基于單片機和藍牙通信的溫度報警系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)

(西南石油大學 四川 成都 610500)

引言

雖然我國年均發(fā)生火災次數(shù)從往年的十幾萬起降至了近年的年均幾萬起[1]，人們的火災防范意識也不斷加強，但是隨著人們的生活、工作的環(huán)境條件不斷提高，無形之中增加了火災發(fā)生的隱患，特別是一些人口密集的場所、工作環(huán)境溫度高的場合以及存儲易燃易爆物質(zhì)的倉庫等，更是需要實時監(jiān)控溫度的變化，提前預防火災的發(fā)生。

本文設計的基于單片機和藍牙通信的溫度報警系統(tǒng)利用溫度傳感器和單片機數(shù)據(jù)處理對環(huán)境溫度進行采集，當環(huán)境溫度高于報警觸發(fā)值時將觸發(fā)系統(tǒng)的報警裝置，同時溫度數(shù)據(jù)將通過藍牙通信技術(shù)進行實時反饋，用戶可以通過終端實時掌握環(huán)境的溫度變化情況，能夠及時發(fā)現(xiàn)高溫隱患，將損失降到最低。

一、系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由溫度采集報警部分和輸出顯示部分組成。溫度采集報警部分是由AT89S52單片機、DS18B20溫度傳感器、報警裝置以及一些外圍元器件組成，能夠準確采集溫度數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理以及報警。輸出顯示部分是由LCD1602液晶顯示模塊、HC-08藍牙串口模塊、藍牙虛擬串口以及上位機構(gòu)成，能夠?qū)纹瑱C處理后的溫度數(shù)據(jù)同時在LCD液晶顯示屏和上位機上顯示。

二、硬件設計

(一)單片機最小系統(tǒng)。本系統(tǒng)設計采用由AT89S52芯片、復位電路、時鐘電路以及電源電路構(gòu)成的單片機最小系統(tǒng)實現(xiàn)主控制。AT89S52單片機是使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，但是做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機所不具備的功能，屬于51增強型單片機[2]。AT89S52擁有32個I/O口，2個數(shù)據(jù)指針，3個定時器/計數(shù)器，看門狗定時器以及全雙工串行口[3]。此外，其Flash存儲器容量達到8KB字節(jié)，片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)編程，亦適于常規(guī)編程器，是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。由于擁有靈巧的8位處理器和可編程Flash存儲器，AT89S52被廣泛應用于嵌入式控制應用系統(tǒng)中。

(二)溫度傳感器。溫度的采集通過DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)。美國DALLAS公司制造的DS18B20溫度傳感器是DS1820的升級版，它是一款高精度的單總線溫度測量芯片，測溫范圍為-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范圍內(nèi)最大誤差為±0.4℃[4]。芯片內(nèi)置4字節(jié)非易失性存儲單元供用戶使用，2字節(jié)用于高低溫報警，另外2字節(jié)用于保存用戶自定義信息。DS18B20核心功能是直接數(shù)字測溫，用戶可設置溫度傳感器的分辨率，精度最高可達0.0625℃。此外，芯片的另一個特點是用戶可以選擇“寄生供電”方式，即當總線為高的時候，通過單總線在DQ引腳上的上拉電阻提供給器件工作電壓。DS18B20具有體積小、功耗低、抗干擾等特點，被廣泛應用于溫度采集與報警系統(tǒng)中。

(三)藍牙通信模塊。藍牙無線通信采用HC-08藍牙模塊實現(xiàn)。該模塊是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協(xié)議的數(shù)傳模塊，無線工作頻段為2.4GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK，模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-93dBm，空曠環(huán)境可實現(xiàn)80米超遠距離通信。模塊集成了郵票封裝孔和排針焊接孔，即可以貼片封裝，又可以排陣焊接，能夠方便嵌入應用系統(tǒng)之內(nèi)，此外用戶也可以通過模塊自帶的LED狀態(tài)指示燈直觀判斷藍牙的連接狀態(tài)。HC-08模塊采用TI的CC2540F256芯片，配置256KB字節(jié)空間，支持AT指令，用戶可根據(jù)需要更改主從模式以及串口波特率、設備名稱等參數(shù)[5]，使用簡單靈活。

(四)顯示裝置。系統(tǒng)采用兩種方式同時實時顯示溫度數(shù)據(jù)，一種是單片機通過藍牙模塊與上位機進行藍牙無線通信，將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C以便用戶實時監(jiān)測溫度變化狀況，另一種是通過LCD1602液晶顯示屏顯示。對比LED數(shù)碼管，LCD液晶顯示屏有更好更直觀的顯示效果，使用壽命也更長。本系統(tǒng)所用的LCD1602液晶顯示模塊是專門同于顯示字母、數(shù)字元、符號等的點陣型液晶顯示模塊，具有體積小、環(huán)保節(jié)能、顯示內(nèi)容豐富等特點，同時提供了豐富的指令設置，可操作性強。模塊內(nèi)部具有上電自動復位電路，當外加電源電壓超過+4.5V時，自動對模塊進行初始化操作。

(五)報警裝置。本設計采用揚聲器組件作為報警裝置，主要由一個三極管、一片訊響器、一片音頻功率放大器LM386和一個2W的喇叭構(gòu)成。當DS18B20溫度傳感器采集的環(huán)境溫度高于用戶預先設定的報警觸發(fā)值時，產(chǎn)生報警信號，單片機導通三極管驅(qū)動訊響器，輸出的信號經(jīng)過功率放大器放大后推動喇叭振動，能夠產(chǎn)生高分貝的報警鳴響聲。

(六)電源裝置。本設計中所用到的AT89S52單片機、LCD液晶顯示屏以及報警器等裝置不需要很高的電壓來驅(qū)動，外置5V電源即可滿足系統(tǒng)的供電需求。

三、軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分是利用Keil5環(huán)境編寫的。主程序的主要功能是首先對系統(tǒng)進行初始化設定，隨后AT89S52單片機讀取溫度傳感器DS18B20采集的溫度，單片機將溫度數(shù)據(jù)送到LCD液晶顯示屏顯示，并且通過藍牙通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，同時單片機立即判斷此時溫度數(shù)值是否大于報警觸發(fā)值，若溫度數(shù)據(jù)大于報警觸發(fā)值則驅(qū)動報警裝置報警，隨后單片機進行下一次的溫度數(shù)據(jù)讀取，單片機判斷此時溫度數(shù)據(jù)小于報警觸發(fā)值，報警裝置便停止報警。主程序是一個死循環(huán)，其將按以上步驟一直循環(huán)執(zhí)行。

四、溫度報警系統(tǒng)的實現(xiàn)

溫度報警系統(tǒng)在上電復位后，設定報警觸發(fā)值為T=50℃，DS18B20溫度傳感器的分辨率設置為9位，即溫度分度為0.5℃。將DS18B20置于空氣中，當前環(huán)境的溫度便通過LCD顯示屏直觀顯示，并通過藍牙無線通信將溫度數(shù)據(jù)傳輸給上位機進行實時顯示。當將火源靠近DS18B20溫度傳感器，可以明顯觀察到LCD顯示屏的示數(shù)逐漸增大。當溫度傳感器采集到的溫度超過50℃時，信號立即反饋給主控芯片單片機，單片機隨即控制報警裝置發(fā)出高分貝報警響聲；當溫度傳感器檢測環(huán)境溫度下降到50℃以下，溫度報警系統(tǒng)便停止報警。

五、結(jié)語

隨著生活環(huán)境以及生活品質(zhì)的提高，發(fā)生火災不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，還嚴重威脅人們的生命安全。本文設計的基于單片機和藍牙通信的溫度報警系統(tǒng)，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、測溫精準等特點，能夠精準采集環(huán)境溫度，并能進行實時反饋與預警，達到預防火災的目的，具有廣泛應用價值。