光电信息毕业设计论文-基于GSM网络的温度检测系统设计.doc

常熟理工学院毕业设计（论文） 本科毕业设计（论文）题目 基于GSM网络的温度检测系统设计 学 院 物理与电子工程学院 年 级 2009 专 业 光电信息工程 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 论文提交日期 2013-5-28 常熟理工学院本科毕业设计(论文)诚信承诺书本人郑重声明： 所呈交的本科毕业设计(论文)，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。本人签名： 日期：常熟理工学院本科毕业设计(论文)使用授权说明本人完全了解常熟理工学院有关收集、保留和使用毕业设计(论文)的规定，即：本科生在校期间进行毕业设计(论文)工作的知识产权单位属常熟理工学院。学校有权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，允许毕业设计(论文)被查阅和借阅；学校可以将毕业设计(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、汇编毕业设计（论文），并且本人电子文档和纸质论文的内容相一致。保密的毕业设计(论文)在解密后遵守此规定。本人签名： 日期：导师签名： 日期：基于GSM网络的温度检测系统设计摘 要本课题基于GSM网络设计了一种远程温度检测系统。该系统的硬件电路主要包括TC35模块、单片机最小系统、温度监测模块等。以单片机作为核心，完成系统的软件设计。实物制作完成后，对系统性能进行测试，结果表明其能够达到目标要求。关键词：GSM 温度检测 单片机 TC35 The design of remote temperature detection system based on the GSM networkAbstractThis graduation project is a design of remote temperature detection system based on the GSM network. This systems hardware includes TC35 module MCU minimum system and the temperature monitoring module. MCU minimum system is the core of the hole system. After completed assembling component elements, I tested the performance of the system and result of the testing shows that it can achieve the requirements.Key words: GSM; temperature detection; MCU minimum system; TC35目 录1. 引言11.1 课题研究目的及意义11.2 课题研究现状21.3 课题主要创新点42. 主要硬件原理介绍52.1 GSM系统52.1.1 GSM系统简介52.1.2 GSM网络的协议模型62.2 AT89S52单片机72.3通讯模块TC35的原理92.4温度传感器DS1820113. 系统硬件设计123.1 总体设计方案123.2 单片机最小系统133.2.1 单片机系统电源133.2.2 复位电路133.2.3 时钟电路143.2.4 负载电路143.3 DS18B20温度传感器模块143.4 GSM无线通信模块153.4.1 TC35的部分参数153.4.2单片机控制GSM模块TC35的方法173.4.3 GSM无线通信模块的调试184. 系统软件设计234.1 软件设计方案234.2 传感器DS1820244.3 通信模块TC35的发送与接收程序285. 实物制作与调试325.1 实物展示325.2 功能测试32结束语36参考文献37致谢38附录39441. 引言1.1 课题研究目的及意义经过多年来的工农业现代化快速发展，工业生产以及农业种植过程中对工作温度的要求已经变得越来约重要，由于一些生产工艺或者作物生长的特殊要求，如冶炼钢铁或者材料在高温下的反应、紧密制品的工作温度、特殊农作物种植等等情况下，其环境温度必须得到及时而紧缺的控制，否则便会影响产品或者作物的正常生长而且，而且在相当多的领域中需要进行检测的工作环境温度可能超过一般工作人员能承受的限度，或者检测现场含有一定的危险性，很难依靠人工来检测。如加热炉大都采用传统温度检测方式进行炉内温度的检测和控制，但是传统温度检测方式存在着大量的缺点，如温度检测精度低、检测过程困难甚至环境危险等等，很难达到生产工艺要求1。且在很多生产过程中需要进行温度控制的领域一般都或多或少的存在着这样的问题，故而设计一个实用高效的温度检测控制系统具有重要意义。而与此同时，近年来由于科学技术的不断发展，特别是通信领域以及计算机相关方面的的不断开拓发展，越来越多的通信方面的技术已经被应用于实际生产生活中，其中基于GSM网络的短消息方式传输数据也在嵌入式系统中的达到了广泛的应用。GPRS网络具有大量的优势与特长，比如其数据计费按照流量计算，传输以及接入网络的速度也相当快捷并且使用者可以保持永远在线等等，这些特点都是传统方式难以达到的，而短消息这一数据传输方式有着最为重要的优点就在于其突出灵活性以及易用性这两点特质，而灵活易用也正是当今生产系统监控的发展方向所在。两者结合起来的通信方式在工业远程监控中逐渐得到了推广应用2。传统的温度监控设备需要用户直接读取检测数据或者通过有线网络把温度数据送到监控端。当被监测点环境恶劣，距离又远，而且不能保证现场实时有人的情况下，使用传统的温度监控终端设备显然是不行的。因此，设计一种使用GSM网络进行数据传输的无线终端设备系统来实现对现场设备温度进行实时监控是很有意义的。随着当今通信行业的形式，GSM网络建设日益成熟、资费水平日益下调，使用GSM网络进行通信和数据传递也肯定会变得越来越普及易用，运用GSM网络进行各行业的监控也有着相当广阔的前景3。在当今的工业生产与生活中温度的检测扮演着相当重要的角色，而本设计所研究的正是一种使用全新数据通信方式进行温度数据监控的方案，使用本设计中的GSM网络进行温度数据的传输可以解决传统数据传输方式所面临的各种环境限制、场合限制、成本高昂等等问题。由于在航天、能源、冶金、化工、等等不同领域中温度检测的重要地位，尤其是上述的环境中大量包含了特殊要求、传统通信方式难以解决的问题，可见本设计带来的方案在现实生产中有着相当大的应用空间。其次，运用GSM系统进行通信，在信号抗干扰能力、可维护性、稳定性、功能性等等方面也有着相当多的先天优势4，可以为使用通常信号传输方式的领域带来巨大的革新，并且可以降低相关生产运营的成本，降低特殊工作环境下传统人工方式检测温度所带来的危险性。1.2 课题研究现状由于现代化工农业生产以及不断提高的人民生活质量的要求，温度的检测已经得到了国内外研究者的重视和关注，过去的这些年里，国内外的研究者都根据自己的研究得出了不小的进展，下面将列举一些温度检测方面的研究成果以说明当前此课题的研究现状。2002年，潘志铭研究了传统微波加热环境下容易影响测温精度的这一问题，并且提出了避免这一检测干扰问题的解决思路。由于微波加热环境下存在较强的电磁场，这使得很难在微波加热环境中进行温度控制，容易导致加热过热或者加热不足，同时为了解决这一测温干扰的问题，作者提出了热电偶微波测温法这一思路5。作者为了减少在微波环境中涡流效应、欧姆热效应等等一系列的干扰效应；采用了直径很小的热电偶，并且在引线的外流端加上了滤波电阻，以降低热电偶干扰引起的高频干扰；使用导磁率低的材料包裹绝热套管，这样能够起到一定的屏蔽作用。通过以上的一系列工作能够有效避免在微波环境中温度检测常见的干扰问题。2003年由Andrea Irace等人6介绍了关于一种全硅光纤温度传感器的研究成果，这种特殊的温度传感器是使用全硅材料来进行温度数据的发生与转换，经过一系列的处理过程之后能够得到精度相当高的温度数据。相对于先前已有的光学传感器，这种全硅光纤传感器反应时间更短，温度检测精度更高，有着很高的应用价值。2003年由齐婉玉等人论述了使用DS18B20模块进行周围温度测量的研究7。文中详细研究了DS18B20模块进行温度测量的内在结构以及工作原理，文中说明了该模块能够产生于温度相对应的数字信号，同时也应用了相对简单的电路结构，这样就能够避免传统温度测量过程中对测量精度的影响。模块也使用了单一串行接口与单片机进行连接，使用中不需要使用其他的外围元件与电源，使得整个系统简便可靠。2005年由美国亚利桑那大学的Michiel A. P. Pertijs等人撰写的论文中介绍了一种新型的智能CMOS温度传感器的方案。这种新型的温度传感器能够在-50度至120摄氏度的环境下进行高精度的环境温度检测。该传感器使用PNP型三极管在不同的温度环境下产生不同的电位，而其产生的电位可以通过内置的模数转换器转换为数据信号并通过数据总线传输给各种监控设备，实现低成本、高效的温度检测8。2007年姜应战等人发表论文介绍了使用LPC935单片机进行环境温度测量的方案9。文章对于当前单片机内置模数转换模块分辨能力有限导致温度测量误差较大的问题提出了独特的解决方式。作者采用全新的采样逻辑算法将分辨率提升到16位，保证了测温系统的转换精度和测量效率。2008年朱垂丹等人研究了使用单片机进行可控制的多点温度高精度检测的相关课题10。文中介绍了单片机配合DS18B20模块的环境温度测量系统。文中介绍了该温度检测电路的硬件结构、系统软件程序以及软件仿真和调试。该系统具有电路结构简单、测量温度精度高、能够抵抗环境干扰等等优点。2008年李冉琦等人发表的论文中介绍了作者针对家庭环境的特点和复杂性，提出了使用ARM单片机配合扩展EEPROM外置内存的方式，实现各个测温部件在使用前提前向系统注册，使得使用者能够实时动态的管理系统中多达32个测温单元11。作者使用ARM微控制器配合使用单总线的DS18B20温度检测模块，使用了新的模块标序构建逻辑来提高系统的稳定性和实用性。并且该方法已经成功在智能家居测控系统中得到了应用。2010年由张瑜等人发表论文详尽的介绍了一种新的高精度温度检测系统，是使用铂电阻作为传感器进行环境温度检测的方法。这种新的高精度温度检测技术可以进行星载微波辐射计的一系列温度测量。文章介绍了铂电阻传感器的硬件设计，它采用Pt100恒流源作为整个系统的驱动电源，配合四线制接口和模数转换器、放大电路等部件组成整个测温系统12。文章最后对该温度检测系统的精度进行了测量，经测量表明其温度测量误差小于0.1摄氏度，达到了相当高的温度测量精度。2012年巩权庆等人研究了使用GPRS网络以及其网络中的SMS功能的温度测量监控系统。该系统使用了STC12C5A60S2单片机并且配合DS18B20温度感应模块进行温度的采集和处理。同时使用GTM900C模块进行采集得到的温度数据的发送。该系统最为重要的特点是集合了GPRS网络数据传输以及SMS短信两种不同方式相互结合，使得使用者能够同时获得GPRS网络的传输速率和SMS短消息方式在使用中的灵活性与便捷性。结合两种不同网络通信方式的优点能够提高传统温度数据传输过程的可靠性与高效性13。综上所述，运用GSM网络进行温度数据的采集与传输是近年来出现的一种新的数据传输思路，由于其各方面的优越性与先进性，在将来的工业或生活科技发展的趋势下有着很大的发展空间。本文的思路则是基于前人的工作基础，选用不同于他们的传输模块构造系统，实现温度检测及远程传输功能。1.3 课题主要创新点本课题设计的监控系统有以下创新点：（1）使用便捷。本设计的远程监控器的使用相比传统温度监控设备的使用有着很大的区别，传统的温度监控方式需要人员前往监控地点进行温度检测，这使得监控工作需要付出相应的劳动力成本，在某些特殊监控环境或者场合亲身前往现场温度检测往往会带来危险性，这对于工作人员来说也是一种冒险，而本次设计的远程监控系统则更加方便实用，不但相比需要亲身前去检测的方式更加轻松，而且可以避免很多温度检测现场所带来的危险性，这相对与传统检测方式显然更加人性化。（2）结构简单。本设计的控制核心采用的是AT89S52单片机，信息发送部分使用的是西门子公司出品的TC35GSM通信模块，同时以各种简单电子原件进行辅助搭建出了整个系统。同时整个系统的电源使用即插即用的变压器做电源，可以直接插在检测现场的电源上，如果检测现场没有电源的话也可以使用便携电池组作为电源。而温度的检测探头使用广泛使用的DS18B20模块，可以检测空气温度或者水体温度，结构简明易用。（3）成本低廉。本设计使用的硬件部分均为价格低廉简单易用的原件，非常容易购买和使用，在使用中容日组装和检修，出现问题后也易于更换。另外单片机以及GSM模块的选用也是使用了市面上广泛使用的型号或类型，在安装调试中没有太多的要求，这一点也为本设计多样的应用环境提供了帮助，提高了应用的范围。2. 主要硬件原理介绍2.1 GSM系统2.1.1 GSM系统简介GSM网络的全名是：Global System for Mobile Communications，其意义也就是我们所熟知的全球移动通讯系统，这种通信系统是由欧洲的研究者首先研制出来的，它发展而来的基础是原有的蜂窝网络系统，按照移动通信系统的归类方式属于第二代移动通信网络14。由于当今该网络充分而长足的发展，其网络覆盖已经遍及全球，全球都使用这一网络标准能够保证全球网络的共通性，使得全球的使用者能够轻松地互相进行通信，这也使得全球不论何地的用户不论何时都只需一只手机就足以满足自己的通话要求。GSM网络如今已经众所周知，这也是当今得到最为广泛应用的移动通信网络。遍布全球的使用者们包含了当今世界的两百多个国家，用户总数多达十亿人。GSM网络与之前的通信网络有着最大的不同在于GSM网络中所有信令以及相关内容都是数字内容，因此GSM被属于是第二代移动电话系统，即为我们所熟知的2G网络15。GSM系统同时拥有着大量的重要优点，比如信息防盗力好，具有相当大的网络容量，并且能够包含丰富的手机号码资源，其通话质量较之前的网络也是相当清晰，网络的稳定性比较强，能够抵抗一定的干扰，使用该网络的手机功耗也不大。这一网络的技术已经相当成熟和先进，能够开通大量不同的移动通信业务，在其通话质量、安全性能、以及网络全面覆盖等等方面也都存在着优点。GSM系统具有开放性结构的典型性特征，凭借其优异的各项性能与特质成为一种面现代化面向未来的通信系统，接下来列举一些其主要特点:（1）GSM系统是由多个部分组成的，而其中的各分系统部分都有着自己明确定义的标准化接口以及相关方案，这能够保证即使是不同品牌制造出产的GSM系统能够得以在同一个网络中共同连接。同时，为了适应更多的使用场合与用途，GSM系统的各种标准接口规范也都符合各种公共使用的其他通信网络规范，以此能够保证GSM系统的通行易用性，增强了该网络的实用性。（2）GSM系统除去提供我们所熟知的基本语音通话服务只玩，还可以提供其他许多的服务功能，包括其他的补充服务以及ISDN的相关功能。（3）GSM系统能够保证比较高的频率重复利用率，这是由于它除了采用跳频复用方式外还采用了特殊的FDMA/TDMA方式来进行频率的复用，与此同时它的组网方式相较于传统网络结构显得更加灵活而且富于变化，这使得该GSM网络能够更充分的可满足来自全世界的不同客户的不同要求。随着这些年来全球在通信领域的不断飞速发展，移动通信网络已经得到了长足的进步，目前移动通信网络的覆盖正在向着更加广泛和充分方向快速发展，而我们只要能够合理高效的利用现有的移动通信网络，不但可以避免专门组建网络进行数据传输的高昂成本和费用，而且能够保证长途通讯的稳定性，通讯效果也能够得到最大程度的保证。GSM移动通信网络在经过这些年来的不断发展之后，已经能够与计算机进行合作运用，而这种GSM网络与计算机共同工作的结构形式也正在高速的发展中，移动通信网络能够为计算机提供短消息信息来进行数据的传输，在这样的系统中GSM网络以及其配套的多种外围设备或者电路都可以是为了某种数据的采集而量身定制，与此同时，计算机则可以承担起使用人与系统的人机交互功能、或者进行数据计算、数据存储、数据显示等任务，这种由计算机与移动通信网络共同作用进行数据采集的系统有这样的有点：（1）灵活的系统构成，能够胜任大量的工作场合和要求。（2）利用移动通信网络的功能，主机可以设置在任意地点，减少了特殊检测环境或者特殊要求下传统检测方式的局限性，同时可以为使用用户提供更加舒适便捷的用户体验。（3）系统的软硬件配置能够按照有关监测要求进行配置，这样能够有效提高整体系统的性价比，在保证远程监测质量的条件下尽量减小其成本，做到低成本高收益的效果。（4）由于使用了现有的成熟移动通信网络进行数据传输，系统可以做到更好的可靠性和稳定性，同时在数据安全方面也得到了保证。同时系统的软件设计也可以尽量多样化，保证了使用的便捷与人机友好性16。2.1.2 GSM网络的协议模型由于该GSM移动通信网络中不同的用户信息和信令信息是使用不同的信道来进行传输的，故而这两个类别的信息内容有着很大的不同：其中用户信息是包括语音和数据的信息，而信令信息则是指哪些用于呼叫建立、释放系统管理信息。与此同时，在该移动通信网络中信令信息除去上面所提到的呼叫建立和释放系统管理信息两种功能之外，短消息的信息传输也是使用这一信息类型。无线通信的接口标准也同样在上述的GSM移动通信系统规范中得到了规定，如下图所示的信令协议模型中所说明的，GSM移动通信网络中标准接口信令是依据需要实现的不同的功能，通过分层传输由网络的不同部分进行传输工作。CC SMC SSMMRML1L2L3 BSSMAPRM SCCPL2 MTPL1CCMM MAP DN UPBSSMAP TCAPSCCP SCCMTPMTP MTP 基站移动交换中心移动台图2.1 GSM网络的协议模型示意图其中的各通信实体标志含义也各不相同：CC表示的是呼叫控制；SMC表示的是短信息业务控制；MM表示的是移动特性管理；TCAP表示的是转移能力应用部；RM表示无线资源管理；SCCP表示信令连接控制部；BSSMAP表示基站系统理应用部；MTP表示信息传输部；ISDN-UP表示ISDN 用户部；MAP表示移动通信应用部17。2.2 AT89S52单片机AT89S52单片机当前已经得到了相当广泛的应用，由于配备了其功耗低、性能强的微控制器以及大容量的可编程存储器，而且能够与先前开发的同类型处理器在很多当面如指令系统、引脚结构等都保持兼容，所以该型号处理器能够胜任很多领域的工作要求。AT89S52型单片机具有板载的Flash存储器能够存储用户编写的程序以供单片机来执行。 AT89S52型单片机芯片上集成了一部能够独立运行的计算机的所有必须要素，如中央处理器、存储器、I/O接口等等硬件部分，这些硬件组成部分相互协同工作保证了微型计算机的正常运行。随着时代的不断发展与计算机科学领域研究的不断进步，AT89S52单片机已经用时间证明该型号单片机成本低廉，工作稳定，性能也能够适应较多场合的要求，在当今的微处理器市场上已经占据了相当重要的位置。下图2.2所示为该型号单片机的主要结构原理：图2.2 AT89S52单片机主要结构原理MCS-51单片机是在其前代产品48型号单片机的基础上进行改进和扩充推出的增强型产品，新工艺的使用提高了单片机内部组成部分的集成度，因此单片机的硬件性能也得到了一定程度上的增强，同时其功能单元不论是在数量还是在种类上都得到了一定的增强。MCS-51单片机的硬件结构上有如下一些显著的特点:（1）片内有128个单元的数据存储空间，如果将其寻址空间进行扩大便可以使得外部程序存储器得到很大的扩充。（2）片内的有着包含各种种类的数个I/O口，其中包含了一个全双工串行口。（3）片内包含了5个中断源，其中断系统具有两级优先权。（4）片内包含了两个定时器/计数器，这两个16位定时计数器可以在不同程序功能下进行4四种不同模式的工作。（5）有赖于其中内置的布尔处理器，MCS-51型单片机能够有效地进行各种过程控制。图2.3 单片机引脚电路其中内置的布尔型处理器具有相当出强的功能，为了实现该布尔型处理器的相应功能，它配备了独立的IO口、CPU和寄存器系统。这对于单片机的发展来说是一次重要的突破。布尔型处理器以及单片机的8位处理器在不同的工作要求下共同合作，使得本来复杂的运算功能得以顺利实现。MCS-51单片机中的八位处理器和布尔处理器的硬件资源在运算工作中二者互相协作起到了相当大的作用，这也是MCS-51单片机的独到之处。2.3通讯模块TC35的原理西门子推出的TC35无线通信模块是其新一代的GSM模块，该模块自带RS232通讯接口，可以通过串行口方便地与其他计算机或者单片机进行数据交换和通信。他能够实现集快速、安全、可靠于一身的远程无线通信系统解决方案，该模块在数据交换、语音传输以及短消息服务方面都有着稳定的表现。TC35模块的工作电压可以从3.3V到5.5V之间进行浮动，该模块信号频率工作在900MHz或者1800MHz，工作在两个不同频段时的功耗为2W和1W18。该模块具有其特殊的AT命令集，其短消息发送同时支持文本模式和PDU模式两种方式。与此同时，TC35模块同时具备电话簿功能以及漫游检测等等功能，根据耗电量的不同，他具有常见模式以及省电模式两种模式。使用其独特的ZIF连接器可以连接手机SIM卡，并且以此来实现指令信号、语音信号以及控制信号能够在系统中实现双向传输。TC35模块由其内置的各个模块部分组成，其中包括GSM基带处理器、GSM射频模块以及电源模块、FLASH存储器和天线等等多个不同部分组成。基带处理器是TC35无线通信模块的核心部分，它负责着系统中语音和数据信号的处理任务，同时也包括了蜂窝网络中数字设备的数字以及模拟方面的功能。并且可以支持FR、HR等等语音信道的编码，而不要任何额外的硬件部分进行协助。图2.4 MAX232引脚图图2.4 MAX3232芯片引脚结构与逻辑结构TC35i除了自身所带的TXD、RXD串口引脚外，在使用是还可以用MAX232芯片为核心进行模块内外电平的转换，一次实现TC35模块与计算机或其他具有串口的设备进行通信交互。MAX232芯片的作用则是进行TTL点评与232电平的转换。这一芯片包含了两个驱动器和接收器以及一个用以产生232电平的电压发生器。该芯片中的接收器负责将接收到的232电平转换为常用的5V的TTL电平。而与此相反的是发送器的功能，发送器负责将TTL电平经过处理转变为232电平。MAX232在工作过程中也需要5V的电源来为其提供转换电平的能源,MAX232芯片是标准16针封装的集成芯片，现今这块芯片最为常用的作用在将TTL电平的串口信号转换为能够与计算机串口进行连接的232电平信号。MAX232的内部结构是由三部分构成的：包括电荷泵电路、数据转换通道以及供电部分。其中电荷泵电路的功能是产生正负12V的电压，以提供RS-232串口所需的相应电压。数据转换通道则是负责芯片内外的数据传输功能。供电部分则是MAX232芯片的第15脚GND以及第16脚VCC，这两个引脚用来连接电源电路，以带动整个芯片的运作。2.4温度传感器DS1820本设计中使用的温度传感器是DS1820数字式温度传感器，他是由美国DALLAS半导体公司研制，并且该传感器能够对周边环境的温度进行感应并且将内部对温度的感应转换为其引脚上输出数据的变化，根据不同程序编程的设定，该温度传感器可以通过相应的编程对周边温度进行9位进度读数，而且该型号的温度传感器支持在单片机的统一接口上串接多个传感模块，单片机也能够通过每个模块上的编号识别出每个不同的传感器模块，通过这样的多个传感器串接方式便可以直接的为多点温度检测系统节约下很多逻辑电路和硬件19。图2.5 DS18B20外形图DS18B20的主要特性包括其电压适应范围、单线接口连接方式、集成度高、测温范围广精度高等方面，由于其如此多优点的存在使得该温度传感模块在实际应用中常常能够大量不同的工作环境与要求。3. 系统硬件设计3.1 总体设计方案本设计预定实现的目标：首先实现使用单片机配合DS18B20模块进行温度数据的采集；单片机将来自温度检测模块传来的温度数据进行处理和存储；最后单片机控制TC35通信模块将存储的温度数值发送到监控用户的手机上。STC89C52单片机DS18B20温度传感器TC35移动通信模块电源监控者使用手机接收图3.1 设计中各模块作用整个系统由单片机、TC35移动通信模块以及DS18B20温度感应模块整合构成。其中单片机是整个系统的核心所在，单片机负责着系统中对温度数据的处理、控制TC35模块进行通信等等关键任务，其次是DS18B20温度感应模块，该模块负责对检测点周边温度进行检测，将周边的温度转换为其引脚上数据的变化，以此将温度数据传输给单片机进行处理，另外TC35移动通信模块也负责着相当重要的内容，TC35的职责是单片机要发送的数据内容发送到用户的手机上，这也是整个系统工作流程的最后一个环节，决定了整个系统的人机交互体验，起到了非常关键的作用。通过上述的三个核心模块的协作构成了整个温度检测系统的整体功能。接下来的章节里将对系统中各个模块的具体信息进行详细的介绍。3.2 单片机最小系统我们所常说的单片机其实是结合了一部微型计算机运行所必须的各种部件于一块芯片内部，整个微型计算机的体积只有一块芯片的大小，故而这种高度集成的微型计算机被称为单片机。所有的单片机最小系统必须包含电源、处理器、时钟电路等等各种必须的组成部分，而这些组成部分分别在单片机系统中扮演着不同的角色，只有当单片机系统与芯片中写入的软件程序搭配得当才能够使系统成功实现所设计的功能。3.2.1 单片机系统电源单片机系统电源：本设计使用的电源分为三个用电部分，其一是TC35模块工作是需要12V的直流电供电，可以通过外置变压器来供电。我们在这里使用的变压器数据如下：输入电压100V到240V电源频率为50/60Hz输出电压为12V电流为1A。其二是设计中的单片机也需要5V电源来供电，我们可以使用TC35模块上的5V电压引脚引出5V电源来驱动单片机进行工作。与此同时也可以通过电脑USB接口取得5V供电作为单片机的电源，如果配有单片机用的5V专用变压器的话也可以使用变压器提供的接插头连接到单片机上为单片机供电。其三是用来检测环境温度的DS18B20模块需要5V的电源供电，在本设计中为了保证DS18B20模块对温度转换的速度，使用外置供电而不使用寄生式供电方式。可以将温度传感模块的电源与单片机电源并联共同使用5V电源。3.2.2 复位电路复位电路：本设计中单片机系统的复位电路使用一个电阻和电容组成了一个简单的通电复位电路。由于51系列单片机使用的是高电平复位，高电平的复位信号需要保持两个机器周期以上的时间才能够使单片机系统成功识别出复位信号。复位过程之所以尤为重要是因为PC计数器在重新工作时必须得到清零，清零之后才能使单片机中的程序重新进行执行。关于其中电阻和电容的取值情况，电容一般使用10uf，同时电阻取值为10K欧姆，如果电容取22uf，那么电阻需要4.7千欧姆或5.1千欧姆。由于电路中电阻和电容的取值直接影响着单片机系统的正常工作吗，所以在设计单片机系统时需要正确的设置电阻以及电容的数值，以保证单片机系统能够顺利进行工作。如果需要对单片机进行手动复位，可以在电容的两端并联上一个触点开关即可。3.2.3 时钟电路时钟电路：在本设计中使用两个小额电容和一个晶振构成单片机系统的时钟电路。其中两个电容起到了晶振的负载电容的作用，两个负载电容的大小取值也需要合理搭配，偏大或偏小都会影响单片机系统的正常工作。我们所常用晶振频率为12兆赫兹，由于51单片机每经过十二个时钟周期便运行一个机器周期，那么我们如果使用的是十二兆赫兹的晶振便可以使得每个机器周期的时间都为一微秒，这样可以帮助我们在进行编程的时候计算所需要的时间长度。3.2.4 负载电路负载电路：在本设计的硬件构成方案中，有温度检测模块、无线通信模块以及数码管显示模块等等部件需要进行驱动，在这里需要注意使用的数码管是共阴极数码管还是共阳极数码管，他们所使用的驱动电路以及软件编程方式都有着不同，所以在设计前就应该构思好相关的内容，当使用单片机的引脚来对无线通信模块进行控制时，可以采用单片机自带的串行通信引脚进行数据的输出或输入，同时也可以使用单片机外接MAX232信号转换芯片对单片机的串行数据进行转换，然后与无线通信模块所搭配的RS232接口对接，进行串行数据的通信。3.3 DS18B20温度传感器模块DS18B20传感器最为主要的特点就是他的“一线总线”接口，这种类型的接口是的这一系列的温度传感器模块能获得很好的易用性，模块可测量的温度是从-55C到+125C，而当其工作在-10到85摄氏度的时,可以保持0.5C的误差精度。与此同时凭借其特有的“一线总线”借口方式使得温度数据的传输完全使用数字方式在一条总线上传输，这一特点能够在很大程度上提高系统的稳定性与抗干扰性，这使得这一模块能够在特殊场合或者环境环境恶劣的情况下进行温度数据的测量。DS18B20模块的各个引脚的定义如下：(1)DQ 引脚是作为信号数据的输入输出端口，可以同单片机进行连接并且传输温度数据。(2)GND 该引脚为该模块的接地引脚。(3)VDD 该引脚为模块的供电端引脚，提供模块工作所需要的电能。图3.2 DS18B20内部逻辑原理DS18B20模块的工作原理是利用了不同特性晶振在不同温度下，其震荡频率的变化情况不同的特性。当环境温度变化时，低温度系数的晶振振荡频率变化范围并不大，但是对于另外高温度系数的晶振而言，温度的变化对其震荡频率的变化作用范围则很大。而这两个不同的晶振的震荡频率在不同温度环境下的差值则正是该模块进行温度数据监测的源头。经过其模块内置的计数器对高温度系数晶振以及低温度系数晶振的震荡进行计数以及一系列的处理之后便能够得到当前的环境温度数值。3.4 GSM无线通信模块3.4.1 TC35的部分参数1TC35模块工作在不同模式下的电流消耗20：通话模式的峰值电流模式下工作电流消耗为1.8安培；通话模式的典型情况下工作电流消耗为300mA/270mA；空闲模式情况下工作电流消耗为10mA；休眠模式情况下工作电流消耗为3mA；关机模式情况下工作电流消耗为50mA。2关于TC35模块信号灯的指示状态 TC35模块的SYNC引脚是用来提供一个同步信号，同时也可以用来控制一个LED灯的亮灭状态：该同步信号通过一个三极管配合逻辑门来进行LED灯亮灭的控制。所以可以通过LED灯的亮灭表现来表现出TC35的的工作状况：（1）.当LED灯完全熄灭时，说明该无线通信模块处于断电状态或者休眠状态下。 （2）.当该LED灯的亮灭交替显示时，表明模块中没有手机卡，或者该手机号码正在网络登录或退出过程中。（3）.当该LED灯亮灭情况交替进行，并且亮的时间长于灭的时间时，表示该手机卡已经成功登录到网络中，准备就绪可以进行通信。（4）.当LED灯持续保持常亮时，说明通信模块可能处于受到数据呼叫或者语音呼叫的过程中，提示使用者可以检查模块受到呼叫的类型。3VDD引脚的电位变化情况： 当该无线通信模块处于正常的工作状态下，VDD引脚的输出电压保持在2.9V，这一电压输出可以用于外部设备的使用。当模块工作在空闲状态下时该端输出电压为2.9V。当模块完全关闭情况下，该端口的输出电压为0V。4.电源POWER端: TC35模块的电源接入端正接口POWER端接电源正极，如果通信模块通过外置变压器供电的情况下，由于TC35模块在工作中最高电流峰值需要达到500毫安，故而外置变压器的输出电流应保证输出电流最高达到500毫安以保证通信模块的正常工作。5.触发点火信号IGT端： IGT端是模块的触发点火信号端, 只要使用开关来拉低该端的电位便可使模块得到点火启动信号，启动模块，该端为低电平有效。 当用户需要启动模块时拉低该端口的电位到地的时间需要保持100毫秒以上方可实现其开机功能，另外当模块使用电池供电时，该端拉低的时间应该相应延长的1秒以上方可。6.关闭电源端PD： 当使用TC35模块的电源关闭端时，可以使用低电平信号进行触发，将PD端从高电平拉低至低电平并且保持3.5秒钟时间才能够实现效果。使用者可以简单的使用开关来拉低该端口的电平发出关机信号实现关机。 7.启动该通信模块的几种方法: 下面列举的一些方法可以启动该通信模块，使其开始工作：(1)使用IGT端触发信号启动模块，使之正常工作。(2)接通模块电源线，模块自动进行充电。(3)使用RTC中断触发，使模块开启报警模式。 3.4.2单片机控制GSM模块TC35的方法1.AT指令的介绍：TC35模块的控制采用的是其模块所特有的AT指令。当模块启动就绪后模块启动接收指令状态，这时向模块发送相应的AT指令便能够实现操作指令。2.短信模式的设置：TC35模块有两种发送中文短信的模式。其中第一种是使用TEXT模式，第二种是使用PDU模式。PDU模式中的中文字符是使用UNICODE进行编码的，所以在进行PDU模式中文短信编写时需要使用转换器将中文转换成UNICODE编码然后输入到通信模块中，同时合成PDU码中还需要其他的指令代码夹杂其中，所以过程比较复杂。3.短信模式简介：用户可以使用七位编码或者八位编码进行短信编码，七位编码可以最多发送160个字符，八位编码可以最多发送140个字符，但这两种位数的编码在读取兼容性上有所欠缺。而16位编码的信息可以显示使用Unicode编码的文本信息，这一种编码方式的读取兼容性则增强很多，能够被大多数的手机系统读取和显示 21。4.读取短信息：当用户需要进行短信息的读取时可以使用“AT+CMGR”指令后加回车的方式来读取短信息内容。如果通信模块接收到了短信息，那么模块会做出相应的回应信息以确认用户的操作要求。5.删除短信息：如果用户需要删除模块中接收到的短信息可以使用“AT+CMGD”命令后加回车来进行。6.单片机控制TC35的方法在本设计中，我们使用单片机作为整个系统的核心部分，用单片机发出的指令来控制各种外围部件进行工作，其中TC35模块是使用其板载的串口通信接口进行数据的交换和指令的发送接收的。所以我们将单片机的串口引脚与TC35通信模块表面的串口通信引脚相互连接，这样一来就可以直接使用单片机编写指令代码然后通过串口将指令发送到通信模块，通信模块接收到指令之后便能够实现单片机所指示的命令和作用。除了使用串口通信引脚进行通信以外还可以使用模块板载的RS232接口来进行指令代码的发送和接收，所以我们也可以使用单片机外接RS232模块，将单片机的TTL电平的串口数据转换为232电平的信号，与通信模块的RS232接口相连接后进行通信。TC35模块使用AT指令来进行控制，具体的AT指令类型有很多种类，下面列举一些常用的指令作介绍。简单的“AT”指令代码是指联机指令；“IPR”指令是设置模块波特率的指令；“CMGF=1”这个指令功能是选择信息类型为文本模式；“CMGR=”该指令的作用是读取短信息；“CMGD=”该指令的作用是删除短信息；“CMGS=”该指令的作用是是发送短信息；“CREG？”该指令的作用是检测模块当前有没有成功注册到移动通信网络。3.4.3 GSM无线通信模块的调试1.链接电源线；将串口线的端口一端与板子的端口相连，另一端与电脑的串口端口相连。如图所示图3.3 TC35通信模块电源线连接图2.插入SIM卡，如图所示图3.4 模块装入SIM卡3.打开电脑中的GSM串口调试助手程序软件，如图图3.5 GSM调试助手4. 在GSM串口调试助手程序界面打开串口，如下图所示点击按钮打开串口图3.6 调试工具界面5. 依次点选GSM专用栏的几个按钮，如下图3.7 调试功能按钮若板子正常，则显示效果如下图所示 图3.8 显示效果图6.电话测试，在测试拨打电话后的输入框内输入电话号码，如下图所示图3.9 测试拨打电话效果图4. 系统软件设计4.1 软件设计方案本设计中的软件设计集中在单片机的功能编程上，单片机在整个系统中负责各个模块的调用、控制、以及数据的处理。首先单片机启动后初始化其中的编写的程序，然后执行内部RAM读入数据进行DS18B20测温模块的初始化，测温模块初始化完成之后进行环境温度的采集，并且测温模块将采集到的温度数据交给单片机进行处理，单片机将接收到的温度数据转化为监控者能够直接观察的十进制温度数值，将十进制温度数值在显示模块上显示以供使用者能够直接观察。与此同时单片机也会调用TC35无线通信模块将刚刚转化好的温度数值以短信的方式发送到监控者的手机上，使得监控者能够便捷的了解到监控环境的温度信息，方便了使用者的监控工作。在整个的系统总包含了以下模块协同工作：单片机控制模块、温度数据采集模块、TC35无线通信模块、显示模块等。其完整的软件结构设计如图4.1所示：图4.1 系统软件流程图4.2 传感器DS1820该温度传感器的内置资源中包括了易失性高速存储器以及非易失性的存储器，两种不同类型的存储器在传感器中起到了不同的作用。非易失性存储器主要用来存放该传感器最为重要的温度数据，当传感器得到温度数据之后便将温度数据的高字节和低字节存入非易失性存储器中以待用户进行读取。在DS18B20温度传感器中同样相当重要的存储器是配置寄存器，该存储器分为8个不同的位总长度为一个字节，其中各个位的意义如下表所示: 表4.1 配置寄存器结构TMR1R011111其中TM位为测试标志位，当该传感器处在测试模式中时该位为1，当不在测试模式时，该位为0。而该字节的低5位数据保持为0。其中的R1位以及R0位是用作分辨率设置位的，其详细设置方式如下表所示：表4.2 温度分辨率设置表R1R0分辨率最大温度转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms该温度检测模块与单片机的链接方式为：将模块的VCC与GND引脚分别连接到单片机电源的5V端与接地端。另外将传感模块的数据输出端接到单片机的P2.3引脚上，当单片机向模块发送或接收命令时会通过其P2.3接口向测温模块发送信息。（3）DS1820采集流程图入口初始化DS18B20延时程序判断是否故障跳过ROM读取并转换数据存储到相应单元显示温度数据返回是否图4.2 DS18B20采集流程图下面是DS18B20温度传感模块检测周边温度以及单片机读取温度数据的关键程序：uchar Reset(void)/初始化温度检测模块uchar deceive_ready;DQ = 0;delay(29);DQ = 1;delay(3);deceive_ready = DQ;delay(25);return(deceive_ready);uchar read_byte(void)/读取一个字节数据uchar i,m,receive_data;m = 1;receive_data = 0;for(i=0; i8; i+)if(read_bit()receive_data = receive_data + (m i);delay(6);return(receive_data);void write_byte(uchar val)/写一个字节数据uchar i,temp;for(i=0;