一種新型可升降智能控制系統設計與實現

溫博閣

摘 要：采用STC89C51處理器智能家居及監控系統，實現了對室內多空間溫度、光強、煙霧進行實時監控。系統主要由上位機、下位機和傳感器構成，其中下位機由主控芯片以及功能模塊構成，上位機由APP應用構成，傳感器包括溫傳感器、光線傳感器和煙霧傳感器。最后，做出了實物，試驗結果表明達到設計要求，具有一定市場推廣價值。

關鍵詞：智能家居 單片機 藍牙 傳感器 智能控制

1 引言

隨著科學技術發展，智能家居產品逐漸走進千家萬戶，大多數以智能開關、智能馬桶、智能鎖和智能保溫杯等，智能書桌鮮有人去關注，市面上出現的主要以6周歲一下使用者居多，真正推向大眾化和市場化產品很少。國外同類產品已經發展很成熟，不管是設計工藝還是使用感受都很好，受制于昂貴的價格和運費，銷量一直不溫不火。目前，在國內也有不少學者已經取得了少成果，杜偉[1]等采用STM32F103Zet6單片機作為核心微控制器，設計了一款基于人體健康監測的智能書桌，存在結構簡單且功能不全，達不到理想測試結果。湯潔[2]等主要采用調查與報告，面向群體是兒童設計一款簡易書桌，研究內容僅限于國內外對比，深入研究內容太少。

因此，本文采主要研究智能升降書桌控制系統，以STC 89C52芯片為核心，采用模擬I2C總線以及單總線通信協議將三個傳感器模塊采樣值傳輸至主控芯片，數據經單片機處理后通過藍牙模塊傳輸至上位機，上位機實時顯示各自的數值并判斷是否在設定的允許范圍內，一旦超出閾值則調出手機短信框進行報警，最后還可根據環境光亮度，通過控制 LED亮滅實現模擬家電控制。本設計中的傳感器包括溫濕度傳感器、光照傳感器和煙霧傳感器。該系統具有結構簡單，符合常規思維，制作成本低等優點。

2 整體設計

該智能書桌主要由桌板底下控制系統、升降系統組成，采用STC89C51處理器智能家居及監控系統，實現了對室內多空間溫度、光強、煙霧進行實時監控[3]。整體結構圖如圖1所示，系統主要由上位機、下位機和傳感器構成，其中下位機由主控芯片以及功能模塊構成，上位機由APP應用構成，傳感器包括溫傳感器、光線傳感器和煙霧傳感器[4]。智能升降桌的主要設計參數如表1所示。

3 控制系統設計

3.1 系統總體框圖

該書桌使用DS18B20高精度煙霧傳感器模塊、MQ-2煙霧傳感器模塊、5516光敏電阻傳感器模塊采集室內溫度、煙霧和亮度，再通過PCF8591數模轉換模塊和單總線通信將信號傳給STC89C52主控芯片，經過一定的算法處理通過藍牙模塊與APP配對，將信號傳給上位機，上位機接收信號并進行判斷選擇報警，上位機可給下位機發信號，控制下位機LED燈的亮滅，達到了題目的所有要求[5]。

3.2 子系統流程圖

在軟件程序上首先對單片機外設初始化，以及模擬I2C時序、單總線時序初始化，再循環程序對AD模塊進行讀操作從而獲得MQ-2測量值，單片機通過單總線直接讀取DS18b20的值并進行算法處理獲得環境溫度值，單片機根據模擬I2C時序與BH1750進行通信并選擇模式，從而讀取返回室內光強（lux）值，將讀取的三個傳感器模塊存入緩沖區中，并每隔500ms將緩沖區中的內容發送給上位機。單片機時刻讀取RI接收標志位準備接收開關燈數據，接收特定的數值后控制IO口電平變化，進而控制LED燈的亮滅。通過流程圖進行上位機和下位機程序編寫與制作[6]。

3.3 上位機程序流程圖

上位機調用手機藍牙與HC-05藍牙模塊連接，波特率為9600。待藍牙連接后立即啟動手機定時器，定是時間為500ms，等500ms結束上位機調用手機藍牙接收下位機發來的四個數為一幀的數據幀，幀頭為0X70，第二個數據為溫度的正負值判斷，后三個數據分別為溫度絕對值、室內亮度（·lux）值和MQ-2測量值，與設定的閾值進行比較并顯示在標簽上，如果不再允許閾值內則短信報警。顯示在標簽后手機重新開始計時500ms。

4 測試方案與測試結果

4.1 下位機測試流程

對于測試本設計的穩定性本設計了一套測量方案：對于測量亮度，通過用手捂住BH1750光敏電阻造成一種黑暗環境來測試本系統對于黑暗環境的反應，用手電筒照射BH1750光敏電阻造成一種強光環境來測試本系統對于強光環境的反應。對于測量室內煙霧濃度，可通過點燃香煙靠近MQ-2來測試系統對于煙霧濃度超標的反應。對于溫度測量，可通過打火機靠近DS18B20溫度傳感器來測試系統對于高溫的反應，將其拿到室外可測試系統對于低溫的反應。通過這些方法可以檢驗設計是否達到設計要求，并通過統計檢驗系統的穩定性與準確性。

4.2 上位機操作流程

如圖2操作界面所示，最上排為藍牙連接設置部分，首先點擊“藍牙地址”出現列表選擇框選擇所連接HC-05藍牙模塊的名字以及地址。點擊“連接”按鈕連接藍牙，點擊“開關”按鈕開始啟動定時器，等到500ms定時開始接收下位機的數據。第二排為閾值設置，點擊“重設閾值”，“溫度”、“亮度”、“煙霧濃度”閾值按鈕開啟，通過點擊“+/-”按鈕調整閾值，閾值設置完畢點擊“設置完畢”后“+/-”按鈕關閉，重設閾值完畢。上位機把下位機收到的數據分別顯示在“溫度（℃）”、“室內兩度（lux）”、“煙霧濃度”后面。

4.3 上位機讀取數據

經過測試可判斷下位機對光強、煙霧濃度反應靈敏程度，以及測量溫度準確程度，上位機對不在閾值范圍內的報警速度判斷系統是否達到設計要求。上位機能夠控制LED亮滅，達到設計要求。

4.4 控制系統仿真結果分析

從仿真結果可以看出，各個傳感器模塊以及外加AD模塊均能正常與單片機通信，并且時序正確，這里采用滑動變阻器模擬MQ-2分壓，單片機接收功數據以及發送數據能正常，滿足設計課題所有要求。

5 實驗

最后筆者借助三維軟件根據二維圖紙，加工并制作出物理原型機，如圖3所示，電路部分如圖4所示。

實驗結果如下：當上升時，螺桿轉動收縮，筒螺桿保持不轉，一級、二級和三級同時升高，運行速度平穩，且噪音低于30db，行程隨時間變化曲線圖，如圖5所示。

6 結語

本文提出了一種帶輔助光源可升降的智能學習桌設計與實現方法，運用UG進行三維建模，來驗證升降系統運行穩定性，并且對升降機控制系統和電路系統設計，在此基礎上設計出物理原型機，經調試后測試，結果表明：升降和下降變化曲線平穩，輔助光源和矯姿系統功能良好，整體機構運行穩定，滿足設計要求，為繼續優化完善升降桌打下了基礎，也為解決此類問題應用提供一種技術驗證手段。

參考文獻：

[1]杜偉，譚等泰，馮偉，靳娜維.基于人體健康監測的智能書桌設計與研究[J].甘肅科技，2020，36（02）：11-15.

[2]湯潔，儲蕾芳.兒童智能書桌研究設計[J].設計，2020，33（21）：11-13.

[3]衛靜婷，陳利偉，黎斌，譚露雯，陳協聰.基于單片機的智能兒童書桌的設計[J].電子制作，2019（15）：28-29.

[4]劉寧，李楠舟，周亮.上肢康復機器人的運動學分析及軌跡規劃[J].青島理工大學學報，2020，41（06）：120-125.

[5]劉寧，李楠舟，尤田.一種帶輔助光源可升降的智能學習桌設計與實現[J].吉林化工學院學報，2020，37（11）：79-84.

[6]劉寧，韓玉輝，呂瓊瑩，王冬梅.基于壓電驅動的一種新型球狀掃描平臺設計與分析[J].工業技術與職業教育，2020，18（02）：21-24+28.