【導讀】撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。關(guān)學位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。1．了解基于車用蓄電池容量估算的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，了解GSM模塊發(fā)送報警短信的原理和方法，完成基于GSM模塊車載蓄電池報警系統(tǒng)的設(shè)計和功能實現(xiàn)；如汽車防盜報警系統(tǒng)，嵌入式開發(fā)和車速自動控制系統(tǒng)。GSM標準的設(shè)備占據(jù)當前全球蜂窩移動通信設(shè)備市場80%以上，全球超過200個國家和地區(qū)超過10億。人正在使用GSM電話。GSM較之它以前的標準最大的不同是它的信令和語。音信道都是數(shù)字式的，因此GSM被看作是第二代移動電話系統(tǒng)。GSM是一個當前由3GPP開發(fā)的開。出的優(yōu)點：1、GSM技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相當?shù)某墒欤兄F(xiàn)成的標準和協(xié)議，汽車防盜報警器主要由三部分組成

　　

【正文】 括： 內(nèi)部存儲器 內(nèi)部 PLL 鎖相環(huán)模塊 2 個異步串口通訊 SCI 1 個串行外設(shè)接口 SPI MSCAN 模塊 1 個 8 通道輸入 /輸出比較定時器模塊 TIM 周期中斷定時器模塊 PIT 16 通道 A/D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 1 個 8 通道脈沖寬度調(diào)制模塊 PWM 輸入 /輸出數(shù)字 I/O 口 方案確定： 飛思卡爾 MC9S12 系列單片機 是采用高性能、低功耗的、具有很高的集成度的 HCS08 內(nèi)核、背景調(diào)試模塊 ， 該模塊具有單線的調(diào)試及仿真接口。功能齊全，性能穩(wěn)定是一款實際應(yīng)用十分廣泛的芯片。但是飛思卡爾 MC9S12 系列單片機 功能較為復雜不容易上手。從設(shè)計角度來看 AT89C51 單片 機 指令簡單，易學易懂，外圍電路簡單，硬件設(shè)計方便， io口操作簡單，無方向寄存器，資源豐富，一般設(shè)計足夠用了，價格便宜、容易購買，資料豐富容易查到，程序燒寫簡單， 。并且與電量測量電路采用簡單的串行通信協(xié)議，簡化電池容量控制系統(tǒng) 。所以綜上所述選擇方案一較為合理。 GSM 無線通信模塊 方案選擇 方案一：由 PT2262/ 2267 無線發(fā)射模塊及傳感器組成的無線報警系統(tǒng) PT2262 和 PT2272 是 COMS 專用編、譯碼電路 ， 振蕩頻率通過外接電阻進行調(diào)節(jié) ，PT2262 發(fā)出的編碼信號由地址碼、數(shù)據(jù) 碼、同步碼組成一個完整的碼字 [8]， 解碼芯片PT2272 接收到信號后 ， 其地址碼經(jīng)過兩次比較核對與編碼地址一致后 ， VT 腳才輸出高電平 ， 與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平 ， 在系統(tǒng)設(shè)計中 ， PT2262 和 PT2272 的 A0～ A7為地址端 (可置為“ 0”、“ 1”、“ f” (懸空 ) 3 種狀態(tài) ， 最多有 6561 個地址碼 ) ， D0～ D3 為數(shù)據(jù)端 (可置為“ 0”、“ 1”兩種狀態(tài) ， 最多有 16 種 ) ， 通過開關(guān) SW 來設(shè)置。只有 PT2262 和PT2272 地址編碼完全相同 ， 才能配對使用 ， 而通過 PT2262 不同的數(shù)據(jù)端區(qū)別報警地點及報警類型 ， 所以 所有 PT2262 的地址碼與單片機相連的 PT2272 都設(shè)為一致 [9]， 而各個PT2262 的數(shù)度設(shè)不同 ， 在家庭內(nèi)部組建一個報警探測網(wǎng) ， 由此實現(xiàn)“一收多發(fā)”。編碼發(fā)射模塊、接收解調(diào)模塊的有效作用距離在室內(nèi)大約為 幾十米 ， 在一戶家庭內(nèi)使用已經(jīng)足夠。 方案二：明基 M22 無線通信 GSM 模塊 目前，國內(nèi)已經(jīng)開始使用的 GSM 模塊有很多，而且這些模塊的功能、用法差別不大。此方案采用的是明基 M22 模塊。這種無線模塊設(shè)計緊湊，大大縮小了用戶產(chǎn)品的體積。M22 與 GSM2/2 兼容、雙頻（ GSM900/GSM1800）、 RS232 數(shù)據(jù)接口，該模塊及射頻電路和基帶與一體，向提供標準的 AT 命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。 M22 模塊是明基公司推出的新一代 GSM 無線通信模塊，它可以快速可靠的實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù) SMS(Short Message Service)和傳真。模塊工作電壓為 （典型值為 ），可工作在 900MHz 和 180OMHz 兩個頻段，它提供 RS232 數(shù)據(jù)口，符合 和 標準，模塊采用 AT Command 接口，支持 文本和 PDU 模式的短消息。通過 40 引腳的 ZIF 連接器，實現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)、語音信號及控制信號的雙向傳輸。 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 M22 模塊主要由 GSM 基帶處理器、 GSM 射頻模塊、供電模塊 (ASIC)、 FLASH 存儲器、 44 芯 ZIF 插座、天線接口等六部分組成。 GSM 基帶處理器是整個模塊的核心，主要處理 GSM 終端內(nèi)的語音、數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調(diào)制與解調(diào)，實現(xiàn)外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換，供電模塊為處理器以及射頻部分提供所需的電源， 44 芯的 ZIF 插座為用戶提供包括電 源、數(shù)據(jù)輸入輸出、 SIM 卡接口、音頻接口和控制等的接口。 M22 帶有 RS232 數(shù)據(jù)口，符合 ETSI 標準 和 ， 且易于升級為 GPRS模塊 [8]。該模塊集射頻電路和基帶于一體 ， 向用戶提供標準的 AT 命令接口 ， 為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、可靠、安全的傳輸 ， 方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。本設(shè)計就是利用該模塊中串口實現(xiàn)與單片機的通信。 方案論證與選擇 方案確定：方案一中 PT2262/ 2267 無線發(fā)射模塊是純硬件的無線通信模塊，穩(wěn)定性更強，反應(yīng)速度快，電路簡單，而且容易掌握理解，但是編碼發(fā)射模 塊、接收解調(diào)模塊的有效作用距離在室內(nèi)大約為幾十米，在遙控器，遙控汽車，家庭防盜中應(yīng)用十分廣泛。汽車是快速長距離移動物體，所以 PT2262/ 2267 無線發(fā)射模塊的距離局限性無法滿足車載報警系統(tǒng)的要求。只能選擇方案二： M22 基于該模塊的短消息功能，可以快速安全可靠地實現(xiàn)用戶信息處理等功能，特別適用控制中心與終端設(shè)備距離很遠，無地域限制。 顯示屏的選擇 由于本設(shè)計涉及到的電量的百分比顯示，如果采用數(shù)碼管等傳統(tǒng)的顯示器，將無法達到預期的顯示效果。為了達到更好的顯示效果，更高的性價比和設(shè)計簡潔性。因此，本 設(shè)計中選用了洛基亞 5110 液晶屏來顯示各種數(shù)據(jù)，方便明了。 Nokia5110 是一款經(jīng)典機型，可能由于經(jīng)典的緣故，舊機器很多，所以很多電子工程師就把舊機器的屏幕拆下來，自己驅(qū)動 Nokia5110，用于開發(fā)的設(shè)備顯示，取代 LCD1602。 如圖 nokia 液晶模塊原理圖 使用 Nokia5110 液晶的四大理由 1)性價比高， LCD1602 可以顯示 32 個字符，而 Nokia5110 可以顯示 15 個漢字， 30 個字符。 Nokia5110 裸屏僅 元， LCD1602 一般 15 元左右， LCD12864 一般 50~70 元。 2)接口簡單，僅四根 I/O 線即可驅(qū)動， LCD1602 需 11 根 I/O 線， LCD12864 需 12 根。 3)速度快，是 LCD12864 的 20 倍，是 LCD1602 的 40 倍。 4) Nokia5110 工作電壓 ，正常顯示時工作電流 200uA 以下，具有掉電模式，適合電池供電的便攜式移動設(shè)備。 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 nokia 液晶模塊原理圖 與其它類型的產(chǎn)品相比，該模塊具有以下特點： ●84x48 的點陣 LCD，可以顯示 4 行漢字， ●采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源 和地在內(nèi)的信號線僅有 9 條。支持多種串行通信協(xié)議（如 AVR 單片機的 SPI、 MCS51 的串口模式０等），傳輸速率高達 4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間。 ●可通過導電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換。 ●LCD 控制器／驅(qū)動器芯片已綁定到 LCD 晶片上，模塊的體積很小。 ●采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在 200μA 以下，且具有掉電模式。 LPH7366 的這些特點非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測試設(shè)備中 本章小 結(jié) 本節(jié)主要介紹了硬件電路原理圖的設(shè)計以及相關(guān)理論知識。在這一節(jié)中主要是 電池監(jiān)控 電路設(shè)計、單片機 方案選擇 、 無線通信模塊選擇和 M22 模塊性能介紹。通過本節(jié)對各電路工作原理以及各模塊設(shè)計有了清楚的認識 。 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 3 硬件電路原理分析 電量測量電路分析與計算 電量測量電路采用開路電壓法，既通過 A/D 轉(zhuǎn)換將蓄電池兩端模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過串口協(xié)議將數(shù)字信號傳送給單片機處理。 A/D 轉(zhuǎn)換 位數(shù)越多則表示轉(zhuǎn)換的精度越高，位數(shù)越少表示的精度就越低。為了提高測量精度此電路采用 12 位精度的 ads1286芯片作為主芯片 ，并配合減法器、基準源電路完成測量電路的設(shè)計 [10]。測量部分總電路圖如圖 所示 圖 測量電量部分總電路圖 基準源芯片介紹 每個蓄電池都有特定的 SOC 曲線， SOC 是 State Of Charge 的縮寫，電池行業(yè)用語，指荷電狀態(tài)。又稱剩余容量，當 蓄電池 使用一段時間或長期擱置不用后的剩余 容量 與其完全 充電 狀態(tài)的 容量 的比值，常用百分數(shù)表示。 SOC=1 即表示為電池充滿狀態(tài)。 如圖 所示 鉛酸蓄電池 OCVSOC 曲線 ，從圖中可以看出電池剩余電量和開路電壓是一個特定關(guān)系從出廠就已 經(jīng)決定了。每一個開路電壓對應(yīng)著此時電池的剩余電量，所以可以根據(jù)測量蓄電池的開路電壓從而得到大致估算電池的 SOC 值。這就是開路電壓法的原理。由圖中我需要測量的鉛酸蓄電池 OCVSOC 特性可以看出，額定電壓為 12V 的蓄電池在 SOC=1 時即電量滿狀態(tài)時電壓為 ， SOC=0 時即電量為零時電壓為 。并且在 10%SOC90%時曲線比較平坦可以近似為一條直線，這個特性對于提高測量精度有很大的幫助，電壓的跨度為 ，在 A/D 轉(zhuǎn)換時的轉(zhuǎn)換電壓要在參考電壓范圍內(nèi)否則轉(zhuǎn)換電壓大于參考電壓會超過量程無法得 到正確值。要想得到準確的測量值參考電壓很重要，如果參考電壓不穩(wěn)定那么 A/D 轉(zhuǎn)換時的比較值就不確定也將是變化。所以此電路采用 ref5050 芯片可以提供標準的 5V 基準源。 武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 鉛酸蓄電池 OCVSOC 曲線 ref5050 是低噪聲、極低漂移、高精度電壓基準源， 是專門為優(yōu)秀的初始電壓精度和漂移而設(shè)計的低噪音、精密帶隙電壓 基準源。這個基準源在線路個負載變化上非常穩(wěn)健。ref5050 此型號的基準電壓為 5V，最大的輸入電壓為 18V，最低輸入電壓必須高于基準電壓 。溫度范圍為 – 40176。C 到 120176。C 。 ref5050 由于其簡單的連接電路和良好的穩(wěn)壓特性得到了廣泛的應(yīng)用。 圖 ref5050 典型應(yīng)用電路 如上圖 所示 ref5050 典型連接電路，電壓旁路建議添加一個 1uF 到 10uF 大小的電容用于電壓濾波，過濾掉噪聲對基準源的干擾。在輸出端和地之間必須加入一個 1uF 到50uF 的電容，這個電容很重要必須添加，不然芯片無法工作。然后連接好電源和地就可以穩(wěn)定輸出 5V 的基準電壓值送給 A/D 轉(zhuǎn)換作參考源。 減法器電路設(shè)計 常用的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換電壓都在 5V左右，為了能測量額定電壓在 12V 的蓄電 池，則需要轉(zhuǎn)換電路對蓄電池開路電壓進行轉(zhuǎn)換和調(diào)整，適當降低電壓值從而能被 A/D 轉(zhuǎn)換進武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 行采集。通過觀察圖 蓄電池 OCVSOC 曲線可以看出電壓的變化幅度為 到， 不會出現(xiàn)超出這個范圍的情況。所以可以考慮通過減法器降低 10V 的電壓或者通過衰減器降低一定倍數(shù)使電壓控制在 5V 的范圍內(nèi)。衰減器是通過使電壓降低一定倍數(shù)起到降壓的作用，分析 SOC 曲線圖可以知道當 10%SOC90%時曲線比較平坦可以近似為一條直線，變化值很小。如果采用衰減器那么原本平坦的曲線變化值將會更小這樣很不利于提高轉(zhuǎn)化的精 度。所采用在 A/D 前端使用減法器的方法來控制電壓大小。 減法器電路由運算放大器在差分輸入方式時構(gòu)成的，如 圖 減法器構(gòu)造圖 [11]： 圖 減法器構(gòu)造圖 3 223iRUURR? ? ? （ 1） 111ffiOffRRU U UR R R R? ???? （ 2） 由 U? =U? 可得： 11 OfR URR? = 3 223iR URR? 11f ifR URR? （ 3） 13 212 3 1 1ffO i iR R RRU U UR R R R???? （ 4） 減法器是運算放大器的一個重要應(yīng)用，在差分輸入方式的輸出輸入關(guān)系式中看出該電路課構(gòu)成減法器。輸入信號 Ui1 和 Ui2 分別通過211fO i iRU U UR??和 2R 加到運 放的反相端和同相端。輸出電壓經(jīng) fR 反饋到反相輸入端 。其中 Ui2 為正向輸入連接原始信號即 12V的蓄電池電壓。 Ui1 為反向輸入端連接 ref5050 的基準源的輸出端最為參考源。由式（ 4）可以看出當 Ui1 和 Ui2 確定是可以通過設(shè)置 1R 、 2R 、 3R 、 fR 的值來調(diào)整輸出值 oU 。為了武漢理工大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 不改變 Ui2 的值則需要讓 132 3 1fRRRR R R?? =1， 當 132 3 1fRRRR R R?? =1 時 211fO i iRU U UR?? Ui1=5V 要想達到降壓 10V 的效果時就需要1fRR =2。 所以選擇當 R1=R3=、 R2=Rf= 時 則 OU = 2iU 10V 可以到達設(shè)計目的。 模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路 在 電量