1、物联网技术期末文档中山大学南方学院本科生期末论文基于蓝牙技术的智能台灯设计系 名：电子通信与软件工程系专 业：通信工程学 号：132014姓 号：班 级：13级通信三班小组分工： 二一六 年 六 月27摘 要本文介绍了设计的框架结构和组成模块以及各模块的原理，介绍了各部分硬件设计和各部分软件设计以及软件流程图。该设计是以 STC89C52 单片机为控制核心,蓝牙技术和多种传感器做辅助的集多种功能于一体的智能 LED 台灯。硬件设计分为单片机控制模块、XM-15B蓝牙模块、HR-SR04超声波测距传感模块、Led（仿台灯大小光圈）模块、温湿度模块、SW-420震动传感模块、蜂鸣器模块、显示模块，
2、光敏传感模块等八个部分。单片机控制就用 STC89C52，显示模块用 LCD液晶显示温湿度，台灯模块用两个心形 LED灯模拟大小光圈，用蜂鸣器发出警示声，温湿度传感器用DTH11传感器，检测人的距离用超声波测距传感器，手动触碰开关用振动传感器。软件设计用单片机 C 语言编写，实现了全部控制功能。其特点是外界光强较弱/较强时能自动开/关灯，智能化节约能源；当你离桌面太近时，可发出警告纠正坐姿，防止近视。并有一度显示器显示出当前屋内的温湿度。这种智能台灯对于我们而言可能已经毫无价值，可是对于小、初和高中生而言却有着很大的意义。【关键词】智能台灯;单片机；蓝牙技术；传感器目 录摘 要I第一章项目概述
3、41.1 智能台灯系统概述41.2 设计内容51.2.1 实现功能51.2.2 系统分析5第二章系统功能介绍62.1 光敏传感灯控62.2 超声波测距提醒62.3 触碰式灯控62.4 温湿度显示6第三章系统硬件组成73.1 STC89C51单片机73.2 XM-15B蓝牙模块83.3 光敏传感模块93.4 HR-SR04超声波测距传感模块93.5 Led灯模拟模块103.6 LCD液晶显示模块113.7 蜂鸣器模块113.8 SW-420震动传感模块123.9 DHT11温湿度传感模块12第四章软件架构和开发环境144.1编程软件Keil uVision4144.2 画图软件Protel DX
4、P15第五章程序流程介绍165.1 系统工作原理图165.1.1 发送端主函数175.1.2 接收端主函数175.2 温湿度采集模块设计185.3 光敏传感模块设计185.4 震动传感模块设计195.5 超声波测距模块设计195.6 LCD显示模块设计195.7蜂鸣器模块设计19第六章其他206.1 项目成本计算206.2 项目实验结果206.2.1震动传感实验结果206.2.2光敏传感实验结果216.2.3温湿度传感实验结果216.3 项目反思226.3.1 问题及解决方案226.3.2 改进方案226.4项目心得236.5小组分工24参考文献25附录1发送模块电路图26附录2接收模块电路图
5、27第一章 项目概述1.1 智能台灯系统概述随着科技的高速发展，各种各样的科技产品、家用电器开始走入人们的生活，这一切都大大地提高了人们的工作效率、改善了人们的生活，现在电器的发展趋势是智能化，这样会使人们使用起来更加方便。随着智能控制理论和人工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的家用电器会更多地出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多地改进现行家用电器，而且将会产生全新的家用电器。家用电器因为单片机的加入而走向智能化，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着家用电器的发展越来越方便、舒适。随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能
6、化。台灯是人们生活中用来照明的一种家用电器。它一般分为两种，一种是立柱式的，一种是有夹子的。它的工作原理主要是把灯光集中在一小块区域内，集中光线，便于工作和学习。一般台灯用的灯泡是白炽灯或者节能灯泡，有的台灯还有应急功能，用于停电时无电照明。台灯是一般家庭的生活必需品，但由于经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。全球这么多台灯，估算一下，消耗能源可观。另一个是作为一个必需品，当然要使生活变得更方便，省去了黑暗中开灯的麻烦，并且可以纠正坐姿。我们这次的智能台灯可分为自动和手动两种模式。在自动模式下，台灯能根据环境光的明暗来自动开启台灯，即当环境光强较弱时，自动感应开灯；当人体太靠近桌面时，台灯自动感
7、应，警告纠正坐姿。当光线足够则自动关灯，达到节约能源的目的。手动模式里，一有触碰开多一级灯光的功能，二是为了不习惯使用自动模式的人或是台灯中的微机出现故障等紧急情况时用的。在手动模式下，智能台灯和普通台灯是一样使用的。本系统进行了一系列实验，此台灯系统的各项功能及其实验的原理和结果将展现在后文当中。1.2 设计内容1.2.1 实现功能名称：基于蓝牙技术的智能台灯内容及要求: 设计并制作一种智能台灯，主要是以XM-15B蓝牙模块、STC89C52单片机以及多个传感模块组成的传感控制电路。具体要求如下：1以专门感应光线强度的光敏传感器和感受触摸震动的震动传感器为基础，以XM-15B蓝牙模块处理电信
8、号，利用单片机进行处理，以达到便于控制的目的；2当房间亮度不够/充足时，台灯小光圈便会自动点亮/熄灭，节约能源；3当学习时使用者由于靠桌面太近，造成坐姿不正，由超声波测距传感器控制的系统就会发出提示，以纠正坐姿，防止近视； 4. 当使用者觉得光线不充足但台灯未开启，或台灯开启但光线不够时，可通过手边的振动传感模块开启台灯大光圈；5. 内设温湿度计的功能，由DHT11采集数据，蓝牙模块传输实时室内温、湿度，更加贴近使用者的健康生活。1.2.2 系统分析台灯已是千家万户的必需生活用品，当夜晚来临时，人们摸黑去开灯，非常不方便。在这里设计了以蓝牙模块及多个传感元件控制电路的台灯。当环境光强较弱时，自
9、动感应开灯；当人体太靠近桌面时，台灯自动感应，警告纠正坐姿，光线充足则自动关灯，达到节约能源的目的。单片机是本次智能节能台灯设计中的主要控制单元，主要控制电路灯光，控制电路是在单片机的控制下工作。本次设计过程中除了硬件部分采用防干扰技术外，在软件中也采用了防干扰技术，当中断0产生时，并不立即执行，而是对其进行延时，防止由于不小心而进入到探测器的范围内，以免产生误判。第二章 系统功能介绍2.1 光敏传感灯控本功能是以专门感应光线强度的光敏传感器为基础，以XM-15B蓝牙模块处理电信号，利用单片机进行处理，以达到便于控制的目的；当光敏传感模块感应到房间光线强度不够/充足时，光敏传感模块让蓝牙模块发
10、出信号，连接灯控的另一蓝牙模块接收到此信号后，台灯小光圈便会自动点亮/熄灭。2.2 超声波测距提醒以HR-SR04超声波测距传感模块为基础的超声波测距提醒功能指的是，当学习时使用者由于靠桌面太近，造成坐姿不正时，由超声波测距传感器控制的系统就会控制蓝牙模块发送指令，而另一模块收到数据指令则控制蜂鸣器发出警报，以纠正使用者坐姿，防止其近视，这一功能的重要性在中小学生当中显得尤其重要。2.3 触碰式灯控此功能以感受触摸震动的SW-420震动传感器为基础，表现为当使用者觉得光线不充足但台灯未开启，或者台灯开启后光线仍然不充足时，可通过触摸手边的震动传感模块，使开启或者关闭的信号通过发送端的蓝牙模块传
11、输到接收端，即台灯一端成功接收后，可控制开启或关闭台灯大光圈；2.4 温湿度显示本台灯还内设温湿度计的功能，由DHT11采集数据后，由发送端的蓝牙模块向接收端（台灯）传输实时室内温、湿度，并使数据显示在LCD液晶屏上,使我们的智能台灯更加时尚美观,也更加贴近使用者的健康生活。第三章 系统硬件组成3.1 STC89C51单片机本设计采用STC89C51单片机作为主控制器，单片机STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超
12、有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM，4个外部中断， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个7向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。图3-1-1为STC89C52单片机引脚图图3-1-1 S
13、TC89C52单片机引脚图 图3-1-2 中断响应和处理过程STC89C52中断技术概述:中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。这是由片内的中断系统来实现的。当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。图3-1-2为整个中断响应和处理过程。3.2 XM-15B蓝牙模块XM-15B 蓝牙模块（以下简称模块）实现了蓝牙SPP规范， 符合蓝牙2.1+EDR标准
14、，具有两种工作模式：命令模式和数据模式，在数据模式下模块又可分为主（Master）、从（Slave） 和回环（Loopback）三种工作角色。当模块处于命令模式时能执行下述所有 AT 指令，用户可向模块发送各种 AT 指令，为模块设定参数或发送控制命令。在模块未连接任何设备时（蓝色指示灯闪烁），处于命令模式，可以随时接收AT指令，在命令模式下，模块可以根据设置的角色被连接或者主动连接其它蓝牙设备。模块与其它蓝牙设备连接之后（蓝色指示灯常亮），自动进入数据模式。 图3-2-1 XM-15B 蓝牙模块引脚图 图3-2-2 XM-15B 蓝牙模块实物图XM-15B 上的核心模块为XM-05，底板上内
15、置了电源管理芯片及5V与3.3V TTL信号的转换电路，可以同时兼容3/3.3/5V几种不同的电压的信号， 模块的TXD输出引脚的高电平为VCC-0.3v。3.3 光敏传感模块光敏电阻传感模块描述：可以检测周围环境的亮度和光强；灵敏度可调（见图3-3-1中蓝色数字电位器调节）；工作电压 3.3V-5V；输出形式：a为模拟量电压输出；b为数字开关量输出（0 和 1）；设有固定螺栓孔，方便安装；小板PCB尺寸：3cm * 1.6cm。 图3-3-1 光敏电阻传感器实物图 图3-3-2 光敏电阻传感器原理图光敏电阻传感模块模块接口说明：VCC 外接 3.3V-5V 电压（可以直接与 5v 单片机和
16、3.3v 单片机相连）；GND 外接 GND；DO 小板数字量输出接口（0 和 1）；AO 小板模拟量输出接口。3.4 HR-SR04超声波测距传感模块 图3-4-1 HR-SR04超声波测距传感器实物图 图3-4-2 传感器实物规格图HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少10us 的高电平信号；(2)模块自动发送8个40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持
17、续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2；如图3-4-1接线，VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四支线。3.5 Led灯模拟模块图3-5-1 Led灯模拟模块原理图 图3-5-2 Led灯模拟模块实物图发光二极管简称为 LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能；常简
18、写为 LED。发光二极管与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从 P 区注入到 N区的空穴和由 N 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。而七彩自闪 LED 灯由于内部自带闪烁控制芯片，所以只需要像普通放光二极管一样供电，内部芯片就会控制 LED 以一定的规律进行周期性的闪烁。3.6 LCD液晶显示模块本设计采用
19、LCD液晶显示屏显示。其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。它具有16个引脚，其正面左起为第一脚，如图3-4-2所示：第一脚GND：接地；第二脚VCC：+5V电源；第三脚VO：对比度调整端，使用时通过接一个10K的电阻来调节；第四脚RS:寄存器选择信号线；第五脚RW:读写信号线；第六脚E：使能端，当E由高电平跳变为低电平时执行命令；第七到十四脚：8位数据线D0到D7；第十五脚BLA:背光电源正极输入端；第十六脚BLK:背光电源负极输入端。 图3-6-1 LCD液晶显示模块原理图 图3-6-2 LCD
20、液晶显示模块实物图3.7 蜂鸣器模块报警模块通过STC89C52单片机给定不同频率利用蜂鸣器发出不同声音。报警模块的蜂鸣器模块电路原理图如图3-6-1所示。图3-7-1蜂鸣器模块原理图3.8 SW-420震动传感模块SW-420是一种常闭型震动传感器。其比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA；工作电压3.3V-5V；输出形式为数字开关量输出（0和1）；设有固定螺栓孔，方便安装；小板PCB尺寸为3.2cm x 1.4cm；使用宽电压LM393比较器。 图3-8-1 SW-420震动传感模块原理图 图3-8-2 SW-420震动传感模块实物图SW-420震动传感器原理是：平时任何角
21、度开关都是接通状态，受到振动或移动时，开关内导通电流的滚轴会产生移动或振动，从而导致通过的电流断开或电阻阻值的升高而触发电路。这种开关的特点是平时一般处于导通状态耐振动时会短暂断开，所以它的灵敏度很高，通过IC的设置，实验者可按自身产品的灵敏度要求作调整。3.9 DHT11温湿度传感模块DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
22、DHT11校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小体积且极低功耗，信号传输距离达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据实验者需求而提供。 图3-9-1 DHT11温湿度传感模块原理图 图3-9-2 DHT11温湿度传感模块实物图图3-9-3 DHT11温湿度传感模块封装图DHT11的供电电压为35.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF
23、的电容，用以去耦滤波。DHT11引脚说明：第四章 软件架构和开发环境4.1编程软件Keil uVision4Keil uVision4是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。Keil uVision4软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到它生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的
24、优势。最新的Keil uVision4 IDE，旨在提高开发人员的生产力，实现更快，更有效的程序开发，它引入了灵活的窗口管理系统，能够拖放到视图内的任何地方，包括支持多显示器窗口。uVision4在Vision3 IDE的基础上，增加了更多大众化的功能。目前使用Keil uVision4的产品有Keil MDK-ARM，Keil C51，Keil C166和Keil C251。Keil uVision4软件界面如图：图4-1-1 Keil uVision4软件界面图4.2 画图软件Protel DXPAltium公司作为EDA领域里的一个领先公司，在原来Protel 99SE的基础上，应用最先
25、进的软件设计方法，于2002年率先推出了一款基于Windows2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件Protel DXP图4-2-1 Protel DXP软件界面图Protel DXP在前版本的基础上增加了许多新的功能。新的可定制设计环境功能包括双显示器支持，可固定、浮动以及弹出面板，强大的过滤和对象定位功能及增强的用户界面等。Protel DXP是第一个将所有设计工具集于一身的板级设计系统，电子设计者从最初的项目模块规划到最终形成生产数据都可以按照自己的设计方式实现。Protel DXP运行在优化的设计浏览器平台上，并且具备当今所有先进的设计特点，能够处理各种复杂的PCB设计
26、过程。通过设计输入仿真、PCB绘制编辑、拓扑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术融合，Protel DXP提供了全面的设计解决方案。第五章 程序流程介绍5.1 系统工作原理图图5-1-1 系统工作原理图主程序如图5-1-1，一给单片机上电，单片机就初始化。然后通过接收并处理DHT11温湿度传感模块采集传送过来的数据，光敏传感模块检测屋内光线强度是否足够，震动传感模块检测是否有人触碰传感器，超声波测距模块开始检测使用者的距离。发送端采集数据后通过蓝牙模块把数据传送到接收模块。接收端单片机控制蓝牙模块接收并处理来自发送端传过来的数据和控制指令，包括在液晶上显示当时的室内温湿度，是否该开启/熄灭
27、心形LED灯（即台灯小光圈），是否要开启或者关闭小LED灯（即台灯大光圈），蜂鸣器是否该报警提醒使用者的坐姿不当。最后进入循环。上述工作原理的流程主要体现在发送端及接收端的主函数中，详见下文。5.1.1 发送端主函数 5.1.2 接收端主函数 5.2 温湿度采集模块设计设计初始化函数，延时函数等，设计读DHT11芯片数据和对DHT11写数据、校验数据的函数，写出从 DHT11读温度并转换为字符型的函数，再写让蓝牙模块发送数据的函数，最后写接收端接收数据并处理为在LCD液晶屏显示温度和湿度的函数。5.3 光敏传感模块设计该模块连接到P37口后，根据有无光该端口会有电平跳换，根据电平跳换写判断函数
28、，把判断结果通过蓝牙传到接收端后，处理为控制心形灯的指令即可。5.4 震动传感模块设计震动传感器的输出引脚接到单片机中断口P32，通过外部中断检测该模块输出是否低电平，当收到低电平的信号时进行外部中断，蓝牙模块就将此指令送到接收端，接收端处理后对小LED（台灯大光圈）发出取反指令，开则关，关则开。5.5 超声波测距模块设计编写一个从超声波测距传感模块读数据的函数，检测使用者与书桌之间的距离，并把此数据从检测的发送端通过蓝牙模块传到终端，终端写判断函数，若距离过近则其坐姿不正，单片机控制端口为P36的蜂鸣器响起，报警提醒。该传感器检测距离通过编写程序控制。5.6 LCD显示模块设计该模块主要表现
29、为设计接收端1602 的初始化函数，编写对 1602 写命令指令和对其写数据的子函数。让所有蓝牙模块传送得到的数据，如温度、湿度等，都在液晶上显示出来5.7蜂鸣器模块设计对蜂鸣器，在其所接的 I/O 口，即P36写 1 即可实现它的蜂鸣，写程序时给它加了个延时，以形成闹铃声。蜂鸣器的启动由超声波测距模块判断，由蓝牙模块传达的字符串控制。第六章 其他6.1 项目成本计算序号名称规格及型号价格（元）1开发板37*22光敏传感模块1.53温湿度传感模块DHT1144蓝牙模块XM-15B26*25超声波测距传感模块HR-SR043.66震动传感模块SW-4201.87杜邦线2总价138.96.2 项目
30、实验结果6.2.1震动传感实验结果 图6-2-1震动传感实验结果图6.2.2光敏传感实验结果 图6-2-2震动传感实验结果图6.2.3温湿度传感实验结果 图6-2-2温湿度传感实验结果图6.3 项目反思6.3.1 问题及解决方案智能台灯的各模块控制与数据采集的实验结果暴露了还有一个不足之处在台灯开启时，产生的光强容易干扰光敏电阻对环境光强的判别，引起误判，现在的处理方法是传感器部分与控制部分单独分开放置并保证其不会受到干扰的情况下,用蓝牙模块进行灯控的指令数据传送。还有报警提醒电路部分采用的是简单的蜂鸣器响声报警，而真正应用到实际当中时应考虑比较好的语音芯片来发声报警。除了硬件部分采用了防干扰技术外，在软件代码编写中也采用了防干扰技术，具体表现在超声波测距传感模块中。当坐姿不正时，使用者进入测距设定范围内，机器周期中断0产生时，并不立即执行，而是对其进行延时，防止由于其他原因（其他原因导致低头而并非由于写作姿势不正确）而进入到超声波测距的范围内，以免产生误判而引发报警器提醒。6.3.2 改进方案功能展望为：LCD液晶屏还可由单片机控制显示当地时间，并添加闹铃提醒的功能；可超声波测距模块判断房内是否有人，从而判断台灯是否该亮起（即超声波测距模块为最大优先级）
