基于GSM的家居环境监测系统设计 毕业设计.doc

1 存档编号 基于 gsm 的家居环境 监测系统设计 教学学院 物理与电子信息学院 届 别 专 业 电子信息工程 学 号 姓 名 指导教师 完成日期 2 目 录 内容摘要： .1 关键字： .1 abstract: .1 key words: 2 1.1 选题意义 3 1.2 系统硬件分析 3 2 主要业务介绍 .4 2.1 tc35i业务描述 .4 2.2 tc35i与短信有关的命令介绍 .5 2.3 移动通信基本结构描述 6 2.4 sim 卡基本介绍 .6 2.5 nrf24l01 通信方式的基本描述 .7 3 系统框图介绍 .8 4 硬件设计 .9 4.1 系统电源设计 9 4.1.1 gsm 电源 .9 4.1.2 主控系统电源 .10 4.2 控制电路设计 10 4.3 显示电路设计 11 4.4 电平转换电路设计 12 4.5 无线通信模块借口电路 13 4.6 实时时钟电路设计 14 4.7 硬件报警电路设计 15 4.8 温度测试电路设计 17 4.9 家用电器控制电路设计 18 5 系统软件设计 .19 5.1 整体系统流程图 19 5.2 串口通信统流程图 21 5.3 主机与 tc35i通信的软件设计 .21 5.4 nrf24l01 通信软件设计 .22 5.5 ds1302 的时序模拟 .23 5.6 lcd12864 驱动设计 24 5.7 cpu 控制器 2 号系统流程 .26 3 5.8 cpu 控制器 3 号系统流程 .27 6 系统调试 .28 6.1 液晶显示器的调试 28 6.2 串口调试 28 6.3 系统联调 30 结束语 .34 参考文献 .35 致谢 .36 附录： .37 附件 1：系统主机电路图 37 附件 2：系统从机电路图 38 附录 3 （系统部分代码） .39 gsm 的底层驱动 .39 nrf24l01 的底层定义 41 nrf24l01 的底层驱动 42 12864 的底层驱动及功能函数 .46 ds1302 的底层驱动及功能函数 52 系统 1 号中的功能函数 55 系统 1 号中的主函数 58 lcd1602 的底层驱动及功能函数 .66 串行 adc tlc549 的底层函数 .70 系统 2 号中的主函数 71 ds18b20 的驱动及功能函数 .73 系统 3 号中的主函数 77 基于 visual baisc 控制界面的源代码 .79 1 内容摘要：随着科技的发展，gsm 网络已经十分成熟，是各类监 控系统网络的不错选择。利用 gsm 网络作为远程监控系统的信息传输 平台是一种有效的方法，其原理简单，安全保密性高，又不需要组建 专用网络和网络维护。 本文从硬件和软件两方面详细阐述了基于 gsm 的短消息监控系统。 综合了线数据通信、数据采集、串口通信、2.4g 无线发射接收、单片 机等技术。本文主要实现手机的查询温度、设置 led 灯的工作状态、 设置电风扇的转速、设置实时时间和非正常状态报警等功能。具体是 用户手机编辑设置命令，通过 gsm 网络发送给 tc35i 监控模块， tc35i 监控模块在接收到内容后通过主机分析短信内容，然后通过 nrf2.4gl01 无线发射模块发送给从位，从机在接收消息后经过单片机 分析内容后处理相应的指令，根据短信内容要求实现对应的功能。系 统还能识别来信用户，提取来电号码，与之对话。同时兼有信号采集， 自动报警等功能。当单片机检测到红外信号时，会自动发送一条短消 息给手机；当检测到红外信号倒计时后会自动发送信息给用户报警； 本设计的设计成本较低，可以满足一般工业无线远程监控要求，具有 很好的性价比。 关键字： gsm tc35i nrf24gl01 无线数据通信 数据采集 abstract: with the development of science and technology, gsm network has been very mature, all kinds of monitoring system is the good choice of the network. using gsm network as remote monitoring system of information transmission platform is a kind of effective method, its principle is simple, safe, and dont need high secrecy organized special network and the network maintenance. this article from two aspects of hardware and software are expounded in detail based on gsm of short news monitoring system. comprehensive line of data communication, data acquisition, serial communication, 2.4 g wireless transmitting receiving, microcontroller techniques. this paper mainly realizes mobile query temperature, setting led lamp working condition, the setting of the electric fan speed, the setting of the real-time time and abnormal 2 condition alarm functions. concrete is the user mobile edit settings command, through gsm network to send tc35i monitoring module, tc35i monitoring module at receive content through the analysis after sms content, then through nrf2.4 gl01 wireless transmitting module send from bits in receiving messages from the machine, after the microcontroller analysis content post-processing corresponding instruction, according to the message content requests to realize the corresponding function. system can identify letter users, extraction, with the incoming call number dialogue. concurrently at the same time signal acquisition, automatic alarm functions. when the scm detected infrared signal, will automatically send a short message to mobile phones; when detected infrared signal countdown will automatically be sends messages to users alarm, this design is the design with low cost, can satisfy general industrial wireless remote monitoring requirements, and has a good price. key words: gsm tc35i nrf24gl01 wireless data communication data acquisition 3 1 引言 1.1 选题意义 随着科技的发展，各种电子设备蜂拥而至，如何使自己设计的作 品在众多的产品中脱颖而出成为了设计者的考虑的一大内容，设计者 既要考虑产品的智能化、实用化，又要考虑产品的外观上的简洁、美 观。目前大都的工业控制设备都是有线传输的，这无疑给监控设备的 安装、维修和更新带来了很多不便。相对无线设备来说，有线技术依 赖物理线路来连接主控和监控。传统设备有着明显的局限性，尤其是 当被控制部分所处环境恶劣、现场危险、噪声干扰大、工作人员不宜 停留的工作场所，采用有线通信模式显然会付出很大的代价。 而 gsm 网络信号遍布在我们周围的各个角落，短信息服务作为 gsm 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发 商的重视。本设计以 gsm 网络作为远程数据无线传输网络，同时再利 用 2.4g 开放频段对家居短距离的多点实现无线监控，最终实现只需 要任意部手机就可以实现对系统实现远程监控。为了方便控制，对系 统编写了上位机来代替 gsm 工作。系统易于实现，界面友好，操作简 单，容易被市场接受。 作为最常用的电子设计自动化中控制芯片，该系统采用了最简单、 最典型的控制芯片单片机，使得系统更加经济。 1.2 系统硬件分析 tc35i 新版西门子工业 gsm（global system for mobile communications全球移动通讯系统（全球通） ）模块是一个支持 中文短信工业级 gsm 模块，工作在 egsm900 和 gsm1800 双频段，在如 今移动网络覆盖全面的今天，gsm 的使用变得简单而可行。tc35i 模 块采用串口方式与 cpu 通信，串口是一种可以将接收来自 cpu 的并行 数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接收的串行数 据流转换为并行的数据字符供给 cpu 的器件。232 串口电路是传统串 行通信方式，简单可靠。系统设计中主要利用了 gsm 的短信功能，利 用短信来完成系统的功能设置。 4 nrf24l01 是典型的 2.4g 通信模块，目 前 2.4g 产 品 应 用 比 较 广 泛 ， 有 些 芯 片 性 能 也 很 不 错 ， 但 性 价 比 不 是 很 高 。 nrf24l01 是一 款新型单片射频收发器件，工作在 2.4ghz2.5ghz ism 频段。内置频 率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了 增强型 shockburst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行 配置。nrf24l01 功耗低,在以-6 dbm 的功率发射时，工作电流也只有 9 ma;接收时，工作电流只有 12.3 ma，多种低功率工作模式(掉电模 式和空闲模式)使节能设计更方便，并且接口电路简单，因此受到电 子设计爱好者的青睐。 主控是由常用的 stc89c52 单片机来实现的。在一般的单任务的 系统中，系统对 cpu 的要求并不高，并不需要借助于功能强大的 arm 内核，采用 11.0592m 的晶振完全可以满足设计者的要求，另外 dip 封装的 stc89c52 单片机便于一般的开发者在普通的万能板上进 行硬件实现，因此选用 52 单片机来实现主控是比较合理的。 2 主要业务介绍 2.1 tc35i 业务描述 gsm 数字移动通信系统史源于欧洲。早在 1982 年，欧洲就有几大 模拟蜂窝移动系统（“1g” ）经营了。1991 年开通了第一个 gsm 系统 （900m hz） ，同时有来自欧洲的 15 个国家参与，标志着“2g”的开 始。同年，移动特别小组还完成制定了名为 dcs1800（1800m hz 频段） 电信业务规定。对于绝代部分业务二者是通用的，双频切换工作，因 此两个系统可通称为 gsm 系统。 目 前 ， 3gpp 组 织 还 在 发 展 gsm 标 准 ， 以 便 利 用 已 经 大 量 部 署 gsm 基 础 设 施 ， 平 滑 地 向 3g 技 术 演 进 。 gsm 模块采用 at 命令来实现通信。at 即 attention（口令） ，at 命令集是从 teterminal equipment（终端设备）或 dtedata terminal equipment（数据终端设备） 向 taterminal adapter（终端适配器） 或 dcedata circuit terminating equipment（数据电路终结设备）发送的。通过 ta，te 发送 at 命令 来控制 ms mobile station（移动台）的功能 与 gsm 网络业务进行 交互。 用户可以通过 at 命令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补 充业务、传真等方面的控制。在该系统中主要利用了 tc35i（gsm ） 模块中的短信业务来实现系统控制的。 5 数字蜂窝移动通信（gsm）系统是一个 gmsk（高斯滤波最小频 移键控 gaussian filtered minimum shift keying）数字调制系统， 是基于时分多址技术的移动通信体制中应用广泛、成熟、完善的系统， 是我国公众移动通信网的主要方式，覆盖面积广、功能强、用户多。 gsm 工作时分上行和下行频段，双工间隔工作的： gsm900m 上行 （ms-bs）： 890915mhz，下行（bs- ms）：935960mhz，双工间 隔 45mhz，载频间隔 200khz，共有 122/124 个频道；dcs1800m 上 行（ms-bs）： 17101785mhz，下行（bs- ms）： 18051880mhz， 双工间隔 95mhz，载频间隔 200khz，共有 374 个频道。 在 gsm 通信过程中，每一个移动用户都有自己的 sim 卡，凭借 卡上的 isdn 号(msisdn)可以准确的与移动用户通信。号码组成格式 为： 国家号（cc ） 国内目的码 （ndc） 用户号码（sn ） 我们国家的国家号位 86，所以在我们的手机短信中有“+86”的 信息，因此可以根据这点提取国内每个用户的电话号码，进而与其通 信。 2.2 tc35i 与短信有关的命令介绍 gsm 模块与 cpu 之间的通信协议是一些 at 指令。at 指令时有西 门子、wavecom、诺基亚、爱立信、摩托罗拉和 hp 的公司共同为 gsm 系统研制的，由 etsi 发布，包含了对 sms 的控制。at 指令在此基础 上演化并加入了 gsm07.05 标准以及之后的 gsm07.07 标准。 at 指 令 是 以 at 作 首 以 字 符 回 车 （ cr） 、 发 送 符 (ctrl/z)结 束 的 字 符 串 ， at 指 令 的 响 应 数 据 包 中 。 在 每 个 指 令 执 行 成 功 与 否 都 有 相 应 的 返 回 ， 如 “ok”、 “error”。 其 他 的 一 些 非 预 期 的 信 息 (如 有 人 拨 号 进 来 、 线 路 无 信 号 等 )， 模 块 将 有 对 应 的 一 些 信 息 提 示 ， 接 收 端 可 做 相 应 的 处 理 。 表 2-1 是 关 于 短 消 息 的 一 些 基 本 at 命 令 。 表 2-1 gsm 中 关 于 短 消 息 的 基 本 at 命 令 命 令 功 能 at 检 测 gsm 模 块 是 否 存 在 （ at 命 令 通 信 开 始 ） at+csms=0 选 择 消 息 业 务 at+cpms=？ 检 测 消 息 存 储 区 （ 缺 省 值 为 sim 卡 上 ） at+cpms？ 读 取 当 前 存 储 区 上 的 消 息 数 at+cmgf？ 查 询 当 前 消 息 格 式 6 at+cmgf=1（ 0 ） 设 置 消 息 格 式 ： 1 为 文 本 ； 0 为 pdu（ 二 进 制 传 输 ） at+cnmi=2,1 来 信 提 醒 at+cmgr=n 读 取 第 n 条 信 息 at+cmgs 发 送 消 息 （ 以 ctrl+z 结 束 ） at+cmgd=n 删 除 第 n 条 信 息 2.3 移动通信基本结构描述 随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也 越来越高。集成电路技术和微机的法杖，从 20 世纪 7、80 年代开始 移动通信开始逐步成为人们日常的重要工具了。移动通信凭借方便小 巧等的魅力已经成为了人们日常生活中的不缺品了。在短短的几十年 中移动通信已经得到了重大发展。在移动发展的第三阶段（20 世纪 70 到 80 年代）人们便进入了 1g 时代，第四阶段（20 世纪 90 年代至 今）人们走过了 2g 时代，正处在 3g 时代，而移动通信还任大步向前 跨。gsm 使用的是时分多址的变体，是目前三种数字无线电话技术 （tdma、gsm 和 cdma）中使用最为广泛的一种。从移动通信技术的结 构来看我们可以归结为图 2-1 的模型。 图 2-1 移动通信的基本结构 从图上可知，移动通信结构主要有用户手机、基站和另一用户组 成三部分，是全双工通信。基站成为了移动通信的枢纽，是通信的重 要组成部分。 2.4 sim 卡基本介绍 sim 卡是（subscriber identity module 客户识别模块）的缩写， 也称为智能卡、用户身份识别卡，gsm 数字移动电话机必须装上此卡 7 方能使用。它在一电脑芯片上存储了数字移动电话客户的信息，加密 的密钥以及用户的电话簿等内容，可供 gsm 网络客户身份进行鉴别， 并对客户通话时的语音信息进行加密。 一般 sim 卡有 5 部分组成：cpu(8 位/16 位/32 位)、程序存储 器 rom、工作存储器 ram、数据存储器 eeprom 和串行通信单元，这 5 个模块集成在一块集成电路中，sim 卡事物如图 2-2 所示。sim 卡在 与手机连接时，最少需要 5 个连接线：电源(vcc) 、时钟(clk) 、数 据 i/o 口(data) 、复位(rst) 、接地端(gnd)。在图 2.4-1 中，可以 看到 sim 卡中有 6 个引脚他们分别是：1、电源（ccvcc）；2、复位 （ccrst）；3、时钟（ccclk）；4、接地端（ccgnd）；5、检测脚 （ccvpp）；6、数据接口（ccio）。 图 2-2 sim 卡实物图 2.5 nrf24l01 通信方式的基本描述 nrf24l01 是一款工作在 2.42.5ghz 世界通用的 ism 频段的单片 无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型 schockbursttm 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调 器。输出功率、频段选择和协议可以通过 spi 接口进行设置。 从 2.4g 到 2.525g 的频带范围内，将通信划分为 125 分频道，每 个通信频道内有开辟了 6 个通信地址，所以 nrf24l01 的可通信对象 是很广的，对于一个一般的系统是明显足够的。 对于 nrf24l01 的控制通信方式也是很简单的，对于主控只需要 通过 spi 接口对芯片进行读写就可以了，因为其可以工作在自应答模 式，因此减少了 cpu 的工作量。nrf24l01 的中断引脚（irq）为低 电平触发（刚好符合单片机的中断触发方式） ，当状态寄存器中 tx_ds（接收成功） 、rx_dr（发送成功）或 max_rt（发送溢出） 8 为高时触发中断，中断后只需要读相应的中断源，进而做出响应的相 应就可以了。在发送模式只需要对其写模式、频道、地址和数据，然 后等待中断就可以了；在接受模式只需要写接收模式、频道和地址， 然后等待中断，读出数据就可以了。 spi 通信方式主要有 6 个接口，表 2-2 是对 6 个引脚的功能介绍。 图 2-3 是对 spi 读时序的介绍，图 2-4 是对 spi 写时序的介绍。 表 2-2 spi 通信接口介绍 引脚名称 类型 描述 ce 输入 发射和待机控制 csn 输入 spi 使能，低电平使能 sck 输入 spi 时钟 mosi 输入 主出从入（串行） miso 三态输出 主入从出（串行） irq 输出 中断，低电平使能 图 2-3 spi 读时序 图 2-4 spi 写时序 极低的电流消耗：当工作在发射模式时发射功率可以为-6dbw， 电流消耗为 9ma，接收模式为 12.3ma，待机时消耗更低。经济节约 是短距离无线通信的理想工具。 3 系统框图介绍 系统的构成与工作原理如图 3-1 所示，cpu 控制器 1 号作为整个 9 系统的核心，连接着 gsm（或上位机）和 cpu 控制器 2 号与 cpu 控 制器 3 号。cpu 控制器 1 号连接着 ttl 和 232 电平转换器 （max232） ，max232 中有直通和交叉两种电平转换方式，所以在 cpu 控制器 1 号与 max232 之间通过一个单刀双掷开关来切换，选 择连接 gsm 模块或 pc 机（上位机和 gsm 用同一套通信协议，是 gsm 的替代品，方便调试） ；同时 cpu 控制器 1 号通过模拟的 spi 接 口控制无线通信模块 1 和无线通信模块 2 与无线通信模块 3 通信进行 无线多点监控。作为从机 2 号与 3 号将采取到的温度信号主动地发给 1 号主机，从机 2 号与 3 号也等待着主机 1 号的控制命令，响应相应 的动作。 该系统的控制芯片都是采用 stc89c52 的单片机控制的，dip 封 装便于在万能板上焊接调试，51 内核的单片机是最基本最常用的控制 芯片，8k 的 rom、256b 的 ram 对于一些简单的控制系统是完全足 够的,单片机工作在 11.0592m hz 的晶振 12 分频模式下 (stc 单片机可 以 6 分频工作), 这种处理速度可以满足单任务系统的处理要求。 p c 机 g s m 模块 t t l 电平 和 2 3 2 电平 转化 器 2 3 2 电平 2 3 2 电平 c p u 控制 器 1 号 t t l 电平 串口通信 c p u 控制 器 2 号 c p u 控制 器 3 号 液晶显示 时钟电路 检测 与 报警 模块 无线通 信模块 1 无线通 信模块 2 无线通 信模块 3 模拟温度 传感器 数字温度 传感器 液晶 显示 液晶 显示 8 个 l e d 灯 电风 扇 图 3-1 系统框图 10 4 硬件设计 4.1 系统电源设计 电源是一个系统能量的来源，是一个系统系性能稳定的重要决定 性因素之一，所以一个合理的电源是对一个系统来说是关键的，既要 做到性能可靠又要做到经济节约。 4.1.1 gsm 电源 对于系统来说，gsm 是个通信模块，所以可以给它设计一个独立 的电源，就像平时用电脑和单片机通信一样，两部分的电源可以分开， 对于远距离的通信一般电源也是独立的，这样可以减少电源带来的问 题（比方压差、干扰等） 。但对于系统所用的 tc35i 模块来说，所用 的电源是没有多大问题的，是电源适配器提供的 12v 直流电源，然后 在模块内经过稳压，得到各种所需要的电源的。 4.1.2 主控系统电源 主控部分的电源的稳定性决定着整个系统的性能，整个系统基本 上是利用了 ttl 电平，在数字电路中 +5v 的电源是很常用的。所以， 在这系统利用 lm7805 三端稳压块，得到+5v 的电源。主控部分电源 如图 4-1 所示。在图中我们还可以看到 lm317，是用来产生稳定的 3.3v 电压的。3.3v 电压是提供给无线通信模块使用的。从图中并没有 变压和整流部分，只是看到一个电源接口座，因为系统是采用 7.5v 的 电源适配器作为能量供给的。为了防止电源适配器反接，经过了一个 二极管（整流管的 pn 结承受电流大） ，然后经过电解电容（一是滤波， 二是储能）得到大约 6.8v 的电压，在 7805 后得到一个相对稳定的 5v 电源，可供系统使用；在电源后面还接上 lm317，经过调整可以得到 3.3v 的电压，3.3v 电源也是常用的工作电压，在这里是为 nrf424l01 供电的,其实也不是要求一定是 3.3v 电压，但是要求稳定。 11 in31out2adjlm7bg805ciode 4eufapplhnjck.fv_vrsk6 图 4-1 主控部分电源电路图 4.2 控制电路设计 系统采用最常用的控制器件 51 单片机来作为系统的核心。 stc89c 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/ 高速/ 低功 耗的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/ 机器周 期和 6 时钟/ 机器周期可任意选择。考虑到时实际代码量和运行速度， 在这系统可选用 stc89c52 单片机，采用 11.0592mhz 的晶振 12 时钟 周期工作。单片机工作的最小系统如图 4-2 所示。很明显，这些都是 使用 51 单片机的人很熟悉的电路，包含电源、复位电路、时钟源、 单片机和一些辅助信号（如 31 号脚接高电平） 。xs9xw-hry 图 4-2 单片机最小系统 12 4.3 显示电路设计 因为这是一个多点通信、控制系统，包含了三处小系统，所以当 然在硬件上也有三处基本信息的显示。其中主控系统是采用采用的 12864（带字库） ，是一个能显示 8k 像素的显示器。12864 是一个可选 择串、并输入，可显示字符、汉字、图像的显示器，在这里系统采用 的是并行输入方式显示了图像、字符和汉字。12864 的连接电路如图 4-3 所示，其中第 17 脚位复位控制端，低电平复位，所以平时为高电 平；15 号脚为串并选择端，高并低穿，所以系统可设置 15 号脚位高 电平；16 号脚可以不接。系统还包含两个通信点，在这只是为了显示 一些基本的单点信息，所以两处都是采用 1602 来作为显示界面。 1602 的连接电路图如图 4-4 所示。 1234567890plcdkrotsmgndvc_v. 图 4-3 12864 的使用连接电路l 图 4-4 1602 的使用连接电路图 当然，图中的控制信号和通信总线是因具体电路而定的，图中的 显示电器标号只是截取整个体统中的局部。他们的三号脚位调压显示， 这个要根据具体电路来用电位器调节。 4.4 电平转换电路设计 由于计算机串口的 rs232电平是+10v、-10v，而一般的单片机 采用的是 ttl 电平即：0,+5v。如果两者要实现通信，则就要采用 电平转换。 整个系统的控制基本是用串口来实现的，对于单片机所输出的 ttl 电平或是 cmos 电平是无法直接与工业电平通信的，所以电平的 13 转化就是必要的。对于整个系统，是用 gsm 作为通信的转换点的， 系统所用的 tc35i 是采用 232 电平与外界通信的。max232 是常用的 rs-232 通信芯片，通常 max232 是 16 引脚，同时具有直通和交叉一 对电平转换工具的器件。在整个系统设计中，对于主机与 gsm 通信 时采用了交叉方式，而主机与上位机通信时采用的是直通方式，利用 单刀双掷开关可以直接切换两种工作状态。图 4-5 是 max232 在体统 中的连接方式。 c1+vd2-345e6tou7rin890gmaxp_v.ufap 图 4-5 max232 的接口连接图 max232 产品是由德州仪器公司（ti）推出的一款兼容 rs232 标 准的芯片。该器件包含 2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提 供 tia/eia-232-f 电平。 max232 产品是由德州仪器公司（ ti）推出的 一款兼容 rs232 标准的芯片。该器件符合 tia/eia-232-f 标准，每一 个接收器将 tia/eia-232-f 电平转换成 5-v ttl/cmos 电平。每一个 发送器将 ttl/cmos 电平转换成 tia/eia-232-f 电平。 max232 的引 脚图示意图如图 4-6 所示。 图 4.-6 max232的管教示意图 在本设计中用到的 rs-232通讯芯片为 max232，该产品是由德州 仪器公司(ti)推出的一款符合 rs232标准的芯片。rs-232接口引脚图 14 如图4-7所示。在两个串口连接中，一为直通方式，一为交叉方式。 1234567890jd conectr下touring 图 4-7 rs-232接口引脚图 其中用到的端口定义为： 2号引脚为：接收数据 rxd；3号引脚为： 发送数据 txd； 5号引脚为：信号地 gnd。 4.5 无线通信模块借口电路 在整个系统中远程通信和gsm串口通信，而短距离的无线通信确 是通过无线通信模块nrf24l01来实现的。由于有线电路布线不是很方 便，因而在本设计中采用了nrf2401 无线模块，在本设计中 nrf24l01 采用的是spi通信方式，占有单片机的资源较少（如图4-8所示，具体 链接可以参考附录） 。对于用户来说，串口方式通信主要考虑的对象 是软件设计怎样模拟通信方式、编写底层驱动及如何配置芯片寄 存器。 对于整个短程无线通信系统来说，为了实现多点数据采集与控制， 所以系统在使用了3个无线通信模块。3个模块的硬件设计基本一致， 只是采用的控制命令不一样，通信时，为了减少通信干扰，系统采用 了主叫跳频方式通信。 pflv_.v 图 4-8 spi 接口引脚 nrf24l01有四种工作模式，即：收发模式、配置模式、空闲 模式、关机模式。其中：收发模式又有enhanced shockbursttm 收发模式、 shockbursttm收发模式和直接收发模式三种。空闲模 式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能 15 的同时，缩短芯片的启动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍 在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关。在关机模式下， 为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流为 900na 左右。 关机模式下，配置字的内容也会被保持在nrf24l01 片内，这是该 模式与断电状态最大的区别。 4.6 实时时钟电路设计 作为一个完整的系统，让用户了解当前的时间信息是必要的，实 时时钟就是为辅助系统而设计的。ds1302 是美国 dallas 公司推出 的具有涓细电流充电能力的低功耗实时芯片，它 可 以 对 年 、 月 、 日 、 周 、 日 、 时 、 分 、 秒 进 行 计 时 ， 且 具 有 闰 年 补 偿 等 多 种 功 能 。 作 为 时 钟 芯 片 对 时 钟 的 要 求 是 高 的 ， 因 此 ds1302 的 秒 表 是 对 32.768khz 的 晶 振 进 行 15 次 二 分 频 得 到 的 。 ds1302 的 8 号 脚 可 外 接 辅 助 电 源 （ 3v 电 池 ， 在 平 时 主 电 源 可 为 辅 助 电 源 充 电 ） ， 可 是 可 掉 电 保 护 的 ， 他 可 有 有 辅 助 电 源 供 电 ， 当 1 号 脚 上 的 主 电 源 掉 电 时 ， 8 号 脚 便 可 提 供 时 钟 工 作 ， 并 保 持 时 钟 和 ram 信 息 能 量 ， ds1302 的 可 编 程 电 源 结 构 如 图 4-9 所 示 ， 合 理 配 置 寄 存 器 ， 电 源 部 分 是 可 涓 流 为 vcc1 充 电 的 。 ds1302 采 用 串 行 通 信 方 式 ， 由 主 控 提 供 时 钟 源 ， 在 复 位 信 号 的 辅 助 下 通 过 数 据 线 与 外 界 通 信 。 ds1302 的 电 路 连 接 图 如 图 4- 10 所 示 。 图 4-9 ds1302 的电源结构 16 x123vcgnd4rst5i/o6lk78u?0pv 下_.kya 图 4.-10 实时时钟电路 在图 4-10 中可以看到始终芯片采用的是 32.728khz 的晶振，当然 为了让晶振的起振效果更好，工作更稳定，可以采用对称振动方式， 在晶振两边加上对称电容,并联一个大电阻降低 q 值，易于起振。其实 在实时时钟电路中 32.768khz 的晶振是很常见的，对信号进行分频后 得到比原始信号稳定度更高的时钟信号，供给芯片计时。 4.7 硬件报警电路设计 在系统中报警是一个人性化辅助功能，但是在系统中增添一个报 警功能是简单的。我们知道，人的耳朵能识别的声音频率在 2020000hz 内，是交流信号，所以设计一个报警电路并不是给予一 个电平这么简单的，当然系统也可以采用用 cpu 来模拟一个报警时序， 但对于一个辅助设计来说，对 cpu 的占有率太高了，是不合理的，系 统是采用 io 口高低电平来控制报警电路来报警的。 系统报警电路如图 4-11 所示。电路中是 ne556 来实现的，556 是 由两个 555 组成的，555 的内部结构图如 4-12 所示，由两个比较器、 一个 rs 触发器、一个放电管和一个输出电路组成。利用 555，可以很 容易实现单稳态、多谐振荡等常用电路。在图中，先利用一个 555 组 成一个多谐振荡电路，产生音频中的低频，造出声音的基本框架，为 一个矩形波，输出一个高低电平。556 的 3 号脚和 11 号脚原本是 2/3vcc 电压点，输出的频率和这一点是有关系的，可以看到图 4-12 中前一个 555 输出接到后一个 555 的该点，后一个 555 也是有多谐振 荡电路的模型，但是在矩形波的控制下得到一个变频信号多音频 信号。经过耦合，原本是可以直接输出给喇叭的，但是脉冲信号的频 谱成份是很多的，所以直接输出音质太杂，所以在输出之前加一级低 通滤波是必要的。从图中可以看到还有一个控制信号，当 rst为低时 输出也为低经过耦合后无声音输出，当 rst为高时，可以听到清晰的 报警声。 17 trig6ou5s4cvl3h2d1n7ae890b.ufapkeskr_vf pol 图 4-11 硬件报警电路 图 4-12 555 的内部结构 系统是不能无缘故的报警的，检测非法信号的电路如图 4-13 所示。 考虑到 51 单片机的普通 io 口是共源级输出的，原本就弱上拉，所以 利用线与的方式来检测外部电平是合理的。stc89c2 单片机普通 io 口 的弱上来最少有 200k 欧姆，所以对外部信号的检测是有足够的灵敏 的。线与的方式检测信号硬件电路简洁，性能可靠，因此在这用图 4.7-3 来检测非法闯入信号。 ti 图 4-13 非法闯入信号检测 18 4.8 温度测试电路设计 系统有多点数据采集功能，而在实际电路中，系统利用了 2.4g 网 络采集了两路温度数据：一路采用模拟器件 lm35 和串行 ad tlc549 测试温度；一路采用数字器件 ds18b20 测试温度。 lm35 为 to-92 封装的器件，典型应用该 lm35 的电源端加上 420v 的电源，输出特性为 10mv/，测试范围为 2150，当然 可以在输出端加上一定下拉负电源。采用 lm35 输出的是模拟信号， 所以系统上就有了 tlc549。tlc 为 dip-8 封装的串行 adc 器件，为 了提供一定参考电压，在这儿是用一个可调电阻代替的。实际电路如 图 4-14 所示。 图 4-14 模拟温度测试电路 对于数字测温所采用的是我们常用的 ds18b20，to-92 封装的器 件。ds18b20 是美国 dallas 公司生产的可组网数字温度传感器芯 片封装而成的，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样， 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域，是典型的单总线器件。 ds18b20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 rom、温度传感器、 非挥发的温度报警触发器 th 和 tl、配置寄存器。ds18b20 在与微处 理器连接时仅需要一条（i/o 口）线即可实现微处理器与 ds18b20 的 双向通讯。支持多点组网。可编程的分辨率为 912 位，对应的可分 辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度 测温。其测温范围为55125，在-10+85时精度为 0.5。当然，对于单总线的时序是比较严格的，这就对模拟单总 线带来了一定的难度，在采用搜寻方式来实现单总线挂多路器件时要 19 特别注意。如图 4-15 所示的电路，原本是应该给数据总线加上一定的 上拉的，但考虑单片机 p0 已经有了 10k 的上拉，这里就可以省去。 图 4-15 数字温度测试电路 4.9 家用电器控制电路设计 为了体现对家具的无线控制，系统中选取了常用的灯具和风扇作 代表。像图 4-16 所示的电路是在电路中很常见的 led 控制电路，采 用 led 作为照明将会成为一种趋势，节能、亮度高。 1kr8es2ld5ed679034vc_vp 图 4-16 电灯控制电路电路 只是实现简单的亮灭控制是很难满足现代人的生活需求的，生活 中还要求对亮暗的调节，如像电风扇一样，显示中的电风扇是有几个 档位的。如图 4-17 所示电风扇驱动电路，就是利用脉宽调制来实现电 风扇转速的控制的。脉宽调制（pwm）实际上就是调占空比，方式有： 1、定周期调高电平宽度；2、定高电平宽度调脉冲周期；3、混合调 制；根据实际中测试发现，像 led 这样要符合人的视觉效果的调制方 20 式可以先择 1 方式；像电机这样的对闪烁没有什么要求的调制方式可 以选择方式 2。 在图 4-17 的电路中，系统选择了一个电脑电源风扇作为世界控制 对象。利用变压器将市电电压变成实际要求相符的电压范围，再利用 整流桥将电源变成余弦脉冲直流电源，经过电容滤波得到相对稳定的 直流电源。实际上的电风扇驱动电路是串联式的。tip132 是 to-220 封装的 npn 达林顿管，耐压值为 100v，能承受 8a 的直流电流，工 作在开关状态与电动机串联，完全满足系统工作要求。相对控制电路， 风扇工作在大电压大电流的环境中，为了系统安全，系统利用光电耦 合来实现控制的。在调试中发现，上拉电阻 r30 和限流电阻 rp5 是相 关的，rp5 的减小可以增大 r30 降低的功耗，但是单片机的功耗必然 提高；rp5 的增大却不一定能让开关管工作在开关状态，所以在调试 中应该合理选择。 a-+bmotr sev0tfus下dn435capplqi.7kr9leuoigk 图 4-17 风扇调速电路 5 系统软件设计 5.1 整体系统流程图 对于整个系统来说，cpu 控制器 1 号就是核心，gsm、上位机软件、 cpu 控制器 2 号 3 号都是他的外围，所以对 cpu 控制器 1 号的设计体 现了整个系统的灵魂。系统需要灵活又要实时，所以在中断和实时之 间要有一定的衡量。系统工作情况分为数据采集和系统主叫方式。在 数据采集时为了保证系统的灵活性，系统并不要求系统能实时数据更 新，在一个多点数据采集系统中只需要保证在短时间内能有正确通信， 整体系统的实时通信易导致系统的死机。而在系统主叫时，要让用户 有满意的印象，必须要做到实时性强，此时系统工作在主叫模式下， 由系统主导呼叫定点响应，循环工作在这一阶段直到系统响应成功。 21 为了保证与 gsm 通信的优先权，串口通信工作在中断方式。而为保证 不定长度的字符串通信的实时性和准确性，对于时间的计算是有要求 的，所以系统工作的系统时钟是要和程序代码对应在一定范围的。系 统大致流程图如图 5-1 所示。 开始 系统初示化 系统人性化 界面显示 检测系统通 信协议 检测现场环 境并处理 检测是否有 g s m 信息并 处理 无线通信查 询温度信息 串口中断接收 字符串命令 图 5-1 主机大概流程图 5.2 串口通信统流程图 对于通信来说，保证通信成功是目标。通信分为发射和接收，当 然发射的实现是比接受容易多的，系统中的串口通信属于基带传输， 接收的难度在于如何实现同步、实时和准确。串口通信的协议解决了 大部分难度，对于单核的系统为了实现实时性最好是利用中断方式， 然而单片机的内存局限性，系统要对及时对接收的信息清除，所以当 系统正常工作时又要实时接受是有出入的，时间的不确定性，容易将 接受的内容清除掉，延时能很好的解决这一问题，可以规定一个一定 22 大小的堆栈，尽可能的让系统接收串口通信内容，系统可以再每一次 大循环是都查询一次接收的内容，然后在每次检测通信内容后多整体 内容清除。而对于发射则简单的多，系统只要主动地发射就可以了。 5.3 主机与 tc35i 通信的软件设计 与 tc35i 的通信是系统的核心，所以合理的实现是完成系统地关 键。在本程序流程图中涉及到具体的 at 指令以及相关的通信协议。 当刚上电时 mcu 会不断的发送“at”指令去检测 tc35i 的存在（包括 整个串口部分电路） ，直到收到 tc35i 会返回一个“ok” ，然后发送 “at+cnmi=2,1”给 tc35i，设置来信提醒，发送“at+cmgf=1”给 tc35i，设置字符串通信。在正常通信时，如果有来信，则能检测到 “at+cnmi=2,1“命令，然后 mcu 发送“at+cmgs=”的指令来提取短信 的内容，根据短信的内容系统实现相应的功能。这样就完成了从等待 接收到接收、分析处理的全过程。系统能实现，发信息，收信息，检 测通信内容，检测来电用户，与来电者通信等。具体流程如图 5-2 所 示。 23 开机 搜索 g s m 网络 检测 g s m ， 直 到 “ o k ” 设置通信格式 检测现场环境 异常 正 常 现场报警声响起 发送信息到用户 发送标志 ？ 是 否 发送信息 有来信提示否 是 否 读取信息 提取来电用 户 、 显示 设置时间 ？ 是 否 设置时间 开关灯 否 是 s p i 通信 风扇设置 是 否 s p i 通信 温度查询 是 否 设置发送标志 删除信息 图 5-2 主机与tc35i通信程序流程图 从图中可以看到，在温度查询时为何不直接发送信息而要在循环 前面发送信息？者可能跟单片机资源有限有关，因为在温度查询检测 时发送会出错，所以提前发送，即下一轮大循环是发送。 5.4 nrf24l01 通信软件设计 对 nrf24l01 模块的控制实际上就是对里面寄存器的设置，而要 对十几个寄存器合理的配置编写一些合理的底层驱动函数是必要的。 24 spi 接口是常用于对 flsh 的读写，在这里作为串口通信的一种来实现 近距离的无线通信。 从图 2.5-1 和 2.5-2 可以了解 spi 借口的读写时序，可以编写底层 读写函数、读数据、写命令函数（可以参考附录 nrf24l01 的底层驱 动） ，然后编写配置寄存器的接口。对 nrf24l01 的读写配置大致可包 括：复位、写发送地址、接收通道 0 地址、使能、发送接收允许、自 动重发、通信协议配置、接收发射频率、接收发射模式，写数据到缓 存，读缓存数据。