基于蓝牙通信的无线led可调光灯具控制系统的设计学士学位论文.docx
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基于蓝牙通信的无线led可调光灯具控制系统的设计学士学位论文
摘要
本文主要设计了一款基于蓝牙通信的无线LED可调光灯具控制系统，选用了主从一体蓝牙模块HC-05作为手机与照明系统的通信，并结合了液晶显示器大功率LED灯珠等构成了照明系统的硬件系统，实现了灯光开关启闭指令无线发送以及接收的功能，突破了目前灯光控制的显示。
由于本系统采用了蓝牙作为近距离无线通信技术的机制，因此创新含量非常高，能够推动蓝牙技术的快速发展。
经过了多次的修改和完善，本系统表现出了较高的实用性，并且对于灯光的控制非常稳定。
关键词：
蓝牙通信，HC-05蓝牙模块，STC89C51单片机，可调光灯具系统
Abstract
ThispapermainlydesignsabasedonBluetoothwirelessLEDcanbedimminglightingcontrolsystem,choosesthemaster-slaveoneBluetoothmoduleHC-05asamobilephonewithlightingsystemofcommunication,andcombinedwiththeliquidcrystaldisplayhighpowerLEDlampandotherlightingsystem.Thehardwaresystemconsistsof,realizethelightswitchopenandclosedinstructionwirelesstransmittingandreceivingfunction,breakthroughthepresentlightingcontroldisplay.AsthesystemusesBluetoothasacloserangewirelesscommunicationtechnology,theinnovationofthesystemisveryhigh,canpromotetherapiddevelopmentofBluetoothtechnology.Afterseveraltimesofmodificationandimprovement,thesystemshowsahighpracticality,andthecontrolofthelightingisverystable.
Keywords：
BluetoothCommunication,HC-05BluetoothModule,STC89C51,AdjustableLightFixtureSystem
一、引言
（一）蓝牙通信的发展背景
蓝牙目前作为电脑、手机以及各种PDA之间通信的最常用收发器，已经赢得了当前无线通信器件市场的大片份额，蓝牙是作为一种无线通信技术标准，使用2.4GHz的ISM频段作为通信频段，它一开始由瑞典爱立信公司的一个无线通信开发组研发出来，最初主要是用于替代RS232接口，以此来解决数据难以同步的难题。
“蓝牙”这个名称的由来说起来很有意思，它是十世纪古挪威一位老国王的绰号，这位老国王在位时完成了将部落分散的丹麦统一成一个完整的国家，这个故事被后来的蓝牙发明者JimKardach所得知，Jim所研发的蓝牙也是完成了将通讯协议统一成全球标准的功绩，因此Jim将老国王的绰号“BlueTooth”命名成他所研发的技术。
蓝牙的无线通信采用的是2.4GHz的ISM频段，在2.402GHz至2.480GHz频率范围内共分成79个频道，每个频道的带宽为1MHz，从而使得蓝牙通信能够在这79个频道内实现跳频。
目前在发射功率上可以将蓝牙分成三个级别，第一级别的蓝牙发射功率可以达到100mW，也就是20dBm，这种较大的发射功率能够使得信号传送到很远的距离，在空旷的地带上能够达到100米的有效通信距离；第二级别的蓝牙发射功率可以达到2.5mW，即4dBm，在空旷的地带上能够达到10米的有效通信距离；第三级别的蓝牙发射功率可以达到1mW,即0dBm，这种小功率的蓝牙器件一般用于蓝牙鼠标以及蓝牙耳机等近距离设备中，它的通信距离能够达到1米。
蓝牙的通信标准使用了跳频技术，由于蓝牙在发送文件时，蓝牙控制器将所发文件数据分割到79个频道上进行连续发送，蓝牙通信所使用的频道始于2402MHz，终于2480MHz，每个频道的频带宽度为1MHz，引入了跳频技术，就能够使得通信频率在2402至2480MHz范围内每秒发生1600次跳动，极大的加快了数据的通信速度，并且目前跳频技术已经非常成熟，使得通信的稳定性取得了很大的成功。
蓝牙在使用时分为主从两种设备，以前的蓝牙由于技术还不够成熟，所以往往主从设备不能够集成在同一个蓝牙芯片上，而随着技术的不断成熟，技术人员已经能够做到这一点，本文所使用的HC-05蓝牙模块就是一种典型的主从一体模块，通过AT命令的设置，可以将任意的一块HC-05模块配制成主设备或者从设备。
将蓝牙配制成主设备时，理论上最大能够连接七个从设备，也就是通过主设备能够同时向七个从设备的蓝牙模块传送数据，而从设备只能连接一个主设备，这就是主设备和从设备的区别。
本系统所使用的HC-05主从一体蓝牙属于蓝牙2.1版本，这个版本的数据通信速率能够达到3Mbit/s，也就是每秒能够传送375K个字符，另外目前蓝牙主要分为四种版本，最早的版本是蓝牙1.2，它能够实现1.2Mbit/s的数据通信速率；蓝牙3.0和4.0都能够实现24Mbit/s的数据通信速率。
（二）智能灯光的国内外发展现状
目前智能灯光控制系统在国内外都有着广泛的研究，研究内容主要分为两个方面，一是对灯的材料进行研究，设计出功耗更低，光线质量更优质的LED灯；二是对灯开关的控制系统进行研究，目前所取得的现状是：
灯光控制系统能够自动采集声音、人体以及室外光照强度等信号而实现灯光的自动控制，随着网络技术以及无线通信技术的发展，智能灯光控制系统已经不能满足于现在所取得的研究现状，网络化以及无线操控化将是它的最新发展方向，在控制系统中植入Zigbee模块、以太网、GSM等通信模块，将灯光的使用情况通过网络或者短信发送给管理者，实现灯光开关控制系统的更方便管理。
（三）本文主要研究内容
本文以基于蓝牙通信的无线LED可调光灯具系统为课题，选择台湾宏晶公司研发的STC89C51单片机作为主控核心，并结合目前市面上使用最为广泛的HC-05蓝牙模块作为与遥控端蓝牙通信的机制，设计了一款能够根据通过蓝牙进行LED灯光启闭以及强弱调节的控制系统。
二、
方案选择及元器件介绍
（一）STC89C51单片机芯片
本课题选用了宏晶公司推出的STC89C51单片机作为主控芯片，这款芯片是一款内置经典MCS-51内核的单片机，内部集成的CPU与市面上流行的AT89C51单片机同出一辙。
STC89C51单片机为FLASH型器件，它支持高达一万次的可重复性烧写，具有4k字节的程序容量。
在RAM方面，STC89C51能够实现256字节的内存性能，在一些小型系统中，这种配置已经足够使用，而在一些大型系统中，用户需要自己在片外扩展存储器，下图2-1为STC89C51单片机的芯片图。
图2-1STC89C51单片机
宏晶公司在STC89C51单片机片内集成了一个高性能的UART串口，其数据收发管脚TXD和RXD被分别映射到P3.0和P3.1两个IO管脚；两个高达16位的计数器，具有定时和计数两种工作模式；两个外部中断管脚EX0和EX1，被分别映射到P3.2和P3.3两个IO管脚。
（二）HC-05型主从一体蓝牙模块及配置
下面图片中所示的就是HC-05主从一体蓝牙模块，从图片中可以发现HC-05的集成度已经非常高了，不但引脚少，布线方便简洁，并且还集成了微带天线，用户只需要通过串口即可实现对HC-05的驱动，在实际使用时，用户只需要通过AT命令来对HC-05进行简单的配置，这些配置包括主从模式的选择、波特率的设置、蓝牙名称的命名、检验位的设置以及配对密码的设置等，在这些简单的配置完成后，用户将MCU的串口功能打开，将要发送的数据通过串口的TXD线发送给HC-05即可，而在接收数据时，HC-05将接收到的数据通过串口的RXD线传送给MCU。
HC-05主从一体蓝牙模块上共有6个引脚，在本系统中共用到了其中4个，分别为电源引脚VCC、接地引脚GND、串口发TXD和串口收RXD四个引脚，使能引脚EN和状态引脚STATE引脚不使用，下面描述在本系统中使用AT命令对HC-05的设置过程。
图2-2HC-05主从一体蓝牙模块
1、安装PL2303调试线
在配置HC-05时，要使用下图中的PL2303型USB转RS232调试线，这条线的主要作用驱动HC-05模块，从而实现通过电脑软件对HC-05的各项参数配置，在将PL2303插入到电脑的USB口后，系统会自动安装驱动，驱动安装好之后，将PL2303的白色杜邦线连接HC-05的TXD接线端，绿色杜邦线连接HC-05的RXD接线端，红色和黑色杜邦线分别连接HC-05的VCC和GND，为HC-05供电，这样就完成了对HC-05参数配置的硬件部分。
图2-3PL2303型USB转RS232调试线
2、打开串口调试助手
本系统用于配置HC-05的软件选用了免费的SPU-友善串口调试助手软件，这款软件可以在网上直接取得，打开软件后，将各项参数设置成下图中的大小。
图2-4串口调试助手
3、通过串口调试助手设置参数
通过前两步的硬件和软件配置，这一步就可以直接对HC-05进行参数配置了。
在给HC-05上电前，要按住模块上的一个仅有的调试按键，按住不动后再给HC-05供电，参数配置期间不要松开按键，这样HC-05就进入了AT命令模式。
先将第一个蓝牙模块设置成主设备模式，波特率为4800，在串口调试助手上，先发送设置主设备模式的命令“AT+ROLE=1\r\n”，当配置成功后HC-05会发送一个“OK”给串口调试助手，当要把HC-05配制成从设备时，只要发送“AT+ROLE=0\r\n”即可；接着配置波特率，通过串口调试助手发送“AT+UART=4800,0,0\r\n”,当配置成功后HC-05会发送一个“OK”给串口调试助手，如下图所示。
图2-5配置成主模式
图2-6配置波特率为4800
（三）LCD1602型显示器介绍
为了实现照明系统的时间以及其他参数的显示，本系统采用目前单片机系统中常用的LCD1602型液晶屏作为显示器，它之所以具有这么大的使用群，是因为它的驱动方法较为简单，不需要消耗单片机的许多资源就可以完成非常良好的显示效果，下图2-7为LCD1602液晶屏的实物图。
图2-7LCD1602液晶屏
1602液晶屏共引出16个直插引脚，这16个引脚分为4个电源管脚、1个对比度调节管脚、3个控制管脚和8个数据管脚。
这种类型的液晶屏最多同时能够显示32个英文字符，分为上下两行，每行显示16个。
由于1602液晶屏为一种点阵型液晶屏，每个字符点阵之间的间隔较大，因此不能够实现汉字和图片的显示。
三、
硬件系统设计
（一）LED照明系统硬件框图设计
本章主要对LED照明系统的硬件电路进行设计，下图3-1为采用Visio软件绘制的硬件系统原理框图，系统以STC89C51单片机芯片、晶振电路以及复位电路组成的51单片机最小系统作为LED照明系统的主控核心。
通过下图可以发现本系统主要由两大模块组成，即遥控端和终端两部分，其中遥控端主要由STC89C51单片机最小系统以、按键模块以及蓝牙模块组成，用于实现灯光控制指令的产生；终端由STC89C51单片机最小系统、LED灯、液晶屏以及蓝牙模块组成，
51单片机最小系统主要负责对HC-05蓝牙模块接收来的指令进行解码并且根据指令对开关进行相关的操作；蓝牙模块选用了HC-05主从一体式蓝牙，用于接收空中的2.4Ghz的ISM频段射频信号，并转换为相应的照明系统控制指令；显示模块由LCD1602液晶屏组成，用于显示灯光开关状态等；灯光由LED灯及其驱动模块组成。
图3-1整体系统框图
下面对终端以及遥控端各个模块的电路进行设计，由于两大模块中STC89C51单片机最小系统以及HC-05蓝牙模块的电路完全一致，因此下文选择终端中的这两个模块进行阐述，遥控端中的最小系统以及蓝牙模块电路设计不再描述。
（二）终端电路设计
1.STC89C51单片机最小系统
最小系统时单片机系统的核心部分，它通常由单片机芯片、复位电路和晶振电路组成，下面对复位电路和晶振电路进行设计。
1）复位电路
图3-2为复位电路原理图，由复位按键、电容以及电阻组成，它所要完成的功能是：
当单片机上电的一瞬间，电阻两端的电压为VCC，此时RST在高电平作用下，单片机系统将被复位，为接下来的正式工作做准备。
当用户需要在单片机工作中途复位时，可按下复位按键，按键被按下后，电容将被短路，电阻两端电压再次回到高电平VCC，RST管脚在高电平作用下，单片机被复位，这就是复位电路的工作原理。
图3-2复位电路
2）晶振电路
图3-3为晶振电路原理图，由两个30pF电容和一个12M晶振组成，它所要完成的功能是向51单片机的XTAL1和XTAL2两个管脚输入12MHz的时钟信号。
图3-3晶振电路
2.HC-05蓝牙模块与单片机电路设计
上文已经介绍到HC-05蓝牙模块的集成度已经非常高了，收发机制和微带线天线已经都集成在模块上了，用户只需要打开MCU的串口功能即可驱动HC-05。
由于本系统选择了51单片机主控核心，其内部已经集成了一个性能完善的UART模块，UART的发送端口TXD和接收端口RXD分别和P3口的P3.1和P3.0公用，所以在进行51单片机和HC-05模块的电路图设计时，只需要将HC-05模块的RXD和TXD直接连到51单片机的P3.1和P3.0即可，为了确保51单片机和HC-05通信有效，必须将P3.0和P3.1两个管脚上拉，从而为两个管脚在进行数据发送时提供大电流，由于51单片机P3端口的八个管脚内部已经集成了上拉电阻，因此外部无需再进行上拉电阻的配置，极大的简化了线路的布局。
在供电方面，根据HC-05蓝牙模块的数据手册显示，HC-05可以在直流5V左右的电源供电下正常工作，而本系统所用的51单片机也采用了+5V供电，因此两者可以共用同一个电源供电，即VCC为+5V，这就省去了进行电压转换的麻烦。
图3-4MCU与HC-05模块电路图设计
3.显示模块电路
下图3-5为LCD1602液晶屏的电路原理图设计，首先将4个电源管脚（1和2号、15和16号）进行+5V直流电源的供电，其中1和2号电源管脚为液晶屏电源，15和16为液晶屏背景灯电源管脚；接着是对比度调节管脚Vo（3号）的设计，根据数据资料显示，此管脚在1.1V的电压时，液晶屏对比度最佳，因此本系统采用一个10K和一个1.5K电阻对5V电压进行分压，分压出1.1V供给Vo管脚；接着将EN、RS和RW三个控制管脚与51单片机的P2.5~P2.7三个管脚直接相连，DB0~DB7八个数据管脚与51单片机的P0口八个IO管脚直接相连。
图3-5显示模块原理图
（三）遥控端按键电路设计
遥控端按键电路主要由四个机械按键组成，用于实现灯光的启/闭以及强弱调节，如下图所示，S2~S5四个按键分别对应开、关、增强以及减弱四个功能，四个按键与51单片机的P1.0~P1.3四个IO管脚直接相连，由于P1口内部集成了上拉电阻，因此无需进行外部上拉电阻的配置。
图3-6按键电路
四、
软件系统设计
（一）LED可调光照明系统的软件系统设计
本章通过软件设计来阐述LED可调光照明系统的工作过程，如下图4-1的流程图所示，当使用者打开系统的电源后，各模块首先进行各自的初始化，如51单片机的寄存器初始化、蓝牙模块的初始化等。
初始化完成后，使用者可以通过遥控端按键向终端发射控制指令，接着终端的HC-05蓝牙模块在STC89C51单片机的驱动下不断从空中接收2.4GHz的ISM频段射频信号，将灯光开关以及增强减弱控制指令进行接收，接着将2.4GHz的射频信号进行混频并解码，将开关指令以基带信号的形式传送给51单片机，51单片机接收到指令后对灯光开关进行响应的启闭。
当遥控端发送来灯光强弱调节指令后，终端首先对指令进行读取，如果是要将LED光线增强，那么终端单片机将驱动LED的PWM波占空比增加，从而使得流过LED的电流增加，光线变强；反之，则降低PWM波占空比，光线减暗。
图4-1主程序流程图
（二）HC-05蓝牙软件流程设计
由于HC-05主从一体蓝牙模块是一种通用模块，因此在使用前必须对它进行相关的配置以适应不同的用途，这在上文已经详细描述过，本节将在软件流程上对蓝牙的配置以及数据的收发通过流程图的形式进行详细阐述。
1.参数配置流程图设计
在进行HC-05的参数配置前，首先用PL2303数据线将HC-05与电脑进行连接并且将串口调试助手安装好，这在上文已经有详细的描述，下图是通过流程图来描述HC-05的参数配置过程。
首先将串口调试助手的波特率设置为38400Baud，以ASCII数据形式进行收发，这样就完成了串口调试助手软件的配置，接着通过调试助手发送“AT+ROLE=1\r\n”,即将HC-05设置成主设备模式（加入要配置成从设备模式，则发送“AT+ROLE=0\r\n”），此条命令发送完毕后，如果HC-05返回“OK”语句给串口调试助手，则表明配置成功，继续下一步配置，否则重新配置。
接着通过调试助手发送“AT+UART=4800,0,0\r\n”，即将HC-05蓝牙的波特率配置成4800，使用4800作为通信波特率的主要原因是本系统51单片机所使用的晶振为12M，在此晶振频率下，产生4800的波特率较为精准，此条命令发送完毕后，如果HC-05返回“OK”语句给串口调试助手，则表明配置成功，继续下一步配置，否则重新配置。
通过这两步就基本完成了对HC-05的参数配置，下图为该过程的流程图设计。
图4-2HC-05参数配置流程图
2.HC-05发送和接收数据流程图设计
上文已经阐述到在使用HC-05发送和接收蓝牙数据时，要通过51单片机的UART串口模块的驱动，本节主要以流程图的形式详细描述通过UART发送和接收蓝牙数据的过程。
首先，在51单片机的程序设计上，将其功能强大的UART模块打开，并将其波特率设置成4800，跟HC-05的波特率保持一致，只有这样才能保证正确的数据接收和发送。
接着就可以收发蓝牙数据了，由于51单片机自带的UART模块的收发数据缓存器公用一个寄存器SBUF，所以无论是发送还是接收数据，只需要将待发送或者待接收的数据都放在SBUF里即可，下图4-3为该过程流程图设计。
图4-3HC-05收发数据流程设计
（三）显示模块工作流程
下图4-4是显示模块工作流程图，51单片机在对LCD1602进行驱动时，主要涉及到写数据和写指令两个基本流程，下面对两个流程进行描述。
1.单片机向液晶屏写数据流程
在51单片机对液晶屏写数据时，首先需要将LCD1602的RS管脚拉高、RW和EN拉低，接着51单片机将8位数据代码通过P0口传送给LCD1602的DB0~DB7,接着单片机将EN管脚拉高，小段延时后，再次将EN拉低，这样就能成功的完成数据的写入。
图4-4写数据流程
2.单片机向液晶屏写指令流程
在51单片机对液晶屏写指令时，首先需要将LCD1602的RS、RW和EN拉低，接着51单片机将8位指令代码通过P0口传送给LCD1602的DB0~DB7,接着单片机将EN管脚拉高，小段延时后，再次将EN拉低，这样就能成功的完成指令的写入。
图4-5写指令流程
总结
时间过得真快，转眼之间毕业设计已经接近了尾期，在这将近三个月的时间里通过，通过设计了这款基于蓝牙通信的无线LED可调光灯具系统，为大学三年的学习生活画上了一个圆满的句号。
开始时总以为毕业设计是对大学学习的一个检验，做完毕业设计才发现这不仅仅是一种检验，更是一种应用，通过自身所掌握的知识去拓展，在这过程中对需要发现问题、解决问题并且也是思考和创新的过程。
通过毕业设计我不仅提高了自身编写程序以及调试电路的能力，更学会了独立思考和寻求帮助，在同学和老师的帮助下共同度过了这段难忘的毕业设计。
通过前面几章对于本设计的多个角度描述，本设计的所有功能以及设计方法都得到了展现。
这一章主要是对本文的总结，本设计主要选择了8位单片机STC89C51作为主控芯片，蓝牙作为通信机制，这两个硬件组成了本系统的硬件主要组成。
由于C51单片机内部已经集成了定时器、UART以及外部中断等模块，因此大大简化了系统的设计难度，方便了电路设计。
本课题设计的这款可调光灯具系统，在成本方面极大地程度地低于目前市面的相关产品，在性能方面由于采用了集成度和稳定度都非常高的蓝牙模块，因此综合来看本系统适合在灯具市场大力推广。
致谢
参考文献
[1]沈德金等.接口电路与实用程序实例[M].北京大学出版社,2013年
[2]谭浩强.C语言程序设计教程[M].北京:
高等教育出版社,2011.
[3]郑锋,王巧芝,程丽平.51单片机典型应用开发实例大全[M].北京:
中国铁道工业出版社,2011.
[4]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:
高等教育出版社,2011.
[5]杜洋.爱上单片机[M].北京:
人民邮电出版社,2011.
[6]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2011.
[7]谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉:
华中科技大学出版社,2011.
[8]朱定华.微机原理与接口技术[M].北京:
清华大学出版社,2011.
[9]黄贤武,郑筱霞.传感器原理及其应用[M].成都:
电子科技大学出版社,2011.
[10]俞国亮.MCS-51单片机原理与应用[M].北京:
清华大学出版社,2011.
附录一原理图
终端原理图：
遥控端原理图：
附录二PCB图
附录三元件列表
Comment
Description
Designator
Footprint
Value
CapSemi
Capacitor（SemiconductorSIMModel）
C1,C4
1608[0603]
10uF
ResSemi
SemiconductorResistor
R3,R4
1608[0603]
10K
电阻
贴片电阻
R1,R2
1608[0603]
1.5K,10K
51单片机
51单片机
U3,U4
DIP-40
LCD1602
液晶屏
U1
LCD1602
蓝牙模块
蓝牙模块
U2,U5
PET4
XTAL
CrystalOscillator
Y1,Y2
R38
Cap
Capacitor
C2,C3,C5,C6
RAD-0.3
30pF
按键
S5,S10
按键
关灯按键
S2
按键
减暗按键
S4
按键
开灯按键
S1
按键
增亮按键
S3
按键
附录四程序
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