智能家居手机蓝牙开关控制电路设计与实现

曹树伟 杨雪

摘要：以单片机为基础，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用电器开关机系统.整个系统以STC89C52单片机为核心，单片机主要实现HC-05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-05蓝牙模块来完成，蓝牙模块在整个系统中负责蓝牙开关指令的接收和传输.家电开关部分采用四路继电器开关来实现，被控家用电器可接大部分家用电器，本文中选择被控对象为室内LED灯、热水器、空调、音响.整个系统设计思路清晰，设计成本较低，具有较高的实用性和推广价值.

关键词：智能家居;蓝牙;单片机;开关

中图分类号：TN7  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）01-0025-03

1 引言

微电子技术、自动控制技术与通信技术的发展将人类社会带入一个电子信息世界，各种电子控制系统应用于生活的每一个角落.其中居住环境的智能化、人性化已经越来越受到青睐，电子科技的发展已经极大地便利了人们的生活，基于单片机与移动通信技术的蓝牙无线家电开关控制系统已经逐步在高端住宅场合得到了推广和应用并取得了一致的好评.

随着人们生活水平的提高，越来越多的家用电器被放置到自己的居住空间里，对每个电器独立开关操作给人们带来了一定的繁琐与不便.基于人们日常对手机的高度依赖，从而设计利用智能手机来随时控制开启自己家里的电器.这将使得人们对家电的开关操作更加便捷，因为手机蓝牙遥控的方式集多个开关于一身，化繁为简，不必面对一大堆独立电器遥控器.同时蓝牙无线遥控的工作模式使开启电器不再受距离的限制，躺在床上翻阅手机的时候就能实现卧室灯、热水器、空调、音响等电器的开关操作，大大提升了用户的操作便捷和舒适度.

2 电路总体框图与工作原理

2.1 电路总体框图

智能家居手机蓝牙开关控制电路总体框图如图1所示.电路原理图如图2所示.

2.2 电路工作原理

蓝牙开关电路以STC89C52单片机为控制单元，设计电路如图2所示.在用户手机上安装蓝牙串口App，根据室内家电名称设置蓝牙串口App相应的界面按键的名称和开关状态，通过App界面按键操作发出控制指令信息.然后通过无线蓝牙信号传输模式，由蓝牙接收模块接收手机发出的此蓝牙信号，控制相应端口所连接的继电器开关开闭动作，从而实现相应电器开关机控制.

3 功能模块电路原理与实现

3.1 STC89C52RC单片机控制电路

单片机电路作为电路的核心控制单元，本设计采用了STC89C52RC型号的单片机，该单片机工作电压为5.5v，最高時钟频率为80MHz，片内Flash程序存储器为8k字节，SRAM为512字节，EEPROM为4k字节，3个定时器，8个中断源，共有32个通用IO口.

单片机STC89C52最小系统由电源VCC，地GND，晶振电路和复位电路构成.图2中，P1为外部直流电源接口.直流电源由接口P1引入电路板的自锁开关SZ的3引脚，由5引脚引出.自锁开关作为电路的电源总开关.晶振Y1、电容C2、C3构成单片机振荡电路.电解电容C1和电阻R2构成单片机上电复位电路.单片机IO口P1.0定义为照明灯的开关控制信号，接第一路继电器控制端，即9012PNP型晶体三极管Q1的基极电阻前端，输入低电平有效，继电器KJ1导通.同理，单片机IO口P1.2、P1.4、P1.6分别定义为热水器、空调和音响的开关控制信号，分别接入其他三路继电器控制端，即9012晶体三极管Q2、Q3和Q4的基极电阻前端.同样是输入低电平有效，控制继电器KJ2、KJ3和KJ4导通.单片机串行IO口P3.0用于接收蓝牙模块向单片机发来的信息，串行的IO口P3.1用于单片机向蓝牙模块发送信息.

3.2 继电器控制电路

继电器控制电路一共有4路，均为相同的电路结构.这里仅就第一路继电器电路进行工作原理说明.其控制电路由SRS12VDCSL型继电器KJ1、9012型号晶体三极管Q1、普通二极管D5、发光二极管D1、电阻R7、R8和接口J1构成.继电器3引脚接+5V电源，4引脚接Q1晶体管的发射极，5引脚为活动触点，接外接电路接口J1的1接口，常开触点2引脚接外接电路接口J2的2接口.当晶体三极管基极输入低电平信号（来自单片机的P1.0引脚）时，晶体三极管导通，继电器3、4引脚间通电流，继电器线圈吸合活动触点5到常开触点2引脚，从而接通外部电路接口J1的1、2端口.当晶体三极管基极输入高电平信号（来自单片机的P1.0引脚）时，晶体三极管断开，继电器3、4引脚间无电流，继电器活动触点5复位到常闭触点1引脚，外部电路接口J1的1、2端口断开.继电器线圈两端3、4引脚间接入普通二极管D5作为引流电路，起到对继电器线圈通断电时保护作用.发光二极管D1作为继电器通断指示作用，D1亮，表示继电器闭合，D1灭，表示继电器断开.电阻R7、R8均为限流电阻，保护三极管Q1和发光二极管D1正常工作.接口J1为外部家用电器电器供电接口电路，相当于家用电器在电路板上的开关接口.

3.3 SH-05嵌入式蓝牙串口通讯模块

本模块用来和手机进行蓝牙无线通信，接收手机发来的控制指令信息，然后传输给单片机，单片机程序根据输入的指令信息进行相应引脚高低电平输出，从而控制继电器开关动作.系统电路中采用SH-05嵌入式蓝牙串口通讯模块进行无线通信.

HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主（Master）、从（Slave）和回环（Loopback）三种工作角色.当HC-05模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输;当模块处于命令响应工作模式时能执行相应的AT命令，用户可向模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令.通过控制模块外部引脚（PIO11）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换.

3.4 手机App使用方法

在硬件电路构建好之后，还需要在手机上装入蓝牙串口App才能实现对蓝牙开关电路的命令控制.在手机应用商店里搜索“蓝牙串口”.然后在手机上安装该App.打开蓝牙串口App，对界面进行编辑.在界面上端选择到开关界面下，如图3所示.长按某个灰色方块，即可进入开关按钮编辑界面，如图4“开关编辑界面1”所示.状态OFF下面的“按钮文本”行处输入文字“照明关”，用于告诉用户此按钮功能.下一行选择默认的“字符”方式.主要用于设定此APP与蓝牙模块之间的蓝牙通信格式.在“消息”行输入“o10”，是命令中具体发送的“照明关”信息代码.同样的方式来编辑状态ON界面，状态ON下面的“按钮文本”行处输入文字“照明开”，下一行选择默认的“字符”方式.在“消息”行输入“o11”.设置完成界面如图5“开关编辑界面2”所示.当手机与SH-05嵌入式蓝牙串口通讯模块完成设备连接时，即可通过点击已经设置好的按键实现对家用电器的开关操作.

3.5 家用电器部分

家用电器本系统主要设置了室内LED灯，热水器，空调，音响电器设备.设备电源线分别接入图2.蓝牙开关电路电路原理图中J1、J2、J3、J4接口.其中每个电器的220v火线分别接到J1、J2、J3、J4接口的2端（对应继电器的常开触点），地线分别接到J1、J2、J3、J4接口的1端（对应继电器的常闭触点）.当Q1、Q2、Q3和Q4晶体三极管基极低电平输入时，三极管导通，继电器吸合，继电器内部触点由1位置接到2位置，J1、J2、J3、J4接口的1、2端接通.相當于开关闭合，电器开始工作.当基极高电平时，三极管闭合，继电器触点处于断开状态.J1、J2、J3、J4接口的1、2端不导通.电器不通电，停止工作.

4 程序设计

智能家居手机蓝牙开关控制电路系统程序流程图如图6所示：

程序流程说明：蓝牙数据接收模块在上电后，先与手机蓝牙进行配对连接，当连接成功后，开始不断检测是否有控制信号命令传输，如果有，则建立连接，开始收发数据（传来的控制信号和发送的当前状态信号），传输完成断开连接，重新扫描是否有键按下，等待下次数据传输.

5 总结

本设计从实用性出发，结合人们日常生活习惯，充分地利用了蓝牙无线技术及手机App的功能，使人们在手机上方便地实现了家用电器开关操作，使人们的生活更加便捷，是科技服务生活的充分体现.本设计实现电路简单，方便安装，同时操作简洁，容易上手，价格低廉，适合在大众层面推广应用.

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