1.引言
1.1课题背景
所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上它是一种短距离的无线通信技术，使用蓝牙技术，能够有效地简化PAD、笔记本电脑、移动电话和手机等移动通信终端设备之间的通信，也可成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代通信设备与Internet之间数据的传输变得更加迅速、高效，达到拓宽无线通信道路的目的。通俗的说，就是蓝牙技术使现代一些轻易携带的通信设备和计算机设备，无需电缆就能联网，并能够实现无线因特网，其实际应用范围也可拓展到各种家电产品、消费类电子产品和汽车等信息家电，形组成一巨大的无线通信网络。
蓝牙是无线数据和语音传输的一种开放标准，将各种通信设备、各种数字数据系统、计算机类的终端设备、甚至家用电器用无线方法连接到一块。蓝牙技术传输的距离为10cm～10m，加大发送功率或是添加某些外部设备便可达到100m。蓝牙技术采用2.4GHz 的ISM频段和调频、跳频技术，并使用前向纠错编码、TDD和基带协议。TDMA每个时隙为0.625μs，它的发送功率为1Mb/s。蓝牙技术支持64kb/s的实时数据传输以及语音传输，语音编码是CVSD，发射功率分别是1mW、2.5mW以及100mW（CLASS3、CLASS2、CLASS1），而且使用全球统一的48位的识别码。因为蓝牙采用无线接口来替代有线电缆的连接[1]，所以它有很强的移植性，并适用于多种场合，再加上这项技术功耗低、对人体危害小，且应用简单、容易实现，它的应用范围十分的广泛。从此蓝牙技术在开始了其蓬勃的发展。
在工业控制现场，经常要采集大量的现场数据，例如电压、电流、温度、湿度、气压、水压等等，温度是一个十分重要的物理量，它将直接影响燃烧、化学反应、烘烤、煅烧、蒸馏、浓度、结晶及空气流动等物理和化学过程。温度控制的失误就可能引起生产安全、产品细节、产品产量、产品质量等一系列问题，因此对温度的检测意义就非常的大。温度采集的控制系统在工业生产、科学科研和人们的生活领域中，得到了广泛的应用，在工业生产的过程中，很多时候都要对温度进行严格监控，方便生产能够顺利进行，产品质量才能得到充分的保证[3]。温度作为一项工业常用的测量对象，在许多工业现场和过程控制当中具有十分重要的作用。随着科学技术的飞快发展,要求对温度测量的范围向着深度和广度不断地扩展,不仅要求要有足够的精度满足于工业生产和科学技术的使用要求,而且还要有广泛的测温范围。
在许多测控现场，传统数据传输都是通过有线电缆实现的。随着射频、集成电路技术的迅猛发展，无线通信功能的实现便很容易了，数据传输的速率更快，抗干扰的能力更强，，许多应用技术采用了无线传输。无线数据的传输与有线数据的传输相比，有许多优点：一是成本低，省去大量的布线；二是建网速度更快了，只需在终端连接无线数据传输模块及架设适当天线；三是适应性更好了，能应用于许多特殊的环境；四是扩展性非常好，只需将每个电子设备与无线数据传输模块连接。因此，无线传输是一种有效数据传输方式。所以使用无线传输高精度的测温系统可对生产环境的温度进行无线的传输并能进行使技术人员可远距离实时的了解被测现场温度变化的情况,保证生产自动化、智能化能顺利、安全进行，从而提高企业的生产效率。
1.2蓝牙的发展及发展趋势
近些年来，随着射频技术、微电子技术以及集成电路技术的发展，蓝牙技术取得迅猛的发展，无线通信技术的实现成本越来越低，传输的速度越来越快，可靠性越来越强，并且逐渐达到了可与和有线网络相媲美的水平。
短距离的无线通信技术是近些年来的研究热点，将无线技术引进数据采集的领域，解决某些环境下数据的采集问题，也可以解决有线网络带来的布线不方便、很难维护等缺点。有些数据采集系统可应用于智能家居领域，进一步拓展至工业控制、仪器仪表等领域。
随着通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术和信息技术的不断发展，人们对所居住的环境提出了更高的要求，在这种形势下产生了“智能家居”这一概念。目前，智能家居可
定义为利用通信、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的子系统有机地结合成一个整体系统。智能家居首先要实现对所有家电设备和环境进行监视，满足家电网络同外部进行通信的标准，实现家庭的远程监控以及信息交换。智能家居的最终目的就是为了满足人们对安全、方便和舒适生活理念的追求。对当前环境的状况的监测分析是首要的目标[2]，无线数据采集系统是针对智能家居中对生活中各种数据等进行采集分析的解决方案。
近年来，智能控制技术已取得了迅猛的发展。智能控制已综合与集成了多种学科的，吸引了全球不同领域、不同学科的众多专家学者对其进行广泛的研究工作，并不断探索新的方法、新的理论和新的有效的应用。智能控制已渐渐渗透到人们生产、生活的各个领域，成为人们生活的重要组成部分。
蓝牙从实验室进入市场经过了三个阶段：
第一阶段：2001和2002期间，蓝牙技术作为一个子件应用于移动终端。如蓝牙耳机、笔记本电脑的插卡和PC卡等。
第二阶段：2002年到2005年期间，蓝牙技术产品可以嵌入中高档产品中，如PC、手机、笔记本电脑等。蓝牙产品价格的价格不断下降，其芯片价格也很便宜，而相关的测试和取证工作也得到初步完善。
第三阶段：2005年以后，蓝牙技术进入家电及其他各种电子产品中，蓝牙网络到处可见，蓝牙应用也开始慢慢的普及，蓝牙产品的价格一降再降，每人都可能拥有好几个带有蓝牙技术的产品[3]。
目前，蓝牙产品正处于第二阶段的起步期。预估2015年，蓝牙用户已超过30亿的无线用户，其中包括10亿多使用无线互联网访问蓝牙网络。第四代移动通信技术为蓝牙网络提供了一个更大的市场，蓝牙互联技术允许手机、PAD、私人电脑和其他的接入设备相互连接在一起。安装蓝牙技术的设备从2001年的不到100万台增加到现在的上百亿台。
通信业最初研发“蓝牙技术”的标准的初衷，蓝牙技术的市场从简单的无线互联，提供使用简单和方便的无线联网技术[4]。 1.3本课题研究的主要内容
本课题主要是进行基于无线传输模块的温度测量系统的设计，测温系统由温度信号采集与显示模块、单片机控制单元、无线蓝牙模块几部分组成。
本课题将传感器技术、新兴的无线通信技术和远程监控技术相结合，力图通过数据传输的无线化来达到智能家居、工业控制等领域中布线不便时对室内生活环境、工业测控现场指标数据的采集]。
本课题提出了一种有效的数据采集分析方案，设计并实现了一种基于无线射频传输的数据采集系统。本系统基于无线蓝牙模块HC-05和STC89C52RC单片机为核心，以低功耗和模块化为设计原则，设计出具有功耗低，体积小，成本低及数据传输稳定可靠的无线监测系统，由以下四个方面依次完成：
（1）设计系统总体方案，完成了温度数据采集和处理、无线数据传输的结构设计。 （2）选择元器件按照低功耗和模块化为原则，选取了合适的温度传感器、单片机、无线蓝牙收发模块。
（3）无线收发方案设计，通过软件控制元器件来实现系统的低功耗设计。
（4）完成无线数据采集的硬件电路设计及相关的开发和调试。主要包括传感器接口电路设计及数据采集与处理相关程序设计、无线蓝牙模块的接口设计。
本课题旨在通过软、硬件的有机结合，以硬件为基础，进行各功能模块的编写。对系统硬件的工作原理进行了分析描述，并进行系统硬件设计。具体实现液晶动态显示、STC89C52RC及HC-05等器件外接电路接口的软、硬件调试。
2.系统概述与方案选择
2.1原理简介
随着电子技术的迅猛发展，短距离无线通信技术也得到了进一步发展。一块芯片的内部包含了短距离无线通信的基本功能，一般采用基于跳频的收发芯片，外加上微控制器和少量外围设备构成专门的或通用的无线通信模块。所有高频系统部分己经全部集成在一个芯片的
[5]
内部，性能稳定且不受外界干扰，降低设备的复杂性。
新一代短距离蓝牙通信系统具有功耗低、体积小、抗干扰能力强、稳定性好等优点，而且开发简单，可以嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，在工业、民用领域得到了广泛的应用。
对于一个系统无线通信技术的选择主要从以下几个方面进行考虑： （1）可以完成系统要求的功能
（2）开发简单,收发芯片所需要的外围元器件数量较少，它芯片外围元器件的数量关系到了系统的复杂性和它的成本，所以应选择外围元器件较少的收发芯片。通信协议的复杂程度
[5]
也会对整个系统的开发的复杂性有很大程度的影响。
（3）就无线测温系统来说，需要对传感器收集到的信号进行处理，并要求系统的可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，且对于一个无线系统来说，低功耗也是一项重要的指标。 2.2方案选择
2.2.1无线通信模块的选择
应设计要求采用蓝牙技术来实现短距离无线数传，蓝牙技术同时支持语音通信和数据传送，使用跳频技术（本身包括纠错机制，可靠性高)，蓝牙规范的核心部分可以使多个外部设备进行互相定位、连接以及数据的交换，并且能够实现相互的操作和交互式的应用[6]。 2.2.2单片机的选择
方案一：方案一：以AT89C51作为硬件核心，通过采用Flash ROM，内部具有4KB ROM存储空间,可在3V的超低压条件下工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容, ISP在线编程技术对于AT89C51在电路设计中不能够应用, 所以在对整个电路进行修整时，程序的错误修改或添加部分功能就需要重新烧入程序，芯片的对此使用拔插也会对芯片造成一定的损坏。
方案二：以AT89C51作为整个设计的核心，通过采用技术——Flash ROM，能在3V的低电压下进行工作；同时也与MCS-51系列单片机完全相同，芯片内部存储空间为8KB ROM ，AT89C51同样具有芯片89C51的功能，而且它具有在线编程可擦除技术，当对电路进行调整、修改时[7]，如果对芯片进行多次烧程序，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。
方案三：STC89C52 是一种高性能、低功耗、CMOS8位微控制器，具有 8K 的存储器。与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统编程，也可以适用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程F功能，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
方案比较：方案一是多年前的的产品，因自身设计缺陷，已经很少被人使用。方案二和方案三使用差别不大，但方案二需要专有下载线，方案三使用串口下载即可。因此选择方案三。
2.2.3温度传感器的选择
方案一：基于热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元器件。现有铂、铜、镍等热电阻应用广泛。其主要的特点为测量范围大、精度高、便于远距离测量。
铂的易提纯，耐氧化能力强，物理、化学性能极稳定，工业性好，复制性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，在还原介质中易被玷污变脆，受到磁场影响大，温度系数小。按IEC标准测温范围-200~650℃，百度电阻比W
（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002 |t|），B级为±（0.3℃+0.005 |t|）。
方案二：基于DS18B20温度采集，温度测量范围从-55℃~+125℃，-10~+85℃时测量精度为±0.5℃，测量分辨率为0.0625℃，电源电压范围从3.3~5V 。它支持“一线总线”的数字方式传输，可组建传感器网络。而且，无需进行线性校正，使用非常方便并且成本低。与传统的热敏电阻温度传感器不同之处在于它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位数字显示，可以分别在很短的时间之内将温度值转化为最高到12位的数字。它具有体积小、传输距离远、接口方便等特点。
系统有如下特点：
(1)送串行数据，不需要外部元件；
(2)不需要备份电源，可通过信号线供电； (3)等待模式，没有功耗；
(4)系统的抗干扰性较好，适合于各种恶劣环境的测量，如环境检测、设备温度检测等，其他的一些测温类消费电子产品等。
方案比较：综合比较方案一与方案二，成本相差不多，方案二具有更高的抗干扰能力和精度，电路结构简单，选择方案二作为本设计的温度传感器。 2.2.4显示模块的选择
方案一：基于数码管的显示模块。数码管分为共阴极和共阳极数两种，选择的数码管类型不同，在它的程序设计上也存在一定的差别。数码管显示内容比较直观，一个数码管只可以显示一位，要显示多位数字就必须添加多个数码管，在位数显示比较少的硬件中，程序编写和外围电路的设计都非常容易，但位数显示比较多的情况下，程序的编写和硬件的制作就比较麻烦，而且它的显示速度受到很大的限制。当硬件电路设计完成之后，系统显示能力基本也被确定，系统的扩展也受到了限制。
方案二：基于液晶显示屏的显示模块，具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据设计要求来显示内容、甚至可以显示自己动手设计的图案。当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统来修改它的显示。液晶显示模块的外围驱动电路比较简单，显示位数的增加不需要对硬件电路进行修改，可增强性很强。字符型液晶显示屏是我们在平时设计电路中经常用到的一款显示屏[8]。因此选用方案二LCD1602做输出显示。
3.系统的整体设计
本系统是通过单片机控制无线传输来实现对温度数据的接受,以 STC89C52RC单片机为控制单元， DS18B20为温度采集模块，HC-05/06无线蓝牙模块为温度数据发送单元，实现温度的采集、发送、显示，就是一套通过无线方式实现温度的显示发送以及监测系统。基于无线蓝牙模块的温度监测系统主要由四个模块构成，分别为温度采集模块、无线蓝牙收发模块、单片机控制模块以及液晶显示模块。
DS18B20温度采集单片机STC89C52HC-05蓝牙发送HC-05蓝牙接收单片机STC89C52LCD1602LCD1602
发送端 接收端
图3.1 系统总方框图
3.1硬件的设计 3.1.1温度采集
Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松组建传感器网络。新一代的“DS18B20”体积更小、更经济、更灵活。
DALLASDS18B20123DS18B20 TO-92封装底视图NCNC12287NCNCVDDVQ3465NCGND
图3.2 DS18B20