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作品设计报告基于GSM网络的家居自动化控制指导教师：张艳鹏、付兴烨 队 员：崔新亮 李春笛 王国双参赛院校：绥化学院电子工程系摘 要本作品利用STC89C516单片机为核心，实现了基于GSM网络的家居自动化控制。对家庭环境中的各种信息进行采集，并以手机短信的方式通知给不在家中的用户，用户可用手机短信对家中的各种设备进行控制，当用户在家的时候可以用我们的手持设备对家中的电器、门窗等部分进行控制。也可将手持设备接入电脑进行控制。该系统合理的利用了GSM模块、nRF2401无线模块、12864液晶屏、DS12C887时钟芯片、ISD4004语音模块和多种传感器，实现了手机短信的交互控制、无线遥控、液晶显示、音频输出、传感器信号的采集和处理等功能。关键词：GSM；传感器；手持设备；自动控制Abstract： This works by STC89C516 single chip, realized based on GSM network household automation control. The information of all kinds of family environment, and gather in SMS notice to the user, the user can home in the home of SMS messages, when the user control equipment at home when we can use the electric handheld device to control section, door to wait. Also can access the computer controlled handheld devices. This system is reasonable use a GSM module, nRF2401 wireless module, 12864 LCD, DS12C887 clock chip, ISD4004 speech module and various sensors, realize the interaction of SMS, wireless remote control, LCD display, audio output, sensor signal acquisition and processing, etc.Key Words: GSM；Sensors；Handheld devices；Automatic control目 录摘要与关键字1 系统方案2 功能与指标2.1实现功能2.2功能设备系2.2.1 STC89C516单片机2.2.2 GSM模块2.2.3 手持设备2.2.4 ADS7852芯片2.2.5传感器的应用2.2.6 室内灯光2.2.7 光电门的应用2.3 性能指标2.3.1传感器响应3 实现原理3.1 硬件设计3.1.1 硬件扩展3.1.2 系统硬件3.2 软件设计4 硬件框图5 系统测试与小结5.1 系统测试5.2 系统小结5.2.1 系统特色5.2.2 系统不足参考文献1、系统方案 本设计利用了基于51单片机、GSM网络、无线通信及传感器技术开发出的一个高端现代家庭居住环境的自动控制系统。如图1所示，系统的中心是以STC89C516单片机为处理器且集中了丰富的传感器硬件资源，由其完成环境数据的采集和自动处理，该系统具有以下功能和特点：（1）、家中各种设备的工作状态在手持设备的显示屏上直观显示, 并通过键盘进行集中控制。（2）、当家中的设备或环境变量发生异常的时候进行自动控制，并以手机短信的方式通知用户。（3）、用户可以通过手机短信对家中的各种设备进行控制。图1系统结构 2功能与指标2.1.实现功能 本系统是以STC89C516单片机为处理器的客户端，以及配有无线传输模块和GSM模块，通过无线模块实现传感器等信息的采集后的传输，并使用GSM移动网络实现与用户手机通信的功能。用户可以设置手机用户权限，并实现GSM等功能的禁用，也可以相应的设置传感器的使能，并可手动控制家电，方便快捷。当家中任何一个传感器（本系统中包含了可燃气体、热释电人体红外等传感器）被使能并感知到有紧急情况发生，便首先启动执行部分，之后启动GSM模块与用户联系，寻找解决方案。2.2、功能设备一、主控制板主控制板的硬件主要包括：单片机最小系统、GSM模块、12位高速A/D模块、无线收发模块和我们自己制作的驱动板。单片机最小系统我们用的核心芯片为STC89C516RD+，其内部有64K E2PROM、1K的RAM、4个8位并行口、3个16位定时计数器、1个串行全双工异步接口、6个中断源，这些资源基本上能够满足一般中型监控软件的开发要求。在本套系统中我们使用了北京精仪达盛公司生产GSM模块，它是主机与用户手机交流的桥梁。通过对基于AT指令下的串口通信系统进行全面的控制，本系统针对该模块的特点设计出一套通过短信控制家中设施的方案，用户出门在外时可以掌控家里的情况。在无线收发方面采用的是nRF2401模块。该模块是单片射频收发模块，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。收发模式我们自己设计的驱动电路 电路图考虑到单片机的I/O接口不足的问题，本设计中用74LS573做外扩，在P2功能口用了三个74LS573来扩展I/O端口。图3为本套系统的单片机核心电路。2.2.3 手持设备图2 上位机软件界面。2.2.4 ADS7852芯片ADS7852是一种逐次逼近式8路模拟输入，12位数字量并行输出的A/D转换器。在8MHz时钟输入的条件下,其采样速率可达500Ksps。ADS7852的参考电压输入为2.5V，8通道电压的输入范围为05V。图3 ADS78529管脚图由图3可见，ADS7852共有32引脚，采用TQFP-32封装。其主要引脚功能如下：AIN0AIN7：8路模拟信号输入端；DB0DB11： 12位数字量输出端；VREF：参考电压输入端；A0、A1、A2：通道选择端，A0、A1、A2分别与三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。A2 A1 A0=000111分别对应IN0IN7通道地址；CLK：外部时钟输入端，ADS7852的最高采样率为CLK的1/16。如CLK频率为8MHz，则对应于最高采样率为500Ksps；VSS：电源输入端，通常接+5V；AGND、DGND：分别为模拟地和数字地；CS：片选信号，低电平有效；WR：写信号，低电平有效。当WR、CS同时有效时，启动一次新的转换，此时A0A2指示欲转换的通道号；RD：读信号，低电平有效。当RD、CS同时有效时，将数据输出端的三态门打开，并行输出12位数据。另外，在RD的上升沿，还和A0、A1共同决定ADS7852进入常规模式、打盹模式或睡眠模式；BUSY：ADS7852状态输出端。在转换过程中，BUSY保持低电平。当转换结束后，BUSY变为高电平。ADS7852的工作过程如下：首先用指令选择ADS7852的一个模拟输入通道，当执行MOVX DPTR，A时，启动被选择通道的转换，BUSY信号被拉低。当转换结束后，BUSY信号被拉高。CPU检测到BUSY信号变高后，发出读数指令MOVX A，DPTR，把该通道转换结果读到A累加器中。读数完成后，ADS7852将跟据DPTR的值进入常规模式、打盹模式或睡眠模式。 2.2.5传感器的应用在本系统中利用到了多个DS18B20温度传感器实现了多点测温，还有湿度传感器，可燃气体传感器，热释电人体红外传感器，它们感知周围环境的状态，获得的是模拟信号，经十二位高速AD转换模块处理成数字信号，再发送到控制模块。在A/D转换中给每个传感器设置不同的通道，并采用时序控制它们依次进行转换。是整个系统能够正常运行。2.2.6 室内灯光在本系统中集中体现人性化设计。灯光的开与灭都运用了渐变的效果，这样使用户适应了由黑暗到明亮的一个过程，更加的保护了用户的视力，是用户感觉更加亲切。2.2.7 光电门的应用在门窗检测和风速测量中应用了光电门，由光电门发出信号给LM339检测电压高低，再由LM339把信号发送给单片机来实现执行操作，更好的实现了自动化。2.3性能指标2.3.1传感器响应（1）温度传感器本系统采用的是DS18B20温度传感器，其测量范围为-55+125，在-10+85时精度为0.5。在本系统中利用到了八个DS18B20温度传感器，采用单总线控制八路信号实现了多点测温。同时检测各个房间的温度。（2）湿敏传感器的主要参数 本设计中我们采用了DYP-SD02型号的湿敏电阻器，它的测量范围 20 90%RH 量程 20 90%RH（mm）。具有良好的敏感特性。湿敏电阻采用功能高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上，形成阻抗随相对湿度变化成对数变化的敏感部件，导电机理为水分子的存在影响高分子膜内部导电离子的迁移率。性能稳定，耐水性好，精度高，品种多样，价格低廉。该传感器的电性能参数如下：工作电压1V AC(50Hz2KHz) 检测范围 20 90%RH 检测精度 5% RH 工作温度范围最高使用温度 0 +85120 特征阻抗范围 K(60%RH,25 ) CHR02-233 23(1528) K CHR02-313 31(2140.5) K 响应时间 65(5575) K 响应时间 12 s (20% 90%) 湿度飘移（ / 年） 2% RH 湿滞 1.5%（3）可燃气体传感器 我们采用了型号为MQ-2的可燃气体传感器用作可燃气体的监测，该传感器的特点为：* 对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度* 对乙醇，烟雾几乎不响应* 快速的响应恢复特性* 长期的使用寿命和可靠的稳定性* 简单的测试电路适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。优良的抗乙醇，烟雾干扰能力。MQ-2型可燃气体传感器的为规格a. 标准工作条件b. 环境条件c. 灵敏度特性d. 结构外形测试电路符号参数名称技术条件备注Tao 使用温度-10-50Tas 储存温度-20-70Rh 相对湿度小于95%RhO2 氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于符号参数名称技术参数备注Rs 敏感体电阻10K- 60K(1000ppm 甲烷)该传感器的探测范围：300-5000ppm液化气，天然气，煤气。(1000ppm/5000ppm CH4)浓度斜率0.6标准工作条件温度： 202 Vc:5.0V0.1V相对湿度： 65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间不少于24小时图4e. 灵敏度特性曲线（图4）： 该部分设计的可燃性气体报警通风装置，充分利用了可燃气体传感器及其他元件的特性，使其相辅相成。它的电路结构简单，使用元件相对较少，使其制作成本大大降低，经济实用。（4）热释电红外传感器热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线，a这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10微米左右的红外辐射必须非常敏感。 b为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。c人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。 3 实现原理3.1 硬件设计3.1.1 硬件扩展对于硬件的扩展，考虑到接口问题，单片机的接口不足，本套设计中用74LS573做外扩，在P2功能口用了三个74LS573来扩展I/O端口。图3为本套系统的单片机核心电路。3.1.2 系统硬件 在本套系统中，我们设计了主板和手持设备两大硬件，在主板上安装了北京精仪达盛公司生产的CPU模块、GSM模块、12位高速AD和无线模块还有我们自行设计的74LS573外扩电路板，使主板的功能更加的强大。在手持设备中运用了12864液晶屏显示部分，语音芯片，矩阵键盘以及用来和主板进行通信的无线模块，在手持设备的设计中，我们更加注重人性化，个性化，用户可以根据自身要求设置一些参数来自动控制家中的设备。3.2 软件设计图3单片机核心电路4 硬件框图5 系统测试与小结5.1 系统测试系统的所有模块会在紧急事件发生时能否正常工作，需要对之进行测试。首先用秒表对系统响应能力做出测评，表1为紧急事件发生时系统响应能力的测试结果。接着启动GSM模块，通过手机来测试系统的控制性能，表2为手机产生系统监控性能的产生结果。5.2 系统小结5.2.1 系统特色在本套系统中运用了多方面的技术，传感器的应用，使家居更加智能化，特别是在多点测温上取得了突破性的进展，运用了无线设备，做到了手持设备与主板的脱离，方便，实用。手机短信的应用充分的利用GSM网络，执行部分的设计和实现使这套家居系统更加的自动化，给用户提供了现代生活的方便与乐趣。智能家