基于CC2540的蓝牙40温度传感器模块的设计.docx

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基于CC2540的蓝牙40温度传感器模块的设计

基于CC2540的蓝牙4.0温度传感器模块的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

由于较低的成本和短距离通信的便捷性使得蓝牙技术的全面普及，已经成为我们比较熟悉的技术。

到目前为止，蓝牙技术已经过多个版本的升级和改进，最新的版本即蓝牙4.0。

由于蓝牙通信技术的种种优点，使得该技术广泛运用于移动电话通信、音频传输和特定数据收发。

由于蓝牙是无线通信技术，在几个设备之间不需要电缆，相对位置比较随意，所以因为其优越性得到广泛使用。

因而，数据的采集和传输使用蓝牙技术的研究具有比较大的现实意义和应用前景。

本文首先对蓝牙无线技术作了简单介绍，然后展示了一下该技术的应用现状，最后对蓝牙的应用前景进行简单地阐述。

而且，还对温度检测技术进行介绍，提出一种8051方案，一种CC2540方案，最后确定采用后者。

在本次设计中完成硬件电路的设计，以及CC2540内部软件的编写，最后还有电路板的制作和相关硬件的调试。

关键字:

无线通信技术，蓝牙技术，数据检测与传输

Abstract

Becauseofthelowcostandconvenientshort-rangecommunicationmaketheuseofBluetoothtechnologybeuniversaltobecomeareality,inrecentyearsitbecomeoneofthefastestgrowingwirelesscommunicationtechnology.Sofar,morethanoneversionofBluetoothtechnologyhavebeenupgradedandimproved,thatthelatestversionisBluetooth4.0.BecauseofmuchadvantagesofBluetoothcommunicationtechnologymakethetechnologywidelyusedinmobilephonecommunication,audiotransmissionandspecificdatatransceiver.becauseBluetoothisawirelesscommunicationtechnology,itsignificantlyreducesthetransmissioncablesbetweendevices,itcanbeappliedtobuildadataacquisitionsystemandavarietyoftestingapplication.Thus,thestudyofusingBluetoothtechnologytobuildwirelessdatacollectionandtransmissionsystemwillhavearelativelylargepracticalsignificanceandapplicationprospect.

Firstly,thisarticlehasabriefintroductionofBluetoothwirelesstechnology,theapplicationprospect.Thenthearticlehasasimplestatementofbasiccomponentstemperaturedataacquisitionandtransmission,anditdesigntwoprogramsofwirelessdataacquisitionandtransmissionthencomparedwiththeother.Atthisbasis,Icombinetwosolutions,andultimatelyIcomeupwiththisprogramthatbasedonBluetoothchipCC2540'swirelesstemperaturedataacquisitionandtransmissionsystem,Ihavecompletedthedesignofthehardwarecircuitandrelatedsoftware,thenIfinishthecircuitboardproductionandhardwaredebugging.

keywords：

WirelesTechnology,Bluetooth technology，data acquisition and transmission

引言

随着移动通讯设备的迅速发展，，功能型手机和智能手机的迅速普及，蓝牙技术也越来越被人们所熟悉，目前已经成为使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一。

由于有线连接给人们带来诸多的不便，大家不能随心所欲地与信息网络相连和通信。

正因为此，而蓝牙技术由于其对硬件设备良好的兼容性和操作的便捷性受到用户的日渐欢迎。

新的无线连接方式不需要设备间的电缆，使各设备之间的行对位置更加随意，使用更加方便，蓝牙确实带给我们更多的惊喜。

所以通过蓝牙技术可以用来取代目前多种相对较短距离的电缆和双绞线。

而且蓝牙技术不仅可以实现多种智能设备无线互接，同时还可以实现文件传输，并在此基础上支持语音通信，并且可以通过设备建立数据链路，因此，该技术目前已成为人们最普遍关注的通信技术之一。

经历了1.0、1.1、2.0、2.1、3.0等版本，全新的蓝牙4.0版本在以前得到基础上有了很大改进。

集合了2.1传统蓝牙的优势，3.0蓝牙的速度还有最新的低功耗技术。

因此新的蓝牙4.0，不仅拥有以前各种版本的优势，还有之前没有的新特点。

蓝牙4.0的核心规范低就是功耗蓝牙Bluetoothlowenergy即ble，当然低功耗就是最大的特点，至于到什么地步呢，仅仅使用一粒小小的纽扣电池，便可以维持蓝牙低功耗设备连续工作很长的一段时间，所以对于某些特定的场合，比如要求低功耗或者移动传感器，蓝牙4.0是不错的选择。

蓝牙技术使用2.4GHz频段，拥有该频段无线技术的所有优点，比如链接稳定等。

不仅如此，新的蓝牙技术还有别的无线技术没有的优势，正因为此，蓝牙技术更加被认可，收到各厂商的欢迎。

伴随着无线技术的进步，各种无线设备也迅速出现，测量也变成了无线方式。

分为主机和从机，从机通过传感器节点对指定数据进行收集，然后经过处理，并将其发送给主机;用户可通过公共网络（如公共交换网等）获取主机上的相关信息，远程实现对现场的有效控制和管理。

蓝牙也可以组成网络，与手机，电脑等设备链接，而且当前支持低功耗蓝牙设备的智能设备除了iPhone外，Android系统手机也正式加入了BluetoothLowEnergy的队伍，从Android4.3系统开始，Android将正式提供官方API接口，相信不用多久，BLE设备将会出现在生活中的各个领域。

1绪论

1.1研究背景

蓝牙技术是一种支持设备短距离通信的无线电技术，最早是爱立信发明，逐渐普及以后经过蓝牙技术联盟订定技术标准。

现在已经有使用蓝牙技术的鼠标。

而且蓝牙耳机证明蓝牙还可以传递音频信号。

手机间的蓝牙互传更是让我们明白，蓝牙技术还可以传输更多的东西。

主要的蓝牙版本介绍如下：

蓝牙2.1+EDR

蓝牙2.1于2007年产生，而且对之前的版本也可以进行匹配连接。

而且新的蓝牙2.1版本减少配对时间，给我们的使用带来了很大的方便，而且还提升了安全性。

在蓝牙2.0基础上增加了省电功能，功耗更低。

蓝牙3.0+HS

相比蓝牙2.0，蓝牙3.0具有更高的数据传输速率，最高可达24mbps，而且更加省电。

蓝牙4.0

2010年7月7日蓝牙技术联盟推即蓝牙4.0。

新版本蓝牙最大的特点是极低的功耗。

1.2应用现状

目前，针对新一代蓝牙4.0的技术规范，各大厂家和公司纷纷推出自己的硬件平台和软件协议栈，在这一点上，德州仪器（TI）的蓝牙技术的发展站在世界的前列，其公司所开发的的CC2540系列产品为蓝牙技术的实现和应用提供了一个真正意义上的解决方案，这将使得蓝牙4.0BLE不再仅仅停留在规范文档之中，这将作为一项新的技术得到广泛的实践和发展。

由于蓝牙的极大优点，虽然我们国家接触较晚，但是经过一段时间的发展后将得到前所未有的巨大发展。

这项技术只有在人与人之间以及人与机器之间相互交往的时候才会更大程度的体现出它的价值。

更值得一提的是，目前，蓝牙4.0BLE规范文档已经推出，但是各大国际公司和厂商所推出的硬件平台和软件开发系统不尽相同，这使得新一代蓝牙技术的开发与研究更加具有开放性，不会在短时间之内出现被少数大公司技术垄断的局面，这也有利于我国在这一次的技术浪潮中占据主动的优势，特别是借助于蓝牙技术，使我国的信息产业能够更快更广泛地渗透到国民经济的其他领域中去，带动我国的经济发展。

1.3研究目的和意义

我的这次项目研究将通过采用两个蓝牙4.0设备进行通信。

其中从机设备通过传感器采集温度，使用CC2540内部的51内核对数据进行处理，再将处理过的数据传递到另一个蓝牙设备。

主机设备收到数据后，将数据进行解码，并将解码后的温度信息显示在液晶屏上。

这次研究的成功将带来可观的实际意义，可以使用更多的数据采集设备构建无线传感器网络，对某些方面的信息进行全方位检测。

而且接收端可以采用支持蓝牙4.0的所有设备进行数据接收，比如Iphone、Android设备、计算机与其他支持蓝牙的嵌入式系统。

而这些设备可以上网，可以通过Internet连接，从而实现对特定事物的监测。

而用户可以利用现有的网络发送命令，通过物联网系统控制执行部件做出指定操作，从而实现远程控制。

该技术一旦成熟将广泛应用于环境监测，智能家居，公共娱乐、人工智能等方面，将对人类未来的生活产生极其重要的影响，甚至完全改变我们现有的生活状况。

在不远的将来，我们将可以足不出户，通过智能手机、平板电脑或者个人电脑以及一些其他设备了解到我们想知道的关于某些事物的所有信息并对其进行控制。

比如粮食仓库中，粮食的保存和温度有十分密切的关系，适宜的温度能使粮食保存的时间更长而且不会变质。

但是传统的测温系统都是通过有线的方式连接传感器，而且传感器的位置一旦被固定后，今后需要更换位置不是很方便。

不仅如此，传统的测温系统的功耗都比较大，需要定期的人工维护，这样下来，传统的有线测温系统的成本和效果都不尽人意。

而利用本设计提供的CC2540数据采集模块，可以实现在粮食仓库的任意需要测量温度的位置放置CC2540数据采集模块，实时地将采集的温度通过蓝牙4.0协议无线传输给PC端，以便PC端根据采集的温度对温控系统进行适当的操作或做出其他相应的操作，使需要改变温度的位置得到改善。

而且由于蓝牙4.0技术的超低功耗的特点，非常适合粮食仓库这种需要长时间实时采集数据的环境。

同样地，在图书仓库和中药仓库中，对温度也有类似的要求，所以本设计的应用对于这种需要十分有效的温度调节的环境有广阔的市场前景。

又如在医院的病房中，病人的心率、血压、输液剩余量等信息都是需要被医生或护士在第一时间得知的信息。

而传统的传感器模块加有线传输的方式在医院病房这种人员较多，且人员流动频繁的场所来说，显得很不方便也很不实用，消耗也十分大。

而本设计所提出的，基于CC2540的蓝牙4.0模块恰好能解决上面所述的问题。

医生和护士只需在办公室，就能从PC上实时地看到各个病人的情况，并且能准确地去了解病人的情况，做出相应的医疗方案和应急措施，这对医生和病人来说都是极大的好处。

2系统方案设计

无线技术的不断进步和普及，随之新兴起了很多的相关技术。

著名的无线技术有蓝牙，WIFI，NFC等。

相比wifi技术，蓝牙的传输速度慢很多，而且覆盖范围也远不及wifi，但是wifi技术对硬件要求较高，而且功耗也是相当惊人；在来说NFC，NFC是近几年来随着高端智能手机而兴起的一门无线传输技术，由于其配对简单使用方便，安全性较高受到人的欢迎，但是这个技术的缺点也比较明显，首先，由于NFC技术定位高端手机，所以对于广大用户来说并不是很熟悉，其次，两台支持NFC的设备进行配对必须在很近的距离或者完成特定的操作才可配对连接，而且NFC具有极慢的传输速率，不适合较大数据量的传输，而且由于成本等原因，目前在使用中的NFC设备使用的技术并不成熟，不适合大范围普及使用。

因此综合考虑，从覆盖范围，传输速率，操作便捷性、硬件电路复杂性以及成本和功耗这些方面看，在一些对功耗有严格限制而且对传输速率没有很高要求的环境，蓝牙无疑是最佳选择。

新版本的蓝牙4.0将数据传输在蓝牙2.0,2.1的基础上有了巨大的提升，而且有更短的连接时间，更大的覆盖范围，因此，越来越多的厂商选择蓝牙技术作为产品的无线连接方式。

温度检测也是我们非常熟悉的一个课题，在各种各样的场合我们都会用到温度检测这个技术。

无论是工业生产，还是农业种植，科学研究，甚至我们的社会生活，比如工作环境，生活环境，还有医疗卫生等等，数不胜数。

所以我选择了蓝牙测温技术作为我的起点。

由温度测量入手，可以慢慢了解无线传输方面的知识，以后再进行更加深层次的研究。

2.1数据采集模块

（1）使用模拟温度传感器

模拟传感器的优点是性质稳定，测量范围比数字传感器要广得多。

但是缺点就是需要更多的电路来支持，比如模数转换电路，还有我们比较常用的放大电路。

因为这些，电路无疑会变复杂。

（2）使用数字温度传感器

数字传感器相比前者，少了很多的电路，这些电路已经集成在它内部，可以直接输出数字信号，所以抗干扰能力比较强。

综合考虑两种方式温度传感器的优缺点，由于数字传感器的易用特点，最后我决定采用数字温度传感器。

至于数字传感器的选型，我采用DHT11。

DHT11，特点是线路简单，体积小巧。

由于单总线特点我可以同时使用多个DHT11来完成更复杂的温度检测。

2.2无线收发模块

图2-1无线收发示意图

将DHT11采集到的模拟温度信号传递给单片机cpu，由其进行处理后经由无线模块发送。

目的终端通过无线模块对数据进行接收，然后由目的端处理器进行处理，并将处理后的结果显示在LCD显示屏上。

2.3系统方案设计

方案一：

利用单片机对DHT11的输出的数据进行处理，然后将处理后的数据传输给蓝牙模块，再利用蓝牙模块进行发送，在目的端用蓝牙模块进行接收。

最后处理后输出LCD显示屏。

其中单片机芯片采用我们非常熟悉的AT89C51，因为数据处理对CPU要求不是很高，而且该芯片对于我们来说易于使用。

该方案的系统框图为：

图2-2方案一框图

方案二：

采用CC2540蓝牙芯片，该芯片内部集成了51内核为处理器，因此在软件编程上与方案一相似。

但是这个方案简化了数据采集模块的设计，电路变得相对简单，由于DHT11是数字传感器，所以需要CPU对数据采集部分进行软件控制。

相对于方案一，本方案优势在于CC2540蓝牙芯片里集成了A/D转换电路和微处理器，同时内部还集成了蓝牙4.0通信模块。

该方案的系统框图为：

图2-3采用CC2540芯片的方案框图

电源部分图中未画出，本方案设计分为两部分，其中一个为发送端，包括数据采集按键与最小系统，接收端包括最小系统及一块LCD液晶显示屏。

发送端的电路仅使用纽扣电池供电，不需要复杂的电源电路，可以实现全范围温度监测。

毫无疑问，选择后一个方案。

3硬件电路系统设计

3.1器件选择

3.1.1蓝牙芯片TICC2540

TICC2540的主要特点有：

内部集成了8051微控制器。

而且相对于普通51单片机，CC2540拥有更大的128KB或256KB的存储空间，另外还有升级的8KB的SRAM；整合了无线射频模块；拥有21个通用输入输出接口，2个USART（UART或SPI）接口，2个16位和2个8位计时器；拥有AES-128硬件加密/解密功能；8通道8到12位类比数位转换器以及超低功率类比比较器， 而且内置运算放大器；2.4GHz系统单片芯片封装；超低功耗，仅仅使用一个纽扣电池便可运行超过一年的时间；相比之前的蓝牙版本扩大了覆盖范围，而且有较好的兼容性；使用单片6mmx6mm封装模式，在实际设计中有效地简化了硬件电路的复杂程度；提供给用户两个方式——singlemode和dualmode。

图3-1CC2540芯片的内部结构

图3-2CC2540芯片的引脚图

图3-3CC2540最小系统板

3.1.2温度传感器DHT11

DHT11是一款数字温湿度传感器。

因而，该传感器DHT11能够直接输出数字信号，不