基于C52的蓝牙距离预警功能的设计

2018-03-23李翔宇马夕然叶奕风

软件 2018年2期

李翔宇，马夕然，叶奕风

（1. 天津工业大学计算机科学与软件学院，天津 300387；2. 天津工业大学电子信息与工程学院，天津 300387；3. 天津工业大学机械学院，天津 300387）

0 引言

近几年来，随着物联网的不断发展，多种新兴科学技术也开始得到了应用。在物联网领域中，由于蓝牙技术的不断成熟，使其得到更多的应用拥有更重要的作用。本部分主要介绍基于单片机的家长端与孩子端蓝牙互联。本文基本用STC89C52RC这种型号的单片机作为主要控制端，在大概规定距离内，因蓝牙模块的无线互联使得设备的小灯闪耀，当距离过远，通过蜂鸣器报警，两个单片机通过内部程序实现实时连接和断开，从而完成家长端和孩子端的互联。

1 功能及总体方案

1.1 功能描述

首先，距离大约20米内，HC-05主从机一体蓝牙模块互联，信号通过无线传送到另一HC-05蓝牙上，经该单片机处理后红色LED灯闪烁。超过大约20米距离，HC-05主从机一体蓝牙模块信号中断，再经该单片机处理，实现两蜂鸣器报警，同时红色LED灯常亮。

1.2 系统组成及工作过程

当蓝牙模块距离较近，互相接收到蓝牙信号时，灯会一直闪烁，此时蜂鸣器不会报警。反而距离过远，使得信号中断，会引起两端的蜂鸣器同时进行报警。为了取消报警，缩短两设备的距离，这时候自动恢复红灯闪烁且不报警的状态。

图2 系统组成框图Fig.2 System block diagram

1.3 工作流程图

当佩戴好设备的同时，可以自动检测到蓝牙的连接情况，给出相应的提示，因此可明显看到互连情况。这样在便捷的情况下，使得设备提示达到最佳效果。下图为设备工作流程图。

图3 工作流程图Fig.3 work flow chart

2 硬件设计

2.1 硬件电路总体设计

硬件电路有最主要的单片机最小系统；外围电路有 HC05蓝牙模块，蜂鸣器模块以及电源。其中蜂鸣器和LED灯，分别起到报警和提示作用。如图为总体电路图。

2.2 单片机最小系统电路

主要包括STC89C52RC芯片、复位模块和晶振模块。最小系统电路原理图如图5所示。

STC89C52RC是STC的低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K字节的系统可编程闪存。STC89C52在采用 MCS-51内核的同时做出了很多方面的改进，使得芯片具有传统的51微控制器不具备的功能。在单芯片上，采用智能8位CPU和可编程闪存系统，使STC89C52可为许多嵌入式控制应用提供高度灵活，超高效的解决方案。指令代码完全兼容于传统的8051微控制器，可以任选12个时钟/机器周期和6个时钟/机器周期。

图4 总体电路图Fig.4 Overall circuit diagram

该控制器主要特点如下，第一，采用增强型8051单片机；第二，可在6个时钟/机器周期和12个时钟/机器两个周期中任意选择，且指令代码和传统8051相同；第三，工作电压为5.5V～3.3 V（5 V微控制器）/3.8 V～2.0 V（3 V微控制器）；第四，工作频率范围为 0～40 MHz，相当于普通 8051 0～80MHz的一半，且实际工作频率高达48MHz。用户应用程序空间为8 K字节，片内集成512字节RAM。通用端口为I/O端口，复位后为P1/P2/P3/P4准双向拉出，端口0为漏极开路输出，作为总线扩展，因为 I/O口需要上拉电阻，所以此处无需上拉电阻。ISP（在系统可编程）/IAP（在应用程序可编程）中，无需专业编程器和专用仿真器，通过串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）可直接下载用户程序。具有看门狗功能的功能。也就是说，定时器T0，T1，T2。此外，下拉模式可通过外部中断触发低电平中断模式。工作温度范围为-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）。

图5 单片机最小系统电路Fig.5 Minimum system circuit of single chip microcomputer

系统的可靠性在一定程度上靠微控制器的复位电路来保证。复位的基本功能是在系统上实时提供复位信号，直到整个系统稳定时，信号允许被撤销。51单片机采用地是高电平复位，复位电平必须大于复位有效时两个机器周期的持续时间，其具体值可以通过 RC电路时间常数计算。复位模式使用手动复位：如果在运行期间按下按钮，电容器将放电，VCC通过复位引脚达到高电平状态，然后通过电阻器对电容器进行反向充电，保持一段时间的达到高电平的单片机复位，此段时间过后，复位引脚变为0 V，微控制器进入正常工作状态。

51微控制器包含反相放大器的高增益，并且外部XTAL1和XTAL2引脚跨越石英晶体和两个微调电容器，构成稳定的自激振荡器。其中，两个电容器不仅可以稳定频率，还可以调节频率的作用，通常在5～30 pF的范围内。要的，其作用是为系统提供基本的时钟信号。一般来说，为了保持系统的每个部分的同步将共享一个晶体，并且在晶体的有序执行的所有顺序基于建立在晶体时钟频率中提供。微控制器的速度取决于时钟频率的速度（见图2）

2.3 蓝牙模块电路

该模块所使用的单片机的输入引脚与模块的串行数据输入端连接，输出引脚与对应输出端连接。这样达到了程序数据的传输，使得蓝牙信号可以根据程序设定进行互连或中断。与此同时，蓝牙模块的其他两个引脚state和en设置为悬空。

图6 蓝牙电路图Fig.6 Bluetooth circuit diagram

2.4 提升与改进

为了实现设备最小化，可以对原有基础上的主控端进行了改进，为节省空间使用更小芯片。图 7为STC89C52RC-LQFP44芯片原理图。

图7 单片机芯片原理图Fig.7 The principle diagram of single chip

由于更改上一款的直插式芯片，将该芯片变成贴片式，从而可以实现模块缩小，同时也便于操作和提高效率。

3 软件设计

3.1 软件总体设计

下载程序之前，在电脑上安装 USB转串口CH340驱动，然后安装对应单片机的烧录工具，本次安装的程序下载软件是 stc-isp-15xx-v6.85H自动下载，可以通过此软件将写好的程序下载到STC89C52RC芯片中。

软件设计的主要内容是：判断蓝牙是否接收到数据，接收到信号控制LED灯闪烁，距离过远接收不到信号，蜂鸣器响LED灯常亮。首先对串口进行初始化，定时器初始化，串口发送字符串，接着等待中断，当产生中断时进入串口中断服务程序，然后对蜂鸣器和LED进行控制。

3.2 主程序设计

在这一阶段，要首先完成微控制器的初始化，该阶段包括每个端口的定义、功能声明、变量定义和宏定义，然后要进行单片机的串口初始化，包括定时器工作模式选择、串口工作模式选择、波特率设置、开放串行中断等。当系统产生中断时，进入串行中断服务程序，中断程序包含例如控制功能等诸多功能。最后在各种功能的实现的基础上控制LED灯显示和蜂鸣器。

系统主程序工作流程如图8所示。