学位论文基于gsm短信的温湿度采集系统硬件设计.docx
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学位论文基于gsm短信的温湿度采集系统硬件设计
基于GSM短信的温湿度采集系统硬件设计
HardwareDesignofTemperatureandHumidityoftheAcquisitionSystemBasedonGSMSMS
基于GSM短信的温湿度采集系统硬件设计
[摘要]本论文主要设计基于GSM短信的温湿度采集系统硬件电路设计，其主要功能是以STC89C51单片机为核心，实现温湿度的采集、处理、发送及与PC机之间的通信。
对温度、湿度参数测定，通过数字式温湿度一体传感器SHT11实现。
单片机通过串口实现与GSM模块接口连接，同时也可通过串口实现与PC接口的连接。
本文对每个模块逐一进行了研究，全面详细地论述了硬件电路的设计，对本设计中GSM模块、单片机控制模块、温湿度采集模块和MAX3232通信模块等工作原理及功能进行了详细的论述。
[关键词]单片机；短信模块；通信；GSM
HardwareDesignofTemperatureandHumidityoftheAcquisitionSystemBasedonGSMSMS
ElectronicInformationEngineeringZHANGKun
Abstract:
Inthispaper,themaindesignisbasedonthetemperatureandhumidityGSMSMSacquisitionsystemhardwarecircuitdesign,itsmainfunctionisatthecoreSTC89C51single-chip,toachievetemperatureandhumidityofthecollection,processing,deliveryandcommunicationbetweenthePCmachine.
Temperature,humidityparametersdeterminedbydigitalintegrationoftemperatureandhumiditysensorstoachieveSHT11.Single-chipthroughtheserialportinterfacemodulewithGSMconnectivity,butalsothroughtheserialinterfacewithPCconnection.Inthispaper,onebyoneforeachmoduleofstudy,acomprehensivedetailofthehardwarecircuitdesign,thedesignoftheGSMmodule,single-chipcontrolmodule,temperatureandhumidityacquisitionmoduleandcommunicationmodule,suchasMAX3232workingprincipleandfunctionarediscussedindetail.
Keywords:
Single-chip;SMSModule;Communication;GSM
目录
1引言1
1.1课题背景1
1.2本设计的研究内容1
2单片机控制系统电路设计3
2.1STC89C51单片机3
2.2看门狗电路设计3
2.3系统电源模块设计5
3GSM模块电路的设计5
3.1SMS短信5
3.2GSM模块6
3.3TC35模块8
3.4硬件电路设计10
4温湿度采集模块电路的设计11
4.1温湿度传感器SHT1111
4.1.1SHT11引脚及功能12
4.1.2SHT11工作原理12
4.1.3SHT11温湿度传感器注意事项13
4.2硬件电路设计14
5通信电路模块设计14
5.1RS232接口MAX323214
5.2硬件电路设计15
结束语16
附录18
致谢19
1引言
1.1课题背景
近年来，随着人们生活质量的不断提高，以及楼宇智能化、自动化的不断兴起与普及，许多大型场所如购物中心、酒店、写字楼等都需要较为舒适的温湿度环境，因此，精确的温湿度采集在温湿度控制系统中显得极为重要。
在现代工农业生产中，经常需要对环境温度与湿度进行测量与控制。
特别是对于生物制药、食品加工、造纸等行业，准确测量温湿度更是至关重要的。
目前，温湿度测量领域的新技术不断涌现，新产品也层出不穷。
主要表现在以下2个方面：
（1）温湿度传感器正从分立元件向集成化、智能化、系统化的方向迅速发展，为开发新一代温湿度测控系统创造了有利条件。
（2）在温湿度测量系统中，普遍采用了线性化处理、自动温度补偿和自动校准湿度等项新技术。
传统的温、湿度采集测控系统，大多数采用仪表和人工方法进行测试和调节，因而精度低、灵敏度差，测试结果也不直观。
温湿度的测量在仓储管理、生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。
本设计采用先进的计算机设计，使湿、温度的测量、显示、记录和控制全部实现自动化，而且精度高、反应灵敏。
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网络作为数据无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用。
典型的应用有：
变电站、电表、水塔、水库或环保监测点等监测数据的无线传输和无线自动警报；远程无线控制高压线路断电器、加热系统、防洪拦阻系统或其它机电系统的启动和关闭；车队交通管理和控制指挥系统；控制和监测香烟、食品和饮料自动售货机的运行状态和存货水平等。
这里选用GSM模块TC35，给出其和PC机的通信电路，本设计通过单片机控制对温湿度采集，实时监控室内温度湿度，可以随时将采集到的数据通过短信传输到手机等终端设备，也可以通过单片机驱动液晶，将检测的数据显示在液晶屏幕上。
GSM网络的使用省去了通信线路的铺设，实现了远程控制，使采集系统投资少，构建灵活。
1.2本设计的研究内容
如图1所示为课题硬件设计总体框图，主要包括以STC89C51单片机为核心的控制模块，由TC35芯片构成的GSM短信模块，由SHT11传感器构成的温湿度数据采集模块，由MAX3232构成的通信模块和系统供电模块。
详细电路图见附录。
图1硬件设计总体框图
（1）GSM模块
随着通信事业的发展，移动通信应用领域的不断扩大，移动终端的设计也逐渐倍受关注。
GSM模块采用TC35及其构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息收发等功能，已应用在基于GSM短消息的GPS车辆监控系统中。
在本设计中，GSM模块用于将采集的温湿度信息以短信的形式发送到移动终端。
（2）STC89C51单片机控制模块
STC89C51单片机是整个设计的核心器件，用其控制对温湿度采集，实时监控室内温度湿度，可以随时将采集到的数据通过GSM网络传输到手机等终端设备，也可以通过单片机驱动液晶，将检测的数据显示在液晶屏幕上。
（3）温湿度采集模块
温湿度采集模块采用SHT1x系列的传感器SHT11。
SHT1x系列单片集成传感器是Sensirion公司最近推出的一种可以同时测量湿度、温度和露点的传感器，不需外围元件直接输出经过标定了的相对湿度、温度及露点的数字信号，可以有效解决传统温、湿度传感器的不足。
（4）串口通信模块
串口通信模块采用MAX3232芯片，MAX3232为+3.0V供电的EIA/TIA-232和V.28/V.24通信接口芯片，具有低功耗、高数据速率、增强型ESD保护等特性。
（5）电源模块
由于本系统各芯片均是宽电压供电，所以本系统采用一块锂电池供电，也可采用三节普通1.5V电池串联供电。
当电源电量不足时，可以被单片机控制模块的看门狗电路检测到，只要更换电池或取下充电即可。
（6）看门狗电路
本系统看门狗电路采用芯片X5045，它是SPI总线格式的具有看门狗、电压监控、上电复位和EEPROM数据存储的多功能芯片。
2单片机控制系统电路设计
2.1STC89C51单片机
STC89C51RC/RD+系列单片机是超强抗干扰/高速/低功耗的单片机。
其特点如下：
（1）增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期
（2）工作电压：
5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）
（3）工作频率范围：
0-40MHz，相当于普通8051的0-80MHz，实际工作频率可达48MHz。
（4）用户应用程序空间4K/8K/13K/16K/20K/32K/64K字节
（5）片上集成1280字节/512字节RAM
（6）通用I/O口（32/36），复位后为：
P1/P2/P3/P4是准双向口，P0口是开漏输出，作为总线扩展时，不加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器
（8）EEPROM功能
（9）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
（10）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART
本系统所用STC89C51采用DIP-40封装。
2.2看门狗电路设计
单片机应用系统的开发一定要考虑系统的可靠性设计，“看门狗”是系统可靠性设计的重要一环。
在一个单片机系统中，所谓的“看门狗”是指在系统设计中通过软件或硬件方式在一定的周期内监控单片机的运行状况。
如果在规定的时间内没有收到单片机的清除信号，也就是我们通常所说的没有及时“喂狗”，则系统会强制复位，以保证系统在受到干扰时仍能维持正常的工作状态。
本系统采用X5045芯片，它是一种具有上电复位、电压监控、看门狗定时以及E2PROM数据存储4种功能的多用途芯片。
X5045与STC89C51单片机的SPI接口电路如图2所示。
X5045的各引脚功能如下：
CS：
电路选择端，低电平有效；
SO：
串行数据输出端；
SI：
串行数据输入端；
SCK：
串行时钟输入端；
WP：
写保护输入端，低电平有效；
RESET：
复位输出端；
VCC：
电源端；
VSS：
接地端。
图2看门狗电路
（1）上电复位
向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET引脚有效。
该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。
当VCC超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms（典型）延时后释放RESET以允许系统开始工作。
（2）低电压监视
工作时，X5045对VCC电平进行监测，若电源电压跌落至预置的最小Vtrip以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开的情况下工作。
当RESET被确认后，该RESET信号将一直保持有效，直到电压跌到低于1V。
而当VCC返回并超过Vtrip达200ms时，系统重新开始工作。
（3）看门狗定时器
看门狗定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。
由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。
2.3系统电源模块设计
本系统中所用芯片的工作电压如表1所示。
表1所用芯片的工作电压
芯片
工作电压（V）
STC89C51
3.4-5.5
TC35
3.3-5.5
SHT11
2.4-5.5
MAX3232
3.0-5.5
由于本系统中所用芯片的工作电压都可以在3.3V-5.5V之间，所以电源可以直接采用4.5V锂电池或三节普通电池串联供电。
由于GSM模块发送SMS时需要的峰值电流达到2A，所以为了保护电源和提供所需峰值电流，需设计GSM模块电源电路，其原理图如图3所示。
图3GSM模块电源电路
3GSM模块电路的设计
3.1SMS短信
SMS短信（ShortMessagingService）系最早的短消息业务，也是普及率最高的一种短消息业务。
目前，这种短消息的长度被限定在140字节之内，这些字节可以是文本的。
SMS短信以简单方便的使用功能受到大众的欢迎，却始终是属于第一代的无线数据服务，在内容和应用方面存在技术标准的限制。
短消息服务器使移动电话（包括PocketPCPhone）能够使用GSM网络发送短消息。
SMS短信也是一种存储和转发服务。
也就是说，短消息并不是直接从发送人发送到接收人，而始终通过SMS中心进行转发的。
如果接收人处于未连接状态（可能电话已关闭），则消息将在接收人再次连接时发送。
SMS短信具有消息发送确认的功能。
这意味着SMS与寻呼不同，用户不是简单地发出短消息然后相信消息已发送成功；而是短消息发送人可以收到返回消息，通知他们短消息是否已经发送成功。
SMS短消息的发送和接收可以和GSM语音同步进行。
SMS短消息按消息收费，因此要比通过基于IP的网络（例如，使用GPRS[通用分组无线业务]）发送的数据昂贵得多（每字节）。
GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。
它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的数据发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。
所以当目的GSM终端没开机时信息不会丢失。
每个短信的信息量限制为160字节。
短消息服务（SMS）是GSM技术应用的一项重要内容，它具有一些突出特点如：
一次可传输140个字节的数据，数据的内容可以是字符或数字；可以在GSM网络内端对端传输，还可以从GSM网络外（如互联网）发送短消息给一个端点站；短消息通过设在移动通信部门的短消息中心（MSC）用GSM系统的信令信道传送，与语音信道不冲突，即使终端处在通话状态下也可进行传送；在短消息传送过程中，不进行呼叫连接建立和释放的过程；MSC具有短消息的存储功能，在终端设备关机时，可以保持消息在一定时间内有效等。
利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制，即实现遥测和遥控。
短消息业务是GSM系统中唯一不需要建立端到端业务通道服务。
点对点短消息是以任意形式的字母数字串，通过数字控制信道传送的。
空闲时占用独立专用控制信道（SDCCH），信息速率为782b/s；通话时占用慢速随路控制信道（SACCH），信道速率为383b/s。
为了避免时延过长，以及对这些争抢接入信道负荷过大，每条短消息最大帧长度为140个字节（按ASCII字符7bit编码为160个字符）。
因此可以在任何时候发送或接收短消息的传输协议数据单元TPDU（TransportProtocolDataUnit），无论话音或数据通信是否正在进行。
由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立GSM系统不须再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，可以广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。
3.2GSM模块
通信是在复杂的环境里进行的，GSM模块除了收到本系统内部有效的命令、数据外，还会收到一些其他信息、数据，如广告短信、移动公司的各种通知等。
它们会从以下两个方面影响数据的正常传输。
一方面，由于这些短信的长度、出现的时间及次数都是随机的，为保证系统的正常工作必须将接收缓冲区设置得较大，否则可能会造成缓冲区的溢出而引起系统崩溃；但一般受系统中使用的MCU资源的限制，缓冲区不可能设置得过大。
另一方面，由于这些短信的频繁出现，信箱很快会被塞满，如不及时删除势必影响系统正常的数据传输。
（1）GSM模块软硬件接口
GSM模块一般带有标准的异步串行接口，MCU通过该串行接口向GSM模块发送命令和数据，也通过它接收GSM模块的信息和数据。
GSM模块上电后首先要进行初始化。
一般来说，MCU首先可向它发送一AT命令“ATEO”，以消除“回显”，尽量减少MCU串行口接收到的字符；然后发送AT命令“CNMI”，将GSM模块设置为“主动通知模式”。
这样当GSM模块收到短信后便会主动地向串口发送信息“CMTI”通知MCU，表示有新的短信到达。
另外，还要检查信箱中是否存放有短信。
若有，则将其一一读出，然后逐一删除，以保持信箱中为空。
GSM模块开始工作后，每当收到短信时便会主动通过串口向MCU发送信息“CMTI”，MCU接收到此信息后发出AT命令“CMGR”读取短信，GSM模块即将该短信通过串行口发送给MCU，由MCU判断该短信是本系统内的正常数据，还是广告或其他信息。
如果是本系统内的正常数据，则提取该短信中的数据，同时发出AT命令“CGMD”以删除该短信；如果不是正常数据，则直接删除该短信。
MCU发送短信的过程如下：
首先，MCU发送AT命令“CMGS”；然后，等待GSM模块的允许发送短信的响应信息“>”，MCU收到响应信息后即可发送数据，GSM模块将数据以短信形式发送；最后，GSM模块通过串行口向MCU发出短信发送成功与否的信息。
上述过程如图4所示。
从GSM模块中读出的信息除短信本身外，还包括一些其他信息，如SIM卡号、日期时间、各种间隔／结束字符等。
在此过程中MCU的串行口会频繁地收到大量数据，因此必须要为串口设置足够的接收缓冲区。
但由于MCU内RAM资源有限，为有效地使用资源，可将接收缓冲区设置为环形，缓冲区的大小应保证能够容纳一条最长的短信，再加上其他附加信息的长度。
至于发送缓冲区，直接设定为合适大小即可。
图4GSM模块收/发短信
（2）具体实现
在MCU与GSM模块通过串行口交换数据的过程中，一般串行口可用中断方式。
MCU发送数据的情况较简单，故这里的重点是MCU串行口的接收。
如前所述，接收缓冲区应设置为环形，由于MCU的存储器实际上是线性结构，因此环形缓冲区是通过指针操作实现的。
初始化时使输入／输出指针（datain／dataout）同时指向开始位置，此时缓冲区为“空”。
串口接收程序CommIsr（）每向缓冲区中放入1个宁符后，使输入指针向后移动1位；移动到最右边时，指针应循环移动到缓冲器的左边；当输入指针移动到输出指针右边l位时，缓冲区为“满”，此时便不能再向缓冲区中放入字符。
短信数据处理程序GetShortMsg（）每从缓冲区中取出1个字符，输出指针移动l位，方法同输入指针。
当输出、输入指针重合时，缓冲区为“空”。
在工作中串行口接收中断程序将接收的每1个字符按顺序放入缓冲区中，而短信数据处理程序按顺序从缓冲区中取出每个字符，两者形成“生产者和消费者”的关系。
3.3TC35模块
TC35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（ShortMessageService）和传真。
模块的工作电压为3.3－5.5V，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2.4k，4.8k，9.6k的非透明模式。
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。
TC35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TC35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。
TC35为无线GSM/GPRS通信模块，集成了标准的串口以及SIM卡，可以在PC机上用AT命令通过串口对它进行设置。
这使它成为在声音和数据通讯上通用的一个GSM/GPRS双频终端产品。
TC35型模块是终端的主要功能部件，负责处理GSM蜂窝设备中的音频、数据和信号，内嵌的软件部分执行应用接口和所有GSM协议站的功能。
基带处理器包含蜂窝无线部分的所有模，数转换功能，为满足GSM、PCS蜂窝用户市场日益增长的要求，在不用外接电路的情况下就能支持FR、HR和EFR语音和信道编码。
射频部分基于SMARTi型电路，模块内的天线电缆连接到GSC类型的50Ω连接器。
TC35模块适合最小功率的GSM蜂窝设备，这种蜂窝设备的应用部分构成人机接口（MMI）。
通过串口可接入TC35。
TC35通过40针ZIF连接蜂窝应用部分，ZIF连接器提供控制数据、音频信号和电源线的应用接口。
终端系统的工作电压为5VDC。
TC35的引脚介绍如下：
TC35模块有40个引脚，通过一个ZIF（ZeroInsertionForce，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。
TC35的第1～5引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V，第6～10引脚是电源地。
11、12为充电引脚，可以外接锂电池，13为对外输出电压（共外电路使用），14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻，用于锂电池充电保护控制。
15脚是启动脚IGT，系统加电后为使TC35进入工作状态，必须给IGT加一个大于100ms的低脉冲,电平下降持续时间不可超过1ms。
16～23为数据输入/输出，分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。
TC35模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-TRS232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，默认9600bps。
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。
其中18脚RXD、19脚TXD为TTL的串口通讯脚，需要和单片机或者PC通讯。
TC35使用外接式SIM卡，24～29为SIM卡引脚，SIM卡同TC35是这样连接的:
SIM上的CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通过SIM卡阅读器与TC35的同名端直接相连，ZIF连接座的CCIN引脚用来检测SIM卡是否插好，如果连接正确，则CCIN引脚输出高电平，否则为低电平。
TC35的第32脚SYNC引脚有两种工作模式，一种是指示发射状态时的功率增长情况，另一种是指示TC35的工作状态，可用AT命令AT+SYNC进行切换，本模块使用的是后一种。
当LED熄灭时，表明TC35处于关闭或睡眠状态；当LED为600ms亮/600ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35正在进行网络登录；当LED为75ms亮/3s熄时，表明TC35已登录进网络，处于待机状态。
30、31、32脚为控制脚，其中30为RTCbackup，31为Powerdown，32为SYNC。
35～38为语音接口，35、36接扬声器放音。
37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音（37是话筒正端，39是话筒负端）。
TC35开发技巧：
模块的供电电压如果低于3.3
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