基于GSM的家居环境监测系统设计毕业设计

1、 存档编号 基于基于 gsm 的家居环境的家居环境监测系统设计监测系统设计 教学学院 物理与电子信息学院 届 别 专 业 电子信息工程 学 号 姓 名 指导教师 完成日期 目 录内容摘要：.1关键字：.1abstract:.1key words: .21.1 选题意义.31.2 系统硬件分析.32 主要业务介绍.42.1 tc35i业务描述.42.2 tc35i与短信有关的命令介绍.52.3 移动通信基本结构描述.62.4 sim 卡基本介绍.62.5 nrf24l01 通信方式的基本描述.73 系统框图介绍.84 硬件设计.94.1 系统电源设计.94.1.1 gsm 电源.94.1.2 主

2、控系统电源.104.2 控制电路设计.104.3 显示电路设计.114.4 电平转换电路设计.124.5 无线通信模块借口电路.134.6 实时时钟电路设计.144.7 硬件报警电路设计.154.8 温度测试电路设计.174.9 家用电器控制电路设计.185 系统软件设计.195.1 整体系统流程图.195.2 串口通信统流程图.215.3 主机与 tc35i通信的软件设计.215.4 nrf24l01 通信软件设计.225.5 ds1302 的时序模拟.235.6 lcd12864 驱动设计.245.7 cpu 控制器 2 号系统流程.265.8 cpu 控制器 3 号系统流程.276 系统

3、调试.286.1 液晶显示器的调试.286.2 串口调试.286.3 系统联调.30结束语.34参考文献.35致谢.36附录：.37附件 1：系统主机电路图.37附件 2：系统从机电路图.38附录 3 （系统部分代码）.39gsm 的底层驱动.39nrf24l01 的底层定义.41nrf24l01 的底层驱动.4212864 的底层驱动及功能函数.46ds1302 的底层驱动及功能函数.52系统 1 号中的功能函数.55系统 1 号中的主函数.58lcd1602 的底层驱动及功能函数.66串行 adc tlc549 的底层函数.70系统 2 号中的主函数.71ds18b20 的驱动及功能函数

4、.73系统 3 号中的主函数.77基于 visual baisc 控制界面的源代码.79内容摘要：内容摘要：随着科技的发展，gsm 网络已经十分成熟，是各类监控系统网络的不错选择。利用 gsm 网络作为远程监控系统的信息传输平台是一种有效的方法，其原理简单，安全保密性高，又不需要组建专用网络和网络维护。本文从硬件和软件两方面详细阐述了基于 gsm 的短消息监控系统。综合了线数据通信、数据采集、串口通信、2.4g 无线发射接收、单片机等技术。本文主要实现手机的查询温度、设置 led 灯的工作状态、设置电风扇的转速、设置实时时间和非正常状态报警等功能。具体是用户手机编辑设置命令，通过 gsm 网络

5、发送给 tc35i 监控模块，tc35i 监控模块在接收到内容后通过主机分析短信内容，然后通过nrf2.4gl01 无线发射模块发送给从位，从机在接收消息后经过单片机分析内容后处理相应的指令，根据短信内容要求实现对应的功能。系统还能识别来信用户，提取来电号码，与之对话。同时兼有信号采集，自动报警等功能。当单片机检测到红外信号时，会自动发送一条短消息给手机；当检测到红外信号倒计时后会自动发送信息给用户报警；本设计的设计成本较低，可以满足一般工业无线远程监控要求，具有很好的性价比。关键字：关键字： gsm tc35i nrf24gl01 无线数据通信 数据采集abstract: with the

6、development of science and technology, gsm network has been very mature, all kinds of monitoring system is the good choice of the network. using gsm network as remote monitoring system of information transmission platform is a kind of effective method, its principle is simple, safe, and dont need hi

7、gh secrecy organized special network and the network maintenance.this article from two aspects of hardware and software are expounded in detail based on gsm of short news monitoring system. comprehensive line of data communication, data acquisition, serial communication, 2.4 g wireless transmitting

8、receiving, microcontroller techniques. this paper mainly realizes mobile query temperature, setting led lamp working condition, the setting of the electric fan speed, the setting of the real-time time and abnormal condition alarm functions. concrete is the user mobile edit settings command, through

9、gsm network to send tc35i monitoring module, tc35i monitoring module at receive content through the analysis after sms content, then through nrf2.4 gl01 wireless transmitting module send from bits in receiving messages from the machine, after the microcontroller analysis content post-processing corr

10、esponding instruction, according to the message content requests to realize the corresponding function. system can identify letter users, extraction, with the incoming call number dialogue. concurrently at the same time signal acquisition, automatic alarm functions. when the scm detected infrared si

11、gnal, will automatically send a short message to mobile phones; when detected infrared signal countdown will automatically be sends messages to users alarm, this design is the design with low cost, can satisfy general industrial wireless remote monitoring requirements, and has a good price.key words

12、: gsm tc35i nrf24gl01 wireless data communication data acquisition1 引言引言1.11.1 选题意义选题意义随着科技的发展，各种电子设备蜂拥而至，如何使自己设计的作品在众多的产品中脱颖而出成为了设计者的考虑的一大内容，设计者既要考虑产品的智能化、实用化，又要考虑产品的外观上的简洁、美观。目前大都的工业控制设备都是有线传输的，这无疑给监控设备的安装、维修和更新带来了很多不便。相对无线设备来说，有线技术依赖物理线路来连接主控和监控。传统设备有着明显的局限性，尤其是当被控制部分所处环境恶劣、现场危险、噪声干扰大、工作人员不宜停留的工作

13、场所，采用有线通信模式显然会付出很大的代价。而 gsm 网络信号遍布在我们周围的各个角落，短信息服务作为 gsm 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视。本设计以 gsm 网络作为远程数据无线传输网络，同时再利用 2.4g 开放频段对家居短距离的多点实现无线监控，最终实现只需要任意部手机就可以实现对系统实现远程监控。为了方便控制，对系统编写了上位机来代替 gsm 工作。系统易于实现，界面友好，操作简单，容易被市场接受。作为最常用的电子设计自动化中控制芯片，该系统采用了最简单、最典型的控制芯片单片机，使得系统更加经济。1.21.2 系统硬件分析系统硬件分析tc35i 新

14、版西门子工业 gsm（global system for mobile communications全球移动通讯系统（全球通） ）模块是一个支持中文短信工业级 gsm 模块，工作在 egsm900 和 gsm1800 双频段，在如今移动网络覆盖全面的今天，gsm 的使用变得简单而可行。tc35i 模块采用串口方式与 cpu 通信，串口是一种可以将接收来自 cpu 的并行数据字符转换为连续的串行数据流发送出去，同时可将接收的串行数据流转换为并行的数据字符供给 cpu 的器件。232 串口电路是传统串行通信方式，简单可靠。系统设计中主要利用了 gsm 的短信功能，利用短信来完成系统的功能设置。nr

15、f24l01 是典型的 2.4g 通信模块，目前 2.4g 产品应用比较广泛，有些芯片性能也很不错，但 性价比不是很高。 nrf24l01 是一款新型单片射频收发器件，工作在 2.4ghz2.5ghz ism 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 shockburst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nrf24l01 功耗低,在以-6 dbm 的功率发射时，工作电流也只有9 ma;接收时，工作电流只有 12.3 ma，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便，并且接口电路简单，因此受到电子设计爱好者的青睐。主控是由常用的

16、 stc89c52 单片机来实现的。在一般的单任务的系统中，系统对 cpu 的要求并不高，并不需要借助于功能强大的arm 内核，采用 11.0592m 的晶振完全可以满足设计者的要求，另外dip 封装的 stc89c52 单片机便于一般的开发者在普通的万能板上进行硬件实现，因此选用 52 单片机来实现主控是比较合理的。2 主要业务介绍主要业务介绍2.12.1 tc35itc35i 业务描述业务描述gsm 数字移动通信系统史源于欧洲。早在 1982 年，欧洲就有几大模拟蜂窝移动系统（“1g” ）经营了。1991 年开通了第一个 gsm 系统（900m hz） ，同时有来自欧洲的 15 个国家参与

17、，标志着“2g”的开始。同年，移动特别小组还完成制定了名为 dcs1800（1800m hz 频段）电信业务规定。对于绝代部分业务二者是通用的，双频切换工作，因此两个系统可通称为 gsm 系统。目前，3gpp 组织还在发展 gsm 标准，以便利用已经大量部署gsm 基础设施，平滑地向 3g 技术演进。gsm 模块采用 at 命令来实现通信。at 即 attention（口令） ，at 命令集是从 teterminal equipment（终端设备）或 dtedata terminal equipment（数据终端设备） 向 taterminal adapter（终端适配器） 或 dcedata

18、 circuit terminating equipment（数据电路终结设备）发送的。通过 ta，te 发送 at 命令来控制 ms mobile station（移动台）的功能 与 gsm 网络业务进行交互。用户可以通过 at 命令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、补充业务、传真等方面的控制。在该系统中主要利用了 tc35i（gsm ）模块中的短信业务来实现系统控制的。数字蜂窝移动通信（gsm）系统是一个 gmsk（高斯滤波最小频移键控 gaussian filtered minimum shift keying）数字调制系统，是基于时分多址技术的移动通信体制中应用广泛、成熟、完善的系统，

19、是我国公众移动通信网的主要方式，覆盖面积广、功能强、用户多。gsm 工作时分上行和下行频段，双工间隔工作的：gsm900m 上行（ms-bs）：890915mhz，下行（bs- ms）：935960mhz，双工间隔 45mhz，载频间隔 200khz，共有 122/124 个频道；dcs1800m 上行（ms-bs）：17101785mhz，下行（bs- ms）：18051880mhz，双工间隔 95mhz，载频间隔 200khz，共有 374 个频道。在 gsm 通信过程中，每一个移动用户都有自己的 sim 卡，凭借卡上的 isdn 号(msisdn)可以准确的与移动用户通信。号码组成格式为

20、：国家号（cc）国内目的码（ndc）用户号码（sn）我们国家的国家号位 86，所以在我们的手机短信中有“+86”的信息，因此可以根据这点提取国内每个用户的电话号码，进而与其通信。2.22.2 tc35itc35i 与短信有关的命令介绍与短信有关的命令介绍gsm 模块与 cpu 之间的通信协议是一些 at 指令。at 指令时有西门子、wavecom、诺基亚、爱立信、摩托罗拉和 hp 的公司共同为 gsm系统研制的，由 etsi 发布，包含了对 sms 的控制。at 指令在此基础上演化并加入了 gsm07.05 标准以及之后的 gsm07.07 标准。at 指令是以 at 作首以字符回车（cr）

21、、发送符(ctrl/z)结束的字符串，at 指令的响应数据包中。 在每个指令执行成功与否都有相应的返回 ，如“ok” 、 “error” 。其他的一些非预期的信息 (如有人拨号进来、线路无信号等 )，模块将有对应的一些信息提示，接收端可做相应的处理。表 2-1 是关于短消息的一些基本 at 命令。表 2-1 gsm 中关于短消息的基本 at 命令命 令功 能at检测 gsm 模块是否存在（ at 命令通信开始）at+csms=0选择消息业务at+cpms=？检测消息存储区（缺省值为sim 卡上）at+cpms？读取当前存储区上的消息数at+cmgf？查询当前消息格式at+cmgf=1（0）设置

22、消息格式： 1 为文本； 0 为 pdu（二进制传输）at+cnmi=2,1来信提醒at+cmgr=n读取第 n 条信息at+cmgs发送消息（以 ctrl+z 结束）at+cmgd=n删除第 n 条信息2.32.3 移动通信基本结构描述移动通信基本结构描述随着社会的发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高。集成电路技术和微机的法杖，从 20 世纪 7、80 年代开始移动通信开始逐步成为人们日常的重要工具了。移动通信凭借方便小巧等的魅力已经成为了人们日常生活中的不缺品了。在短短的几十年中移动通信已经得到了重大发展。在移动发展的第三阶段（20 世纪70 到 80 年代）人们便进入了

23、 1g 时代，第四阶段（20 世纪 90 年代至今）人们走过了 2g 时代，正处在 3g 时代，而移动通信还任大步向前跨。gsm 使用的是时分多址的变体，是目前三种数字无线电话技术（tdma、gsm 和 cdma）中使用最为广泛的一种。从移动通信技术的结构来看我们可以归结为图 2-1 的模型。图 2-1 移动通信的基本结构从图上可知，移动通信结构主要有用户手机、基站和另一用户组成三部分，是全双工通信。基站成为了移动通信的枢纽，是通信的重要组成部分。2.42.4 simsim 卡基本介绍卡基本介绍sim 卡是（subscriber identity module 客户识别模块）的缩写，也称为智能

24、卡、用户身份识别卡，gsm 数字移动电话机必须装上此卡方能使用。它在一电脑芯片上存储了数字移动电话客户的信息，加密的密钥以及用户的电话簿等内容，可供 gsm 网络客户身份进行鉴别，并对客户通话时的语音信息进行加密。一般 sim 卡有 5 部分组成：cpu(8 位/16 位/32 位)、程序存储器 rom、工作存储器 ram、数据存储器 eeprom 和串行通信单元，这 5个模块集成在一块集成电路中，sim 卡事物如图 2-2 所示。sim 卡在与手机连接时，最少需要 5 个连接线：电源(vcc) 、时钟(clk) 、数据 i/o 口(data) 、复位(rst) 、接地端(gnd)。在图 2.

25、4-1 中，可以看到 sim 卡中有 6 个引脚他们分别是：1、电源（ccvcc）；2、复位（ccrst）；3、时钟（ccclk）；4、接地端（ccgnd）；5、检测脚（ccvpp）；6、数据接口（ccio）。图 2-2 sim 卡实物图2.52.5 nrf24l01nrf24l01 通信方式的基本描述通信方式的基本描述nrf24l01 是一款工作在 2.42.5ghz 世界通用的 ism 频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型schockbursttm模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频段选择和协议可以通过 spi 接口进行设置。从 2.4g

26、 到 2.525g 的频带范围内，将通信划分为 125 分频道，每个通信频道内有开辟了 6 个通信地址，所以 nrf24l01 的可通信对象是很广的，对于一个一般的系统是明显足够的。对于 nrf24l01 的控制通信方式也是很简单的，对于主控只需要通过 spi 接口对芯片进行读写就可以了，因为其可以工作在自应答模式，因此减少了 cpu 的工作量。nrf24l01 的中断引脚（irq）为低电平触发（刚好符合单片机的中断触发方式） ，当状态寄存器中tx_ds（接收成功） 、rx_dr（发送成功）或 max_rt（发送溢出）为高时触发中断，中断后只需要读相应的中断源，进而做出响应的相应就可以了。在发

27、送模式只需要对其写模式、频道、地址和数据，然后等待中断就可以了；在接受模式只需要写接收模式、频道和地址，然后等待中断，读出数据就可以了。spi 通信方式主要有 6 个接口，表 2-2 是对 6 个引脚的功能介绍。图 2-3 是对 spi 读时序的介绍，图 2-4 是对 spi 写时序的介绍。表 2-2 spi 通信接口介绍引脚名称类型描述ce输入发射和待机控制csn输入spi 使能，低电平使能sck输入spi 时钟mosi输入主出从入（串行）miso三态输出主入从出（串行）irq输出中断，低电平使能图 2-3 spi 读时序图 2-4 spi 写时序极低的电流消耗：当工作在发射模式时发射功率可

28、以为-6dbw，电流消耗为 9ma，接收模式为 12.3ma，待机时消耗更低。经济节约是短距离无线通信的理想工具。3 系统框图介绍系统框图介绍系统的构成与工作原理如图 3-1 所示，cpu 控制器 1 号作为整个系统的核心，连接着 gsm（或上位机）和 cpu 控制器 2 号与 cpu 控制器 3 号。cpu 控制器 1 号连接着 ttl 和 232 电平转换器（max232） ，max232 中有直通和交叉两种电平转换方式，所以在cpu 控制器 1 号与 max232 之间通过一个单刀双掷开关来切换，选择连接 gsm 模块或 pc 机（上位机和 gsm 用同一套通信协议，是gsm 的替代品，

29、方便调试） ；同时 cpu 控制器 1 号通过模拟的 spi 接口控制无线通信模块 1 和无线通信模块 2 与无线通信模块 3 通信进行无线多点监控。作为从机 2 号与 3 号将采取到的温度信号主动地发给1 号主机，从机 2 号与 3 号也等待着主机 1 号的控制命令，响应相应的动作。该系统的控制芯片都是采用 stc89c52 的单片机控制的，dip 封装便于在万能板上焊接调试，51 内核的单片机是最基本最常用的控制芯片，8k 的 rom、256b 的 ram 对于一些简单的控制系统是完全足够的,单片机工作在 11.0592m hz 的晶振 12 分频模式下(stc 单片机可以 6 分频工作)

30、,这种处理速度可以满足单任务系统的处理要求。pc机gsm模块ttl电平和232电平转化器232电平232电平cpu控制器1号ttl电平串口通信cpu控制器2号cpu控制器3号液晶显示时钟电路检测与报警模块无线通信模块1无线通信模块2无线通信模块3模拟温度传感器数字温度传感器液晶显示液晶显示8个led灯电风扇图 3-1 系统框图4 硬件设计硬件设计4.14.1 系统电源设计系统电源设计电源是一个系统能量的来源，是一个系统系性能稳定的重要决定性因素之一，所以一个合理的电源是对一个系统来说是关键的，既要做到性能可靠又要做到经济节约。4.1.1 gsm 电源电源对于系统来说，gsm 是个通信模块，所以

31、可以给它设计一个独立的电源，就像平时用电脑和单片机通信一样，两部分的电源可以分开，对于远距离的通信一般电源也是独立的，这样可以减少电源带来的问题（比方压差、干扰等） 。但对于系统所用的 tc35i 模块来说，所用的电源是没有多大问题的，是电源适配器提供的 12v 直流电源，然后在模块内经过稳压，得到各种所需要的电源的。4.1.2 主控系统电源主控系统电源主控部分的电源的稳定性决定着整个系统的性能，整个系统基本上是利用了 ttl 电平，在数字电路中+5v 的电源是很常用的。所以，在这系统利用 lm7805 三端稳压块，得到+5v 的电源。主控部分电源如图 4-1 所示。在图中我们还可以看到 lm

32、317，是用来产生稳定的3.3v 电压的。3.3v 电压是提供给无线通信模块使用的。从图中并没有变压和整流部分，只是看到一个电源接口座，因为系统是采用 7.5v 的电源适配器作为能量供给的。为了防止电源适配器反接，经过了一个二极管（整流管的 pn 结承受电流大） ，然后经过电解电容（一是滤波，二是储能）得到大约 6.8v 的电压，在 7805 后得到一个相对稳定的 5v电源，可供系统使用；在电源后面还接上 lm317，经过调整可以得到3.3v 的电压，3.3v 电源也是常用的工作电压，在这里是为 nrf424l01供电的,其实也不是要求一定是 3.3v 电压，但是要求稳定。in31out2ad

33、ju2lm317btin12out3gndu1lm7805ctd1diode 1n4001led1led0100ufc1cap pol1j1phonejack30.1ufc2capvcc_5vvcc_3.3v330r2res2220r3res2330r4res21kr1res233ufc3cap pol10.1ufc4capgndled2led010ufc5cap pol10.1ufc6cap图 4-1 主控部分电源电路图4.24.2 控制电路设计控制电路设计系统采用最常用的控制器件 51 单片机来作为系统的核心。stc89c 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/ 高速/ 低功耗的单片

34、机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/ 机器周期和 6 时钟/ 机器周期可任意选择。考虑到时实际代码量和运行速度，在这系统可选用 stc89c52 单片机，采用 11.0592mhz 的晶振 12 时钟周期工作。单片机工作的最小系统如图 4-2 所示。很明显，这些都是使用 51 单片机的人很熟悉的电路，包含电源、复位电路、时钟源、单片机和一些辅助信号（如 31 号脚接高电平） 。p1.0/t21p1.1/t2ex2p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78rst9p3.0/rxd10p3.1/txd11p3.2/int012p3.3/int113p3.4/t

35、014p3.5/t115p3.6/wr16p3.7/rd17xtal218xtal119vss20p2.0/a821p2.1/a922p2.2/a1023p2.3/a1124p2.4/a1225p2.5/a1326p2.6/a1427p2.7/a1528psen29ale30ea/vpp31p0.7/ad732p0.6/ad633p0.5/ad534p0.4/ad435p0.3/ad336p0.2/ad237p0.1/ad138p0.0/ad039vcc40u7stc89c521234567894.7krx-8_2header 9hp0_0p0_1p0_2p0_3p0_4p0_5p0_6p0_

36、7vcc_5_2vp1_0p1_1p1_2p1_3p1_4p1_5p1_6p1_7p2_0p2_1p2_2p2_3p2_4p2_5p2_6p2_7p3_0p3_1p3_2p3_3p3_4p3_5p3_6p3_7gnd21211.0592my2xtal0.1ufc18cap0.1ufc19capgnd1s6sw-pbvcc_5_2v1kr16res210kr17res2gnd210ufc20cap pol1vcc_5_2vxtal2_1xtal2_2xtal2_1xtal2_2图 4-2 单片机最小系统4.34.3 显示电路设计显示电路设计因为这是一个多点通信、控制系统，包含了三处小系统，所以当

37、然在硬件上也有三处基本信息的显示。其中主控系统是采用采用的12864（带字库） ，是一个能显示 8k 像素的显示器。12864 是一个可选择串、并输入，可显示字符、汉字、图像的显示器，在这里系统采用的是并行输入方式显示了图像、字符和汉字。12864 的连接电路如图4-3 所示，其中第 17 脚位复位控制端，低电平复位，所以平时为高电平；15 号脚为串并选择端，高并低穿，所以系统可设置 15 号脚位高电平；16 号脚可以不接。系统还包含两个通信点，在这只是为了显示一些基本的单点信息，所以两处都是采用 1602 来作为显示界面。1602 的连接电路图如图 4-4 所示。12345678910111

38、21314151617181920p1lcd 128642krp1rpot smgnd1gnd1vcc_5_1vvcc_5_1vgnd1vcc_5_1vp2.7p2.6p2.5p2.4p2.3p2.2p2.1p2.0p3.7p3.6p3.5p0.7p0.6图 4-3 12864 的使用连接电路12345678910111213141516p6lcd 1602p0_0p0_1p0_2p0_3p0_4p0_5p0_6p0_7p3_0p3_1p2_7gnd2vcc_5_2v2krp2rpot smgnd2gnd2vcc_5_2vvcc_5_2v图 4-4 1602 的使用连接电路图当然，图中的控制信

39、号和通信总线是因具体电路而定的，图中的显示电器标号只是截取整个体统中的局部。他们的三号脚位调压显示，这个要根据具体电路来用电位器调节。4.44.4 电平转换电路设计电平转换电路设计由于计算机串口的 rs232电平是+10v、-10v，而一般的单片机采用的是 ttl 电平即：0,+5v。如果两者要实现通信，则就要采用电平转换。整个系统的控制基本是用串口来实现的，对于单片机所输出的ttl 电平或是 cmos 电平是无法直接与工业电平通信的，所以电平的转化就是必要的。对于整个系统，是用 gsm 作为通信的转换点的，系统所用的 tc35i 是采用 232 电平与外界通信的。max232 是常用的rs-

40、232 通信芯片，通常 max232 是 16 引脚，同时具有直通和交叉一对电平转换工具的器件。在整个系统设计中，对于主机与 gsm 通信时采用了交叉方式，而主机与上位机通信时采用的是直通方式，利用单刀双掷开关可以直接切换两种工作状态。图 4-5 是 max232 在体统中的连接方式。c1+1vdd2c1-3c2+4c2-5vee6t2out7r2in8r2out9t2in10t1in11r1out12r1in13t1out14gnd15vcc16u5 max232acpevcc_5_1vgnd1r1outt2int1inr2outr2inr1int2outt1out0.1ufc10cap0.

41、1ufc11cap0.1ufc12cap0.1ufc13capgnd1图 4-5 max232 的接口连接图max232 产品是由德州仪器公司（ti）推出的一款兼容 rs232 标准的芯片。该器件包含 2 驱动器、2 接收器和一个电压发生器电路提供 tia/eia-232-f 电平。max232 产品是由德州仪器公司（ti）推出的一款兼容 rs232 标准的芯片。该器件符合 tia/eia-232-f 标准，每一个接收器将 tia/eia-232-f 电平转换成 5-v ttl/cmos 电平。每一个发送器将 ttl/cmos 电平转换成 tia/eia-232-f 电平。max232 的引脚

42、图示意图如图 4-6 所示。图 4.-6 max232的管教示意图在本设计中用到的 rs-232通讯芯片为 max232，该产品是由德州仪器公司(ti)推出的一款符合 rs232标准的芯片。rs-232接口引脚图如图4-7所示。在两个串口连接中，一为直通方式，一为交叉方式。1234567891110j2d connector 91234567891110j3d connector 9下 下下 下t2outr2inr1int1outgnd1gnd1 图 4-7 rs-232接口引脚图其中用到的端口定义为： 2号引脚为：接收数据 rxd；3号引脚为：发送数据 txd； 5号引脚为：信号地 gnd。

43、4.54.5 无线通信模块借口电路无线通信模块借口电路在整个系统中远程通信和gsm串口通信，而短距离的无线通信确是通过无线通信模块nrf24l01来实现的。由于有线电路布线不是很方便，因而在本设计中采用了nrf2401无线模块，在本设计中nrf24l01采用的是spi通信方式，占有单片机的资源较少（如图4-8所示，具体链接可以参考附录） 。对于用户来说，串口方式通信主要考虑的对象是软件设计怎样模拟通信方式、编写底层驱动及如何配置芯片寄存器。对于整个短程无线通信系统来说，为了实现多点数据采集与控制，所以系统在使用了3个无线通信模块。3个模块的硬件设计基本一致，只是采用的控制命令不一样，通信时，为

44、了减少通信干扰，系统采用了主叫跳频方式通信。12345678p2nrf24l01gnd1vcc_3.3vp1.2p1.1p1.0p1.4p1.3p3.2图 4-8 spi 接口引脚nrf24l01有四种工作模式，即：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。其中：收发模式又有enhanced shockbursttm 收发模式、 shockbursttm收发模式和直接收发模式三种。空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的启动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关。在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流

45、为 900na 左右。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nrf24l01 片内，这是该模式与断电状态最大的区别。4.64.6 实时时钟电路设计实时时钟电路设计作为一个完整的系统，让用户了解当前的时间信息是必要的，实时时钟就是为辅助系统而设计的。ds1302 是美国 dallas 公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时芯片，它可以对年、月、日、周、日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。 作为时钟芯片对时钟的要求是高的，因此 ds1302 的秒表是对 32.768khz的晶振进行 15 次二分频得到的。ds1302 的 8 号脚可外接辅助电源（3v 电池，在平时主电源可为辅助电源

46、充电），可是可掉电保护的，他可有有辅助电源供电，当 1 号脚上的主电源掉电时， 8 号脚便可提供时钟工作，并保持时钟和 ram 信息能量，ds1302 的可编程电源结构如图 4-9 所示，合理配置寄存器，电源部分是可涓流为 vcc1充电的。ds1302 采用串行通信方式，由主控提供时钟源，在复位信号的辅助下通过数据线与外界通信。 ds1302 的电路连接图如图 4-10 所示。图 4-9 ds1302 的电源结构x12x23vcc21gnd4rst5i/o6sclk7vcc18u?ds130212p53v 下 下gnd1gnd1vcc_5_1v1232.768ky4xtalp 0.2p 0.0

47、p 0.1图 4.-10 实时时钟电路在图 4-10 中可以看到始终芯片采用的是 32.728khz 的晶振，当然为了让晶振的起振效果更好，工作更稳定，可以采用对称振动方式，在晶振两边加上对称电容,并联一个大电阻降低 q 值，易于起振。其实在实时时钟电路中 32.768khz 的晶振是很常见的，对信号进行分频后得到比原始信号稳定度更高的时钟信号，供给芯片计时。4.74.7 硬件报警电路设计硬件报警电路设计在系统中报警是一个人性化辅助功能，但是在系统中增添一个报警功能是简单的。我们知道，人的耳朵能识别的声音频率在2020000hz 内，是交流信号，所以设计一个报警电路并不是给予一个电平这么简单的

48、，当然系统也可以采用用 cpu 来模拟一个报警时序，但对于一个辅助设计来说，对 cpu 的占有率太高了，是不合理的，系统是采用 io 口高低电平来控制报警电路来报警的。系统报警电路如图 4-11 所示。电路中是 ne556 来实现的，556 是由两个 555 组成的，555 的内部结构图如 4-12 所示，由两个比较器、一个 rs 触发器、一个放电管和一个输出电路组成。利用 555，可以很容易实现单稳态、多谐振荡等常用电路。在图中，先利用一个 555 组成一个多谐振荡电路，产生音频中的低频，造出声音的基本框架，为一个矩形波，输出一个高低电平。556 的 3 号脚和 11 号脚原本是2/3vcc

49、 电压点，输出的频率和这一点是有关系的，可以看到图 4-12中前一个 555 输出接到后一个 555 的该点，后一个 555 也是有多谐振荡电路的模型，但是在矩形波的控制下得到一个变频信号多音频信号。经过耦合，原本是可以直接输出给喇叭的，但是脉冲信号的频谱成份是很多的，所以直接输出音质太杂，所以在输出之前加一级低通滤波是必要的。从图中可以看到还有一个控制信号，当 rst为低时输出也为低经过耦合后无声音输出，当 rst为高时，可以听到清晰的报警声。trig6out5rst4cvolt3thr2disc1vcc14gnd7u4ane556nvcc14gnd7trig8out9rst10cvolt1

50、1thr12disc13u4bne556n0.01ufc14cap10kr10res2150kr11res210kr9res2ls1speakervcc_5_1vvcc_5_1v10ufc15cap pol3100ufc16cap pol3gnd1p3.4p3.4gnd1gnd110kr12res2100kr13res2vcc_5_1v0.01ufc17cap10r14res2gnd1gnd1图 4-11 硬件报警电路图 4-12 555 的内部结构系统是不能无缘故的报警的，检测非法信号的电路如图 4-13 所示。考虑到 51 单片机的普通 io 口是共源级输出的，原本就弱上拉，所以利用线与的

51、方式来检测外部电平是合理的。stc89c2 单片机普通 io 口的弱上来最少有 200k 欧姆，所以对外部信号的检测是有足够的灵敏的。线与的方式检测信号硬件电路简洁，性能可靠，因此在这用图4.7-3 来检测非法闯入信号。u6optoisolator1gnd1100r8res2vcc_5_1vgnd1p3.3图 4-13 非法闯入信号检测4.84.8 温度测试电路设计温度测试电路设计系统有多点数据采集功能，而在实际电路中，系统利用了 2.4g 网络采集了两路温度数据：一路采用模拟器件 lm35 和串行 ad tlc549测试温度；一路采用数字器件 ds18b20 测试温度。lm35 为 to-9

52、2 封装的器件，典型应用该 lm35 的电源端加上420v 的电源，输出特性为 10mv/，测试范围为 2150，当然可以在输出端加上一定下拉负电源。采用 lm35 输出的是模拟信号，所以系统上就有了 tlc549。tlc 为 dip-8 封装的串行 adc 器件，为了提供一定参考电压，在这儿是用一个可调电阻代替的。实际电路如图 4-14 所示。图 4-14 模拟温度测试电路对于数字测温所采用的是我们常用的 ds18b20，to-92 封装的器件。ds18b20 是美国 dallas 公司生产的可组网数字温度传感器芯片封装而成的，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间

53、设备数字测温和控制领域，是典型的单总线器件。ds18b20 内部结构主要由四部分组成：64 位光刻 rom、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 th 和 tl、配置寄存器。ds18b20 在与微处理器连接时仅需要一条（i/o 口）线即可实现微处理器与 ds18b20 的双向通讯。支持多点组网。可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温。其测温范围为55125，在-10+85时精度为0.5。当然，对于单总线的时序是比较严格的，这就对模拟单总线带来了一定的难度，在采用搜寻方式来实现单总线挂多路器件时要特别注意。如图 4-15

54、 所示的电路，原本是应该给数据总线加上一定的上拉的，但考虑单片机 p0 已经有了 10k 的上拉，这里就可以省去。图 4-15 数字温度测试电路4.94.9 家用电器控制电路设计家用电器控制电路设计为了体现对家具的无线控制，系统中选取了常用的灯具和风扇作代表。像图 4-16 所示的电路是在电路中很常见的 led 控制电路，采用 led 作为照明将会成为一种趋势，节能、亮度高。1kr18res2led5led1led6led1led7led1led8led1led9led1led10led1led11led11kr19res21kr20res21kr21res21kr22res21kr23res

55、21kr24res2vcc_5_2vp1_0p1_1p1_2p1_3p1_4p1_5p1_6led12led11kr25res2p1_7图 4-16 电灯控制电路电路只是实现简单的亮灭控制是很难满足现代人的生活需求的，生活中还要求对亮暗的调节，如像电风扇一样，显示中的电风扇是有几个档位的。如图 4-17 所示电风扇驱动电路，就是利用脉宽调制来实现电风扇转速的控制的。脉宽调制（pwm）实际上就是调占空比，方式有：1、定周期调高电平宽度；2、定高电平宽度调脉冲周期；3、混合调制；根据实际中测试发现，像 led 这样要符合人的视觉效果的调制方式可以先择 1 方式；像电机这样的对闪烁没有什么要求的调制

56、方式可以选择方式 2。在图 4-17 的电路中，系统选择了一个电脑电源风扇作为世界控制对象。利用变压器将市电电压变成实际要求相符的电压范围，再利用整流桥将电源变成余弦脉冲直流电源，经过电容滤波得到相对稳定的直流电源。实际上的电风扇驱动电路是串联式的。tip132 是 to-220封装的 npn 达林顿管，耐压值为 100v，能承受 8a 的直流电流，工作在开关状态与电动机串联，完全满足系统工作要求。相对控制电路，风扇工作在大电压大电流的环境中，为了系统安全，系统利用光电耦合来实现控制的。在调试中发现，上拉电阻 r30 和限流电阻 rp5 是相关的，rp5 的减小可以增大 r30 降低的功耗，但

57、是单片机的功耗必然提高；rp5 的增大却不一定能让开关管工作在开关状态，所以在调试中应该合理选择。a-+b1motor servo220-12t11af1fuse 1220v下 下 下d21n4001d31n4001d41n4001d51n400112v下 下 下3300ufc24cap pol3q1tip1324.7kr29led14u10optoisolator1gnd44.7kr30gnd31krp5p3-1图 4-17 风扇调速电路5 系统软件设计系统软件设计5.15.1 整体系统流程图整体系统流程图对于整个系统来说，cpu 控制器 1 号就是核心，gsm、上位机软件、cpu 控制器

58、2 号 3 号都是他的外围，所以对 cpu 控制器 1 号的设计体现了整个系统的灵魂。系统需要灵活又要实时，所以在中断和实时之间要有一定的衡量。系统工作情况分为数据采集和系统主叫方式。在数据采集时为了保证系统的灵活性，系统并不要求系统能实时数据更新，在一个多点数据采集系统中只需要保证在短时间内能有正确通信，整体系统的实时通信易导致系统的死机。而在系统主叫时，要让用户有满意的印象，必须要做到实时性强，此时系统工作在主叫模式下，由系统主导呼叫定点响应，循环工作在这一阶段直到系统响应成功。为了保证与 gsm 通信的优先权，串口通信工作在中断方式。而为保证不定长度的字符串通信的实时性和准确性，对于时间

59、的计算是有要求的，所以系统工作的系统时钟是要和程序代码对应在一定范围的。系统大致流程图如图 5-1 所示。开始系统初示化系统人性化界面显示检测系统通信协议检测现场环境并处理检测是否有gsm信息并处理无线通信查询温度信息串口中断接收字符串命令图 5-1 主机大概流程图5.25.2 串口通信统流程图串口通信统流程图对于通信来说，保证通信成功是目标。通信分为发射和接收，当然发射的实现是比接受容易多的，系统中的串口通信属于基带传输，接收的难度在于如何实现同步、实时和准确。串口通信的协议解决了大部分难度，对于单核的系统为了实现实时性最好是利用中断方式，然而单片机的内存局限性，系统要对及时对接收的信息清除

60、，所以当系统正常工作时又要实时接受是有出入的，时间的不确定性，容易将接受的内容清除掉，延时能很好的解决这一问题，可以规定一个一定大小的堆栈，尽可能的让系统接收串口通信内容，系统可以再每一次大循环是都查询一次接收的内容，然后在每次检测通信内容后多整体内容清除。而对于发射则简单的多，系统只要主动地发射就可以了。5.35.3 主机与主机与 tc35itc35i 通信的软件设计通信的软件设计与 tc35i 的通信是系统的核心，所以合理的实现是完成系统地关键。在本程序流程图中涉及到具体的 at 指令以及相关的通信协议。当刚上电时 mcu 会不断的发送“at”指令去检测 tc35i 的存在（包括整个串口部