0414周易聪 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作Word下载.docx

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本文介绍了一种基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作，该系统以STC12C5A60S2单片机为核心，使用蓝牙HC-06模块进行测量数据传输，可与手机等带有蓝牙模块的设备进行交互。

它以SHT11为温湿度检测传感器，实时检测环境温湿度，并且具有温湿度超限报警功能。

实时测量数据通过液晶模块实时显示。

本系统的突出特点是通过蓝牙可以实现智能手机与本系统的进行连接，将测量的温湿度上传给智能手机。

同时，还可以用手机直接控制系统，设置报警上下限等参数。

本文主要讲述了系统的软硬件设计，论述各个模块的工作原理，介绍了整个系统的开发过程。

系统经测试，完全实现了任务书的预定功能。

关键词：

蓝牙，温度，湿度，测量，单片机

ABSTRACT

Nowadays,asgreatlydevelopmentofTheInternetofThings（IOT）,awidevarietyofIOTproductsalsoarise,temperatureandhumiditymonitoringisabasicandwidelyusedtechnology.Thistheiesintroducesawirelesstemperatureandhumiditymonitoringsystembasedonbluetooth,STC12C5A60S2single-chipmicrocomputerasthecore,thesystemusingbluetoothHC-06forclosewirelessdatatransmission,caninteractwithwhichmobilephonebluetoothterminaldeviceandsoon,withSHT11temperatureandhumiditydetectionsensorforreal-timeenvironmentaltemperatureandhumiditydetection,thesystemalsoprovideultralimitalarmSolution.thecurrentenvironmentaldataisdisplayedinLCD12864liquidcrystalwhichisyellowgreenandback-groundlightcontrolled.Thistheiesmainlydescribethehardwareandsoftwaredesignandthesolutionofthesystem,emphasisondescribingthedevelopmentprocessofthewholesystem.Systemtestedshowsthatitcompletelymeetstherequireofthecommitmentsscheduled.

Keywords:

bluetooth,temperature,humidity,measurement,mcu

前言

当今社会生活中，温湿度在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，体现在了方方面面，随之产生的温湿度调节产品如空调，冰箱，加湿器等。

研究温湿度领域有很好的前景。

随着单片机技术的发展，自动控制变得越来越简单，很多复杂的系统变得简单化，操作方便，性能稳定，所以以单片机为核心控制器的无线系统也越受广大研究者的关注。

在《农机化研究》2011年11期中，宁波大学信息科学与工程学院的陈宇灿等四位同学发表的《一种基于C8051F330单片机的无线温湿度监测系统》中，讨论了针对分散节点温湿度的监测，设计了基于单片机的无线温湿度监测系统。

它以C8051F330单片机为核心的控制器，通过温湿度传感器HU-10S，无线收发模块nRF24L01和串行通信模块，完成对温湿度的实时监测。

本系统可以检测温度范围在-20～115℃，测量的精度为0.1℃；

测量湿度范围在20%RH～95%RH，测量误差小于±

5%RH。

在2009年第03期《吉林化工学院学报》中陈玲玲、刘凤鹍发表了《基于ZigBee的养殖场无线温湿度监测系统》，文中介绍了一种基于ZigBee技术的养殖场无线监测系统，该系统以ATmega16L单片机为核心，采用SHT11传感器进行温湿度数据采集，CC2402芯片进行无线数据传输，使得监测中心能够实时显示各节点的温湿度数据和状态。

在2010年第4期的《计算机应用与软件》中伍春、陈冬雪、江洪、楚红雨等四位同学发表了《基于蓝牙的无线传感器网络节点的设计与实现》，该文讲述如何设计一种基于蓝牙和LPC2114的无线传感器网络节点。

文章介绍了节点总体架构以及各硬件模块：

传感器模块，数据处理模块，无线通信模块和电源模块的设计，阐述了蓝牙无线传感器的网络组网方法。

在2011年10期的《机电工程》中朱莉和顾能华发表的《温室大棚无线温湿度监测系统设计》中，介绍了一种基于无线技术和单片机组建的在线温湿度监测系统。

终端节点以ATMEGA48为核心，采用SHT10为测量元件，利用了无线传输模块nRF905与MCU通信，经MCU处理后传送至PC机，以VB6.0设计开发了实时监测平台，从而实现了温室温湿度实时监测。

借鉴已经研究出的成果，本课题设计的基于蓝牙的无线温湿度监测系统以智能手机上的蓝牙APP为监控终端，可应用于大棚养殖业温湿度监测以及家庭生活环境的温湿度监测。

手机接收的相应数据之后，可以通过因特网传给远端的服务器，使用物联网可以远程控制系统。

人们只需通过智能手机或者远端PC机即可了解当前环境的温湿度信息，利用调控温湿度的设备就可以方便的得到想要的温湿度。

该产品可以在农业、家庭甚至工业相关领域推广应用。

第1章系统总体设计

1.1系统设计任务与要求

1.1.1系统设计任务

该系统利用蓝牙模块将测量的温湿度数据传送给智能手机，在安装了GetBlue等软件的智能手机上实现对于环境温湿度数据的无线监测。

主要技术指标：

温度测量范围-25℃～90℃，精度±

0.5℃；

湿度测量范围0～100％RH，精度±

4％RH。

该系统由单片机系统、液晶显示模块、EEPROM、集成温湿度传感器、蓝牙模块、键盘、电源变换模块、电池等构成。

1.2.1统设计要求

根据设计的任务要求，分析该蓝牙无线温湿度监测系统的制作需求。

首先进行系统总体设计，在总体设计过程中，分析制作该系统所需要的全部硬件以及软件资源，使用AltiumDesigner6.9完成系统电路原理图和PCB设计。

程序设计部分使用的开发工具是德国的KeilC51，最终通过制作完成后的成品演示来验证系统的设计成功与否。

1.2主要研究内容与实现方法

1.2.1主要研究对象

本系统包括软件和硬件部分。

硬件以STC12C5A60S2单片机为核心控制芯片的最小系统、ST7920液晶显示模块、SHT11温湿度传感器电路、掉电保护存储芯片AT24C02、独立按键和有源蜂鸣器驱动电路、升压模块以及电池等组成。

软件主要实现蓝牙与手机终端间的数据交互、测量数据显示、温湿度超限报警以及30秒背光控制等功能。

1.2.2实现设计的途径

实现设计的途径主要是首先经过查阅和收集各种相关资料，然后，讨论总体方案设计，进行方案可行性分析，根据导师指导完成各个模块的电路设计，理论分析无大问题之后购买器件进行PCB设计，然后是实物调试及功能测试，最后整理文档，完成整个系统设计。

1.3系统总体设计方案

根据下发的任务书的具体要求，确保实现各个要求的功能，以最低成本去设计该系统，满足用户的实际需要，方便用户使用。

该系统由9个部分构成，分别是：

主控制器模块，蓝牙从机模块，EEPROM存储模块，DC-DC电源模块，系统复位电路，有源蜂鸣器报警模块、温湿度检测模块、液晶显示模块、按键模块。

以下逐一对每个模块进行讨论分析。

1.3.1主控制器模块

方案一：

使用宏晶STC89C52RC芯片作为主控制器，该芯片主要特性如下：

1.属于增强型的8051单片机，具有6T和12T时钟任意选择功能，指令完美兼容；

2.正常工作的电压范围：

5V单片机为3.3V～5.5V，3V单片机为2.0V～3.8V；

3.正常工作的频率范围：

0～40MHz,比传统的8051快四倍多；

4.程序ROM为8Kbytes；

5.512BytesRAM；

6.具有32个I/O口，P1～P4是准双向弱上拉，P0做I/O口时，需要接上拉电阻；

7.支持ISP和IAP，不用专门的编程器，直接可以通过RXD和TXD两个引脚下载程序；

8.具有片内EEPROM；

9.有3个16位的Timer；

10．价格在5.00元左右；

方案二：

使用宏晶STC12C5A60S2芯片作为主控制器，该芯片主要特性如下：

1.是一款高速低功耗超强抗干扰的51单片机，具有1T模式，比传统的8051单片机快8～12倍；

2.内部集成2通道的PWM（脉冲宽度调制），8通道高速的10bit模数转换器；

3.STC12C5A60S2系列单片机工作电压：

3.3V～5.5V；

4.程序ROM有60K字节；

5.1280Bytes静态RAM；

6.36个I/O口，可以配置四种模式：

准双向口，具有弱上拉，并且每个I/O口具有20mA的驱动力，但是芯片总体电流不要超过55mA；

7.支持ISP和IAP，不用专门的编程器，直接可以通过RXD和TXD

8．集成专用的复位电路MAX810，当晶体振荡器使用外部12M以下晶振时，复位引脚可直接接10k电阻到地；

9.具有监测掉电电路，有一个低压门槛的比较器，5V单片机为1.32V，误差是+/-5%；

10.7路外部中断I/O口，除了兼容传统的出发方式外，增加了PCA上升沿支持模块；

11．有两个串口1和串口2；

12.价格在6.00元左右；

方案三：

使用SST公司SST89E516RD作为主控制器，该芯片主要特性如下：

1.属于带嵌入式存储器的通用8位的微处理器，与传统的8051完美兼容；

2.工作频率5V时：

0～40MHz；

3．256+768Bytes的内部RAM；

4．内置两块优性能的SuperFlash存储器；

5.最大支持外部程序和数据存储空间64K；

6.16位定时/计数器3个；

7.全双工的UART一个；

8.中断源8个，中断优先级4个；

9.支持两个DPTR指针；

10.可以选择12T和6T模式；

11．价格在20.00元左右；

综合以上三个方案进行分析讨论，方案一中的STC89C52RC程序存储器只有8K，RAM只有256Bytes，经过每个分析每个模块的复杂度以及上网查相关资料，预计本系统的可执行代码大小在25K左右，并且数据量比较庞大，256Bytes的数据RAM是不够用的，故放弃方案一。

方案三中的SST89E516RD芯片性能完全符合本系统需求，但是性价比不够高。

方案二中的STC12C5A60S2芯片性能能够满足系统需求，并且价格便宜，故选用方案二。

1.3.2蓝牙模块

汇承HC-05蓝牙转串口适配器模块CSR主从一体蓝牙模块，采用CSR主流蓝牙芯片，V2.0蓝牙标准协议，模块供电电压3.3～3.6V，核心模块尺寸27mm*13mm*3mm，工作电流，配对中时30～40mA，配对成功但是并未通信时2～8mA，通信时8mA，通讯距离空旷条件下10m，正常环境8m，适用于GPS导航系统，水电无线抄表，可以跟蓝牙电脑,PDA等设备进行无缝通讯，还可以针对STC系列单片机进行无线升级和下载程序[1]。

Arduino无线蓝牙串口透传模块，HC-06从机蓝牙无线串口通信模块。

该模块重量3.5克，PCB尺寸37.3*15.5mm，输入电压3.6～6V，不能超过7V，电源具有防止反接功能，模块反接后是不工作的，引出4个引脚VCC/GND/RXD/TXD。

附带蓝牙状态指示灯当蓝牙没有配对成功时，LED闪烁，配对成功后，LED灯常亮。

5V单片机可以直接连接，不用通过MAX232芯片。

空旷地方有效传输距离10m，配对成功后可作为全双工串口使用，只支持8bit数据，1位停止位，无奇偶校验位，暂时不支持其他的格式。

带透明热缩管保护。

由于本系统采用的是STC12C5A60S2单片机，其工作电压为5V，故方案一不符合要求，使用方案二。

1.3.3EEPROM存储模块

EEPROM采用ATmel公司的AT24C02ADDR存储芯片，芯片工作标准电压为5.0V，容量为2kbits，采用两线串行接口，内置斯密特触发器，滤波输入以及噪声抑制电路，双向的数据传输协议。

5V时400kHz的匹配频率，具有写保护引脚保护硬件数据，具有字节写，8字节页写，16字节页写模式，自定时10ms写周期，具有高稳定性，一百万次写周期，数据存储100年不丢失等特点[2]。

1.3.4DC-DC电源模块

采用LM2940-5.0低压差三端稳压芯片进行稳压，该稳压器的输出电压为5V，输出电路为1A，当输入的电流为1A时，最小输入和输出的电压压差小于0.8V，输入电压上限为26V，正常工作温度-40℃～+125℃，内置过流、过热、反接保护电路。

采用XL6009开关升压模块，XL6009是一款高性能的大电流升压模块，最大电流可以达到4A，性能远超LM2577，具有超宽的电压输入范围3V～32V，输出电压5V～35V，内置高效4A的MOSFET开关管，效率高达94％，并具有400kHz超高开关频率，纹波和体积更小[3]。

由于本系统采用三节5号电池，每节1.5V，电池总电压为4.5V，并且开关电源效率高，价格便宜，故选择方案二。

1.3.5蜂鸣器报警模块

使用有源蜂鸣器，有源蜂鸣器的理想工作信号是直流电，因为其内部集成了简单的振荡电路，可以把恒定不变得直流电信号转化成带一定频率的脉冲信号，实现磁场交变，从而带动金属片振动发声，控制比较简单[4]。

使用无源蜂鸣器，无源蜂鸣器的内部比较简单，没有振荡电路，理想的工作信号是方波，如果给的是直流电信号是不发声的，所以通常采用PWM控制。

因为有源蜂鸣器控制简单，且符合系统的技术要求，故选择方案一。

1.3.6按键模块

采用矩阵键盘，可以输入的键值比较丰富，数字键可以从0到9任意输入，方便用户使用，电路连接比较复杂，软件编程比较复杂，适用于人机交互比较强的系统。

采用独立按键，独立按键电路连接的时侯每个按键需要占用一个I/O口，当按键比较多的时候，I/O口的利用率低，但是软件编程部分比较简单，适用于人机交互信息量少的系统。

由于本系统只需设置温湿度的报警上下限度，采用5个按键就足够了，所以应采用独立按键，选择方案二较合适。

1.3.7温湿度检测模块

采用AM2301集成数字温湿度传感器，该传感器具有低耗能、小体积、长距离信号不丢失等优点，具有很高的可靠性。

温度的检测范围在-40～80℃，测量的精度为±

0.5℃，湿度在0～50℃时，精度为±

5%RH[5]。

采用SHT11插针型温湿度传感器，引出5根插针，方便焊接且不影响测量精度，测量湿度范围为0～100%RH，精度±

3%RH，重复性±

0.1%RH，测温范围-40～123.8℃，重复性±

0.1℃。

通讯接口使用2线制数字接口。

系统要求温度测量范围-25～90℃，精度±

0.5℃，湿度测量范围0～100%RH，精度±

4%RH。

方案二符合要求。

1.3.8LCD液晶显示

采用LCD1602液晶，可以显示16×

2个字符，芯片工作电压4.5V～5.5V,工作电流2.0mA，16脚，并行数据，黄绿背光可控。

采用黄绿屏LCD12864液晶模块，图形中文汉字都是使用液晶点阵显示，以及内置8192个中文汉字，128个字符，主要技术参数和显示特性如下，工作电压3.3V～5V，内置升压电路，不需要负压[5]，显示内容，128列×

64行，颜色有黄绿/蓝屏/灰屏，显示的角度为6点钟直视，提供光标显示，页面移位，自定义字符，睡眠模式等。

本系统设计需要显示的内容有温湿度，报警温湿度，蓝牙密码等，1602屏幕不够大。

并且系统要求在光线良好的情况下可以不使用背光灯也可以看清显示内容，故选择黄绿屏的LCD12864液晶。

1.3.9系统框图与说明

图1-1系统框图

本系统以STC12C5A60S2单片机为主控制芯片，单片机通过读取SHT11温湿度传感器获取当前环境的温湿度数据，经过软件处理，送往12864液晶实时显示。

并通过串口将数据传给蓝牙模块，当蓝牙模块与手机终端连接上时，就可以与手机实时交互数据。

按键可以设置温湿度的报警上下限。

本系统具有掉电保护功能，设置的温湿度报警上下限度掉电不丢失。

整个系统正常工作的电压为5V，由于使用的的是三节电池供电，电压只有4.5V，所以需要使用XL6OO9升压模块将电池电压升高到5V给系统供电。

第2章各功能模块硬件设计

2.1各功能模块硬件设计与功能描述

2.1.1主控制器模块

主控制器模块是以STC12C5A60S2为核心的单片机最小系统。

STC12C5A60S2是一款增强型的8051单片机，具有12T和1T模式自由选择。

使用1T模式的时候，比传统的51单片要快12倍。

内部还集成了2路PWM和8路高速10位模数转换通道。

很宽的工作电压：

3.3V～5.5V。

具有60K的程序存储器，内部还搭载了1280Bytes静态RAM。

I/O口具有20mA的驱动能力，带弱上拉能力，支持ISP和IAP，不用专门的编程器。

7路外部中断I/O口，除了兼容传统的出发方式外，增加了PCA上升沿支持模块。

有两个通用串口，串口1和串口2。

如没有用到其特殊功能，完全兼容传统的8051单片机，该芯片价格低廉，功能强大，性价比较高。

最小系统电路：

图2-1单片机最小系统电路图

系统采用11.0592MHz的晶振。

因为本系统使用到了串口，需要使用波特率发生器，使用11.0592MHz的晶振可以避免波特率的累积误差，保证串口数据的正确传输。

芯片的电源和地之间接一个0.1uF的旁路电容，提高系统的抗干扰能力，P0口加上10k的排阻，增加P0口的驱动能力。

2.1.2蓝牙模块

蓝牙模块使用的是Arduino无线蓝牙串口透传模块HC-06，该模块具有超宽的工作电压：

3.6～6V，具备电源防反接功能，引出4根插针，可以方便的安放在系统的板子上。

该蓝牙模块可与5V单片机无缝连接，无需经过电平转换芯片，传输距离可达10米。

电路图如下：

图2-2蓝牙模块与单片机的接口电路及ISP电路

设计该电路的时候还附加了一个ISP模块。

由于当使用ISP给单片机烧写程序的时候，如果单片机的RXD和TXD引脚依然连接着蓝牙模块的TXD和RXD的话，那么可能导致程序无法正确写入单片机。

出于系统稳定与安全考虑，在ISP和蓝牙模块之间设计了一个跳线，但使用ISP下载时，可以把蓝牙模块断开，使用蓝牙时，把ISP模块断开，这样达到了蓝牙与ISP互不干扰的作用了，方便开发。

该蓝牙模块支持简单的AT指令集，给模块上电，在还没有和终端配对的情况下，进入的就是AT模式，指令的间隔大概为1秒。

出厂时的默认参数为：

蓝牙名称：

HC-06，密码：

1234。

测试通讯的时候，发送AT，返回OK；

修改蓝牙串口的波特率，需要发送：

AT+BAUDn；

返回OK波特率。

n的取值为1时，对应1200波特率。

n取值为2时，波特率为2400。

n取值为3时，波特率为4800。

n取值为4时，波特率为9600，默认n取4。

当设置的波特率超过115200时，电脑无法使用，需要单片机编程大于115200才行，或者重新发送AT指令设置比较低的波特率。

当用AT指令设好波特率之后，下次上电就不需要重新再设了，该模块具有掉电保护波特率功能。

修改蓝牙的名称，发送AT+NAMEname，返回Okname。

name是参数，是当前要修改蓝牙模块的名称，也就是被搜索的名称，长度在20个字符以内。

修改配对密码，发送AT+PIN****，返回OKsetpin，****是参数，即要设置的密码，4个数字，这个命令既可以用于主机也可以同于从机，从机是要配对时要求输入的密码就是此参数。

例如：

发送AT+PIN5555，返回Oksetpin，这个时候蓝牙模块的配对密码更改为了5555[6]。

2.1.3EEPROM存储模块

Atmel公司的AT24C02使用I2C通信协议，仅占用单片机的两个I/O资源，容量为2kbits，内置斯密特触发器，滤波输入以及噪声抑制电路，5V芯片的匹配频率为400kHz，具有写保护，当WP接高电平时，只能对芯片进行读不能写，当WP接地时，可对芯片进行读写操作。

电路如下：

图2-3EEPROM存储系统

芯片的电源和地接0.1uF的旁路电容提高抗干扰性。

芯片在出厂时高4位被分配固定地址1010，然而E0～E2接地，最后一位是读写标志位，则本系统中的E2PROM地址就是0xA0。

WP接地，使单片机可以对其进行读写操作。

在两根数据线上加10k的上拉电阻，因为器件本身只能输出低电平，其输出为开漏输出，也就不能直接主动输出高电平，所以上拉电阻是必须的，但是上拉电阻的大小的选择是有讲究的，上拉电阻的大小对时序、信号的上升和下降时间的大小都有影响，并且I2C的器件电容不能超过400pF,根据本系统的硬件条件，选择10k的上拉电阻能满足要求[7]。

2.1.4DC-DC电源升压模块

XL6009是一款高效率、高性能的升压模块，开关电流高达4A，具有极宽的输入电压：

3V～32V，最佳的工作电压是5V～32V，超宽的输出电压：

5V～35V。

内置高效4A开关MOSFET管，效率高达94%，具有超高开关频率400kHz[11]。

模块性质为非隔离升压，非同步整流，电压越高，空载电流越大，压差越小，转换效率越大。

纹波50mV,输出电压越高，电流也越大，纹波也会越大，工作温度为-40～85℃。

该电源模块的最大特性就是能够提供比较大的功率输出，并且输出电压可调，通过调节电位器来得到需要的电压，足够满足本系统设计的各个模块的供电需求。

以下是XL6009引脚图，功能块和典型应用电路：

图2-4XL6009引脚图

图2-5XL6009内部框图

图2-6XL6009典型应用电路[11]

2.1.5按键模块

按键模块的作用的主要是给系统输入参数或者是修改系统的参数，按键或者键盘是作为电子产品中人机交互中的重要部分。

本系统的按键有6个，一个是用于系统的复位使用，其他的5个按键作为人机交互输入数据使用，设有left，up，right，down，set五个输入键，一次按照左、上、右、下、中排布，按键与74LS08四2输入与门连接，借助外部中断来触发中断扫描函数，从而读取键