1、 2011 届毕业生 毕业论文 题 目 : 基于 GSM 的太阳能 LED 显示屏设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 电气 0701 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 2011 年 5 月 21 日 I 摘 要 能源短缺将是影响本世纪经济发展和社会稳定的一个重要问题。太阳能将成为本世纪电能的主要来源之一，这已成为大家的共识。从发展来看，光伏并网将所 发电力馈入公共电网是太阳能发电的主流。但是，这并非太阳能发电的全部。能够充分发挥太阳能无处不在、无须铺设电缆、即发即用优点的光伏发电应用也必将成为太阳能利用的重要部分。诸如光伏扬水、光伏照明、太阳能交通信号灯，太阳能电动汽车等均
2、属此范畴。 太阳能 LED 信息显示屏利用光伏发电提供的电源，驱动 LED 信息显示屏发布相关信息，信息屏采用无线通信方式获取和更新显示信息。这对于安装在公路、码头、广场等没有电力线、或铺设电缆不方便处是最好的选择。光伏应用系统更多时候成为一个相对孤立的整体，因为它无需电缆供电。这时，采取何 种方法对其进行维护 (含信息更新、设备维护 )是一个非常重要的问题，无线通信己变得非常廉价、方便、广泛的情况下采用基于无线通信的远程维护是必然之选。 本文首先介绍了太阳能 ELD 显示屏的原理及其构成，分析了在众多无线通信方式中选用 GSM 网络的优势。提出了利用 GSM 短消息进行数据传输，控制太阳能L
3、ED 信息显示屏的方法。进行了太阳能 LED 显示屏总体结构设计、基于 ATMegal6单片机的核心控制电路设计、基于 TC35i 的 GSM 通信模块设计，完成了通信控制软件的开发和调试。 关键词： 太阳能 ； SMS ； TC35i ； LED 屏 II Title Design of the Solar LED Display Screen Based on GSM Abstract The lack of energy resources is a serious problem which influences the economic development and social
4、stability of the 21st century.Reproducible solar energy will be the important proportion of the total electric energy in this century,which is accepted by most of us.In the future,grid-connected photovoltaic system is the important form of photovoltaic application.However,there are other means which
5、 can also make full advantages of sollar energy,such as photovoltaic pumping,photovoltaic lighting,solar traffic lights,solar electric vehicles and so on. Solar LED display is powerd by solar energy,and it releases information which is updated by wireless communications.This installation is the best
6、 option when set on roads,docks and square without electricity lines or laying cables.Photovoltaic applications are often relatively isolated because they do not have electricity cables.Therefore,how to control and maintain them is a very important issue.Nowadays,wireless communication is convenient
7、,cheao and widely used.Therefore,the design of a wireless remote control approach of photovoltaic systems is very necessary. This paper introduces the princiole and component of the solar LED display.The analysis of various wireless communications methods shows advantages of the GSM network.This pap
8、er proposes an approach to control the solar LED display by short message.The overall structure of the solar LED display is designed.The core control circuit based on Atmega16 microcontroller and the GSM communications module based on TC35i are presented.It also completed the software development an
9、d debugging about the commmunication control. Keywords: Solar energy;SMS;TC35;LED Display III 目 次 Abstract . II 1. 绪论 . 1 1.1 课题产生的背景和研究意义 .1 1.2 无线控制太阳能 LED 显示屏简介 .1 2. GSM 网络及其短消息业务 . 4 2.1 SMS 的概念和特点 .4 2.2 SMS 相对于其它业务的优点 .5 2.3 GSM 网络及其发展 .5 3. 太阳能 LED 显示屏系统硬件设计 . 8 3.1 硬件系统的总体设计 .8 3.2 GSM MODE
10、N 的电路设计 . 10 3.3 单片机硬件电路设计 . 13 3.4 硬件设计需要注意的问题 . 15 4. 太阳能 LED 显示屏系统软件设计 . 18 4.1 MCU 与 GSM 模块的通讯原理 . 18 4.2 Atmega16 与 TC35i 的通讯程序设计 . 19 4.3 Unicode 码的解析程序设计 . 23 4.4 MCU 与 PCA9545 的通讯程序设计 . 24 总 结 与 展 望 . 27 致 谢 . 29 参 考 文 献 . 30 附 录 . 32 1 1. 绪论 1.1 课题产生的背景和研究意义 太阳能的大规模应用将是二十一世纪人类社会进步的重要标志，本世纪内
11、太阳能发电将成为电能的主要来源之一，这已成为大家的共识。并且从目前来看，光伏并网这类将所发电力馈入公共电网的应用是光伏发电的趋势 。 但是，这并非太阳能发电的全部，能够充分发挥太阳能无所不在、无须铺设电缆、具有即发即用特点的光伏发电应用系统也必将成为太阳能利用的重要部分。小型太阳能光伏发电应用系统是指将太阳能转换为电 能后直接用于驱动某种用电装置，既环保、又无须铺设电缆，尤其是能够解决无电地区的供电问题。诸如光伏 LED显示屏、光伏扬水、光伏照明、太阳能交通信号灯、太阳能供电的气象监测、水文监测，太阳能电动汽车等均属此范畴 。 光伏 LED显示屏系统为新一代绿色能源的广告宣传照明产品，具有节约
12、能源，环保，美观，可靠实用的优点。该系统可以发展成便携式，野外式，楼面或楼顶安装式等，可根据实际需要设计。为建设节约型城市的需求，随着信息化社会的发展，广告媒体以及交通道路等等的发展，对 LED显示屏以及控制系统的市场需求量在迅速扩 大，应用前景广阔。它的主要应用场合体现在 :1，独立小型太阳能光伏发电系统 ；2，道路交通信息显示 ； 3，风景游览区旅游信息显示 ； 4，户外，集群，列车 LED显示屏广告等 ； 5，机场，港口，车站旅客引导 LED广告屏 ； 6，邮政，电信，商场购物中心等服务领域的业务宣传。以取代传统的 CRT显示屏 、 灯箱等。 本论文主要研究太阳能 EL公显示屏的控制及通
13、信系统，由于该装置主要采用分散、孤立的布置方式，对其信息更新、远程维护的最佳方法必然是通过无线通信来实现。因为现在无线通信的覆盖面越来越大、传输速度越来越高，增值服务内容越来越丰 富。 1.2 无线控制太阳能 LED显示屏简介 本论文设计了一个非常实用的 L印屏幕显示系统。这个系统可以通过短消息来定制 LED的显示内容同时控制其显示方式，又使用太阳能供电，极大地方便了用户。 系统的结构框图如 图 1.1所示 : 2 太 阳 能 光 伏 电 池通 信 模 块蓄 电 池 系 统单 片 机 控 制 系 统L E D显 示 屏串 口驱 动图 1.1 系统结构框图 如图所示 :太阳能光伏电池给蓄电池充电
14、，蓄电池的电经过变换后送到各部分。蓄电池系统包括充电的最优控制以及多路 DC/DC变换等。单片机控制系统是核心，负责从通信模块获取信息，通过解码后，把信息按要求的方式送 LED显示屏。 本系统主要硬件架构如图 1.2所示 : 单 片 机G S M 模 块L E D 驱 动 电 路L E D 阵 列U S A R T扩 展 器点 阵 字 库CI2CI2图 1.2 硬件架构图 该架构主要分三个功能模块： (1)单片机和 GSM模块的通信。单片机负责从通信模块里面得到控制和显示数据 ，送到 SARM缓冲区，以便作进一步的计算和处理。 (2)字符编码转换。单片机从缓冲区读到字符 UINCODE码计算其
15、字库点阵地址，然后将得到的 02位地址通过总线送到 I/0扩展器，通过字库把字符 UINCODE码翻译成字符的点阵信息。单片机读出点阵信息并送到 SAR材缓冲区 。 一部分信 息将被存储到EEPROM。 (3)LED显示模块。单片机从以 M缓冲区读取字符点阵数据，送到 LDE驱动模块 ，再由驱动模块送 LDE阵列显示。 本系统硬件相对简单，但系统软件的工作量大，单片机要负责控制所有的模块及它们之间的联系，我们用 SRAM缓冲区作为传递数据的中介，极大地方便了编程，我们只要设置好数据在缓冲区的位置及格式，将很方便地在其他地方调用它。数据的大概走向如下。短消息的接收及显示驱动都是基于中断的处理方式
16、。 3 接收并分解短息AT M e g a 16 ， TC 35 i初始化 解码 显示驱动显示内容控制信息图 1.3 软件流程图 4 2. GSM网 络及其短消息业务 2.1 SMS的概念和特点 SMS是短信息服务 (Short Message Service)的简称，它是 GSM移动通信技术提供的一项基木数据业务。 SMS通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和前转，实现手机发送和接收有限长度的文本信息的功能。一条短信最多可以包含160个英文字母 (8 bit编码 )或 70个非拉丁字母 (16 bit编码 )，如中文汉字。历史上第一条短消息是 1992年在英国通过沃达丰 (vo
17、dafone)公司的 GSM网络从一台 PC发送到一部手机上的。 SMS属于 GSM第一阶 段 (Phasel)的标准，但目前 SMS己经被集成到了很多网络标准中，如 SMS， CDMA， TDMA， PHS等移动网络都支持 SMS，这使 SMS成为一项非常普及的移动数据业务。短消息按实现的方式可以分为小区广播短消息 (CBS)和点到点短消息 (SMS)。我们通常提到的短消息业务主要是指点到点短消息。本文研究的短消息业务也是指点对点短消息业务。在点到点短消息业务中，短消息可以是从一个移动台发送到另一个移动台，从一个计算机到一个移动台，或者相反。这些消息由短消息业务中心 (SMSC)来保存，并在
18、可以传递时转发消息。每个 GSM网络必须支持一个或多个 SMSC对消息进行分类和确定路由。点对点短消息和小区广播短消息的实现方式不同。点对点短消息是 GSMPhasel标准定义的业务，它通过信令信道传送，在无业务信道呼叫时使用 SDCCH(Standalone Dedicated Control Channel，独立专用控制信道 )，有业务信道呼叫时使用 SACCH(510， Associated Contro1 Channel，慢伴随控制信道 )，由于短消息的传送使用信令信道，因此数据速率很有限。点对点短消息是一项基本的电信业务，也可以作为数据 传输的载体，如信息点播服务，远程数据采集等。
19、SMS具有以下几方面的特点 : (1)SMS采用的使存储一转发机制，即短消息被发送出去之后，不是直接发送给对方，而是先存储在短信息服务中心 (short Hessage service center， SMSC)，然后再由短信息中心将短消息转发给接收方。如果接收方关机或不在服务区内， SMSC就会自动保存该短消息，等到接收方在服务区出现的时候再行发送。 (2)SMS对发送信息具有保证的双向服务。与普通的寻呼机制不同，寻呼机的发送方不清楚消息是否发送成功，而 SMS发送方可 以再将短消息发送出去之后得到一条确认通知，返回传递成功或失败的信息，以及不能到达的原因。 5 (3)SMS可以与语音、数据
20、、传真等业务一起进行传输。由于 SMS使非对称业务，它使用 57信令信道传输数据分组，所以及时在业务信道处于高峰期的情况下，短消息也照样可以顺利传送， SMS还可以实现全国和国际漫游。 2.2 SMS相对于其它业务的优点 短消息业务是 GMS系统中最为简单、最方便的数据通信方式。无需申请开通，所有手机都支持短消息业务。短消息业务的优点如下 : (1)收费低廉。对于消费者来说，资费始终是首要关心的问题。 尽管语音和上网业务资费不断下调，但相对短消息服务费用来说还有很大差距。消息服务单向收费，接收方免费，价格优势不言而喻。 (2)随时随地。短消息跟电话不一样，打电话要求接听方同时在另一端，而短信用
21、户可以随时随地地发送短信，不用担心对方有没有开机，也不用担心对方是否在服务区，因为短信息是采用存储一转发方式，短消息服务中心能够存储信息，对由于关机或其它原因而没有收到的短消息临时存储，并在 HLR中设置等待标志，一旦对方开机或回到服务区， GSM系统会及时通知短消息服务中心重发，用户即可收到短消息 。 (3)多种数据承载 能力。短消息服务有三种模式 ： 块 (Block)模式、文本 (Text)模式和 PDU(Protocol Description Unit)模式。其中， PDU模式时下最为流行，通过PDU编码可以传输文字、声音及图像，随着 SMS的升级版 EMS和 MMS的出现和发展，短
22、消息将能够支持更丰富多彩的数据。 (4)可以保障传输中的安全。如果用户使用 STK卡，那么短消息在发送之前，可以通过 STK卡将信息加密后进行传输。在到达目的地后由接收者将信息解密。实现点到点的信息安全保障 。 2.3 GSM网络及其发展 GSM 系统 由一系列功 能单元组成，分为 MS(移动台 )、 BSS(基站子系统 )、 NSS(网络子系统 )、 0SS(操作维护子系统 )等几个主要部分。 (1)移动台 (MS) 移动台是整个系统中直接由用户使用的设备，可分为车载型、便携型和手持型三种。它由两部分组成 :移动终端 (MS)和客户识别卡 (SIM)。在 GSM系统中，物理设备与移动用户是相
23、互独立的。也就是说，用户的所有信息都存储在 SIM卡上，系统中的6 任何一个移动台都可以利用 SIM卡来识别移动用户。由网络来进行相关的认证，保证使用移动网的是合法用户。移动台有自己的识别码 IMEI，称为国际移动 台设备识别号。每个移动台的 IMEI都是唯一的，网络对 IMEI进行检查，可以保证移动台的合法性。 SIM卡中存储着用户的所有信息，包括国际移动用户识别码 IMSI等 。 (2)基站子系统 (BSS) 广义来说 ，基站子系统包含了 GSM数字移动通信系统中无线通信部分的所有基础设施，它通过无线接口直接与移动台实现通信连接，同时又连到网络端的交换机，为移动台和交换子系统提供传输通路，
24、因此， BSS可以看作移动台与交换机之间的桥梁。按 GSM规范提出的基本结构， BS 由两个基本部分组成 :通过无线接口与移动台一侧相连的基站。收、发 信机 (BTS)和与交换机一侧相连的基站控制器 (BSC)。从功能上看， BTS主要负责无线传输， BSC主要负责控制和管理。值得指出的是，在 GS协规范中，一个基站子系统是指一个 BSC以及由它所管辖的所有 BTS，而不是一个交换机所带的无线系统。 BTS在网络的固定部分和无线部分之间提供中继，移动用户通过空中接口与 BTS相连， BTS包括收发信机和天线，以及与无线接口有关的信号处理电路等，它也可以看作是一个复杂的无线解调器。在 GSM系统
25、中，为了保持 BTS尽可能的简单， BTS往往只包含那些靠近无线接口所必须的功能。 BSC通 过 BST和移动台的远端命令管理所有的无线接口，主要是进行无线信道的分配、释放以及越区信道切换的管理等，起着 BSS系统中交换设备的作用 。 BSC由 BTS控制部分，交换部分和公共处理器部分等组成。根据 BTS的业务能力，一台 BSC可以管理多达几十个 BTS。 (3)网络与交换子系统 (NSS) 网络与交换子系统包括实现 GSM的主要交换功能的交换中心以及管理用户数据和移动性的所需的数据库，有时也称之为交换子系统。它的主要作用是管理 GSM用户和其它网络用户之间的通信 。 NSS可分为如下几个功能单元 : 移动业务交换中心 MSC:MSC是网络的核心，它完成最基本的交换功能，即实 现移动用户与其它网络用户之间的通信连接。为此 ,它提供面向系统其它功能实体的接口、到其它网络的接口以及与其它 SC互连的接口。 MSC为用户提供承载业务、基本业务与补充业务等一系列服务。作为网络的核心， MSC还支持位置登记、越区切换和自动漫游等移动性能及其它网络功能。 拜访位置寄存器 (VLR)： VLR是一个动态数据库，是存 MSC为了处理所管辖区域中枢 (统称拜访客户 )的来话、去话呼叫所需检索的信息，例如客户的号码，所在位置
