基于单片机和蓝牙通信的温度报警系统的设计和实现

2020-02-25

福建质量管理 2020年3期

(西南石油大学四川成都 610500)

引言

虽然我国年均发生火灾次数从往年的十几万起降至了近年的年均几万起[1]，人们的火灾防范意识也不断加强，但是随着人们的生活、工作的环境条件不断提高，无形之中增加了火灾发生的隐患，特别是一些人口密集的场所、工作环境温度高的场合以及存储易燃易爆物质的仓库等，更是需要实时监控温度的变化，提前预防火灾的发生。

本文设计的基于单片机和蓝牙通信的温度报警系统利用温度传感器和单片机数据处理对环境温度进行采集，当环境温度高于报警触发值时将触发系统的报警装置，同时温度数据将通过蓝牙通信技术进行实时反馈，用户可以通过终端实时掌握环境的温度变化情况，能够及时发现高温隐患，将损失降到最低。

一、系统总体设计

本系统主要由温度采集报警部分和输出显示部分组成。温度采集报警部分是由AT89S52单片机、DS18B20温度传感器、报警装置以及一些外围元器件组成，能够准确采集温度数据并进行数据处理以及报警。输出显示部分是由LCD1602液晶显示模块、HC-08蓝牙串口模块、蓝牙虚拟串口以及上位机构成，能够将单片机处理后的温度数据同时在LCD液晶显示屏和上位机上显示。

二、硬件设计

(一)单片机最小系统。本系统设计采用由AT89S52芯片、复位电路、时钟电路以及电源电路构成的单片机最小系统实现主控制。AT89S52单片机是使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，但是做了很多的改进使得芯片具有传统的51单片机所不具备的功能，属于51增强型单片机[2]。AT89S52拥有32个I/O口，2个数据指针，3个定时器/计数器，看门狗定时器以及全双工串行口[3]。此外，其Flash存储器容量达到8KB字节，片上Flash允许程序存储器在系统内编程，亦适于常规编程器，是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。由于拥有灵巧的8位处理器和可编程Flash存储器，AT89S52被广泛应用于嵌入式控制应用系统中。

(二)温度传感器。温度的采集通过DS18B20温度传感器实现。美国DALLAS公司制造的DS18B20温度传感器是DS1820的升级版，它是一款高精度的单总线温度测量芯片，测温范围为-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范围内最大误差为±0.4℃[4]。芯片内置4字节非易失性存储单元供用户使用，2字节用于高低温报警，另外2字节用于保存用户自定义信息。DS18B20核心功能是直接数字测温，用户可设置温度传感器的分辨率，精度最高可达0.0625℃。此外，芯片的另一个特点是用户可以选择“寄生供电”方式，即当总线为高的时候，通过单总线在DQ引脚上的上拉电阻提供给器件工作电压。DS18B20具有体积小、功耗低、抗干扰等特点，被广泛应用于温度采集与报警系统中。

(三)蓝牙通信模块。蓝牙无线通信采用HC-08蓝牙模块实现。该模块是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE蓝牙协议的数传模块，无线工作频段为2.4GHz ISM，调制方式是GFSK，模块最大发射功率为4dBm，接收灵敏度-93dBm，空旷环境可实现80米超远距离通信。模块集成了邮票封装孔和排针焊接孔，即可以贴片封装，又可以排阵焊接，能够方便嵌入应用系统之内，此外用户也可以通过模块自带的LED状态指示灯直观判断蓝牙的连接状态。HC-08模块采用TI的CC2540F256芯片，配置256KB字节空间，支持AT指令，用户可根据需要更改主从模式以及串口波特率、设备名称等参数[5]，使用简单灵活。

(四)显示装置。系统采用两种方式同时实时显示温度数据，一种是单片机通过蓝牙模块与上位机进行蓝牙无线通信，将采集到的温度数据传输到上位机以便用户实时监测温度变化状况，另一种是通过LCD1602液晶显示屏显示。对比LED数码管，LCD液晶显示屏有更好更直观的显示效果，使用寿命也更长。本系统所用的LCD1602液晶显示模块是专门同于显示字母、数字元、符号等的点阵型液晶显示模块，具有体积小、环保节能、显示内容丰富等特点，同时提供了丰富的指令设置，可操作性强。模块内部具有上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作。

(五)报警装置。本设计采用扬声器组件作为报警装置，主要由一个三极管、一片讯响器、一片音频功率放大器LM386和一个2W的喇叭构成。当DS18B20温度传感器采集的环境温度高于用户预先设定的报警触发值时，产生报警信号，单片机导通三极管驱动讯响器，输出的信号经过功率放大器放大后推动喇叭振动，能够产生高分贝的报警鸣响声。

(六)电源装置。本设计中所用到的AT89S52单片机、LCD液晶显示屏以及报警器等装置不需要很高的电压来驱动，外置5V电源即可满足系统的供电需求。

三、软件设计

系统的软件部分是利用Keil5环境编写的。主程序的主要功能是首先对系统进行初始化设定，随后AT89S52单片机读取温度传感器DS18B20采集的温度，单片机将温度数据送到LCD液晶显示屏显示，并且通过蓝牙通信模块将数据传输到上位机，同时单片机立即判断此时温度数值是否大于报警触发值，若温度数据大于报警触发值则驱动报警装置报警，随后单片机进行下一次的温度数据读取，单片机判断此时温度数据小于报警触发值，报警装置便停止报警。主程序是一个死循环，其将按以上步骤一直循环执行。

四、温度报警系统的实现

温度报警系统在上电复位后，设定报警触发值为T=50℃，DS18B20温度传感器的分辨率设置为9位，即温度分度为0.5℃。将DS18B20置于空气中，当前环境的温度便通过LCD显示屏直观显示，并通过蓝牙无线通信将温度数据传输给上位机进行实时显示。当将火源靠近DS18B20温度传感器，可以明显观察到LCD显示屏的示数逐渐增大。当温度传感器采集到的温度超过50℃时，信号立即反馈给主控芯片单片机，单片机随即控制报警装置发出高分贝报警响声；当温度传感器检测环境温度下降到50℃以下，温度报警系统便停止报警。