毕业设计：基于GSM模块的智能家居系统.doc

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基于GSM模块的智能家居系统设计

作者丁明明

指导教师白政民

[摘要]GSM（全球移动通讯系统）在如今这个信息大爆炸的时代中扮演着重要的角色，现如今已经成为一种应用最广泛、技术成熟、相对完善的移动通讯系统。

我国目前几乎已经被三大公司各自建造的GSM移动通信网覆盖全国的范围。

用户可以利用手机通过GSM网络实现远程控制的作用。

智能家居是一种新生产业，目前我国智能家居市场正在逐渐成形和扩大。

本论文设计的智能家居系统比较简单，选用一款最常见的单片机STC89C52来控制，利用一款常见的GSM无线通信模块（西门子TC35）构建控制通信网络，通过收发短信的形式控制继电器的状态，间接地控制相应家电的状态。

简而言之，就是用户可以在异地收发短信控制家用电器状态。

本设计的独特之一在于用市场上常见的单片机控制GSM模块收发短信，再间接的控制继电器组成的家电控制电路；独特之二在于解决了GSM模块和单片机如何正确通信连接的问题。

[关键词]智能家居；STC89C52；TC35；继电器

1.设计方案和工作原理

1.1设计要求

（1）GSM模块能联网通信且能和PC机之间成功连接：

本设计要求TC35模块插上SIM卡（2G版）能成功连接G网络，能通过USB~RS-232串口线与PC机之间进行连接，并能使用AT指令进行一些基本操作如：

接打电话、收发短信、读取短信、按条件列举短信、删除短信、设置短信服务中心号码、设置短信模式等。

（2）GSM模块与单片机可以成功连接且能通过短信控制继电器动作：

单片机STC89C52和TC35模块能通过串口线成功连接，二者可以成功的互相传输数据。

单片机可以识别GSM模块所接收的信息，进而控制相应的继电器的闭合和释放，从而达到控制家用电器的功能。

1.2设计方案

STC89C52

单片机

GSM模块（TC35）

控制模块（可用继电器控制家电）

通信

RS-232

串口技术标准

通信

图1-1总体设计框图

智能家居系统一般可以实现两种功能：

家电控制功能和家庭安防功能。

本设计只涉及到家电控制方面，总体电路结构比较简单。

设计时选用一款最常见的单片机STC89C52来控制，利用一款常见的无线通信模块西门子TC35构建控制通信网络，通过收发短信的形式控制继电器的状态，间接地控制相应家电的状态。

简而言之，就是用户可以在异地收发短信控制家用电器状态。

GSM模块能将短信息内容传送给单片机，单片机通过将短信内容与内部ROM存储的程序相对比，判断决定不同编号的继电器是闭合还是释放。

本设计选用西门子公司旗下的一款模块TC35模块作为GSM通信模块。

TC35模块可以通过自带的RS-232通信串口和单片机联络通信，RS-232是一种串口技术标准，相关的电路主要采用MAX232作为电平转换芯片，MAX232芯片能将单片机的TTL电平和TC35的CMOS电平转换到相同的RS-232电平，以便于TC35和单片机之间的通信。

TC35模块和单片机之间硬件通信连接时，单片机的TXD（P3.1）引脚和RXD（P3.0）引脚传输数据时分别对应着TC35模块的RXD0和TXD0引脚。

但是由于二者的通信电平不同，单片机的输入、输出为TTL电平，TC35的输入、输出为CMOS电平，二者电平不能通信。

因此单片机和TC35之间需要两组MAX232芯片组成的RS-232串口来将TTL和CMOS电平都转换成RS-232通信电平，再用双公头串口线把两个端口相连接，就可以实现TC35~MAX232~MAX232~MCU这样的串口通信线路。

如图1-2为单片机和TC35模块通信连接框图。

STC89C52

MAX

232

TC35模块

MAX

232

RXD0

TXD0

RXD

TXD

图1-2单片机和TC35模块通信框图

本设计的单片机采用了一款最常用、且便宜的单片机STC89C52作为控制中心，该单片机的P0口作为输出控制端连接着执行机构。

执行机构选用原理简单、且易操作的继电器来控制家电的状态。

当用户用手机向通信模块发送短信息后，通信模块会将信息内容传输个控制中心，控制中心通过对收到的短信数据判断，将相应的执行命令传输给执行机构继电器，继电器闭合会间接控制家电打开，继电器释放会间接控制家电关闭。

2.硬件设计

2.1单片机

2.1.1STC89C52

本设计选用一款STC公司生产的目前社会上最常用的STC89C52单片机作为控制芯片。

该单片机自带8K只读存储器，运行时功耗低、性能高。

该器件采用Atmel高密度非易失存储器制造技术，兼容Intel8031指令集。

该芯片使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使其具备了一些新的功能。

STC89C52是传统51单片机的升级版[8]。

MCU在没有执行操作的状态时，允许内部寄存器、定时器和计数器、串口和中断继续工作。

STC89C52自带掉电保护功能，断电后内部寄存器内容能够被保存下来，振荡器被冻结，单片机停止工作，等到有中断或硬件复位时再正常工作。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

图2-1为STC89C52引脚图，表2-1为STC89C52主要特性[8]。

表2-1STC89C52主要特性

可编程UART串行通道

8K可反复擦写FlashROM

2个外部中断源

软件设置睡眠和唤醒功能

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

兼容MCS51指令系统

32个双向I/O口

2个读写中断口线

共6个中断源

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

256x8bit内部RAM

图2-1STC89C52引脚图

2.1.2单片机外围电路设计

本设计选用STC89C52被广泛使用，可靠性高而且价格便宜。

该单片机自带看门狗功能，能够在单片机系统运行过程中因故障而超出设置时间的时候复位电路让系统恢复正常。

该类型单片机内存比较大，一般都能存储下平常编写的程序。

图2-2是给STC89C52单片机设计的外围电路，包括复位电路、晶振电路和P0输出口的上拉电阻（排阻）。

其中JP0~JP3分别为P0~P1的扩展插针，P0作为输出控制端口，为了稳定电平输出，增大端口的驱动能力，需要增加上拉电阻。

J1为上拉电阻（排阻）插座。

图2-2STC89C52及周围电路

2.1.3单片机与TC35模块连接方式

单片机和GSM模块联络通讯时，一定注意不能直接把单片机RXD（P3.0）、TXD（P3.1）引脚直接和TC35的TXD0和RXD0相连接，这样是不能实现二者通信的。

因为单片机的电平为TTL类型，TC35的电平为CMOS类型，二者的高电平和低电平都不一样，实现不了数据的传输。

正确的连接方法是：

单片机的TXD（P3.1）和RXD（P3.0）引脚通过RS-232串口端后经过双公头串口线连接到TC35模块的RS-232串口端（TC35模块自带RS-232串口端），再对应的连接到TC35的RXD0和TXD0引脚。

两者之间需要两组MAX232芯片组成的RS-232串口端作为通信端[10]。

图2-3为单片机侧的RS-232串口电路。

图2-3单片机侧RS-232串口电路

2.2继电器

2.2.1继电器功能和原理

继电器的种类和功能有很多，涉及到强电和弱电电路的保护控制等。

其工作原理可以综合认为是：

由某种输入信号（如电流、电压等）的变化，改变继电器的状态，间接控制电路，从而起到自动控制电路状态的作用[7]。

继电器一般由控制系统和被控制系统两部分组成，控制系统又称输入回路，被控制系统又称输出回路。

输入回路一般为小电流电路，输出回路一般为大电流电路，用小电流控制大电流的方法可以隔离大电流电路被控时的危险性，即安全又可控。

图2-4为常见的不同类型的继电器。

图2-4常见继电器

继电器的控制回路有“常开”和“常闭”两种触点[7]。

“常开”触点指的是当输入回路没有输入量时输出回路是开路状态，“常闭”触点指的是当输入回路没有输入量时输出回路是接通状态。

最早出现的继电器是电磁式继电器，该继电器应用最为广泛。

该类型继电器主要由铁芯、线圈、衔铁、主触点、辅助触点和释放弹簧组成。

当输入回路线圈加上一定电流后，线圈会根据电磁效应产生电磁场，衔铁在电磁场中会受到磁力的作用而动作，间接地带动“常开”触点闭合、“常闭”触点释放。

当该电流消失或小于最小动作值后，衔铁就会在弹簧的作用力下返回原始状态。

使动触点与静触点分离。

2.2.2继电器的选择

继电器种类和功能多样，如果没有选择正确合适的继电器可能会导致被控系统不能被控制甚至导致整个电路的瘫痪。

一般在选择继电器时可以简单地考虑以下几点要素：

（1）输入回路的电压和最大电流；

（2）输出回路的电压和最大电流；

（3）输出回路有几组被控制端；

（4）输出回路控制端需要“常开”还是“常闭”。

本设计选用了一款松乐公司生产的继电器。

该继电器信号输入端为5V直流电压，输出控制端最高控制量为10A-250VAC或10A-30VDC。

单片机IO口输出的为TTL电平，输出电压近似为5V，但输出电流只有4~20mA，这种低电流是无法带动继电器正常工作的，为解决此问题，本设计选用PNP三极管放大电路来放大IO口的输出电流，达到成功驱动继电器的目的。

该放大驱动电路如图2-5所示。

驱动电路的J2输入端通过杜邦线连接单片机的P0口。

发光二极管D2和电阻R5组成的线路起到显示接通电源的作用。

当IO口输出高电平时，电流Ib通过PNP三极管8550放大后达到动作值使继电器动作。

当J2输入端输入量由高电平变成低电平时，由于自感现象继电器线圈会产生比较大的自感电压，该电压方向和电源电压VCC相同，这两种电压同向加在三极管e、c两级上，高于之前状态下的电压，这很可能会导致e极被击穿而损坏电路。

为解决这个问题，可以在继电器输入端两边反向并联一个稳压二极管来吸收和释放自感电压。

图2-5继电器驱动电路

实际电路制作中，为简化实物焊接过程，笔者选用成型的继电器模块。

图2-6为制作实物时选用的5V直流继电器模块。

该模块将继电器元件和驱动电路设计到一个很小的电路板上供二次开发使用。

继电器元件为松乐公司生产的一款继电器（输入量：

5V直流电压，最高输出：

10A-250VAC或10A-30VDC），驱动电路符合图2-5所示。

该模块输入端有三个可接线插头，分别是电源端（VCC）、接地端（GND）、信号输入端（IN）。

输出端有三个可接线端口，分别是“常开”触点、公共端和“常闭”触点。

当继电器闭合后，“常开”触点闭合、“常闭”触点释放；当继电器释放后所有触点都返回初始状态。

图2-65V直流继电器模块

2.3TC35模块

2.3.1TC35模块介绍

TC35模块是西门子公司生产的一种无线通信GSM模块，可以通过G网实现数据传输、语音传输、短消息服务和传真等功能。

TC35模块主要由TC35和其外围电路组成。

TC35是整个TC35模块的核心。

外围电路涉及到电源电路、开关电路、数据输入/输出电路、音频电路、SIM卡电路、RS-232串口、指示灯电路。

TC35和其外围电路是通过40针ZIF连接器相连接的。

图2-7为TC35结构框图。

电源

SIM

数据IN/OUT

RS-232

音频

GSM基带

处理器

GSM射频模块

供电模块

Flash

天线

ZIF40针连接器

图2-7TC35结构框图

TC35主要由GSM基带处理器、GSM射频模块（Radio）、供电模块（ASIC）、闪存（Flash）、ZIF连接器、天线（AntennaConnector）六部分组成[2]。

GSM基带处理器相当于TC35甚至整个TC35模块的大脑，它由C116CPU和DSP处理器内核组成，控制着模块中各种信号的传输、转