智能家居系統(tǒng)設(shè)計 自動化畢設(shè)

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1、四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）智能家居系統(tǒng)設(shè)計學(xué) 生：魏 大 海學(xué) 號：070210專 業(yè)：自動化班 級：2007.3指導(dǎo)教師：方 四川理工學(xué)院自動化與電子信息學(xué)院二O一一年六月魏先武：智能家居系統(tǒng)設(shè)計摘 要圍繞“智能家居系統(tǒng)”這一課題，本次設(shè)計利用了STM32單片機、AT89S51單片機、nRF24L01無線收發(fā)模塊和GSM模塊TC35I等主要器件，并通過編寫相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)了具有短信收發(fā)控制與報警功能的“智能家居系統(tǒng)”。該系統(tǒng)利用了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，以收發(fā)短消息的遠程控制的方式實現(xiàn)防火、防盜等家庭所要求的安全監(jiān)控和報警以及家庭電氣遠程智能控制等功能。系統(tǒng)具有傳輸質(zhì)量高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強

2、、易于擴展，可隨意布控的特點，人機交互界面選用TFT顯示，觸摸屏輸入，操作界面全圖形化，使用更方便，操作更人性化，使其更具有市場競爭優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：智能家居系統(tǒng)； GSM網(wǎng)絡(luò)；STM32；AT89S51；TC35I；NRF24L01；TFTI四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文ABCTRACTSmart HomeSystemBase on Smart Home System, in this design, STM32 MCU, AT89S51 microcontroller, nRF24L01 wireless transceiver module and GSM module TC35I and

3、 other major components is used and to achieve control with text message and alarm functions is achieved by writing software. The system uses the GSM network to receive the remote control Send short message, to achieve fire safety, security and other requirements of the family and home security moni

4、toring and alarm electrical remote intelligent control. The advantage of system is transmission of high quality, good stability, anti-interference ability, easy to expand. The system has man-machine interface of TFT display, touch screen input, full graphical user interface, more convenient and more

5、 user-friendly operation. All of these make it more competitive.Key words: Smart Home System；GSM network；STM32; AT89S51；TC35I；NRF24L01；TFT魏先武：智能家居系統(tǒng)設(shè)計目錄摘 要IABCTRACTII第1章 引言11.1 智能居家系統(tǒng)的定義11.2 智能家居的國內(nèi)外發(fā)展狀況21.2.1 國外智能家居發(fā)展現(xiàn)狀21.2.2 國內(nèi)智能家居發(fā)展狀況及特點31.3 課題研究的意義和內(nèi)容4第2章 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計72.1 智能家居系統(tǒng)的工作原理72.1.1 智能家居系統(tǒng)的

6、組成72.1.2 智能家居系統(tǒng)工作原理82.1.3 智能家居系統(tǒng)的功能特點82.2 主控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計92.2.1 主控制器（STM32F103）介紹92.2.2 主控制器的外圍電路設(shè)計122.3 輔助控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計172.3.1 輔助控制器（AT89S52）介紹172.3.2 輔助控制器的外圍電路設(shè)計182.4 GSM通信模塊設(shè)計222.4.1 通信模塊TC35I簡介222.4.2 電平轉(zhuǎn)化電路設(shè)計242.5 無線射頻通信模塊設(shè)計242.5.1 無線射頻模塊芯片的選擇242.5.2 無線射頻收發(fā)模塊nRF24L01設(shè)計262.6 系統(tǒng)供電模塊設(shè)計28

7、2.7 其他外圍電路介紹292.7.1 繼電器電路292.7.2 紅外遙控接收電路302.7.3 紅外熱釋傳感器30第3章 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計323.1 軟件設(shè)計分析流程323.1.1主控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計模塊323.1.2輔助控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計模塊343.2 TFT觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計353.3 短消息收發(fā)介紹與程序設(shè)計373.3.1 短消息的收發(fā)模式383.3.2 與短消息有關(guān)的AT指令393.3.3 短消息接收子程序設(shè)計403.3.4 短消息發(fā)送子程序設(shè)計423.4 無線射頻模塊（nRF24L01）通信的實現(xiàn)433.4.1 nRF24L01的初始化配置433.4.2 nRF24L01工作模

8、式設(shè)置443.4.3 nRF24L01與處理器的SPI通信實現(xiàn)443.4.4 nRF24L01數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計463.4.5 nRF24L01數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計493.5 其他輔助程序設(shè)計52第4章 硬件設(shè)計制作與軟件調(diào)試554.1硬件原理圖設(shè)計與PCB制作554.2軟件設(shè)計與調(diào)試59第5章 結(jié)束語62致 謝64參考文獻65附 錄66四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文第1章 引言1.1 智能居家系統(tǒng)的定義隨著電子技術(shù)在現(xiàn)實生活中的廣泛應(yīng)用，人們越來越感受到電子產(chǎn)品為生活所帶來的各種便利，特別是在20世紀80年代，智能家居的出現(xiàn)更為人們享受生活提供了一個廣闊的平臺。 智能家居是一個系統(tǒng)，也是一個過程

9、。它是利用先進的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、電力自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、無線電技術(shù)，將與居家生活有關(guān)的各種設(shè)備有機地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理，讓居家生活更輕松。智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，而且不再是被動的，是具有能動性智能化的工具，提供全方位的信息交換功能，優(yōu)化我們的生活方式和居住環(huán)境，幫助我們有效地安排時間，節(jié)約各種能源，提供優(yōu)質(zhì)、高效、舒適、安全的生活空間智能家居的原型最早起源于美國。時至今日，智能家居在美國已走過了將近30個年頭。目前，美國有全球最大的智能化住宅群。此外，在歐美、日本、新加坡等地，智能家居也日漸興起。 智能家居不再是一幢被動的建筑，相反的，它成了幫助住戶提高時間利用率的工具

10、，使家居生活更為舒適、安全、高效和節(jié)能。網(wǎng)絡(luò)化的智能家居系統(tǒng)可提供遙控、家電（熱水器，空調(diào)等）控制、燈光控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自動收放、防盜報警、遠程控制、可編程定時控制及計算機控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、便利和安全。 隨著家庭智能化在世界范圍內(nèi)的普及，智能家居在上個世紀末悄然走進了中國市場。但是，通常媒體上常見的有關(guān)智能家居的介紹，事實上卻誤導(dǎo)了人們對智能家居的認識，使人們不知道如何將其與自己的家庭聯(lián)系起來。 目前通常把智能家居被定義為利用電腦、網(wǎng)絡(luò)和綜合布線技術(shù)，通過家庭信息管理平臺將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合的一個系統(tǒng)。也就是說，首先，它們都要在一個家居中建立一個通訊

11、網(wǎng)絡(luò)，為家庭信息提供必要的通路，在家庭網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)的控制下，通過相應(yīng)的硬件和執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對所有家庭網(wǎng)絡(luò)上的家電和設(shè)備的控制和監(jiān)測。其次，它們都要通過一定的媒介平臺，構(gòu)成與外界的通訊通道，以實現(xiàn)與家庭以外的世界溝通信息，滿足遠程控制監(jiān)測和交換信息的需求。最后，它們的最終目的都是為滿足人們對安全、舒適、方便和符合綠色環(huán)境保護的需求。由此可見，智能家居是一個系統(tǒng)層次概念，它涵蓋了在建筑環(huán)境層次能夠影響人們生活的諸多方面，就實際應(yīng)用而言往往有以下系統(tǒng)：可視對講系統(tǒng)：如有客人訪問，可按動大門上的按鍵，主人在家里通過液晶顯示屏能很清晰的看到室外情況，免除陌生人的打擾。除此以外，各個家居之間也可實現(xiàn)可視

12、對講。家庭安防系統(tǒng)：運用現(xiàn)代通信、計算機等先進技術(shù)，通過對各類探測器及相關(guān)處理設(shè)備的綜合使用，達到對家庭安全提供保障。網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)：通常語音通信系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)被統(tǒng)稱為信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。智能照明系統(tǒng)：通過安裝智能控制器，對客廳、起居室及臥室內(nèi)的燈具開關(guān)進行遙控，或者通過通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)照明的遠程控制。家電控制系統(tǒng)：如煤氣開關(guān)閥門、空調(diào)、電熱水器及電飯堡等的遠程控制，當(dāng)主人外出要回到家時或在辦公室辦公時，都可通過電話或手機遙控家中的家用電器。1.2 智能家居的國內(nèi)外發(fā)展狀況1.2.1 國外智能家居發(fā)展現(xiàn)狀世界上最早的智能建筑是1984年在美國誕生的，之后加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)

13、濟比較發(fā)達的國家先后開始開發(fā)智能建筑和智能家居產(chǎn)品。而且也使世界其他國家的眾多企業(yè)參與競爭智能家居這個市場。目前已出現(xiàn)在市場上的智能家居類產(chǎn)品主要有：(1)美國的X-10系統(tǒng)，該系統(tǒng)是通過電力線以50Hz或（60Hz）為載波作為網(wǎng)絡(luò)平臺，采取集中控制方式實現(xiàn)多種功能。該產(chǎn)品在美國占據(jù)市場主流。 (2) 新加坡的8X系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用預(yù)埋總線及中央控制方式實現(xiàn)各種功能，同時利用產(chǎn)品可對系統(tǒng)進行擴展。 (3) 德國的EIB系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的預(yù)埋總線及中央控制方式實現(xiàn)控制功能。由于智能家居的誘人的前景和巨大的市場，加之隨著歐洲電子全面普及化工作的開展，以及以韓國、日本、中國為代表的的亞洲電子技術(shù)的飛速

14、發(fā)展，人們生活水平的不斷提高以及智能電子技術(shù)不斷的成熟，智能化控制已經(jīng)成為未來生活潮流發(fā)展的最新方向。所以吸引了眾多的國內(nèi)外企業(yè)去爭食智能家居市場。1.2.2 國內(nèi)智能家居發(fā)展狀況及特點中國人口眾多，城市住宅建設(shè)也多選擇密集型的住宅小區(qū)方式，因此很多房地產(chǎn)商會站在整個小區(qū)智能化的角度來看待家居的智能化，也就出現(xiàn)了目前一統(tǒng)天下、無所不包的“智能小區(qū)”的模式。但是在國內(nèi)，隨著建筑智能化行業(yè)協(xié)會的成立及技術(shù)水平的不斷提高，產(chǎn)品在市場上已逐步推廣了，前期主要集中在一些分散的智能家庭控制子系統(tǒng)的研究上，如三表抄送系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、可視對講系統(tǒng)等。但是現(xiàn)在智能家居已經(jīng)不是一個單獨的產(chǎn)品，也不是傳統(tǒng)意義上的“

15、智能小區(qū)”概念，而是基于小區(qū)的多層次家居智能化解決方案，它綜合利用計算機、網(wǎng)絡(luò)通訊、家電控制、綜合布線等技術(shù)，將家庭智能控制、信息交流及消費服務(wù)、小區(qū)安防監(jiān)控等家居生活有效地結(jié)合起來，在傳統(tǒng)“智能小區(qū)”的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了向家的延伸，創(chuàng)造出高效、舒適、安全、便捷的個性化住宅空間。但是由于中國的居住模式和文化與發(fā)達國家有很大的區(qū)別，所以智能家居在中國的發(fā)展也體現(xiàn)出其獨具的特點。1智能化家居系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展特點：(1)市場潛力大，我們知道現(xiàn)在的房地產(chǎn)業(yè)在全國的發(fā)展都很火爆，作為其下游產(chǎn)業(yè)，智能家居市場前景非常樂觀。(2)智能家居產(chǎn)業(yè)處于引導(dǎo)期，沒有一個統(tǒng)帥品牌和領(lǐng)軍企業(yè)，市場處于無序競爭期。這個產(chǎn)業(yè)各自

16、為政，沒有一個統(tǒng)一標準，各種技術(shù)力量重復(fù)投入，致使在這個基礎(chǔ)上的家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品五花八門，但多數(shù)產(chǎn)品是大同小異，行業(yè)內(nèi)各企業(yè)的競爭處于無序狀態(tài)。(3)智能家居行業(yè)市場遠未成熟，大規(guī)模的價格戰(zhàn)、廣告戰(zhàn)和服務(wù)戰(zhàn)還沒有爆發(fā)，市場份額較為分散，市場的認知和接受程度較低，市場尚處于一個需要逐步培育和引導(dǎo)的階段。與產(chǎn)品的服務(wù)供應(yīng)商的爭先恐后相比，智能家居產(chǎn)品進入用戶終端的步伐略顯遲緩。(4)面對著巨大智能家居市場的需求，市場區(qū)域也存在著不均衡的狀態(tài)。以華東、華南等經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)為主要的市場需求區(qū)域，而西南、西北地區(qū)的市場份額相對較低，這主要與居民的總體消費水平有關(guān)。2智能家居系統(tǒng)有以下發(fā)展方向：(1)向一體

17、化、系統(tǒng)集成化方向發(fā)展。(2)向節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。(3)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化方向發(fā)展。(4)向規(guī)范化、標準化方向發(fā)展我國智能家居發(fā)展較晚，新技術(shù)、新產(chǎn)品層出不窮，標準和規(guī)范還在制定之中。(5)向具有“中國特色”的家居智能化方向發(fā)展家居智能化系統(tǒng)需要大量的適合中國國情的產(chǎn)品和運行軟件。3我國智能家居的主要產(chǎn)品：(1)清華同方的eHome數(shù)字家園。其職能家居控制系統(tǒng)主要有三個部分：A系列、B系列和易家三代。(2)海爾的“e家庭”，以海爾電腦為控制中心，各種網(wǎng)絡(luò)家電作為終端設(shè)備，以海爾移動電話為數(shù)字控制中心。1.3 課題研究的意義和內(nèi)容課題研究的意義：隨著人們對生活質(zhì)量提出了更高的要求，希望生活

18、更加追求安全與舒適。一方面，由于一些家庭疏忽大意，時常會因為大意發(fā)生一些火災(zāi)或煤氣泄露險情以及財物被盜的情況，給家庭和社會帶來巨大的損失，因此迫切需要利用現(xiàn)代技術(shù)的智能化手段，為家庭提供一個安全舒適的家居環(huán)境。智能家居安防系統(tǒng)能在各種緊急情況出現(xiàn)的第一時間報警，通知物業(yè)管理中心和住戶，把險情消滅在萌芽狀態(tài)，減少各種損失，為家庭生活的安全舒適提供強有力的保障。因此，安防系統(tǒng)作為智能家居系統(tǒng)的一個重要組成部分。另一方面，智能家居系統(tǒng)中遠程控制，能夠給人們生活帶來極大的舒適與便捷，可以通手機遠程控制家電設(shè)備，讓現(xiàn)代科技與生活實現(xiàn)完美的結(jié)合。目前，雖然智能家居有一定的發(fā)展，出現(xiàn)了一定數(shù)量的研究機構(gòu)和公

19、司，尤其是經(jīng)歷了2000年的智能家居概念炒作之后，智能家居得到空前的發(fā)展。但智能家居在中國還處于初始階段，缺乏統(tǒng)一的標準和權(quán)威的產(chǎn)品。智能住宅小區(qū)還遠沒有得到普及，許多基礎(chǔ)設(shè)施沒有得到相應(yīng)的改善。到目前為止，在中國手機基本普及。考慮到手機在中國的高普及率和短信息的廉價性以及GSM網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)的覆蓋和漫游的實現(xiàn)。本次就是設(shè)計了一款以GSM網(wǎng)絡(luò)的短信息服務(wù)(SMS)為載體的智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和用戶手機構(gòu)成。該系統(tǒng)的安裝無需改變家庭原有的布線，可有效的解決單個家庭對智能家居產(chǎn)品的需求，且成本小、安裝周期短，更重要的是3.2寸TFT觸屏的人機對話界面，觸摸屏輸入，

20、操作界面全圖形化，方便查看與人工設(shè)置。因此，在國內(nèi)應(yīng)該有很大的市場潛能。該智能家居系統(tǒng)基本框圖如圖1.1所示。圖1.1 智能家居系統(tǒng)基本框圖智能家居系統(tǒng)所需要設(shè)計的內(nèi)容比較多，但是由于成本、時間等的限制，要做出完整的智能家居系統(tǒng)顯然是不可能的。然而就整個分系統(tǒng)而言，可以發(fā)現(xiàn)有很明顯的相似性，只是在某些性能上需要做不同的設(shè)計而已。故而做好其中一個便可觸類旁推。鑒于此，本設(shè)計僅對僅對主控制系統(tǒng)、智能家電控制系統(tǒng)以及家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)做簡要設(shè)計。該智能家電控制系統(tǒng)通過GSM網(wǎng)絡(luò)完成手機與控制系統(tǒng)間的信息交換，進而傳遞控制信息，中央控制模塊通過對控制信息的解碼將其發(fā)送到家電控制端，實現(xiàn)家電的控制。而環(huán)境

21、監(jiān)控系統(tǒng)則是利用多種傳感器采集家居環(huán)境中的信息通過NRF24L01無線模塊發(fā)給主控制系統(tǒng)，最終通過GSM短信發(fā)給用戶?；究驁D如圖1.2所示。圖1.2 家居主控制系統(tǒng)圖圖1.3 家居輔助控制系統(tǒng)圖69四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計）論文第2章 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1 智能家居系統(tǒng)的工作原理2.1.1 智能家居系統(tǒng)的組成本次設(shè)計采用了主從的控制理念，設(shè)計了2塊控制電路板：一個是以51單片機為中心的家居信息（包括報警信息）的采集、基于短距收發(fā)模塊nRF24L01的信息收發(fā)以及相應(yīng)的控制裝置（繼電器）的輔助控制系統(tǒng)；另一個是以STM32為中心的負責(zé)所有家居信息的顯示人機對話與接受與處理以及同用戶交換

22、控制信息（通過GSM為通信載體）并發(fā)出控制命令的智能控制模塊。進而實現(xiàn)對家居環(huán)境信息的及時發(fā)給用戶和空調(diào)、電視、電燈等家電的控制。智能家居系統(tǒng)組成：主控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)包括智能控制模塊、GSM通信網(wǎng)絡(luò)、短距無線收發(fā)nRF24L01。輔助控制系統(tǒng)包括信號采集模塊、信息傳送模塊nRF24L01、家電設(shè)備控制模塊。智能家居系統(tǒng)的主/輔助控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2.1所示。主控制系統(tǒng)STM32F103VCT6任務(wù)：1信息收集2短消息收發(fā)3控制命令輸出4人機界面nRF24L01接收家居信息和發(fā)送控制命令TC35I與用戶手機通信、接受控制命令TFT觸摸屏ILI9320和ADS7843的人機對

23、話界面控制輔助控制系統(tǒng)單片機AT89S52任務(wù)：1家居信息采集2信息發(fā)往主控器3執(zhí)行主控制命令收集傳感器采集的家居環(huán)境信息溫濕度等nRF24L01收發(fā)家居信息和控制命令MAX72198位數(shù)碼管顯示HS0038紅外接收頭接收手動控制命令SD卡 讀寫操作SPI模式、儲存字庫繼電器控制命令響應(yīng)模塊控制圖2.1 智能家居系統(tǒng)主、輔控制系統(tǒng)原理框圖智能家居系統(tǒng)的核心是智能家居控制中心模塊的設(shè)計，將在下面的章節(jié)中重點介紹智能家居控制中心模塊的設(shè)計過程。作為系統(tǒng)的核心部分，智能控制中心不僅要對被控對象實時監(jiān)控、信息顯示而且要對控制信息及反饋信息及時處理并顯示。根據(jù)實際需要可知，要實現(xiàn)遠程控制的目的，必須具備

24、的條件就是對現(xiàn)場進行控制的無線射頻模塊，還有就是實現(xiàn)遠程通信的通信模塊，在加上相關(guān)的外圍電路構(gòu)了智能居家系統(tǒng)。2.1.2 智能家居系統(tǒng)工作原理STM32構(gòu)成的主控模塊對輔助系統(tǒng)發(fā)來的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)信息和來自手機模塊的控制指令進行實時監(jiān)控與分析，如果采集到被控模塊的手動控制操作信息，則記錄相應(yīng)操作。除現(xiàn)場手動操作外，本系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是可以對家電工作情況等被控對象進行遠程操作。當(dāng)用戶希望進行某種操作時，只需用手機編寫相應(yīng)的短信發(fā)送到預(yù)先設(shè)定的號碼上。智能家居控制中心接到短信后，與預(yù)先設(shè)定的控制指令格式進行比對，提取出用戶欲進行的操作信息，然后再通過無線方式（nRF24L01模塊）傳送給輔助控制系統(tǒng)

25、。輔助控制系統(tǒng)則根據(jù)接收到的由控制中心發(fā)來的相應(yīng)的控制信息控制后，與預(yù)存信息比對。當(dāng)確定是對那個控制對象的操作時，就進行相應(yīng)操作，同時反饋給控制中心。如果智能家居控制中心接到控制指令，但是經(jīng)過比對發(fā)現(xiàn)是無效控制命令是，則控制中心就會把錯誤反饋信息通過短信息發(fā)到用戶手機。2.1.3 智能家居系統(tǒng)的功能特點本智能家居系統(tǒng)有如下的幾個功能和特點：1、3.2寸TFT觸屏的人機對話界面，觸摸屏輸入，操作界面全圖形化，方便查看與人工設(shè)置系統(tǒng)工作參數(shù)；2、基于短消息的遠程數(shù)據(jù)傳送功能；3、基于短消息的遠程手機控制命令的執(zhí)行功能；4、兩種操作方式，現(xiàn)場手動（紅外遙控）和遠程短信遙控；5、可以方便的加入多個輔助

26、控制模塊；6、采用局部無線控制信息傳送，基本無需布線，擴展功能強；7、留有程序升級接口，方便程序升級完善性能。2.2 主控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計主控制系統(tǒng)也就是控制中心，是整個控制系統(tǒng)的中樞。它負責(zé)將輔助系統(tǒng)收集的信息接收過來，并判斷是否超限，若超限則將其通過手機模塊發(fā)送到用戶，以及手機指令的解析，并提取其中的控制信息，以此對被控對象和輔助系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)控制命令。整個控制系統(tǒng)以星型方式連接，而主控制系統(tǒng)，是星型連接的中心節(jié)點。因而主控制系統(tǒng)的好壞決定著整個控制系統(tǒng)的性能，所以這次使用了高性能而低成本的ARM Cortex-M3 系列的STM32F103VCT6作為主控制器，但其外圍電

27、路也至觀主要，只有它們都能好好工作時，整個系統(tǒng)才會穩(wěn)定工作。下面就主控制系統(tǒng)的控制器和外圍電路介紹一下。2.2.1 主控制器（STM32F103）介紹STM32F103xx增強型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有的器件都包含2個12位的ADC 、3個通用16位定時器和一個PWM定時器、2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。 STM32F103xx增強型系列產(chǎn)品包括從36腳至100腳的五種不同封裝形式；根

28、據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設(shè)配置不盡相同。使得STM32F103xx增強型微控制器適合于多種應(yīng)用場合： 醫(yī)療和手持設(shè)備；PC外設(shè)和GPS平臺； 電機驅(qū)動和應(yīng)用控制； 警報系統(tǒng)，視頻對講，和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)； 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器、變頻器、打印機和掃描儀。2.2.1.1 ARM公司的高性能”Cortex-M3”內(nèi)核簡介 Cortex-M3內(nèi)核包含一個適用于傳統(tǒng)Thumb和新型Thumb-2指令的譯碼器、一個支持硬件乘法和硬件除法的先進ALU、控制邏輯和用于連接處理器其他部件的接口。Cortex-M3處理器是基于ARMv7-M架構(gòu)的ARM處理器。中央Cortex-M3內(nèi)核使用3級流水線哈佛架構(gòu)

29、，運用分支預(yù)測、單周期乘法和硬件除法功能實現(xiàn)了出色的效率（1.25DMIPS/MHz）。Cortex-M3處理器是一個32位處理器，帶有32位寬的數(shù)據(jù)路徑、寄存器庫和基于傳統(tǒng)ARM7處理器的系統(tǒng)只支持訪問對齊的數(shù)據(jù)，沿著對齊的字邊界即可對數(shù)據(jù)進行訪問和存儲。Cortex-M3處理器是專為那些對成本和功耗非常敏感但同時對性能要求又相當(dāng)高的應(yīng)用而設(shè)計的。憑借縮小的內(nèi)核尺寸和出色的中斷延遲性能、集成的系統(tǒng)部件、靈活的配置、簡單的高級編程和強大的軟件系統(tǒng)，Cortex-M3處理器將成為從復(fù)雜的芯片系統(tǒng)到低端微控制器等各種系統(tǒng)的理想解決方案。表2-1為Cortex-M3處理器與ARM7作比較。表2-1

30、Cortex-M3與ARM7相比較2.2.1.2 豐富的內(nèi)部資源 STM32有豐富的內(nèi)部資源，如下所示：內(nèi)置閃存存儲器； 內(nèi)置SRAM；外部中斷/事件控制器(EXTI)； 時鐘和啟動； 通用同步/異步接受發(fā)送器(USART)； DMA；嵌套的向量式中斷控制器(NVIC)； 自舉模式； RTC(實時時鐘)和后備寄存器 ； 窗口看門狗； I2C總線 ； 串行外設(shè)接口(SPI)； CRC計算單元，96位的芯片唯一代碼； SDIO接口；通用串行總線(USB)； 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN) ；通用輸入輸出接口(GPIO)； 溫度傳感器；ADC(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器) ； DAC(數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器) ；串行線J

31、TAG調(diào)試口(SWJ-DP)。2.2.1.3 方便得開發(fā)環(huán)境和優(yōu)良的電氣特性 RealView MDK（Miertocontroller Development Kit）基于ARM微控制器的專業(yè)嵌入式開發(fā)工具；2V-3.6V供電；容忍5V信號的I/O管腳； 優(yōu)異的安全時鐘模式；帶喚醒功能的低功耗模式； 內(nèi)部RC振蕩器； 內(nèi)嵌復(fù)位電路； 工作溫度范圍：-40至+85或105。2.2.1.4 STM32芯片選型原則與芯片所選型號:(STM32F103VCT6)首先STM32芯片擁有很多種型號，不同的型號的管腳數(shù)量或管腳功能分布是不同，在選擇的時候必須本著節(jié)約的原則和廉價的原則以及設(shè)計夠用和方便的原

32、則，管腳的分配能適應(yīng)所需模塊等原則。由于這次的畢業(yè)設(shè)計會用到16位數(shù)據(jù)端口的TFT觸屏（ILI9320），以及SD卡等等。所以I/O引腳需求較多，又加上運用到了彩色觸屏顯示和漢字顯示以及用SD卡是需要加入文件系統(tǒng)（FatFS），所以程序比較大，綜合考慮這些因素，這次畢業(yè)設(shè)計選用了手上擁有的現(xiàn)成stm32芯片：STM32F103VCT6（256K FLASH，48K SRAM）如圖2-2所示。 圖2-2 STM32F103VCT6 LQPFP100管腳圖2.2.2 主控制器的外圍電路設(shè)計2.2.2.1 TFT觸摸屏（ILI9320）簡介QS-T320M2是一款240320點陣液晶模塊，采用先進的

33、TFT技術(shù)，內(nèi)部單芯片（ILI9320控制器）集成驅(qū)動和控制芯片,非常方便應(yīng)用于嵌入式控制系統(tǒng)。在EMC性能及穩(wěn)定性方面有良好的表現(xiàn)。3.2寸TFT，240320點陣； 標準8080時序，16bit總線接口；電壓范圍：2.7V3.6V； 外形尺寸：63mm84mm； 直流 3.3V or 5.0V供電； 工作溫度：-25C +75C； 標準20X2, 2.54mm間距排插接口； 顯示屏(ILI9320)和觸摸 (ADS7843)驅(qū)動電路。TFT觸摸屏與控制器的連接圖本次使用16位并行數(shù)據(jù)通信控制TFT屏的顯示，通過通用I/O來控制TFT屏的顯示，實現(xiàn)靚麗的顯示界面，便于用戶觀察系統(tǒng)工作情況。接

34、線圖如圖2-3所示。圖2-3 TFT觸摸屏與控制器的連接圖TFT觸摸屏的控制讀寫時序圖通過通用I/O來模擬SPI通信方式來與TFT屏的觸摸芯片（ADS7843）通信，來實現(xiàn)用戶信息的讀入，實現(xiàn)人機對話，便于用戶操作。只有嚴格的遵循SPI的時序才可以準確的實現(xiàn)用戶信息的輸入。具體軟件模擬見軟件設(shè)計，SPI讀寫時序圖2-4如下。圖2-4 TFT觸摸屏的控制讀寫時序圖2.2.2.2 SD卡簡介由于本次設(shè)計需要人機對話，所以使用到了漢字顯示，由于考慮成本因素，沒有使用漢字字庫芯片，而使用了BIN格式的電子版漢字字庫，但是由于處理器ROM有限，所以就把字庫裝到了SD卡上，這樣即方便成本又低，最重要的是可

35、以放大量的東西減少了對CPU的ROM的需求，增加了設(shè)計的靈活性。SD卡具有高度集成閃存，具備串行和隨機存取能力?？梢酝ㄟ^專用優(yōu)化速度的串行接口訪問，數(shù)據(jù)傳輸可靠。它的出現(xiàn)，提供了一個便宜的、結(jié)實的卡片式的存儲媒介，為了消費多媒體應(yīng)用。SD卡可以設(shè)計出便宜的播放器和驅(qū)動器而沒有可移動的部分。一個低耗電和廣供電電壓的可以滿足移動電話、電池應(yīng)用比如音樂播放器、掌上電腦、電子書、電子百科全書、電子詞典等等，如下圖2-5所示。 圖2-5 大SD和mini SD對比圖SD卡的接口可以支持兩種操作模式：1、SD卡模式 2、SPI模式可以選擇以上其中任一模式，SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。 SPI模式允許

36、簡單通用的SPI通道接口，本次選用的就是SPI模式，其引腳如表2-2所示。表2-2 SPI模式針腳定義針腳名稱類型描述1CSI片選（負有效）2DII數(shù)據(jù)輸入3VssS地4VccS供電電壓5CLKI時鐘6Vss2S地7DOO數(shù)據(jù)輸出8RSV-9RSV-注：S：電源供電，I：輸入O：輸出 I/O：雙向 PP：I/O使用推挽驅(qū)動SPI模式時，這些信號需要在主機端用10100K歐的電阻上拉。SPI 總線概念：SPI總線允許通過2通道（數(shù)據(jù)入和出）傳輸比特數(shù)據(jù)。SPI兼容模式使得MMC主機系統(tǒng)通過很小的改動就可以使用卡，SPI模式使用字節(jié)傳輸。所有的數(shù)據(jù)被融合到一些字節(jié)中并aligned to the

37、CS signal（可能是：同過CS信號來校正）。SPI模式的優(yōu)點就是簡化主機的設(shè)計，SPI模式喪失了速度性能。SPI通道是被定向的位組，每個命令或數(shù)據(jù)塊都被組裝為8位的字節(jié)并且是被排齊到CS信號的字節(jié)(也就是長度是8個時鐘周的循環(huán))。SPI信息由命令、響應(yīng)和數(shù)據(jù)塊所組成。所有的通信在主機和卡之間被主機控制，主機處理總線上CS信號為低電平的那個。1、讀數(shù)據(jù)SPI模式支持對單一塊和多重塊的讀命令。 然而為了要遵從SPI工業(yè)標準，只使用兩個(單向)信號。一個CS有效的卡會用一個同長度的事先定義了的SET_BLOCKLEN(CMD16)命令作為回應(yīng)。讀一個多重塊結(jié)束后,類似SD協(xié)議,會跟隨一個STO

38、P_TRANSMISSION命令，如圖2-6所示。圖2-6讀取響應(yīng)一個有效的數(shù)據(jù)塊會后綴一個16位CRC，CRC由標準CCITT polynomial即產(chǎn)生。如果一個數(shù)據(jù)檢驗錯誤，卡將不傳送任何的數(shù)據(jù)。而將一個特別的數(shù)據(jù)錯誤記號發(fā)送到主機。如圖2-7所示，一個以錯誤記號結(jié)束的讀操作而不是數(shù)據(jù)塊。圖2-7 讀操作數(shù)據(jù)錯誤2、寫數(shù)據(jù)SPI模式支持單一塊和多重塊的寫操作。 在收到有效的寫命令時，卡將回應(yīng)一個響應(yīng)標志(response token)并且等待主機發(fā)出數(shù)據(jù)快。CRC后綴、塊長度和起始地址限制與讀操作相同，如圖2-8所示。圖2-8 寫操作當(dāng)一個數(shù)據(jù)塊被卡收到后,卡將回應(yīng)一個數(shù)據(jù)響應(yīng)標志(da

39、ta-response token)。如果數(shù)據(jù)塊被正確的接收到,它將會被寫入卡的閃存中，在卡忙著規(guī)劃時,忙信號就會一直有效。(保持DataOut線為低電平)硬件連接原理圖如圖2-9所示。 圖2-9 SD卡的硬件連接圖2.3 輔助控制系統(tǒng)的控制器選擇及其外圍電路設(shè)計2.3.1 輔助控制器（AT89S52）介紹AT89系列單片機是美國Atmel公司的8位Flash單片機產(chǎn)品。這個系列單片機的最大特點是在片內(nèi)含有Flash存儲器，而其他方面和MCS一51沒有太大的區(qū)別，該系列有著十分廣泛的用途。本設(shè)計選用的是AT89S52單片機，AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8KBy

40、tesISP(In一System Programming)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS一51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。其外圍引腳如圖2-10所示：圖2-10 AT89S52引腳圖AT89S52具有如下特點:40個引腳，8KBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，256Bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，6個中斷優(yōu)先級2

41、層中斷嵌套， 3個16位可編程定時計數(shù)器，1個全雙工串行通信口，看門狗(wdt)電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。2.3.2 輔助控制器的外圍電路設(shè)計2.3.2.1串行存儲器（EPROM-AT24C64）簡介本設(shè)計采用的存儲芯片是串行EEPROM-AT24C64，AT24C64是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EPROM，它是內(nèi)含8192x8位存儲空間，具有工作電壓寬(2.55.5V)、擦寫次數(shù)多(大于10000次)、寫入速度快(小于10ms)等特點?？垢蓴_能力強、數(shù)據(jù)不易丟失、體積小等特點。而且他是采用了I2C總線式

42、進行數(shù)據(jù)讀寫的串行器件，占用很少的資源和I/O線，并且支持在線編程，進行數(shù)據(jù)實時的存取十分方便AT24C64芯片共有8只引腳，如圖2-11所示。圖2-11 AT24C64管腳圖1、2、3腳是三條地址線，用于確定芯片的硬件地址。第8腳和第4腳分別為正、負電源。第5腳SDA為串行數(shù)據(jù)輸入/輸出，數(shù)據(jù)通過這條雙向12C總線串行傳送。第6腳SCL為串行時鐘輸入線。SDA和SCL都需要和正電源間分別接一個10K的上拉電阻。第7腳需要接地。二線制協(xié)議即是總線上的所有操作都是由SDA和SCL兩個腳位的狀態(tài)來確定的，共有四個狀態(tài)：開始，停止，數(shù)據(jù)以及應(yīng)答，下圖描述了四個狀態(tài)的時序圖，如圖2-12所示。 圖2-

43、12 IIC通信時序圖AT24C64與單片機的連接電路如圖2-13所示，通過單片機實現(xiàn)對其數(shù)據(jù)存儲。圖2-13 AT24C64連接圖2.3.2.2時鐘芯片（DS1302）簡介DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個318的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，

44、同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力，其引腳如圖2-14所示。圖2-14 DS1302的引腳圖DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1+0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供

45、終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，SCLK為時鐘輸入端，DS1302的接線圖如圖2-15所示。 圖2-15 DS1302的連接圖2.3.2.3數(shù)字溫濕度傳感器（DHT11）簡介DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的

46、可靠性與長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC 測溫元件，并與一個高性能單片機相連接。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。 單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上。傳感器為4針單排引腳封裝，連接方便，性能參數(shù)如表2-3所示。表2-3 DHT11性能圖型號測量范圍測濕精度測溫精度分辨力封裝DHT1120-90%RH 0-505%RH21四針單排直插 與單片機的連接圖如圖2-16所示：圖2-16 DHT11接線圖一次完整的

47、數(shù)據(jù)傳輸為40bit, 高位先出。數(shù)據(jù)格式 :8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit 校驗和。數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“ 8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位，與單片機的通信時序圖如2-17所示。 圖2-17 DHT單線通信時序圖2.4 GSM通信模塊設(shè)計GSM(Global System for Mobile communication)系統(tǒng)是目前基于時分多址技術(shù)的移動通訊體制中比較成熟、完善、應(yīng)用最廣泛的一種系統(tǒng)。是我國公眾移動通信網(wǎng)的主要方式?；贕S

48、M的短信息服務(wù)，是一種在移動網(wǎng)絡(luò)上傳送簡短信息的無線應(yīng)用,是一種信息在移動網(wǎng)絡(luò)上儲存和轉(zhuǎn)寄的過程。由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游,具有網(wǎng)絡(luò)能力強的特點,用戶無需另外組網(wǎng),在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時為客戶節(jié)省了昂貴建網(wǎng)費用和維護費用。同時,它對用戶的數(shù)量也沒有限制,克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大,維護費用高,且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比起傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢,加上GSM的SMS本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能,都使得這些應(yīng)用得到迅速的普及。2.4.1 通信模塊TC35I簡介目前國內(nèi)已經(jīng)開始使用的GSM模塊有西門子的TC35系列、Wavecom的

49、WMO2系列、中興的ZXGM18系列等，而且這些模塊的功能、用法差別不大。其中西門子的TC35系列模塊性價比很高，并且己經(jīng)有國內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證。所以本設(shè)計選用的是西門子TC35系列的TC35I。功能上與TC35兼容，設(shè)計緊湊，大大縮小了用戶產(chǎn)品的體積。TC35i與GSM2/2+兼容、雙頻(GSM900/GSM1800)、RS232數(shù)據(jù)口、符合ETSI標準GSM0707和GSM0705。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、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，TC35I的芯片引腳圖如圖2-18所示。圖2-18 TC35I芯片引

50、腳圖TC35I有40個引腳，通過ZIF連接器引出。這些引腳可劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。1-14引腳為電源部分，其中1-5引腳為電源電壓輸入端VBATT+，6-10引腳為電源地GND，11-12引腳為充電端，13引腳為對外輸出電壓(供外部電路使用)，14引腳ACCU/TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻；24-29引腳為SIM卡連接端；33-40引腳為語音接口用來接電話手柄。15、30、3l和32引腳為控制部分，15引腳為啟動線IGT (Ignition)。當(dāng)TC35I通電后必須給IGT一個大于100mV的低電平，模塊才能啟動。30引腳為RTC back up；3l

51、引腳為掉電控制；32引腳為SYNC，16-23引腳為數(shù)據(jù)輸入/輸出端。電源電路為外部5V/2A開關(guān)電源供電。開關(guān)電源模塊LM2576將外部5V直流電源轉(zhuǎn)換為4.2V，連接至ZIF連接器的11、12引腳，并給數(shù)據(jù)通信電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232供電；啟動電路由漏極開路三極管和上電復(fù)位電路組成。模塊上電10 ms后(電壓須大于3V)，為使之正常工作，必須在15引腳(IGT)施加低電平信號，至少保持lOOms且該信號下降沿時間小于1ms，啟動后15引腳應(yīng)保持高電平。數(shù)據(jù)通信電路主要實現(xiàn)短消息收發(fā)、與PC機通信、軟件控制等功能。TC35I的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合RS-232接口電路標準。數(shù)據(jù)通信電

52、路以MAX232為核心實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信。ZIF連接器提供六個引腳給SIM卡接口，其中CCIN用來檢測SIM卡是否插好。連接器的SYNC腳控制燈的狀態(tài)，以此判斷TC35的工作狀態(tài)，外圍電路框圖如下圖2-19所示。IGTSYNCTXDRXDCCVCCCCRSTCCCLKCCIOCCGNDZIF40PINSIM卡MAX232LEDIGT電路TC35ILM2576S 可以提供高達3A的5V穩(wěn)壓電源圖2-19 TC35I 外圍電路模塊框圖2.4.2 電平轉(zhuǎn)化電路設(shè)計由于主控制器STM32是3.3V供電的，而TC35I則是5V供電的，它們之間的通信就需要通過電平轉(zhuǎn)換才可以通信。為了減少硬件成本以及制

53、作難度和利用現(xiàn)有設(shè)備，本次畢業(yè)設(shè)計是采用把它們都轉(zhuǎn)換成RS232電平連接來通信的。STM32與TC35I模塊通過電平轉(zhuǎn)化芯片MAX3232（3.3V轉(zhuǎn)RS232電平）和MAX232(5V轉(zhuǎn)RS232電平)芯片來實現(xiàn)的。它們集成度高，單+3.3V或者單+5V電源工作，只需外接幾個0.1uf或者10uF的小電容即可完成電平之間的轉(zhuǎn)換，如圖2-20所示。TXDRXDCCVCCCCRSTCCCLKCCIOCCGNDTC3540PIN5V5VSIM卡MAX232（5V）5v開關(guān)電源電路（LM2576S）TC35ISTM32F103VCT6（3.3V）MAX3232（3.3V）3.3v穩(wěn)壓電源電路（LM2

54、576S）TXDRXDRS232電平通信圖2-20 電平轉(zhuǎn)換連接電路圖2.5 無線射頻通信模塊設(shè)計2.5.1 無線射頻模塊芯片的選擇無線射頻芯片是無線通信模塊單元的核心部件，它的選擇成功與否將直接關(guān)系到整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。基于本系統(tǒng)的實際需求，應(yīng)該選用成本低、體積小、功耗低、集成度高、兼容性強、外圍元件少、抗干擾能力強、接口簡單的無線射頻收發(fā)一體芯片。目前市場上無線收發(fā)一體類芯片較多，在選用時，主要參考以下原則：(1)芯片的數(shù)據(jù)傳輸速度。(2)芯片發(fā)射功率。(3)芯片抗干擾性能。(4)芯片電壓。(5)收發(fā)芯片正常工作所需的外圍元器件數(shù)目。(6)收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)。常用幾種芯片的主要性能

55、比較如表2-4是所示。表2-4 幾種主要無線收發(fā)芯片性能比較芯片類型/廠家NRF24L01/NORDICNRF905/NORDICTRF6900/TIRF2951/RFMD通信頻率2.4GHz433/868/915MHz868/915MHz433/868/915MHz工作電壓1.93.6V1.93.6V2.23.6V2.45V調(diào)制方式GFSKGFCKFCKFCK最大數(shù)據(jù)傳輸速率2Mbps100Kbps30Kbps9.6Kbps發(fā)射電流11.3mA11mA50mA27mA接收電流12.3mA12.5mA34mA6.8mA最大輸出功率+0dbm+10dbm+4.5dbm+0dbm外圍元器件數(shù)約10

56、個約10個約50個約50個從表中可以看出，相比其它幾種芯片，Nordic公司的nRF24L01無線射頻收發(fā)一體芯片功耗低，數(shù)據(jù)傳輸速率最快，所需外圍元器件最少，并且采用了比FSK調(diào)制抗干擾能力更強的GFSK調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠，因而本系統(tǒng)選用nRF24L01作為無線數(shù)據(jù)傳輸芯片。2.5.2 無線射頻收發(fā)模塊nRF24L01設(shè)計 1. 無線射頻收發(fā)一體芯片nRF24L01本系統(tǒng)中無線射頻收發(fā)芯片選用nRF24L01。nRF24L01是挪威Nordic公司推出的單片無線收發(fā)一體的芯片。nRF24L01工作于242.5 GHz ISM頻段內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊

57、，并融合了Enhanced ShoekBurst技術(shù)。其中，輸出功率、通信頻道、自動重發(fā)次數(shù)等參數(shù)可通過編程設(shè)置。內(nèi)置的SPI接口，其速率為08Mbs，MCU通過SPI接口控制nRF24L0l，nRF24L01的引腳圖如圖2-21。圖2-21 RF24L01外部引腳圖2控制器與nRF24L01接口設(shè)計nRF24L01是標準的SPI通信接口，因此這需要很少的接口就可以實現(xiàn)與控制器間的通信。所以只需要把nRF24L01的SPI接口通過排針引出來就可以了，其中電路天線部分采用50單端天線也可以在PCB板上用蛇形走線來代替天線，圖2-22 NRF24L01應(yīng)用電路圖。圖2-22RF24L01的應(yīng)用電路

58、單片機通過SPI接口（或者通過I/O口模擬SPI通信）與nRF24L01直接連接，51單片機的連接電路如下圖2-23所示。圖2-23 AT89C51單片機與nRF24L01硬件接口示意圖（stm32也與之類似）3.nRF24L01可以通過設(shè)置CE和狀態(tài)寄存器來選擇他的工作狀態(tài)設(shè)置詳見表2-5。表2-5 工作模式對照表模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器狀態(tài)接受模式111-發(fā)送模式101數(shù)據(jù)在TX FIFO寄存器中發(fā)送模式101-0停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機模式101TX FIFO為空待機模式1-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦娔Ｊ?-(1)待機模式 待機模式I在保證快速啟動的同時減少系統(tǒng)平

59、均消耗電流在待機模式I下晶振正常工作，在待機模式II下部分時鐘緩沖器處在工作模式當(dāng)發(fā)送端TX FIFO 寄存器為空并且CE為高電平時進入待機模式II在待機模式期間 存器配置字內(nèi)容保持不變； (2)掉電模式 在掉電模式下,nRF24L01各功能關(guān)閉保持電流消耗最小進入掉電模式后 nRF24L01停止工作但寄存器內(nèi)容保持不變掉電模式由寄存器PWR_UP位來控制； (3)數(shù)據(jù)包處理方式nRF24L01有如下幾種數(shù)據(jù)包處理方式：A:ShockBurstTM （與nRF2401nRF24E1數(shù)據(jù)傳輸率為 1Mbps 時相同） B:增強型 ShockBurstTM模式 A:ShockBurstTM模式 S

60、hockBurst模式下nRF24L01 可以與成本較低的低速 MCU相連。ShockBurstTM 發(fā)送模式下nRF24L01自動生成前導(dǎo)碼及CRC校驗數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后IRQ通知MCU減少了MCU的查詢時間也就意味著減少了MCU的工作量同時減少了軟件的開發(fā)時間。SPI接口可以以低速進行數(shù)據(jù)傳送 并且可以應(yīng)用于 MCU硬件上沒有SPI接口的情況下。B:增強型的ShockBurstTM模式 增強型ShockBurstTM模式可以使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來更為容易有效典型的雙向鏈接為發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號以便于發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失一旦數(shù)據(jù)丟失則通過重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)增強

61、型的ShockBurstTM模式可以同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加MCU工作量。 2.6 系統(tǒng)供電模塊設(shè)計本設(shè)計采用5V/2A的開關(guān)電源，所以可以直接提供給5V供電的電路（繼電器和51單片機）使用，而引一路5V電源經(jīng)電源模塊LM2576S轉(zhuǎn)化為4.2V給TC35I模塊供電，因為TC35I的工作電壓范圍為33V55V)，推薦電壓為42V。再引一路5V電源經(jīng)過三端穩(wěn)壓器AMS117轉(zhuǎn)化為3.3V供STM32主控制器供電，又無線射頻模塊（nRF24L01）所需的供電電壓為1.93.6V，推薦為3.3V供電，因而可以讓主控制器的電源和無線射頻模塊（nRF24L01）的電源共用，如圖2-24所示。圖2-24 TC35I電源電路圖2-25 nRF24L01以及STM32供電電路2.7 其他外圍電路介紹系統(tǒng)要實現(xiàn)防盜、防火、防燃氣泄漏，相應(yīng)的傳感器是必不可少的，而無論是哪種傳感器，其最終輸出的都是開關(guān)量。