基于gsm的远程家庭智能报警系统

摘要随着生活水平的提高,人们对自我财产的保护意识逐渐增强,同时伴随着现代科技逐步走进人们的生活,智能家居应运而生。报警系统作为智能家居的一部分备受人们重视，而市场上的报警系统的设计虽日渐成熟，但依然有缺陷。本设计独辟蹊径，运用加速度传感器作为主要感知层，这样不用限制门窗的材质,使报警系统更加完善。本设计针对现有的GSM无线网络，介绍了基于GSM的远程家庭智能报警系统的设计及实现方法。利用各种传感器，如温湿度传感器、加速度传感器等对家中可能出现的各种意外情况进行采集，并通过组建的家中内部无线网络及时向单片机进行中断报警。GSM模块在单片机控制下，利用GSM网络，将各种报警信息通过短信的方式发送到预先设定的手机中，达到了远程无线智能报警的功能。同时,本文在对加速度信号的处理上,采用新的方法,即使用加速度平均值,并设定参考点的思路和方法,有效避免了漏报、误报现象的产生，是系统更加稳定。经过测试，该系统经济、可靠、稳定性高。家庭无需为传感器布线，具有广泛的市场推广价值。关键字单片机；加速度传感器；温度传感器DHT11；GSM模块ABSTRACTWITHTHERAISINGOFLIVINGLIFE,MOREANDMOREPEOPLEHAVETHEMINDTOPROTECTTHEIRPOSSESSIONSASTHEMODERNSCIENCEANDTECHNOLOGYGRADUALLYCOMEINTOTHELIFEOFPEOPLE,INTELLIGENTHOUSEHOLDARISESATTHESAMETIMEASAPARTOFTHESMARTHOMEALARMSYSTEMHASBEENGIVENMUCHATTENTIONALTHOUGHTHEMARKETALARMSYSTEMDESIGNISMATURE,ITSTILLHASMUCHWEAKNESSAIMINGATTHEEXISTINGGSMWIRELESSNETWORK，ADESIGNANDSOLUTIONOFREALIZINGLONGDISTANCEHOUSEINTELLIGENTWARNINGSYSTEMBASEDONGSMNETWORKHASBEENINTRODUCEDDIFFERENTKINDSOFCONTINGENCIESGATHERINGBYSENSORSINHOUSEAREREPORTEDTOMCIUINTIMEBYINNERWIRELESSNETWORKGSMMODULEWITHTHECONTROLOFMCUUTILIZESTHEGSMANDSENDTHEWARNINGINFORMATIONBYSHORTMESSAGETOTHEBEFOREHANDFIXEDTELEPHONENUMBERS，ACHIEVINGTHELONGDISTANCEWIRELESSWARNINGFUNCTIONATTHESAMETIME,WEUSEANEWMETHODTOCOMEUPWITHTHEPROCESSINGOFACCELERATIONSIGNALWEUSETHEAVERAGEACCELERATIONANDTHEIDEASTHATSETSTHEREFERENCEPOINTAFTERTESTING，THESYSTEMPOSSESSOFECONOMICAL、RELIABLEHIGHSTABLEQUALITIESTHISMETHODEFFECTIVELYAVOIDTHEMISTAKE,WITCHMAKESTHESYSTEMMORESTABLEAFTERTESTING，THESYSTEMPOSSESSOFECONOMICAL、RELIABLEHIGHSTABLEQUALITIESFURTHERMORE，THEREISNONEEDWIRINGFORSENSORS，SOTHESYSTEMHASABROADVALUEOFBUSINESSPOPULARITYKEYWORDSMCU；MMA7455；DHT11；GSMMODULE目录1引言111国内外现状112设计目的与意义113系统结构流程图22硬件设计321传感器的选型3211MMA7455I加速度传感器3212DHT11温度传感器722PT2262/2272无线收发模块1123AT89S52单片机模块13231AT89S52单片机概述13232AT89S52单片机的典型功能1824GSM模块203软件设计2231系统软件设计的总体思路22311主函数软件设计流程图22312基于C语言的程序调试2332系统各功能模块的软件设计29321温度传感器DHT11的软件设计29322加速度传感器MMA7455的软件设计29323IIC通讯协议30324液晶显示的软件设计31325GSM模块中的AT指令324系统调试3541液晶显示3542GSM的调试3543加速度传感器的调试3744DHT11温湿度传感器385总结与展望4051总结4052展望40参考文献42致谢44附录一原理图45附录二程序461引言11国内外现状在目前国内现代化居住格局日益封闭的情况下，财产安全问题显得尤为重要。当前安全防范及报警系统是确保住宅、财产安全的重要的途径之一，同时也是数字化家庭的重要组成部分。当遇到盗窃、失火、煤气泄漏等紧急情况时，及时通过通信系统完成报警以及提示就显得尤为必要。目前的、家居报警系统领域多用到开关振动、超声波、红外探测、门磁开关等类型的传感器，其在应用过程中暴露出诸多的缺点首先，传感器价格昂贵，体积庞大，难以集成。比如超声波传感器，体积大，市场价在8元左右，操作复杂，易受干扰；其次，误报现象比较严重，困扰人们的生活，比如我们家里面电车或者汽车上常用的震动型传感器，在人不小心碰到时就会发出刺耳的警笛声，虽然起到了一定的报警作用，但是给人的生活带来很大困扰，并且当人距离报警声音传播范围之外时，亦无法知道车辆的安全状况。另外，市场上并没有一种专业的报警系统，能让人随时随地的知道家庭公司等安全状况，并能够显示警情位置，警情级别等。同时大多数的报警系统采用红外传感器和门磁开关配合使用，而门磁开关主要由开关和磁铁两部分组成，开关部分由磁簧开关经引线连接。定型封装而成；磁铁部分由对应的磁场强度的磁铁封装于塑胶或合金壳体内。当两者分开或接近至一定距离后，引起开关的开断从而感应物体。因而门磁开关只适合非铁质的门或窗，但现代家居设计中,大部分使用的都是铁质合金，门磁开关的应用范围大大地受限。12设计目的与意义基于单片机的智能家居防盗系统着重于对家中涉及安全的因素进行监控和报警,用到的传感器有加速度传感器、温度传感器、烟雾传感器；控制期间使用AT89S51单片机；并且采用无线网络GSM节点，采用直接发送短信或拨打电话的方式直接向户主报警。使得报警更加快捷方便，同时不用布线，避免了维修的复杂性。同时本设计介绍了一种由嵌入式报警主机、无线发射装置，手机终端，无线传感器网络节点构成的智能报警系统。首先本系统采用新型的加速度传感器，能够将门窗的震动和移动两种状态区别开来，当门窗产生震动而没有发生位移时,通过程序计算没有达到位移门限就判断为没有异常情况发生。当门窗发生移动时，说明家中可能已经被盗处以较危险的情况，此时告知户主，拉响警笛，这样就解决了传统报警系统给人们生活带来的干扰。同时我们将温度传感器布防在厨房、客厅的等地方，通过无线通信技术形成一个传感器网络，与家庭嵌入式主机系统通信。当某个传感器被触发时，就会向主机发送信号，主机通过接收到的信号判断警情地址，警情级别做出相应的判断后，通过GSM模块儿发送相应的信息，信息被手机捕获经软件分析后，发出语音告知机主。13系统结构流程图本设计主要由三大部分组成，分别为感知网络、控制主机、客户终端。该框图详细的说明了该设计的工作流程，我们的产品分为两部分，有家庭传感器节点组成的感知网络，传感器信号经MCU分析后由2262配置一个唯一的地址，将信号发给家庭主机，经分析后经GSM模块向手机发射出相应的语音报警信息，告知机主。加速度传感器MCU温度传感器MCU227222622262MCUGSM图11系统结构流程图2硬件设计本系统的硬件主要是由传感器网路、PT2262/2267无线收发模块、MCU控制器、GSM模块组成。下图是总体硬件结构加速度传感器温度传感器MCUGSMPT26/7户主图21系统硬件结构传感器部分主要是采集家中安全信息，如温度、门窗的移动情况，而本设计最有特色的部分也在于传感器的选择，采用新型的加速度传感器，使防盗模块更完善；AT2262/2272是用于无线连接传感器与单片机的部分，此部分避免了防盗系统大量的布线工作；单片机主要是对采集信息的处理、判断并做出相应的处理过程，是整个系统的大脑；GSM模块主要是用于联系用户，现代在手机十分普及的背景下，采用GSM模块进行短息或语音通话直接通知户主家庭安全情况，会非常快捷，使得家中安全情况得到及时处理。下面对各部分硬件进行详细说明。21传感器的选型211MMA7455I加速度传感器2111MMA7455工作原理及引脚功能本设计使用的是飞思卡尔公司的MMA7455I，飞思卡尔公司有稳定的人员队伍。该公司在全球30个国家拥有24000多名研发和设计人员，人员结构知识化，年轻化，有稳定的教师和辅助人员队伍。其中，天津飞思卡尔公司拥有40多名研发和设计人员，90以上拥有研究生学历。该公司在全球30个国家拥有多家公司。飞思卡尔全球有9个全资生产工厂，一个合营生产设施，还有与第三方生产商建立的诸多合作关系等。飞思卡尔根据轻资产ASSETLIGHT战略，有选择地将内部生产能力集中在处于领先地位的细分化或专业加工工艺上，由第三方工厂提供标准工艺技术，作为内部资源的补充。1992年，飞思卡尔公司开始在天津开展业务，包括在天津的封装和测试运行部门，北京、苏州和天津3个研发中心，北京、上海和深圳3个销售办事处。天津工厂成立于1992年，是飞思卡尔拥有的两个大型芯片测试和封装工厂之一。该工厂占地400,000平方英尺，从2001年开始投入生产。工厂每周生产超过900万个微控制器、混合信号和射频设备。该公司可提供生产实习、毕业设计的实习设备和场地。飞思卡尔公司有坚实的科研和技术生产活动。该公司的客户包括摩托罗拉的个人通讯事业部，以及一些其它消费和汽车电子厂商。2006年，飞思卡尔在下列领域居于市场领先地位汽车（全球汽车半导体产品市场份额位居第一）、网络（全球网络通信处理器市场份额第一；全球用于蜂窝基站的射频功率产品市场份额位居第一）、工业控制器、消费电子产品（微控制器和嵌入式处理器市场份额位居第二）和无线产品（无线通信应用专用标准产品市场份额位居第四；蜂窝手机数字基带半导体产品全球市场份额位居第四）。公司为客户提供广泛多样的辅助设备，连接各种产品、网络和真实世界的信号如声音、振动和压力等。产品包括传感器、射频半导体、功率管理及其它模拟和混和信号集成电路。飞思卡尔全球现有1万个终端客户，其中包括由公司自己的销售队伍服务的100多家知名的原始设备生产商，以及通过数千个代理商网络服务的其他终端客户。2004年，摩托罗拉半导体部成为飞思卡尔半导体。例如，开发出了许多关键产品类别，包括通信处理器、微控制器、固态加速度传感器、蜂窝式半导体和模块等。摩托罗拉半导体部一直引领加工工艺技术的发展，从率先使用200毫米硅片、铜连线技术、绝缘体上的硅芯片SOI到硅锗碳，为客户带来了性能更高、性能更低的产品。因此选用飞思卡尔公司的传感器是十分可靠的选择。MMA7455是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1或INT2）检测0G，以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0G偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。客户可使用指定的0G寄存器和GSELECT量程选择对0G偏置进行校准，量程可通过命令选择3个加速度范围（2G/4G/8G）。MMA745XL系列具备待机模式，使它成为以电池为电源的手持式电子器件的理想选择。MMA7455数字三轴加速度传感器模块核心为飞思卡尔公司的MMA7455L数字三轴加速度传感器，该模块设计使用官方推荐设计，板卡线路经过高电磁兼容设计和优化，具有输出精确，体积小，工作可靠，各种标识清晰，扩展性好等特点。MMA7455L芯片安装在带DIP插脚的印刷电路板（PCB）上，它允许客户将其集成到特定的设计应用对产品进行评估。这样客户就能够在他们自己硬件和软件环境内灵活地评估器件。MMA7455I是三轴小量程加速传感器是检测物件运动和方向的传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值。后面的图片示出了它们的关系。各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下（0G），其输出为165V。如果沿着某一个方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压。用单片机的IIC/SPI接口方式读取数值，就可以检测其运动和方向。图22MMA7455实物图各引脚功能PIN输入电压,同时可以接到单片机AD参考电压端；PIN2可选5V电源；PIN3、GND电源地；PIN456、NC悬空管脚；PIN7、CSSPI片选管脚，低电平有效；PIN8、INT1中断1/数据准备就绪；PIN9、INT2中断2；PIN10、MISOSPI管脚MISO；PIN11、MOSISPI管脚MOSI；PIN12、CLKSPI管脚CLK；图23MMA7455的外围电路2112用加速度传感器测量位移的原理与误差分析MMA7455I是一种差容式伺服加速度传感器，它采用先进的集成电路表面加工技术，将敏感元件和信号调理电路集成在单片集成电路上，组成一个完整的加速度测量系统安装时使加速度传感器的敏感方向与门窗运动的方向平行，由于重力加速度G的作用，当加速度传感器不运动时，其输出为1G，即传感器的零点偏置不是0，此时加速度输出值现对于参考点的位置有正有负。设AT,VT,DT和T分别是门或窗运动的加速度、速度、位移和采样的总周期，GT为重力加速度。当门或窗运动时，水平方向的加速度传感器的输出为ATAT21此时GT的变化是很小的,可看做是常数。作零点校正一般采用测量前先存储零点值，计算时将测量值减去零点值的方法。这里根据门窗运动的特点，提出一种简单方便的方法，用这种方法可以实现加速度传感器的动态零点校正。由于加速度传感器的输出采用了零点校正，因而只需考虑门窗运动的加速度积分得门窗运动的速度。22TDAVT0若将看成下始点的初始速度，则于是同样，位移可以通过对速度积分得到23TDVDT0那么门窗的相对位移用加速度传感器测量位移的算法可简要表述为将一个周期的加速度的测量值减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的加速度积分得到速度,将所求速度减去其平均值，令边界条件为零，对修正后的速度积分即得到相对位移。212DHT11温度传感器本设计使用的是温湿度传感器DHT11，DHT11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。它应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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，线性温度传感器是线性化输出负温度系数（简称NTC）热敏元件，它实际上是一种线性温度电压转换元件，就是说通以工作电流（100UA）条件下，元件电压值随温度呈线性变化，实现了非电量到电量线性转换。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。图24DHT11实物图每个DHT11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OTP内存中，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。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，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则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。综上所述，DHT11可以测量相对湿度和温度，可以全部校准，并且直接转换成数字信号输出，此模块具有卓越的长期稳定性，无需额外添加部件，可以实现超长的信号传输距离，超低能耗，是四脚安装的，可以完全实现互换。DHT11的应用范围有暖通空调设备、汽车领域、消费品、气象站、湿度调节器、测试及检测设备、数据记录器、自动控制、家电领域、医疗器械等等。在本设计中，DHT11主要是用来监测室内温度状况，当家中有火灾发生时，居室中温度升高，当温度超过一定的温度阀值时，温度信号被传感器采集到发送给单片机，单片机经过处理、判断，执行报警，有效地避免灾情进一步发生。表21DHT11的性能说明参数条件MINTYPMAX单位111分辨率888BIT重复性1精度12量程范围050响应时间1/E63650S使用DHT11时需要注意避免结露情况下使用。长期保存条件是在1040，同时湿度需在60。超出建议的工作范围可能导致高达3RH的临时性漂移信号。返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复，要加速恢复进程。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。表22DHT11各管脚功能PIN名称注释1VDD供电355VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中会使性能降低。DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量,推荐使用高质量屏蔽线。手动焊接，在最高260的温度条件下接触时间须少于10秒。MCUDHT111PIN2PIN3PIN4PIN悬空DATAVDDVDDGND5K图25DHT11应用电路此电路即为本设计中DHT11的应用电路。当传输距离小于20米时使用5K的上拉电阻，当传输距离大于20米时上拉电阻做相应的改变。DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4MS左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下一次完整的数据传输为40BIT，高位先出。数据格式8BIT湿度整数数据8BIT湿度小数数据8BI温度整数数据8BIT温度小数数据8BIT校验和数据传送正确时校验和数据等于“8BIT湿度整数数据8BIT湿度小数数据8BI温度整数数据8BIT温度小数数据”所得结果的末8位。1其通讯过程如下如所示图26通讯过程总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束，然后发送80US低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待2040US后,读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40BIT的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。图27开始传送数据总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80US,准备发送数据，每一位数据都以50US低电平时隙开始，高电平的长短定数据位是0还是1。格式见下面图示，如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一位数据传送完毕后，DHT11拉低总线50US，随后总线由上拉电阻拉高，进入空闲状态。图28数字0信号表示方法图29数字1信号表示方法测量分辨率分别为8BIT（温度）、8BIT（湿度）。上面各图说明了DHT11在工作时的时序图，也有助于之后编程时调用延时的时间。22PT2262/2272无线收发模块由于本设计成本和本人的能力有限，在本设计的实际硬件中没有用到此模块，但这一模块在原始设计的理念中是不可或缺的一部分，因为这一部分可以有效避免不必要的布线问题,同时也便于传输出现故障时进行有效快捷的维修。因此，在此论文中对这一模块进行详细地说明是十分必要的，同时也可提高我的知识面。PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位A0A11三态地址端管脚悬空，接高电平，接低电平，任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位D0D5数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHZ的高频发射电路不工作。当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHZ的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHZ的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100的调幅。图210PT2262无线发射模块2262无线发射模块电路图，该电路由A0A5可以配置该芯片地址，当2272的设置的地址与其相标配时，才能接收到信号。控制D0D7的高低电平配置可以发相应的数据，比如我们可以经D0口经过模拟电路与单片机相连，此时若P10口为高电平此时2262工作，并将D0高电平的信号发射出，经2272解码后将信息翻译处理来。发射电路有DOUT口经驱动电路经红外发射头发出。图211PT2272无线接收模块U12为一体化红外接收头，接收到信号后，经2272解码，将信息经D0D3口输出，我们通过电路设置使不同的传感器电路，触发2262不同的数据I/O口，这样单片机通过采集2272的数据接口就可以知道报警传感器的位置，从而坐车相应的处理。图212PT2272无线接收模块设置地址码的原则是同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。PT2262/2272芯片的地址码的设定在通常使用中，一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，例如将发射机的PT2262的第2脚接地第3脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要第2脚接地第3脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。用户可将这些信号加一级三极管放大，便可驱动继电器等负载进行遥控操纵。23AT89S52单片机模块231AT89S52单片机概述单片机是把组成微型计算机的各个功能部件，如中央处理器、随机存储器、只读存储器、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通信接口电路等集成在一块芯片上，构成一个完整的微型计算机。通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算；技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力；技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。比较普通计算机和嵌入式计算机的差异，说明这是由于它们应用场合和应用环境的不同而造成的，而单片机则属于低端嵌入式计算机。单片机的硬件简单，字长一般为8位，也有16位的，存储空间最小。集成的片内外设比较丰富。由于硬件的局限性，导致软件上就不能太大，采集速度低。难以完成复杂的实时运算。单循环式，一般没有操作系统。单片机具有小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表。面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，从而获得最佳性价比。抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣条件下都能可靠地工作，这是其它机型所无法比拟的。可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高。单片机的应用场合也非常广泛，小巧灵活、成本低、易于产品化。它能方便地组装成各种智能式控制设备以及各种智能仪表。面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，从而获得最佳性价比。抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣条件下都能可靠地工作，这是其它机型所无法比拟的。可以很方便地实现多机和分布式控制，使整个系统的效率和可靠性大为提高。机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子还有分式系统的前端模块等等。ATMEL公司生产的具有FLASHROM的增强型51系列单片机目前在市场上仍然十分流行，其中AT89S系列十分活跃。AVR单片机是ATMEL在90年代推出的精简指令集RISC的单片机，跟PIC类似。使用哈佛结构。是增强型RISC内载FLASH的单片机。AVR的单片机广泛应用于计算机外部设备，工业实时控制，仪器仪表，通讯设备，家用电器，宇航设备等各个领域。近年来单片机的发展非常快，纵观单片机的现状及历史，其发展趋势正朝着大容量、高性能化、小容量低价格化、外围电路内装化、多品种化及增强I/O接口功能、降低功耗等方面发展。为满足不同的用户要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。在CPU的功能上更加完善和强大，比如采用双CPU结构，提高处理能力，增加数据总线的宽度，使处理数据的能力明显优于一般的8位单片机，同时采用流水线结构和RISC体系结构。在存储器方面加大存储容量，实行程序保密化。现在常规的单片机普遍都是将中央处理器CPU、随机存取数据存储RAM、只读程序存储器ROM、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW脉宽调制电路、WDT看门狗、有些单片机将LCD液晶驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，可实现的功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。MCS51系列的8031推出时的功耗达630MW，而现在的单片机普遍都在100MW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS互补金属氧化物半导体工艺。80C51就采用了HMOS即高密度金属氧化物半导体工艺和CHMOS互补高密度金属氧化物半导体工艺。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。本设计中使用的是AT89S52单片机。AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLSAH存储器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89S52主要功能列举如下拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHZ）、内部程序存储器（ROM）为8KB、内部数据存储器（RAM）为256字节、32个可编程I/O口线、8个中断向量源、三个16位定时器/计数器、三级加密程序存储器、全双工UART串行通道。AT89S52单片机的特性是与MCS51兼容、拥有4K字节可编程闪烁存储器，它的寿命一般为1000写/擦循环、数据保留时间为10年、全静态工作时工作频率是0HZ24HZ、拥有三级程序存储器锁定和1288位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路。图213AT89S52单片机2311AT89S52单片机管脚说明P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。表23P3口特殊功能口管脚I/O口备选功能10P30RXD串行输入口11P31TXD（串行输出口）12P32INT0（外部中断0）13P33INT1（外部中断1）14P34T0（记时器0外部输入）15P35T1（记时器1外部输入）16P36WR（外部数据存储器写选通）17P37RD（外部数据存储器读选通）复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时RST间。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。ALE在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每个机器PSEN周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），VA/不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。1XTAL来自反向振荡器的输出。22312AT89S52单片机的振荡器特性和芯片擦除XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10MS来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C52设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。232AT89S52单片机的典型功能2321中断系统中断系统是计算机中的一项很重要的技术。中断系统的主要功能是为了解决快速CPU与慢速的外设之间的矛盾，它是由硬件和软件组成的。有了中断系统，能使计算机的功能更强、效率更高、使用更加灵活方便。下面简单介绍中断系统的组成、处理过程及其应用。52单片机总共有6个中断源。外部中断有/INT0、/INT1，其中中断请求是由P33、P33引脚输入的，可选择低电平有效或沿下降沿有效。内部中断源有T0、T1、T2溢出中断和串行口中断源。不同的中断源有不同的中断矢量，当某个中断源的中断请求被响应后，CPU将通过硬件自动地把相应的中断源的中断入口地址装入PC中，即从此地址开始执行中断服务程序。因此，使用时一般在此地址单元中存放一条跳转指令，当CPU响应中断是，使单片机自动执行相应的入口地址的跳转指令，然后再通过该跳转指令至用户安排的中断服务程序的入口处。表24中断入口地址中断源中断入口地址/INT0（外部中断0）0003HT0（定时器0）000BH/INT1（外部中断1）0013HT1（定时器1）001BH串口输入/输出0023H定时器2002BH中断处理过程分为三个阶段，即中断响应、中断处理、中断返回。下图为中断响应过程中硬件自动完成的流程图，如果中断响应条件满足，而且不存在中断受阻，CPU将响应中断呢。在此情况下，CPU首先使被响应中断的“优先级激活”触发器置位，以阻断同级和低级的中断。开始中断响应条件是否满足中断源发出中断申请把PC断点地址压入堆栈相应中断源的中断，入口地址送入PC，转向中断服务程序中断是否受阻退出中断响应NY图214中断响应过程然后，根据中断源的类别，在硬件的控制下内部自动形成长调用指令，此指令的作用是首先自动将断点压入堆栈，但不自动保存PSW的内容，然后将对应的中断源的入口地址装入程序计数器。CPU中断响应结束后即转到中断服务程序的入口地址，从执行中断服务程序的第一条指令开始到执行RETI返回指令为止，这个过程成为中断处理或中断服务。2332单片机串行口串口通信是计算机与外界交换信息的一种基本通信方式。52单片机中的串行接口是一个全双工通信接口，即能同时进行数据的发送和接收。它可作伪通用异步接收和发送器使用，也可以用作同步移位寄存器，其帧格式和波特率均可通过软件编程设置，在使用上非常方便灵活。串行通信的基本特征是数据逐位顺序进行传送串行通信的格式及约定（如同步方式、通讯速率、数据块格式、信号电平等）不同，形成了多种串行通信的协议与接口标准。单片机接收数据的过程是当CPU允许接收（即SCON的REN位置“1”）且接收中断标志RI复位时，就启动一次接收过程。接收数据时，外界数据通过引脚P30（RXD）串行输入，数据的最低位首先进入输入移位寄存器，一帧数据接收完毕再并行送入到缓冲器SBUF中，同时将接收中断标志RI置“1”。当用软件将输入的数据读走并将RI复位后，才能再开始下一帧数据的传送。发送数据的过程为当发送中断标志位TI复位后，CPU执行任何一条写SBUF指令，就启动一次发送过程。CPU在执行写SBUF指令的同时启动发送控制器开始发送数据，被发送的数据由TXD引脚串行输出，首先输出最低位，当一帧数据发送完即发送缓冲器空时，CPU自动将发送中断标志TI置1，当软件将TI复位时，同时又将下一个数据写入数据缓冲器后，CPU再次重复上述过程直到数据发送完成。24GSM模块本设计使用的是西门子公司生产的TC35I。TC35I是SIEMENS公司推出的无线通信GSM模块，可以快速安全可靠的实现数、语音传输、短消息服务SMS和传真。模块工作电压为3355V，可以工作在900MHZ和1800MHZ两个频段，所在频段功耗分别为2W900MHZ和1W1800MHZ。模块有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息、第三组的二类传真、以及24K、48K、96K的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话、漫游检测功能，常用的工作模式由省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，可分别连接SIM卡支架和天线。TC35I模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口留部分组成。作为TC35I的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模块和数字功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR、EFR语音信道编码。目前，国内已经开始使用的GSM模块有很多，而且这些模块的功能、用法差别不大。本设计采用西门子TC35系列的TC35I，这种无线模块功能上与TC35兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。TC35I与GSM2/2兼容、双频（GSM900/GSM1800）、RS232数据接口，该模块及射频电路和基带与一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。TC35I模块主要由GSM基于处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。通过ZIF连接器与单片机实现电路接口，该接口读取或发送TC35I模块中的数据，将是本文论述的重点，也是TC35I应用的核心。单片机与TC35I的软件接口其实就是单片机通过AT指令控制手机的控制技术，首先设置TC35I模块的工作模式ATCMGFN，N0为PDU模式；N1为文本模式；通常设置为PDU模式，在这种模式下，能传送或接受透明数据（用户自定义数据）。ATCMGRN为读TC35I模块短消息数据，N为短消息号。ATCMGLN为列出TC35I模块内的短消息，N0是未读的短消息，N1位已读的短消息，N2位未发送的短消息，N3为已发送的短消息N4为所有短消息。ATCMGDN为删除TC35I模块的短消息，N为短消息编号。软件编程通过向TC35I写入不同的AT指令能完成多种功能，如网络登陆、读取SIM卡上电话号码、发送SMS消息、接收SMS消息等。常用的AT指令我们将在软件设计中详细说明。3软件设计31系统软件设计的总体思路311主函数软件设计流程图整个系统主要的分为两个状态主人在家状态、主人不在家状态。当主人在家时，报警系统仅对温度传感器和烟雾传感器进行监视；当按下主人不在家的按键时，系统就进入到主人不在家状态，对家中的门窗、温度、烟雾等作一系列的监控，一旦有意外发生能及时通知户主采取急救措施，有效避免灾情进一步发生。程序是由主程序、开机初始化模块、主人在家状态模块、延时和定时器模块、无人在家状态模块、传感器检测模块、串口初始化和GSM通信模块组成。（1）主程序。单片机上电后即执行主程序。主程序调用开机初始化模块，之后确定用主人是否在家模块，确定要工作的状态。（2）开机初始化模块。该模块控制所有模块的指示灯点亮以确定所有模块都正常工作，同时对单片机内部特殊寄存器进行赋值，设置完毕后进入主人在家状态，只有当系统复位后此模块才会再次被调用。（3）主人在家状态模块。该模块调用对输入的定时扫描，在家中温度或烟雾浓度出现异常情况是报警，同时可在按键控制下转入到无人在家模块。该模块桶用探测器检测模块、延时和定时器模块相结合防止探测器的误触发，提高系统可靠性。（4）延时和定时器模块。该模块包含软件延时子函数及设置并启动定时器的子函数以达到对键盘的定时扫描。（5）无人在家状态模块。该模块调用传感器检测模块、延时和定时模块对外部输入进行检测，在传感器被触发的情况下发出警报并进入发送短信模块。（6）传感器检测模块。采用定时扫描的方式进行实时检测防止报警被误触发，想主人在家状态模块和无人在家状态模块返回各输入口状态。（7）传感器检测模块。传感器主要是由MMA7455I加速度传感器、温度传感器和烟雾传感器组成，对家中情况进行监控，并做简单的信号处理。（8）串口初始化和通信模块。该模块对在进入发送短信状态时对串口进行初始化，负责与串口数据的收发，并在发送短信完毕时对特殊寄存器和全局变量进行设置。防止由于某些传感器一直处在触发状态而引起的短信重复发送。（9）GSM发送短信模块。该模块通过调用串口初始化和通信模块与GSM模块发送AT指令控制其发送短信。开始初始化采集温度、烟雾传感器数据采集所有传感器数据判断主人是否在家是否有异常情况通过GSM模块报警继续监控YN图31系统程序结构312基于C语言的程序调试C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所于1972年推出。1978后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。C是高级语言。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。C语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。C也是一种结构式语言。结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的信息交流外彼此独立。这种结构化方式可使程序层次清晰，便于使用、维护以及调试。C语言是以函数形式提供给用户的，这些函数可方便的调用，并具有多种循环、条件语句控制程序流向，从而使程序完全结构化。C语言功能齐全。具有各种各样的数据类型，并引入了指针概念，可使程序效率更高。而且计算功能、逻辑判断功能也比较强大，可以实现决策目的的游戏。同时C语言适用范围大，适合于多种操作系统，如WINDOWS、DOS、UNIX等等；也适用于多种机型。C语言对编写需要硬件进行操作的场合，明显优于其它高级语言，有一些大型应用软件也是用C语言编写的。指针是C语言的一大特色，可以说是C语言优于其它高级语言的一个重要原因。就是因为它有指针，可以直接进行靠近