单片机与GSM模块

湖北师范学院HUBEI NORMAL UNIVERSITY课程设计论文Courses Thesis课程名称单片机技术实用教程论文题目单片机与手机短信收发系统设计学生姓名学 号指导教师所在院系专业名称完成时间2010年12月21日摘 要本设计主要研究如何由单片机控制GSM模块实现短信收发。系统的设计包括硬件、软件设计，本设计只对硬件进行讨论、设计中首先介绍了SM网络和短消息在现阶段的应用情况，并简单介绍短消息业务及其优缺点，特别对短消息的关进技术给出了详尽的描述和说明、然后对系统主要组成部分SM手机模块、单片机及他们的外围电路设计进行阐述。最后给出了胸的软件设计流程。关键词： 单片机 短消息 GSM AT指令Abstract This design is mainly studied how to realize by single-chip microcomputer control GSM module SMS transceiver. The design of the system include hardware, software design and the design of hardware only discuss, design firstly introduces SM network and short message at present application situation, and simple introduction short message service and their advantages and disadvantages, especially to the short message of put into technology gives detailed description and explanation, and then to systemic primary part cell phone module, a single chip microcomputer SM and their outer circuit design was presented. Are given in the chest of software design flow.Keywords: SCM(Single-Chip Microcomputer) short message GSM mig-at instructions 目录1 前言11.1 概述11.2 系统设计任务分析22 短消息简介22.1 短消息概述22.1.1 短消息业务分类32.1.2 短消息业务的优缺点32.2 短消息技术分析42.2.1 AT(Attention)指令集42.2.2 短消息模式及编码方式53 系统硬件介绍及设计113.1系统电源电路113.2 TC35模块极其外围电路介绍123.2.1 TC35模块介绍123.2.2 TC35模块外围电路153.3 单片机外围电路设计153.3.1 单片机介绍153.3.2单片机通信电路194 系统程序设计195 结论21参考文献21201 前言 1.1 概述随着GSM网络的迅速普及，GSM网络在全国范围内实现联网和漫游，它比起传统的无线网络在覆盖上具有无法比拟的优势，使用上用户无需另外组网，对用户的数量也没有限制，几大提高网络的覆盖范围，也克服了传统的专用网通信系统投资成本大，维护费用高等缺点。现在，运用此网络开发和应用新技术、新业务已经提到十分重要的位置。短消息服务SMS业务作为GSM网络的一项基本业务，以其传递信息方便，借个低廉，实时性强性能稳定，抗干扰能力强，可远距离无线传输等优点，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。GSM模块是继GSM手机外又一种非常重要的GSM移动通信系统终端设备。它是传统天之解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备，也称为GSM Modem。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网络数据通信及应用的大门。GSM模块在短消息方面的应用最具优势，具有永远在线，不需要拨号、价格便宜、覆盖范围广等特点，能实现无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等，特别适用于需频繁传送小流量数据的应用，被广泛应用于远程数据采集、监控/检测、报警/预警、车辆调度安全导航、企业数字化管理与信息发布等诸多领域，可以开发出多钟前景极为乐观的各类应用，应用前景广泛。应用结构如图1所示。图1 应用结构框图1.2 系统设计任务分析 本系统主要研究如何运用GSM手机模块在计算机终端实现短信息的收发。设计中采用STC 89C52单片机和Siemens公司的GSM模块TC35实现具有短信手法功能的GSM Modem原型。通过RS232串口将该Modem与PC机相连，并在PC机上开发前台软件，实现中英文短信点对点的双向收发，从而实现与用户手机或GSM模块的远程通信功能。系统设计由两大部分组成；硬件设计与软件设计。硬件设计主要研究单片机对GSM模块控制，及单片机与计算机通信。此处主要研究系统硬件部分，该部分包括TC35通信模块电路、电源电路和单片机系统。TC35通信模块电路由IGT启动电路、SYNC指示灯电路、SIM卡电路组成；单片机系统则包括单片机最小系统、单片机与TC35通信电路、单片机与PC机通信电路。系统结构如图2所示。图2 系统硬件结构图2 短消息简介2.1 短消息概述 短消息是移动终端通过移动网络收发简短文本信息的一种通信机制。文本信息可以是汉字，数字，字母或者符号以及他们的组合。随着GSM移动网络的发展，越来越多的用户认识到GSM短消息业务的好处，短消息已成为GSM通信中的重要组成部分。短消息业务具有向移动用户收发由字符或数字组成、不超过140字节文本信息的能力。短消息采用了存储转发模式，短消息被发送出去先存储在短消息业务中心你，再又短消息业务中心根据寻找道德目标移动终端的路由信息发送给目标移动终端。因此GSM短消息的传递是有保证的，即使一个目的移动终端暂时不可达，网络也会保留发给它的消息并等到该移动终端又出现在网络中后再传递。2.1.1 短消息业务分类短消息业务按其实现方式可以分为点对点短消息业务和小区广播短消息业务。通常提到的短消息业务主要是指点对点短消息。本文涉及的短消息一万五也是指点对点短消息业务。点对点短消息业务能够使GSM网络用户发出或接受长度有限的数字或文字消息，并且短消息的收发不影响通话。短消息可以是从一个移动终端发送到另一个移动终端，从一个计算机到一个移动终端，或者相反。点到点短消息业务由短消息业务中心完成存储和转发功能。点对点消息的发送或接受应在呼叫状态或空闲状态下进行，由控制信道传送短消息业务。小区广播短消息业务是将消息发送给该小区中有能力接受短消息并注册了该项信息服务的活跃移动终端，发送如交通信息、天气预报、股市行情、新闻等消息。2.1.2 短消息业务的优缺点我们可以把短消息业务当作是GSM系统中最为简单和方便的数据通信方式，它不需要附加其他较为庞大的数据终端设备。仅使用手机就可以达到进行中、英文信息交流的目的。短消息具有一下几个优点：（1） 点到点的通讯方式。只要知道对方的手机号码，就可以直接向对方的手机发送短信息。回复信息也是如此。这样的工作方式使得手机如同Internet网络中拥有固定IP地址的计算机一样，可以随时地与它建立联系。（2） 收费低廉。资费问题始终是消费者最关心的。尽管语音业务资费不断下调，但相对短消息服务来说还有很大差距。无论距离的远近，发一条短消息收费0.1元，。消费服务单向收费，接收方免费，价格优势明显。这些对某些消费全体都具有很大的吸引力。（3） 时时在线。只要手机处于开机状态，那么随机就可以接收短消息，同时，用户可以随时发送短消息，看可以说是24小时在线。另外，短消息服务中心能够存储信息，对由于关机或其他原因而没有收到的短消息临时存储，只要提交短消息时间有效期设置恰当，等到在开机后任然可以接受此短消息。（4） 多种数据承受能力。短消息服务有三种模式：块模式、文本模式和PDU(Protocol Description Unit)模式。其中，PDU模式时下最为流行，它可以传输文字、声音及图像，特别是现在彩信的出现使人们可以传输彩色照片。随着短消息协议的发展，短消息将来能支持更多样化的数据。短消息的这些优点是目前很多无线网络通讯所不能及的。短消息业务获得了巨大的成功，但其也存在一些弊端与不足之处，主要体现在三方面：（1） 短消息服务中心处理能力不够，每秒只能处理几百条短消息。特别在哥哥节日，像春节、元旦等，短消息业务量急速上升，存在着很长的时延，严重时短消息中心发生阻塞，服务质量下降。（2） 每条短消息长度有限。超过140个字节的短消息则需拆分成多条消息字段传输，增加了服务的成本，并且不利于收信着的查看。（3） 垃圾短信泛滥，对人们的正常生活造成一定影响。2.2 短消息技术分析2.2.1 AT(Attention)指令集单片机与TC35模块通信是通过AT指令。由AT指令可以进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制。AT指令集中有多套指令，包括控制命令、网络业务命令、安全性命令、电话本命令、短消息命令、补充业务命令、数据命令、传真命令、串口命令。本系统中只涉及到短消息和串口命令控制。一般的AT命令都由AT开头，除了发送短消息最后是以+结束外，其余的都是以回车符结束的/。响应形式都是。下面列出了AT命令的语法规则。表一 AT命令的语法规则单片机通过串口直接向TC35模块发AT命令，能完成多钟功能。如网络登录读取SIM卡上的电话号码、发送SMS消息、接受SMS消息等。这样就可以方便简洁地事项短消息的收发、查询和管理。由于本设计只涉及短信开发，下面只列出与短消息相关的一些常用的AT指令，如面表2所示：表2 与短消息相关AT指令2.2.2 短消息模式及编码方式GSM07.05协议中电椅了短消息发送的3个模式，用于移动台和终端设备之间通过异步接受传送SMS短消息。收发短消息又分为三种模式：Block模式、Text模式和PDU模式。使用Block机生产厂家提供驱动支持，这种方法现在很少用了。Text Mode是纯文本方式，可使用不同的字符集，从技术上说也可用于发送中文短消息，但国内手机基本上不支持，主要用于欧美地区，也不在本文讨论范围之列。PDU串表面上是一串ASCII码，由0-9、 A-F这些数字和字母组成。它们是8位字节的十六进制数，或者BCD码十进制数。PDU串不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其它信息，如SMS服务中心号码、目标号码、回复号码、编码方式和服务时间等。PDU模式收发短信可以使用3种编码：7-bit、8-bit和UCS2编码。7-bit编码用于发送普通的ASCII字符，8-bit编码通常用于发送数据消息，UCS2编码用于发送Unicode字符。一般的PDU编码由A B C D E F G H I J K L M十三项组成。A：短信息中心地址长度，2位十六进制数(1字节)。 B：短信息中心号码类型，2位十六进制数。 C：短信息中心号码，B+C的长度将由A中的数据决定。 D：文件头字节，2位十六进制数。 E：信息类型，2位十六进制数。 F：被叫号码长度，2位十六进制数。 G：被叫号码类型，2位十六进制数，取值同B。 H：被叫号码，长度由F中的数据决定。 I：协议标识，2位十六进制数。 J：数据编码方案，2位十六进制数。 K：有效期，2位十六进制数。 L：用户数据长度，2位十六进制数。 M：用户数据，其长度由L中的数据决定。J中设定采用UCS2编码，这里是中英文的Unicode字符。下面以发送的字符串是“hello hello”为例，PDU编码如下：08 91 5F0 04 0D C8 2F6 00 00 3210A E8329BFD4697D9EC37PDU编码各组成部分的描述如下表所示：表3 PDU各组成部分说明3 系统硬件介绍及设计在上面系统设计任务分析一节中，已对系统的整体硬件结构进行分析。此处对硬件结构组成部分TC35通信模块电路、电源电路和单片机系统进行详细的介绍。系统整体框图如上图二所示3.1系统电源电路电源电路主要是由L7805和LM317这两个三端稳压电源模块构成的。L7805将输入的直流电压稳压在+5V，输出为整个单片机系统提供工作电压，保证单片机系统的正常工作。LM317是个可调稳压器，它的可调范围是+1.2V至+37V，此处通过1KK和2.2K电阻将其调节在输出电压为+3.6V，输出连接到ZIF连接器的1-5引脚，为TC35模块提供稳定饿电源。电路如图3所示。图3 供电电源电路3.2 TC35模块极其外围电路介绍3.2.1 TC35模块介绍目前，市场上可供选择的GSM模块较多，国内已经开始使用的GSM模块有Falcom的A2D系列、Wavecome的WM02系列、SIEMENS的TC3X系列、爱立信的DM10/DM20系列、中兴的ZXG18系列等，而且这些模块的功能、用法差别不大。其中西门子的TC35系列模块的性价比很高，并且已经有国内的无线电设备入网证。所以本设计选用的是西门子TC3X系列的TC35。TC35模块是性价能通信模块，主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35核心的亟待处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中所有的模拟和数字功能。它由一个混合了信号基带IC，包括所有蜂窝系统模拟和数字功能的单个芯片组成，河西in是C166MCU处理器和数字信号处理器，用来控制模块内的各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是一个单片收发器SMARTi，它由一个外差式接收器、上变频调环路发送器、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器功能块组成，共同完成对射频信号的接受、发送等处理。由于GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3mA，在通话期间电流最大可达2A，这就对供电电路提出了较高的要求。GSM模块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入电源电压VBATT+进行稳压处理后供GSM亟待处理器和GSM射频部分用。GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高，所以直接使用外部的输入电压VBATT+。SRAM用来存储一些用户配合i信息，电话本和其他信息。TC35模块的结构如图4所示。图4 TC35模块结构图TC35模块主要特点如下表所示：表4 TC35主要特性表TC35共有40个引脚，通过一个ZIF连接器要拿出。这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。各引脚功能如表5所示：表5 TC35模块引脚功能表3.2.2 TC35模块外围电路TC35模块外围电路由IGT(Ignition)启动电路、SYNC(Synchronization)指示灯电路、SIM(Subscriber Identification Module)卡电路组成。 （1）IGT启动电路：对TC35模块的控制，IGT信号非常的重要，只有正确的IGT信号才可以使TC35模块正常的运行。模块的时序如图所示：图5 TC35启动时序图启动时序图如上图所示，正确启动模块，需要注意一下几点：l 电源电压必须大于3伏，启动信号才起作用。l 电源电压超过3伏10ms后，启动信号才可变低，切下降沿持续时间不能超过1ms。l 低电平持续时间不少于100ms，在此期间内电源电压不能低于3伏。图6 TC35启动电路为了实现上述时序，可以用过硬件延时电路和软件定时延时两种方法实现，考虑到软件的灵活性，本系统采取软件的方法实现模块的开机。电路如图6所示，单片机的P1.1引脚作为控制，通过一个三极管的开关作用，与TC35的IGT脚相连。当P1.1脚输出高电平时，三极管导通，IGT接地，输入低电平；当P1.1低电平，三极管截止，IGT输入高电平。通过单片机P1.1引脚输出大于100MS的高电平，即可启动TC35模块。（2）SYNC指示灯电路TC35的SYNC引脚有两种工作模式，可用AT命令AT+SYNC进行切换，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35的工作状态，此处使用的是后一种模式，电路如下图所示。当LED熄灭时，表明TC35处于关闭或睡眠状态，当发光二极管为600ms/600熄时，表明SIM卡没有插入或TC35正在进行网络登录；当发光二极管为75ms/3s熄时，表明TC35已登录进网络，处于待机状态。图7 SYNC电路（3）SIM卡电路SIM卡也叫用户识别模块，是一种带微处理器的封装在塑料中的智能IC芯片，它是GS系统中不可缺少的部分，是用户进入GSM网络的登记凭证。SIM卡包含有用户识别信息、辅助业务信息、短消息、移动性信息和无线点资源信息等。GSM系统对SIM卡的物理接口、逻辑接口有明确定义，从而完成与移动终端的连接和信息交换，同时在SIM卡内进行用户信息存储、执行鉴权算法和产生加密密钥等工作。只有移动终端插入SIM卡，才能登录网络并得到服务。SIM卡由CPU、工作存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、数据存储器（EEPROM）和串行通信单元组成，每部分为一个模块，上述5个模块集成在一块集成电路中。通常SIM卡共有8个引脚，通过这些引脚与移动终端接口进行相互间的信息传输，并提供SIM工作是所需的电源。ZIF连接器上有6个引脚为SIM卡接口，如图8所示。表6 SIM引脚说明图8 SIM卡电路3.3 单片机外围电路设计3.3.1 单片机介绍MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括很多品种，如8031、8051、8751、8032、8051、8752等，其中8051是最早、最典型的产品，该系列其他单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯用8051来称呼MCS-51系列单片机，而8031是前几年在我国最流行的单片机。INTEL将MCS-51的核心技术授权给了很多公司，所以很多公司制作以8051为核心的单片机，当然功能或多或少有些改变，用以满足不同的要求，其中89C51、89C52就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由ATMEL公司开发生产的。AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k 字节的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256字节随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS51指令系统及8052产品引脚兼容，内置8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C52单片机适用于复杂控制应用场合，其双列直插(DIP)和PQFP/TQFP封装图如图2.1和2.2所示： 图9 双列直插封装 图10 PQFP/TQFP封装主要性能参数： 与MCS51产品指令和引脚完全兼容 8k字节可重擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 三级加密程序存储器 2568字节内部RAM 32个可编程I/O口线 3个16位定时/计数器 8个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 功能特性概述：AT89C52提供以下标准功能：8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明VCC：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。并且P1.0和P1.1引脚还有第二功能特性 P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出 P1.1T2EX（定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制）P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下所示：端口引脚第二功能 P3.0RXD（串行输入口） P3.1TXD（串行输出口） P3.2INT0（外中断0） P3.3INT1（外中断1） P3.4T0（定时/计数器0） P3.5T1（定时/计数器1） P3.6WR（外部数据存储器写选通） P3.7RD（外部数据存储器读选通）此外，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。3.3.2单片机通信电路在数据通信中，用于接收和发送数据的设备成为数据终端设备DTE（Date Terminal Equipment）；用来连接DTE及数据通信网络的设备称数据通信设备DCE（Data Communication Equipment）。串口通信时，DTE和DTE通信时，引脚RXD与TXD应与TXD应交叉相连；DTE与DCE通信时，相应的RXD、TXD可对应直接相连。系统中，单片机及PC是DTE，而TC35为DCE。下面对单片机与TC35、PC通信电路进行介绍。（1） 单片机与TC35通信电路TC3的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，它符合ITU-T RS232接口标准，它有固定的参数；8位数据位和一位停止位，无校验位，波特率在300bps-115kbps之间可选。单片机可以通过串口直接与TC35进行通信，且DTE（单片机）与DCE（TC35通信模块）可相应的RXD、TXD对应直接相连。但TC35工作电压为3.6V，单片机工作在5V，为了保证数据传输的正确，必须在接口加电平转换电路。电路如图所示图11 单片机与TC35通过电路（2）单片机与PC串口通信电路在单片与PC串口中，PC机串口是RS232电平，其电压值为+12V-12V，单片机是TTL电平，其电压值为0+5V，通信时，两者之间必须有一个电平转换电路，通常采用电平转换芯片将两者电平进行转换。在本系统中，采用MAX232转换芯片实现TTL电平与RS232电平之间的转换。 一般，单片机和PC机通信，只要将TXD、RXD引脚通过转换芯片交叉相连即可以实现。由于单片机89C52内部只有一个串口通信，这个串口已经应用于与TC35通信，需要采用串口与PC通信显然串口资源不够。解决这个问题，可以用串口扩展芯片进行串口扩展，也可以利用单片机普通I/O口，用软件模拟的方法来扩展串口。此系统中，我们采用软件模拟方法进行扩展，用单片机的P1.3和P1.4两个I/O口分别模拟串行口RXD、TXD引脚，并通过定时器0产生延时，得到串行通信的波特率。此设计中模拟的波特率为9600Bps。通信接口电路如图12所示。图12 单片机与PC接口电路4 系统程序设计 本系统程序设计，包括PC界面设计及单片机程序设计。此处只介绍单片机程序设计。单片机程序设计主要是包括单片机及TC35模块初始化程序；单片机对TC35模块的工作控制程序；TC35模块的短信收发程序。其主程序流程图如图16所示。主程序是对整个系统框架的描述。本系统主程序的功能是上电后，完成系统的初始化，然后等待PC端或TC35模块端的命令到达，并根据命令的内容完成相应的动作，如发送或接收短信。系统初始化包括单片机本身及TC35模块的初始化工作。单片机初始化主要是对串口及定时器寄存器进行设置。本系统中，串口设置为波特率9600Bps，并设置定时器0进行延时，用于产生模拟串口所需的波特率。TC35模块的初始化，则通过单片机发送AT指令对TC35模块进行设置。单片机对TC35的控制也是通过AT指令完成的，并由TC35对指令的响应值来做出相应的动作。对短息的接收方式，单片机采用串口中断方式，当串口中断时，便判断是否为新消息提示，从而进行下一步动作。发送短信息则采用查询方式，在主程序中对PC端进行