论文总字数：24555字

摘 要

本设计婴儿蹬被报警器是以单片机为核心的温度和光的检测系统。 其基本工作原理：一是利用DS18B20温度传感器对温度进行测量及采集，再传送给单片机并在LCD上显示当前温度，同时与设置在单片机的初始温度作比较，是否超过或者低于初始温度使蜂鸣器警报；二是对光进行检测，通过光敏电阻的阻值变化，使蜂鸣器警报；三是通过DS18B20得到的温度通过蓝牙传输到上位机并显示变化曲线且保存得到的数据。

同时通过方案论证确定了本系统采用单片机STM32，LCD显示屏，温度传感器DS18B20及光敏电阻等元器件，然后对系统硬件电路设计和软件设计分别进行了说明。硬件电路由单片机最小系统电路、测温模块接口电路、LCD显示接口电路、光检测电路、LED显示电路及蓝牙模块接口电路等构成。软件由C语言编写以及上位机通过LabView编写。最后，对系统调试和功能进行了说明，还有电路原理图附在附录中。

关键词：单片机 温度传感器 光敏检测 LCD显示 上位机

Baby pedal alarm based on the microcontroller

Abstract

The design of the baby tic alarm is the temperature and light detection system that the microcontroller is the core. Its working principle: one is using DS18B20 temperature sensor for temperature measurement and acquisition and then the signal is transmitted to the microcontroller and drives the LCD to display the current temperature.At the same time,the current temperature is compared with the initial temperature in the MCU, and the alarm sounds when the result is higher or lower than the initial temperature; second is the light detection.when the resistance of photosensitive resistance is changing, the alarm sounds; three is the current obtained through DS18B20 is transferred to PC through Bluetooth and used to display the data curve and the data will be preserved.

At the same time the system uses STM32 MCU, LCD display, temperature sensor DS18B20 and photosensitive resistance components demonstrated through the programme,and the system hardware circuit design and software design are explained in detail. The hardware circuit consists of the minimum system circuit, the interface circuit of temperature measurement module,the interface circuit of LCD display, optical detection circuit, the circuit of LED display and the interface circuit of Bluetooth module. The software is written by the C language as well as the host computer by the Labview. Finally, the system debugging and function are described, as well as circuit diagram attached in the appendix.

Key Words:MCU;Temperature sensor;Photosensitive detection;LCD display;PC

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 2

1.1 研究背景和意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文内容 2

1.4 本文结构 2

1.5 小结 3

第二章 系统总体方案设计 4

2.1 总体方案 4

2.2主控器的选择 4

2.3 测温模块的选择 5

2.4 显示模块的选择 5

2.5 光检测模块的选择 6

2.6 数据传输模块的选择 6

2.7 上位机软件编写的选择 6

2.8小结 7

第三章 系统硬件电路设计 8

3.1 单片机最小系统 8

3.1.1 电源电路 8

3.1.2 时钟电路 9

3.1.3 复位电路 10

3.2 测温模块接口电路 10

3.3 显示模块接口电路 11

3.4 光检测电路 14

3.5 LED显示电路 14

3.6 报警电路 15

3.7 蓝牙模块接口电路 15

3.9 STM32 IO口的资源分配 16

3.9 小结 17

第四章 系统软件设计 18

4.1 系统整体设计方案 18

4.2温度检测程序设计 19

4.3 触摸屏的显示 20

4.4 触摸屏触摸响应 21

4.5 报警模块程序设计 22

4.6 光检测程序设计 23

4.7上位机程序设计 23

4.8 小结 25

第五章 系统调试和结果 26

5.1 显示电路的调试 26

5.2 AD模块的调试 26

5.3 报警电路调试 26

5.4 蓝牙传输调试 27

5.5 上位机的调试 27

5.6 系统运行结果 27

5.7 小结 30

第六章 总结 31

附录一：硬件原理图 34

附录二：程序 35

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着社会经济的发展，生活水平的提高，广大人民群众对婴幼儿健康成长的关心上升到很高的地位。但是孩子晚上单独睡觉，他们没有太多的自我照顾能力，蹬被子也是经常的事情，因此着凉是不可避免的，还有或者因为被子太多，流汗造成的感冒也不在少数。虽然睡袋可以避免这些问题，但是大部分孩子不喜欢这样的方式，另外盖被子有利于孩子皮肤健康的成长及皮肤正常的代谢活动、在床上能够自由的动有利于孩子的四肢活动。但是巨大的工作和生活压力，使得父母双方都没有大量的时间照顾没有行为能力的婴幼儿。

而人工服务例如保姆的护理成本相当高，对于普通的家庭来说一笔不小的负担，况且不同人的护理观念不同，很多时候无法取得雇主和雇员之间的协调与统一。与此同时随着全面二胎的放开，我国预计又将出现一波不小的婴儿潮，婴幼儿护理的市场缺口将会进一步扩大。所以婴幼儿蹬被报警器作为婴幼儿护理的一部分，它的研究就变得相当有市场意义。

本设计为“婴儿蹬被报警器”，当孩子睡觉时无意地被子被踢开一部分或着踢开全部，室内空气进入后造成温度下降；亦或被子多造成孩子太热或发烧其被窝温度高于孩子正常体温，这时报警器就会自动发出声音来提醒父母，准确率100%。

1.2 国内外研究现状

本婴幼儿踢被报警的实质是一个温度/光检测处理系统。现在国内外的研究现状分两类一类是传感器的改进。出于火灾现场的考虑，大火会同时改变周围环境温度和能见度，所以要求温度和光传感器合二为一，现在日本和欧美的大型企业采取的办法是开发新型材料，采取双层结构，上层是光传感器下层则是温度传感器；另一类是处理系统的软件化，随着网络基础设施的大规模建设和个人电脑的普及，温度/光的处理系统越来越软件化，基于labview和物联网的处理系统日益受到人们的重视。

以市面上的三款婴儿蹬被报警器为例，在基本原理上没有大的不同，大体是传感器实时检测，将数据发送到主控模块，如有异常则声音或者灯光报警响应。产地淮安的一款婴儿蹬被报警器主要由温度传感器，液晶屏，扬声器，塑料外包装构成。具备感应灵敏度1-5

级可调节，设定温度可调节实时环境温度显示，具备体温过低孩子蹬被和体温过高发烧时报警；产地深圳的一款产品在材料构成上无多大区别，具备环境温度检测，检测温度可调节等功能，最大的亮点在于它的自检功能，在环境温度较低时不会进入一开机就报警的无用状态，只有在环境温度进入检测范围后才正式工作，适应冬天的特殊情况。而产地东莞的一款产品在材料构成上与前述两款产品相比增加了湿度传感器和无线模块，除了具备环境温度显示，设定温度调节，踢被报警等功能外，还集成了婴儿尿床检测功能，最大的亮点在于检测模块和报警模块分开，无论是灯光闪烁还是蜂鸣报警都不会影响到孩子，设计相当人性化。

1.3 本文内容

本论文主要研究基于单片机的婴儿蹬被报警系统。本系统采用STM32单片机作为主控模块。一方面通过传感器检测周围温度、光强变化并将数据实时发送到单片机进行处理以及显示；另一方面，对各个模块的硬件电路进行分析，并绘制相应的原理图。此外，编写单片机处理温度、光传感器数据的程序，以及显示模块的驱动程序和上位机曲线显示程序。

1.4 本文结构

本论文共分为5章：

1. ：绪论；
2. ：介绍系统总体方案的设计及各模块的选择；
3. ：根据已确定的方案，介绍系统硬件电路的设计；
4. ：介绍系统软件部分的设计；

第五章：系统的调试过程与实验结果。

1.5 小结

本章主要介绍了本设计的背景和意义，日益扩大的婴幼儿市场使得本研究极具应用意义；本设计的国内外研究现状重点在于新型传感器的研究和处理系统的软件化，以及论文的内容概述和整体结构。

第二章 系统总体方案设计

2.1 总体方案

总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，充分考虑系统使用的环境，本系统利用主控器，控制触摸屏，并使用蓝牙模块向上位机传送数据。

实际采用系统方案如下图2.1：

图2.1 总体框图

2.2主控器的选择

方案一：使用STC89C51单片机为主控制器。89C51的晶振是11.0592MHZ，每十二个机器周期执行一条指令，对于控制液晶屏的显示和触摸不是很理想，刷新页面的速度很慢，89C51的IO口的资源也相对有限，不能有很好的扩展性功能，89C51的可擦除只读存储器也只有4K，对完成整个系统编程的需求是不能满足的。TFT触摸屏的电源电压时3.3V的，而89C51是5V供电，虽然TFT触摸屏5V供电可以使用，但长期使用对TFT触摸屏有很大的伤害，如果一定要提供3.3V的电压，就需要将5V转换为3.3V，这样就无故的增加了不必要的工作量。

方案二：使用STM32F103单片机为主控制器。晶振为8MHZ，处理数据的速度快，片类资源相对比较丰富，满足蹬被报警系统编程的需要，并且是用3.3V供电和TFT触摸液晶屏的电源电压吻合，为其的相互连接和通信提供了方便。具有很多的IO口资源，可以实现绝大部分功能。此外，其低功耗的特点也是实际需要的，而且通过学习它，可以更接近先

进潮流，适合未来发展。

经综合考虑后，所以选择方案二。

2.3 测温模块的选择

方案一：采用数字型DS18B20温度传感器。DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20采用单线接口方式，它在与单片机连接时仅需要一条口线就可实现单片机与DS18B20的双向通讯；测温范围 －55℃～＋125℃，在10---50℃范围内精度高达0.1℃；在使用中不需要任何外围元件。

方案二：采用pt100温度传感器。它是一种能将温度作为变量转化为可以传输标准输出信号的器件。铂电阻温度传感器是利用其电阻和温度成一定函数关系而制成的温度传感器,由于其测量准确度高、测量范围大、复现性和稳定性好等,被广泛用于中温(-200℃～650℃)范围的温度测量中。PT100是一种广泛应用的测温元件，在-50℃~600℃范围内具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。

方案二用的是温敏电阻传感器，它是将温度变化转化为电阻变化，再通过外围电路转换为电压信号，虽然测量范围较大，但操作复杂，且对外界的环境要求很高，不宜实现。方案一利用的是DS18B20传感器，可以用单片机驱动，简单易于实施，所以基于以上的分析和题目的要求，我们选择方案一。

2.4 显示模块的选择

方案一:采用LCD1602液晶。LCD1602液晶模块内部的存储器存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，其字符都有一个固定的代码。支持4位和8位数据并行传输方式，不具备汉字显示触摸屏功能。

方案二：采用LCD12864液晶。LCD12864液晶可以显示数字、字母、符号和中文以及图形，具有绘图、文字画面混合显示。可以显示8×4行16×16点阵的汉字。 具有4位和8位并行、2线或3线串行多种接口方式，不具备触摸屏功能。

方案三：采用TFTLCD液晶屏。可显示数字、字母、符号和中文字型及图形，具有绘

图、文字画面混合显示、触摸屏等功能，接口为16位的80并口，支持8位和16位数据

以及串口的传输方式。

经综合考虑，为了更加方便的满足设计要求，并能显示更多的信息且是触摸屏让使用者使用起来更加的方便，我们选择方案三。

2.5 光检测模块的选择

方案一：采用光敏电阻。光敏电阻是利用半导体有光电导效应的特点而制造的一种随着光的强弱大小而改变电阻值大小的电阻器。具有灵敏度高、体积小、重量轻、抗过载能力强等优点且价格便宜。它里面内部的光电效应和有无电压正负极无关，即可以使用直流电源。

方案二：采用光敏二极管。它是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光检测器。具有单向导电性，光强不同改变电学特性，利用光照强度来改变电路中的电流。

由于人都有先入为主的观念，首先接触光敏电阻再加上价格便宜，所以经过考虑，选择方案一。

2.6 数据传输模块的选择

方案一：HC-05蓝牙模块是性能很高主从一体的蓝牙模块，可以同带蓝牙功能的电脑、手机配对，波特率在4800-1382400之间，兼容5V或3.3V单片机系统，方便灵活。

方案二：USR-WIFI232-D2是一款高性能、支持双网口的串口WIFI模块，提供了一种将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络或是以太网上，并提供UART数据传输接口的解决方案。

经过考虑之后，选择蓝牙模块。两方的性能其实相差并不是很大，但是蓝牙模块价钱更适宜，并且对它使用也有经验，所以我们选择方案二。

2.7 上位机软件编写的选择

LabView是一款程序开发环境，它与传统的C,C#不同，它不是基于文本的语言代码，而是基于图形化语言的编辑程序，它的程序都是以框图产生。在实现的功能中，需要明显反映数据的波形变化，在这一方面，Labview可以直接更方便地实现，且相对其他的C#，我更熟悉LabView。

2.8小结

本章主要介绍了系统总体设计方案，以单片机为核心，以及各个模块的选择在综合考虑成本，开发难度，使用环境的基础上，测温模块选择DS18B20，显示模块选择TFTLCD液晶显示屏，光检测模块选择光敏电阻，串口数据传输选择HC-05，上位机选择LabView进行编写。

第三章 系统硬件电路设计

系统硬件电路的主要功能包括：环境温度的检测传输；环境光强的检测传输；对环境温度和设定温度的显示；通过蓝牙模块将环境温度数据传到上位机并存储。单片机对温度与光数据的响应与处理硬件设计主要包括：单片机最小系统，测温模块接口电路，显示模块接口电路，光检测电路，蓝牙模块接口电路，将对各部分进行详细介绍。

3.1 单片机最小系统

本设计中使用STM32F103RCT6单片机。主要包括电源电路、时钟电路、复组成其最小系统如下图3.1：

图3.1 STM32单片机最小系统

3.1.1 电源电路

本系统使用的5V的USB接口供电的，而STM32需要的电源电压是3.3V，故需要实现电压的转换，这里使用ASM1117-3.3V芯片进行稳压处理。

BUTTON为电源开关键，AMS117-3.3芯片将3V电压转换成3.3V输出。VOUT1和

VOUT2分别为3.3V和5V电压输出引脚，可为外部模块供电，分别有三对输出。USB的D-和D 分别连接STM32F103RCT6的PA11和PA12引脚。USB_232为CH340的外接端口。USB_232的D-和D 分别连接CH340的D-和D 引脚。

图 3.2 电源电路引脚连接

本系统各个模块的电压要求如下表3.1。

表3.1各个模块电压

3.1.2 时钟电路

时钟电路是数字电路的核心电路，没有时钟电路整个数字系统是无法工作的。STM32有HSI、HSE、LSI、LSE和PLL五个时钟源。HSI是高速内部时钟；HSE是高速外部时钟；LSI是低速内部时钟；LSE是低速外部时钟；PLL为锁相环倍频输出。

系统时钟SYSCLK可来源于三个时钟源：HSI振荡器时钟；HSE振荡器时钟；PLL时钟。

如图3.3，电路采用两个22pF的负载电容和晶振构成谐振回路，使电路能够持续振荡，产生晶振上标称的时钟频率。图中的1端和2端分别接单片机的XT2OUT和XT2IN引脚，为单片机提供工作时钟。

图 3.3 时钟电路

3.1.3 复位电路

为了防止程序跑飞和死机，增强系统的可靠性，电路中增加了复位电路。当单片机的管脚维持2个及以上机器周期的低电平时系统复位。如图3.1.3，电路采用了一个简单的RC电路和一个按键来实现复位。刚上电时，电容充电 ，电容相当于短路，此时下端为低电平，自动复位。此外，在死机和程序跑飞时，按下KEY键，下端直接从高电平变为低电平，使单片机实现复位的功能。

图3.1.3 复位电路

3.2 测温模块接口电路

本设计需要实时采集周围环境的温度，但测量范围小，环境要求苛刻，成本要求高，经过第二章的方案论证，本系统的测温采用DS18B20温度传感器，测温原理如图3.2所示。

图 3.2 DS18B20接口电路

DS18B20工作电压在3-5.5V之间，由于单片机用3.3V电压，我们直接也就利用3.3V电压供电。它管脚只有3个，分别是VCC、DQ、GND。DS18B20采用单线接口方式，DS18B20在与单片机连接时仅需要一条口线DQ即可实现单片机与DS18B20的双向通讯，DQ与单片机的引脚PA4相连。上图为DS18B20的外部电源工作方式，其电阻的作用在这里起上拉电阻的作用，防止电源电流不足的问题，电容滤波的作用接在VCC和GND之间。

3.3 显示模块接口电路

本设计需要显示设定温度上下限的值并触摸改变其值，显示光电信号转换过来的电压值和AD值以及模拟动态蜂鸣器响应具有逼真效果。

经前面触摸屏需要实现的功能，本系统采用TFTLCD电阻式触摸屏。TFTLCD电阻式触摸屏主要通过显示芯片TFTLCD和触摸控制芯片XPT2046来实现显示和触摸的功能。TFT触摸屏与单片机的接口电路：

图 3.3 TFTLCD

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