基于GTM900C的家用电器监控毕业论文.doc

编号： 毕业设计说明书题 目： 基于GTM900C的家用 电器监控 学 院： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 农继仟 学 号： 0801130517 指导老师： 赵学军 职 称： 高级工程师 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2012 年 5 月 20 日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘 要GSM(Global System For Mobile Communication)就是众所周知的全球移动通信系统，它是目前应用最广泛的移动电话标准，在移动通信领域中是比较成熟、完善的一种系统。它的主要优势在于用户可以从更高的数字语音质量和低费用的短消息服务SMS（Short Message Service）之间做出选择。短消息服务作为GSM网络的基本服务之一，受到越来越多系统营运商和开发商的重视，各种基于短消息服务的应用也随之蓬勃发展起来。例如，手机的普及，特别是流行的手机短信，使得利用GSM网络的短消息服务实现远程家用电器控制成为可能。本文主要以华为GTM900C模块为核心，GSM网络为信息传输平台，设计一个通过手机短信进行远程家用电器监控系统。本次设计的任务是实现一个家用电器监控系统，用户可以通过手机发送短信对家用电器（如空调、电热水器、电饭锅等）进行远程ON/OFF控制。它由GTM900C模块、STC单片机、继电器、温湿度传感器AM2303组成。可以远程检测温度、湿度等室内环境参数，也可以远程控制多个家用电器的电源。硬件电路设计部分将对GTM900C模块、STC单片机、液晶显示模块、温湿度传感器及外围电路进行详细的说明。短消息遵循GSM系统标准的AT指令集，这里着重介绍与本课题相关的AT指令，同时采用了SMS中的PDU模式。软件采用模块化方法，通过C语言来实现，具体将在软件设计部分进行描述。本系统具有体积小、可靠性强、成本低等特点，可以应用于现代智能家居中，方便、快捷，家居安全性高。关键字：GSM ；SMS；GTM900C模块；单片机；家用电器；远程控制AbstractGSM (Global System For Mobile Communication) is the global system for mobile communications. As everyone knows, it is the most widely used mobile phone standards and it will be a system which is more mature and perfect in the future in the field of mobile communications. Its main advantages are users can make a choice between higher digital voice quality and low cost of the short message service of the SMS (Short Message Service). Short message service is used to be one of the basic services of GSM network. More and more system operators and developers are paying attention to this application. All kinds of methods which based on the short message service applications are also vigorous developed. For example, the popularity of mobile phone, especially the popularity of mobile phone message, which makes use of GSM network short message service to realize the remote control of household appliances becoming possible. This article mainly uses Huawei GTM900C module as the core, with GSM network as the information transmission platform, design a remote household monitoring system through mobile phone short message.The task of this design is to achieve a household electrical appliances control system, users can use mobile phone to send text messages to control household appliances, such as air-conditioner, electric water heaters, rice cookers and so on. It makes of GTM900C module, STC single chip microcomputer, relay, AM2303 temperature and humidity sensor. It can be remotely detected temperature, humidity and other environmental parameter. Also it can remotely turn on or turn off multiple household appliances. The GTM900C module, STC single chip microcomputer, liquid crystal display module, temperature and humidity sensor and a peripheral circuit will be described in detail in design of hardware circuit.Short message service follows the AT command set by GSM standard. This paper introduces the subjects which relate to the AT instruction. It uses the PDU mode at the same time. Software realization uses modular methods, which using C language to achieve, are specifically described in software design.This system has advantages of small volume, high reliability and low cost. It can be applied to modern intelligent home furnishing. It is convenient, fast and with high security.Key words：GSM;SMS;GTM900Cmodule; single chip microcomputer; household appliances; remote control目 录引言11 远程家电控制的概述11.1 远程家电控制的前景及重要性11.2 远程家电控制的发展现状21.3 系统设计内容与要求21.3.1设计内容21.3.2设计要求22 系统设计的总体结构32.1 系统的结构框图及原理32.1.1系统的结构框图32.1.2系统的工作原理33 硬件电路的设计43.1 单片机控制模块43.1.1STC12C5A32S2简介43.1.2STC12C5A32S2电路图53.2 GTM900C无线模块63.2.1GTM900C的简介63.2.2各接口功能特性73.2.3AT命令的简介83.3 LCD液晶显示模块93.3.1LCD12864简介93.3.2LCD显示原理93.4 MAX232串口下载电路113.5 按键电路133.6 电源电路143.7 执行机构153.8 温湿度传感器164 SMS的简介174.1 GSM系统174.2 短消息业务174.2.1短消息业务的简介174.2.2短消息的分类184.2.3短消息的体系结构184.2.4短消息的编码方式194.3 相关的AT指令205 软件的设计与调试225.1 软件的简介225.1.1编译软件225.1.2下载软件225.2 程序设计235.2.1主程序流程图235.2.2子程序流程图及程序255.3 系统调试345.3.1硬件调试345.3.2软件调试345.3.3综合调试结果356 结论36谢 辞38参考文献39附 录140附 录242 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 44 页 共 42 页引言近年来，短消息服务(SMS)作为GSM的一种增值业务，随着GSM网络覆盖范围不断扩大，得到了迅速发展。它具有传输速度快，费用低，不占用语音通信通道等优点，在远程智能控制系统中得到了广泛应用。通过手机短信远程控制家用电器系统克服了电话远程控制家电系统电话费用高，控制时间长等缺点，摆脱了电话线的束缚，降低了使用成本，具有良好的可扩展性和实用价值。目前已经受到越来越多的系统营运商和开发商的重视，各种以GSM网络为无限传输网络，基于短消息服务的应用在迅速发展起来。如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。利用GSM短消息服务进行无线通信具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据的传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。通信技术在不断发展，手机用户也在不断增多，手机作为一种贴身的物品，可开发的潜力是无限的。因此，通过手机短信远程控制家电成为近期家电行业的主流，国内外各大家电行业也会相继推出相关产品。1 远程家电控制的概述1.1 远程家电控制的前景及重要性随着人们生活水平的日益提高及现代信息技术的不断发展，人们对自身的居住环境以及生活的舒适性、安全性，有了更高的要求。家居环境的舒适、安全涉及到很多方面，我们可以归纳为：家庭内抄表、对讲及家庭防盗报警、家居远程监控、室内环境参数监测、远程家电控制等。对于通常所说的家居智能化建设，就是通过现有的技术手段，实现以上的各种实际需求。目前，随着数字化技术的发展，模拟的电、水表基本实现了数字化，只要解决信息采集的问题，就可以实现远程抄表；对讲及家庭防盗报警在很多小区中都可以看到；至于家居远程监控和室内环境监测，在一些有条件的用户家中可以见到；但真正影响到生活舒适性的变革是远程家电控制。二十一世纪是高速变革的信息时代，计算机技术、通信技术和互联网技术的发展推动了人类文明的发展，给人们的生活带来了前所未有的变化。同时随着现代家庭中家用电器设备的增多和通讯线路的发展，利用现有的通讯设备和线路对家用电器进行远程监控，已经成为未来家居发展的趋势。智能化家居系统的出现使得人们可以通过手机或电脑在任何时候、任何地点对家中的各种电器（空调、电热水器、电饭锅、电灯等）进行远程控制。例如，在下班途中可以预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、让电饭锅煮饭。等回到家后，室内温、湿度已经调好，热水已经烧好，饭也煮熟了。用户出差或旅游时，可以控制居室内的电灯、电视，造成有人在家的假象来提高家居的安全性。同时如果用户忘记关家用电器时，可以远程将它们关掉以免造成不必要的浪费。这一过程的实现只需要点一下鼠标，打一个电话或发一条短消息，是如此的方便、快捷。1.2 远程家电控制的发展现状如今，随着我国房地产的兴起，小区中各式各样的家用电器设备也随之增多。通信技术的发展，使得利用现有的通讯设备对家用电器进行控制成为未来家居智能化研究的课题，这方面技术在不断的更新和改进，也将会日趋成熟。或许在将来，远程家电控制系统将会得到普及。作为智能化家居的重要组成部分，远程家电控制将会有更广泛的应用前景。而家庭网络作为远程家电控制的广义概念，将家用电器与电子产品按照某种通信协议通过GSM系统连接起来，用户通过手机短信来控制所有被连接电器的运行。在智能化家庭网络的发展过程中，美国一直处在世界领先水平。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业，先后跻身于智能家庭网络的研究及开发中，如微软开发的“梦幻之家”、IBM公司开发的“家庭主任”及摩托罗拉公司开发的“居所之门”。3COM一直向用户宣传家庭网络这一概念，并研发出家用无线网关等网络产品。国内的一些传统家电企业如海尔、创维、TCL、科隆、海信等也开始进入智能化家居市场。如科隆集团的“智能网络家居系统”，海信的“智能家居控制系统”等，实现了家电产品智能化、信息化、网络化、个性化。未来几年，国内的智能化家居市场将会迅速崛起。1.3 系统设计内容与要求1.3.1设计内容本次设计主要针对家居环境中的家用电器进行监控，以华为GTM900C模块为核心，GSM网络为信息传输平台，设计一个基于GTM900C的家用电器监控系统。用户在外使用手机通过GSM网络向家中GTM900C模块发送短信，模块接收到相应的指令后，通过UART与单片机进行通信，进而使单片机控制相应的继电器来完成家用电器的ON/OFF控制。当用户发送完指令后，单片机将会查询各连接家用电器的情况（灯或其他家用电器是否已打开），并将信息通过GTM900C模块反馈回给用户，给家庭用户创造一个智能、安全舒适的生活环境。因此本次设计应实现的功能：（1）通过手机发送短信可以远程控制家用电器；（2）可以远程检测温度、湿度等室内环境参数；（3）可以远程对多个家用电器进行电源的开启和关闭。1.3.2设计要求（1）通过手机短信，远程读取室内环境参数，温度测量范围-50150度，湿度测量范围0100%；（2）远程控制家用电器的工作状态，实现对8路家用电器的开和关进行控制；（3）支持2个主人号码，且通过键盘可以修改该手机号码；（4）提供备用电源接口，以保证停电时系统能正常工作。2 系统设计的总体结构2.1 系统的结构框图及原理2.1.1系统的结构框图本系统主要由GTM900C无线模块、STC单片机控制模块、继电器SRD、温湿度传感器AM2303、LCD12864、按键及备用电源组成。设计的家用电器远程控制装置，它可以监控被连接的家用电器的工作状态，检测温、湿度等室内环境参数。其最主要功能是通过手机发送短信来控制相应的家电，实现对家电的远程控制。远程家电控制系统的结构框图如图2.1所示：控制模块（单片机）控制模块（单片机）温湿度传感器GTM900C模块用户手机远程控制家用电器开关状态GSM 网络备用电源接口键盘单片机下载线PC机继电器LCD显示屏图2.1 远程家电控制系统的结构框图2.1.2系统的工作原理在系统中，单片机作为主控单元起着核心作用，主要用来启动GTM900C模块、检测模块的在线情况、三极管的输出电平和温湿度的数据传送。它通过P12、P13口与GTM900C模块进行通信，包括传送指令和传输数据，通过相应的AT指令对模块进行初始化和通信数据的发送接收。系统上电以后，首先由单片机相应的I/O口启动GTM900C模块，然后通过指令检测SIM卡的状态，若SIM卡安装正确，则模块返回指令，再由单片机控制GTM900C完成模块初始化。当有新的短消息到达时，GTM900C模块向单片机发送指令后，单片机读取短信内容，并对其进行解码。根据解析出的短信内容控制I/O口输出的高低电平，经过三极管放大来控制相应继电器动作，完成对家用电器的开启和关闭控制，并在LCD上显示各连接电器的开关状态。温湿度的检测则由温湿度传感器AM2303来完成，它内部由一个电容式感湿元件和DS18B20测温元件组成，并与一个高性能8位单片机相连。采用单总线方式与单片机的P32口进行通信，系统中的数据交换、控制均匀单总线完成，它将测得的室内环境参数通过液晶显示屏显示出来。3 硬件电路的设计3.1 单片机控制模块3.1.1STC12C5A32S2简介STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)对电机控制，强干扰场合。（1）增强型8051CPU，1T单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；（2）工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V - 3.5V（5V单片机）；STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V - 2.2V（3V单片机）；（3）工作频率范围：035MHz，相当于普通8051的0420MHz；（4）用户应用程序空间 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节；（5）片上集成1280字节RAM；（6）通用I/O口（36/40/44个）复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA；（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）：无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（8）有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；（9）看门狗；（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；（11）外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V，误差为5%；3.3V单片机为1.31V，误差为3%；（12）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5%到10%以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz17MHz ；3.3V单片机为：8MHz12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；（13）共4个16位定时器：两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；（14）3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟；（15）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(可通过寄存器设置到P4.2)，CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)；（16）PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列2路）：可用来当2路D/A使用，可用来实现2个定时器，也可用来实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；（17）A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)；（18）通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可以用定时器或PCA软件，也可以用定时器或PCA软件实现多串口；（19）STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)；（20）工作温度范围：-40 +85(工业级)/0 75(商业级)；（21）封装：LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，QFN-40。I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口或用双CPU，三线通信，还多了个串口。3.1.2STC12C5A32S2电路图单片机系统提供单片机工作的基本电路，主要由STC单片机、复位电路、晶振电路组成。单片机作为控制模块，在系统中起着核心作用。本系统采用的STC12C5A32S2单片机内置有32K的FLASH程序存储器，还有EEPROM 存储器，可以将修改的号码存储在EEPROM里，掉电可保存，无需外加存储器件。在P0、P2、P3口外接上拉电阻以增强其驱动能力，驱动大电流时，不容易烧坏。单片机控制电路如图3.1所示。复位电路：在工作之前，单片机有个复位过程。只要在单片机的RST引脚加上不少于两个机器周期的高电平即可使单片机进行复位。为了达到这个要求，需要在外部设计复位电路。在此我们参考使用手册上的接法，加入手动复位功能。电路采用电阻、电容串联构成，结合电容电压不能突变的性质由图可知，系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且高电平持续的时间由RC的取值来定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就可复位，所以，适当的选择RC的值就可以保证可靠的复位。晶振电路：作为单片机的时钟基准，XTAL1内部时钟电路反向放大器输入端，外接晶振的一个引脚，当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端；XTAL2内部时钟电路反向放大器输出端，外接晶振另一端，当直接使用外部时钟源时，此引脚可悬空，此时XTAL2实际上是将XTAL1输入的时钟进行输出。参考使用手册，选用外部石英晶振，晶振频率为12MHZ，起振小电容为47pf。图3.1 单片机控制电路图3.2 GTM900C无线模块3.2.1GTM900C的简介GTM900C模块是华为公司最新推出的一款两频段GSM/GPRS无线模块，工作频段为EGSM900/GSM1800MHZ。它支持标准的AT命令及增强的AT命令，提供丰富的语音和数据业务功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。GTM900C使用AT命令集，通过UART接口与单片机进行通信，主要实现无线发送和接收、基带处理、音频处理等功能。键盘、LCD等外部设备由单片机进行控制。该模块可以实现无线数据传输和短信收发任务。其工作电流要求：空闲状态下最大值为3.8mA，通话状态为250 mA，GPRS数据传输状态为350mA，关机状态为50uA。在应用中，GTM900C模块是作为DCE（Data circuit-terminating equipment）设备来使用，但为了方便客户进行DCE-DTE的连接，因此在信号命令上都是以DTE（Data terminal equipment）信号定义方式提供。GTM900C的逻辑框图如图3.2所示：音频处理单元串口处理单元电源管理单元数字基带处理单元CPU中央处理单元程序和数据存储单元AD/DA转换单元模拟基带处理单元SIM卡处理单元射频天线开关单元射频收发单元射频功率放大单元图3.2 GTM900C的逻辑框图GTM900C的主要功能：GSM/GPRS Phase 2/2+、GSM 03.40短信业务、GPRS CLASS 10数据业务、支持Group3，Class2传真业务、电路交换业务(9.6kbps，14.4kbps)、分组交换数据业务(85.6kbps)、FR/HR/EFR/AMR 语音编码、呼叫转移、等待、保持、呼叫前转和多方通话、来电显示、可选铃声等。其电路如图3.3所示。图3.3 GTM900C模块电路图GTM900C的主要应用：GTM900C模块在Terminal型固定台、Phone型固定台、车载台、共用电话、电力无线抄表业务、远程信息服务台等方面被广泛应用。3.2.2各接口功能特性（1）UART接口：在本设计中，GTM900C通过UART与单片机进行数据通信，UART的TXD、RXD分别接单片机的P12、P13口，另外两个引脚分别接电源正、电源负。其接口功能特性为：UART 接口与外界进行串行通信，支持3.00V 电平输入和输出；接口信号除了RXD、TXD是高电平有效之外，其余所有信号均为低电平有效；UART接口有512 byte的发送 FIFO（First In First Out）和接收 FIFO，支持可编程的数据宽度、可编程的数据停止位、可编程的奇/偶校验或者没有校验；UART 接口最大的工作速率为115.2kbps，默认的通信速率为9.6kbps，采用串行异步通信方式，1位起始位，8位数据位，无校验位，1位停止位，支持波特率掉电保存。（2）SIM卡接口：可外接1.8V或3.0V的SIM卡，SIM卡接口信号如表3.1所示。表3.1 SIM卡接口信号序号信号名描述1SIM-VCCSIM卡电源2SIM-RSTSIM卡复位信号3SIM-CLKSIM卡时钟信号4SIM-GNDSIM卡接地信号，与地GND，SIM卡的地信号均相连6SIM-DATASIM卡数据线（3）LPG接口：网络状态指示接口，LPG管脚输出脉冲信号用于控制LED灯，作为网络连接状态。它不能直接驱动LED，需要配合三极管使用。通过指示灯闪烁模式的不同，表示不同的网络状态。LPG接口状态指示如表3.2所示。表3.2 LPG接口状态指示状态LPG输出信号A：模块启动持续高电平B：深睡眠状态持续低电平C：无SIM卡，未输入PIN码或正在搜索网络周期1s，高电平输出0.1sD：已注册到网络，IDLE状态周期3s，高电平输出0.1sE：GPRS数据传输中周期0.125s，高电平输出0.1sF：呼叫进行中持续高电平（4）天线接口：GTM900C提供的天线接口为GSC射频连接器，外接天线通过电缆连接到该连接器上。有了射频连接器，模块在接收和发送信息时更稳定，更容易接收到信号。如果使用较低电源电压（如3.4V）时，天线接口需要匹配，尽量缩短外部电源到模块的连线长度，电源的输入最好要有100U以上的电容。否则实际输入模块的电压可能小于3.4V，会造成射频指标的恶化甚至模块工作不稳定。3.2.3AT命令的简介AT命令即Attention，AT命令集是由诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP等厂家共同为GSM系统研制的DTE-DCE接口标准，是从终端设备TE（Terminal Equipment）或数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）向终端适配器TA（Terminal Adapter）或数据电路终端设备DCE(Data Circuit Terminal Equipment)发送的。通过TA，TE发送AT命令来控制移动台MS(Mobile Station)的功能，与GSM 网络业务进行交互。AT指令包括一般命令、呼叫控制命令、网络业务命令、安全性命令、电话本命令、短消息（SMS）命令、补充业务命令、数据命令、串口命令和传真命令。本设计主要使用短消息命令，对GSM网络中的短消息业务进行操作。短消息收发规范GSM07.07规定了短消息命令，它由欧洲通信技术委员会发布，包含了对SMS的控制说明。现在市场上大多数手机都支持GSM07.07规定的AT命令集。利用GSM手机（MODEM）的串行接口，单片机向手机（MODEM）发送一系列AT指令，就能达到控制手机收发SMS的目的。所采用的GTM900C无线模块，支持标准的AT命令及增强的AT命令。使用该命令集可以控制和管理与GSM网络相关的各种业务，如呼叫业务，短消息业务以及各种附加业务。3.3 LCD液晶显示模块3.3.1LCD12864简介带中文字库的12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其显示分辨率为12864，内置8192个16*16点汉字和128个16*8点ASCII字符集，具有光标显示、画面移位和睡眠模式等多种功能。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字，也可以完成图形显示，具有低电压低功耗等特点。与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，该模块构成的液晶显示方案不论从硬件电路结构，还是显示程序都要简洁得多，且价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性：（1）低电源电压（VDD：+3.0+5.5V）（2）显示分辨率：12864点（3）内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字（4）内置128个168点阵字符（5）2MHZ时钟频率（6）显示方式：STN、半透、正显（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）视角方向：6点（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 （10）通信方式：串行、并口可选（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压（12）无需片选信号，简化软件设计（13）工作温度：0+55，存储温度：-20+60。3.3.2LCD显示原理从液晶显示器的结构来看，无论是笔记本电脑还是桌面系统，采用的LCD显示屏都是由不同部分组成的分层结构。LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶（LC）材料的5m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成且可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背光源。LCD12864显示电路如图3.4所示。图3.4 LCD显示电路图LCD12864内部寄存器及相关功能：（1）指令寄存器IRIR是用于寄存指令码，与数据寄存器数据相对应。当D/I=0时，在E信号下降沿的作用下，指令码写入IR。（2）数据寄存器DRDR是用于寄存数据，与指令寄存器寄存指令相对应。当D/I=1时，在下降沿的作用下，图形显示数据写入DR或在E信号高电平作用下由DR读到DB7-DB0数据总线。DR和DDRAM之间的数据传输是模块内部自动执行的。（3）忙标志BFBF标志提供内部工作情况：BF=1表示模块在内部操作，此时模块不接受外部指令和数据；BF=0时，模块为准备状态，随时可接受外部指令和数据。（4）显示控制触发器DFF此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制：DFF=1为开显示（DISPLAY ON），DDRAM的内容就显示在屏幕上；DFF=0为关显示（DISPLAY OFF）。DFF的状态是由指令DISPLAY ON/OFF和RST信号控制的。（5）XY地址计数器XY地址计数器是一个9位计数器。高3位是X地址计数器，低6位为Y地址计数器，XY地址计数器实际上是作为DDRAM的地址指针，X地址计数器为DDRAM的页指针，Y地址计数器为DDRAM的Y地址指针。X地址计数器是没有记数功能的，只能用指令设置。Y地址计数器具有循环记数功能，各显示数据写入后，Y地址自动加1，Y地址指针从0到63。（6）显示数据RAM（DDRAM）DDRAM是存储图形显示数据的：数据为1表示显示选择，数据为0表示显示非选择。DDRAM与地址和显示位置的关系见DDRAM地址表。（7）Z地址计数器Z地址计数器是一个6位计数器，此计数器具备循环记数功能，它是用于显示行扫描同步。当一行扫描完成，此地址计数器自动加1，指向下一行扫描数据，RST复位后Z地址计数器为0。Z地址计数器可以用指令DISPLAY START LINE预置。因此，显示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行。此模块的DDRAM共64行，屏幕可循环滚动显示64行。通过LCD12864，我们可以在屏幕上看到温、湿度的变化和各连接电器的工作状态（O代表ON，N代表OFF）。LCD管脚功能如表3.3所示。表3.3 LCD管脚功能表引脚号引脚名称电平引脚功能描述引脚号引脚名称电平引脚功能描述1VSS0电源地11DB4H/L三态数据线2VDD3.0-5V电源正12DB5H/L三态数据线3V0-对比度（亮度）调节13DB6H/L三态数据线4RS(CS)H/LRS=“H”，表示DB7DB0为显示数据；RS=“L”，表示DB7DB0为显示指令数据14DB7H/L三态数据线5R/W(SID)H/LR/W=“H”，E=“H”,数据被读到DB7DB0 ；R/W=“L”，E=“HL”，DB7DB0的数据被写到IR或DR15PSBH/LH：8位或4位并口方式 L：串口方式6E(SCLK)H/L使能信号16NC-空脚7DB0H/L三态数据线17RESETH/L复位端，低电平有效8DB1H/L三态数据线18VOUT-LCD驱动电压输出端9DB2H/L三态数据线19AVDD背光源正端10DB3H/L三态数据线20KVSS背光源负端3.4 MAX232串口下载电路RS-232C 标准是美国EIA（电子工业协会）与BELL公司一起研发的通信协议，它于1969 年公布。它是最广泛使用的串行通信标准，用于包括PC机在内的多种设备中。由于RS-232C是在TTL电路出现之前研制的，所以它的电平不是+5V接地。它使用负逻辑，其低电平“0”在+3+15V之间；高电平“1”在-15-3V之间，-3+3V间无定义，最高能承受+25V的信号电平。这与TTL和CMOS 电平是不兼容的，不能直接和TTL电平直接相连。而单片机的串行口电平为TTL电平，PC 机的串行口是RS-232控制电平，二者电平不一致，所以在串行通信时必须进行电平转换，加上适当的接口电路，否则将会烧毁TTL电路。本文采用MAX232设计电平转换电路。MAX232是最常用的线路驱动器之一，它是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器，芯片内部含有一个电容性电压发生器，可把输入的+5V电源变换成为RS232 所需的10V 电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V 电源即可。它主要由三部分组成：电压倍增器、RS-232 接收器、RS-232 发送器。采用16引脚的双列直插式封装，引脚如图3.5所示。图3.5 MAX232引脚图 RS-232C标准总线为25根，但这个25针的串口一般用于打印机中，所以本设计使用目前较为常见的9针串口(DB9)如图3.6所示，实际通讯距离较近时，可以用电缆线直接连接标准RS232接口。其引脚功能如表3.4所示。 图3.6 串口引脚图电路在设计时，采用3 线制(RXD，TXD，GND)软握手方式。即将PC机和单片机的“发送数据线(TXD)”与“接收数据线(RXD)”交叉连接，二者的地线( GND) 直接相连，其它信号线均不用，握手信号采用软件方法产生。这样既可以实现预定的目标，又可以简化电路设计、节约成本。表3.4 引脚功能说明引脚号功能说明缩写1载波检测DCD2接收数据端RXD3发送数据端TXD4数据终端准备好DTR5信号地SG6数据准备就绪DSR7请求发送RTS8清除发送CTS9振铃指示RI采用MAX232设计的串口下载电路如图3.7所示。图3.7 串口下载电路3.5 按键电路按键电路主要由12个按键组成的4X3矩阵，修改号码时，用来表示09和A、B键。在总开关打开的前提下，也可以手动按某个按键来控制相应的家用电器。按键电路与单片机的P2口相连。电路设计如图3.8所示。图3.8 按键电路S1、S4、S7、S10分别表示0、9、B、A； S2、S5、S8、S11分别表示1、2、3、4；S3、S6、S9、S12分别表示5、6、7、8。按键18分别控制8个继电器动作，系统可以控制8路家用电器。按键0也控制一个继电器，它是整个系统的总开关。修改主人号码时，按A键显示主人号码，按B键修改号码，改好后，按A键返回；按B键为短信控制说明：发送打开电器X，如发送打开电器1，电器1将打开；关闭电器1，电器1将关闭；发送打开所有电器，电器将全部打开；关闭所有电器，电器将全部关闭；发送返回所有信息，将接收温、湿度信息及各家电的工作状态。3.6 电源电路电源电路设计是为了防止突然停电或外部电路故障时，为系统提供备用电源接口以保证系统能正常工作。由于执行机构的耗电电流比较大，所以提供的备用电源为4节1.2V的充电电池，每节电池充满电为1.37V。电源电路如图3.9所示。图3.9 电源电路外部电路正常供电时，电流流经二极管D10、D11，它们用来防止电流倒流，为系统提供稳定工作电压；当外部电路出现故障或停电时，备用电源能使系统保持正常工作。3.7 执行机构继电器一般都能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有的能对被控电路实现“通”，“断”控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离、功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。它是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。本设计选用SRD-05VDC-SL-C继电器，它的线圈电压为5V，线圈电阻为70-80，开关容量10A，吸合电流为43-46mA，释放电流15-18mA，输出电压范围宽为20-220V，具有开关速度快、工作频率高、使用寿命长、噪声低和动作快等优点。SRD系列继电器类似于单刀双掷开关，具有三个触点，中间为动触点，上下各一个静触点。工作原理是：线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开与另一个闭合，即为常开、常闭触点；线圈通电后，动触点就移动，使常开触点闭合，常闭触点断开，达到转换目的。它在电路中起着安全保护、以弱控强、转换电路等作用。由于单片机的灌电流仅为20mA，不足以驱动继电器，同时为了提高其驱动能力和抗干扰能力，系统增加了驱动电路，它是由三极管Q和电阻R组成的放大电路；二极管D构成泄放回路，用于系统断电时迅速将继电器的自感电动势迅速拉低，起到保护作用。作为本系统的执行机构，其接口电路如图3.10所示。图3.10 继电器电路上图中有9个继电器，从左到右有8个，分别用于控制8路家用电器。最上端一个R01为执行机构的总开关，只有总开关打开，其他家用电器才能打开。没人在家时，可以将总开关关闭，以避免无人在家时因线路故障造成的不良后果，提高家居系统安全性。3.8 温湿度传感器AM2303数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。内部含有一个电容式感湿元件和DS18B20高精度测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个AM2303传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在单片机中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。它含标准单总线串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗、长期的稳定性，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择，其引脚标号如表3.5所示。表3.5 AM2303引脚引脚符号注释1VDD3.5-5.5V DC2DATA单总线 串行数据3NC空脚 悬空4GND接地，电源负极AM2303温度测量范围-40125，测温精度0.2，分辨率为0.1；湿度测量范围0100%RH，测湿精度2%RH，分辨率为0.1%RH。它采用简化的单总线方式进行通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换，控制均由单总线完成。设备（主机或从机）通过一个漏极开路或三态端口连接至该数据线，以允许设备在不发送数据时释放总线，而让其他设备使用总线；单总线通常需要外接一个约为5.1k的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答。因此主机访问器件都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，器件将不响应主机。特点：体积小巧，超低能耗，相对温度和湿度测量，数字输出，精确校准，