阳能控制器电路板的完成了对蓄电池充电的硬件控制，在正常工作时的电流测试结果如下：

3.2 实物图

实物图所图7所示。

图7 实物图Fig.7 Pysical figure

4 结束语

针对高原地区诸多问题设计的太阳能多功能控氧家居系统，使用了STC15F2K61S2微处理器，结合太阳能供电技术、蓝牙模块、传感器模块、氧气传感器、液晶显示等设计的。将蓝牙功能接入单片机当中，从而实现安卓手机与单片机的通讯，最终实现对家居系统的控制，实现了家居的智能控制，并且该系统执行效率高、功耗低、稳定性好等优点。通过对西藏地区实际情况的考察，结合游客和当地市民的需要本设计不但解决了西藏地区的实际问题，而且具有非常好的市场空间，完全可以在内地诸多城市进行推广。

[1]丁向荣.增强型8051单片机原理与系统开发[M].北京：清华大学出版社，2013.

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