基于单片机的智能控制家电开关系统的设计和实现

刘刚信

（青岛海信空调营销股份有限公司济南分公司 山东省青岛市 266000）

随着计算机制造技术的发展，单片机由此诞生，作为计算机硬件发展的一个重要分支，单片机在单个芯片上集成了多个组件，使其成为具有独特功能的计算机。文章重点研究了单片机在智能控制家电中的实践应用，以STC89C52 单片机为核心，设计出一款新型的智能控制家电开关系统，利用手机通过控制模块向单片机发送指令，以此来达到家电设备智能控制的目的。在智能控制系统实际运行中，仅需要在电源出接入系统，就能够控制开关，操作较为简捷，在高端住宅场合得到了较为广泛的推广和应用，并取得了一致好评。

1 单片机概述

1.1 单片机原理

单片机是一个微型计算机系统，除了基础性的计算机功能，单片机的体积较小、重量较轻，并且具有较强的抗干扰能力和可靠性，对环境的要求较低，在工业自动化、消费电子、武器装备、计算机终端外设以及智能仪器仪表中得到了较为广泛的应用。我国最早使用的是MCS-51 系列，之后陆续出现了衍生机型，主要是以AT89C5x 为主，在市场中占据较大的分割，与初期的8051 内核技术相比，AT89C5x 在完全兼容的基础上将闪存功能增添其中，取代了初期的内核技术。随着信息技术的发展，在现有市场中逐渐出现AVR 和PIC系列，在本文的研究中主要是基于STC89C52 单片机进行介绍。

1.2 单片机分类

一般来说，单片机可以分为通用类或专用类、工业类或家电类以及总线类或非总线类。首先是通用类和专用性，即是按照单片机的使用范围进行划分，比如说80C51 是较为典型的通用类单片机，应用广泛，通用性较强，不是围绕特定的目的进行设计，专用类单片机则具备一定的专一性，主要应用于某一类或某一种产品。其次是工业类和家电类，即是按照单片机的应用领域进行分类，工业控制类的单片机其计算能力较强，具有较大的寻址范围。相对于工业类，家电类单片机多是专用型，体积较小，价格较低，外围设备和接口具有高集成度。最后是总线类和非总线类，即是按照是否提供并线进行划分，顾名思义，总线类单片机是指配备有并行的总线，一般适用于扩展和并行外设中，仅利用串口就能够连接到单片机。与总线类单片机相比，非总线类单片机所需要的设备接口主要集中在一个芯片当中，不需要并行总线，因此整体的成本较低，芯片较小。

1.3 无线通信技术

无线通信的主要目的是信息交换，也是电路控制主板和控制终端互联的基础和媒介。目前我国居民住宅所使用的多是蓝牙模式和Wi-Fi 模式的无线通信技术。首先从运行范围上进行分析，蓝牙的适用范围较窄，仅限于叫短距离的无线通信，如果在使用中超出限定的范围，则会自动断开，从而限制操作电路主板的控制。与蓝牙相比，Wi-Fi 的适用范围相对较为广泛，具有较大的信号传输强度。相对于蓝牙，Wi-Fi 的信号也较为稳定，目前应用的较为普遍，一般在较远距离的无线传输中较为适用。其次是灵活性，相对于蓝牙的一对一或者是多对多，Wi-Fi 的控制较为简便，属于无线局域网，与蓝牙的无线个域网不同，在连接的过程中不需要点对点的传输模式，Wi-Fi 是由多个端口同时实现传输。最后在传输速度方面，一般就目前适用的蓝牙来说，传输速度最高为24Mbps，使用的是调频扩谱，而Wi-Fi 最高的传输速度高达100Mbps，使用的是直序列扩频和相移键控制，并且Wi-Fi 在传输的过程中较为安全。但是在智能控制家居开关系统设计使用中，Wi-Fi 的程序较为麻烦，需要不定时的连接不同的Wi-Fi 网络，从而实现对智能家居电器的控制，但蓝牙能够很好的解决这一问题。鉴于此在本次设计中对Wi-Fi 和蓝牙两种不同方式的智能控制家居开关系统的设计方案进行研究和探讨，从而完成对家用电器开关进行开启和关闭的操作。

2 单片机在智能控制系统中的应用

在智能控制系统中单片机的出现降低了其设计难度，相对于其他设计，基于单片机的智能控制系统无论是在技术设计、成本控制还是在产品质量和效率提升上都具有一定的优势，业为智能控制系统设计提供了新的思路和方向。目前单片机在智能家居和智能生产领域的应用较为广泛，为其发展提供了有效途径。

2.1 智能灯光系统

在智能灯光系统中，单片机多是以路灯、信号灯以及广告牌等较为常见，通过单片机的应用实现了智能化的设计和控制，为方便使用和高效节能提供了有效的途径。和传统非单片机控制器相比，基于单片机进行智能灯光系统设计能够将各类的传感器有效的结合在一起，从而实现全智能化免操作的灯光控制系统。

以工作场所的走廊灯光系统为例，基于单片机在灯光系统设计的过程中可以将其于光敏电阻和热释电红外传感器进行结合，从而完成特定情况下光照度不足的灯光自主控制。在智能灯光系统具体设计的过程中，主要包含主模块电路、传感器电路，其中主模块电路主要涵盖电源电路、复位电路和时钟电路，光感电路和红外传感电路则是传感器电路的主要组成，结合不同场所的不同需求，在灯光系统设计中还可以将振动监测电路纳入其中，能够充分的满足指定时间内的多种控制相结合的硬件系统设计，通过对系统终端的处理以及数据的读取处理真正的实现智能灯光一体化控制处理。由此可见，在智能灯光系统实际设计的过程中，单片机的应用为更多嵌入式的应用提供了更为高效的解决方案，实现了对灯光控制的不同需求。

2.2 智能安防系统

在现代社会经济发展的背景下，人们对物质生活水平有了更高的追求和要求，不仅需要较为舒适的生活和工作环境，更为重要的是要构建较为完善的安防系统和场所防范能力。因此在安防系统设计的过程中可以利用单片机技术将其与红外监控、烟雾监控以及煤气监控有效的结合，通过多种传感器的关联，能够在发生警情的第一时间实现信息的传递。

基于单片机的智能安防系统设计的过程中，单片机为主控部分，不借助任何外部存储器，内部存储器就能够满足日常数据信息的储存，比如说报警代码、标志字段等等。数字语音电路通常是采用数字语音芯片，通过电路与信号的连接传输语音信号。在本系统设计中以单片机为核心，借助成熟的通信技术实现语音报警和自动检测。

在日常生活和工作中都具有较为重要的应用和推广价值。图1 是基于单片机的智能安防系统运行原理。

图1：基于单片机的智能安防系统

2.3 智能仓储系统

智能化仓储系统的核心是智能货架系统，而远程无线标签是智能货架系统的重要组成部分。在智能仓储系统设计的过程中通过远程无线标签实现了在线采集，为后续软件的应用和统计提供了保障，实现了仓储的无人化管理。在信息采集的过程中，无线标签需要采集终端，并将信息在线传输给用户，基于单片机进行数据终端采集器的设计不仅降低了成本，还在一定程度上简化了运行的流程，提高了开发效率，为其应用提供了根本保障。

在无线标签终端采集系统设计的过程中，可以利用PIC16F877 单片机进行设计，因PIC16F877 单片机具备Flash 程序记忆功能，因此与初期的单片机存在较大的区别，能够重复编程，内部设置的ICD 功能还可以帮助用户进行缓存和暂停，从而完成对程序的快速开发和调试。指令集与初期单片机也存在一定的不同，PIC16F877 的指令集较少，因此整体的结构较为简单，专业性更强，体积较小，成本较低，更加适合专机专用。

基于PIC16F877 单片机进行智能仓储系统设计的过程中可以选用Nrf24l01 无线模块，Nrf24l01 是一种无线通信芯片，内部集成自己的EnhancedShortBurst 协议，在实际运行的过程中具有较高的通信速度。除此之外该模块能够直接进行加工和生产，具有较强的抗干扰能力，软件编程较为便捷，在工业性控制领域中具有较强的适用性。图2 是基于PIC16F877 单片机的无线标签数据读取终端。

图2：基于PIC16F877 的无线标签数据读取终端

2.4 减速控制系统

随着国民经济和科学技术水平的提升，汽车已经成为社会家庭不可或缺的交通工具，交通事故的发生率也因此越来越高，尤其是因超速导致的交通事故占据了较大的比例。为了限制汽车速度，减速带因其具备的优势成为一种较为普遍的交通安全设置，被广泛的普及和使用，但是由此产生的噪音、减速带滥用等问题也随之出现。根据相关的研究显示，基于单片机设计智能控制系统，能够对车速进行评估和判断，对超速超重的车辆的速度进行有效的控制，充分充分的发挥减速带的功能，有效的减少交通事故的发生。

根据相关的调查研究显示，有学者为了保护车辆的安全，减少慢性车辆零部件的损伤，设计了一种带有减震轴的减速带，通过减轻车辆的震动幅度对车辆起到一定的保护作用。在此基础上，基于测试技术的智能减速带和自适应理论背景下的可升降减速带也逐渐出现在人们的视线中。但是从整体上进行分析，可升降智能减速带将车速调整和减速带的高度进行结合，具有一定的适用性，但是未考虑到车辆的分类限速以及不同时段车辆的速度限制。基于单片机的自适应智能减速带控制系统将重量传感器技术与车速传感器技术相结合，增加了车重和车型的检测部分，通过速度与重量等相关信息的采集合理的设计出速度控制方案，促使车辆行驶在安全范围内，最大程度上减少了交通事故的发生。由此可看出在车辆减速带智能控制系统中，基于单片机进行设计和应用具有较好的应用成效。

3 基于单片机的Wi-Fi智能控制家电开关系统设计与实现

基于单片机在智能控制家电开关系统设计的过程中包含硬件和软件两个部分。在硬件设计部分将STC89C52 作为核心电路，其他的组成部分包含继电器控制回路、电源回路以及ESP8266 Wi-Fi 模块；在软件设计中主要是以单片机的系统软件和APP 设计为主。

STC89C52 单片机最小系统电路为核心，加入模块、直流电源回路和继电器回路。其工作原理为：通过USB 将外部220V 家用交流电源直接转化为5V 直流电源输出。通过手机WiFi 连接局域网，在APP 内控制继电器接点的开关。在实际运行的过程中主要是利用手机来发送命令。OA 表示继电器接点全部打开，CA 表示继电器接点全部闭合。利用APP 发送01-04 命令，则继电器接点的1-4 打开，通过APP 发送C1-C4 命令，则继电器接点的1-4 闭合，除此之外U1-U4 命令则表示接点的1-4 延迟打开等等。

3.1 硬件设计

3.1.1 电源电路设计

电源电路设计包含两个环节，一是5V 输入电源和监视电路，二是5V 转3V 的电源电路。STC89C52 单片机的电压为3.3-5.5V，直流电流5V 为系统电路的总电源，利用接口将家用交流电源转化为直流电压输出，之后接入DC 插座，5V 输入电源电流中装有红色LED 灯，将其作为监视指示灯，以此来检测监视电路中的电源情况。将LED 灯与电阻R2 连接，电阻值为1KΩ，以此来限制电阻，避免因电流较大对指示灯造成影响，确保指示灯显示正常，完成对监视电路的监测。SW1 为双刀双掷自锁开关，电路中有5V 直流输出，在电路显示正常的情况下，指示灯亮，再次按下SW1，电路中没有5V 输出，指示灯熄灭。

其次是5V 转3.3V 的电源电路。系统中ESP8266 Wi-Fi 模块需要3.3V 的电源，因此在电路设计中需要利用AMS1117-3.3 正向低压降稳压器来稳定电源的输出，从而满足该模块的供电需求。AMS1117-3.3 正向低压降稳压器的输入电压为5V，输出电压为3.3V，系统运行较为稳定。此外电路中的电容属于电解电容，在实际运行的过程中能够起到滤波的作用，通过低频分量的滤除促使电压的输出更加平稳。

3.1.2 STC89C52 单片机最小系统电路设计

STC89C52单片机的功耗较低、性能较高，属于微控制器，具备课编程Flash 存储器。STC89C52 单片机最小系统电路包含时钟电路、复位电路以及电源电路。其中时钟电路由电容和晶振构成，电容主要是对晶振起到起振的作用，复位电路包含电解电容、电阻和按键。

3.1.3 Wi-Fi 模块电路设计

ESP8266 是一块功耗较低的透传模块，在物联网和移动设备中的应用较为普遍，实现了物联网或局域网之间的通信传输。目前市场中主要分为AP 模式、station 模式以及混合模式。以AP 模式为例，ESP8266 模块的功能是实现手机或电脑的联网，从而控制局域网，具体来说一旦系统接入电源，就能够在移动设备上检索到热点，进而在手机上完成对继电器开关的控制。

3.1.4 继电器控制电路设计

继电器是自动化控制电路中较为常见的设备，具备控制和被控制的功能，即拥有输出电路和输入电路。继电器控制电路的基本原理是利用小电流控制大电流，从而实现自动开关。其流程是首先利用三极管驱动继电器，其次控制单片机的控制引脚，如果为低电平，则三极管保持导通的状态，线圈的两端由电压，电流则从线圈中间流过，进而产生电磁效应，导致1-3 接点闭合，LED 灯亮；反之，如果单片机的控制引脚为高电平，则三极管处在截止的状态，继电器的线圈无电流通过，电磁吸力也随之消失，从而导致1-3 接点打开，LED 灯灭。

在继电器控制电路实际运用的过程中，需要控制的交直流负载经过继电器接线端子接入。LED 灯主要是用来检测三极管是否导通，电阻起到限流的作用，其目的是为了对LED 和三极管起到一定的保护作用。

3.2 软件设计

在软件设计的过程中主要包含硬件和软件系统两个部分的设计。在控制系统设计的过程中要想充分发挥其作用和功能，就要编写能够支持硬件平台的软件程序，即将编译好的程序形成文件，并将程序写进单片机的芯片当中，这个过程又可以称之为烧写。

在该系统设计的过程中因涉及到的程序较为复杂，计算量较大，因此采用C 语言软件开发系统，通过C 语言进行编写。

整个烧写模块实现过程如下：首先连接好单片机的开发板、下载器以及PC，之后再STC-ISP 单片机下载编程烧录软件中选择合适的单片机型号和串口号，病将特波率设置好合适的参数，下载单片机程度，将已经编好的源程序通过串口烧写模块将其烧写到单片机的芯片当中。具体如表1 所示。

表1：模块与单片机的接线对应表

4 基于单片机的蓝牙智能控制家电开关系统设计与实现

4.1 硬件设计

4.1.1 单片机系统电路

在蓝牙智能控制家电开关系统设计的过程中，选用51单片机，因在电子设计中的应用较为普遍，具有较好的稳定性，兼容性较好。

4.1.2 驱动电路

在智能控制家电开关系统中驱动电路是较为重要的组成部分，主要是解析蓝牙指令所发出的命令进而对智能家居的开关进行控制。因此在智能家居开关控制系统中，需要对驱动机制进行选择。目前市场上主要有三种驱动机制，第一种是三极管，能够放大电流和功率，可以作为无触点开关，灵敏度较大，其传输速度高达100KHz。第二种是电磁继电器，主要是利用小电流控制大电流的一种自动开关，在实际应用中电磁继电器具备自动调节、安全保护以及转换电路等等功能。第三种是双向可控硅，目前该驱动机制在交流无触点开关使用中较为广泛，其驱动能力较大，性能较好，但是也存在一定的弊端，即较为容易击穿，因此需要使用双向可控硅来承受反向电压。

目前三种驱动机制皆是利用小电压控制大电压，三极管一般适用于直流开关中，双向可控硅尽管驱动能力较大，还可以实现反向导通，但是也较为容易击穿，因此在本次设计中以电磁继电器作为驱动机制。电磁继电器主要是利用弱电控制强电，在单片机实际运行的过程中通过对继电器断开和吸合的控制对外接家用电器的通断进行控制。

4.2 软件设计

单片机和手机是通过蓝牙模块进行信号的交换，因此在软件设计 的过程中需要对单片机的程序和软件程序进行编写，通过单片机、蓝牙模块和继电器来组成系统控制体系。启动手机控制平台并开展初始化操作，启动家电终端蓝牙模块，LED 灯位红色，手机蓝牙和智能家电完成蓝牙的匹配和对接，指示灯由红色转变为绿色。通过手机智能控制平台发送开的指令，家电终端的蓝牙模块在接收到指令之后，对指令进行解析，从而通过串行通信将相关的数据传输到单片机，单片机在获悉到数据之后，产生相关的电平信号，进而对继电器进行控制，促使智能家居正常的通电工作。

5 总结

综上所述，在本次设计中，基于单片机设计了Wi-Fi/蓝牙智能控制家电开关系统，从而实现了对智能家居的远程控制。在信息化时代背景下，智能化设备在人们的日常生活和工作中得到了较为广泛的普及和应用，也实现了高效率的住宅设施与日航所示的管理系统，在一定程度上提升了居民日常生活的便利性、安全性和舒适性，同时也为居民提供了环保节能的生活环境，在改变生态环境的同时促使了人们生活效率的提升。鉴于此在之后要加强对智能控制家电开关系统的深入研究和分析，最大程度上促进设计方案的优化，避免硬件和软件设计的过程中出现问题，在不改变任何家电的情况下，完成对家用电器、灯光、电源以及家庭环境的控制，利用现有的高科技技术来享受现代化的生活，提升人们的生活品质和质量。