王佳楠
哈尔滨中凯自动化科技有限公司
摘 要
在互联网如此发达的今天，使用无线网络实现对某些家居产品的控制也逐渐成为一个新的研究方向。本研究设计了一种基于51单片机的对家庭中的空调和洗衣机进行智能控制系统。整个系统分为上位机设计和下位机设计两个部分。下位机系统主要以STC89C51单片机作为核心控制芯片，通过ESP8266作为无线通信的主模块，以WiFi作为无线传输信号的主要通讯方式，并加入温度检测模块实现对温度的实时监控，同时通过对继电器的控制实现对空调和洗衣机的控制。在上位机模块主要是通过设计相对应的手机APP，通过连接WiFi，可以直接获取到下位机的数据，并实现对下位机的控制。整个系统价格低廉，功能完整稳定，在市场中具有良好的发展前景。
关键词：智能家电控制；无线通信；APP
1.绪论
基于单片机的智能家电产品的设计是计算机技术中的一个分支，单片机技术在电子产品领域的应用，丰富了电子产品的功能，也为智能化电子设备的开发和应用提供了新的出路，实现了智能化电子设备的创新与发展。
2. 系统设计方案
2.1 系统总体设计
本文基于51单片机设计了一种通过手机和下位机之间的WiFi连接实现对家电控制的系统，其主要研究目的就是为了可以通过手机APP端来实现对家电的控制。主要有上位机设计和下位机的设计两个部分[4]。
上位机的系统设计主要是APP的设计，在APP端的主要主要是通过Android studio 进行软件的设计，主要包括与下位机的通信模块以及软件界面的设计。
下位机的设计主要是硬件电路的设计，主要有供电电路的设计、晶振电路的设计、复位电路的设计、温度数据采集电路的设计、继电器控制电路的设计和ESP9266无线WiFi通信模块的设计。具体的系统框图如图2-1所示：
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图2-1 系统框图
2.2 单片机芯片的选择
常用的单片机有stm32单片机以及51单片机，在本设计中采用的是51单片机。尽管stm32单片机的功能强大，管脚众多，在处理数据的速度上也远超过老式的51单片机，在stm32单片机的内部含有时钟电路，甚至可以使用其内部时钟来进行PWM波的输出，但是其价格比较昂贵，对于本设计来说，我们所需要的主要是以单片机为核心做一个最基本的控制系统，因此采用51单片机是可以实现的。51单片机的历史比较久远，在使用过程中只需要配置好其各个引脚即可，并且其价格低廉，对于降低整个系统设计的成本来说是一个最好的选择。因此本设计采用的是51单片机。
2.3 无线通讯模块的选择
基于WiFi的无线数据传输具有较高的传输效率，并且其通信核心芯片ESP8266占用的引脚不多，十分适合于51单片机的WiFi信号的传输。除此之外，其传输距离相较于蓝牙模块有着极为明显的优势。该模块的功耗低、价格低廉，因此在本设计中以ESP8266作为无线传输数据的核心芯片，通过WiFi进行数据和命令的发送。
2.4 温湿度传感器的选择
温湿度检测模块主要用到DHT11温度传感器，这款传感器是一种数字式的温度传感器，并且只有单线输出，使用起来方便快捷。除此之外，这款传感器的应用范围极其广泛，可以应用在各种复杂的环境下。经测试，在水下进行测温，DHT11仍然可以准确地测量其温度。DHT11的成本也是很低的，在设计中使用可以降低整个装置的成本，具有良好的经济效益。
3. 系统硬件设计
3.1 单片机最小系统的设计
在本设计中，主要是以STC89C52单片机作为核心控制芯片，其外围电路的设计上主要包括有以下几个模块，分别是电源供电电路的设计，复位电路模块的设计，时钟电路模块的设计，显示屏显示模块的电路设计，按键控制显示屏显示模块的电路设计，串口通信模块的电路设计。
3.2 温湿度检测电路
温湿度检测模块主要用到DHT11温度传感器，这款传感器是一种数字式的温度传感器，并且只有单线输出，使用起来方便快捷。除此之外，这款传感器的应用范围极其广泛，可以应用在各种复杂的环境下。经测试，在水下进行测温，DHT11仍然可以准确地测量其温度。DHT11的成本也是很低的，在设计中使用可以降低整个装置的成本，具有良好的经济效益。
3.3 ESP8266无线通信电路
本设计通过利用8266实现家电的控制，主要是通过其WiFi模块实现上位机和下位机之间的信号传输和命令发送。WiFi信号的传输是一个双向的过程，可以实现上位机的数据读取和下位机的命令发送，进一步实现对空调和洗衣机的家电控制。
3.4 继电器电路
继电器电路主要是为了实现对下位机的功能控制的开关电路。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测。继电器是集通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一 。
3.5 电源电路设计
整个系统的输入电压是5V，然而我们其他芯片的工作需求的电压又不一样，因此需要辅助电源电路来实现对各个芯片的供电。单片机正常的工作是3.3V，高速比较器的工作电压设定为5V，场效应管驱动芯片的工作电压为5V，DHT11温度传感器的工作电压是3.3V。
4. 系统软件设计
在智能家居产品和网络科技并行的时代背景下，设计一款配合本系统的基于Android系统的应用程序时是十分有必要的。根据需求可以得知，智能家居系统的应用程序主要分为四大模块，分别是无线蓝牙通讯模块、主界面模块、设置中心模块、家庭安全监控模块。
5. 系统的调试与分析
对整个手机家电控制系统的性能测试分析，通过设计多组实验来验证系统的准确性和稳定性。使用的测试工具主要有数字万用表等工具，软件测试平台主要有Keil4和Android Studio等。
在经过各个模块的测试之后，我们可以对整个系统做一个检测，包括上位机和下位机两个部分的测试。连接电源打开开关WIFI模块进行初始化初始化时间大约5秒钟，实物图如图5-1所示：
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图5-1 硬件实物图
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6.结 论
在本系统设计中，提出的基于单片机的手机智能控制家电系统的设计，满足社会市场的需求，基于89C51单片机为核心控制芯片，通过ESP8622可以实现与上位机APP的通信。从所采用的电子元器件的成本上来看，本系统所采用的所有的电子元器件都是属于价格低廉并且使用效果极好的。通过实验结果可以得知本系统已经实现了目标功能。在成本低廉并且目标功能都实现的前提下，本课题的系统设计可以继续进行完善并且将整个系统做成具体的产品推向市场，这是极其具有市场前景的。
参考文献
[1] 孙小霞.基于智能移动手机GSM网络的智能家居系统研究与设计[D].2018，4(079):124-126.
[2] 焦锋.基于手机APP的远程家电控制系统设计[J]. 数字化用户.2018, 024(041):77-78.
[3] 商道航, 张文静.基于单片机的家电远程控制系统的设计与实现[J]. 数码世界.2019, (08):8-9.