一种新型可升降智能控制系统设计与实现

温博阁

摘 要：采用STC89C51处理器智能家居及监控系统，实现了对室内多空间温度、光强、烟雾进行实时监控。系统主要由上位机、下位机和传感器构成，其中下位机由主控芯片以及功能模块构成，上位机由APP应用构成，传感器包括温传感器、光线传感器和烟雾传感器。最后，做出了实物，试验结果表明达到设计要求，具有一定市场推广价值。

关键词：智能家居 单片机 蓝牙 传感器 智能控制

1 引言

随着科学技术发展，智能家居产品逐渐走进千家万户，大多数以智能开关、智能马桶、智能锁和智能保温杯等，智能书桌鲜有人去关注，市面上出现的主要以6周岁一下使用者居多，真正推向大众化和市场化产品很少。国外同类产品已经发展很成熟，不管是设计工艺还是使用感受都很好，受制于昂贵的价格和运费，销量一直不温不火。目前，在国内也有不少学者已经取得了少成果，杜伟[1]等采用STM32F103Zet6单片机作为核心微控制器，设计了一款基于人体健康监测的智能书桌，存在结构简单且功能不全，达不到理想测试结果。汤洁[2]等主要采用调查与报告，面向群体是儿童设计一款简易书桌，研究内容仅限于国内外对比，深入研究内容太少。

因此，本文采主要研究智能升降书桌控制系统，以STC 89C52芯片为核心，采用模拟I2C总线以及单总线通信协议将三个传感器模块采样值传输至主控芯片，数据经单片机处理后通过蓝牙模块传输至上位机，上位机实时显示各自的数值并判断是否在设定的允许范围内，一旦超出阈值则调出手机短信框进行报警，最后还可根据环境光亮度，通过控制 LED亮灭实现模拟家电控制。本设计中的传感器包括温湿度传感器、光照传感器和烟雾传感器。该系统具有结构简单，符合常规思维，制作成本低等优点。

2 整体设计

该智能书桌主要由桌板底下控制系统、升降系统组成，采用STC89C51处理器智能家居及监控系统，实现了对室内多空间温度、光强、烟雾进行实时监控[3]。整体结构图如图1所示，系统主要由上位机、下位机和传感器构成，其中下位机由主控芯片以及功能模块构成，上位机由APP应用构成，传感器包括温传感器、光线传感器和烟雾传感器[4]。智能升降桌的主要设计参数如表1所示。

3 控制系统设计

3.1 系统总体框图

该书桌使用DS18B20高精度烟雾传感器模块、MQ-2烟雾传感器模块、5516光敏电阻传感器模块采集室内温度、烟雾和亮度，再通过PCF8591数模转换模块和单总线通信将信号传给STC89C52主控芯片，经过一定的算法处理通过蓝牙模块与APP配对，将信号传给上位机，上位机接收信号并进行判断选择报警，上位机可给下位机发信号，控制下位机LED灯的亮灭，达到了题目的所有要求[5]。

3.2 子系统流程图

在软件程序上首先对单片机外设初始化，以及模拟I2C时序、单总线时序初始化，再循环程序对AD模块进行读操作从而获得MQ-2测量值，单片机通过单总线直接读取DS18b20的值并进行算法处理获得环境温度值，单片机根据模拟I2C时序与BH1750进行通信并选择模式，从而读取返回室内光强（lux）值，将读取的三个传感器模块存入缓冲区中，并每隔500ms将缓冲区中的内容发送给上位机。单片机时刻读取RI接收标志位准备接收开关灯数据，接收特定的数值后控制IO口电平变化，进而控制LED灯的亮灭。通过流程图进行上位机和下位机程序编写与制作[6]。

3.3 上位机程序流程图

上位机调用手机蓝牙与HC-05蓝牙模块连接，波特率为9600。待蓝牙连接后立即启动手机定时器，定是时间为500ms，等500ms结束上位机调用手机蓝牙接收下位机发来的四个数为一帧的数据帧，帧头为0X70，第二个数据为温度的正负值判断，后三个数据分别为温度绝对值、室内亮度（·lux）值和MQ-2测量值，与设定的阈值进行比较并显示在标签上，如果不再允许阈值内则短信报警。显示在标签后手机重新开始计时500ms。

4 测试方案与测试结果

4.1 下位机测试流程

对于测试本设计的稳定性本设计了一套测量方案：对于测量亮度，通过用手捂住BH1750光敏电阻造成一种黑暗环境来测试本系统对于黑暗环境的反应，用手电筒照射BH1750光敏电阻造成一种强光环境来测试本系统对于强光环境的反应。对于测量室内烟雾浓度，可通过点燃香烟靠近MQ-2来测试系统对于烟雾浓度超标的反应。对于温度测量，可通过打火机靠近DS18B20温度传感器来测试系统对于高温的反应，将其拿到室外可测试系统对于低温的反应。通过这些方法可以检验设计是否达到设计要求，并通過统计检验系统的稳定性与准确性。

4.2 上位机操作流程

如图2操作界面所示，最上排为蓝牙连接设置部分，首先点击“蓝牙地址”出现列表选择框选择所连接HC-05蓝牙模块的名字以及地址。点击“连接”按钮连接蓝牙，点击“开关”按钮开始启动定时器，等到500ms定时开始接收下位机的数据。第二排为阈值设置，点击“重设阈值”，“温度”、“亮度”、“烟雾浓度”阈值按钮开启，通过点击“+/-”按钮调整阈值，阈值设置完毕点击“设置完毕”后“+/-”按钮关闭，重设阈值完毕。上位机把下位机收到的数据分别显示在“温度（℃）”、“室内两度（lux）”、“烟雾浓度”后面。

4.3 上位机读取数据

经过测试可判断下位机对光强、烟雾浓度反应灵敏程度，以及测量温度准确程度，上位机对不在阈值范围内的报警速度判断系统是否达到设计要求。上位机能够控制LED亮灭，达到设计要求。

4.4 控制系统仿真结果分析

从仿真结果可以看出，各个传感器模块以及外加AD模块均能正常与单片机通信，并且时序正确，这里采用滑动变阻器模拟MQ-2分压，单片机接收功数据以及发送数据能正常，满足设计课题所有要求。

5 实验

最后笔者借助三维软件根据二维图纸，加工并制作出物理原型机，如图3所示，电路部分如图4所示。

实验结果如下：当上升时，螺杆转动收缩，筒螺杆保持不转，一级、二级和三级同时升高，运行速度平稳，且噪音低于30db，行程随时间变化曲线图，如图5所示。

6 结语

本文提出了一种带辅助光源可升降的智能学习桌设计与实现方法，运用UG进行三维建模，来验证升降系统运行稳定性，并且对升降机控制系统和电路系统设计，在此基础上设计出物理原型机，经调试后测试，结果表明：升降和下降变化曲线平稳，辅助光源和矫姿系统功能良好，整体机构运行稳定，满足设计要求，为继续优化完善升降桌打下了基础，也为解决此类问题应用提供一种技术验证手段。

参考文献：

[1]杜伟，谭等泰，冯伟，靳娜维.基于人体健康监测的智能书桌设计与研究[J].甘肃科技，2020，36（02）：11-15.

[2]汤洁，储蕾芳.儿童智能书桌研究设计[J].设计，2020，33（21）：11-13.

[3]卫静婷，陈利伟，黎斌，谭露雯，陈协聪.基于单片机的智能儿童书桌的设计[J].电子制作，2019（15）：28-29.

[4]刘宁，李楠舟，周亮.上肢康复机器人的运动学分析及轨迹规划[J].青岛理工大学学报，2020，41（06）：120-125.

[5]刘宁，李楠舟，尤田.一种带辅助光源可升降的智能学习桌设计与实现[J].吉林化工学院学报，2020，37（11）：79-84.

[6]刘宁，韩玉辉，吕琼莹，王冬梅.基于压电驱动的一种新型球状扫描平台设计与分析[J].工业技术与职业教育，2020，18（02）：21-24+28.