毕业设计论文何伟.docx
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毕业设计论文何伟
1绪论
1.1智能家居概述
智能家居(或称智能住宅)是以住宅为基础,具备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化等功能,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。
智能家居利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术,把与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起统一管理,让家居生活更加舒适、安全和高效。
智能家居最终目的是让家庭更舒适,更方便,更安全,更符合环保。
随着人类消费需求和住宅智能化的不断发展,今天的智能家居系统将拥有更加丰富的内容,系统配置也越来越复杂。
不同的实际环境对智能家居提出了不同的要求与解决办法;此外,不同的用户对智能家居也有着不同的要求,有些用户比较注重家电的智能控制,而有些用户可能更加关心家庭安全防范,还有些用户则希望建立相对全面的智能家居系统,满足多方面的需求。
但一般可将其分为四个最为基本的功能模块:
家庭对外通信模块、家庭内部通信模块、家庭安全防范模块、家庭设备自动控制模块。
1.2课题背景及发展趋势
随着经济的发展,社会信息化的程度不断提高,智能家居的概念逐步走进了人们的生活。
自1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现后“智能家居”逐步走入人们的视野,美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居方案,并在美国、德国、新加坡、日本等国得到应用。
我国的智能家居始于20世纪90年代末。
1999年,建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程,该示范工程的启动,标志着我国智能化住宅小区的建设进入了新的发展阶段。
近年在我国,高科技和信息技术正在由智能大厦走向智能住宅小区,进而走进家庭。
我国在《2000年小康型城市住宅科技产业工程项目实施方案》中,将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。
因此也就必然促使智能化进入家庭。
2课题方案分析
2.1方案比较
目前的家用电器远程控制系统一般是通过互联网或公共交换电话网来实现远程控制的。
然而,随着手机日益普及,使得利用GSM短信息实现家居环境和家电的远程监控成为可能。
方案一:
第一种方案是一种互联网实现方式,它是基于“e家佳协议”,通过在符合“e家佳协议”的产品上增加一个网络接口,然后与一个家庭无线网关设备连接起来,再通过短信宝发送控制命令,从而实现家电的远程控制。
该方案的实现中必须对所有家电进行联网,即需要重新购置家电,并且设备成本高。
方案二:
第二种方案是采用固定电话网控制,使用电话芯片发送遥控命令控制家电。
该方案是通过电话线传输,可能存在剪线的隐患,安全性较低。
方案三:
第三种方案是以ATmega48单片机做为主控芯片,将红外遥控与GSM短信相结合,利用GSM短消息进行家电远程控制。
该方案的优点是:
工作稳定、性能可靠、性价比高、程序编写简便(可以用C语言、VB、汇编语言编程)。
2.2方案的确定
通过对以上三种方案的分析和比较,我选择了第三种方案。
原因如下:
首先,红外遥控已经是一门较成熟的技术,GSM技术也已随着各种移动通讯设备,如手机等的广泛使用发展迅速。
其次,它对于电话远程控制方式而言,摆脱了电话线对设备的束缚;相对于电脑远程控制而言,降低了设备和使用成本。
第三,课题将红外遥控与GSM短信相结合,利用GSM短消息进行家电控制,不需换置新家电,短信费用低,不仅可以降低成本,且具有不受通信线路及地区限制、保密性高、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便、灵活的优点。
3系统总体方案设计
本系统由MCU(微控制器)、GSM模块、红外接收和发射模块、用户手机及家电设备组成,如图3-1所示。
其中以ATmega48单片机做为主控芯片,GSM模块通过用户短消息服务中心(SMSC)将手机发送的短信息(SMS)发送到MCU中,MCU再根据接收的指令发射红外线,以控制相应的家电产生相应的动作。
图3-1系统结构图
使用时,将一张普通的SIM卡插入GSM模块,用户用手机按特定格式编辑短信息发送到GSM通讯模块,GSM通讯模块将所接收的数据进行解包校验,并将完整的命令通过串口连到微处理器,微处理器对收到的短信进行校验,首先检查是否是设定的用户号码,然后滤去PDU码的一些前缀,提出有用的信息码(如空调开),然后从ROM中取出相应的遥控码,通过单片机发射红外信号到相应的家电红外接受装置上,再由红外信号控制家电执行相关的功能。
4硬件设计
4.1单片机概述
4.1.1ATmega48单片机的特性
♦高性能、低功耗的8位AVR微处理器
♦先进的RISC结构
–131条指令
–大多数指令的执行时间为单个时钟周期
–32x8通用工作寄存器
–全静态操作
–工作于16MHz时性能高达16MIPS
–只需两个时钟周期的硬件乘法器
♦非易失性的程序和数据存储器
–4K字节的系统内可编程Flash
擦写寿命:
10,000次
–具有独立锁定位的可选Boot代码区
通过片上Boot程序实现系统内编程
真正的同时读写操作
–256字节的EEPROM
擦写寿命:
100,000次
–512字节的片内SRAM
–可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密
♦外设特点
–两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
–一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
–具有独立振荡器的实时计数器RTC
–六通道PWM
–8路10位ADC(TQFP与MLF封装)
–6路10位ADC(PDIP封装)
–可编程的串行USART接口
–可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
–面向字节的两线串行接口
–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
–片内模拟比较器
–引脚电平变化可引发中断及唤醒MCU
♦特殊的微控制器特点
–上电复位以及可编程的掉电检测
–经过标定的片内RC振荡器
–片内/外中断源
–五种休眠模式:
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby模式
♦I/O口与封装
–23个可编程的I/O口线
–32引脚TQFP封装与32引脚MLF封装
♦工作电压:
–ATmega48:
2.7-5.5V
♦工作温度范围:
–-40°C至85°C
♦工作速度等级:
–ATmega48:
0-8MHz@2.7-5.5V,0-16MHz@4.5-5.5V
♦极低功耗
–正常模式:
1MHz,1.8V:
300μA
32kHz,1.8V:
20μA(包括振荡器)
–掉电模式:
1.8V,0.5μA
4.1.2ATmega48单片机的功能描述
ATmega48是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。
由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间,ATmega48的数据吞吐率高达1MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。
所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接,使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。
这种结构大大提高了代码效率,并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。
ATmega48有如下特点:
4K字节的系统内可编程Flash(具有在编程过程中还可以读的能力,即RWW),256字节EEPROM,512字节SRAM,23个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,面向字节的两线串行接口,一个SPI串行端口,一个6路10位ADC(TQFP与MLF封装的器件具有8路10位ADC),具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,以及五种可以通过软件选择的省电模式。
空闲模式时CPU停止工作,而SRAM、T/C、USART、两线串行接口、SPI端口以及中断系统继续工作;掉电模式时晶体振荡器停止振荡,所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作,寄存器的内容则一直保持;省电模式时异步定时器继续运行,以允许用户维持时间基准,器件的其他部分则处于睡眠状态;ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行,而异步定时器和ADC继续工作,以减少ADC转换时的开关噪声;Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠,使得器件只消耗极少的电流,同时具有快速启动能力。
ATmega48是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的。
片内ISPFlash可以通过SPI接口、通用编程器,或引导程序进行多次编程。
引导程序可以使用任意接口将应用程序来下载到应用Flash存储区。
在更新应用Flash存储区时引导程序区的代码继续运行,从而实现了FLASH的RWW操作。
通过将8位RISCCPU与系统内可编程的Flash集成在一个芯片内,ATmega48为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。
ATmega48AVR有整套的开发工具,包括C编译器,宏汇编,程序调试器/仿真器和评估板。
4.1.3ATmega48单片机的引脚排列
图4-1ATmega48单片机管脚排列图
4.1.4编程环境介绍
ICCAVR是一种使用符合ANSI标准的C语言来开发微控制器(MCU)程序的一个工具,它有以下几个主要特点:
(1)ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境(IDE),是一个纯32位的程序,其可在Windows9X/NT/2000/XP下运行。
(2)源文件全部被组织到工程之中,文件的编辑和工程的构筑也在IDE环境中完成。
编译错误显示在状态窗口中,并且当你用鼠标单击编译错误时光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行。
(3)提供了全部的库源代码及一些简单的应用实例,并且用户能够根据库源代码对ICCAVR提供库函数进行裁剪和扩充。
在编辑器安装完成后,得到的是一个只可以使用45天的未注册版本的集成开发环境。
因此,应当对其进行注册,首先启动编译器的集成开发环境(IDE),单击菜单栏Help/RegisterSoftware;然后,单击Continue按钮进入注册机界面,在注册栏填入软件的序列号对应得注册码,单击License后完成编译软件的注册。
ICCAVR编辑器IDE界面如图4-2所示。
在编辑窗口中,
号为编辑区域,它是用户与IDE交流信息的主要区域,在此处可以键入源程序,并修改相应得文件。
号为工程管理窗口,它用于显示于工程相关的全部文件与工程名。
号为编译区域,显示编译的信息。
当出现错误时,双击出现错误信息的红色标志,光标直接定位在编辑区的错误行上。
ICCAVR编辑器的使用:
首先,创建工程文件,从IDE的菜单“Project”中选择“New”命令,在对话框中指定工程存放的文件夹以及工程名称。
在工程管理窗口中会出现三个子目录,Files、HeA/Ders、Documents。
然后,从IDE的“File”菜单中选择“Open”或“New”,打开已编辑好的源文件或直接在新建的编辑区内键入程序。
在编辑窗口中单击鼠标右键,在菜单中选择“A/DdToProject”命令,将源文件添加到工程中。
图4-2ICCAVR编辑器IDE界面
最后,编译源文件。
从IDE的中选择“Options”命令,在Target标签下的Deviceconfiguration栏目中选择ATmega48型号的单片机。
再单击“Project”菜单下的“BuildAll”命令,编译工程中的全部文件(File文件夹中的文件)。
如果配置“InSystemProgramming”对话框的AutoProgramAfterCompile项,通过自制的ISP下载线将编译后的程序下载到目标板,完成自动下载过程。
4.2GSM模块
TC35模块系SIEMENS公司为嵌入式设备设计的GSM双频通讯核心模块,TC35模块内含TC35/SIM卡座/电源/天线/RS232接口,系可独立使用的通讯终端。
TC35不仅支持标准的AT命令集,SIEMENS公司还将AT命令进行了扩展,以便更有效的控制TC35。
用户可以通过Modem接口控制内置的TC35或通过上位机(如PC)RS232通讯口控制TC35T终端,使用AT命令,即可实现收发短信,以及语音以、数据拨号等相关操作。
GSM终端设备除了具有普通的语音通讯功能外,还有收发数据、短信息等功能。
当终端(TE--TerminalEquipment)做为数据通信设备时,其功能相当于一台无线收发数据的调制解调器(Modem)。
其实,九十年代主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP将原来用于普通调制解调器通信的AT命令集进行扩展,使得在应用中控制GSM终端进行数据通信与控制普通调制解调器通信的方法类似。
本系统选用了TC35GSM模块,它支持基于AT的PDU码和TEXT码的收发,并提供了串口与其它部件进行连接。
要进行短消息的接收识别,首先需要对信息进行PDU格式的解码。
PDU是一串ASCII码,不仅包含可显示的消息本身,还包含其它信息,如SMSC(短信息服务中心)号码、目标手机号码、回复号码、编码方式和服务时间等。
4.2.1GSM模块功能特性
TC35模块主要特性与技术指标包括以下几点:
(1)段为双频GSM900MHz和GSMl800MHz(phase2/2+);
(2)支持数据、语音、短消息和传真;
(3)高集成度(54.5mm×36mm×3.6mm);
(4)质量为9g;
(5)电源电压为单一电压3.3~4.8V;
(6)可选波特率300bps~115kbps,动波特率4.8~115kbps;
(7)电流消耗——休眠状态为3.5mA,空闲状态为25mA,发射状态为300mA(平均),2.5A峰值;
(8)温度范围——正常操作-20℃~+55℃,存放-30℃~+85℃;
(9)SIM电压为3V/1.8V。
TC35模块有40个引脚,通过一个ZIF(ZeroInsertionForce,零阻力插座)连接器引出。
这40个引脚可以划分为5类,即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。
第1~14脚为电源部分:
1~5为电源电压输入端Vbatt+,6~10为电源地GND,11、12为充电引脚,13为对外输出电压(共外电路使用),14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻。
24~29为SIM卡引脚,分别为CCIN、CCRST、CCIO、CCCLK、CCVCC和CCGND。
33~40为语音接口,用来接电话手柄。
15、30、31和32脚为控制部分:
15为点火线IGT(Ignition),当TC35通电后必须给IGT一个大于100ms低电平,模块才启动;30为RTCbackup,31为Powerdown,32为SYNC。
16~23为数据输入/输出,分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。
TC35模块的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器,符合ITU-TRS232接口标准。
它有固定的参数:
8位数据位和1位停止位,无校验位,波特率在300bps~115kbps之间可选,硬件握手信号用RTS0/CTS0,软件流量控制用XON/XOFF,CMOS电平,支持标准的AT命令集。
4.2.2TC35模块硬件组成
电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分:
充电电池主要为整个系统提供3.6V工作电压,同时产生MAX3238所需要的高电平;三端电源模块LM7806将外部+12V直流电源转换为+6V,连到ZIF连接器的11、12引脚,在充电模式下,为TC35提供+6V、500mA的充电电源。
启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。
模块上电10ms后(电池电压须大于3V),为使之正常工作,必须在15脚()加时长至少为100ms的低电平信号,且该信号下降沿时间小于1ms。
启动后,15脚的信号应保持高电平。
基带处理器集成了一个与ISO7816-3ICCard标准兼容的SIM接口。
为了适合外部的SIM接口,该接口连接到主接口(ZIF连接器)。
在GSM11.11为SIM卡预留5个引脚的基础上,TC35在ZIF连接器上为SIM卡接口预留了6个引脚,所添加的CCIN引脚用来检测SIM卡支架中是否插有SIM卡。
当插入SIM卡,该引脚置为高电平时,系统方可进入正常工作。
数据通信电路主要完成短消息收发、与PC机通信、软件流控制等功能。
数据通信电路以Maxim公司的MAX3238芯片为核心,实现电平转换及串口通信功能;具有低功耗、高数据速率、增强型ESD保护等特性。
增强型ESD结构为所有发送器输出和接收器输入提供保护,可承受±15kVIEC1000-4-2气隙放电、±8kVIEC1000-4-2接触放电和±15kV人体放电模式。
TC35的SYNC引脚有两种工作模式,可用AT命令ATSYNC进行切换。
一种是指示发射状态时的功率增长情况,另一种是指示TC35的工作状态。
本模块使用的是后一种功能:
当LED熄灭时,表明TC35处于关闭或睡眠状态;当LED为600ms亮/600ms熄时,表明SIM卡没有插入或TC35正在进行网络登录;当LED为75ms亮/3s熄时,表明TC35已登录进网络,处于持机状态。
4.2.3TC35模块调试记录
1、TC35的电流消耗指标:
1〉通话模式的峰值电流(TALKmodeofpeak),1.8A
2〉通话模式的典型电流(TALKmode),300mA@900MHz/270mA@1800MHz
3〉空闲模式(IDLEmode)的消耗电流,10mA
4〉休眠模式(SLEEPmode)的消耗电流,3mA
5〉关机模式(PowerDownmode)的消耗电流,50µA
2、关于LED灯显示的状态
SYNC引脚可以用来输出一个同步信号(synchronizationsignal),也可以在应用使来控制一个LED灯的输出状态。
:
SYNC端通过一个三极管或门电路来控制LED。
一个简单的电路接法是:
SYNC端通过一电阻接到NPN三极管(如9013)的基极,射极直接接地,集电极通过一个接限流电阻接到LED的负端,LED的正端接VCC。
LED的工作模式完全类同于同步信号,显示的是TC35的工作状态:
1〉LED灯灭,表示TC35电源关闭,处于休眠、报警或单纯的充电模式
2〉600ms亮/600ms灭,表示未插入SIM卡,或者个人身份未登记/已注销,或者网络正在搜寻中,或者正在进行用户身份鉴定,或者网络注册正在进行中
3〉75ms亮/3s灭,表示网络注册成功(控制通道和用户交换信息完成),无来电
4〉LED灯亮,依据不同的呼叫类型:
声音呼叫,数据呼叫,在建立或者完毕时的状态。
2、关于VDD端:
TC35正常工作时,VDD引脚输出信号的幅度(大约在开机后60ms产生):
2.9V/70mA,可作为外部应用。
空闲或者通话模式:
VDDout=2.9V±3%@70mAImax=70mA。
电源关闭模式:
VDDout=0V。
3、关于VBATT+端:
TC35的工作电压输入端VBATT+,电压幅度为3.3V-5.5V,Vtyp=4.2V,最大电流Imax≤2A@GSM天线回波损耗(returnloss)≥6dB。
必须注意:
最低工作电压不能低于3.3V,否则电压将会跌落,从而导致TC35停止工作。
由于VBATT+引脚的峰值电流为2A,一个GSM发射脉冲(transmissionburst)可能引起相当大的电压跌落,此外由于外部电源的扁平柔性连线的内在固有阻抗也可能损失一部分。
因此,在任何时候,必须保证VBATT+的电压不能低于3.3V,而且电压跌落差值不能超过400mV。
另外,为了保证TC35在发射脉冲区间的电压跌落值处于最低值,采用尽可能短的连接模块和ZIF座的扁平柔性FFC电缆,长度不得超过200mm,和低输出阻抗(low-impedance)的电源。
4、关于POWER端:
TC35的充电电压正端POWER,如果通过外部的电源(如充电器)供电,应保证Imax=500mA,Vin=5.5-8V。
5、关于/IGT(Ignition)端:
TC35的触发点火信号端/IGT,用OC门或者一个简单的开关拉低该端电平来开启模块,低电平有效。
在空闲/通话/关机模式:
Vout=2.0V,Vlow,max=0.45V@Iout=10µA,tlow≥100ms。
对于点火信号IGT的处理,需要首先拉低该脚电平到地,并至少维持100ms。
6、关于PD(Powerdown):
TC35的关闭电源端/PD,关机信号脉冲,信号波形为~~~|______|~~~,拉低到低电平,至少维持3.5秒方为有效。
Vin,low,max=0.45V@I=0.1mA,可用OC门或者一个简单的开关实现,通过关机信号端可以关闭TC35。
而在IGT引脚施加一个低电平脉冲信号可以重新开启模块及系统。
另外,关机信号端/PD也可用来实现看门狗信号输出:
Vout,low=0.35V@0.01mA,Vout,high=2.30V@-0.01mA,fout=0.5-2.0Hz
7、启动TC35的方式:
TC35可以通过以下方式激活,开始工作
1〉通过点火线IGT触发,进入正常工作状态
2〉通过电源线,开始进入充电区
3〉通过RTC中断,开始进入报警模式
8、TC35的开机操作时序
当开始应用,TC35的加电过程必须按照以下步骤进行:
1〉直到VBATT+脚的电平超过3.0V时方可对ignition线的信号电平变换。
2〉VBATT+脚的电平上升达到3.0V后维持10毫秒,方可拉低IGT线的信号电平。
IGT线的电平跌落时间(下降时间)必须不超过1ms。
3〉另外,该IGT线的低电平信号必须维持最少100ms。
4〉在IGT线信号转换区间必须保证VBATT+的电压不能低于3.0V,否则模块不能被激活。
4.3红外技术
4.3.1红外遥控系统简述
常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。
发射部分的主要元件为红外发光二极管。
它实际上是一只特殊的发光二极管;由于其内部材料不同于普通发光二极管,因而在其两端施加一定电压时,它便发出的是红外线而不是可见光。
目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940mm左右,外形与普通φ5发光二极管相同(见图2),只是颜色不同。
红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。
判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样;用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。
红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定,而业余条件下只能用拉锯法来粗略判判定。
接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。
在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作,亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用,这样才能获得较高的灵敏度。
红外发光二极管一般有圆形和方形两种。
由于红外发光二极管的发射功率一般都较小(100mW左右),所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱,因此就要增加高增益放大电路。
前些年常用
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