朱鋒 許鵬 卜德飛 羌浩南

摘 要本文設(shè)計(jì)的智能加熱系統(tǒng)以STC12C5A60S2為控制核心，用BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，分為手機(jī)接收終端和硬件控制平臺(tái)兩個(gè)部分。單片機(jī)借助溫濕度傳感器自動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)后，進(jìn)行溫濕度的自我調(diào)節(jié)。通過藍(lán)牙技術(shù)，用戶可以在手機(jī)終端的APP上實(shí)時(shí)監(jiān)測溫濕度狀況。該系統(tǒng)硬件規(guī)模小，適合放在帽子手套中，實(shí)現(xiàn)智能加熱，保持恒溫；其適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高，可以幫助戶外移動(dòng)的人取暖。

【關(guān)鍵詞】安卓STC12 小型固態(tài)繼電器 藍(lán)牙通信

1 引言

眾所周知，空調(diào)取暖并不適用于戶外移動(dòng)的人員，大家對(duì)一種移動(dòng)化的智能加熱產(chǎn)品的需求越來越大。隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，基于Android藍(lán)牙的智能加熱系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離、低成本無線通訊技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的無線傳輸。

智能加熱系統(tǒng)的硬件端設(shè)計(jì)是以STC12為基礎(chǔ)，利用藍(lán)牙通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、鋰電池供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)加熱系統(tǒng)的智能化、小型化、便攜化。軟件端設(shè)計(jì)是基于Android 2.1 系統(tǒng)，在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境下完成的。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能加熱可以通過藍(lán)牙技術(shù)將手機(jī)端的藍(lán)牙和硬件系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊連接到一起，提供恒溫控制、恒濕控制、溫濕度監(jiān)測、等多種功能和手段，可提供實(shí)時(shí)的信息交互功能，甚至可以節(jié)約能源和資金。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡易的智能加熱系統(tǒng)。具體而言，用戶可以通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件功能平臺(tái)各節(jié)點(diǎn)的控制以及通過手機(jī)客戶端接收它的狀態(tài)信息，包括：

（1）系統(tǒng)自動(dòng)采集溫濕度，由硬件端控制小型固態(tài)繼電器的開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)碳纖維加熱片的通斷，即保持恒溫功能；

（2）通過手機(jī)APP接收相應(yīng)指令。溫濕度傳感器自動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)后，通過藍(lán)牙通信將數(shù)據(jù)送回給上位機(jī)，系統(tǒng)當(dāng)前的溫度和濕度得以實(shí)時(shí)地反饋到手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度監(jiān)測等功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本智能加熱系統(tǒng)以基于51內(nèi)核的STC12C5A60S2微控制器為核心，外加BLK-MD-HC-05藍(lán)牙模塊后，即可實(shí)現(xiàn)指令或數(shù)據(jù)的無線傳輸；使用AM2320溫濕度傳感器采集環(huán)境節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)；使用Nokia5110液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)（僅用于功能測試階段）；使用SSR小型固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)恒溫等控制；使用微型鋰電池（可反復(fù)充放電）給系統(tǒng)供電，以確保單片機(jī)和藍(lán)牙模塊的正常運(yùn)行?；贏ndroid手機(jī)的智能加熱系統(tǒng)的硬件整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.1 通用I/O口功能設(shè)計(jì)

（1）AM2320溫濕度傳感器接單片機(jī)的P0^0和P0^1口模擬的IIC總線；

（2）Nokia5110液晶顯示屏接單片機(jī)的P2口；

（3）SSR小型固態(tài)繼電器接單片機(jī)的P2^0口。

（4）藍(lán)牙模塊接單片機(jī)的P3^0（RXD）和P3^1（TXD）口。

3.2 主要部件的選擇

（1）STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技公司基于51內(nèi)核的8位微控制器。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S，即25萬次/秒）。工作頻率0～35MHz，相當(dāng)于普通8051的0～420MHz，片上集成1280字節(jié) RAM，共4個(gè)16位定時(shí)器，通用全雙工異步串行口（UART），有EEPROM功能和看門狗功能。

（2）AM2320數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器，通信方式采用單總線、標(biāo)準(zhǔn)IIC兩種通信方式。兩種通信方式都采用直接輸出經(jīng)溫度補(bǔ)償后的濕度、溫度及校驗(yàn)CRC等數(shù)字信息，可得到準(zhǔn)確的溫濕度信息。

（3）藍(lán)牙模塊HC-05支持UART，USB，SPI，PCM，SPDIF等接口，并支持SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。該模塊主要用于短距離的數(shù)據(jù)無線傳輸領(lǐng)域?？梢苑奖愕暮蚉C機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備相連，也可以兩個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)互通。避免繁瑣的線纜連接，能直接替代串口線。

（4）碳纖維加熱片是一種純黑體的發(fā)熱材料，在電-熱轉(zhuǎn)換過程中幾乎不存在可見光，具有升溫迅速、熱滯后小、發(fā)熱均勻、熱輻射傳遞距離遠(yuǎn)、熱交換速度快等特點(diǎn)。工作過程中光通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬發(fā)熱體的電熱管，電-熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95℃以上，比同功率的鎢鉬材料的金屬發(fā)熱體熱效率提高30℃以上，升溫的時(shí)間節(jié)省30℃以上。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，等待所有硬件（尤其是藍(lán)牙模塊的相互配對(duì)需要一定時(shí)間）都啟動(dòng)成功之后，用戶便可通過上位機(jī)軟件發(fā)送指定指令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)測。

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器自動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)后，由串口發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)做出分析判斷，如果接收到的溫度低于30℃，則執(zhí)行加熱操作；否則不予響應(yīng)。同時(shí)，溫濕度數(shù)據(jù)將通過藍(lán)牙技術(shù)傳輸，在手機(jī)終端實(shí)時(shí)顯示。下位機(jī)軟件運(yùn)行流程圖如下：

4.2 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

將藍(lán)牙模塊切至[prog]參數(shù)配置模式，運(yùn)行程序。菜單中的連接藍(lán)牙項(xiàng)會(huì)跳出一個(gè)界面，顯示本機(jī)已配對(duì)過的藍(lán)牙設(shè)備，并搜尋當(dāng)前可連接的藍(lán)牙設(shè)備。選擇要連接的設(shè)備后，創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)與設(shè)備的連接。當(dāng)連接成功后再創(chuàng)建數(shù)據(jù)的接收線程，虛擬創(chuàng)建一個(gè)COM 口，打開對(duì)應(yīng) COM 口，形成透明串口線傳輸。STC12C5A60S2則是通過串口與藍(lán)牙模塊HC-05連接，向手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含兩個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)為溫度值，第二字節(jié)為濕度值，這兩個(gè)字節(jié)作為藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€(gè)參數(shù)。手機(jī)接收終端使用3個(gè)有效的Button來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，例如發(fā)送AT+ Temp，返回Ok：26C；發(fā)送AT+ Humi，返回Ok： 34%；發(fā)送AT+ Temp Humi，返回Ok： 26C 34%。

5 系統(tǒng)運(yùn)行測試

將系統(tǒng)硬件組裝完成后上電啟動(dòng)，當(dāng)所有硬件模塊正常工作時(shí)，部分硬件有工作指示燈閃爍。當(dāng)硬件控制平臺(tái)的 LED1由交替閃爍的狀態(tài)變?yōu)?LED1 長亮?xí)r，則說明藍(lán)牙配對(duì)成功，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的正常傳輸。當(dāng)手機(jī)接收終端顯示“Temp：26C”和“Humi：34%”時(shí)，則說明溫濕度傳感器工作正常。系統(tǒng)組裝運(yùn)行效果如圖3所示。

由此可見，在溫濕度傳感器獲取節(jié)點(diǎn)處實(shí)時(shí)、精確的溫濕度數(shù)據(jù)后，硬件平臺(tái)能夠進(jìn)行自我調(diào)節(jié)，達(dá)到合適的溫度；小型固態(tài)繼電器能夠間接控制加熱片的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)加熱的功能；藍(lán)牙模塊之間能夠進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸；手機(jī)APP能夠?qū)崟r(shí)顯示溫濕度狀況，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的功能。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了智能加熱的控制及顯示功能，具有較好的適應(yīng)性和移植性等，但本身也存在一些如藍(lán)牙系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，手機(jī)終端與硬件端只實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的單向接收等不足。后期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，可以通過手機(jī)APP發(fā)送指令，組成局域網(wǎng)，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此本套系統(tǒng)雖仍有一定的進(jìn)步空間，卻也有著極大的發(fā)展前景。

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作者簡介

朱鋒（1994-），男，江蘇省南通市人?，F(xiàn)就讀于江蘇省南通大學(xué)電子信息學(xué)院。研究方向?yàn)殡娮涌茖W(xué)與技術(shù)。

作者單位

南通大學(xué)電子信息學(xué)院 江蘇省南通市 226019