1、1 毕业设计 开题报告 电子信息工程 基于 GSM 无线通信单片机接口的实现 一、选题的背景、意义 技术的发展带来了生活的变化，基于无线新技术的各种增值服务正在悄然的改变着我们的生活环境和生活方式。无线技术的应用不仅美化了我们的城市，而且改善了投资环境、增加安全性，为我们带来巨大的社会、经济效益；另外，无线应用也是展现一个城市现代化、国际化水平的重要标志，也是促进工业现代化和信息化的动力之一。无线技术的应用现己成为我们生活中一个不可缺少的重要组成部分 1。 对于传统产业，目前工业上各种监控设备大多还是有线方式传输， 这无疑给监控设备的安装、维护带来了很大的不便。有线技术有着很明显的局限性，它们
2、过多的依赖控制室和远端现场之间的物理连线，尤其是当被监控部分所处环境恶劣、现场危险、噪音干扰大、工作人员不宜停留的工作场所，采用有线传输模式显然会需要更大的代价，因为监控端必须远离采集端，这样的投入有时可以说是巨大的 2。 目前，整个基于无线技术的监控系统还处在一个较低的水平，多是采用电台数传、电话网、自组网的形式来进行自动控制，这几种方式在稳定性、抗干扰性等方面存在明显的不足，而且监控的距离也有一定的限制。也有采用发传真，打电 话的形式通过人工来控制，同时在部分控制点使用了定时器装置，在这种模式下，出现故障不能及时发现，存在隐患不能及时排除，导致整个系统运行效率低下，不便管理，而且这种模式也
3、无法解决迅速部署、灵活监控的现代监控管理的要求。通过 GSM短消息作为一种数据传输模式来交换数据，则可以有效的解决这些问题。采用先进的 GSM技术的无线通信系统，集计算机、通信、机电、自动控制等多种先进技术于一体，能够实现对无线分布式系统的实时监控管理，解决了传统控制中自己构建通讯系统成本高、抗干扰性差的缺点，将运行维护人员从大量繁琐的工作中解放出 来，提高了无线通信系统的运行质量，增强无线通信系统的可靠性和可控性，能及时发现定位无线系统故障，大大减少了系统停用带来的不良影响。并且随着现代信息技术的发展，以及知识经济2 时代的来临，人们越来越意识到现代企业人力资源成本占运营成本的比重逐渐增大，
4、传统产业中的许多人员密集型的数据采集、有人值守工作将被现代化的电子信息监控系统所代替，实现监控现场无人值守，监控中心集中监控、集中管理、集中维护的现代化无线通信系统 2。 我国目前已建成了覆盖全国的 GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众陆地移动通信网的主要方式。 GSM的短消息业务 SMS(Short Message Service)与话音传输及传真一样，为 GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，是 GSM通信网所特有的。短消息业务不需拨号建立连接，利用短消息业务中心的存储和转发功能，直接把要发的信息加上目的地址发送到短消息中心，由短消息中心再发送给最终的信
5、宿，这种方式非常适合于将每次采集到的数据随时发送到上位机。短消息业务可咀使网络端知道被叫方是否已经收到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络一侧会保留所发的消息，一旦网络发现被 叫方能被叫通时，消息重发以确保被叫方能收到。由此可见，短消息业务作为 GSM网络的一种主要的电信业务，它的传递是可靠的。因此，选用 GSM的短消息业务来实现远程无线数据传输是可行的。在短消息业务快速发展的背景下，短消息在无线监控与数据采集方面的应用作为硕士论文的研究课题就有着极为重要的现实意义和实际价值 3。 二、相关研究的最新成果及动态 GSM 短消息作为一种数据传输模式，具备网络覆盖面广、用户投资小、运
6、营赞用少的优点，对于解决监控采集点分散、覆盖面广、监控点移动、实时性要求较低的监控采集系统具有无可比拟的优 势 3。 城市中工业和居民生活需要大量用水，这些水是由水厂从水井中抽取的，然后利用管道输送到工厂和居民家中，这就是所谓的自来水。自来水厂中的水井不止一个，并且分布范围比较广，若对每一个水井都随时监控检测会十分麻烦，基于 GSM 短消息的无线通信系统可以很好的解决这一问题。在各个水井的水泵中，安装监控检测模块，通过对各种传感器信号进行测量、转换、计算、保存，可以发送到一个或多个手机或者监控中心的计算机上，管理者或者监控中心就可以实现对远距离供水点的水泵开启、关闭，并将电压、电流等数据传送到
7、管理者的手机上或者监控 中心的计算机上，3 也可对管网压力、水位等参数进行测量并自动传送 4。 除了应用在城市供水中，针对不同的对象对该系统进行必要的修改，还可应用到生产和生活的许多领域，下面就讲述了几个具体的应用设想： 第一、在水利部门的应用中，水利部门为取得水文数据往往要在河道旁或湖泊边建立许多水文站。这些水文站定时获取水文数据，并通过一定的传输通道将数据传送同数据中心。水文数据的特点是数据量较小、采集问隔时间长、采集点分散，特别适合利用短消息进行通信。它通过短消息模块，利用其开关量输入和原有的传感器等设备相连实现数据采集：利用 其继电器输出和原来的被控设备相连实现远程控制。只要有 GSM
8、 信号的地方就可以使用短消息通信，无须架设光缆、微波线路或者卫星地面站，比起使用光缆、微波或卫星通信，使用短消息模块的费片 j 相当低廉。使用同样的投资可咀建设更多的检测站，可以提高水文检测的准确率，还可以实现远程控制，甚至可以通过普通手机 Dn 上事先设定的密码控制模块做出一定的动作，例如打 31-DN 热器、打开排水管的电磁阀门等 4。 第二、在气象部门的应用巾，气象部门为了取得准确的温度、湿度、风向、风速等气象数据，往往需要建立许多气象检测站，以定时获取气 象数据，并通过一定的传输通道将数据传送回数据中心。气象数据的特点是数据量较小、采集间隔时间长、采集点很多且很分散，这种特点也非常适合
9、用短消息进行通信。 第三、在移动通信系统基站设备的监控中，基站设备都是处于分散的地理位置，对于基站的交流电压、交流电流、频率、功率因数、直流电压、直流电流、空气开关状态、熔丝状态、环境温度、湿度、烟雾等量的监测是必不可少的而且非常重要，传统的做法是通过占用传输线路，这样成本太高而且有时无法实现，我们可以利用短消息传输达到节约成本的目的 4。 第四、在汽车防盗方面的应用中，随着 汽车的普及，汽车的防盗也成为一个迫切需要解决的问题。为解决这个问题，可以将短消息模块安装在汽车的隐蔽处，平时处于接收状态。当车主发现汽车被窃时，使用手机发送一条密码给短消息模块，模块判断密码正确后将附近的 GSM 基站位
10、置通过短消息报告给车主。车主报案，并将基站信息提供给警方；警方根据 GSM 基站的信息查找到被窃车辆的位置，同时发送一条停机4 消息给模块；模块接收到停机消息后自动切断汽车的电路或油路，汽车熄火，等待警察的到来 4。 第五、在信息家电的应用中，现代家庭中的家用电器普遍向智能化发展，现有的电冰箱、空调、 微波炉等均可以智能化控制，但目前的难题是如何实现对家用电器的远程控制和信息传送。随着 GSM 手机的普及，短消息通信为解决这个问题打开了一条新的思路。利用短消息模块，可以在你的手机遥控下帮助你打开或关闭家用电器，也可以在原先设定好的程序控制下将家里的情况通过短消息发送到您的手机上。例如，使用短消
11、息模块控制空调：先用手机发送一条“打开空调： 25 度”的短消息给它，通过单片机中程序的翻译，模块就将空调打开设定至 1125 度。还可以将家里的电子防盗设备连接到短消息模块上，当有不明身份的人触动您家中的电子防盗设备时，短消息 模块就会将信息发送到您的手机上，您就可以采取相应的措施 4。 第六、在城市灯光控制的应用中，现代城市的晚上可以说是处在灯光的海洋中，但各种灯的打开和关闭却是一个难题。因为城市中的灯有各种各样，分布非常广泛，如果通过有线线路实行统一控制则非常困难。如果使用短消息模块，则可以将整个城市分为许多“小区”，每个“小区”的路灯、灯箱、霓虹灯等集中在一起，由一个模块控制，然后利用
12、模块的批量发送功能，在控制中心对每个小区的模块发送控制信号，每个小区完成动作后将执行情况上报，完成一次完整的操作。这样可以无须人工操作，实现 了城市灯光的集中控制：可以按照需要操纵灯光的开关，比起定时控制大大节省了电费；可以将灯光开关的执行情况反馈回去，在控制中心就可以对整个城市的情况了如指掌 4 5。 三、 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的目标 本系统是 TC35i 无线通讯模块与终端设备或受控设备的组合。系统以 AT89C52单片机为核心，通过串口复用电路，利用 RS232 接口接入各种具有智能接口的设备。在被控对象的运行状态改变时及时将此事件的性质及必要的数
13、据以短消息的形式发送给站点，系统还可以接收由手机发送的命令，根 据命令修改系统参数或将当前状态信息回送手机。该终端系统中带有 RAM 和定时器的并行 I O 口 8155负责驱动数码管，5 显示必要的系统信息， ADC0809 负责采样电路 6。 1、存储电路（ EEPROM） 在本系统终端的设计中，除了 AT89C52 片内 256 字节的 RAM 之外，还有一些基本不变或者很少变化的量，如群发手机号、短消息中心号码等，这些数据不可能作为常量直接写入程序的 FlashROM 中，所以系统必须外接一块掉电非易失的存储器。在本系统中选用了美国 Atme公司 的低功耗 CMOS 串行 E2PROM
14、 芯片 AT24C02，它是内含 256 8 位存储空间，具有工作电压宽 (2 5 5 5V)、撩写次数多 (大于 10000 次 )、写入速度快 (小于 10ms)等特点，具有优良的数据擦写和保持性能，适合本系统使用。 AT24C02 是具有 12C 总线接口的器件， 12C(Inter Integrated Circuit)总线是由Philips 公司推出的一种用于 Ic 器件之间连接的二线制串行扩展总线，是具各总线仲裁和高低速设备同步等功能的高性能多主机总线。其组成系统结构简单。无需专门的母板和插座，直接 用导线连接没备，通信时无需片选信号。它通过 SDA(串行数据线 )及 SCL(串行
15、时钟线 )两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件。虽然单片机 AT89C52 不具有这种总线接口，但可利用 P1 口软件模拟 12C 总线。 12C 总线的协议如下： 总线空闲： SDA 和 SCL 都保持高电平。 开始信号： SCL 保持高电平的状态下， SDA 出现下降沿。 停止信号： SCL 保持高电平的状态下， SDA 出现上升沿。 总线忙：在数据传送开始以后， SCL 为高电平的时候， SDA 的数据必须保持稳定，串行 EEPROM 24C02 AT89C52 TC35i 通信模块 ADC0809 8155 显示电路 采集电路 SIM 卡电路 6 只有当 SCL
16、 为低电平的时候才允许 SDA 上的数据改变。 AT24C02 中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加 l，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达 8 个字节的数据 1351 引。 A0 一 A2 为从器件地址选择线，有效地址引脚 A2A1A0 要按照 000 111 的顺序与 Vcc 或 Vss 相连。该系统只采用一片 AT24C02，所以将它的三条地址线都接地。 WP 为写保护引脚，由于在本设计中 AT24C02 不需要具有写保护功能，所以该引脚接地。 SDA 为串行数据输入，输出，数据 通过这条双向
17、 12c 总线串行传送，和单片机的 P1 7 连接。 SCL 为串行时钟输入线，和单片机的 P1 6 连接。 12C 总线数据传输的最高速率为 400Kbps，标准速率为 100Kbps。 SDA 和 SCL 为双向 I O 线，都是开漏极端 (输出 l 时，为高阻抗状态 )。因此 AT24C02 的 SDA 和 scL 引脚都要外接一个 5 1K 的上拉电阻 6。 2、单片机 AT89C52 单片机选用 ATMEL公司生产的 AT89C52微处理芯片，该芯片与原有的 80C51和 80C52芯片兼容。它内带 8k字节的在线可重复编程的存储器，可对芯片进行多次编程 。并且片内还带有 256字节
18、的 RAM，更适合处理大量数据的任务。芯片的主时钟频率达到24MHz，缩短了中断响应时间，提高了程序的执行速度。由于程序存储器设计在了 MPU芯片的内部，因此在节省了空间的同时也大大提高了系统的可靠性。 AT89C52有 40个引脚， 32个外部双向输入输出 (I O)端口，同时内含 2个外中断口， 3个 16位可编程定时计数器， 2个全双工串行通信口， 2个读写口线， AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和 Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器 7。 (1)主要功能特性： 兼容 MCS 51指令系统 32个双向 I O口 3个
19、 16位可编程定时计数器中断 2个串行中断 2个外部中断源 2个读写中断口线 7 低功耗空闲和掉电模式 8k可反复擦写 (1000次 )Flash ROM 256x8bit内部 RAM 时钟频率 0-24MHz 可编程 UART串行通道 共 6个中断源 3级加密位 软件设置睡眠和唤醒功能 (2)引脚功能说明 6 7 AT89C52的 40个引脚，从功能上来看可分为下面三个部分 电源和时钟引脚 Vcc；电源端 GND：接地端 XTALl：振荡反相放大器及内部时钟发生器的输入端 XTAL2：振荡反相放大器的输出端 控制线或其他电源的复用引脚 RET：复位输入端 ALE PROG：外部扩展电路低位字
20、节地址允许锁存和 EPROM编程输入端 PSEN：程序存储器外部取指控制信号 EA/vPP外部访问允许端和 12V的编程允许电源 输入输出引脚 8 9 P0： 8位漏极开路双向 I O口。外接存储器时，作为扩展电路低 8位地址和总线复用口 P1： 8位具有内部提升电阻的双向 I O口 P2： 8位具有内部提升电阻的双向 I O口。外接存储器时，作 为扩展电路高 8位地址总线 P3： 8位具有内部提升电阻的双向 I O口。 P3口除了作为般的 I O口线外，更重要的用途是它的第二功能 8 P3 0： RXD(串行输入口 ) P3， 1： TXD(串行输出口 ) P3 2： INT0(外部中断 O
21、) P3 3； 1NTl(外部中断 1) P3 4： TO(定时器 0外部输入 ) P3 5： T1(定时器 l外部输入 ) P3， 6； WR(外部数据存储器写选通 ) P3 7： RD(外部数据存镶器读选通 ) 3、 TC35i模块 TC35i的对外接口包括： RS 232接口、语音接 121控制线接口、 SIM卡接口和电源接口。 （ 1） RS 232接口 RS一 232是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，主要用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。 RS 232接 13采用 9位编码格式，其中 8个数据位， 1个停止位，没有奇偶校验位
22、，因此单片机的串行口一般采用工作方式 l，支持的数据速率为 l 15 2 300Kbps。 TC35i的数据接口采用标准的 DB9接口，通过 AT指令可与单片机通讯 9。 （ 2）语音接口 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。 在本系统的设计中没有使用该通讯模块的语音功能，所以不使用该接口 10 11。 （ 3）控制线接口 控制线接口主要有指示灯、同步信号线、电源控制线等。 （ 4） SIM卡接口 12 13 SIM卡 (Subscriber Identity Modute)即用户识别卡，是全球通数字移动电话的一张个人资料卡。其结构主要包括：微处理器 (cPu)、
23、程序存储器 (RAM)、数据存储器(E2PROM)以及串行通信单元。 SIM卡上的 8个触点是它的外部接口，当把它插入 MS中时，正是通过这些触点 (cI Cs)与 Ms进行信息交 换。 SIM卡中存储着几组相当重要的数据，主要包括： 9 ICCID(IntegradedCircuitCardIdentity)是集成电路卡识别，这是 SIM卡处理中心对 SIM卡进行数据处理过程中编制的流水号。 PIN(Personal Identity Number)是个人识别码，相当于 S1M卡的钥匙。 IMSl(Identifier Mobile Subscriber Identity)是国际移动用户识别
24、码。 IMSI是全球唯一的。 RI(Random Identity)为随机识别码。是 SIM卡的鉴权密钥，用于 通信系统中的鉴权。 （ 5）电源接口 电源接口用于提供通讯模块的工作电压。 TC35i的工作电压为 3|3V 5 5V。系统加电后，为使 TC35i进入工作状态，必须给 IGT加一延时大于 lOOms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过 lms。启动后， IGT应保持高电平 (3 3V)。驱动 IGT时 TC35i供电电压不能低于 3 3V，否则 TC35i不能激活。 4、 采集电路 单片机的外部设备不一定都是数字式的，例如，当用单片机来控制水位、电压、电流时，水位、电压和电流都是连续
25、变化的，都是模拟量，在单片机与这类外部环境通信的时候 ，就需要有一种转换器来把模拟信号变为数字信号，以便能够输入单片机进行处理。在 本系统中采用了与单片机有良好的软硬件接口的 8路 A D器件 ADC0809，它有 8个模拟量的输入端，由芯片的 A、 B、 c三个引脚来选择模拟输入通道中的一个。ADC0809的 8根数据线可直接与 AT89C52的 P0.0 P7.7相接。 ADC0809的时钟信号 CLK决定片子的转换速度，该芯片要求 CLK最高工作频率不能超过 640kHz，所以，由单片机的 ALE要经过 D触发器二分频后才能作为它的时钟。 ADC0809直接和 AT89C52连接时，应该
26、分 配给 ADC0809-个外部 RAM单元地址。但ADC0809没有片选输入信号，因此不能单独用地址译码器的输出来选中 ADC0809芯片。可以用地址译码信号来选通控制产生 START信号和 OE信号，前者用来启动 A D转换，后者用来把转换结果读入 CPU。单片机的 RD和 ADC0809的片选端或非后接 ADC0809的 OE信号，而 WR和 ADC0809的片选端或非后接 ALE与 START信号， RD和 WR为 CPU送出的控制信号，它们都是负脉冲，在地址信号有效的前提下 (低电平有效 )就能产生一个正脉冲给ADC0809。在本系统中 ADC0809的地址定为 FFFCH。每次往该
27、地址写入数据时， ADC0809的片选端和 WR有效从而使 ALE和 START信号有效，启动转换。而转换后的数据，单片机10 只要执行从该地址读数据的指令就能得到，因为这个时候 OE信号是有效的 13。 5、显示键盘电路 在本系统终端的设计中，采用并行通用接口芯片 8155 来完成显示键盘系统，实现系统终端的控制：用键盘输入控制命令，显示装置则显示控制过程或结果。 在单片机系统中，采用共阴极七段发光二极 (LED)数码管来做显示器。利用 8155实现 AT89C52 和 LED 显示器接口： 用 8155 的 A 口输出段码， 8 位段码并联接到六个LED 数码管，但哪一个能显示字形则由 C
28、 口输出的位码来控制。端口 C 输出的位码仍是高电平有效，经反相器驱动后变成低电平接到 LED 数码管的共阴极。 8155 的命令，状态寄存器的地址为 FFEOH，要显示的数据已存放在内部 RAM 的一个缓冲区内，其地址为 DAH DFH 单元，我们利用查表法来显示要显示的内容。 8155 的工作方式规定为A 121 为输出方式， C 口也为输出方式。 显示从最左边一位开始，即 DAH 单元的内容在最左一位显示，此时的位码为 20H。显示一位以后，位码中的 1 右移一 位，一直到最右边一位时，位码为 01H 时一次扫描结束 14 15。 本设计只完成单片机接口电路设计，其它设计待本设计完成后继
29、续实现。 四、论文详细工作进度和安排 2010.12 2011.12 完成课题外文翻译、文献综述、开题报告。 2010.3. 2010.4 完成硬件模块设计。 2010.4 2010.5 完成软件的编写工作，完善并完成技术文档。 2010.5 整理毕业设计的资料，毕业答辩。 2010.6 完成设计后续功能，实现远程数据采集，控制。 五、主要参考文献 1 沈兆军，毛敏 .利用 GSM 短信息业务实现智能家居 J.微计算机信息 ,2006 2 员天佑，谢阅 .基于 GSM 的远程住宅智能监控系统的设计与实现 J.微计算机信息 ,2006 3 周明德 .微型计算机系统原理及应用 ,清华大学出版社 ,2007 4周兴华 .单片机 C语言高级程序设计 ,中国电力出版社 ,2008
