基于PIC单片机的无线智能家居控制系统

课程名称：PIC单片机原理与应用

实验题目：基于PIC单片机的无线智能家居控制系统

课程简要信息

课程名称：《PIC单片机原理与应用》

课程学时：32学时

适用专业：电子类专业

学生年级：2-3年级。

实验内容与任务（限500字）

实验要求设计的无线智能家居控制系统主要包括PIC单片机、蓝牙模块/WIFI模块、显示模块、温度测量模块、电机及其驱动模块、继电器和灯泡、手机及APP、光亮度检测模块等。手机作为主设备，单片机控制系统作为从设备，用手机发送无线蓝牙/WIFI信号控制相关的家居设备工作，如点照明灯、开关窗帘、启动风扇并调速等，也可以按照命令将环境的信息由控制系统发送给手机并显示，然后根据情况控制相关的家居设备工作。

（1）基本部分（60分）

①采用蓝牙模块制定无线智能家居控制系统的方案，根据方案选择合适的功能模块，画出电路图。

②在通用板上搭建硬件系统。

③根据系统方案制定通信协议，并编写通信和控制软件。

④通过手机发送命令给系统，控制点1-3个灯，并在显示模块上显示该命令。

（2）提高部分（40分）

① 通过手机发送命令给系统，控制窗帘开关，此处以步进电机正反旋转来模拟窗帘的开关。

② 通过手机发送命令给系统，控制风扇开启和加减速，此处以直流电机启动加减速来实现。

③ 通过手机发送读取温度命令给系统，控制系统采集环境温度并在显示模块上显示，然后将其发送给手机，在手机接收端显示，再控制风扇工作。

（3）扩展部分（20分）

①以WIFI模块替代蓝牙模块，实现基本和提高部分要求的实验任务。

②控制系统中增加I^2^C模式工作的光亮度传感器，实现根据光亮度控制开灯的功能。

实验过程及要求（限300字）

本实验要求3-4人一组，分工合作共同完成实验任务。具体过程如下：

1. 通过学习和查找资料，了解无线智能家居控制的方法；

2. 深入了解可以选择的各个功能模块的具体性能和控制方法；

3. 通过讨论，根据任务要求设计实验方案，并分解具体任务到个人；

4. 分别实现系统的硬件制作和软件编写；

5. 小组合作进行系统的联合调试；

6. 完成实验任务要求，提交验收；

7. 撰写设计总结报告，通过课堂讨论，学习交流各组在实验过程中遇到的问题和解决的方法，总结实践经验和未来改进方向。

相关知识及背景（限150字）

本实验是运用PIC单片机原理与应用技术、数字和模拟电子技术、机械控制技术来解决现实生活和工程实际问题的案例，涉及UART异步串行通信口的使用、蓝牙或WIFI无线通信、温度/亮度传感器检测技术、数据显示、电机控制、系统焊接和调试等相关知识和技术方法。掌握一般电子电路的设计、安装、调试的方法，掌握数字电路常用的故障检测和排除方法。

教学目标与目的（限100字）

在这个综合实验项目实现过程中，考察学生对PIC单片机技术、数字电路相关知识的掌握，引导学生根据工程需求选择元器件、设计电路方案、基于模块化方法快速构建系统、软硬结合综合调试系统，引导学生扩展视野，鼓励拔尖学生突破知识瓶颈，尝试更好的接近实际的设计方案。

教学设计与引导

本实验的过程是一个完整的工程实践，需要经历学习研究、器件选择、方案论证、系统设计、焊接组装、程序编写、系统联调、测试总结等过程。教师的引导主要体现在对设计方案、程序编写、系统联调、测试总结的指导上，重点关注学生在系统调试时解决问题的方法，掌握项目进展情况，发掘团体潜能使项目更加完善：

1. 引导学生学习收集查阅相关资料，通过学习对比，最终能根据设计要求和知识掌握的能力制定合理可以实现的方案。

2. 在选择器件时，学生既要考虑功能，也要考虑成本，以性价比进行过程设计。

3. 在设计实现阶段，要学生注意设计的规范性，如系统结构与模块构成，模块间的接口方式；在系统板焊接时，要注意硬件的合理布局和连接接口的布置，以方便调试；在满足功能的基础上，要对程序不断地优化，着重考虑程序的兼容性并为后续的升级留有余地。

4. 在联合调试时，鼓励学生积极思考，在遇到问题时利用各种调试手段和调试设备分段分功能进行检查，查找问题根源，并针对问题进行全方面思考后解决。同时要学生注意电路工作的稳定性与可靠性。

5. 在实验完成后，组织学生以项目演讲、评讲等形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

实验原理及方案

图1 控制系统框图

1. 系统结构

根据实验要求设计的无线智能家居控制系统的框图如图1所示。

2. 系统原理图

根据无线智能家居控制系统的方案设计出系统原理图。

图2是PIC单片机最小系统原理图，图中的管脚分配仅作为一种示例，学生可以参考它，再根据自己的方案进行设计和管脚分配。图3至图10是可供选择的各个模块原理图和对应模块外观图。

图2 PIC单片机最小系统原理图

图3 HC05蓝牙模块原理图及外观图

图4 HC06蓝牙模块原理图及外观图

图5 WiFi模块原理图及外观图

图6 4位共阴极数码管原理图及外观图

图7 LCD模块原理图及外观图

图8 电机驱动模块原理图及外观图

图9 温度测量模块原理图及外观图

图10 光强度模块原理图及外观图

3. 系统流程图

图11-图12分别是系统工作的主流程图和接收主蓝牙命令和数据的流程图，该流程仅作为一个示例，学生可以根据自己的方案设计流程图并编写软件。

图11 主流程图 图12 接收主蓝牙命令和数据流程图

4. 通信协议

手机作为主蓝牙设备，单片机系统作为从蓝牙设备，它们之间通信的协议格式参考如下：

为了方便传输、识别和在LCD上显示，建议帧头、命令、数据都采用8位二进制的ASCII码自行定义。如，帧头可以定义为“！”（0x21），命令和数据的定义可参考下表：

教学实施进程

1. 在课程的开始，教师进行综合实验任务的布置，学生自由组队，并深入了解项目的要求。以任务推动学生对PIC单片机的学习。

2. 在课程理论学习和基础实验阶段，学生边学习基础知识，边按组合作讨论实现方案，决定选择的器件模块和完成的功能，并进行分工。以此促进学生更积极主动的学习和进行项目设计。

3. 在综合实验阶段，学生完成实验任务，教师负责指导、验收和总结，具体如下：

①学生按照各自的分工对所负责的部分进行软硬件电路设计，教师进行现场指导；

②学生合作调试电路，共同解决调试电路过程中遇到的实际问题，教师进行现场指导；

③教师对各组的实验结果进行验收；

④教师组织各组同学交流经验，总结遇到的实际问题和解决方法，以及未来改进的方向。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验要求分析：正确理解项目要求；

2. 实现方案论证：包括方案选择、器件选择、系统设计、通信协议等，要求考虑功能和成本性价比；

3. 电路设计：阐述各个功能模块的软硬件电路设计原理和功能实现方法；

4. 电路调试方法：阐述调试电路过程中遇到的实际问题和如何解决的；

5. 实验结果总结：阐述创新点和未来改进的方向。

考核要求与方法（限300字）

1. 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如软硬件设计、电路调试、无线信号的传输和显示、温度测量、电机控制），完成时间。

2. 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。

3. 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。

4. 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。

5. 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

项目特色或创新（可空缺，限150字）

实验属于无线智能家居设备的设计，将传统的单片机控制与无线互联网络相结合，具有较强的实用性和先进性，同时响应和实践了教育部提出的互联网+的教育改革。

实验注重工程素质的培养，促进学生了解产品的方案论证、系统设计、制作、调试、实现功能的全过程。实验以兴趣引导学生对PIC单片机的学习，以任务推动学生自主开发，以动手实践提高学生的工程设计能力，以交流促进相互提高，还可以培养团队合作精神。

参赛选手信息表