20100414_周易聪_ 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作

北方民族大学 学士学位论文 论文题目:基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 院 (部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 周易聪 专 业: 电子信息工程 学 号: 20100414 指导教师姓名: 刘 炜 论文提交时间: 2014 年 5 月 16 日 论文答辩时间: 2014 年 5 月 24 日 学位授予时间: 北方民族大学教务处制 I 摘 要 在这个物联网迅猛发展的时代，各式各样的物联网产品也随之产生，温湿 度监测是比较基础而广泛使用的技术。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 II ABSTRACT Nowadays, as greatly development of The Internet of Things(IOT), a wide variety of IOT products also arise, temperature and humidity monitoring is a basic and widely used technology. This theies introduces a wireless temperature and humidity monitoring system based on bluetooth, STC12C5A60S2 single-chip microcomputer as the core, the system using bluetooth HC-06 for close wireless data transmission , can interact with which mobile phone bluetooth terminal device and so on, with SHT11 temperature and humidity detection sensor for real-time environmental temperature and humidity detection, the system also provide ultralimit alarm Solution. the current environmental data is displayed in LCD12864 liquid crystal which is yellow green and back-ground light controlled. This theies mainly describe the hardware and software design and the solution of the system, emphasis on describing the development process of the whole system. System tested shows that it completely meets the require of the commitments scheduled. Keywords: bluetooth, temperature, humidity, measurement, mcu III 目 录 前 言 .1 第 1 章 系统总体设计 3 1.1 系统设计任务与要求 .3 1.1.1 系统设计任务 .3 1.2.1 统设计要求 .3 1.2 主要研究内容与实现方法 .3 1.2.1 主要研究对象 .3 1.2.2 实现设计的途径 .4 1.3 系统总体设计方案 .4 1.3.1 主控制器模块 .4 1.3.2 蓝牙模块 .6 1.3.3 EEPROM 存储模块 .7 1.3.4 DC-DC 电源模块 7 1.3.5 蜂鸣器报警模块 .7 1.3.6 按键模块 .8 1.3.7 温湿度检测模块 .8 1.3.8 LCD 液晶显示 .9 1.3.9 系统框图与说明 .9 第 2 章 各功能模块硬件设计 .10 2.1 各功能模块硬件设计与功能描述 10 2.1.1 主控制器模块 10 2.1.2 蓝牙模块 11 2.1.3 EEPROM 存储模块 .12 2.1.4 DC-DC 电源升压模块 13 2.1.5 按键模块 14 2.1.6 液晶显示模块 15 2.1.7 集成温湿度传感器 SHT11 16 IV 2.1.8 蜂鸣器驱动电路 16 第 3 章 印刷电路板 .18 3.1 PCB 设计 18 3.1.1 电路原理图设计 18 3.1.2 PCB 布局和走线 18 3.2 硬件焊接装配 19 第 4 章 软件 设计 .20 4.1 程序流程图 20 4.1.1 主程序 20 4.1.2 定时器 0 中断服务程序 21 4.1.3 外部中断 0 中断服务程序 21 4.1.4 接收中断服务函数 22 4.1.5 手机按键接收处理模块 22 4.1.6 按键扫描模块 24 4.1.7 EEPROM 存储模块 .25 4.2 程序难点和要点 29 4.2.1 蓝牙上层协议 29 4.2.2 温度和湿度计算 30 第 5 章 系统调试 .32 5.1 硬件调试 32 5.1.1 PCB 板检测 32 5.1.2 装配后检测 32 5.2 软件调试 33 5.3 实物调试 33 结 论 35 致 谢 36 参考文献 .37 附录 1 系统电路原理图 .39 附录 2 印刷电路板图 .40 V 附录 3 实物图 .41 附录 4 源程序 .42 附录 5 英文原文 .74 附录 6 中文译文 .78 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 1 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-20115，测量的精度为 0.1；测量湿度范 围在 20%RH95%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 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 2 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。 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 3 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-2590，精度0.5；湿度测量范围 0100RH，精度4RH。 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 Altium Designer 6.9 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 Keil C51，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 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 4 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：040MHz,比传统的 8051 快四倍多； 4. 程序 ROM 为 8Kbytes； 5. 512 Bytes RAM； 6. 具有 32 个 I/O 口，P1P4 是准双向弱上拉，P0 做 I/O 口时，需要接上拉 电阻； 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 5 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 812 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. 1280 Bytes 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： 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 6 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：040MHz； 3 256+768 Bytes 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 256 Bytes，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，256 Bytes 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 方案一：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 3.33.6V，核心模块 尺寸 27mm*13mm*3mm，工作电流，配对中时 3040mA，配对成功但是并未通信 时 28mA，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。 方案二：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 3.66V，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 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 7 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 8 bit 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。 1.3.3 EEPROM 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。 1.3.4 DC-DC 电源模块 方案一：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。 方案二：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 3V32V，输出电压 5V35V，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。 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 8 1.3.5 蜂鸣器报警模块 方案一：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。 方案二：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 方案一：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。 方案二：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 方案一：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- 4080，测量的精度为0.5，湿度在 050时，精度为5%RH 5。 方案二：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 0100%RH，精度3%RH，重复性0.1%RH， 测温范围-40123.8，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-2590，精度0.5，湿度测量范围 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 9 0100%RH，精度4%RH。方案二符合要求。 1.3.8 LCD 液晶显示 方案一：采用 LCD1602 液晶，可以显示 162 个字符，芯片工作电压 4.5V5.5V,工作电流 2.0mA，16 脚，并行数据，黄绿背光可控。 方案二：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 3.3V5V，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 单片机 E 2 P R O M 液晶模块蓝牙模块 蜂鸣器 温湿度传感器 按键 X L 6 0 0 9 升压 4 . 5 V V C C 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 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 10 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。 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 11 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 1280 Bytes 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。 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 12 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：3.66V，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 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 13 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 55556。 2.1.3 EEPROM 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 2-3 EEPROM 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 E0E2 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。 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 14 2.1.4 DC-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：3V32V，最佳的工作电压是 5V32V，超宽的输出电压： 5V35V。内置高效 4A 开关 MOSFET 管，效率高达 94%，具有超高开关频率 400kHz11。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-4085。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 2-4 XL6009 引脚图 图 2-5 XL6009 内部框图 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 15 图 2-6 XL6009 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 读取键值。本系统中的按键除了可以作为输入数据用之外，还可以控制 LCD12864 的背光，当按键按下时，立即点亮背光灯，当 30 秒后无任何按键按 下时，背光灯自动熄灭，可以节省电池电量，延长系统的续航能力。按键电路 如下图： 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 16 图 2-7 独立按键电路 2.1.6 液晶显示模块 LCD12864 可显示图形和汉字，控制简单。可以串口驱动和并口驱动，两 者的主要区别是占用的单片机 I/O 口资源数量不一样，串口占用资源少，但是 速度慢且软件编程比较麻烦。并口占用资源多但相对速度较快并且编程简单， 由于本系统的单片机资源够用，所以采用了并口方式。 LCD12864 的文本显示 RAM 提供 84 的汉字显示空间。当写入显示 RAM 时，能分别显示以下三种字型：CGROM,HCGROM,CGRAM 12。三种字型的选择，由 在 DDRAM 中写入编码来选择，字型码为： 半宽字型：将一位字节写到 DDRAM 中，其范围为 02H-7FH 的编码。 显示 CGRAM 字型：将两个字节的码子写入 DDRAM 中，共有 0000H,0002H,0004H,0006H 四种编码。 显示中文字型：将两个字节编码写到 DDRAM，范围是 A1A0H-F7FFH 或者 A140H-D75FH 的编码。 绘图 RAM（CGRAM）：绘图 RAM 提供 1288 的字节空间，更改绘图 RAM 时， 必须先写水平坐标，然后写垂直坐标，再写两个字节的数据到绘图 RAM，地址 指针会自动加 1，写绘图 RAM 时，必须先关闭绘图功能。以下为 LCD12864 的电 路连接图： 图 2-8 液晶显示模块接口电路 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 17 2.1.7 集成温湿度传感器 SHT11 SHT11 是一款数字型集成温湿度传感器，具有完全标定、数字信号输出， 低功耗、卓越的长期稳定性等特点。传感器电路板上集成了传感元和信号处理 单元，对输出的信号进行完全标定，还可以与芯片上的 14 位的 A/D 和 I2C 无缝 连接。该集成传感器具有品质优越、响应迅速、极强的抗干扰能力，非常高的 性价比等优点。每一个传感芯片可以对湿度进行标定，其中的校准程序存在内 存中，可以为内部信号进一步校准提供帮助。双线串口与内部电压的调整，简 化了外围电路，体积小，功耗低。在材质方面，该传感器的核心芯片为 CMOS 芯 片，外围材料顶层采用环氧液晶高分子聚合物（LCP） 。 SHT11 原理图如下： 图 2-9 SHT11 电路图 2.1.8 蜂鸣器驱动电路 蜂鸣器是一种用于发声的器件，广泛应用于各种电子产品，比如打印机， 计算机主机等等。普通的单片机并不可以直接驱动蜂鸣器，蜂鸣器发声需要一 定的电流，本设计采用 NPN 三极管 SS8050 来驱动蜂鸣器，ss8050 是一款中等 功率的三极管。用单片机的 IO 口通过控制三极管的基极电平高低来驱动蜂鸣器。 当温湿度达到报警范围时候，单片机会输出一个高电平使三极管饱和导通进而 驱动蜂鸣发声，当任意按键按下的时候禁止蜂鸣器发声。以下是本系统有源蜂 鸣器的驱动电路。 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 18 图 2-10 有源蜂鸣器驱动电路图 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 19 第 3 章 印刷电路板 硬件设计主要是 PCB 板设计，PCB 的设计合理与否关乎系统的正常工作与 否，然而印刷电路板设计并不是一朝一夕就可以设计好的，需要丰富的实战经 验，尤其是 PCB 板设计，使用不同的软件以及对软件的熟悉度会影响设计人员 的工作效率。本系统 PCB 设计采用 AltiumDesigner 6.9 软件，相对于 Protel 99se 来说更加的方便快捷。 3.1 PCB 设计 3.1.1 电路原理图设计 电路原理图设计必须要熟悉每个元器件的特性以及功能，本系统所使用到 的主要元器件有单片机，LCD12864 液晶显示屏，SHT11 集成温湿度传感器， HC-06 无线蓝牙模块，74LS08 四 2 输入与门，有源蜂鸣器， XL6009DC-DC 电 源升压模块，按键，EEPROM，以及电阻电容等等。 单片机要能正常工作电路也就是单片机最小系统的设计，所需器件：22pF- 33pF 的无极性电容两个，由于本系统用到串口发送，为了避免波特率累积误差， 晶振使用的是 11.0592MHz 的晶体振荡器；蓝牙模块是使用 HC-06 蓝牙模块， 其引出了 4 根线，分别为 TXD,RXD,VCC,GND，所以在设计原理图时只需设计 这四个引脚就可以了。XL6009DC-DC 电源模块，其只有四个接口，分别是 IN+,IN-,OUT+,OUT-,所以引出四根线即可。74LS08 是用于连接按键的芯片，触 发外部中断 0。其他元件都是常规元件，按照软件默认的设置进行设计就可以。 电路原理图的设计使用的 Altiumdesigner6.9 软件，电路原理图完成之后要进行 电气检查，确定板子没有不符合电气规则的地方。 3.1.2 PCB 布局和走线 PCB 走线有很多讲究，本系统采用的 PCB 为双层板子，本系统 PCB 板设 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 20 计经过指导老师多次辅导并给予有效建议之后设计完成的，使用的设计软件为 AltiumDesigner 6.9 是 Protel 99se 的升级版，兼容 Protel 99se，该软件使用非常 方便，支持很多快捷方式，AltiumDesigner 6.9 有中文界面和英文界面两种，个 人比较热衷于英文版，故比较喜欢英文风格。 PCB 设计的规则比较严格，较好的设计风格和规则能有效的提高板子的合 格率。PCB 电路板设计的主要步骤： 1.绘制电路原理图，对库中没有的元件必须自行设计，然后生成网络报表； 2.设置环境参数； 3.设置 PCB 的参数； 4.导入生成的网络报表； 5.放置各元器件封装； 6.布线； 7.布好线后，给焊盘和过孔加泪滴； 8.对设计好的 PCB 进行电气规则检查和几何检查。 在仔细对设计好的 PCB 进行电气规则检查和几何检查之后，确保无误的情 况下发往厂家进行生产。 3.2 硬件焊接装配 硬件组装主要是元器件的焊接工作，在设计并做好的 PCB 板子上把系统所 需的元器件焊接上去以便调试。单片机采用圆孔插座便于单片机的插拔，减少 对单片机引脚的损坏。液晶模块采用软线链接，并用铜柱固定在板子上，便于 安装调试和拆卸。程序下载直接采用 USB 转 TTL 转换器，接杜邦线到引出的 ISP 接口下载。 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 21 第 4 章 软件设计 4.1 程序流程图 在开发上，程序流程图是决定程序的关键，首先必须了解系统整体的功能， 然后再去规划每一个模块的功能，然后根据成熟的流程图去设计系统每一个模 块的程序，去测试每一个模块的功能，最后整合。本系统的主要功能是采集当 前环境温湿度数据，得到相应的数据后，通过单片机处理，单片机处于继续监 测状态，当本系统接收到来自上位机的信号以后，单片机才将处理后的温湿度 数据发送给上位机。 4.1.1 主程序 主程序主要是负责上电前的系统初始化、显示和采集数据。首先从上电开 始，先进行 LCD 初始化，因为初始化需要一定的时间，所以在屏幕上显示一些 小动画来跳过传感器的初始化阶段。初始化完毕后，进行温度检测，判断温湿 度是否超出报警限度，如果超出了则蜂鸣器报警，否则显示新的温湿度数据和 报警限度，主程序流程图如下： 开始 L C D 初始化 系统上电画面 读取温湿度报警限度 系统启动画面 串口初始化 定时器 0 初始化 禁止蜂鸣器 熄灭液晶背光 温湿度检测 温湿度是否超限 ？ 温湿度数据送液晶显示 温湿度限额送液晶显示 启动蜂鸣器 N Y 图 4-1 主程序流程图 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 22 4.1.2 定时器 0 中断服务程序 定时器 0 中断服务程序主要负责 30 秒的定时工作。首先送 60 毫秒的定时 初值，用一个变量来作为 30 秒计数，每中断一次，该变量自加 1。当加到 50 时，说明已经中断 50 次了，5060ms=3000ms，也就是 30 秒。这时需要关闭背 光灯和定时器 0 本身。定时器 0 中断服务程序流程图如下图： 开始 送 6 0 m s 初值 3 0 s 计数器加 1 3 0 s 到了吗 ？ 熄灭背光灯 关闭定时器 0 Y N 中断返回 图 4-2 定时器 0 中断服务程序流程图 4.1.3 外部中断 0 中断服务程序 外部中断 0 中断服务函数主要是负责独立按键的扫描。因为用外部中断的 方式可以使按键更加的灵敏，而如果使用轮询方法的话，由于主程序循环一次 需要的时间比较长，所以会导致按键反应迟钝。当外部中断已触发，那么就需 要点亮背光灯，启动定时器 0 开始 30 秒定时，同时要清零 30 秒计数变量，因 为每当没按一下按键就要从新计时 30 秒，然后调用键盘扫描函数。外部中断 0 中断服务函数流程图如下： 开始 点亮背光灯 启动定时器 0 3 0 s 计数清零 调用按键扫描函数 中断返回 图 4-3 外部中断 0 中断服务程序流程图 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 23 4.1.4 接收中断服务函数 接收中断服务主要负责接收从手机端发送过来的数据。首先要关闭串口中 断，判断一下是否是接收中断，如果不是则中断返回，否则软件清 RI。启动定 时器 0，30 秒计数清零，保存接收到的数据，调用手机接收函数，此过程与中 断触发按键扫描类似的道理。发送程序采用的是查询的办法，在此就不再赘述。 接收中断服务函数流程图如下： 开始 关串口中断 E S = 0 是否是接收中断 ？ 开串口中断 E S = 1 N R I = 0 启动定时器 0 3 0 s 计数清零 保存接收到的数据 调用手机按键接收函数 Y 中断返回 图 4-4 接收中断服务程序流程图 4.1.5 手机按键接收处理模块 手机按键接收处理程序其实就和按键检测一样的原理。首先是把接收到的 数据存起来，然后取出数据和设定好的字符进行比较以判断是否是接收到了定 义好的指令，如果是，则进行相应的操作，不是则说明接收到未定义指令，返 回就可以。 手机按键接收处理程序流程图如下： 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 24 初始化 s e t 键按下的次数 接收到 8 ？ 接收到 5 ？ 接收到 2 ？ 开始 接收到几次 5 ， 反白相应区 域 ， 保存相应的温湿度限额 是第七次接收 5 ？接收 5 键计数清零 是设置温度下限 ？温度上下限相等 ？温度下限加 1 度 Y N N Y Y Y N 是设置温度上限 ？温度上限等于 9 9 ？温度上限加 1 度 是设置湿度下限 ？湿度上下限相等 ？湿度上限加 1 度 是设置湿度上限 ？湿度上限等于 9 9 ？湿度上限加 1 度 N Y N Y N N Y Y N N Y N 是设置温度下限 ？温度下限等于 0 ？ 温度下限减 1 度 Y Y N 是设置温度上限 ？温度上下限相等 ？ 温度上限减 1 度 是设置湿度下限 ？湿度下限等于 0 ？ 湿度上限减 1 度 是设置湿度上限 ？ 湿度上下限相当等 ？湿度上限减 1 度 N Y N YN N Y Y N N Y N Y N N 接收到 1 ？ 连续发送两次数据到手机 发送完毕蜂鸣器响一声 Y N 接收到长指令 ？一次性设置好温湿度上下限 Y N Y Y Y 返回 Y 图 4-5 手机按键接收程序流程图 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 25 4.1.6 按键扫描模块 按键扫描按键主要是确定是哪个按键按下。由于按键使用的簧片结构， 在按下按键的时候会发生抖动，所以每次都要延时 10 毫秒进行按键消抖。在确 认了是哪个按键按下的时候，就可以进行相应功能操作了，此部分和手机按键 接收模块非常类似。按键扫描程序流程图如下： 初始化 s e t 键按下的次数 D o w n 键按下 ？ S e t 键按下 ？ u p 键按下 ？ 开始 延时 1 0 m s 消抖S e t 键按下 ？ 第几次按下 ， 反白相应区域 保存相应的温湿度限额 延时 1 0 m s 消抖 延时 1 0 m s 消抖 u p 键按下 ？ D o w n 键按下 ？ 是第七次按下吗 ？S e t 键按下计数清零 是设置温度下限 ？温度上下限相等 ？温度下限加 1 度 YY N N Y N Y Y N Y Y N 是设置温度上限 ？温度上限等于 9 9 ？温度上限加 1 度 是设置湿度下限 ？湿度上下限相等 ？湿度上限加 1 度 是设置湿度上限 ？湿度上限等于 9 9 ？湿度上限加 1 度 N Y N YN N Y Y N N Y N 是设置温度下限 ？温度下限等于 0 ？温度下限减 1 度 Y Y Y N 是设置温度上限 ？温度上下限相等 ？温度上限减 1 度 是设置湿度下限 ？湿度下限等于 0 ？湿度上限减 1 度 是设置湿度上限 ？湿度上下限相当等 ？湿度上限减 1 度 N Y N YN N Y Y N N Y N Y N N N Y Y 返回 图 4-6 按键扫描程序流程图 北方民族大学学士学位论文 基于蓝牙的无线温湿度监测系统的设计与制作 26 4.1.7 EEPROM 存储模块 器件操作时序以及数据传输：SDA 脚需要正常的外部上拉器件，当 SDA 为 低电平阶段，数据在 SDA 脚上可以改变，数据在 SDA 高电平阶段改变意味着一 个开始或者停止条件 8。 开始条件：SDA