毕业设计（论文）-基于GSM模块多路温度监测报警系统.doc

沈阳理工大学学士学位论文 I 摘摘 要要 随着手机应用资费的不断下调及其通信网络的不断完善，应用手机短消息来进行 远程监控具有很广阔的应用前景，使用 GSM 短消息来传递数据信息也是近年来遥测遥 控发展领域中的热门技术。某些测温设备位于环境恶劣的野外或是在无人值守的条件 下，如果在数据的传输部分加装 GSM 短消息模块，便可利用 GSM 公用网组成的传输 系统，使系统的可靠性、抗干扰性、稳定性、可维护性、功能扩展性等方面具有明显 的优越性，并可降低运营成本和劳动强度。温度是工业生产过程中测控的重要参数之 一，在国防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要 的作用。 本系统详细叙述了基于 GSM 模块多路温度监测报警系统的设计与实现过程。通过 GSM 网络对设备环境温度实行远程无线监测，实现工业设备运行的智能化，现代化。 系统主要采用 STC89C52 单片机作为计算机核心，通信方式使用 GSM 模块 TC35i，利 用 DALLAS 公司生产的 1Wire 线的智能温度传感器 DS18B20 作为测量温度器件。 主要实现了采集各地点的温度值，显示器监测各地点的温度值，设置温度报警值，蜂 鸣器报警，实时向监测用户发送各地点的温度短信。 本系统是以 C51 程序设计语言为工具，编写系统程序代码。以 keil 编程环境为平 台，通过整体的系统设计，可以在实验室条件下运行。 关键词：温度；GSM；短消息 沈阳理工大学学士学位论文 II Abstract With the mobile phone application rates continue to drop and the communication networks of continuous improvement, application of mobile phone Short Message for remote monitoring and has broad prospects of application, the use of GSM Short Message to transmit data information is a hot technology in the field of remote sensing and control development in recent years. Some measurement equipment in the wild or in the unattended condition, if the GSM Short Message module is installed in the transmission of data, can transfer system based on GSM public network, and the system reliability, anti-jamming, stability, maintainability, function etc advantages Obviously, and can reduce the operation cost and labor intensity. Temperature is one of the important parameters for measurement and control in the industrial production process, in the national defense, military, scientific experiments and industrial and agricultural production process, which plays an important role in measurement and control of temperature. The system described in detail the system design and the realization process of GSM module based on the multi channel temperature monitoring alarm. Implementation of remote wireless monitoring of the ambient temperature device through the GSM network, the realization of intelligent industrial equipment operation, modernization. System using STC89C52 microcontroller as the core of computer, communication mode using the GSM module of TC35i, intelligent temperature sensor DS18B20 produced by DALLAS company 1Wire line as the temperature measuring device. Mainly realize the acquisition of the temperature monitoring, display the temperature value, set temperature alarm value, the buzzer alarm, real-time monitoring of temperature messages to users at the site. This system is based on C51 programming language as a tool, system program is written in code. In keil programming environment for the platform, through the overall system design, can be run under laboratory conditions. KEY WORDS: Temperature；GSM；Messaging 沈阳理工大学学士学位论文 III 目 录 1 绪论.1 1.1 课题背景及现实意义.1 1.2 GSM 系统简介.2 1.3 通信介绍.4 1.3.1 通信概念.4 1.3.2 通信的目的和过程.4 1.3.3 通信的种类.5 1.3.4 通信信道.5 1.3.5 串口通信基本概念.5 1.4 课题研究内容.6 2 系统整体设计.7 2.1 系统方案设计.7 2.2 处理器模块.7 2.3 通信模块.9 2.4 温度传感器模块.10 3 系统硬件模块设计.12 3.1 主控制模块设计.12 3.1.1 电源电路设计.15 3.1.2 时钟电路设计.15 3.1.3 复位电路电路设计.15 3.1.4 键盘电路设计.16 3.1.5 串口电平转换电路设计.16 3.2 温度传感器模块设计.17 3.2.1 DS18B20 工作原理.17 3.2.2 DS18B20 的主要特性.20 3.2.3 DS18B20 的硬件接口设计.21 3.3 显示模块设计.21 3.3.1 12864 基本指令介绍.22 沈阳理工大学学士学位论文 IV 3.3.2 12864 引脚介绍.22 3.3.3 12864 硬件接口设计.23 3.4 报警模块设计.24 3.5 GSM 模块设计.25 3.5.1 TC35i 介绍.25 3.5.2 电源电路设计.28 3.5.3 启动与关机电路设计.28 3.5.4 数据通信电路设计.28 3.5.5 SIM 卡电路设计 .29 3.5.6 指示灯电路设计.29 3.5.7 SIM 卡电路设计 .30 4 系统软件程序设计.31 4.1 主程序设计.31 4.2 定时器和串口初始化程序设计.32 4.2.1 TMOD 配置.32 4.2.2 串行口的控制与状态寄存器.32 4.2.3 初始化程序程序设计.33 4.3 温度传感器程序设计.34 4.3.1 复位程序设计.35 4.3.2 写数据程序设计.35 4.3.3 读数据程序设计.37 4.3.4 读取温度程序设计.38 4.3.5 温度转换程序设计.39 4.3.6 搜索 ROM 程序设计 .39 4.4 显示程序设计.41 4.4.1 12864 初始化程序设计.42 4.4.1 12864 地址转换程序设计.42 4.4.1 12864 输出字符串程序设计.43 4.5 报警程序设计.43 4.6 短信程序设计.44 沈阳理工大学学士学位论文 V 4.6.1 AT 命令介绍.44 4.6.2 发短信程序设计.44 4.7 中断程序设计.46 5 编译与调试.47 5.1 编程 Keil 开发软件介绍.47 5.2 Protel99SE 内容介绍.48 5.3 TC35i 模块调试软件.49 5.4 STC 芯片烧写软件.50 5.5 调试及运行结果.50 结 论.54 致 谢.55 参 考 文 献.56 附 录 A 英文原文.57 附 录 B 汉语翻译.63 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪论 随着现代电子技术和网络技术的迅猛发展，温度监测在实际应用中的作用越来越 重要。本文涉及到一种基于 GSM 网络技术的系统温度报警的新技术。目前，随着手机 性能增强、价格下降、通信费用降低，移动通信用户比较普及，如依托移动通信网的 SMS(短消息业务)建设智能监控温度报警系统将有很大的发展潜力和实用价值。 SMS(短消息业务)是 GSM 网的一项增值业务，他通过控制信道传输数据，支持点 到点消息业务及消息广播业务等多种方式。通过 SMS 传输数据具有以下优点： （1）信道建立时间短，数据传输速率快； （2）不占用话音信道，通话时不影响数据传输； （3）由于不占用话音通道，通信费用低廉； （4）通过短消息广播业务，可提供点对多点的数据传送； （5）系统扩容方便； 另一方面，SMS 还受信息长度的限制，点点信息长度为 140B，消息广播业务信息 长度为 82B，这就决定了传输的数据不能太长。依托移动通信网的 SMS（短消息业务) 建设智能温度报警系统由于发送到用户手机或监控中心的是警情信息，内容较少，因 此在充分利用 SMS 传输数据优点的基础上 SMS 传输信息长度也完全能满足要求1。 使用 GSM 网建设温度报警系统，以其特有的防火、防潮、防化学物质腐蚀、防剪、 防破坏，无需布线、工程简单、费用低廉、易于管理、易维护和移动性好成为理想的 温度报警系统。实现对系统内部状况的实时远程监测监控， 从而可以实现对系统温度 的实时检测和远程智能控制等功能。 1.1 课题背景及现实意义 近年来无线通信成为热门，包括移动电话、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通 信技术得到了迅速的发展和广泛的应用。GSM(Global system for Mobile Communication)全 球移动通信系统是当前发展最成熟、国内覆盖最广、系统可靠性最高、话机持有量最 大的数字移动通信系统。它是在蜂窝系统的基础上发展而成的，属于第二代数字移动 通信系统。它是目前基于时分多址技术的移动通信中比较成熟、完善且应用广泛的一 种系统。 GSM 模块是继 GSM 手机外又一种非常重要的 GSM 移动通信系统的终端设备。它 沈阳理工大学学士学位论文 2 是传统调制解调器与 GSM 无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。它的出现给 GSM 的发展注入了新的活力，改变了传统的以话音为主的通信手段，打开了 GSM 网 络数据通信及其应用的大门。由于调制解调器必须通过专用通信网进行通信，因而受 地域、线路等影响，在应用上有很大的局限性。而 GSM 模块则无此限制，所以基于这 种模块，以 GSM 网络作为无线传输网络，可以开发出各种前景极其乐观的各类应用2。 GSM 在远程监控及通信中的应用具有多个突出的优点：1、GSM 技术已经发展得 相当的成熟，有着现成的标准和协议，只需掌握即可开发出具有实际应用价值的产品。 市场上基于 GSM 技术的产品及工业半成品也很多，可以方便的移植应用到自己的开发 产品中，对于缩短研发周期、缩减研发成本有重大作用；2、经过将近 20 年的发展， 国内 GSM 二代移动通信基础设施网络建设得已经比较完善，GSM 基站遍布到每个角 落，这对于使用 GSM 设备及技术工作的各种系统提供了极大的便利；3、可以利用 GSM 网络实现超远程的监控管理，将数百个传感器监控系统分散到数百公里之遥进行 检测变得可以轻松实现，相比使用其他的远程通信技术，它有着得天独厚的优势3。 温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人 工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操 作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换 性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而 引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避 免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。数字化温度传 感器解决了温度数字化的问题，且精度高，能自动消除部分干扰。所以以 DS18B20 为 代表的数字化温度传感器得到了前所未有的发展空间。传统设计采用单片机对温度进 行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生 活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。 本选题基于 GSM 模块多路温度监测报警系统实际上就是一个基于 GSM 网络应用 的远程监控系统，通过这个系统的实际设计及测试，可以深入了解 GSM 具体硬件设备 的工作原理，以及使用 GSM 技术实现远程监控的可行性。 1.2 GSM 系统简介 GSM 全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系 沈阳理工大学学士学位论文 3 统，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是由电信运营商和制造商组成的标准化 委员会设计出来的，它在蜂窝系统的基础上发展而成，属于第二代数字移动通信系统。 其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机 就能行遍全球。众所周知的 GSM，是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过 200 个国家和地区超过 10 亿人正在使用 GSM 电话。GSM 较之它以前的标准最大的不 同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此 GSM 被看作是第二代(2G)移动电话系统。 GSM 系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通 话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。其技术最成 熟及先进，并且具有可开通的移动通信业务种类多、手机接续速度快、通话质量好、 安全保密性能强、抗干扰能力强、网络覆盖面广、可国际自动漫游等诸多优点。 GSM 系统是一种典型的开放式结构，作为一种面向未来的通信系统，它具有下列 主要特点： （1）GSM 系统由几个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细的标准化 接口方案，保证任何厂商提供的 GSM 系统设备可以互连。同时，GSM 系统与各种公 用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使 GSM 系统可以与各种公用通信网实现 互连互通。 （2）GSM 系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、补 充业务与 ISDN 相关的各种业务。 （3）GSM 系统采用 FDMA/TDMA 及跳频的复用方式，频率重复利用率较高，同 时它具有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。 近年来，随着移动通信技术的发展，根据目前 GSM 网络技术成熟，覆盖范围广的 特点，合理有效的利用 GSM 网络资源，可以避免组建专用数据传输网络的成本费用高， 通讯距离短，通讯效果差等诸多难题。GSM 网络在计算机应用领域中迅速发展的一种 系统结构形式，它是由通用计算机(PC 机)与 GSM 网络的短消息相连而成，GSM 网络 及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采 集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务。混合型计算机数 据采集系统有以下特点： （1）系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。 （2）主机可远离现场而构成各种局域网络系统。 沈阳理工大学学士学位论文 4 （3）系统采集端的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原 则，因此系统的软硬件应用/配置比接近于 1，具有最佳的性价比，系统的软件一般都 有应用程序。 （4）系统采集端的可靠性好、使用方便。应用程序在 ROM 中运行不会因外界的 干扰而破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。 1.3 通信介绍 1.3.1 通信概念 不同的独立系统利用线路互相交换数据便是通信，而构成整个通信的线路称为网 络。交换信息的系统若为计算机系统(当然也可以是其他系统，如单片机系统)，则称为 计算机网络通信。通信的目的不外乎数据的交换，数据必须经过交换才能由发送端到 达接收端，发送端所使用的方法就是将数据利用一定的格式(这个格式称为协议)通过线 路发送出去，接收端则根据协议将数据收集起来，分析、处理并应用4。 1.3.2 通信的目的和过程 通信的主要目的是将数据从一端发送到另一端，以实现数据的交换。从人与人之 间的对话，计算机与设备间(很多是基于单片机的)的数据交换，计算机与计算机间的数 据发送，乃至广播或卫星数据发送都属于通信的范畴。一个完整的通信系统包括发送 端、接收端、转换数据的借口及发送数据的实际信道(Channel)或媒体(Medium)。一般 情况下，发送和接收的节点称为 DTE(DatTerminal Equipment，数据终端设备)，例如个 人计算机、工作站或计算机系统均属于这种设备。数据在到达正确目的地之前，可能 需要经过一系列中间节点，这些中间节点负责数据的转换工作，以送达目的地，这些 中间节点称为 DSE(DatSwitching Equipment，数据交换设备)，如电信局的交换机，移 动通信的基站等。终端设备发送数据时，必须先将数据转换成电气信号，以便在线路 上传递，而负责数据与电气信号转换的设备称为 DCE(Data Communication Equipment，数据通信设备)，如调制解调器(Modem)。因此，计算机等 DTE 设备通信 时，必须先经过调制解调器将外界的电气信号进行转换，才能送上电话路线；同样， 信号由外界进入计算机时，也是先经过调制解调器将外界的电气信号进行转换，数据 才会进入计算机。DTE 与 DCE 间的数据传输路线通常使用 RS-232 串口通信，而 DCE 与 DSE 间的媒体则包括了双绞线、同轴电缆、光纤或无线电等5。 沈阳理工大学学士学位论文 5 通过上述的机制，设备之间、计算机与计算机之间或是计算机与设备之间便可以 互相发送数据。 1.3.3 通信的种类 计算机与外界的信息交换称为通信。基本的通信方式有并行通信和串口通信两种。 并行通信是指一条信息的各位数据被同时传送的通信方式。并行通信的特点是： 各数据位同时传送，传送速度快、效率高，但有多少数据位就需要多少根数据线，因 此传送成本高，且只适用于近距离(相距数米)的通信。 串行通信是指一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通信方式。串行通信的特 点是：数据位传送，按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完成，成本低但传送速 度慢。串行通信的距离可以从几米到几千米。 1.3.4 通信信道 信道是通信系统必不可少的组成部分。信道按传输媒介分为有线信道和无线信道。 无线信道中有中、长地面波传输，短波电离层反射传播，超短波和微波直射传播以及 各种散射传播。 1.3.5 串口通信基本概念 常见的串行通信有两种，一种是 RS-232 串行通信，另一种是为 RS-485 串行通信。 当然还有今年来比较盛行的 USB 和 IEEE-1394，它们也属于串口通信的扩展。在本设 计中用到的是 RS-232 串口通信。 串口通信端口在系统控制的范畴中一直占据着极其重要的地位，它不仅没有因为 时代的进步而遭淘汰，反而在规格上越来越完善，应用也越来越广泛。现在，串口通 信（RS-232）是计算机的标准配置，最为常见的用途是连接调制解调器传输数据。当 然，它的重要性还不止如此。以下将对通信端口进行深入地介绍。 RS-232 串口通信端口是每台计算机上的必要配置，通常有 COM1 与 COM2 两个 端口，但是现在很多计算机。新一代的计算机均以 9 引脚的接头接出所有的 RS-232 通 信端口。计算机上的 RS-232 通信接口均是公头，千万不要与其他设备弄混淆了。通常 与计算机连接的设备，最简单的通信接口就是 RS-232 串口通信端口，不仅实际制作简 沈阳理工大学学士学位论文 6 单，而且价格也非常便宜。在市面可见的调制解调器等都提供 RS-232 串行通信端口作 为与计算机通信的接口。 1.4 课题研究内容 此次设计的多路温度监测报警系统主要包括以下几大模块电路，主控制模块，温 度传感器模块，显示模块，报警模块，GSM 模块。各个模块电路的组合连接，最终实 现电路的设计。经过软件的设计与分析，最终实现其功能。 主要功能描述有：采集各地点的温度值，显示器监测各地点的温度值，设置温度 报警值，蜂鸣器报警，实时向监测用户发送各地点的温度短信。 沈阳理工大学学士学位论文 7 2 系统整体设计 2.1 系统方案设计 本文设计了一种通过 GSM 短消息的收发实现对系统设备进行监测，基于单片机控 制，利用支持短消息业务的 GSM 引擎模块发送温度信息。对系统环境状况监测和数据 传输的 GSM 短消息监测系统。 系统的总体控制过程如下：利用温度传感器采集外界温度值，通过A/D转换将温度 模拟信号转换为数字信号，将所测温度传入单片机中，对单片机进行编程，在显示器 上对所测量的温度值进行显示，当超过设置的温度值时，进行报警，同时设定一个固 定时间，当到时间时给监测用户发送温度短信。系统总体原理图如图2.1所示。 图 2.1 系统总体原理图 2.2 处理器模块 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算数运 算、逻辑运算、数据传送、中断处理等）的微处理器（CPU）、随机数据存储器 （RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O 口）等电路集成到单块芯片上， 构成一个最小而完善的计算机系统。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看， 它已具有了微机系统的含义。由于单片机从功能和形态来说都是为满足控制领域应用 的要求，并且随着单片机的发展，在其中着力扩展了各种控制功能，已突破了微型计 算机(Microcomputer)的传统内容，所以更准确的反映单片机本质的叫法应是微控制器6。 按内部数据通道的宽度，单片机可分为 4 位、8 位、16 位及 32 位等。单片机有两 种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序指令存储器和数据存 DS18B20 温度传感器 LCD 显示器 51 单片机 蜂鸣器 TC35i 通信模块 电源电路复位电路 沈阳理工大学学士学位论文 8 储器合并在一起的存储器结构，称为普林斯顿(Princeton)结构，也称冯诺伊曼结构； 另一种是将程序指令存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛 (Harvard)结构。考虑到单片机“面向控制”实际应用的特点，一般需要较大的程序存储 器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。 单片机是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般 应从如下几个方面考虑是否符合控制系统的要求： （1）字长； （2）寻址范围和寻址方式； （3）指令种类和数量； （4）内部寄存器的种类和数量； （5）单片机的速度； （6）中断处理能力。 除上述六个方面外，单片机的外围电路的配套、器件的来源、软件的支持等，也 是设计人员必须考虑的因素。在工业控制系统中，对常规外围设备一般要求不高。在 多数情况下，只要考虑显示和键盘及串行通信口即可。由于单片机具有这些特点，使 它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广 泛地应用。用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、 柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于使用， 同时降低了成本，提高了性价比。当前用 COMS 工艺制成的各种单片机，由于功耗低， 使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单 片机的应用范围，也进一步促进了单片机技术的发展。 中央微处理器 STC89C52：STC89C52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机， 片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存 储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 STC89C52 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储 单元，功能强大的微型计算机的 STC89C52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价 比的解决方案。STC89C52 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器， 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个 中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口， 看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。 沈阳理工大学学士学位论文 9 此外，STC89C52 设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式 下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模 式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同 时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式。STC89C52 单片机综合了微 型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性， 所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的 STC89C52 单片机作为整个系统的控制 器。 2.3 通信模块 GSM 模块是继 GSM 手机外又一种非常重要的 GSM 移动通信系统的终端设备。它 是传统调制解调器与 GSM 无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。它的出现给 GSM 的发展注入了新的活力，改变了传统的以话音为主的通信手段，打开了 GSM 网 络数据通信及其应用的大门。温度监测仪使用中兴通讯推出的 GSM 无线双频调制解调 器 MZ28，它主要为语音传输、短消息发送和数据业务提供无线接口7。 GSM 模块集成了完整的 TC35i 电路和接口。图为 GSM 模块的功能框图，主要的 组成部分有:GSM 基带处理器(包括模拟基带和数字基带)、GSM 射频电路、存储器、 SIM 卡、电源和功率控制电路、系统连接器。通过 SMB 插座可外接天线，通过系统连 接器可连接外部电源、外接 SIM 卡、串行接口、音频接口。GSM 模块的功能框图如图 2.2 所示。 电源与功率 控制器 GSM 处理器 存储器 SIM 卡 射频电路 外接电源 系统