【正文】 西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 目錄1前言 12總體方案設(shè)計(jì) 2 2 2 23 硬件部分設(shè)計(jì) 4 4 5 5 6 6 7 8 8 9 10 11 14 15 15 164軟件設(shè)計(jì) 19 19 19 19 20 20 20 21 23 245系統(tǒng)調(diào)試 256系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù) 31 31 317結(jié)論 328總結(jié)與體會(huì) 33 33 33 339謝辭 3410參考文獻(xiàn) 35附錄1：電路原理圖 36附錄2：設(shè)計(jì)程序 37附錄3：外文資料翻譯 62 1前言GSM系統(tǒng)是歐洲在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)并在1992年開通的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，其作為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。我國(guó)目前已建成了覆蓋全國(guó)的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，是我國(guó)移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式。隨著時(shí)代科技的進(jìn)步，現(xiàn)代通信新技術(shù)的應(yīng)用，使通信在速度、帶寬上有所大提高，同時(shí)也增加許多業(yè)務(wù)，逐漸邁向3G時(shí)代。而GSM的短消息業(yè)務(wù)SMS它通過(guò)無(wú)線控制信道進(jìn)行傳輸，為GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)，是GSM通信網(wǎng)所特有的，它的傳遞是可靠的。因此，選用GSM的短消息業(yè)務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是可行的。在短消息業(yè)務(wù)快速發(fā)展的背景下，短消息在無(wú)線監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用作為畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究課題就有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際價(jià)值。GSM模塊是GSM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)的一種數(shù)據(jù)終端設(shè)備。GSM模塊在短信息方面的應(yīng)用廣等特點(diǎn)，特別適用數(shù)據(jù)的雙向傳送、無(wú)線遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制等。短消息是GSM系統(tǒng)中提供的一種GSM終端之間，通過(guò)服務(wù)中心進(jìn)行文本信息收發(fā)的應(yīng)用服務(wù)，其中服務(wù)中心完成信息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能。隨著GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，GSM模塊作為一種主要的GSM網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，己得到越來(lái)越多的系統(tǒng)制造商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于它的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來(lái)。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)基于GSM網(wǎng)絡(luò)短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控，主要工作：完成主板硬件設(shè)計(jì)，即單片機(jī)及其外圍電路、LCD顯示電路、DS18B20采集溫度電路、串行通信口電路；完成GSM模塊的硬件設(shè)計(jì)；軟件編程即單片機(jī)模塊、顯示模塊、采集溫度、按鍵、串口，GSM模塊的軟件設(shè)計(jì)。再通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，總結(jié)出系統(tǒng)塊存在的問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。完成以上工作就可以使用單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送AT指令控制GSM模塊發(fā)送短消息，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。2總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基于GSM網(wǎng)絡(luò)短消息的遠(yuǎn)程監(jiān)控，主要內(nèi)容：以溫度為監(jiān)控對(duì)象，監(jiān)控的實(shí)時(shí)溫度在LCD上顯示，當(dāng)監(jiān)控溫度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警溫度，自動(dòng)發(fā)送短消息完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。具體的要求：能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)溫度，并能在LCD上顯示出來(lái)；組建4*4按鍵電路；報(bào)警電路當(dāng)實(shí)時(shí)溫度超過(guò)設(shè)定報(bào)警溫度時(shí)，發(fā)出警報(bào)聲，并可發(fā)送短消息通知，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控。為完成短消息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，目前為實(shí)現(xiàn)短消息的發(fā)送主要有以下幾種方法：方案一、網(wǎng)關(guān)方式：通過(guò)網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)短消息發(fā)送，編輯短信內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)短消息發(fā)送，該方法不要額外的設(shè)備，但要要到相關(guān)的電信部門去申請(qǐng)網(wǎng)關(guān)，成本高，軟件復(fù)雜；方案二、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)軟件提供的短信發(fā)送功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如騰訊、飛信都提供這方面的服務(wù)，這種方法是這3種方法中實(shí)現(xiàn)起來(lái)最簡(jiǎn)單，所需資源最少的，但是對(duì)于網(wǎng)站的依賴性太強(qiáng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴同樣無(wú)法避免，重要的是不適用于項(xiàng)目開發(fā)；方案三、終端方式：通過(guò)GSM 模塊向手機(jī)以及其他終端通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息，掌握AT指令及其協(xié)議和串口編程來(lái)實(shí)現(xiàn)控制GSM模塊，這是目前比較適合于小項(xiàng)目開發(fā)的一種方法。通過(guò)以上的方法比較，本設(shè)計(jì)選用第3種方案，采用此方法編碼簡(jiǎn)單，硬件電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需對(duì)AT指令和串口編程比較熟悉就可以實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)硬件需求不高，并能自動(dòng)收發(fā)短消息，對(duì)于自動(dòng)采集數(shù)據(jù)后發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)該方法最為簡(jiǎn)單實(shí)用。本設(shè)計(jì)選用STC89C52單片機(jī)和GSM模塊，實(shí)現(xiàn)了一款具有短信收發(fā)功能的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以GSM網(wǎng)絡(luò)為紐帶，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)地?cái)?shù)據(jù)的傳輸。： 本設(shè)計(jì)的主要流程是溫度傳感器采集好溫度，存入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)分別使用I/O口來(lái)控制LCD液晶顯示屏顯示，組建4*4的矩陣按鍵，控制報(bào)警電路，單片機(jī)通過(guò)RS232串口與GSM模塊聯(lián)機(jī)，使用串口發(fā)送AT指令來(lái)控制GSM模塊發(fā)送短消息。3 硬件部分設(shè)計(jì)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件部分主要由單片機(jī)及外圍電路、溫度采集電路、顯示電路LCD、串行通信電路以及GSM無(wú)線通信模塊組成。本章節(jié)主要介紹系統(tǒng)各個(gè)單元模塊的硬件部分、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及單元模塊之間的連接電路設(shè)計(jì)。單片機(jī)的外圍電路：電源電路、復(fù)位電路、： 單片機(jī)及外圍電路圖下面分別介紹單片機(jī)正常工作的外圍電路：電源電路為單片機(jī)提供直流電。單片機(jī)的供電電壓為+5V，單片機(jī)的Vcc(40引腳)接+5V電源，Vss(20引腳)接地，圖中J16插槽接USB接口，經(jīng)USB接口提供+5V電壓，經(jīng)過(guò)濾波電路，開關(guān)S1控制電源是否導(dǎo)通，導(dǎo)通LED燈亮，單片機(jī)上電，顯示單片機(jī)供電正常。電阻R10起到限流的作用，保護(hù)LED燈。時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘控制信號(hào)，單片機(jī)的內(nèi)部電路在時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作。各種時(shí)序均與時(shí)鐘周期有關(guān)，時(shí)鐘周期是單片機(jī)的基本時(shí)間單位，與時(shí)鐘晶振有關(guān)。常用的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種方式為外部時(shí)鐘方式，本次設(shè)計(jì)選用內(nèi)部時(shí)鐘方式，電路中，晶振的頻率越高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也就越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快，與UART(通用異步接收器/發(fā)送器) 量常見的波特率相關(guān)，波特率為9600b/s消除誤差外接的。圖中X1和X2分別連接單片機(jī)的時(shí)鐘引腳XTAL1和XTAL2。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，除此之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤時(shí)使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為擺脫死鎖狀態(tài)，也需復(fù)位重新啟動(dòng)。單片機(jī)的復(fù)位由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位電路。本設(shè)計(jì)單片機(jī)的復(fù)位電路采用按鍵電平復(fù)位電路，單片機(jī)復(fù)位高電平有效，通過(guò)RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，RST端接地，當(dāng)按鍵按下，VCC與R22導(dǎo)通，分壓后RST為高電平，RST端加上大于2個(gè)機(jī)器周期的高電平完成復(fù)位。LCD顯示電路是用LCD12864芯片與單片機(jī)STC89C52RC共同完成的。LCD12864能顯示數(shù)字、英文、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)以及圖形，可以分行顯示，顯示8*4行的漢字。，，數(shù)據(jù)端引腳9——。由于P0口內(nèi)部沒(méi)有固定的上拉電阻，數(shù)據(jù)端外接上拉電阻，來(lái)讓引腳保持高電平。，；片選信號(hào)控制屏幕選擇左右屏顯示。三針插孔用來(lái)插DS18B20的芯片， 管腳，用單片機(jī)來(lái)控制DS18B20，實(shí)現(xiàn)電路對(duì)溫度的監(jiān)控。DS18B20為單總路線芯片，單片機(jī)通過(guò)對(duì)芯片二管腳的讀寫時(shí)序控制，來(lái)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換和寫入溫度上下限，讀出溫度轉(zhuǎn)換值等一系列操作。 使用MAX232作為串行通信的電平轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行通信功能，硬件電路簡(jiǎn)單，通過(guò)9針串口與GSM模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)通信。MAX232是標(biāo)準(zhǔn)串行總線，也是常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通訊。 MAX232 串行接口總線適用于：設(shè)備之間的通訊距離不大于15m， MAX232 協(xié)議以5V～15V表示邏輯1；以+5V～15V 表示邏輯0。 。 MAX232串口通信原理圖行列式鍵盤用于按鍵數(shù)量較多的場(chǎng)合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列交叉點(diǎn)上，也稱矩陣鍵盤，相對(duì)于獨(dú)立式鍵盤更加節(jié)省硬件資源。下面介紹常用的按鍵設(shè)定方法：采用掃描法來(lái)判定按鍵主要方法有行掃描和列掃描：行掃描：列初始化電平為1，行初始化電平為0。檢查各列線輸入電平是否為全“1”。如果不是全“1”，則有鍵按下。然后逐行置零電平，其余各行為高，檢查列線的電平是否變?yōu)榱?，有，則該行列交叉的按鍵判斷為按下。列掃描：行初始化電平為1，列初始化電平為0。檢查各行線輸入電平是否為全“1”。如果不是全“1”，則有鍵按下。然后逐列置零電平，其余各列為高，檢查行線的電平是否變?yōu)榱?，有，則該行列交叉的按鍵判斷為按下。本設(shè)計(jì)4*4的矩陣鍵盤采用“線反接法”其處理速度快，程序簡(jiǎn)短。通過(guò)兩個(gè)步驟就可以獲得按鍵所在的行列值，比掃描法快。通過(guò)以下2個(gè)步驟確定按鍵位置：將行線編程為輸入線，列線為輸出線，并使輸出線全為高電平，則列線中電平由高變低所在列為按鍵所在列。同第一步完全相反，將行線編程為輸出線，并使輸出線全為高電平，則行線中電平由高變低所在行為按鍵所在行。本設(shè)計(jì)使用16個(gè)按鍵，即4*4的一個(gè)矩陣鍵盤。各個(gè)按鍵功能是：S2—S11 數(shù)字鍵0—9；S12小數(shù)點(diǎn)；S13空格；S14發(fā)送；S15清除鍵；S16確定鍵；S17菜單。電路圖中使用單片機(jī)的P1口控制，，控制列輸出。：本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器越限報(bào)方式，采用報(bào)警設(shè)置一是當(dāng)采集到的實(shí)時(shí)溫度超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，使蜂鳴器警報(bào)，二是自動(dòng)讓GSM模塊發(fā)送短消息通知遠(yuǎn)程。本設(shè)計(jì)直接采用GSM開發(fā)板，其集成GSM模塊（TC35i）、GSM天線、+5V開關(guān)電源，自帶RS232通訊接口,可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊?？梢钥焖?、安全、可靠地 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的短消息服務(wù)。GSM模塊是傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器與GSM無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)相結(jié)合的一種數(shù)據(jù)終端設(shè)備。： GSM開發(fā)板單片機(jī)與GSM模塊連接通過(guò)一個(gè)TTL轉(zhuǎn)RS232電平電路,連接到串口,另一端直接連接到GSM模塊串口。下面介紹本設(shè)計(jì)用到的AT指令，,主要包括:AT+CMGF：設(shè)置編碼模式：有以下2種模式：AT+CMGF=1 設(shè)置為TEXT格；AT+CMGF=0 設(shè)置為PDU格式；AT+CSCA：設(shè)置短信中心號(hào)碼；AT+CMGS：發(fā)送短信；AT+CMGL：列出短信；AT+CMGR：讀短信；AT+CMGD：刪除短信。GSM的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾方面：，為了實(shí)現(xiàn)漫游功能，GSM為用戶定義了三個(gè)識(shí)別碼，它們分別是DN碼、MSRN碼和IMSI碼。DN碼是公用電話號(hào)碼簿上可以查到的統(tǒng)一的電話的號(hào)碼；MSRN碼是由VLR（訪問(wèn)位置寄存器）臨時(shí)指定，并根據(jù)此號(hào)碼將呼叫接至漫游的移動(dòng)臺(tái)，在呼叫漫游用戶時(shí)使用的號(hào)碼；國(guó)際移動(dòng)臺(tái)識(shí)別碼IMSI在無(wú)線信道上使用，用來(lái)尋呼和識(shí)別移動(dòng)臺(tái)。上述三個(gè)號(hào)碼存在著相對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用它們的關(guān)系可以準(zhǔn)確無(wú)誤地識(shí)別出某個(gè)移動(dòng)臺(tái)。當(dāng)公有用戶要呼叫某漫游移動(dòng)臺(tái)時(shí)，該用戶通過(guò)電話機(jī)撥打移動(dòng)臺(tái)DN碼，DN碼首先經(jīng)由公用交換網(wǎng)接至最靠近的本地GSM移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（GSMC），GSMC利用DN碼訪問(wèn)母局位置登記器，從中取得漫游臺(tái)的MSRN碼，GSMC根據(jù)此碼將呼叫接至被訪問(wèn)的移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心（VMSC），VMSC接到MSRN號(hào)碼后，進(jìn)一步訪問(wèn)來(lái)訪者登記器，證實(shí)漫游臺(tái)是否仍在本區(qū)工作，經(jīng)確認(rèn)后，VMSC把MSRN碼轉(zhuǎn)換成國(guó)際移動(dòng)臺(tái)識(shí)別碼（IMSI），通過(guò)當(dāng)?shù)鼗?，在無(wú)線信道上向漫游移動(dòng)臺(tái)發(fā)出尋呼，從而建立通話。若某地方的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入另一個(gè)地方時(shí)，只有經(jīng)過(guò)位置登記后才能使用。自動(dòng)檢測(cè)該地基站的廣播公共信道，以獲得它的位置。當(dāng)發(fā)現(xiàn)收到與自己原來(lái)地方不同時(shí)的區(qū)域識(shí)別碼，漫游的移動(dòng)臺(tái)會(huì)向當(dāng)?shù)鼗景l(fā)出信號(hào)，通知VLR，并將此號(hào)碼通過(guò)CCITT ，VLR即指定一個(gè)臨時(shí)號(hào)碼MSRN，通知移動(dòng)臺(tái)所在業(yè)務(wù)區(qū)備案。這樣，一個(gè)漫游用戶位置登記就完成了。～9600bps雙工異步數(shù)據(jù)通信、1200～9600bps雙工同步數(shù)據(jù)通信、異步300～9600bps的PAD（分組打包拆包）接入電路、分組數(shù)據(jù)和話音數(shù)字信號(hào)、可視圖文以及對(duì)ISDN（綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)）終端的支持等。GSM可以向用戶提供以下三種保密方式：(1)對(duì)移動(dòng)臺(tái)識(shí)別碼的加密，可以讓竊聽者無(wú)法確定用戶的移動(dòng)臺(tái)電話號(hào)碼，從而起到對(duì)用戶位置保密的作用；(2)將用戶的識(shí)別碼、信令數(shù)據(jù)和話音加密，使非法竊聽者無(wú)法收到通信的具體內(nèi)容；(3)利用“詢問(wèn)—響應(yīng)”過(guò)程啟動(dòng)“用戶鑒別”單元來(lái)鑒別用戶。在通信過(guò)程開始時(shí)，首先由網(wǎng)絡(luò)向移動(dòng)臺(tái)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)收到這個(gè)號(hào)碼后，連同內(nèi)部的“電子密鑰”，共同來(lái)啟動(dòng)“用戶監(jiān)別”單元，隨之輸出信息，返回網(wǎng)絡(luò)的固定方，網(wǎng)絡(luò)固定方在發(fā)出號(hào)碼的同時(shí)，也啟動(dòng)自己的“用戶鑒別”單元，產(chǎn)生相應(yīng)的信息，與移動(dòng)臺(tái)返回的信息比較，若相同則確認(rèn)為合法用戶，否則確認(rèn)為非法用戶，從而確保了用戶的使用權(quán)。，高頻度的越區(qū)切換是不可避免問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題，GSM采取主動(dòng)參與越區(qū)切換的策略，其工作原理如下：移動(dòng)臺(tái)在通話期間，不斷向所在工作區(qū)基站報(bào)告本區(qū)和相鄰區(qū)無(wú)線環(huán)境的詳細(xì)數(shù)據(jù)，當(dāng)需要越區(qū)切換時(shí)，移動(dòng)臺(tái)主動(dòng)向本區(qū)基站（BS）發(fā)出越區(qū)切換請(qǐng)求，固定方（MSC和BS）根據(jù)來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)，查找是否存在替補(bǔ)信道，以接收越區(qū)切換，如果不存在，則選擇第二替補(bǔ)信道，直到選中一個(gè)空閑信道，使移動(dòng)臺(tái)切換到該信道上繼續(xù)通信。GSM系統(tǒng)容量大、通話音質(zhì)好、便于數(shù)字傳插、可與今后的ISDN兼容，還具有電子信箱、短消息業(yè)務(wù)等功能。GSM安全：GSM系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用共享密鑰用戶認(rèn)證。UMTS的發(fā)展提供了一個(gè)選擇，就是USIM，用戶與基站之間的通訊可以被加密。它使用更長(zhǎng)