基于51單片機gsm控制的設計

目錄TOC\o"1-3"\h\u31648第一章緒論 1160251.1引言 1299701.2選題背景與意義 193911.3應用現狀及發(fā)展趨勢 126926第二章GSM系統(tǒng)及方案設計 3318352.1GSM系統(tǒng) 3206742.2GSM系統(tǒng)方案設計 4230272.3本章小結 523201第三章系統(tǒng)硬件設計 6137013.1外圍電路設計 6145913.1.1一鍵下載電路 6126223.1.2TFT液晶屏接口 6170493.1.3外部存儲器 7227243.1.4按鍵和指示燈電路 9199813.1.5蜂鳴器電路 10176693.2本章小結 118470第四章系統(tǒng)軟件設計 12147624.1總體框圖 1295534.2系統(tǒng)初始化 13136264.3文件系統(tǒng)FATFS移植 1329094.4觸摸屏模塊 1331825圖4.1校準四點圖 14295854.5本章小結 1520110第五章系統(tǒng)調試 16221605.1系統(tǒng)調試過程與方法 1687185.1.1串口通信 16188675.1.2系統(tǒng)UI 18221005.1.3讀取短信 19327515.1.4發(fā)送短信 19179435.1.5電話測試 20221195.3本章小結 2114856第六章結論 22232046.1主要工作與結論 2215045致謝 2310037參考文獻 24緒論1.1引言隨著現代信息技術的不斷創(chuàng)新，人們對個人的生活質量提出了更高的要求，這就使得社會生活中遇到的方方面面都趨于一個大方向，那就是智能化。而今天我們討論并設計的作品就是基于這樣一個目標，使得可以解放人們的既定活動模式，利用個人電話的通訊功能即GSM模塊進行遠程控制，這不僅可以大大解放了人類的活動區(qū)域，還能有效地提高社會生產力進而有助于經濟對的大發(fā)展。1.2選題背景與意義國內外之前進行的遠程網絡遙控終端一般都是PC或者專業(yè)的遙控終端，但是隨著現代高新技術的不斷發(fā)展，移動通訊網絡發(fā)生了翻天覆地的變化，5G時代的到來標志著移動通訊進入了一個新的時代，飛速的網絡傳輸速度改變了人類生活的方方面面，而我們今天設計的原理也是基于移動通訊網絡中的一部分，即GSM提供的短消息服務。它作為GSM模塊網絡中的一種基本功能，具有收發(fā)速度快，短信內容安全，費用很低等眾多優(yōu)點，這就使得人們可以將其運用到遠程智能控制這一先進領域，利用GSM短消息系統(tǒng)實時傳輸數據功能，性能穩(wěn)定，為遠程安全操控家用負載提供了一個強大的技術支撐。1.3應用現狀及發(fā)展趨勢目前家用電器遠程控制是家用網絡控制的一個概述，它是將電子通訊產品跟家用負載依據某種通信協(xié)議，再通過一種網絡平臺連接在一起，我們通過這一平臺網絡用來控制家用負載的運作狀態(tài)，例如開關狀態(tài)、溫濕度調節(jié)，轉速功率調節(jié)等等。在目前遠程智能控制技術的發(fā)展中，美國一直躋身于國際前列，它的微軟公司以及2G通訊帶頭人摩托羅拉公司一直致力于該方向的研究中，他們一直基于家庭網絡的研究理念。另外，日本在研究遠程智能控制方面也取得了重要突破，例如日本東芝公司、松下電器等電器行業(yè)巨頭也都將眼光放在家庭網絡這一塊，他們依據這一理念研發(fā)制造了許多網絡家電，例如“Echonet”，它是通過移動通訊平臺實現遠程控制家電，但這一協(xié)定只是規(guī)定了基本的網絡通信標準并沒有得到完善優(yōu)化。目前人們采用最多的通訊方式就是基于移動pc以及手機上的“藍牙”通訊方式，通訊速度可達到2400bps每秒。。這種通訊方式通過藍牙將電子產品與家用電器連接在一起，具有信號穩(wěn)定，功率消耗小等優(yōu)點，但是它的缺點也顯而易見，就是覆蓋面積太小，一旦用戶想進行長距離傳輸控制時，就會遇到信號弱連接不上等缺點，針對這一缺點，索尼公司推出了HAVI協(xié)議體系，它將各種家用電器、連接器、控制終端連接在一起，可以有效的解決信號弱的缺點，進而實現了用手機實時對家用電器進行遠程遙控。我國率先提出創(chuàng)建家庭網絡控制家電的是海爾公司，他們研究當前發(fā)現現狀推出了“e家”概念，并在2005年推出了相關的網絡家電產品，用戶可以通過手機發(fā)短信的形式控制家用電器的運行狀態(tài)，隨后我國的聯(lián)想海信等公司也相繼投入研究該方向，加快了中國在該領域邁向世界前列的步伐。但是目前該概念相關的網絡產品因為是成套出售，所以存在著價格高昂等現實問題，怎樣降低成本將這一理念大規(guī)模普及給每個家庭成為現階段最大的問題。第二章GSM系統(tǒng)及方案設計2.1GSM系統(tǒng)GSM模塊具有十分強大的功能，它包含發(fā)送短信，撥打和接聽電話，上網等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。換句話說，如果將GSM模塊與鍵盤、顯示屏和電池集成在一個板子上，再加上外殼，就是一部人們人場所必須的手機。本設計采用STC89C52單片機與GSM模塊利用S232串口建立連接并實現二者之間的相互通信，然后利用PC與終端設備通訊所用的AT命令來給GSM模塊下達命令，從而達到各種各樣的功能，如發(fā)短信、撥打電話等。該模塊的供電要求為5V伏供電，如果是長時間的傳輸數據大量數據，消耗電量很大，則推薦1安培以上的直流電，晶體管-晶體管邏輯電平串口自適應兼容3.3V的32單片機和5V的51單片機，該模塊可以直接連接單片機。待機電流在80毫安左右，允許設置休眠狀態(tài)在10毫安左右低功率消耗。使用電腦調試時，采用USB--232和USB—TTL串口均可。此模塊支持收發(fā)短信，數據傳輸，收發(fā)彩色短信，上網沖浪等。復位排針引出，能夠實現智能遠程復位,帶雙音多頻功能和遠程遙感控制功能。圖2.2GSM系統(tǒng)框圖2.2GSM系統(tǒng)方案設計（1）STC89C52單片機本論文所研究的控制系統(tǒng)所采用的單片機是宏晶公司的STC89C52芯片，此芯片的最高運行頻率為80兆赫茲，片內擁有8千Bytes的可重復擦除寫入1千次的閃存ROM，擁有兼容性非常好的片內CPU及StorageUnit。它是整個系統(tǒng)的大腦，控制其他模塊正常工作。在本設計當中，單片機作為整個系統(tǒng)的控制中心，檢測GSM模塊的初始狀態(tài)，并其控制發(fā)送一條含有四位阿拉伯數字驗證碼的短信，當短信發(fā)送成功后，單片機再控制LED燈短暫的閃爍，提醒用戶短信發(fā)送成功。（2）GSM短信模塊電路GSM短信模塊是把RF芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(tǒng)、GSMRF處理、基帶處理并提供標準I/O接口的功能模塊。本設計中GSM短信模塊與智能快遞柜系統(tǒng)的單片機相連接，從而達到與用戶手機通訊的目的。（3）液晶顯示模塊與報警模塊本設計選擇使用的用戶顯示界面的屏幕是LCD1602液晶屏，屬于字符型液晶，其主要特點是能夠同時顯示2*16個字符。在本設計中LCD1602液晶顯示模塊電路主要由單片機控制，通過液晶顯示屏顯示用戶輸入驗證碼的界面。圖2.3GSM系統(tǒng)框圖2.3本章小結本章主要討論了GSM通訊模塊的工作原理，通過單片機電路實現對通訊模塊、顯示屏模塊、一鍵下載電路，蜂鳴器與按鍵電路以及繼電器模擬家用負載等硬件的系統(tǒng)控制，共同構成了本設計的總體硬件框架，進而實現遠程控制這一設計目標。第三章系統(tǒng)硬件設計3.1外圍電路設計3.1.1復位電路設計想要啟動單片機，就需要進行復位操作處理，這樣能確保中央處理器處于一個原始狀態(tài)當中，并在此狀態(tài)當中執(zhí)行相關操作。要對STC89C51單片機進行信號復位處理，要明確該信號主要是從RST引腳輸入到芯片當中。倘若這一系統(tǒng)處于合理的工作環(huán)境下，并且滿足振蕩器工作較為穩(wěn)定的條件下，倘若運轉的高電平可以在2個機器周期內運轉如常，那么中央處理器可以迅速響應并確保系統(tǒng)順利達到復位的目的。在復位電路設計當中，所使用的直流穩(wěn)壓電源可分為以下幾個不同的部分，第一種是降壓，第二種是整流，第三種是穩(wěn)壓。這樣便可有效地確保將220V的交流電壓加以轉化，此時直流電壓變?yōu)?V，可有效地確保后期整個電路工作的順暢性。可見電源在整個電路當中起到了一個特定的作用，如果不能達標，則不能有效地確保電路的運轉順暢性。3.1.2TFT液晶屏接口本系統(tǒng)中所用的是型號為ILI9320TFT的液晶屏，液晶模塊采用16位的并行連接，如圖3.10所示。采用16引腳接線，液晶顯示電路主要是由作為整個系統(tǒng)的“大腦”的51單片機模塊對液晶顯示屏進行初始化并且能夠控制液晶屏的顯示內容，再由液晶顯示屏顯示出用戶使用界面，液晶顯示屏在使用前要進行初始化。圖3.1TFT液晶屏接口3.1.3存儲器這次設計用于存儲的硬件主要有帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）、非易失性內存（Flash）、SD卡（1）EEPROM如圖3.2所示，EEPROM芯片具有雙電壓特性，在芯片正常運行時，我們把它的跳線開關調至打開狀態(tài)，就可以給ROM芯片加上合適的編程電壓。此外，EEPROM具有的帶電可擦除功能也十分實用，其本身不需要借助任何設備就可以根據電信號完成修改，十分方便實用。圖3.2AT24C02電路圖（2）Flash本設計選擇的Flash芯片其容量為8MB，與其他存儲芯片不同的是每次關機時該類型芯片都無法保存數據，而相應的每次通電開電源時都要重新載入數據這也是它閃存特性的由來。不過它的優(yōu)點也顯而易見，就是可存儲容量大可以同時間完成電路板多條指令的運行需求，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定。我們在選擇時也考慮了其容量成本、可靠性，耐用性。圖3.3W25Q64電路圖（3）SD卡本設計中采用SD卡作為字庫的加載存儲器模塊，由于單片機上的Flash資源有限，不能夠攜帶更多的信息，包括字庫信息，因此需要由SD卡將字符通過SD卡讀取電路傳給flash。如圖3.4所示為SD卡接口電路設計原理圖，由于SD卡是一個獨立的存儲介質，它需要通過接口電路來實現對存儲器中的數據進行讀取操作，圖中的SD_CARD1為SD卡槽，用作為插入SD卡使用，它是由P3、P4、P5三個引腳級連起來實現的。SD卡可采取SDIO接口或者SPI接口兩種驅動電路來進行信息的獲取，通過實驗進行論證可以得到SDIO接口電路的驅動效果要明顯的優(yōu)于SPI接口電路。驅動電路中的所有除時鐘信號引腳以外的其它引腳都需要接一個上拉電阻，這里選擇的是47K的上拉電阻來進行連接設計。圖3.4SD卡接口為了方便與單片機進行通信，同時本設計中數據量并不大，對于數據的傳輸速率要求并不是很高，因此采用的是SPI借口電路設計。3.1.4按鍵和指示燈電路如圖3.5所示為本系統(tǒng)的按鍵和指示燈電路的設計，左圖中的按鍵電路部分采用的是四個獨立按鍵進行設計，其中一個作為復位按鍵，另外三個作為功能按鍵。根據按鍵要實現的內容不同，圖中的KEY_UP接在單片機的復位引腳PA0上，單片機輸入高電平有效，因此采用的是下拉方式進行設計；其余三個按鍵接在單片機的I/O引腳上，單片機的I/O引腳內置了上拉電阻，默認為高電平，這里將按鍵的一端接GND，輸入低電平信號進行控制。右圖為指示燈顯示電路設計，它是由三個不同顏色的發(fā)光二極管組成，用來顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。PWR為電源指示燈，系統(tǒng)接入電源指示燈常亮表示系統(tǒng)正在工作；LED0、LED1為功能指示燈，它表示的是系統(tǒng)當前的某個功能模塊正在工作，比如未接來電、短信提示等[23]。LED1為系統(tǒng)運行狀態(tài)指示燈，LED0為信息提示指示燈設計。每個發(fā)光二極管需要串聯(lián)一個不同阻值限流電阻，電阻的阻值取決于選擇的發(fā)光二極管的顏色，在本設計中采用的510Ω的電阻作為限流電阻。圖3.5按鍵和指示燈電路3.1.5蜂鳴器電路蜂鳴器按照是否帶振蕩電路可分為有源蜂鳴器和無源蜂鳴器兩種，兩種蜂鳴器的工作方式存在差異。其中有源蜂鳴器采用的是特定頻率進行驅動，它由集成的振蕩電路的頻率來決定，只能夠發(fā)出一種聲響，并且可以直接接在單片機的引腳上使用；無源蜂鳴器需要單片機輸出一個頻率可變的方波信號來進行驅動，它的驅動頻率在1到4KHz之間，需要外接一個驅動電路來進行控制，可以發(fā)出不同的聲響。圖3.6蜂鳴器電路本設計考慮到使用簡單、控制方便，采用有源蜂鳴器作為報警提示電路設計，他可以直接由單片機或者按鍵控制發(fā)聲[24,25]。如圖3.15所示為本設計中的蜂鳴器發(fā)聲電路設計圖，這里采用的是無源蜂鳴器器件，它與單片機之間需要通過驅動電路來進行控制，在本設計中給系統(tǒng)接入一個NPN型的三極管作為開關電路，由單片機的控制引腳PB8輸出高低電平信號控制三極管的導通，繼而轉換為控制蜂鳴器的發(fā)聲。3.2本章小結本章主要介紹了系統(tǒng)各硬件的參數及功能，并演示了工作方式，運行狀態(tài)。其中外部存儲電路主要負責存儲手機收發(fā)的數據，GSM模塊用來識別并讀取移動通訊端發(fā)送來短消息，按鍵及蜂鳴器電路主要用來一鍵還原系統(tǒng)狀態(tài)，提示用戶當前繼電器的運行狀態(tài)。系統(tǒng)軟件設計4.1總體框圖圖4.1系統(tǒng)主程序工作流程圖如圖4.1所示為本設計的主程序工作流程圖，單片機上電完成完成初始化操作后，進入到循環(huán)體中根據邏輯執(zhí)行各種子函數。4.2系統(tǒng)初始化初始化程序主要是對單片機的時鐘、串口、I/O引腳、外圍電路等器件進行設計，使其滿足系統(tǒng)運行的基本工作需要。時鐘配置包括對系統(tǒng)的工作時鐘進行配置，本設計采用的是12MHz的晶振電路進行設計，因此需要對實時時鐘信號進行初始化；串口1的初始化包括波特位、數據位、停止位、校驗位等信息的配置，一般是默認的“9600，8，1，0，0”；串口2則是用來與GSM模塊進行通信，因此它的波特率應該設置為115200[25,26]。4.3文件系統(tǒng)FATFS移植FATFS文件系統(tǒng)是應用在嵌入式處理器或者linux環(huán)境下的一款開源文件系統(tǒng)，本設計采用的是STM32單片機作為主控制器，它是嵌入式微控制器中的一種，其可以滿足FATFS文件系統(tǒng)的運行需求，可以將FATFS文件系統(tǒng)部署到STM32微控制器中，通過修改配置文件ffconf.h和底層驅動文件diskio.c，使其可以運行在STM32嵌入式控制器上。ffconf.h的配置是文件系統(tǒng)移植的核心內容，它采用宏定義的方法將一些關鍵的參數進行封裝，用戶將文件系統(tǒng)移植到STM32上，將關鍵的幾個宏參數進行修改后便可以運行，需要修改的內容如下：將_FS_TINY的賦值修改為0；將_USE_FASTSEEK修改為1，用來設置文件夾；編碼格式_CODE_PAGE設置為936，即GBK編碼格式，采用這種編碼格式時需要確保option文件夾中包含936.c文件，如果缺失會導致系統(tǒng)的編譯或者運行出錯，將其復制粘貼到該文見目錄下即可；將_VOLUMES修改為1，使其可以操作SD卡；將_USE_LFN修改為3，允許系統(tǒng)可以使用長文件；將_MAX_SS參數的值修改為512，它表示數據緩沖區(qū)為512bit。其他選項的設置可以結合實際情況和參考網上資料來進行設置。4.4本章小結本章主要介紹了GSM收發(fā)系統(tǒng)的整體框架和各軟件模塊的軟件設計。從軟件運行的情況展示系統(tǒng)總體的運行步驟。第五章系統(tǒng)調試5.1系統(tǒng)調試過程與方法5.1.1串口通信本文采用SIM900A作為GSM通信模塊，為了確保數據通信無失真，將上位機的串口波特率設置為115200，這樣單片機在與模塊進行通信時就可以接受到更多的信息，而不會發(fā)聲數據丟失的情況，特別時在發(fā)送短信時數據量較大的情況下。本文采用SSCOM串口調試助手來進行串口通信調試。在筆記本中事先下載好SSCOM串口調試助手，然后雙擊運行該調試助手進入到程序的主界面，將串口的波特率為115200，并將發(fā)送新行的控件選上，可以讓調試助手自動添加回車換行“\r\n”符號，可以使得頁面顯示結果的更加的直觀、簡潔。SIM900A模塊提供完成的AT指令集供單片機或者開發(fā)者通過上位機對其進行測試，采用USBTTL將SIM900A模塊連接在電腦的USB接口上，如果找不到模塊的串口時請檢查相關驅動是否已經安裝。上位機與模塊連接成功，在SSCOM的輸入框中輸入“AT+CPIN?”，這時頁面會返回模塊的響應。當返回的響應為OK時，這就說明SIM900模塊與上位機之間的通信正常。圖5.1串口調試圖一如圖5.1所示為用戶在串口調試助手上依次向SIM900模塊發(fā)送AT指令，并接受到SIM900模塊返回的信息：當前信號強度27、網絡為中國移動、生產廠商為SIMCOM、生產型號為SIM900A。如圖5.2所示串口調試圖中可以看到，SIM模塊額短信功能可以正常使用，數據在模塊中采用的是Unicode方式進行編碼的，在現實中看到的手機短信內容則采用的是軟件進行轉碼的。發(fā)送短信也是采用的是Unicode方式進行編碼，輸入發(fā)送短信的AT指令后，依次輸入收信人的手機號、短信內容，這時通過指令“0x1a”來發(fā)送信息。圖5.2串口調試圖二5.1.2系統(tǒng)UI一般在手機顯示的內容中，需要包含運營商、手機號碼、時間等信息，這些信息可通過發(fā)送AT指令給SIM模塊，由SIM模塊通過串口發(fā)回給單片機，由單片機對其進行處理后將其采用“圖像+中文”的方式顯示在屏幕上，提高系統(tǒng)的人機交互性。本設計采用的是中國移動制式的網絡，因此SIM只能夠識別中國移動的卡，當正確的插入移動SIM卡后，在系統(tǒng)的屏幕顯示界面上以24*24的像素顯示出“中國移動”的信息；當插入的是非移動SIM卡時，在顯示屏幕上會進行報錯提示，此時不能夠進行任何操作，因此插入正確的SIM卡是確保系統(tǒng)可運行的重要前提。SIM900A模塊可以通過AT指令去查詢它的信號強度，其信號強度的范圍在0~31之間，因此信號欄的設計按照7個單位為一格，信號欄的顏色設計通過調用voidGUI_ShowSignal(u16x,u16y,u8signal,u16color)來進行設計，一般以白色的為主。SIM900A模塊可以查詢到RTC備用電池的電量，并將其顯示在屏幕上，電池電量的顯示可以通過函數voidGUI_ShowPower(u16x,u16y,u8power,u16color,u16f_color)來進行繪制，其中變量color用來繪制電池電量標題的外圍輪廓色，一般以白色為主；變量f_color用來繪制電池電量的填充色一般以綠色和紅色為主，當電量低于20%時，電池的填充色為紅色，反之則為綠色。本設計的主要功能是用來進行撥打、接聽、掛斷電話以及收發(fā)信息、查看短信詳情。無論是撥打電話還是信息的收發(fā)，都需要一個可以用來進行編輯的數字鍵盤，鍵盤采用3*4設計，它包括10個數字按鍵、*、#按鍵設計，同時它還應具備接聽、掛斷等功能，不同的功能采用不同的顏色進行填充用來進行標識。5.1.3讀取短信讀短信時系統(tǒng)必備的一項重要功能，由于模塊本身采用的是Unicode編碼方式進行編碼，模塊在接收到短信息后，會通過調取實現設置好的字庫將信息的格式進行轉換，信息的切換可通過發(fā)送AT指令來實現。比如要選擇堆讀取某條信息時，可以通過點擊“讀取”按鍵，由STM32向SIM模塊發(fā)送“AT+CMGR=msgindex”（msgindex為輸入的要讀取短信位置）給SIM模塊，這時單片機會接收到模塊發(fā)送回來的一堆信息，在這堆信息中可以由strstr（）函數來查詢字符串的首地址，并對得到信息的Unicode碼，將信息轉換為GBK碼并顯示在TFTLCD上。5.1.4發(fā)送短信發(fā)送短信的功能設計同讀取信息的功能相似，在程序中定義一個數組phonebuf[phonenumlen]接收收件人的手機號，并定義一個大小為300字節(jié)的指針變量用來存儲發(fā)信內容。在信息的錄入時，采用的是GBK編碼格式，它不能夠被SIM模塊識別到，單片機在將待發(fā)送內容通過串口發(fā)給SIM模塊前，需要將GBK編碼的中文轉換為Unicode碼，然后再發(fā)給SIM模塊。5.3本章小結本章重點介紹系統(tǒng)運行的調試過程。先介紹了單片機電路與模塊之間的串行通信和各種特定指令所實現的操作目標。接著介紹了系統(tǒng)在接收、讀取短信，的實現情況，最后我們對操作目標進行實踐模擬，與預期效果進行對比。第六章結論本次設計使得電子產品和家用負載通過網絡平臺有效地連接在一起，能夠實時穩(wěn)定的控制繼電器（負載）的運行狀態(tài)，單片機上的GSM通信模塊工作良好，具有信號穩(wěn)定、低耗能等優(yōu)點。本設計電路板能夠大程度模擬實際控制情況，針對實際出現的信號弱GSM模塊收發(fā)讀取出現故障，以及在收到控制信息時單片機無法控制繼電器等情況進行多次調試，證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，與預期效果一致。參考文獻[1]李燕梅.GSM移動網絡綜述[J].大理學院學報.2016,4：107-116.[2]張孟雄.國內基于GSM技術的應用研究現狀[J].技術應用,2014:91-92.[3]王芳.基于GSM短消息無線通信系統(tǒng)的研究[D].南京：河海大學.2006.[4]周慧玲,甘典文,王智威.基于ARM/GPRS/ZigBee技術的無線糧情監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現［J].測控技術，2016,30(2):1-6.[5]牛丹,買和木提,周澄,翁多杰.單片機控制GSM模塊實現短信收發(fā)的技術及應用[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2008,(5):7-12.[6]亓浩名,王利,武毅,張磊,黃德宇.基于單片機的GSM短信收發(fā)模塊設計[J].電子測試,2012,3(3):63-68.[7]霍濤,賈振堂.基于STM3