基于蓝牙的环境监测系统设计.docx

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基于蓝牙的环境监测系统设计

毕业设计（论文）

题目：

基于蓝牙的环境监测系统设计

学院名称：

电气工程学院

指导教师：

职称：

班级：

通信工程专业2008级01班

学号：

学生姓名：

2019年12月27日

1、前言

1.1蓝牙技术的发展

蓝牙（Bluetooth）是一种全球统一开放式短距离无线连接技术。

1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。

这五家厂商还成立了蓝牙特别兴趣组，以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。

芯片霸主Intel公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发，IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。

1999年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三康、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。

全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着21世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。

产品的日益丰富以及价格水平的不断降低使蓝牙这项技术变得越来越有人缘。

根据研究机构MillwardBrown的一份最新调查结果显示：

在全球消费者对于主流传输技术的认知程度和整体印象中，蓝牙以85％高居榜首，排在第二位和第三位的分别是57％的ＵSB和53％的Wi-Fi。

可见蓝牙已经完完全全融入我们的生活，并让我们的生活变得更加轻松。

蓝牙的数据传输技术在随着蓝牙的广泛应用在不断的发展，也应用在环境监测方面。

传统的环境监测系统中，一般测试点到控制器的接线为点到点的方式，接线复杂、布线困难，存在抗干扰能力差、工作不稳定、系统测试精度低等问题。

如果周边环境恶劣，会导致线缆的腐蚀和老化，从而降低了系统的可靠性和抗干扰性。

环境中有一些分散的传感器，这些设备可能会随着环境的改变而调整，同时错综复杂的线缆也需要重新铺设，工作量较大，因此考虑应用蓝牙无线技术解决这类问题。

蓝牙无线技术对我国的信息化建设来说，既是挑战也是机遇。

蓝牙无线技术可以允许手机、便携设备、个人电脑、笔记本电脑和第三方的接入设备互相连接在一起。

几乎每一种带有微控制器的产品都将有望提供蓝牙技术支持，每一部移动电话、每一台手持设备或计算机产品都将配置蓝牙接口。

甚至车辆中也会装备数个蓝牙接口，以实现非接触式诊断、车辆遥控或被窃车辆跟踪等。

可能应用的模式几乎可以深入到全球的各个角落和渗透到各个领域。

环境监测的核心目标是提供代表环境质量现状及变化趋势的数据，判断环境质量，评价当前主要环境问题，为环境管理服务。

环境监测是科学管理环境和环境执法监督的基础。

环境监测是环境保护必不可少的基础性工作。

它及时、准确、全面地反映环境质量及发展趋势，为环境规划与管理、环境影响与评价、污染控制及政府宏观决策提供科学依据。

因而环境监测的意义重大。

2、系统设计

2.1设计思路

本系统以STC89C52RC和ATmega128两款单片机芯片作为发送和接收两部分的主控制器，发送部分实现对环境温度和湿度的数据采集，并通过蓝牙模块发送到接收机上。

接收部分实现对蓝牙模块接收到的数据进行处理，并在3.2寸TFT上实时的显示温度和湿度曲线，同时完成TFT上的触摸菜单选择功能。

整个系统的通信方式有两种，一种是处理器和蓝牙之间的通信，比如将采集的数据经过处理发送给蓝牙模块传送出去；另外一种是不同型号的处理器之间的通信，在本系统中使用STC89C52RC和ATmega128两款不同型号的单片机之间的串口通信。

系统的基本框图如图1.1.1所示：

图2.1.1系统基本框图

2.2系统组成

系统主要分为发射和接收两大部分，发射部分的控制器主要实现对蓝牙发送AT指令设置其工作方式使其发送数据、对温度传感器DS18B20和湿度传感器DHT11进行读写操作和通过并行口完成对12864液晶的读写控制，使其将温湿度实时地显示出来。

温度传感器和湿度传感器主要根据对外界的温度、湿度进行检测，并在控制器发出数据采集指令后将采集的温湿度数据传送给单片机进行处理。

接收部分的控制机主要实现对蓝牙发送AT指令设置其工作方式并接收发射端的数据、对TFT彩屏完成静态显示、刷屏、温湿度曲线显示等、对SD卡的读写和触摸屏的中断操作的功能。

发射和接收部分的功能结构图如图2.2.1所示：

图2.2.1系统功能结构图

2.3系统方案论证与选择

2.3.1控制器方案论证与选择

方案一：

采取FPGA或者CPLD控制。

近年来，可编程器件发展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。

采用大规模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵活的特点。

用它们作为系统的“神经中枢”，可以采用VHDL或者Verilog语言来描述。

但是一般来说，复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）集成的门数目不会很多。

现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是新一代的可编程器件，但是需要外部的配置芯片，否则断电后，保存在RAM中的程序会丢失。

这个方案特别适用于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到成本和制作难易程度，没有采用这个方案。

方案二：

采取MCS51系列单片机作为控制器。

MCS51系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。

可以用汇编或者C语言进行开发。

并且这种单片机的接口电路丰富。

缺点是运行速度不够快，12个时钟周期一条指令，如果用12MHz的晶振，执行一条指令最快也要1us。

因此不适合高速的控制。

方案三：

采用AVR单片机ATmega128作为主控制器。

8位的ATmega128共64只管脚，53个可承受5V电压的I/O口，128K字节的系统内可编程Flash（具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW）、4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM、32个通用工作寄存器、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器/计数器（T/C）、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC（具有可选的可编程增益）、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、以及六种可以通过软件选择的省电模式，理想的低功耗工作模式更能起到节电的作用。

因此ATmega128控制芯片能很好的满足系统设计需求。

方案选择：

在本系统中，发射部分只是完成数据采集、液晶显示和串口通信等并不算很复杂的功能，从成本和系统设计的易行性来比较，选择MCS51系列的STC89C52RC8位单片机作为主控制器。

接收部分要完成TFT彩屏的异步中断方式的触摸屏信号和蓝牙的串口通信，需要用到单片机的两个串口，而且在对TFT彩屏的图片显示上对速度有一定的要求，故选择ATmega128作为接收部分的主控制器。

2.3.2温度检测模块方案论证与选择

方案一：

采用感温型电阻作为测温模块。

一般感温型电阻会随着环境温度的升高阻值会出现下降，因而测量他们的阻值可以在经过计算之后达到测温的目的。

将系统电路中测出感温电阻两端的电压，再经过A/D转换器将电压值转换成数字值，根据电压和温度的关系表可以算出实际室温。

由此可以看出，该方案设计复杂，而且精度不高，成本也较高。

方案二：

采用温度传感器DS18B20作为测温模块。

DS18B20是单线数字式温度传感器，可实现-55°C到+125°C范围内的温度测量，适应电压范围宽，由于DS18B20为IIC器件，每个传感器都有其独有的序号，故可以实现多点组网测温功能。

可编程的分辨率为9~12位，最高精度为0.0625°C，转换速度快，操作简便，只需要将数据口连接到单片机上进行编程便可以实现测温的功能。

方案选择：

综合比较，选择方案二，使用温度传感器DS18B20作为测温模块，用STC89C52RC单片机对其编程。

2.3.3湿度检测模块方案论证与选择

方案一：

采用温湿度传感器DHT11作为湿度检测模块。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

产品为4针单排引脚封装，连接方便。

方案二：

采用湿度传感器HS1100作为湿度检测模块的核心。

HS1100是基于独特工艺设计的电容元件，它在标准环境下不需校正，可以在长时间饱和下快速脱湿，对环境湿度很敏感，其制作是自动化焊接的，包括波峰焊或水浸，具有高可靠性与长时间稳定性，可用于线性电压或频率输出回炉，反应时间快，但是其制成的电路容易受到外界其他环境的影响以致影响精度，而且制作成本较高。

方案选择：

综合比较，由于DHT11制作简便，不易受到温度等环境的影响，而且成本较低，故选择方案一，采用温湿度传感器DHT11作为湿度检测模块。

2.3.4人际交互界面方案论证与选择

方案一：

使用数码管进行显示。

按键用于信息输入。

可采用周立功公司生产的ZLG7290芯片来配合控制器对数码管和按键进行控制，该芯片具有I2C串行接口，只需占用控制器3个管脚，便可方便地控制数码管显示和检测按键。

但是该显示过于粗糙，人机交互界面不够友好。

方案二：

使用TFT彩色液晶屏显示。

TFT的显示采用“背透视”的照射方式，使其显示效果非常出色，3.3~5宽电压范围供电，内部有ILI9325控制器来驱动TFT，TFT采用四线制电阻屏，刷屏速度快，带有触摸屏功能，可以省去按键电路的制作。

人机交互界面机器友好，操作简便，能够实时的显示温度、湿度曲线，同时TFT模块集成有SD卡模块，可以通过对SD卡的读写在屏幕上显示不同的友好界面。

方案选择：

数码管不能显示汉字，而TFT带触摸功能，可省去按键，更使画面生动有趣。

故人机交互界面模块选择方案二，采用TFT彩色液晶屏显示。

2.4本章小结

3、系统硬件电路设计

3.1蓝牙硬件电路设计

本系统中核心部分是蓝牙，蓝牙在整个系统中起着传输数据的作用，并且要求能够实现与不同型号的单片机通信。

本小节主要介绍蓝牙的概念、蓝牙的系统组成、蓝牙协议和HC-05蓝牙模块电路等。

3.1.1蓝牙简介

蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。

能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。

利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。

其数据速率为1Mbps。

采用时分双工传输方案实现全双工传输。

蓝牙（Bluetooth）是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。

其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s（有效传输速度为721kb/s）、最大传输距离为10米，用户不必经过申请便可利用2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频带，在其上设立79