基于單片機的無線藍牙降溫系統

劉曉鑫，張佳祥

（1.南京工業職業技術學院 江蘇 南京　210023；2.南京工程學院 江蘇 南京　210023）

基于單片機的無線藍牙降溫系統

劉曉鑫1，張佳祥2

（1.南京工業職業技術學院 江蘇 南京210023；2.南京工程學院 江蘇 南京210023）

采用單片機控制藍牙向上位機發送和接收無線信號，對電機轉速進行調控，從而達到降低液體溫度的目的。該設計利用單片機，通過溫度傳感器DS18B20向上位機發送溫度數據。上位機收到數據后，可以根據不同的溫度點擊上位機的操作按鈕，向下位機發送指令，控制電機的轉速，最終完成對高溫液體的降溫。通過實驗驗證，該系統確實能夠實時掌握液體溫度，并能夠取得良好的降溫效果。

單片機；藍牙；溫度傳感器；上位機；降溫

傳統的降低液體溫度的方法主要有兩種，一是將高溫液體與低溫液體混合后達到降溫的目的，另一種是通過加快液體的蒸發來降低液體溫度，這主要根據物理中的蒸發吸熱原理想出的方法。隨著社會的發展，科技水平的提高，家庭生活用品變得越來越智能化。傳統的對于熱飲料的降溫方式是加入冰塊，一段時間過去以后，雖然能夠增加飲料的口感，但是由于冰塊融化，卻將飲料或溶液的濃度降低了，這是一個弊端。當然，實現另一種對高溫液體的降溫的方式，就是將盛有液體的容器置于冰水中，這樣的降溫方法是最有效的。可是，制造冰水的成本還是比較巨大的，由于水的比熱大，降低一度需要消耗很多能量。另外，制造比室溫還要低的冰水所需要的設備也是昂貴的。為了能夠在盡量不改變液體的質量的情況下，盡快降低高溫液體溫度，急需設計一種裝置來達到通過蒸發來快速降溫。本文通過設計上位機軟件，通過藍牙向下位機發送指令，查詢液體溫度信息，根據溫度大小，發送不同的命令給下位機，下位機通過藍牙從模塊接收上位機發來的指令，從而控制電機的轉速，電機帶動扇葉進行旋轉，加快了液體表面空氣的流動，最終達到以消耗最小電能，來達到降溫的目的。

1　系統功能介紹

傳統的降溫方法就是在通過低溫物體與高溫物體相接觸，從而形成一個溫度的平衡，這樣也能達到降溫的目的，但是可能成本較高。本設計采用單片機作為主控芯片，同時利用到藍牙主模塊和從模塊，主模塊作為上位機的信號發送端，從模塊作為下位機單片機的信號接收端，通過對上位機的操作，可以控制下位機的電機模塊，進行不同程度的降溫工作，另外通過溫度傳感器反饋到上位機的信息，從而無需人工去感受液體的溫度，從另一方面提高了測溫的準確性，使得能夠對液體溫度進行實時掌控［1］。

2　系統結構

該降溫系統的結構框圖如圖1所示。

圖1　系統結構框圖Fig.1　System diagram

由圖1可以看出該系統一共可以分為七大模塊，其中上位機部分就是電腦主機，鍵盤與之相連接，在本設計中的實驗驗證階段采用的是筆記本電腦作為上位機，上位機還包括顯示部分，方便人機對話，操作鍵盤為人機對話提供了媒介，藍牙主模塊在系統中充當無線信號的發送裝置，與上位機的接口是通過串口進行接口的，它的主要功能就是把上位機中的指令毫無差錯的發送到下位機的藍牙接收模塊中，也就是藍牙從模塊［2］。下位機中的藍牙從模塊負責接收上位機傳過來的指令或數據，送到單片機中進行處理，單片機AT89C52構成了最小系統，通過不同的指令完成對電機的控制，在系統中，電機帶動扇葉進行轉動，溫度傳感器負責把接收到的溫度數據，通過單片機的處理以后，回傳到上位機中。上位機是通過反饋的溫度數據，做出判斷，從而下發不同的控制指令。

3　系統硬件設計

3.1上位機藍牙主模塊設計

由于上位機就是一臺PC機，在這里就不對電腦進行詳細介紹了，這里的藍牙主模塊是該系統中核心的通信部件，如圖2中HC05藍牙發送主模塊圖所示。

圖2　HC05藍牙發送主模塊圖Fig.2　Main diagram of sending bluetooth

本系統中的HC05藍牙模塊來自于德飛萊公司，其實他就是一個藍牙串口，再簡單的說他就是一個串口。它可以替代現有的串口線，但不可完全替代，是有參數指標的，其基本參數主要有：

1）采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協議標準。

2）串口模塊工作默認電壓3.6～6 V。

3）波特率為4 800，9 600，19 200，38 400，57 600，115 200用戶可設置。默認為9 600。

4）核心模塊尺寸大小為：28 mm×15 mm×2.35 mm

5）工作電流：配對中：30～40 mA，配對完畢未通信：2～8 mA通信中：8 mA

6）休眠電流：無休眠

7）用于GPS導航系統，水電煤氣抄表系統，工業現場采控系統。

8）可以與藍牙筆記本電腦、電腦加藍牙適配器、PDA等設備進行無縫連接。

在此模塊中，USB轉TTL模塊與電腦連接時，需要在電腦上安裝對應的驅動文件，這個驅動已由模塊的供應商提供，安裝好這個驅動以后，就能夠在電腦的設備管理器中看到對應的串口COM4，這樣PC機就可以通過串口與HC05主模塊進行信息交互了，例如可以發送些指令設定HC05的工作模式，設定其名稱等，當然需要有相應的終端界面可以進行輸入操作［3］。

3.2下位機無線接收模塊設計

下位機主要由HC05從模塊，單片機最小系統，溫度傳感器及電機構成，如圖3中下位機模塊電路圖所示。

圖3　下位機模塊電路圖Fig.3　Circuit of receiver model

圖3很清晰的畫出了下位機的完整電路圖，下位機HC05模塊為無線信號接收從模塊，在工作時，主模塊主動與其配對后，發生數據交互，主要接收來自上位機的指令，單片機通過接收到的不同字符串進行處理，對未定義的字符串不做處理，單片機定時對DS18B20溫度傳感器進行讀寫操作，將溫度數據暫存寄存器供上位機查詢，整個電路從左到右分別是HC05藍牙從模塊，單片機最小系統，電機模塊，測溫模塊，其中電機模塊由DAC0808構成，該芯片輸出與一個放大器相連，通過放大后將電壓加在直流電機兩端，從而驅動電機工作，單靠單片機的輸出，電壓較小無法完全驅動，DAC0808的主要參數為［4］：快速轉換時間為150 ns，高速輸入乘以轉換率為：8 mA/μs，該芯片是低功耗的，最大功耗為33 mW。該DAC是8位的，也就是輸入的范圍是0～255，輸出電壓是從0～10 V變化的，那么最小精度就是10/255 V了，但是經過一個集成運放后是可以驅動一個電機轉動的。

4　系統軟件設計

4.1上位機軟件設計

本次使用的藍牙無線模塊是德飛萊無線模塊，該模塊一共有兩種工作模式，一種是：命令工作模式，另一種是：自動連接工作模式。在自動搜索連接模式下：模塊又可以分為3種工作角色，分別是：主，從和回環。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據設定的方式連接，進行數據傳輸。當模塊處于命令響應工作模式時，能執行所有的AT命令，用戶可向模塊發送各種AT指令，為模塊設置參數或發布控制命令。通過模塊的外部引腳（PIO11）輸入電平，可以實現模塊工作狀態的動態轉換［5］。為了方便傳輸數據，在本次設計中，通過編寫上位機軟件，實現了打開串口，關閉串口，設定藍牙模塊的任意模式等功能，如圖4中上位機功能界面圖所示。

圖4　上位機功能界面圖Fig.4　Diagram of host computer

圖4的功能界面是通過 VB6.0進行編寫的。下面僅針對其中的部分按鈕的代碼進行敘述，在VB中，數據的流動都是通過一定的事件進行觸發的，例如每個按鈕都有它的click事件，當點擊一個按鈕時便會觸發一個程序的執行，在VB中有專門的MSComm控件，有了這個控件，再安裝一個USBTTL驅動，便可以直接編寫串口程序，通過電腦連接的串口發送數據了。在打開串口的程序窗體中輸入下列代碼：

Private Sub CmdOpenPort_Click（）

MSComm1.CommPort=1‘設置串口號為Com1’

MSComm1.PortOpen=True‘打開串口’

MSComm1.InputMode=comInputModeText‘以字符方式輸入’

MSComm1.InputLen=0‘從輸入緩沖區輸入所有字符’End Sub

關于其他的按鍵代碼就不一一列出來了，關閉串口時只要將MSComm1.PortOpen置為False即把串口關閉了。模塊在出廠時默認狀態是從機工作模式，如果需要作為無線串口使用，那么需要將2個模塊進行配對才能使用。一個主機和一個從機才能進行配對，所以需要把其中一個設置成主機，另一個保持不變。要想達成這樣的配對需要進行如下操作［6］：

第一步：按住藍牙串口模塊上的按鍵不松手，然后給模塊上電，直到模塊上的指示燈以1 Hz的頻率慢閃，然后松開按鍵。第二步：點擊串口調試軟件上的設置主機按鈕，軟件返回“OK”即可。點擊設置主機按鈕的時候，實際上是給藍牙主模塊發送的AT指令，具體為：AT+ROLE=1，此時該指令通過串口發送給藍牙主模塊。第三步：點擊“任意模式”按鈕，直接返回 “OK”。當點擊任意模式的時候，等效于發送 “AT+ CMODE=1”到主模塊，這些指令都是要加入到上位機的按鍵代碼中的。第四步：點擊查詢主機和查詢模式按鈕，返回的參數是+RLOE=1和CMODE=1，這樣就代表設置成功。第五步：拔掉藍牙模塊電源，按正常模式上電就可以按主機模式工作了。第六步：配對成功后，主從兩個模塊就相當于一個串口線了，可以替代原有的串口，此時就不分主從機了，也就是說像一根線一樣，可以調換連接。連接成功后，就可以給單片機發送指令查詢溫度或者控制電機了。

4.2下位機軟件設計

在下位機中，主要有以下幾個部分，串口通信軟件模塊，溫度查詢與計算模塊，電機轉速控制模塊，從上位機界面可以看出每點擊一個按鈕都會向下位機串口發送數據，因此下位機的串口是主要模塊，其串口的接收中斷函數如下：

當然在單片機的程序中，一定要初始化好溫度傳感器模塊DS18B20，點擊查詢溫度按鈕的時候，相當于串口接收到字符串：checktemp，緊接著在主程序中，去調用溫度查詢函數search_the_temperature（），把查詢到的溫度結果又通過串口模塊的發送函數，發送到上位機，這樣就完成了一次通信。同樣對于按鈕電機停止，相當于串口接收到字符串：stop，緊接著在主程序中需要對這樣的字符串進行處理，從而調用相應的停止函數stop_the_machine（），在此函數中會將P0口全部置為低電平，這樣電機就不會轉了，同樣依次類推，低速按鈕就是在low_the_machine（）函數中將P0口給予50以下的數值，這樣經過DA變換之后，電機還是慢速運轉的，也能起到緩慢降低液體溫度效果，在這里就不再一一贅述其他中速和加速按鈕的功能了，總而言之［7］，下位機主要根據單片機接收到的不同字符串采取不同的處理。下位機代碼編寫以后，整個系統就算搭建完成，下面主要進行的就是測試工作了。

5　結束語

在本設計中，僅僅利用兩個藍牙模塊實現了一種無線串口的功能，使得能夠通過電腦上的界面就能觀測到待測液體的實時溫度，在使用藍牙模塊的時候無需知道其內部的傳輸協議及藍牙的硬件結構。只需對藍牙模塊進行簡單的AT命令設置，設置好了以后，在上位機上編寫界面功能模塊，通過點擊按鈕，將設定好的AT指令發送到藍牙模塊中，主從機配對成功后，藍牙串口就完全等效于一個有線的串口，下面上位機與下位機就會完全按照串口通信協議進行數據交互。經過實驗驗證，通過上位機界面能夠實時查詢液體溫度，也能夠在上位機上進行隨時的電機控制，降溫效果良好。

［1］樓然苗.單片機課程設計指導［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［2］戴仙金.51單片機及其C語言程序開發實例［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［3］彭偉.單片機C語言程序設計實訓100例［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［4］牟艷.計算機軟件技術基礎 ［M］.北京：機械工業出版社，2007.

［5］朱洪濤.基于Android平臺的數據采集系統設計［J］.自動化與儀表，2013，28（3）:31-35.

［6］康華光.電子技術基礎（數字部分）［M］.北京：高等教育出版社，1999.

［7］李江全.Visual Basic.Net串口通信及測控應用典型實例［M］.北京：電子工業出版社，2012.

System of lowing temperature in use of bluetooth based on MCU

LIU Xiao-xin1，ZHANG Jia-xiang2
（1.Nanjing Institute of Industry Technology，Nanjing 210023，China；2.Nanjing Institute of Technology，Nanjing 210023，China）

This model use bluetooth with the control of MCU to send and receive wireless signals for motor speed control in order to achieve the purpose of reducing the temperature of the liquid.The design transports the temperature data sent by the temperature sensor DS18B20 through MCU.After the host computer receiving the data，according to different temperatures button clicks on host computer，this operation causes that it sends commands to the receiver for controlling motor speed，the final completion of the high temperature of the liquid cooling.Experiments show that the system can really grasp the real-time temperature of the liquid and has the ability to achieve good cooling effect.

MCU；bluetooth；temperature sensor；host computer；low temperature

TN923

A

1674－6236（2016）05-0089-04

2015-04-15稿件編號：201504146

劉曉鑫（1988—），男，江蘇南京人，碩士，助教。研究方向：信號與信息處理，嵌入式系統開發。