毕业设计--基于单片机的远程开关控制系统.docx

本科毕业设计(论文)题目：基于单片机的远程开关控制系统院 （系）： 光电工程学院 专 业： 测控技术与仪器 2015年 06月1毕业设计（论文）任务书1.毕业设计（论文）题目： 基于单片机的远程开关控制系统设计 2.题目背景和意义： 随着科学技术不断进步，很多系统，如公共照明、空调、监控等操作自动化程度不断提高，正朝着无人值守方向发展，实现这些设备开关的无线远程操控对实现自动化、人性化有重要意义。GSM作为数据通信网络媒介，具有保密性高、可靠性高、抗干扰能力强特定，可以实现跨省市，全国性的数据双向实时通信，可以把有线数据网络的应用扩展到移动和便携用户。本课题提出基于单片机的远程开关控制系统设计，控制信号可通过手机发送，单片机控制GSM模块接收信息并执行相应动作。3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）： 设计基于单片机的远程开关控制系统，系统可以通过现有手机发送控制信息，在单片机控制下的GSM模块在接收到信息后，反馈给单片机，并根据控制信息发出开或关的动作。具体要求如下： （1）、调研选型GSM模块，模块能够通过串口与单片机通信； （2）、设计基于单片机的开关逻辑控制单元，能够接收GSM模块串口信息，输出控制状态； （3）、设计系统总体工作电路，编写程序，并做出硬件电路，可调试通过。4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）： 校内 （1）阅读足够国内外文献加深对对题目的理解和对本内容有益成果的充分吸收； （2）寒假期间自己完成对课题相关知识的准备工作，准备好开题报告； （3）毕设期间每周至少参加一次小组讨论； （4）完成硬件实物设计、调试， 毕业论文一篇， （5）杜绝对他人成果的全盘抄袭； （6）进度要求： 寒假前查阅相关文献、调研市场，加深对题目的理解； 2015年第一学期，1-3周，完成课题的调研、研究方案的制定，完成开题报告； 4-10周，对课题有详细可行方案，进度完成过半；体现在：完成了合理的系统方案，实现了单片机可控制gsm模块实现相关功能，完成中期检查； 10-17周，完成整体系统调试工作，完成论文撰写； 18周论文答辩 5.毕业设计（论文）的工作量要求 1.5万字以上 实验（时数）*或实习（天数）： 图纸（幅面和张数）*： 其他要求： 指导教师签名： 2015年1月12日 学生签名： 2015 年 1 月12 日 系（教研室）主任审批： 2015 年 月 日说明：1、本表一式二份，一份由学生装订入附件册，一份教师自留。毕I-22 、带*项可根据学科特点选填。基于单片机的远程开关控制系统摘 要以单片机作为微型数据处理控制中心，以GSM作为数据通信网络媒介，本课题提出基于单片机的远程开关控制系统设计，控制信号可通过手机发送（以短信的方式），单片机控制下的GSM模块接收到用户短信息后通知单片机，然后单片机读取GSM模块接收到的短信息，读取结束并分析完成后根据短信息的内容执行相应开关动作处理，处理完成后单片机控制GSM模块将处理的结果即开关状态以短信的形式发送反馈给用户，从而达到用手机远程实现控制开关的目的。关键词：GSM；单片机；远程控制Remote control system based on MCUAbstractMCU as a miniature data processing control center, the GSM as a data communications network media, the subject of proposed remote switch control system based on microcontroller, the control signal can be sent via mobile phone, GSM module under the control of the microcontroller receiving the users command information and real-time serial output to the microcontroller, the microcontroller executes the corresponding switching operation processing based on the content of the command information, the process control after the completion of the same single-chip GSM module will deal with the results of that is the switch state in the form of SMS to send feedback to the user, so as to achieve using a mobile phone remote control switch purpose .Keywords: GSM; MCU; remote control目录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 综述11.2 国内外发展现状及相关应用11.3 课题背景21.4 本文主要研究工作32 研究方案及方案论证42.1 研究方案42.1.1 方案论证43 硬件基础63.1 单片机简介63.1.1 单片机基础63.1.2 单片机的选型73.2 GSM基础83.2.1 GSM模块的选型83.3 继电器驱动电路113.3.1 继电器和三极管基础113.3.2 继电器驱动电路设计133.4 串行接口通信基础133.4.1 串口通信基础153.4.2 串口简介163.4.3串口电路的设计164 硬件实现174.1 原理图和PCB图的制作174.1.1 Altium Designer基础174.1.2 原理图和PCB的绘制184.2 单片机系统电路板制作215 软件实现225.1 程序编写软件的选用225.2 AT指令的基础225.3 程序逻辑235.4 程序编写246 系统调试266.1硬件调试266.2 软件调试276.3 综合调试28总结31参考文献32致 谢33毕业设计（论文）知识产权声明34本科生毕业论文（设计）独创性声明35本科生毕业论文（设计）使用授权声明36附录37硬件电路原理图38硬件电路PCB图36附录：30西安工业大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 综述 随着电子技术的不断发展， 无线技术在智能化中扮演着越来越重要的角色。未来的家居会是什么样的？是夏日下班途中只要一个按键就开启家里的空调，是冬日的晚上在温暖的被窝里轻轻一点便能关闭卧室的灯光？科技的发展便捷了人们的生活，而智能家居的到来便是推动智能便捷生活的推动剂。伴随互联网技术的日趋成熟和普及，建立在互联网基础上的物联网技术逐渐出现在人们的视野，而基于物联网对远程设备进行可靠、稳定、便捷的控制便成了关键。如今，社会逐渐向智能时代迈进，几乎每个寻常百姓都能拿着一部智能手机，对家中的电器、窗帘、灯具远程遥控，随时随地想干啥就干啥，逐步迈进21世纪走进现代化的智能生活。而事实上，这些都只是无线远程智能家居神奇妙用的冰山一角而已，但是不论怎样都不可以忽略远程智能开关这个默默无闻的幕后英雄，正是有了它的强大的支撑，才可以让无线智能家居安装快捷，操作简易，实现实时的远程控制1。伴随互联网技术的日趋成熟和普及，建立在互联网基础上的物联网技术逐渐出现在人们的视野，而基于物联网对远程设备进行可靠、稳定、便捷的控制便成了关键。作为全球最成熟、应用范围最广泛也最便捷GSM网络便成了不错的选择。GSM作为数据通信网络媒介，具有保密性高、可靠性高、抗干扰能力强特定，可以实现跨地域，全球性的数据双向实时通信，可以把无线数据网络的应用扩展到移动和便携用户。本课题提出基于单片机的远程开关控制系统设计，控制信号可通过手机发送，单片机控制GSM模块接收信息并执行相应动作2。1.2 国内外发展现状及相关应用进入21世纪以来,尤其以数字化技术为代表取得了非常迅猛的发展,伴随internet网络向普通家庭生活不断延伸和扩展,消费类电子、计算机、移动终端、通讯一体化的趋势日趋明显,也给传统的开关行业带来了新的革命,远程控制开关悄然进入到人们的生活中，远程开关具体指的是用户可以使用远程终端设备(例如手机、个人电脑等)对连接在网络上的开关设备进行远程控制，远程开关不但可以互联组成远程开关网络,同时又能与外部互联网连接，用户可以方便的通过电脑、手机等远程终端操控连接的远程开关设备。比如说,下班之前通过电脑或手机等移动终端操控家中开关打开电热水器、空调或者电饭煲等家用电器，由此可以预见,远程开关的发展和普及将极大地提高人们的生活品质。而GSM系统是目前时移动通讯体制中比较成熟、完善、也是应用最广泛的一种全球性标准系统， GSM网络提供的短信息服务是GSM网络的一种基本业务,它不但具有传输费用低,速度快,而且还不会占用语音通信通道等诸多独特的优点,正是此原因利用短信进行远程数据传输己得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视和青睐,也是因为这些原因短信息具有的实时数据传输功能的应用得到了迅速的普及,以网络作为数据实时无线传输的媒介,它可以开发的前景是相当乐观的,可以开发的产品也是及其丰富的，例如数据实时无线双向传送等。 伴随“物联网”概念的提出和日益明确并且逐步完善，也随着互联网的逐步成熟，智能手机等终端设备的普及，智能电器已经不是一个新的概念了，但受到人与物和物与物的交互通信的各种制约，智能电器一直得不到普及，或只是少数奢侈品的代名词。最常见的是智能家居，即家里的智能电器都可以利用手中的智能终端如智能手机或者平板电脑等来统一方便快捷的甚至是远程的操作技术便呼之欲出。如果用单片机来控制，利用成熟而且覆盖最为广泛GSM网络来传输数据命令，利用手机来发送短信命令便是非常好的选择。例如东芝、松下电器和日立制作所等电器设计开研发公司均开发生产出多种基于远程网络的远程开关控制类的家用电器产品,并且这些远程开关系统都支持通过网络控制的通信标准，通过接入网络的控制终端可以对网络开关进行集中控制。同时中国的海尔也推出海尔e家系列等的网络产品,迈出了普及中国家庭网络的第一步,例如洗衣机、微波炉、冰箱、洗碗机、热水器、空调等家用电器。随后不久海尔又推出了海尔短信宝,用户可以通过发送手机短信就可以远程控制家里的诸多电器,打破了以往数字家庭，智能家电只能在家中控制家电的局面，与此同时,以联想为首的一些国内知名企业也都加快了研发和开拓这一领域的步伐,相继推出自己的一些相关产品。1.3 课题背景随着手机广泛的普及和性能的不断升级,手机作为人们现代生活中的一种贴身物品,可供开发的潜力几乎是无限的,因此,通过手机远程控制家电成为家电行业近期和未来的主要发展方向,国内外各大电行业巨头也相继推出了相关的产品。例如在日本,远程网络开关的开发就已经取得了一些重大的进展，日本的主要电器厂商都制定了远程控制的相关发展战略,并且试图依靠远程网络建立一个新的电器王国。但目前市场上的远程控制电器的价格都比较昂贵,难被一般收入的家庭所广泛接受。单片机作为微型数据处理控制中心，不仅具有一定的高效节能等特点，更具有高度的灵活性和操作简单易于使用等特点，拥有功能较为丰富I/O口，可以方便的与其他设备间建立友好简单协议通信。GSM作为数据通信网络媒介，可以实现跨地域，全球性的数据双向实时通信，可以把无线数据网络的应用扩展到移动和便携用户3。因此以单片机为控制服务端（控制中心），以GSM网络为载体，以手机终端为客户端的价格低廉，性能稳定高效的智能设备具有过阔的市场前景。而远程开关作为一切智能设备的基础更是具有不可估量的地位。1.4 本文主要研究工作本课题研究的主要内容：基于单片机的远程开关控制系统，其主要任务是设计基于单片机的远程开关控制系统，此远程开关控制系统可以通过现有的手机发送实施的相关的控制信息，在单片机控制下的GSM模块在接收到信息后，串口输出给单片机，由单片机根据控制信息控制相关的开关的工作状态，当工作状态作出相应的响应后，单片机控制GSM模块将控制的结果同样以短信息的形式发送反馈到用户手机。具体要求如下： （1）调研和选型GSM模块，选择GSM模块要求除了具备基本的短信息以通话功能外还要求能够实现通过串口与单片机通信； （2）设计基于单片机的开关逻辑控制单元，能够接收GSM模块串口信息，输出相应的控制状态； （3）设计系统总体的工作电路，编写相应的软件程序，做出硬件电路，并且可以调试通过。2 研究方案及方案论证2.1 研究方案本系统硬件部分主要由四部分电路模块组成: GSM模块, 单片机以及相关外围电路，开关响应电路。GSM模块负责接收、发送相关数据并且将接收到的用户命令信息以AT指令的形式通过串口传输给单片机、将接收到的单片机控制处理结果相关数据反馈发送给用户。 单片机控制模块主要负责识别GSM模块接收到的数据指令并且由根据指令控制开关电路执行开、关动作，动作完成后再命令GSM模块以短信的形式将动作结果反馈发送给用户。开关响应电路主要是继电器驱动电路，由单片机控制继电器的工作状态，由于单片机I/O口的驱动能力有限因此需要相应的放大电路来驱动继电器工作。 继电器用户手机TC35单片机开关 图2.1 系统硬件原理图本系统软件部分主要由两部分组成:GSM数据通信模块，单片机数据识别处理模块。数据通信模块主要指的是单片机和GSM模块之间的数据通信，单片机负责识别和处理从GSM模块传输过来的数据命令，并且传输相关命令让GSM模块将处理结果的相关数据发送反馈给用户。2.1.1 方案论证利用GSM接收和发送数据有三种方案可行：方案一：利用GSM提供的数据服务即GPRS，也就是数据流量服务。当GSM连接到网络利用GPRS接收和发送数时，需要客户移动端也就是本文的用户手机安装相应的应用也即是手机APP。因为本文研究内容有限，时间和夸学科以及学科知识交叉等问题，本方案难以实现，故放弃此方案。方案二：利用GSM提供的拨打，和接受电话的功能来控制远程开关。由于GSM模块接受电话时只能是表示一种状态，如果要对听话内容进行语音分析，或者语音数据进行提取处理难度较大，而且由于声音数据传输的失真等原因，可能会影响语音命令的准确性。方案三：利用短信功能来发送远程控制命令和接收开关系统的反馈数据。短信功能不仅可以编辑丰富的的信息命令，而且作为数据传输，不容易丢失，具有高度的真实性。最重要的是开关系统对于文字性的短信命令更容易接收和处理，因此本文采用短信来作为命令的载体较为合适。根据方案三可初步确定程序流程如下：开始GSM相关设置等待信息单片机数据处理开关电路动作响应 反馈数据处理图2.2系统程序流程简图3 硬件基础3.1 单片机简介单片机（Microcontrollers）又被称为单片微控制器, 是一种采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器和多种的I/O口以及中断系统、定时器/计数器等功能（当然还可能包括显示驱动电路、脉宽调制相关电路、模拟多路转换器、A/D转换器等外围扩展电路等）集成到一块独立的硅片上构成的一个小但是系统完善的微型计算机系统。与普通的计算机相比，单片机只缺少了I/O设备而已。或者可以说：一块芯片就可以构成一台计算机。单片机不仅体积小、质量轻、价格便宜、而且为学习和应用开发提供了许多便利的条件，重要的是，学习和使用单片机是了解以及掌握计算机原理与结构的最佳选择。单片机经过了第1、2、3代的发展，现在正朝着高性能和多品种方向发展，现代的单片机产品不但CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的功能更多，而且实现了低电压、低功耗的市场需求。当前单片机的使用领域已经十分广泛，比如智能类仪器仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、智能电器类等4。单片机其实早就已经渗透到了我们生活中的各个领域，当代社会已近很难找到哪个领域没有单片机的踪影了。包括导弹的导航装置，飞机上各种精密仪器和仪表的控制，计算机网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，现在广泛使用的各种智能型IC卡，现代汽车的一些安全保障系统，录像机、摄像机、全自动型的洗衣机控制，以及一些程序控制类烦的玩具、电子宠物等等，这些都离不了单片机，甚至是自动控制领域的机器人、智能仪器仪表、医疗器械以及各种智能机械了5。因此，单片机知识的学习、以及与其相关开发与应用知识的学习对一个人工科人来说显得尤为重要。本文主要介绍基于51内核系列单片机。3.1.1 单片机基础51系列单片机其实是对所有兼容Intel 8031指令系统单片机的统称。该系列的单片机始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，具有代表性的是ATMEL公司的AT89系列产品，它广泛应用于各种工业测控系统之中。同时很多公司都推出了基于51系列的兼容机型单片机产品，在随后很长的一段时间内占有大量市场。51单片机是基础入门的一款单片机产品，当然也是应用最广泛的一种，它的功能是非常强大的。51单片机它有8位CPU，2个可以编程的定时/计数器，总共有5个中断源，2个优先级，4k字节的程序存储器(ROM)，以及128个字节的数据存储器(RAM)以及21个专用的特殊功能寄存器，外部有64k字节数据存储器寻址空间，另外还有一个全双工的串行通信接口，它拥有32条的I/O口线，具有逻辑操作位寻址功能，双列直插式40引脚的封装，采用单一的+5V电源供电6。CPU：主要由运算器和逻辑控制器组成，同时还包括了中断系统和一部分的外部特殊功能寄存器。RAM：主要是用来存放可以读写的相关数据，比如说运算的中间结果、最终结果以及一些相关的需要显示的数据等。ROM：主要是用来存放程序和一些原始数据以及表格等。I/O口：有四个8位并行的I/O口，既可以用作输入，也可用作输出。特别要说明的是单片机不工作的时候，它的各个I/O口都处于高电平即逻辑1，当单片机通过软件程序控制I/O处于低电平即就是逻辑0。T/C：主要是两个定时/记数器，既可以通过程序选择用于工作在定时模式，也可以工作在记数模式。另外还有一个全双工的UART（通用异步接收发送器）串行通信I/O口,主要是用于实现单片机之间或单片机与计算机之间的串行通信。单片机内部有对应的振荡器和时钟产生电路，但是石英晶体和微调电容需要外接，最佳振荡频率应选择为6M12MHz。3.1.2 单片机的选型根据本文研究实验要求考虑采用性能更加稳定并且存储单元更大的51单片机的加强版，即采用单片机型号为STC89C52。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，它使用的是经典的MCS-51内核，具有 8K 的系统可编程Flash存储器。但是做了很多的改进使得这款芯片具有传统51单片机不具备的一些功能，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52单片机结合了CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧化物半导体，是一种电压控制的一种放大器件，也是组成CMOS数字集成电路的基本单元）的高速和高密度技术以及CMOS的低功耗等特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构以及指令系统，可以说是89C51增强型或者升级版本的单片机，内部集成了包括时钟输出和向上或是向下计数器等等更多功能，使它可以适合于类似于马达控制等一些常见的应用场合。89C52拥有3个16位的定时/计数器、5个两级中断结构，同样内置的是8位中央处理单元、但是其内部数据存储器RAM达到了512个字节、片内程序存储器（ROM）也扩展到8K字节、以及一个全双工的串行通信口和片内时钟振荡电路其它同样是32个双向输入/输出(I/O)口等。除此以外，STC89C52还可以工作于低功耗模式，低功耗模式其实就是空闲模式和掉电模式，它可以通过两种软件程序选择空闲模式和掉电模式。当然在空闲模式下将会冻结CPU仅RAM定时器以及串行口和中断系统可以维持其相应的功能。在掉电模式下， RAM中的数据会被保存，时钟振荡会停止，同时停止单片机芯片的内部的其它功能。3.2 GSM基础GSM全称是：Global System for Mobile Communications，中文名全称是：全球移动通讯系统，即就是通常所说的全球通，它是一种最早起源于欧洲的移动通信技术标准，同时也是第二代的移动通信技术，它的开发的目的是让全球各地可以共同使用一个统一的移动通信电话网络标准，让其用户使用一部手机就能真正实现走遍全球。从20世纪20年代开始移动通信技术得到了一些初步的发展，在20世纪40年代后进入了建设公用移动通信系统阶段。随着移动通信的逐步完善和升级，无线传输、信道管理以及移动交换等相关技术的日益发展和成熟，无线电话、无线寻呼和陆地蜂窝式模拟移动通信以及卫星移动通信等移动通信系统也都相继发展起来。GSM可以与各种公用通信网互连互通，尤其是与ISDN（ISDN 是以综合数字电话网（IDN）的兼容性，因此可以提供更多的业务和相关服务，各种接口都具有统一明确的规范，适合未来数字化发展的要求。GSM的组网结构也非常灵活方便，可以更加有效地使用无线频率，不仅具有良好的抗干扰性强，较好的通信质量高，较高的话音质量，更采用鉴权、语音加密等相关的技术使用户信息的安全性得到了一定的保证，同时用户终端具有小巧、轻便、功能强等特点7。我国于20世纪90年代初开始引进采用这项技术标准，在此之前我国一直使用的是蜂窝模拟移动技术，也就是第一代GSM技术（自2001年12月31日我国关闭了此模拟移动网络）。目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网络，也是世界最大的移动通信网络。与以ISDN的兼容性为基础发展演变而成的多种电信业务，用户能够通过有限的一组标准化的多用途用户网络接口接入网内，可以提供丰富的相关业务，在采用GSM系统的所有国家范围内，可提供穿越国界的自动漫游功能。3.2.1 GSM模块的选型GSM模块，是指将GSM射频芯片、基带处理芯片和存储器以及相关的功放器件等都集成到一块线路板上，使具有独立的指令操作系统、GSM射频处理和基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送和接收SMS短信，语音通话，GPRS数据传输等基于GSM网络的进行通信所具有的一些基本功能8。简单概括来说，GSM模块加上键盘、显示屏和电池，就是一部完整地手机。开发人员使用ARM或者是单片机等通过RS232串口与GSM模块进行通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，例如：发送接和收短信，拨打和接听电话，GPRS拨号上网等。基于GSM模块的产品开发往往都是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。有一些GSM模块具有“开放内置平台”功能，这样可以让客户将自己的一些程序嵌入到模块内的软件平台中。由于工作年限和一些特定环境要求等诸多等因素的影响，目前，GSM模块仍然广泛的在工业应用领域中被使用，在各行各业仍然都还能看到GSM模块应用的产品。例如，在车载安全监控领域，使用GSM模块将车辆行驶的GPS等数据信息传输回车辆管理中心，在一些电力、水务系统等，可以通过GSM模块实现远程或者智能抄表，可以实时监控用户的用电和用水量信息，在测绘行业，为很多偏僻的测绘点安装了GSM模块就可以实现实时的远程监控，不必再人工收集数据，在家庭，可以安装无线报警系统，一旦发生火情或盗窃行为，可以立即通知户主和报警，在国外，很多老人小孩带了个人跟踪器，防止老人和小孩走失或意外发生，里面也是集成了GSM模块。可以说，随着GSM的网络建设的完善，GSM模块的应用范围也越来越广。GSM模块根据提供的数据传输速率又可以分为GPRS模块、EDGE模块、3G模块和纯短信模块。短信模块只单纯的支持短信服务。GPRS，可以说是GSM的延续。但是它也经常被描述成“2.5G”9，就是说这项技术是位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。GPRS的传输速率从56K到114Kbps不等，理论速度最高可以达到171K，但是实际测试的下传速度在25K左右。相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言，GPRS拥有更快的访问数据通信速度，GPRS技术还具有在任何时间、任何地点都能实现连接，永远在线、按流量计费等独有特点。随后EDGE技术进一步提升了数据传输的速率到270K，被称为2.75G，数据传输速率更2倍于GPRS。目前，国内的GSM网络普遍具有GPRS的通讯功能，移动和联通的网络都支持GPRS，EDGE也已经在全国范围覆盖10。GPRS模块，其实它就是一种具有GPRS数据传输功能的GSM模块。GPRS模块其实就是一个精简版的手机，模块集成GSM通信的主要功能在一块的电路板上，具有发送和接收短消息、语音通话、数据传输等基本功能。GPRS模块其实相当于手机的核心部分，如果给它增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。普通的电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。GPRS模块区别于传统的纯短信模块，两者都是GSM模块，但是短信模块只能收发短信和语音通讯，而GPRS模块还具有GPRS数据传输功能。早期GSM模块的生产厂家最早主要都是国外一些相关的企业，包括西门子、Wavcom、Sagem（萨基姆）等，随着国内的技术发展和进步，国内厂家如华为、移远通信（Quectel)、Simcom（晨讯科技）、BenQ（明基电通）等模块由于具有更高的性价比，已经逐渐替代了国外品牌在国内市场上占据了主流的地位。在市场上比较流行的模块包括华为的GTM900-B、西门子的DTPRD+，Wavecom的Q24等,国内利用模块成功开发终端MODEM产品典型应用经纬星航JWOD1,经纬星航JWOD2等11。成功的案例有：(1) DTP_T05系列嵌入式短信模块GSMModem（一种使用移动通讯系统的调制解调器）；(2) 三极管的放大原理，首先是发射区向基区发射电子，电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流；(3) 然后基区中电子的扩散与复合，电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。最后集电区收集电子，由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。DTP_RD+系列一体化的短信报警智能终端iDTU（GPRS数传模块)）；(4) 移动基站光纤通信设备远程实时监测；(5) 八通道输入输出系列短信无线测控终端等。根据本文研究实验的要求，GSM模块需要具备发送和接收相关命令的短信消息，并且可以方便的与数据处理和控制中心（单片机）进行相关数据的传输，根据市场现状调查选取TC35作为信息发送和接收模块。TC35无线GSM/GPRS通信模块，是西门子公司生产的一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块，并且可以方便的扩展标准的RS232接口和SIM卡插口。同时也可以方便的在PC机上用AT命令通过串口对它进行相关功能的简单调试和一些设置。这都使它成为在声音和数据通讯上通用的一个GSM/GPRS双频终端产品12。TC35模块，不但扩展集成了标准的RS232接口以及SIM卡外还有相应的LED指示灯，包括电源指示灯等，配套的电源以及相应的外围相应接线电路。ISP接口(可以用于程序下载、串口监视等)。3.3 继电器驱动电路由于继电器的工作电流一般都在5070mA,而51系列单片机的I/O口输出电流一般只有几百uA，即使是利用其强大的灌电流（也称漏电流）也只能达到1020mA（P0口最大可以达到20mA,而其他I/O口最大只能达到10mA左右，而且所有的I/O口通过的电流最好不要超过80mA13(否则可能会将单片机烧坏）正是由于此原因，须采用电流放大来解决此问题，可以实现此目的的可以用MOS管,三极管等，而本实验采用熟悉常常用的三极管来进行放大。3.3.1 继电器和三极管基础 继电器（relay）是一种电控制器件，当输入量即激励的变化达到某规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。正因为如此在电路中实际起着自动调节、安全保护、转换电路等重要的功能。图3. 1 常见继电器示例图三极管（Triode），全称是半导体三极管，也称为双极型晶体管、晶体三极管等，是一种以电流控制电流的半导体器件，其作它的用是把微弱电信号放大成幅度值较大的电信号， 另外也可以用作无触点开关等。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元器件。三极管其实是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，按排列方式分为PNP型和NPN型两种14。 图3.2 两种三极管示例图三极管作为一种电流放大器件，有三个极，分别是集电极C（Emitter）、基极B （Base)和发射极E（Emitter）。三极管的放大原理，首先是发射区向基区发射电子，电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。然后基区中电子的扩散与复合，电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。最后集电区收集电子，由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。可以简单概括的说：三极管的放大作用其实就是：集电极大电流受基极小电流的控制(假设电源能够提供给集电极足够大的电流的前提下)，当基极电流出现很小的变化，则会引起集电极电流很大的变化，而且变化在一定合理范围内满足一定的数学比例关系，集电极电流的变化量是基极电流变化量的倍，也就是电流变化被放大了倍，因此我们把叫做三极管的放大倍数(值一般远大于1，达到几十，几百)。利用这个原理就可以实现利用小电流控制大电流的目的11。由于单片机的正向驱动能力相当有限,输出电流只能达到几百uA15,而NPN型三极管属于正向驱动型，即使采用放大倍数较大500倍的三极管放大后，发射极电流也不能达到驱动继电器正常工作的目的，因此，不得不进行二级放大，然而二级放大后电路就会变得复杂而且相应的稳定性就会受到影响，考虑到PNP型三极管可以利用单片机的强大的灌电流实现负向驱动，采用即使100倍的三极管也可以轻松利用普通I/O口实现继电器驱动。因此放弃NPN型三极管，选用PNP型三极管实现电路电流放大达到驱动继电器的目的。3.3.2 继电器驱动电路设计 受到单片机电流驱动能力有限的约束，即需要采用三极管来进行电流的放大进而驱动继电器进行工作。用PNP型三极管驱动继电器的电路图，继电器线圈作为集电极负载而接到集电极和正电源之间。当单片机I/O口输入为高电平即+VCC时，三极管截止，继电器线圈无电流流过，则继电器断开（OFF）；相反的，当输入为0V即单片机I/O口输入为低电平时，三极管饱和，继电器的线圈有相当的电流通过，则继电器就会吸合（ON）。 图3.3NPN三极管继电器驱动电路局部图3.4 串行接口通信基础串行接口是一种可以将接受来自CPU的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接受的串行数据流转换为并行的数据字符供给CPU的器件。一般完成这种功能的电路，我们统称为串行接口电路。串口通信（Serial Communications）的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信要慢很多，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现较远距离的通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长度不能超过20米，并且任意两个设备间的长度不能超过2米；但是对于串口来说，这个长度可以达到1200米。比较典型的，串口用于ASCII码字符的传输，通信尽使用3根线完成，分别是地线、发送和接收。由于串口通信是异步的，因此端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据，其他线用于握手，但不是必须的。串口通信最重要的参数分别是数据位、波特率、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须都相互匹配16。 图3.4 串口通信示例图a.波特率：波特率是一个衡量传输速率的参数。指的是信号被调制以后在单位时间内的变化，也就是单位时间内载波参数变化的次数，比如每秒钟传送1个字符，而每个字符格式包含10位（1个起始位，1个停止位，8个数据位），这时的波特率为240Bd，比特率为10位*1个/秒=10bps。一般调制速率大于波特率，比如曼彻斯特编码）。通常电话线的波特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。高波特率常常用于放置的很近的仪器间的串口通信，典型的例子就是GPIB设备（讲话、听话控制器）的通信。b.数据位：数据位是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个数据包，实际的数据都不会是8位的，标准的值是6、7和8位。至于怎样设置取决于用户想传送的数据信息。比如说，标准的ASCII码是0127（7位）。扩展的ASCII码是0255（8位）。如果数据使用的是简单的文本（标准 ASCII码），那么每个数据包使用的是7位数据。每个数据包就是指一个字节，包括开始位/停止位，数据位以及奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取以及设置，术语“包”指任何通信的情况。c.停止位：停止位指的是用于表示单个数据包的最后一位。比较典型的值为1，1.5和2位。因为数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了一点点的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输过程的结束，并且还提供给计算机校正时钟同步的机会。当然适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度就会越大，但是数据传输速率同时也越慢。d.奇偶校验位：奇偶校验位指的是在串口通信中一种简单的检错方式。通常有四种检错方式：偶、奇、高和低。当然没有校验位也同样是可以的。对于偶校验和奇校验的情况，串口会自动设置校验位（数据位最后面的一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。比如，如果传输的数据是011，那么对于偶校验，校验位为0，保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位则为1，这样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。这样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传输和接收数据是否不同步。3.4.1 串口通信基础 串口通信指的是外设和计算机间，通过数据信号线 、地线和控制线等，按位进行数据传输的一种通信方式。这种通信方式使用的数据线较少，而且在远距离通信中可以节约通信成本，但是它传输速度会比并行传输速度慢。在实际应用中利用软件程序进行串口通信的基本设置和通信设置如图:中断接收完成串口初始化打开串口发送读取数据命令接收数据数据处理结束中断NY图3.5 串口通信程序逻辑示意图串口也是计算机上一种非常通用的设备通信协议。大多数计算机（笔记本电脑一般没有该接口，工业类笔记本除外）一般包含两个基于RS-232的串口。串口同时也是仪器仪表类设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。3.4.2 串口简介目前市场上应用最广泛的主流的串口标准有以下几种：RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem等，同时也可以接工业仪器仪表。用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信。RS-232串口通信最远距离是50英尺。RS-422（EIA RS-422-AStandard）是Apple的Macintosh计算机的串口连接标准。RS-422使用的是差分信号，RS-232使用非平衡参考地的信号。差分传输使用的是两根线发送和接收信号，和RS-232相比较而言，RS-422能更好的抗噪声和有更远的传输距离。在一些工业环境中具有较好的抗噪性和更远的传输距离是一个很大的优点。RS-485（EIA-485标准）可以说是RS-422的改进型，因为它不但增加了设备的个数，从10个增加到了32个，同时还定义了在最大设备个数情况下的相应电气特性，用以保证足够的信号电压。因为有了多设备的能力，这样用户就可以使用一个单个的RS-485口建立一个设备网络。它出色抗噪和多设备交互通信能力，在工业应用中建立连向PC机的分布式设备网络、其他数据收集控制器、HMI或者其他操作时，串行连接会选择RS-485。RS-485是RS-422的超集，因此所有的RS-422设备可以被RS-485控制，RS-485可以用超过4000英尺的线进行串行通行17。综上，RS-232接口方式简单，不但可以简单的的与计算机之间进行通信，为本文后续程序调试等工作提供方便，并且符合本文研究包括传输距离等的相关要求，并且TC35模块已经集成标准的RS-232，DB-9串口，因此本文研究试验采用RS-232串口。图3.6 RS-232，DB-9示例串口图3.4.3串口电路的设计由于单片机没有集成标准的232接口输出电平，因此需要设计电平转换电路，根据研究要求可采用MAX232或者MAX202等类似芯片实现该功能，本文采用MAX232芯片来实现该功能。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专门为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V的单电源供电。MAX232是一种双组驱动器/接