日光温室自动卷帘机控制系统的设计与仿真.doc

郑州工业应用技术学院本科生毕业设计 题 目：_日光温室自动卷帘机控制系统的设计与仿真_ 指导教师： 王临铭 职称： 讲师 学生姓名： 王松松 学号： 1102120438 专 业： 电气工程及其自动化 院 （系）： 机电工程学院 答辩日期： 2015年5月20日 2015年4月1日1目录摘要1Abstract51绪论71.1自动卷帘机的作用71.2自动卷帘机的原理71.3卷帘机类型71.3.1 拉绳式71.3.2爬行移动式电动机71.3.3摆臂式电机81.3.4悬臂自走式卷帘机81.4卷帘设备的技术标准81.5 使用注意事项91.6自动卷帘机的总体设计方案92硬件设计122.1电动机的选择122.2机械部分的设计132.2.1减速器传动比的计算与分配132.2.2计算传动装置的运动和动力参数142.3带的选择152.3.1 带的计算152.3.2带的根数确定162.4减速器齿轮的设计及模数的选择162.4.1第一级齿轮传动设计162.4.2第二级齿轮传动设计172.5轴径的设计18轴径的计算182.6 滚轮支架的设计203控制系统设计223.1控制系统的总体设计223.2 P80C51RA+4N的简介233.2.1电源引脚243.2.2时钟引脚253.2.3控制引脚253.2.4 I/O口引脚253.3 P80C51RA+4N最小系统的设计253.3.1 时钟电路273.3.2复位电路273.4 无线通信模块的设计283.4.1 GSM模块的概述283.4.2 TC35的控制简介283.4.3 TC35引脚极其用法简介293.4.4 TC35的联机接口RS232303.4.5 矩阵键盘模块323.4.6 44矩阵键盘的工作原理323.4.7 键盘电路设计323.5存储器的扩展及其接口电路333.5.1 ROM芯片的选用333.5.2地址锁存器SN74LS373N343.5.3 单片机的外扩电路353.6 模数转换器ADC接口的设计363.6.1模数转换器ADC574AJH的简介363.6.2 ADC574AJH的工作特性373.6.3 ADC574AJH与P80C51RA+4N的接口电路图373.7 多路模拟开关39AD7501简介393.8显示器的设计403.8.1 HDSM-577G的简介403.8.2 HDSM-577G的显示原理413.8.3 HDSM-577G与P80C51RA+4N的电路图413.9温度传感器、光照传感器423.9.1 DS18B20的性能特点433.9.2 DS18B20的管脚排列433.9.3 DS18B20的内部结构443.10.单片机控制电动机45单片机控制继电器453.11 步进电机仿卷帘机模块463.11.1 步进电机的工作原理463.11.2 步进电机模拟卷帘机的设计474软件编程474.1软件设计474.2程序设计总流程图484.3源程序如下505结论566致谢567参考文献57摘要随着我国国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，大棚蔬菜市场日渐扩大，尤其是北方地区在寒冷的冬季，仅靠南菜北调长途运输，不仅成本高，而且延误了蔬菜的最佳食用期，所以依靠农业科技大力推广塑料大棚种植蔬菜是蔬菜种植的一个必然发展趋势。由于农民的种植技术、大棚环境管理技术有限，加之很多高效益植物在温度低于15或高于40的情况下就会停止生长，湿度过低或过高也会生长缓慢，光照的时间长短直接影响植物光合作用以及瓜果类作物的酸甜度，而且传统的温湿度和光照度测量方法采用测试器材，人工检测费时费力，因此有必要研制大棚自动温湿度和光照度控制系统，以便实时检测温湿度和光照度，并根据所测的数据控制风机、加热器、卷帘机和湿帘等设备的运行，确保棚内温湿度和光照度环境最适合农作物的生长。 比如温度传感器就是用的DS18B20温度传感器，它是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；自动卷帘机分为机械部分和控制部分，机械部分是电动机通过减速器带动卷轴按照预定在大棚上面的轨道滚动，这样就可以实现草帘子的卷放。控制部分是单片机通过温度传感器，光照传感器和其他相关模块的信号来控制继电器的开关从而来控制电动机的启动、停止、正转、反转以及调速等。电动机的运动又带着草帘的铺开与卷起。这就是自动卷帘机的控制系统，整个系统的电路结构简单，开关元器件较少，可靠性能高。管理人员也可以根据需要随时随地控制草帘子的收放。由此可见，日光温室自动卷帘机控制系统可以根据温度、湿度、光照强度等传感器的实时数据来确定草帘的收放，大大减轻了人工的劳动强度，提高了劳动效率。由于测得的数据都是随着时间变化的变量，所以控制系统能够精确地分析这些数据，从而也会更准确的决定草帘收放的时间，让日光温室里的果蔬能够充分利用阳光生长出更加优质的果实，提高农民的经济效益。关键词 自动卷帘机；P80C51RA+4N单片机控制 ；DS-18B20 数字温度传感器AbstractWith the development of our national economy and the increase of peoples living standard, the market of greenhouse vegetables growing, especially in the north area in the cold winter, only the Southern cuisine north of long-distance transport, not only the high cost, but also delayed the vegetables the best edible period, so rely on agricultural science and technology and vigorously promote the plastic greenhouse cultivation of vegetables is a an inevitable trend of the development of vegetable planting. Because the farmer planting technology, Greenhouse Environment Management Technology Co., with many high efficiency plant at temperatures below 15 DEG C or higher than 40 deg.c will stop growing, humidity is too low or too high will slow growth, the length of time of illumination affected photosynthesis directly and fruits of sweet and sour, and the traditional temperature humidity and illuminance measurement by using a method of testing equipment, artificial detection is time-consuming, so it is necessary to develop greenhouse automatic temperature and humidity and illumination control system for real-time detection of temperature, humidity and illumination, and according to the measured data control fan, heater, rolling machine and the wet curtain and other equipment operation, ensure the growth of greenhouse temperature humidity and illumination environment most suitable for crops. DS18B20 temperature sensor for temperature sensor is used, it is a kind of improved intelligent temperature sensor America DALLAS semiconductor companys new temperature measuring elements, compared with the traditional thermal resistance and so on, it can directly read the measured temperature, and can according to the actual requirements through simple programming 9 12 digit readout methods single interface unique requires only one port pin for communication; automatic rolling machine is divided into the mechanical part and control part, the mechanical part is the motor through the speed reducer drives the scroll in the canopy above according to the predetermined orbit, which can realize the grass curtain reeling. The control part is the SCM through the temperature sensor, switch light sensors and other related module to control the relay to control the motor start, stop, forward, reverse and speed etc. The movement of the motor and with the spread and rolled up mats. This is the automatic control system of rolling machine, the whole system of the circuit structure is simple, switch components less, high reliability. Managers can also according to need whenever and wherever possible control grass curtain and retraction.Thus, solar greenhouse automatic rolling machine control system according to the temperature, humidity, light intensity sensor real-time data according to determine the straw and retraction, greatly reduce the labor intensity of manual, improve labor efficiency. The measured data are changing with the time variable, so the control system can precisely analyze these data, which will be more accurate decisions straw retraction time, let the sunlight greenhouse vegetables to make full use of sunlight grow more quality of fruit, increase farmers economic benefits.1绪论1.1自动卷帘机的作用缩短卷放帘时间，一般每天可增加日照时间近2 个小时，提高温室内温度35。由于卷放过程运行平稳，无绳索与保温帘的摩擦，使保温帘延长使用寿命12 年。由于温室内温度增高，生长快，使作物早熟，缩短作物生长期，一般可使作物提前上市510 天。通过减少用工量，减少保温帘的损坏，提高作物的产量，增加反季量等，可明显地提高经济效益。1.2自动卷帘机的原理卷帘机按不同的分类方法有多种形式， 按动力形式分为手动式和电动式，按结构形式分为牵引式、滑轨式、支臂式、侧悬浮动式等，按工作形式分为固定式和走动式。固定式是卷帘机固定在大棚后墙的砖垛上，利用机械动力把草帘子卷上去，利用大棚的坡度和草帘子的重量往下滚放草帘子， 该种型号的卷帘机都是早期安装的，造价较高，大棚要有一定的坡度，如果棚面坡度太小，草帘子滚不下来。走动式是电机和减速机一起在棚面上走动， 利用卷帘机的动力上下自由卷放草帘子， 不受大棚坡度大小的限制，安装简单，造价低，效率高，卷放整齐，是目前广泛采用的一种形式。以下就是几种常见的卷帘机类型。1.3卷帘机类型1.3.1 拉绳式这种形式应用的比较早，主要的部件有电动机，减速器、卷绳轴、联轴器、卷绳等组成。卷帘时依靠电动机、减速器驱动卷绳轴转动把绳子缠绕在轴上，通过绳子拉紧使保温帘卷起。放帘时靠帘的自重自动滚落。此种形式的卷帘机安装施工比较复杂，而且造价高，卷放速度慢，保温帘易损坏，现在已很少使用。1.3.2爬行移动式电动机 爬行移动式电动机和减速器连在一起， 卷帘过程是电动机减速器在温室中间沿轨道爬行， 卷放帘靠电动机正反转开关控制，在棚外设一支杆，定位滑杆可在支杆上移动，保证电机减速器能紧贴在大棚上上下移动，减速器带动卷帘轴随电机转动实现卷放帘， 它结构简单，造价低，卷帘速度较快。缺点是卷帘时电动机、减速器需在棚膜上爬行， 而且有一片保温帘需经常放在棚上作为保护棚膜垫料，影响进光量。1.3.3摆臂式电机 摆臂式电机与减速器纵向相连， 动力输出端与卷帘轴相连，保温帘末端系在卷帘轴上，摆臂式又分为悬臂型和支臂型两种。特点是结构简单，重量轻，工作性能可靠，卷放速度快，价格适中，但安装技术要求高。1.3.4悬臂自走式卷帘机 悬臂自走式卷帘机目前主要使用较多的悬臂自走式卷帘机主要由底座、支臂、摆臂、三相或单相电动机、减速机、卷帘轴及电机座组成， 一般都用单相电动机， 功率1.12.2kW，适合棚长3080m，摆臂、支臂及卷帘轴均为2寸钢管，在棚前中间地面位置安装即可，卷帘机安好后将草帘的下端固定在卷帘轴上， 上端搭在或固定在后墙上，卷帘机即可工作。工作时接通电源，电机动力通过减速机传给卷帘轴，卷帘轴卷起草帘，电机反转即为放帘， 工作中电机和减速机一起在棚面上走动，并且可以在任何位置停止或启动。此种型号的卷帘机结构非常简单，具有以下优点：1）效率高，卷放一次仅需58min。2）减轻劳动强度，接通电源卷帘机自行卷放，不用人工操作。3）延长光照时间，提高作物的质量和产量，促进作物早熟。4）安全性好，可靠性高，保护大棚。5）卷放整齐，棚上材料不受破坏。6）操作方便，可在棚上任意位置停止或启动。7）结构简单，价格较低。1.4卷帘设备的技术标准卷帘设备的技术标准虽然目前卷帘机尚没有明确的技术标准， 但一般应参考下列参数：一、 拉绳式1）一次卷帘长度应小于100m，卷帘重量应小于5000kg。2）卷帘时间应小于15min。3）单帘宽度1.52.0m，铺放时不能有重迭，也不可有过大的缝隙。二、 移动式1） 一次卷帘长度不大于80m， 卷帘重应小于4000kg。2）卷、放帘时间应小于10min。3）卷轴速度应小于1.5r/min。1.5 使用注意事项 使用注意事项卷帘机在使用和维护时要注意以下问题：1）接通电源时防止缺一相电源，如果缺一相电源会烧坏电机。2）主机的传动部分（如减速机、传动轴承等），要每年添加一次润滑油，变速箱要加防冻机油。3）在安装过程中要把卷帘绳子的长度（松紧）调整一样，使卷起的草帘子处在一条直线上。在使用过程中要经常对卷帘绳子进行调整， 如果绳子长短不齐，草帘子松紧不一样，卷起的草帘子会出现曲线状，在使用中会加大卷帘机和卷轴的扭矩力，影响使用效果或损坏卷帘机和卷轴。4）草帘的底部（即和卷帘轴联接的地方）不能过湿，过湿使草帘子过重，卷起困难。在使用中最好用塑料布将草帘盖上， 避免雨雪淋湿草帘， 也便于清雪。5）每年对部件涂一遍防锈漆。1.6自动卷帘机的总体设计方案本设计中的自动卷帘机的示意图如下：图1.1 卷帘机总体的示意图1滚轮支架 2导轨 3减速器 4卷轴如图所示的导轨2是预先固定在温室大棚的上方，滚轮支架1（具体如上图1.2）通过滚轮5在导轨2上面的滑动，电动机与减速器连在一起，通过减速器前方的主轴7与滚轮支架1通过转套6相连。减速器外连的长轴4就可卷绕草帘子通过卷帘机上的电动机的正反转实现草帘子的卷放。电动机由继电器控制，也可由现场按钮操作。电动机接受启动信号后，按照预定的正反转信号，电动机可带动减速器的卷轴正转或反转来实现草帘子的卷放。单片机通过温度传感器、光照传感器对实时情况的采样将信息通过TC35模块发送短信给管理员，管理员再根据季节与时令的需要来决定草帘的收放。2 导轨 5 滚轮 6 转套 7 主轴图1.2 滚轮支582硬件设计主要包括电动机型号的选择、机械传动部分的设计。2.1电动机的选择温室大棚总长为100m，总共需要1个卷帘机来对100个1m长的草帘子进行卷放，也就是卷帘机要卷起100个草帘子，每个草帘子重2.5Kg。每个卷帘机要卷起的重量：F=G=mg=1002.5 Kg10N/Kg=2500N卷帘机的卷帘的速度为V=0.5r/s功率P=FV=2500N0.5r/s=1250W=1.25KW所选电动机的功率P1.25KW查阅相关资料，我选用Y90L-4型号的电动机，其相关的参数如下表2-1：表 2-1 Y90L-4的基本参数型号功率（KW）额定电流In（A）额定转速nn（r/min）效率（%）功率因数（cos）Y90L-41.53.71400790.79图2.1 电动机2.2机械部分的设计2.2.1减速器传动比的计算与分配 减速器的机体是用于支持和固定轴系的零件，是保证传动零件的啮合精度，良好的润滑和密封的重要零件，其重量约占减速器总重量的50%。因此，机体结构对减速器的工作性能，加工工艺，材料消耗，重量及成本等有很大的影响。1 第一根齿轮轴 2第二根轴 3第三根轴 （卷帘机卷轴） 4电动机5大带轮 6第一级大齿轮 7第二级大齿轮 图3-1卷帘机示意图总传动比 所以选用二级直齿齿轮减速器（展开式） （式中，分别为带传动和减速器的传动比）选择=5，则减速器传动比为：分配减速器的传动比为了使两级大齿轮直径相近，根据书上公式 （15.1）得.1，则2.2.2计算传动装置的运动和动力参数为了进行传动件的设计计算，要推算出各轴的转速和转矩。如将传动装置各轴由高到低依次定为轴，轴，轴见图3-1为相邻两轴间的传动比为各轴的输入功率（KW）为各轴的输入转距（N.m）为各轴的转速（ r/min）则可按电动机轴至动作机运动传递路线推算，得到各轴的运动和动力参数。各轴的转速轴 轴 轴 各轴输入功率 轴 KW 轴 KW 轴 KW轴的输出功率则分别为输入功率乘轴承效率0.98。各轴的输入转矩电动机的输入转矩 轴 轴 轴 2.3带的选择2.3.1 带的计算工作情况系数，每天工作时间小于十小时，工作载荷性质为载荷变动小，根据机械设计表11.5，选工作情况系数 =1.1 计算功率 KW选出带的型号 机械设计图11.15中由计算功率和小带轮转速选A型A型查资料得小带轮直径由表11.6，取=100mm 大带轮 大带轮的转速（设=1%）带长 初取中心距 其中h=8 1190a335 .25 取a=650mm带长 mm查机械设计图11.4，A型V带的基准长度L=2500mm中心距 mm 小轮包角 中心距 mm 2.3.2带的根数确定 带的根数 (由表11.10，查得=0.17；由表11.8，查得=1.32)所以Z取2。2.4减速器齿轮的设计及模数的选择2.4.1第一级齿轮传动设计 因传动无严格限制，批量较小，故小齿轮用45号钢，调质处理，平均用260HB,大齿轮轮用40Cr,调质处理，平均取用240HB。计算步骤如下：图表参考机械设计书齿面接触疲劳强度的计算计算步骤如下：齿宽系数 =0.6 软齿面硬度350HB初步计算许用接触应力=0.9 =0.9710=639MPa =0.9 =0.9580=522MPa由表12.16取=90初步计算小齿轮直径取100mm 即第一级齿轮传动中小齿轮的分度圆直径为100mm 初步计算齿宽 =60mm初取齿数20 =320=60 即第一级齿轮传动中的大齿轮的分度圆直径为300mm中心距 mm齿顶圆的直径：（为齿顶高系数取1）小齿轮大齿轮 齿根圆的直径：（为齿隙系数取0.25）小齿轮：大齿轮齿顶高齿根高齿距基圆齿距（法向齿距）齿厚齿槽宽顶隙标准中心距校核同上，经验算计算结果表明接触疲劳强度较为适合，齿轮尺寸无需调整重合度系数。因为这两个的齿轮的齿顶圆直径，主动的为110mm,从动的为310mm，均小于500mm，这样的齿轮通常是锻造或铸造的，锻造的齿轮一般采用圆盘式即腹板式结构，所以一级传动的两个齿轮我选用腹板式。主动轮的齿轮根径很小，还可选用齿轮轴的形2.4.2第二级齿轮传动设计因传动尺寸无严格限制，批量较小，故小齿轮用45号钢，调质处理，硬度240HB-280HB，平均用260HB,大齿轮轮用ZG35SiMn,调质处理，硬度229HB-280HB。平均取用240HB。计算步骤如下：图表参考机械设计书初步计算 N.m齿宽系数 =0.6 软齿面硬度350HB 初步计算许用接触应力=0.9 =0.9710=639MPa =0.9=0.9580=522MPa由表12.16取 =90初步计算小齿轮直径取150mm 即第二级齿轮传动中的小齿轮的分度圆直径为150mm； 初步计算齿宽 =90mm初取齿数25 =325=75 即第二级齿轮传动中的大齿轮的分度圆直径为450mm；中心距 mm齿顶圆的直径：（为齿顶高系数取1）小齿轮大齿轮 齿根圆的直径：（为齿隙系数取0.25）小齿轮：大齿轮齿顶高齿根高齿距基圆齿距（法向齿距）齿厚齿槽宽顶隙标准中心距经过验算计算结果表明接触疲劳强度较为适合，齿轮尺寸无需调整重合度系数。2.5轴径的设计轴径的计算 轴的材料选择45号钢设计公式，轴的最小直径 式中P轴的传动功率，KW n轴的转速，r/min 许用切应力，MPa C与轴材料有关的系数，可由资料得轴 mm 轴的最小直径为30mm因为一级传动中的主动齿轮的根径很小，所以我采用的是齿轮轴下图3.2为轴的总体设计形状图3.2 轴图中三段轴径分别为30mm,40mm,50mm轴 mm 取直径为40mm下图3.3为轴的总体设计形状图3.3 轴图中d1为此轴的最小直径为40mm,d2=d1+7mm=47mm,d3=d2+3mm=50mm,d4=d2=47mm,d5=d1=40mm.轴 所以轴的最小直径取40mm下图3.4为轴的总体设计形状（与轴相同）图3.4 轴 图中d1为此轴的最小直径为40mm,d2=d1+25mm=65mm,d3=d2+5mm=70mm,d4=d2=65mm,d5=d1=40mm.2.6 滚轮支架的设计因为卷帘机的运行的路线是完全根据轨道，卷帘机的主轴要必须要固定在轨道上，并且可以进行相对移动。在这里我选用滚轮支架这一结构，因为主轴与导轨直接必然会产生一些浮动，所以我选用类似三角形的支架，最底的三角边可以提供给主轴足够的浮动空间。如下图3.6由于卷帘机是放置在温室大棚的上面的，而温室大棚是有一定的弧度的，因此卷帘机与轨道和支架会产生一个偏角，并且这个偏角会随着卷帘机的移动而变化着。所以我选择转套与卷帘机主轴焊在一起，这样主轴与支架的偏角可随意波动。其剖面图如下图3.7 图3.6三角形支架图3.7转套6与主轴7和三角支架底边的连接3控制系统设计3.1控制系统的总体设计本设计的功能是由手机通过单片机的控制部分来对卷帘机进行控制收放。具体过程：短信收发模块TC35上的RS-232接口通过MAX232与单片机连接，单片机本身需要外扩数据存储器RAM，模数转换器通过地址锁存器与单片机连接，由于有多个传感器，所以还需要一个多路开关与模数转换器相连。自动卷帘机的整个硬件电路设计的总体结构框图可由下图4-1表示TC35MAX232单片机P80C51RA显示器锁存器74LS373RAM27256A/D多路开关温度传感器光照传感器图4.1 自动卷帘机控制部分的总体结构框图3.2 P80C51RA+4N的简介 P80C51RA+4N是一款80C51微控制器，包含16/32/64kB Flash和1024字节的数据RAM。它的典型特性是它的X2方式选项。利用该特性，设计工程师可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰(EMI)。下图4.2所示为P80C51RA+4N的引脚及其电路图，此芯片由ATMEL公司所制造，可重复烧录1000次以上，8051单片机必须有供应电压，电源引脚为VCC、GND。工作电压在4V6.6V之间，建议使用+5V电源供应器，保持芯片的工作寿命。图4.2 P80C51RA+4N单片机的外部引脚图40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。3.2.1电源引脚（1） VCC - 芯片电源，接+5V；（2） VSS - 接地端；注：用万用表测试单片机引脚电压一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这只是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电压还是保持在0v或者5v的。3.2.2时钟引脚XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。3.2.3控制引脚控制线共有4根(1)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。(2) PSEN:外ROM读选通信号。(3) RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。(4) EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。3.2.4 I/O口引脚8051共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。 (1) P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。（2）P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。（3）P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL负载。（4）P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。3.3 P80C51RA+4N最小系统的设计因为P80C51RA+4N内部有存储器，芯片本身就是一个最小系统，在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用这种方案，用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。用P80C51RA+4N单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。P80C51RA+4N的最小系统图如下图4.3。图4.3P80C51RA+4N系统3.3.1 时钟电路P80C51RA+4N的整个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。P80C51RA+4N内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，下图4.4为其内部时钟方式的振荡器电路。图4.4 时钟电路电路中的电容C5和C4典型值通常选择为30pF左右。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的震荡频率范围通常是在1.2MHz12 MHz之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就越快。3.3.2复位电路因为自动卷帘机要随时检测管理员是否发来命令短信，所以单片机要随时保持一个初始化的状态，这就必须使用复位电路。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本系统采用的是按钮复位方式，如下图4.5。图4.5 按钮复位电路3.4 无线通信模块的设计3.4.1 GSM模块的概述由本设计的功能要求，单片机要接受管理员的短信然后继续下面的动作，所以单片机的最小系统必须外扩一个无线短信收发模块。随着全球移动通信系统( GSM) 移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈,新技术和新业务的开发和应用就已经提到十分重要的位置。短消息服务业务作为GSM 网络的一项基本业务,已经得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视,基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。本设计正是利用单片机对GSM 调制解调器TC35 模块进行控制并实现了单片机与管理员之间的无线短消息的收发。3.4.2 TC35的控制简介TC35 GSM 调制解调器TC35 是 Siemeils 公司推出的新-代无线通信GSM 模块。自带RS232 通讯接口,可以方便地与单片机联机通讯。可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的与管理员进行无线短信通信。TC35 模块的工作电压为3.35.5V,可以工作在900MHz 和1800MHz 两个频段,所在频段功耗分别为2w(900M)和1w(1800M)。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。通过 ZIF连接器及50天线连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。GSM短信收发的主要功能是收发短信，当温度低于设定的值时自动给管理人员发送短信，给以报警提示，同时接受管理人员回复的短信，通过单片机判断短信内容，控制卷帘机的升降。3.4.3 TC35引脚极其用法简介TC35有40个引脚，114引脚为电源部分，其中l5引脚为电源电压输入端VBATT+610引脚为电源地GND，ll12引脚为充电端，13引脚为对外输出电压(供外部电路使用)，2429引脚为SIM卡连接端；3340引脚为语音接口用来接电话手柄。15、30、31和32引脚为控制部分，15引脚为启动线IGT(Ignition)。当TC35通电后必须给IGT一个大于100 mV的低电平，模块才能启动。30引脚为RTC BACK up；31引脚为掉电控制；32引脚为SYNC，1623引脚为数据输入输出端。启动电路由漏极开路三极管控制。在这里，着重介绍下SYNC引脚，因为该引脚可以很好的反映TC35的工作状态。SYNC引脚可以用来输出一个同步信号（synchronizationsignal），也可以在应用时来控制一个LED灯的输出状态。SYNC端通过一个三极管或门电路来控制LED。一个简单的电路接法是：SYNC端通过一电阻接到NPN三极管（如9013）的基极，射极直接接地，集电极通过一个接限流电阻接到LED的负端，LED的正端接VCC。LED的工作模式完全类同于同步信号，显示的是TC35的工作状态：【1】LED灯灭，表示TC35电源关闭，处于休眠、报警或单纯的充电模式【2】600ms亮/600ms灭，表示未插入SIM卡，或者个人身份未登记/已注销，或者网络正在搜寻中，或者正在进行管理人员身份鉴定，或者网络注册正在进行中【3】75ms亮/3s灭，表示网络注册成功（控制通道和管理人员交换信息完成），无来电【4】LED灯亮，依据不同的呼叫类型：声音呼叫，数据呼叫，在建立或者完毕时的状态。3.4.4 TC35的联机接口RS232本设计中所选用的GSM模块TC35自带RS-232接口。RC-232是异步串行通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的串行接口标准，主要包括了有关串行数据传输的电气和机械方面的规定。下图4.6为TC35的RS232为“D”型9针插头的引脚定义1、数据载体检测 2、接受数据 3、发送数据 4、数据终端就绪 5、信号地 6、数据通信设备准备好 7、请求发送 8、清除发送 9、振铃指示图4.6（1）电气特性RS-232C上传送的数字量采用负逻辑，且与地对称。逻辑1(MARK)=-3V-15V 逻辑0(SPACE)=+3+15V 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上： 信号有效（接通，ON状态，正电压）+3V+15V 信号无效（断开，OFF状态，负电压)=-3V-15V （2）电平转换由于本系统所选用的单片机P80C51RA+4N是TTL电平，它与和RS-232C电平互不兼容，所以当两者对接时，必须进行电平转换。RS-232C与TTL电平转换最常用的芯片是MC1488、MC1489和MAX232等。虽然各厂商的芯片不同，但原理相似。由于本设计的功能要求我采用的是MAX232N。它是RS-232C双工发送器/接收器接口电路芯片，下图4.7为它的外部引脚图。图4.7 MAX232N的引脚由于芯片内部有自升压的电平倍增电路，将+5V转换成-10+10V,满足RS-232C标准对逻辑1和逻辑0的电平要求。工作时仅需单一的+5V电源。其片内有2个发送器，2个接收器，有TTL信号输入/RS-232C输出的功能，也有RS-232C输入/TTL输出的功能。该芯片与TTL/CMOS电平兼容，使用比较方便。下图4.8为本设计中RS-232C与MAX232N的连接图。图4.8 RS-232C与MAX232N的接口电路3.4.5 矩阵键盘模块矩阵键盘主要用来对最低温度和管理人员手机号码的设置，可以随时改变数值，更符合实际生产的要求。3.4.6 44矩阵键盘的工作原理矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是44个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。3.4.7 键盘电路设计矩阵键盘引脚接法及其电路图3-4-2：下面介绍一下键盘扫描的过程。先从P2口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P2口的低四位读取键盘状态。再从P2口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P2口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法我们得到16个键的特征编码。举例说明如何得到按键的特征编码：假设“1”键被按下，找其按键的特征编码。从P2口的高四位输出低电平，即P2.4P2.7为输出口。低四位输出高电平，即P2.0P2.3为输入口。读P2口的低四位状态为“ 1101”，其值为“0DH”。再从P2口的高四位输出高电平，即P2.4P2.7为输入口。低四位输出低电平，即P2.0P2.3为输出口，读P2口的高四位状态为“1110”，其值为“E0H”。将两次读出的P2口状态值进行逻辑或运算就得到其按键的特征编码为“EDH”。用同样的方法可以得到其它15个按键的特征编码。3.5存储器的扩展及其接口电路3.5.1 ROM芯片的选用根据自动卷帘机的功能要求，P80C51RA+4N本身的ROM显然不能满足要求，所以必须要外扩ROM单元。由于要根据本设计的具体需要将本设计的具体程序写入，EPROM是一种用电信号编程，用紫外线擦除的只读存储器芯片，所以我选用EPROM。外扩的EPROM在正常使用中只能读出，不能写入，故EPROM芯片没有写入控制引脚，只有读出引脚，记为,该引脚与单片机的相连。由于2764与27128引脚的差别仅在引脚26上，2764的引脚26是空引脚，27128的26引脚是地址线A13，因此在设计外扩存储器电路时，应选用27128芯片设计电路。本设计中我选择的外扩存储器的具体型号是16KB的M27128A2F1。M27128A2F1芯片的引脚图如下图4.9。其引脚说明如下：A0A13：地址线引脚。地址线引脚的数目由芯片的存储容量来定，14根地址线可寻址16KB的范围。Q7Q0: 数据线引脚。CE: 片选输入端，低电平有效。PROG: 编程时，加编程脉冲的输入端。VPP: 编程时，编程电压（+12V或+25V）输入端。VCC: +5V,芯片的工作电压输入端。G