基于gsm模块的家庭智能控制系统设计

基于gsm模块的家庭智能控制系统设计内容摘要：

费降到每条数据包 元，今后还有更大的优惠，因此卫星通信不再是一种高不可攀的通信方式，在通信网设计时可以扬长避短合理 利用卫星通信。 各种信道的比较如表 1 表 1 信道对比表 通过对上述各种通信方式的分析比较 ， 所以本人首选了 GSM 短信息传输作为通信方式。 三、方案论证 整机框图 本 设计 主要由单片机系统、 TC35i 模块、液晶显示模块、热释电红外传感器及继电器等部分组成。 整机组成框图如 图 2 所示。 特点 公网 专网 PSTN GSM/GPRS 超短波 卫星 建设费用 一般 低 高 高 通信费用 一般 低 无 一般 运行维护 运行商维护 运行商维护 建设方维护 运行商维护 防雷要求 很高 低 高 高 图 2 整体框图 长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 6 原理简介 本 论 文设计的 基于 GSM模块的家庭智能控制系统主要组成部分为单片机系统与 TC35i 模块。 主要原理是 单片机采用 AT 指令控制 TC35i 进行短消息收发 ，通过 GSM 移动网络与用户交互。 完整电路原理图见附录 主要模块介绍 单片机 介绍 (AT89S55) AT89S55 作为普通 51 单片机已与广泛应用于各种产品中，其接口简单，方便使用，且功能强大， 容量 20K 足够 满足本系统需求， 因此本系统采用 AT89S55单片机作为主控制芯片。 1)AT89S55的主要性能 与 MCS51单片机产品兼容 20K字节在系统可编程 Flash存储器 次擦写周期 全静态操作： 0Hz～ 33Hz 三级加密程序存储器 个可编程 I/O口线 三个 16位定时器 /计数器 八个中断源 全双工 UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 单片机系统 图 3 系统构成原理图 GSM 网络 用户手机 TC35i模块 家电 长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 7 双数据指针 掉电标识符 2) AT89S55 的功能特性描述 AT89S55是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 20K在系统可编程Flash存储器。 使用 Atmel公司高密度 非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 AT89S55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。 AT89S55具有以下标准功能： 20k字节 Flash， 256字节 RAM， 32位 I/O口线，看门狗定时器， 2个数据指针，三个 16位定时器 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S55可降至 0Hz静态逻辑操作，支持 2种软 件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 TC35i 模块介绍 TC35i是 Siemens公司推出的新一代无线通信 GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务 (Short Message Service)和传真。 模块的工作电压为 － ，可以工作在 900MHz和 1800MHz两个频段，所在频段功耗分别为 2W（ 900M）和 1W（ 1800M）。 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 ， ，。 此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、 IDLE、 TALK等模式。 通过独特的 40引脚的 ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。 通过 ZIF连接器及 50Ω天线连接器，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 (ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口 六部分组成。 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拟和数字功能。 在不需要额外硬件电路的前提下，可支持 FR、 HR和 EFR语音信道编码。 TC35i模块的正常运行需要相应的外围电路与其配合。 TC35i共有 40个引脚，通过 ZIF连接器分别与电源电路、启动与关机电路、数据通信电路、语音通信电长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 8 路、 SIM卡电路、指示灯电路等连接。 TC35i主要特性与技术指标如下 ： ①频段为双频 GSM900MHz和 GSMl800MHz(phase 2/2+)；②支持数据、 语音、短消息和传真；③高集成度 (36mm)；④质量为 9g；⑤电源电压为单一电压 ~；⑥可选波特率 300bps~115kbps，动波特率 ~115kbps；⑦电流消耗 ——休眠状态为 ，空闲状态为 25mA，发射状态为 300mA(平均 )，；⑧温度范围 ——正常操作 20℃ ~ +55℃ ，存放 30℃ ~ +85℃ ；⑨ SIM电压为 3V/。 TC35i有 40个引脚，通过一个 ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座 )连接器引出。 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。 第 1~14脚为电源部分： 1~5为电源电压输入端 Vbatt+， 6~10为电源地 GND，1 12为充电引脚， 13为对外输出电压 (共外电路使用 )， 14为 ACCUTEMP接负温度系数的热敏电阻。 24~29为 SIM卡引脚，分别为 CCIN、 CCRST、 CCIO、 CCCLK、CCVCC和 CCGND。 33~40为语音接口，用来接电话手柄。 1 31和 32脚为控制部分： 15为点火线 IGT(Ignition)，当 TC35i通电后必须给 IGT一个大于 100ms低电平，模块才启动； 30为 RTC backup， 31为 Power down， 32为 SYNC。 16~23为数据输入 /输出，分别为 DSR0、 RING0、 RxD0、 TxD0、 CTS0、 RTS0、 DTR0和 DCD0。 TC35i的数据输入 /输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合 ITUT RS232接口标准。 它有固定的参数： 8位数据位和 1位停止位，无校验位，波特率在 300bps~115kbps之间可选，硬件握手信号用 RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF， CMOS电平，支持标准的 AT命令集。 LCM12864 模块介绍 LCM12864液晶显示模块是 12864点阵的 带字库 汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字（ 16X16 点阵）、 128 个字符（ 8X16点阵）及 64X256 点阵显示 RAM（ GDRAM）。 可与 CPU 直接接口，提供两种界面来连接微处理机： 8位并行及串行两种连接方式。 具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。 长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 9 外形尺寸 ITEM NOMINAL DIMEN UNIT 模块体积 93 78 mm 视域 mm 行列点阵数 128 64 dots 逻辑工作电压 (VDD)： ～ 电源地 (GND)： 0V 工作温度 (Ta)： 0～ 60℃ (常温 ) / 20～ 75℃（宽温） 外部连接图 如图： 热释电红外传感器 热释电红外传感器通过目标与背景的温差来探测目标，其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡一类晶体的上、下表面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△ T，其晶体内部的原子排列将产生变化， 引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△ U。 常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。 长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 10 热释电红外传感器内部由光学滤镜、场效应管、红外感应源 (热释电元件 )、偏置电阻、 EMI 电容等元器件组成。 其内部结构如图 4 所示： 光学滤镜的主要作用是只允许波长在 10μ m左右的红外线 (人体发出的红外线波长 )通过，而将灯光、太阳光及其他辐射滤掉，以抑制外界的干扰。 红外感应源通常由两个串联或者并联的热释电元件组成，这两个热释电元件的电极相反，环境背景辐射对两个热释电元 件几乎具有相同的作用，使其产生的热释电效应相互抵消，输出信号接近为零。 一旦有人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收，由于角度不同，两片热释电元件接收到的热量不同，热释电能量也不同，不能完全抵消，经处理后输出控制信号。 硬件电路设计分析 电源及启动电路 电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分：充电电池主要为整个系统提供 ，同时产生 MAX3238所需要的高电平； TI公司的三端电源模块 UA7806将外部＋ 12V直流电源转换为＋ 6V，连到 ZIF连接器的 1 12引脚，在充电模式下，为 TC35i提供＋ 6V、 500mA的充电电压。 启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。 模块上电 10ms后 (电池电压须大于 3V)，为使之正常工作，必须在 15脚 (/IGT)加时长至少为 100ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于 1ms。 启动后， 15脚的信号应保持高电平。 数据通信电路 数据通信电路主要完成短消息收发、与 PC机通信、软件流控制等功能。 TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合 ITUT RS232接口电路标准，工作在 CMOS电平 ()。 数据接口 配置为 8位数据位、 1位停止位、无校验位，可以在 300bps～115kbps的波特率下运行，支持的自动波特率为 ～ 115kbps（ ）。 TC35i模块还支持 RTS0/CTS0的硬件握手和 XON/XOFF的软件流控制。 数据通信电路以 TI公司的 MAX3238芯片为核心，实现电平转换及串口通信图 4 热释电红外传感器 长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 11 功能。 TI公司的 MAX3238芯片供电电压为 3～ ，符合 TIA/EIA232F 和 ITU。 具有独特的 177。 15KV人体静电保护措施，兼容 5V逻辑输入，内含 3路接收、 5路发送串行通信接口，最大数据传输速率可达 250kbps。 该芯片的最大特点是，在串行口无数据输入的情况下，可以灵活的进行电源管理，即当 FORCEON(13脚 )为低电平、 /FORCEOFF(14脚 )为高电平时， AutoPowerdown Plus功能有效。 在正常运行模式下，约 30秒时间 内若芯片在接收和发送引脚没有检测到有效信号，将自动进入 Powerdown模式，此时耗电 1uA。 如果 FORCEON和 /FORCEOFF引脚均为高电平，那么 AutoPowerdown Plus功能失效。 在 AutoPowerdown Plus功能有效的时，如果检测到接收或发送引脚有信号输入，该芯片自动被激活，转入正常工作状态。 如果任一接收通道的输入电压高于 ，或者位于 ～ 30uS，则 /INVALID(15脚 )引脚为高电平 (数据有效 )。 如果所有接收通 道的输入 电压位于 ～ 30uS ，则/INVALID(15脚 )引脚为低电平 (数据无效 )。 该芯片的以上特性，满足了 TC35i作为移动终端的 3路接收、 5路发送电路连接要求。 在 MAX3238与 ZIF连接器相应引脚 连接时，要注意发送、接收引脚连接正确。 MAX3238还需要连接 4个 ，才能完成电平转换功能。 TC35i模块通过 RS232接口各引脚输出的信号有 RxD0、 CTS0、 DSR0、 DCD0、 RING0，输入的信号为 TxD0、 RTS0、 DTR0。 由于 TC35i的接口电路使用了 9针串口的全部引脚，使 TC35i可以获得 DTR0、DSR0、 DCD0和 RING0控制信号。 信号 RING0用来向蜂窝设备指示接收到Unsolicited Result Code (URC)。 通过 AT指令，可以设置 TC35的不同 运行模式。 语音通信电路 由于 TC35i 的 GSM 基带处理器内集成了音频滤波、 ADC、 DAC、语音合成等部分，所以模块语音接口的外围电路连接相对简单。 TC35i 有两个语音接口，每个接口均有模拟麦克输入和模拟耳机输出。 为了适合不同的外设，模块共有 6种语音模式，可通过指令 AT^SNFS 选择。 第一个语音接口的默认配置为 Votronic ，语音模式为 1(默认 )、 5，其中模式 1 参数固定。 第二个语音接口为头戴式耳机和麦克设置，语音模式为 6。 长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 12 为了防止从麦克风 和耳机导线引入高频干扰，影响 TC35i 的正常运行。 设计电路时，在麦克风、耳机、以及手持听筒的插孔处都接有电感。 此外，考虑到静电保护的因素，所有语音信号输入端都通过电容与 GND 耦合。 SIM 卡电路 基带处理器集成了一个与 ISO78163 IC Card 标准兼容的 SIM 接口。 为了适合外部的 SIM 接口，该接口连接到主接口 (ZIF 连接器 )。 在 为 SIM卡预留 5 个引脚的基础上， TC35i 在 ZIF 连接器上为 SIM卡接口预留了 6 个引脚，所添加的 CCIN 引脚用来检测 SIM 卡支架中是否插有 SIM 卡。 当插入 SIM 卡，该引脚置为高电平，系统方可进入正常工作状态。 但是目前移动运营商所提供的SIM 卡均无 CCIN 引脚，所以在设计电路时将引脚 CCIN 与 CCVCC 相连。 在设计中为 SIM 卡布线时，发现了一个值得引起注意问题：如果将 SIM 卡的第四脚 CCGND 直接与印刷电路板的 GND 相连，不作任何信号的隔离保护，则通话时音量很小。 考虑到设计中的电磁兼容和静电保护等因素，为了达到最佳的通话效果，采用在 SIM 支架下，即印刷电路板的顶层敷设一层铜隔离网，该层敷铜与 SIM 卡的 CCGND 引脚相连， CCGND 和电路板的 GND 之间 通过两个并联的电容和电感耦合。 此举为 SIM 卡构成了一个隔离地，屏蔽了其他信号线对 SIM 卡的干扰。 再进行语音通话时，话音清晰。 软件设计 AT 指令集 GSM 模块通过 AT 命令与单片机通信。 所有的 AT 命令 (除了重复命令 A/以外 )都由 AT 开头，除了发送短消息最后是以 Ctrl+Z结束外，其余的都是以回车符 CR结束的。 响应形式都是 CRLFresponseCRLF。 表 2 列出了AT 命令的语法规则。 表 2 AT 命令的语法规则 测试命令 AT+CXXX=? 模块返回由相应写命令或内部处理设置的参数和值范 围列表 读命令 AT+CXXX? 模块返回当前设置的参数或参数值 写命令 AT+CXXX=?„ 模块返回用户定义的参数值 执行命令 AT+CXXX 读取在 GSM内部处理器的不变参数 长江职业学院电子信息工程毕业设计（论文） 13 (1)设置单片机和 GSM 模块的通信波特率 AT+IPR=rateCR, CR是回车符号。 指令正确则模块返回 CRLFOKCRLF， CRLF是回车换行符号。 参数 rate 可以是 300， 600， 1200， 2400， 4800， 9600， 19200， 38400，57600， 115200。 其中 300 至 115200 表示固定波特率的数值；当通信波特率超过1200 时，可设为 0，表示自适应波特率，模块根据单片机的串口数据的波特率调整本身与之相同。 本设计中参数 rate 设为 0，单片机的串口的波特率为 9600b/s。 (2)设置短消息中心号码 AT+CSCA=+8613800577500(温州短消息中心 )CR，设置正确则模块返回 CRLFOKCRLF。 短消息中心号码可能会因不同手机或不同区域而不同。 如果读取短消息服务中心则使用命令 AT 十。