作品设计优质报告.doc

作品设计汇报

基于GSM网络家居自动化控制

指导老师：张艳鹏、付兴烨
队 员：崔新亮
李春笛
王国双
参赛院校：绥化学院电子工程系

摘 要
本作品利用STC89C516单片机为关键，实现了基于GSM网络家居自动化控制。对家庭环境中多种信息进行采集，并以手机短信方法通知给不在家中用户，用户可用手机短信对家中多种设备进行控制，当用户在家时候能够用我们手持设备对家中电器、门窗等部分进行控制。也可将手持设备接入电脑进行控制。该系统合理利用了GSM模块、nRF2401无线模块、12864液晶屏、DS12C887时钟芯片、ISD4004语音模块和多个传感器，实现了手机短信交互控制、无线遥控、液晶显示、音频输出、传感器信号采集和处理等功效。
关键词：GSM；传感器；手持设备；自动控制
Abstract：
This works by STC89C516 single chip, realized based on GSM network household automation control. The information of all kinds of family environment, and gather in SMS notice to the user, the user can home in the home of SMS messages, when the user control equipment at home when we can use the electric handheld device to control section, door to wait. Also can access the computer controlled handheld devices. This system is reasonable use a GSM module, nRF2401 wireless module, 12864 LCD, DS12C887 clock chip, ISD4004 speech module and various sensors, realize the interaction of SMS, wireless remote control, LCD display, audio output, sensor signal acquisition and processing, etc.
Key Words: GSM；Sensors；Handheld devices；Automatic control

目 录
摘要和关键字……………………………………………………………………………
1 系统方案…………………………………………………………………………………
2 功效和指标………………………………………………………………………………
2.1实现功效……………………………………………………………………………
2.2功效设备系…………………………………………………………………………
2.2.1 STC89C516单片机………………………………………………………
2.2.2 GSM模块……………………………………………………………………
2.2.3 手持设备……………………………………………………………………
2.2.4 ADS7852芯片………………………………………………………………
2.2.5传感器应用………………………………………………………………
2.2.6 室内灯光……………………………………………………………………
2.2.7 光电门应用………………………………………………………………
2.3 性能指标……………………………………………………………………………
2.3.1传感器响应……………………………………………………………………
3 实现原理……………………………………………………………………………………
3.1 硬件设计……………………………………………………………………………
3.1.1 硬件扩展………………………………………………………………………
3.1.2 系统硬件………………………………………………………………………
3.2 软件设计………………………………………………………………………………
4 硬件框图………………………………………………………………………………………
5 系统测试和小结……………………………………………………………………………
5.1 系统测试………………………………………………………………………………
5.2 系统小结………………………………………………………………………………
5.2.1 系统特色…………………………………………………………………………
5.2.2 系统不足…………………………………………………………………………
参考文件………………………………………………………………………………………

1、系统方案
本设计利用了基于51单片机、GSM网络、无线通信及传感器技术开发出一个高端现代家庭居住环境自动控制系统。
图1所表示，系统中心是以STC89C516单片机为处理器且集中了丰富传感器硬件资源，由其完成环境数据采集和自动处理，该系统含有以下功效和特点：
（1）、家中多种设备工作状态在手持设备显示器上直观显示, 并经过键盘进行集中控制。
（2）、当家中设备或环境变量发生异常时候进行自动控制，并以手机短信方法通知用户。
（3）、用户能够经过手机短信对家中多种设备进行控制。
图1系统结构

2功效和指标
2.1..实现功效
本系统是以STC89C516单片机为处理器用户端，和配有没有线传输模块和GSM模块，经过无线模块实现传感器等信息采集后传输，并使用GSM移动网络实现和用户手机通信功效。
用户能够设置手机用户权限，并实现GSM等功效禁用，也能够对应设置传感器使能，并可手动控制家电，方便快捷。
当家中任何一个传感器（本系统中包含了可燃气体、热释电人体红外等传感器）被使能并感知到有紧急情况发生，便首先开启实施部分，以后开启GSM模块和用户联络，寻求处理方案。
2.2、功效设备
一、主控制板
主控制板硬件关键包含：单片机最小系统、GSM模块、12位高速A/D模块、无线收发模块和我们自己制作驱动板。
单片机最小系统我们用关键芯片为STC89C516RD+，其内部有64K E2PROM、1KRAM、4个8位并行口、3个16位定时计数器、1个串行全双工异步接口、6个中止源，这些资源基础上能够满足通常中型监控软件开发要求。
在本套系统中我们使用了北京精仪达盛企业生产GSM模块，它是主机和用户手机交流桥梁。经过对基于AT指令下串口通信系统进行全方面控制，本系统针对该模块特点设计出一套经过短信控制家中设施方案，用户出门在外时能够掌控家里情况。
在无线收发方面采取是nRF2401模块。该模块是单片射频收发模块，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功效模块，输出功率和通信频道可经过程序进行配置。芯片能耗很低，以-5dBm功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多个低功率工作模式，节能设计更方便。收发模式
我们自己设计驱动电路 电路图
考虑到单片机I/O接口不足问题，本设计中用74LS573做外扩，在P2功效口用了三个74LS573来扩展I/O端口。图3为本套系统单片机关键电路。

2.2.3 手持设备

图2 上位机软件界面。
2.2.4 ADS7852芯片
ADS7852是一个逐次迫近式8路模拟输入，12位数字量并行输出A/D转换器。在8MHz时钟输入条件下,其采样速率可达500Ksps。ADS7852参考电压输入为2.5V，8通道电压输入范围为0~5V。

图3 ADS78529管脚图
由图3可见，ADS7852共有32引脚，采取TQFP-32封装。其关键引脚功效以下：
AIN0~AIN7：8路模拟信号输入端；
DB0~DB11： 12位数字量输出端；
VREF：参考电压输入端；
A0、A1、A2：通道选择端，A0、A1、A2分别和三根地址线或数据线相连，三者编码对应8个通道地址口。A2 A1 A0=000~111分别对应IN0~IN7通道地址；
CLK：外部时钟输入端，ADS7852最高采样率为CLK1/16。如CLK频率为8MHz，则对应于最高采样率为500Ksps；
VSS：电源输入端，通常接+5V；
AGND、DGND：分别为模拟地和数字地；
CS：片选信号，低电平有效；
WR：写信号，低电平有效。当WR、CS同时有效时，开启一次新转换，此时A0~A2指示欲转换通道号；
RD：读信号，低电平有效。当RD、CS同时有效时，将数据输出端三态门打开，并行输出12位数据。
另外，在RD上升沿，还和A0、A1共同决定ADS7852进入常规模式、打盹模式或睡眠模式；
BUSY：ADS7852状态输出端。在转换过程中，BUSY保持低电平。当转换结束后，BUSY变为高电平。
ADS7852工作过程以下：
首先用指令选择ADS7852一个模拟输入通道，当实施MOVX @DPTR，A时，开启被选择通道转换，BUSY信号被拉低。当转换结束后，BUSY信号被拉高。CPU检测到BUSY信号变高后，发出读数指令MOVX A，@DPTR，把该通道转换结果读到A累加器中。读数完成后，ADS7852将跟据DPTR值进入常规模式、打盹模式或睡眠模式。

2.2.5传感器应用
在本系统中利用到了多个DS18B20温度传感器实现了多点测温，还有湿度传感器，可燃气体传感器，热释电人体红外传感器，它们感知周围环境状态，取得是模拟信号，经十二位高速AD转换模块处理成数字信号，再发送到控制模块。在A/D转换中给每个传感器设置不一样通道，并采取时序控制它们依次进行转换。是整个系统能够正常运行。
2.2.6 室内灯光
在本系统中集中表现人性化设计。灯光开和灭全部利用了渐变效果，这么使用户适应了由黑暗到明亮一个过程，愈加保护了用户视力，是用户感觉愈加亲切。
2.2.7 光电门应用
在门窗检测和风速测量中应用了光电门，由光电门发出信号给LM339检测电压高低，再由LM339把信号发送给单片机来实现实施操作，愈加好实现了自动化。
2.3性能指标
2.3.1传感器响应
（1）温度传感器
本系统采取是DS18B20温度传感器，其测量范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃时精度为±0.5℃。在本系统中利用到了八个DS18B20温度传感器，采取单总线控制八路信号实现了多点测温。同时检测各个房间温度。
（2）湿敏传感器关键参数
本设计中我们采取了DYP-SD02型号湿敏电阻器，它测量范围 20 ～ 90%RH 量程 20 ～ 90%RH（mm）。含有良好敏感特征。
湿敏电阻采取功效高分子膜涂敷在带有导电电极陶瓷衬底上，形成阻抗随相对湿度改变成对数改变敏感部件，导电机理为水分子存在影响高分子膜内部导电离子迁移率。性能稳定，耐水性好，精度高，品种多样，价格低廉。
该传感器电性能参数以下：
工作电压1V AC(50Hz～2KHz)
检测范围
20 ～ 90%RH
检测精度
±5% RH
工作温度范围
最高使用温度
0℃ ～+85℃
120℃
特征阻抗范围
KΩ(60%RH,25 ℃ )
CHR02-233
23(15～28) KΩ
CHR02-313
31(21～40.5) KΩ
响应时间
65(55～75) KΩ
响应时间
≤ 12 s (20% ～ 90%)
湿度飘移（ / 年）
≤±2% RH
湿滞
≤±1.5%
（3）可燃气体传感器
我们采取了型号为MQ-2可燃气体传感器用作可燃气体监测，该传感器特点为：
* 对液化气，天然气，城市煤气有很好灵敏度
* 对乙醇，烟雾几乎不响应
* 快速响应恢复特征* 长久使用寿命和可靠稳定性* 简单测试电路
适适用于家庭或工业上对液化气天然气，煤气监测装置。优良抗乙醇，烟雾干扰能力。
MQ-2型可燃气体传感器为规格
a. 标准工作条件
b. 环境条件
c. 灵敏度特征
d. 结构外形测试电路
符号参数名称技术条件备注
Tao 使用温度-10℃-50℃
Tas 储存温度-20℃-70℃
Rh 相对湿度小于95%Rh
O2 氧气浓度21%(标准条件)
氧气浓度会影响灵敏度特征
最小值大于２％
符号参数名称技术参数备注
Rs 敏感体电阻10KΩ- 60KΩ
(1000ppm 甲烷)
该传感器探测范围：
300-5000ppm液化气，天然气，煤气。
α(1000ppm/5000ppm CH4)浓度斜率≤0.6
标准工作条件温度： 20℃±2℃ Vc:5.0V±0.1V
相对湿度： 65%±5% Vh: 5.0V±0.1V
预热时间不少于二十四小时
图4
e. 灵敏度特征曲线（图4）：
    该部分设计可燃性气体报警通风装置，充足利用了可燃气体传感器及其它元件特征，使其相辅相成。它电路结构简单，使用元件相对较少，使其制作成本大大降低，经济实用。
（4）热释电红外传感器
热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间红外信号改变转变为电信号，并能对自然界中白光信号含有抑制作用，所以在被动红外探测器警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到只是背景温度，当人体进人警戒区，经过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到是人体温度和背景温度差异信号，所以，红外探测器红外探测基础概念就是感应移动物体和背景物体温度差异。人体全部有恒定体温，通常在37度，所以会发出特定波长10微米左右红外线，
a这种探头是以探测人体辐射为目标。所以热释电元件对波长为10微米左右红外辐射必需很敏感。
b为了仅仅对人体红外辐射敏感，在它辐射照面通常覆盖有特殊菲泥尔滤光片，使环境干扰受到显著控制作用。
c人一旦侵入探测区域内，人体红外辐射经过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，不过两片热释电元接收到热量不一样，热释电也不一样，不能抵消，经信号处理而报警。

3 实现原理
3.1 硬件设计
3.1.1 硬件扩展
对于硬件扩展，考虑到接口问题，单片机接口不足，本套设计中用74LS573做外扩，在P2功效口用了三个74LS573来扩展I/O端口。图3为本套系统单片机关键电路。
3.1.2 系统硬件
在本套系统中，我们设计了主板和手持设备两大硬件，在主板上安装了北京精仪达盛企业生产CPU模块、GSM模块、12位高速AD和无线模块还有我们自行设计74LS573外扩电路板，使主板功效愈加强大。在手持设备中利用了12864液晶屏显示部分，语音芯片，矩阵键盘和用来和主板进行通信无线模块，在手持设备设计中，我们愈加重视人性化，个性化，用户能够依据本身要求设置部分参数来自动控制家中设备。
3.2 软件设计

图3单片机关键电路
4 硬件框图

5 系统测试和小结
5.1 系统测试
系统全部模块会在紧急事件发生时能否正常工作，需要对之进行测试。首先用秒表对系统响应能力做出测评，表1为紧急事件发生时系统响应能力测试结果。接着开启GSM模块，经过手机来测试系统控制性能，表2为手机产生系统监控性能产生结果。

5.2 系统小结
5.2.1 系统特色
在本套系统中利用了多方面技术，传感器应用，使家居愈加智能化，尤其是在多点测温上取得了突破性进展，利用了无线设备，做到了手持设备和主板脱离，方便，实用。手机短信应用充足利用GSM网络，实施部分设计和实现使这套家居系统愈加自动化，给用户提供了现代生活方便和乐趣。
智能家居是未来家居发展方向，在以后设计中有很大发展空间。本设计成本低、体积小、耗电少、功效强、操作简单含有很好发展前景，总来说性价比很高。
5.2.2 系统不足
针对现在设计系统而言，需要改善和提升地方有：
提升集成度，缩小节点体积。优化软硬件结构，增加更多功效，深入降低功耗。
参考文件
51单片机C语言应用程序设计实例精讲 戴佳 戴卫恒 刘博文编著
电子工业出版社
C语言大学实用教程（第二版） 苏小红 陈惠鹏 孙志刚 编著
电子工业出版社
Visual basic程序设计自学手册 刘彬彬 高春艳 王茜编著
人民邮电出版社
数字电子技术基础简明教程（第三版） 余孟尝 主编
高等教育出版社