基于SMS的空调远程监管系统设计毕业设计 精品.docx

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基于SMS的空调远程监管系统设计毕业设计精品

　　　　JISHOU　UNIVERSITY

本科生毕业设计

题目：

作者：

学号：

所属学院：

专业年级：

指导教师：

职称：

完成时间：

201x年y月z日

吉首大学教务处制

基于SMS的空调远程监管系统设计

尹显文

（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首416000）

摘 要

随着空调的普及，很多企业的办公室基本上都配备了一台空调。

对于大型企业而言，数目众多的空调不仅造成管理上的困难，而且浪费用电现象严重。

本设计基于GSM模块和单片机，结合MBUS总线通信，构建了一个空调远程监管系统。

系统包括三部分：

PC集中控制端、GSM/MBUS转换器和空调节能监控器。

系统既能远程控制各办公室空调的开断、设置开关空调温度，还能采集各办公室用电量、室温等信息。

本设计利用GSM网络覆盖范围广、MBUS挂载设备数量多等特点，使系统结构简单、工作性能可靠，适用于地域上分散，但办公点局部集中的学校、企业、事业单位。

关键词：

51单片机；TC35；GSM通信；MBUS总线；远程监管系统

TheAirConditionerRemoteMonitoringSystemDesign

BasedonSMS

YinXianwen

（CollegeofPhysicsScienceandInformationEngineering,JishouUniversity,Jishou,Hunan416000）

Abstract

Withthepopularityofairconditioner,alotofofficebasicallyequippedwithanairconditioner.Forlargeenterprises,alargenumberofairconditionernotonlycausemanagedifficultiesbutalsoseriouswasteofelectricity.ThedesignisbasedontheGSMmoduleandmicrocontroller,combinedwithMBUScommunication,buildanairconditionerremotemonitoringsystem.Thesystemconsistsofthreeparts:

PCCentralizedControlTerminal,GSM/MBUSConverterandAirConditionerEnergyMonitor.Thesystemcanremotecontrolofficeairconditioner'spoweronoroff,setswitchtemperature,alsocangathertheinformationofeachoffice'selectricityconsumptionandroomtemperature.ThisdesignusesthefeaturesofGSMnetworkcoveringawiderange，MBUSaccommodatelargenumberofdevices，Makesthesystemhassimplestructure,reliableperformance.Thesystemissuitableforthosegeographicallydispersed,butofficepointlocalconcentratedcases,suchasschools,enterprisesandbusinessunits.

Keywords：

51MCU；TC35；GSMCommunication；MBUS；RemoteMonitoringSystem

目录

第一章绪论…………………………………………………………………………

1.1系统背景………………………………………………………………………

1.2系统概述………………………………………………………………………1

1.3功能指标…………………………………………………………

第二章概要设（总体印象，结构）计理论基础

2.1STC12C5A60S2单片机简介……………………………………………………

2.2SIEMENSTC35GSM模块简介

2.3DS18B20温度传感器简介

2.4555定时器简介

2.5RS485总线简介

2.6AT指令简介

2.7MBUS协议简介

2.8红外遥控简介

2.8.1NEC标准遥控码特征

第三章硬件电路设计

3.1PC集中控制端硬件框图

3.2STC12C5A60S2单片机最小系统

3.3GSM/MBUS转换器电路图

3.3.1GSM/MBUS转换器硬件框图

3.3.2GSM/MBUS转换器电源电路

3.3.3GSM/MBUS转换器MBUS收发电路

3.4空调节能监控器电路图

3.4.1空调节能监控器硬件框图

3.4.2空调节能监控器电源电路

3.4.3空调节能监控器RS-485接口电路

3.4.4空调节能监控器MBUS收发电路

3.4.5空调节能监控器红外发射电路

3.4.6空调节能监控器继电器电路

第四章软件设计

4.1通信协议

4.2GSM/MBUS转换器程序流程图

4.3空调节能监控器程序流程图

第五章系统测试

第六章总结

参考文献

附录AGSM/MBUS转换器原理图

附录B空调节能监控器原理图

附录C空调节能监控器PCB图

附录DGSM/MBUS转换器程序清单

附录E空调节能监控器程序清单

（章左起书写、黑体，小四。

逐级标题右缩进1个汉字的距离，宋体，小四。

文字与章号或节号间空一个汉字的距离）

第一章　绪论

1.1　系统背景

在微电子技术的高速发展的今天，微型单片机在远程监控方面的应用越来越广泛。

随着可持续发展观和节能减排理念的提出，人们的节能意识也越来越强。

然而对于很多大型事业单位而言，数目众多又缺乏统一管理的办公室空调造成了极大的电能浪费。

此时，利用单片机和GSM设计一个基于SMS的空调远程监管系统就能很好地解决上述问题。

1.2　系统概述

本系统以STC12C5A60S2单片机为核心控制器，结合SIEMENSTC35GSM模块和MBUS总线，实现对空调的远程监管。

为实现设计的要求，本系统还设计了温度采集、红外发射、485通信接口等外围电路。

系统自上而下由三部分组成：

PC集中控制端、GSM/MBUS转换器和空调节能监控器。

系统总体结构如图1.1所示。

图1.1　系统总体结构图

监控室由一台PC机和一个GSM模块组成，它们之间通过RS-232串口线或USB转串口线连接。

被监控区指的是一栋相对独立的楼宇和楼宇房间内的空调设备。

房间（被监控单元）内的市电220V/380V电源首先连接到电能表，再连接到本系统的空调节能控制器，然后连接空调。

控制信号通过空调节能控制器的MBUS接口连接到GSM/MBUS转换器的MBUS总线，多个房间的空调节能控制器均连接到此MBUS总线。

空调节能控制器通过RS-485接口获取电能表数据。

空调节能监控器的红外遥控接口用于发送控制空调的红外码。

系统的工作过程如下：

监控室PC机上安装的应用程序按事先约好的通信协议发送文本方式的短信，被监控区的GSM/MBUS转换器接收到此短信后，对短信进行分析，转换为相应的二进制数据包，再通过MBUS总线发送出去，总线上的空调节能监控器接收到此数据包后，进行包完整性、正确性判断，再获取包中的地址、指令、数据项，只有地址匹配的空调节能监控器才回复此数据包，回复的数据包在GSM/MBUS转换器中进行转换，以文本方式的短信发送出去，监控室PC机的应用程序解析接收到的短信，并存储到数据库中，从而实现被监控区空调节能监控器的工作状态查询、开关状态查询和控制、能耗查询等功能。

1.3　功能指标

系统要能在长时间不断电的状态下实现对被监控区全局开关空调和独立开关指定空调的功能；一个GSM/MBUS转换器要求至少能控制100台空调，并且通信距离不能低于500米；系统采集到的电量精度为0.1度，室温精度为0.1℃；系统要求具有冬夏模式，并能自由设定开关空调的条件温度。

第二章　设计理论基础

2.1　STC12C5A60S2单片机简介

STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟、机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成EEPROM,看门狗，MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换。

工作频率范围为0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；用户应用程序空间最多可达62K字节；片上集成1280字节RAM；通用I/O口多达44个，可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA；4个16位定时器；STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口。

图2.1为STC12C5A60S2系列单片机管脚图。

图2.1　STC12C5A60S2系列单片机管脚图

2.2　SIEMENSTC35GSM模块简介

西门子公司的TC35是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。

在GSM网络日臻完善的今天，TC35秉承了西门子一贯的优秀品质，它易于集成，用户可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。

在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域TC35无线模块发挥较大作用。

TC35自带RS232通讯接口,可以方便地与PC机、单片机联机通讯。

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。

TC35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和1w。

TC35模块有AT命令集接口,支持文本和PDU模式的短消息。

TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成，内部功能框图如图2.2所示。

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。

图2.2　TC35内部功能框图

2.3　DS18B20温度传感器简介

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且读写DS18B20仅需要一根线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。

DS18B20主要特性：

独特的单线接口方式，DS18B20与微处理器连接时仅需要一条线即可实现双向通讯。

实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。

测温范围为-55~125℃。

精度可达0.5℃。

负压特性，电源极性接反时，DS18B20不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

图2.3为DS18B20典型测温电路。

图2.3　DS18B20典型测温电路

2.4　555定时器简介

555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成单稳态电路，双穏态电路和多谐振荡电路。

单稳态电路主要用于定时，消抖动，分频，脉冲输出等，双稳态电路主要用于比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等，多谐振荡电路主要用于方波输出。

由于使用灵活方便，所以555定时器在波形的产生与变换，测量与控制，家用电器，电子玩具等许多领域中都得到了应用。

图2.4为555内部电路结构。

图2.4　555内部电路结构

2.5　RS485总线简介

RS485总线总线作为一种多点差分数据传输的电气规范规，已成为业界应用最为广泛的标准通信接口之一。

这种通信接口允许在简单的一对双绞线上进行多点双向通信，它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。

正因为此，许多不同领域都采用RS485作为数据传输链路。

例如：

汽车电子、电信设备局域网、智能楼宇等都经常可以见到具有RS485接口电路的设备。

RS485采用差分信号负逻辑，＋2V～＋6V表示“0”，-6V～-2V表示“1”。

RS485有两线制和四线制两种接线，四线制只能实现点对点的通信方式，现很少采用，现在多采用的是两线制接线方式，这种接线方式为总线式拓朴结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。

RS-485最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。

2.6　AT指令简介

AT即Attention，AT指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的。

用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。

90年代初，AT指令仅被用于Modem操作。

没有控制移动电话文本消息的先例，只开发了一种叫SMSBlockMode的协议，通过终端设备或电脑来完全控制SMS。

几年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP共同为GSM研制了一整套AT指令，其中就包括对SMS的控制。

AT指令是以AT作首， 字符结束的字符串，AT指令的响应数据包在 中。

每个指令执行成功与否都有相应的返回，如果AT指令执行成功，“OK”字符串返回；如果AT 指令语法错误或AT 指令执行失败，“ERROR”字符串返回。

例举几条与SMS相关的AT指令。

AT+CMGC发出一条短消息命令

AT+CMGD删除SIM卡内存的短消息

AT+CMGF选择短消息信息格式：

0-PDU;1-文本

AT+CMGR读取一条短消息命令。

2.7　MBUS协议简介

仪表总线（meterbus,MBus）是一种新型总线结构。

MBus主要特点是由两条无极性传输线来同时供电和传输串行数据，而各个子站并联在MBus总线上。

将MBus用于各类仪表或相关装置的能耗类智能管理系统中时，可对相关数据或信号进行采集并传递至集中器，然后再通过相应的接口传至主站。

利用MBus可大大简化住宅小区，办公场所等能耗智能化管理系统的布线和连接，且具有结构简单、造价低廉、可靠性高的特点。

MBUS的接收发送机制。

对于主从式通信系统，因从机之间不能直接交换信息，只能通过主机来转发，此时采用MBus可以实现对从机的相关数据进行采集，并传递至集中器，然后再传递至总站。

MBus总线是一种半双工通信总线，其可以通过集中器实现给终端仪表远程供电。

MBus总线上传输的数据位定义如下:

（1）由集中器向终端仪表传输的信号采用电压值的变化来表示,即集中器向终端仪表发送的数据码流是一种电压脉冲序列,用+36V表示逻辑“1”,用+24V表示逻辑“0”。

在稳态时,线路将保持“1”状态。

（2）从终端仪表向集中器传输的信号采用电流值的变化来表示,即由终端仪表向集中器发送的数据码流是一种电流脉冲序列,通常用1.5mA的电流值表示逻辑“1”,当传输“0”时,由终端仪表控制可使电流值增加11～20mA。

在稳态时,线路上的值为持续的“1”状态。

2.8　红外遥控简介

红外线遥控是目前最广泛采用的一种遥控技术，红外线遥控装置具有体积小，功耗微，功能强，成本低等特点，因而广泛地在彩电，VCD，DVD，录像机，空调以及玩具等其他小型电器装置采用；这些家电产品采用红外线遥控技术给用户带来了极大的方便。

人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。

发射电路功能组成如图2.5所示。

图２.5　红外发射电路功能框图

接收电路大都采用红外一体化接收头。

红外线一体化接收头内部集成红外接收、放大、滤波和比较器输出等模块，性能稳定可靠，使用方便。

但在使用时注意红外线一体化接收头的载波频率，常用的载波频率为38kHz，占空比为1:

3。

发送电路按一定的编码在输出端产生一串编码脉冲，该脉冲经红外载波调制，再经驱动由红外发光二极管发射到空中。

接收端接收到光电信号后，将红外载波滤除，还原为串行编码脉冲，然后由执行电路按照编码的约定，完成遥控动作。

2.8.1　NEC标准遥控码特征

不同的遥控系统采用的遥控码格式也不一样，在此介绍使用较普遍的NEC标准。

遥控全码包括32个二进制位，发射顺序为低位在前高位在后。

格式如图2.6所示

图２.6　NEC标准全码格式

遥控数据传输系统的关键是数据传输的可靠性。

为了提高编码的可靠性，NEC标准规定系统码数据码后分别接着传送一个同样的码或者反码供误码校验用。

NEC标准的引导码由9ms的起始码（高电平）和4.5ms的结束码（低电平）组成；以脉宽为0.56ms、间隔0.56ms、周期为1.12ms的组合表示二进制的0，以脉宽为0.56ms、间隔1.68ms、周期为2.24ms的组合表示二进制的1。

如图2.7所示。

图２.7　NEC标准遥控码特征

第三章　硬件电路设计

3.1　PC集中控制端硬件框图

PC集中控制端由一台PC机和一个GSM模块通过RS-232串口线连接组成。

GSM由外接9V电源供电，无需设计硬件电路。

硬件框图如图3.1所示

图3.1　PC集中控制端硬件框图

3.2STC12C5A60S2单片机最小系统

如图3.2所示。

图3.2　STC12C5A60S2最小系统

STC12C5A60S2单片机最小系统包括复位电路，晶振电路以及ISP下载电路。

当时钟频率高于12MHZ时，建议使用第二复位功能脚。

如果外部时钟频率在33MHZ以上时，建议直接使用外部有源晶振，此时时钟从XTAL1脚输入，XTAL2脚必须悬空。

STC12C5A60S2系列单片机具有在系统可编程（ISP）特性，无需专用编程器。

为方便软硬件调试，特增加调试辅助电路，SW1和SW2分别接单片机P3.6和P3.7引脚。

如图3.3所示。

图３.３　独立按键与LED辅助调试电路

3.3　GSM/MBUS转换器电路图

3.3.1　GSM/MBUS转换器硬件框图

GSM/MBUS转换器硬件框图如图3.4所示。

图3.4　GSM/MBUS转换器硬件框图

电源电路将频率为50Hz、有效值为220V的单相交流电转换为直流30V，9V和5V，分别供给MBUS收发电路，GSM模块和单片机。

GSM模块与单片机通过串口0连接，MBUS收发电路与单片机通过串口1连接。

调试辅助电路用于软硬件的调试。

3.3.2　GSM/MBUS转换器电源电路

如图３.5所示。

图3.5　GSM/MBUS转换器电源电路

220V交流电经变压器降压，单相桥式电路整流和电容滤波后得到较平稳的直流30V，经稳压器LM2576转换后得到直流9V，再经7805稳压得到直流5V。

J1给GSM模块供电。

为防止恶劣条件下TC35死机，通过单片机来监控TC35工作状态。

正常情况下，POWERCTL为高电平，场效应管IRFR9024导通，TC35正常供电。

当单片机检测到TC35工作异常时，拉低POWERCTL，IRFR9024截止，TC35掉电。

POWERCTL由单片机P3.5脚控制。

3.3.3　GSM/MBUS转换器MBUS收发电路

如图3.6所示。

图3.6　GSM/MBUS转换器MBUS收发电路

LM317是可调节三端正电压稳压器，在输出电压范围1.2V到37V时能提供超过1.5A的电流。

输出电压

　　　　　　　　　　　（3.1）

当GSM/MBUS转换器发送“1”时，Q3导通，Q4截止，此时输出约为28V；当GSM/MBUS转换器发送“0”时，Q3截止，Q4导通，R22相当于被短路，此时输出约为14V；

调节R18，当空调节能监控器传输“0”时，J2的2脚上电流增大，使得Q2的发射极电势抬高，导致Q2截止，Q1也随之截止，RXD1电平状态为“0”；反之，当空调节能监控器传输“1”时，J2的2脚上电流减小，使得Q2的发射极电势降低，导致Q2导通，Q1也随之导通，RXD1电平状态为“1”。

3.4　空调节能监控器电路图

3.4.1　空调节能监控器硬件框图

空调节能监控器硬件框图如图3.7所示

图3.7　空调空调节能监控器硬件框图

3.4.2　空调节能监控器电源电路

如图3.8所示。

图３.8　空调节能监控器电源电路

220V交流电经变压器降压，单相桥式电路整流和电容滤波后得到较平稳的直流12V，经稳压器7805转换后得到直流9V。

3.4.3　空调节能监控器RS-485接口电路

如图3.9所示。

图3.9　空调节能监控器RS-485接口电路

J2接单相电子式电能表的RS-485接口。

485CTL接单片机P4.3脚控制。

当单片机发送指令给电能表前，先将485CTL置高电平；当单片机接收电能表返回结果前，将485CTL拉低。

3.4.4　空调节能监控器MBUS收发电路

如图3.10所示。

图3.10　空调节能监控器MBUS收发电路

TSS721A是美国德州仪器公司1999年初生产的一种用于M-Bus的专用收发器芯片，其内含的接口电路可以调节仪表总线结构中主从机之间的电平。

其特点如下：

①满足国际ENl434-3标准；②具有动态电平识别的接收逻辑；④无极性连接；⑧半双工下波特率可达9600bps；⑨支持UART协议。

J3为MBUS接线口。

当MBUS总线电压异常时，瞬态抑制二极管TVS能以极快的速度将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，起到保护TSS721A的作用。

3.4.5　空调节能监控器红外发射电路

如图3.11所示：

图3.11　空调节能监控器红外发射电路

空调节能监控器红外发射电路利用NE555产生频率为38KHz,占空比为

的载波。

其输出频率及占空比由以下公式计算得出：

　　　　　　　　　　　（3.2）

（3.3）

IRPWM由单片机P0.4脚控制。

38KHz载波与IRPWM通过2个PNP三极管调制。

当IRPWM为低电平时，38KHz载波才能通过。

3.4.6　空调节能监控器继电器电路

如图3.12所示。

图3.12　空调节能监控器继电器电路

J1外接一交流接触器来控制空调电源。

RELAY由单片机P0.5脚控制。

在程序中将此引脚配置为推挽模式。

当RELAY被置高时J1的1脚和2脚导通，当RELAY被拉低时J1的1脚和2脚断开，这样就能通过交流接触器控制空调电源。

在继电器由开通到关断瞬间，由于工作线圈有电感的性质，会在低压端产生一个瞬间电压尖峰，并联一个二