基于51单片机gsm控制的设计.docx

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基于51单片机gsm控制的设计

基于51单片机GSM控制的设计

摘要：

随着当代通信手段和数据网络的不断发展，以及实时移动通讯技术的不断普及，使得通过远程控制负载的技术不断完善。

本论文主要利用GSM移动通信模块的收发短消息功能来控制家用电器的开关状态，使得可以通过即时接收个人手机发送来的控制短信，对家用电器进行远程操控，比如：

日光灯的亮灭，空调的开关控制，热水器的温度调控等等。

本论文设计了一种基于51单片机控制的智能控制开关,可以实现远程操控测控系统的要求。

该设计电路是由单片机89C51电路、一键下载电路、外部存储器，按钮与指示灯电路以及蜂鸣器电路组成。

系统能实现实时显示控制状态，断电定时保护等的功能，可以说是一种非常安全实用的智能开关。

使得单片机可以实现如短信未读、阅读状态，发送状态。

返回、拨号、挂断、删除等。

关键词：

短信收发；智能控制；GSM；开关；

Absrtact:

withthedevelopmentofmoderncommunicationmeansanddatanetwork,andthepopularizationofreal-timemobilecommunicationtechnology,thetechnologyofremoteloadcontrolisbecomingmoreandmoreperfect.ThispapermainlyusesthefunctionofreceivingandreceivingshortmessageofGSMmobilecommunicationmoduletocontroltheswitchstatusofhomeappliances,whichmakesitpossibletocontrolhomeappliancesremotelybyreceivingthecontrolshortmessagessentbypersonalmobilephoneimmediately,andusingthefunctionofreceivingandreceivingshortmessagesfrommobilephonetocontroltheswitchstatusofhomeappliances.Forexample:

fluorescentlightsoff,airconditioningswitchcontrol,waterheatertemperaturecontrolandsoon.

Inthispaper,akindofintelligentcontrolswitchbasedon51singlechipmicrocomputerisdesigned,whichcanrealizetherequirementofremotecontrolandcontrolsystem..Thedesigncircuitconsistsofasingle-chipmicrocomputer89C51circuit,aone-keydownloadcircuit,anexternalmemory,abuttonandanindicatorlampcircuitandabuzzercircuit.Thesystemcanrealizethefunctionsofreal-timedisplaycontrolstate,power-offtimingprotectionandthelike,andcanbesaidtobeaverysafeandpracticalintelligentswitch.Sothatthesingle-chipcomputercanrealizetheunread,readingstateandsendingstateoftheshortmessage.Back,dial,hangup,delete,andsoon.

Keywords:

shortmessagereceivingandreceiving;intelligentcontrol;GSM;

第一章绪论

1.1引言

随着现代信息技术的不断创新，人们对个人的生活质量提出了更高的要求，这就使得社会生活中遇到的方方面面都趋于一个大方向，那就是智能化。

而今天我们讨论并设计的作品就是基于这样一个目标，使得可以解放人们的既定活动模式，利用个人电话的通讯功能即GSM模块进行远程控制，这不仅可以大大解放了人类的活动区域，还能有效地提高社会生产力进而有助于经济对的大发展。

1.2选题背景与意义

国内外之前进行的远程网络遥控终端一般都是PC或者专业的遥控终端，但是随着现代高新技术的不断发展，移动通讯网络发生了翻天覆地的变化，5G时代的到来标志着移动通讯进入了一个新的时代，飞速的网络传输速度改变了人类生活的方方面面，而我们今天设计的原理也是基于移动通讯网络中的一部分，即GSM提供的短消息服务。

它作为GSM模块网络中的一种基本功能，具有收发速度快，短信内容安全，费用很低等众多优点，这就使得人们可以将其运用到远程智能控制这一先进领域，利用GSM短消息系统实时传输数据功能，性能稳定，为远程安全操控家用负载提供了一个强大的技术支撑。

1.3应用现状及发展趋势

目前家用电器远程控制是家用网络控制的一个概述，它是将电子通讯产品跟家用负载依据某种通信协议，再通过一种网络平台连接在一起，我们通过这一平台网络用来控制家用负载的运作状态，例如开关状态、温湿度调节，转速功率调节等等。

在目前远程智能控制技术的发展中，美国一直跻身于国际前列，它的微软公司以及2G通讯带头人摩托罗拉公司一直致力于该方向的研究中，他们一直基于家庭网络的研究理念。

另外，日本在研究远程智能控制方面也取得了重要突破，例如日本东芝公司、松下电器等电器行业巨头也都将眼光放在家庭网络这一块，他们依据这一理念研发制造了许多网络家电，例如“Echonet”，它是通过移动通讯平台实现远程控制家电，但这一协定只是规定了基本的网络通信标准并没有得到完善优化。

目前人们采用最多的通讯方式就是基于移动pc以及手机上的“蓝牙”通讯方式，通讯速度可达到2400bps每秒。

。

这种通讯方式通过蓝牙将电子产品与家用电器连接在一起，具有信号稳定，功率消耗小等优点，但是它的缺点也显而易见，就是覆盖面积太小，一旦用户想进行长距离传输控制时，就会遇到信号弱连接不上等缺点，针对这一缺点，索尼公司推出了HAVI协议体系，它将各种家用电器、连接器、控制终端连接在一起，可以有效的解决信号弱的缺点，进而实现了用手机实时对家用电器进行远程遥控。

我国率先提出创建家庭网络控制家电的是海尔公司，他们研究当前发现现状推出了“e家”概念，并在2005年推出了相关的网络家电产品，用户可以通过手机发短信的形式控制家用电器的运行状态，随后我国的联想海信等公司也相继投入研究该方向，加快了中国在该领域迈向世界前列的步伐。

但是目前该概念相关的网络产品因为是成套出售，所以存在着价格高昂等现实问题，怎样降低成本将这一理念大规模普及给每个家庭成为现阶段最大的问题。

第二章GSM系统及方案设计

2.1GSM系统

GSM模块具有十分强大的功能，它包含发送短信，拨打和接听电话，上网等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。

换句话说，如果将GSM模块与键盘、显示屏和电池集成在一个板子上，再加上外壳，就是一部人们人场所必须的手机。

本设计采用STC89C52单片机与GSM模块利用S232串口建立连接并实现二者之间的相互通信，然后利用PC与终端设备通讯所用的AT命令来给GSM模块下达命令，从而达到各种各样的功能，如发短信、拨打电话等。

该模块的供电要求为5V伏供电，如果是长时间的传输数据大量数据，消耗电量很大，则推荐1安培以上的直流电，晶体管-晶体管逻辑电平串口自适应兼容3.3V的32单片机和5V的51单片机，该模块可以直接连接单片机。

待机电流在80毫安左右，允许设置休眠状态在10毫安左右低功率消耗。

使用电脑调试时，采用USB--232和USB—TTL串口均可。

此模块支持收发短信，数据传输，收发彩色短信，上网冲浪等。

复位排针引出，能够实现智能远程复位,带双音多频功能和远程遥感控制功能。

图2.2GSM系统框图

2.2GSM系统方案设计

（1）STC89C52单片机

本论文所研究的控制系统所采用的单片机是宏晶公司的STC89C52芯片，此芯片的最高运行频率为80兆赫兹，片内拥有8千Bytes的可重复擦除写入1千次的闪存ROM，拥有兼容性非常好的片内CPU及StorageUnit。

它是整个系统的大脑，控制其他模块正常工作。

在本设计当中，单片机作为整个系统的控制中心，检测GSM模块的初始状态，并其控制发送一条含有四位阿拉伯数字验证码的短信，当短信发送成功后，单片机再控制LED灯短暂的闪烁，提醒用户短信发送成功。

（2）GSM短信模块电路

GSM短信模块是把RF芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSMRF处理、基带处理并提供标准I/O接口的功能模块。

本设计中GSM短信模块与智能快递柜系统的单片机相连接，从而达到与用户手机通讯的目的。

（3）液晶显示模块与报警模块

本设计选择使用的用户显示界面的屏幕是LCD1602液晶屏，属于字符型液晶，其主要特点是能够同时显示2*16个字符。

在本设计中LCD1602液晶显示模块电路主要由单片机控制，通过液晶显示屏显示用户输入验证码的界面。

图2.3GSM系统框图

2.3本章小结

本章主要讨论了GSM通讯模块的工作原理，通过单片机电路实现对通讯模块、显示屏模块、一键下载电路，蜂鸣器与按键电路以及继电器模拟家用负载等硬件的系统控制，共同构成了本设计的总体硬件框架，进而实现远程控制这一设计目标。

第三章系统硬件设计

3.1外围电路设计

3.1.1复位电路设计

想要启动单片机，就需要进行复位操作处理，这样能确保中央处理器处于一个原始状态当中，并在此状态当中执行相关操作。

要对STC89C51单片机进行信号复位处理，要明确该信号主要是从RST引脚输入到芯片当中。

倘若这一系统处于合理的工作环境下，并且满足振荡器工作较为稳定的条件下，倘若运转的高电平可以在2个机器周期内运转如常，那么中央处理器可以迅速响应并确保系统顺利达到复位的目的。

在复位电路设计当中，所使用的直流稳压电源可分为以下几个不同的部分，第一种是降压，第二种是整流，第三种是稳压。

这样便可有效地确保将220V的交流电压加以转化，此时直流电压变为5V，可有效地确保后期整个电路工作的顺畅性。

可见电源在整个电路当中起到了一个特定的作用，如果不能达标，则不能有效地确保电路的运转顺畅性。

3.1.2TFT液晶屏接口

本系统中所用的是型号为ILI9320TFT的液晶屏，液晶模块采用16位的并行连接，如图3.10所示。

采用16引脚接线，液晶显示电路主要是由作为整个系统的“大脑”的51单片机模块对液晶显示屏进行初始化并且能够控制液晶屏的显示内容，再由液晶显示屏显示出用户使用界面，液晶显示屏在使用前要进行初始化。

图3.1TFT液晶屏接口

3.1.3存储器

这次设计用于存储的硬件主要有带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）、非易失性内存（Flash）、SD卡

（1）EEPROM

如图3.2所示，EEPROM芯片具有双电压特性，在芯片正常运行时，我们把它的跳线开关调至打开状态，就可以给ROM芯片加上合适的编程电压。

此外，EEPROM具有的带电可擦除功能也十分实用，其本身不需要借助任何设备就可以根据电信号完成修改，十分方便实用。

图3.2AT24C02电路图

（2）Flash

本设计选择的Flash芯片其容量为8MB，与其他存储芯片不同的是每次关机时该类型芯片都无法保存数据，而相应的每次通电开电源时都要重新载入数据这也是它闪存特性的由来。

不过它的优点也显而易见，就是可存储容量大可以同时间完成电路板多条指令的运行需求，确保系统运行稳定。

我们在选择时也考虑了其容量成本、可靠性，耐用性。

图3.3W25Q64电路图

（3）SD卡

本设计中采用SD卡作为字库的加载存储器模块，由于单片机上的Flash资源有限，不能够携带更多的信息，包括字库信息，因此需要由SD卡将字符通过SD卡读取电路传给flash。

如图3.4所示为SD卡接口电路设计原理图，由于SD卡是一个独立的存储介质，它需要通过接口电路来实现对存储器中的数据进行读取操作，图中的SD_CARD1为SD卡槽，用作为插入SD卡使用，它是由P3、P4、P5三个引脚级连起来实现的。

SD卡可采取SDIO接口或者SPI接口两种驱动电路来进行信息的获取，通过实验进行论证可以得到SDIO接口电路的驱动效果要明显的优于SPI接口电路。

驱动电路中的所有除时钟信号引脚以外的其它引脚都需要接一个上拉电阻，这里选择的是47K的上拉电阻来进行连接设计。

图3.4SD卡接口

为了方便与单片机进行通信，同时本设计中数据量并不大，对于数据的传输速率要求并不是很高，因此采用的是SPI借口电路设计。

3.1.4按键和指示灯电路

如图3.5所示为本系统的按键和指示灯电路的设计，左图中的按键电路部分采用的是四个独立按键进行设计，其中一个作为复位按键，另外三个作为功能按键。

根据按键要实现的内容不同，图中的KEY_UP接在单片机的复位引脚PA0上，单片机输入高电平有效，因此采用的是下拉方式进行设计；其余三个按键接在单片机的I/O引脚上，单片机的I/O引脚内置了上拉电阻，默认为高电平，这里将按键的一端接GND，输入低电平信号进行控制。

右图为指示灯显示电路设计，它是由三个不同颜色的发光二极管组成，用来显示系统的工作状态。

PWR为电源指示灯，系统接入电源指示灯常亮表示系统正在工作；LED0、LED1为功能指示灯，它表示的是系统当前的某个功能模块正在工作，比如未接来电、短信提示等[23]。

LED1为系统运行状态指示灯，LED0为信息提示指示灯设计。

每个发光二极管需要串联一个不同阻值限流电阻，电阻的阻值取决于选择的发光二极管的颜色，在本设计中采用的510Ω的电阻作为限流电阻。

图3.5按键和指示灯电路

3.1.5蜂鸣器电路

蜂鸣器按照是否带振荡电路可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种，两种蜂鸣器的工作方式存在差异。

其中有源蜂鸣器采用的是特定频率进行驱动，它由集成的振荡电路的频率来决定，只能够发出一种声响，并且可以直接接在单片机的引脚上使用；无源蜂鸣器需要单片机输出一个频率可变的方波信号来进行驱动，它的驱动频率在1到4KHz之间，需要外接一个驱动电路来进行控制，可以发出不同的声响。

图3.6蜂鸣器电路

本设计考虑到使用简单、控制方便，采用有源蜂鸣器作为报警提示电路设计，他可以直接由单片机或者按键控制发声[24,25]。

如图3.15所示为本设计中的蜂鸣器发声电路设计图，这里采用的是无源蜂鸣器器件，它与单片机之间需要通过驱动电路来进行控制，在本设计中给系统接入一个NPN型的三极管作为开关电路，由单片机的控制引脚PB8输出高低电平信号控制三极管的导通，继而转换为控制蜂鸣器的发声。

3.2本章小结

本章主要介绍了系统各硬件的参数及功能，并演示了工作方式，运行状态。

其中外部存储电路主要负责存储手机收发的数据，GSM模块用来识别并读取移动通讯端发送来短消息，按键及蜂鸣器电路主要用来一键还原系统状态，提示用户当前继电器的运行状态。

第四章系统软件设计

4.1总体框图

图4.1系统主程序工作流程图

如图4.1所示为本设计的主程序工作流程图，单片机上电完成完成初始化操作后，进入到循环体中根据逻辑执行各种子函数。

4.2系统初始化

初始化程序主要是对单片机的时钟、串口、I/O引脚、外围电路等器件进行设计，使其满足系统运行的基本工作需要。

时钟配置包括对系统的工作时钟进行配置，本设计采用的是12MHz的晶振电路进行设计，因此需要对实时时钟信号进行初始化；串口1的初始化包括波特位、数据位、停止位、校验位等信息的配置，一般是默认的“9600，8，1，0，0”；串口2则是用来与GSM模块进行通信，因此它的波特率应该设置为115200[25,26]。

4.3文件系统FATFS移植

FATFS文件系统是应用在嵌入式处理器或者linux环境下的一款开源文件系统，本设计采用的是STM32单片机作为主控制器，它是嵌入式微控制器中的一种，其可以满足FATFS文件系统的运行需求，可以将FATFS文件系统部署到STM32微控制器中，通过修改配置文件ffconf.h和底层驱动文件diskio.c，使其可以运行在STM32嵌入式控制器上。

ffconf.h的配置是文件系统移植的核心内容，它采用宏定义的方法将一些关键的参数进行封装，用户将文件系统移植到STM32上，将关键的几个宏参数进行修改后便可以运行，需要修改的内容如下：

将_FS_TINY的赋值修改为0；将_USE_FASTSEEK修改为1，用来设置文件夹；编码格式_CODE_PAGE设置为936，即GBK编码格式，采用这种编码格式时需要确保option文件夹中包含936.c文件，如果缺失会导致系统的编译或者运行出错，将其复制粘贴到该文见目录下即可；将_VOLUMES修改为1，使其可以操作SD卡；将_USE_LFN修改为3，允许系统可以使用长文件；将_MAX_SS参数的值修改为512，它表示数据缓冲区为512bit。

其他选项的设置可以结合实际情况和参考网上资料来进行设置。

4.4本章小结

本章主要介绍了GSM收发系统的整体框架和各软件模块的软件设计。

从软件运行的情况展示系统总体的运行步骤。

第五章系统调试

5.1系统调试过程与方法

5.1.1串口通信

本文采用SIM900A作为GSM通信模块，为了确保数据通信无失真，将上位机的串口波特率设置为115200，这样单片机在与模块进行通信时就可以接受到更多的信息，而不会发声数据丢失的情况，特别时在发送短信时数据量较大的情况下。

本文采用SSCOM串口调试助手来进行串口通信调试。

在笔记本中事先下载好SSCOM串口调试助手，然后双击运行该调试助手进入到程序的主界面，将串口的波特率为115200，并将发送新行的控件选上，可以让调试助手自动添加回车换行“\r\n”符号，可以使得页面显示结果的更加的直观、简洁。

SIM900A模块提供完成的AT指令集供单片机或者开发者通过上位机对其进行测试，采用USBTTL将SIM900A模块连接在电脑的USB接口上，如果找不到模块的串口时请检查相关驱动是否已经安装。

上位机与模块连接成功，在SSCOM的输入框中输入“AT+CPIN?

”，这时页面会返回模块的响应。

当返回的响应为OK时，这就说明SIM900模块与上位机之间的通信正常。

图5.1串口调试图一

如图5.1所示为用户在串口调试助手上依次向SIM900模块发送AT指令，并接受到SIM900模块返回的信息：

当前信号强度27、网络为中国移动、生产厂商为SIMCOM、生产型号为SIM900A。

如图5.2所示串口调试图中可以看到，SIM模块额短信功能可以正常使用，数据在模块中采用的是Unicode方式进行编码的，在现实中看到的手机短信内容则采用的是软件进行转码的。

发送短信也是采用的是Unicode方式进行编码，输入发送短信的AT指令后，依次输入收信人的手机号、短信内容，这时通过指令“0x1a”来发送信息。

图5.2串口调试图二

5.1.2系统UI

一般在手机显示的内容中，需要包含运营商、手机号码、时间等信息，这些信息可通过发送AT指令给SIM模块，由SIM模块通过串口发回给单片机，由单片机对其进行处理后将其采用“图像+中文”的方式显示在屏幕上，提高系统的人机交互性。

本设计采用的是中国移动制式的网络，因此SIM只能够识别中国移动的卡，当正确的插入移动SIM卡后，在系统的屏幕显示界面上以24*24的像素显示出“中国移动”的信息；当插入的是非移动SIM卡时，在显示屏幕上会进行报错提示，此时不能够进行任何操作，因此插入正确的SIM卡是确保系统可运行的重要前提。

SIM900A模块可以通过AT指令去查询它的信号强度，其信号强度的范围在0~31之间，因此信号栏的设计按照7个单位为一格，信号栏的颜色设计通过调用voidGUI_ShowSignal（u16x,u16y,u8signal,u16color）来进行设计，一般以白色的为主。

SIM900A模块可以查询到RTC备用电池的电量，并将其显示在屏幕上，电池电量的显示可以通过函数voidGUI_ShowPower（u16x,u16y,u8power,u16color,u16f_color）来进行绘制，其中变量color用来绘制电池电量标题的外围轮廓色，一般以白色为主；变量f_color用来绘制电池电量的填充色一般以绿色和红色为主，当电量低于20%时，电池的填充色为红色，反之则为绿色。

本设计的主要功能是用来进行拨打、接听、挂断电话以及收发信息、查看短信详情。

无论是拨打电话还是信息的收发，都需要一个可以用来进行编辑的数字键盘，键盘采用3*4设计，它包括10个数字按键、*、#按键设计，同时它还应具备接听、挂断等功能，不同的功能采用不同的颜色进行填充用来进行标识。

5.1.3读取短信

读短信时系统必备的一项重要功能，由于模块本身采用的是Unicode编码方式进行编码，模块在接收到短信息后，会通过调取实现设置好的字库将信息的格式进行转换，信息的切换可通过发送AT指令来实现。

比如要选择堆读取某条信息时，可以通过点击“读取”按键，由STM32向SIM模块发送“AT+CMGR=msgindex”（msgindex为输入的要读取短信位置）给SIM模块，这时单片机会接收到模块发送回来的一堆信息，在这堆信息中可以由strstr（）函数来查询字符串的首地址，并对得到信息的Unicode码，将信息转换为GBK码并显示在TFTLCD上。

5.1.4发送短信

发送短信的功能设计同读取信息的功能相似，在程序中定义一个数组phonebuf[phonenumlen]接收收件人的手机号，并定义一个大小为300字节的指针变量用来存储发信内容。

在信息的录入时，采用的是GBK编码格式，它不能够被SIM模块识别到，单片机在将待发送内容通过串口发给SIM模块前，需要将GBK编码的中文转换为Unicode码，然后再发给SIM模块。

5.3本章小结

本章重点介绍系统运行的调试过程。

先介绍了单片机电路与模块之间的串行通信和各种特定指令所实现的操作目标。

接着介绍了系统在接收、读取短信，的实现情况，最后我们对操作目标进行实践模拟，与预期效果进行对比。

第六章结论

本次设计使得电子产品和家用负载通过网络平台有效地连接在一起，能够实时稳定的控制继电器（负载）的运行状态，单片机上的GSM通信模块工作良好，具有信号稳定、低耗能等优点。

本设计电路板能够大程度模拟实际控制情况，针对实际出现的信号弱GSM模块收发读取出现故障，以及在收到控制信息时单片机无法控制继电器等情况进行多次调试，证明了系统的稳定可靠性，与预期效果一致。

参考文献

[1]李燕梅.GSM移动网络综述[J].大理学院学报.2016,