基于單片機和藍牙通信的溫度報警系統的設計和實現

(西南石油大學 四川 成都 610500)

引言

雖然我國年均發生火災次數從往年的十幾萬起降至了近年的年均幾萬起[1]，人們的火災防范意識也不斷加強，但是隨著人們的生活、工作的環境條件不斷提高，無形之中增加了火災發生的隱患，特別是一些人口密集的場所、工作環境溫度高的場合以及存儲易燃易爆物質的倉庫等，更是需要實時監控溫度的變化，提前預防火災的發生。

本文設計的基于單片機和藍牙通信的溫度報警系統利用溫度傳感器和單片機數據處理對環境溫度進行采集，當環境溫度高于報警觸發值時將觸發系統的報警裝置，同時溫度數據將通過藍牙通信技術進行實時反饋，用戶可以通過終端實時掌握環境的溫度變化情況，能夠及時發現高溫隱患，將損失降到最低。

一、系統總體設計

本系統主要由溫度采集報警部分和輸出顯示部分組成。溫度采集報警部分是由AT89S52單片機、DS18B20溫度傳感器、報警裝置以及一些外圍元器件組成，能夠準確采集溫度數據并進行數據處理以及報警。輸出顯示部分是由LCD1602液晶顯示模塊、HC-08藍牙串口模塊、藍牙虛擬串口以及上位機構成，能夠將單片機處理后的溫度數據同時在LCD液晶顯示屏和上位機上顯示。

二、硬件設計

(一)單片機最小系統。本系統設計采用由AT89S52芯片、復位電路、時鐘電路以及電源電路構成的單片機最小系統實現主控制。AT89S52單片機是使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，但是做了很多的改進使得芯片具有傳統的51單片機所不具備的功能，屬于51增強型單片機[2]。AT89S52擁有32個I/O口，2個數據指針，3個定時器/計數器，看門狗定時器以及全雙工串行口[3]。此外，其Flash存儲器容量達到8KB字節，片上Flash允許程序存儲器在系統內編程，亦適于常規編程器，是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。由于擁有靈巧的8位處理器和可編程Flash存儲器，AT89S52被廣泛應用于嵌入式控制應用系統中。

(二)溫度傳感器。溫度的采集通過DS18B20溫度傳感器實現。美國DALLAS公司制造的DS18B20溫度傳感器是DS1820的升級版，它是一款高精度的單總線溫度測量芯片，測溫范圍為-55℃到+125℃，在-10℃到+85℃范圍內最大誤差為±0.4℃[4]。芯片內置4字節非易失性存儲單元供用戶使用，2字節用于高低溫報警，另外2字節用于保存用戶自定義信息。DS18B20核心功能是直接數字測溫，用戶可設置溫度傳感器的分辨率，精度最高可達0.0625℃。此外，芯片的另一個特點是用戶可以選擇“寄生供電”方式，即當總線為高的時候，通過單總線在DQ引腳上的上拉電阻提供給器件工作電壓。DS18B20具有體積小、功耗低、抗干擾等特點，被廣泛應用于溫度采集與報警系統中。

(三)藍牙通信模塊。藍牙無線通信采用HC-08藍牙模塊實現。該模塊是新一代的基于Bluetooth Specification V4.0 BLE藍牙協議的數傳模塊，無線工作頻段為2.4GHz ISM，調制方式是GFSK，模塊最大發射功率為4dBm，接收靈敏度-93dBm，空曠環境可實現80米超遠距離通信。模塊集成了郵票封裝孔和排針焊接孔，即可以貼片封裝，又可以排陣焊接，能夠方便嵌入應用系統之內，此外用戶也可以通過模塊自帶的LED狀態指示燈直觀判斷藍牙的連接狀態。HC-08模塊采用TI的CC2540F256芯片，配置256KB字節空間，支持AT指令，用戶可根據需要更改主從模式以及串口波特率、設備名稱等參數[5]，使用簡單靈活。

(四)顯示裝置。系統采用兩種方式同時實時顯示溫度數據，一種是單片機通過藍牙模塊與上位機進行藍牙無線通信，將采集到的溫度數據傳輸到上位機以便用戶實時監測溫度變化狀況，另一種是通過LCD1602液晶顯示屏顯示。對比LED數碼管，LCD液晶顯示屏有更好更直觀的顯示效果，使用壽命也更長。本系統所用的LCD1602液晶顯示模塊是專門同于顯示字母、數字元、符號等的點陣型液晶顯示模塊，具有體積小、環保節能、顯示內容豐富等特點，同時提供了豐富的指令設置，可操作性強。模塊內部具有上電自動復位電路，當外加電源電壓超過+4.5V時，自動對模塊進行初始化操作。

(五)報警裝置。本設計采用揚聲器組件作為報警裝置，主要由一個三極管、一片訊響器、一片音頻功率放大器LM386和一個2W的喇叭構成。當DS18B20溫度傳感器采集的環境溫度高于用戶預先設定的報警觸發值時，產生報警信號，單片機導通三極管驅動訊響器，輸出的信號經過功率放大器放大后推動喇叭振動，能夠產生高分貝的報警鳴響聲。

(六)電源裝置。本設計中所用到的AT89S52單片機、LCD液晶顯示屏以及報警器等裝置不需要很高的電壓來驅動，外置5V電源即可滿足系統的供電需求。

三、軟件設計

系統的軟件部分是利用Keil5環境編寫的。主程序的主要功能是首先對系統進行初始化設定，隨后AT89S52單片機讀取溫度傳感器DS18B20采集的溫度，單片機將溫度數據送到LCD液晶顯示屏顯示，并且通過藍牙通信模塊將數據傳輸到上位機，同時單片機立即判斷此時溫度數值是否大于報警觸發值，若溫度數據大于報警觸發值則驅動報警裝置報警，隨后單片機進行下一次的溫度數據讀取，單片機判斷此時溫度數據小于報警觸發值，報警裝置便停止報警。主程序是一個死循環，其將按以上步驟一直循環執行。

四、溫度報警系統的實現

溫度報警系統在上電復位后，設定報警觸發值為T=50℃，DS18B20溫度傳感器的分辨率設置為9位，即溫度分度為0.5℃。將DS18B20置于空氣中，當前環境的溫度便通過LCD顯示屏直觀顯示，并通過藍牙無線通信將溫度數據傳輸給上位機進行實時顯示。當將火源靠近DS18B20溫度傳感器，可以明顯觀察到LCD顯示屏的示數逐漸增大。當溫度傳感器采集到的溫度超過50℃時，信號立即反饋給主控芯片單片機，單片機隨即控制報警裝置發出高分貝報警響聲；當溫度傳感器檢測環境溫度下降到50℃以下，溫度報警系統便停止報警。

五、結語

隨著生活環境以及生活品質的提高，發生火災不僅會造成巨大的經濟損失，還嚴重威脅人們的生命安全。本文設計的基于單片機和藍牙通信的溫度報警系統，具有成本低廉、結構簡單、操作方便、測溫精準等特點，能夠精準采集環境溫度，并能進行實時反饋與預警，達到預防火災的目的，具有廣泛應用價值。