基于GSM的温度监测与报警系统的设计
李海龙
（陕西理工大学电气工程学院自控081班，陕西汉中 723000）
指导教师：张一波
【摘要】针对生产生活中温度测量的需要，以GSM网络作为远程信号的传输平台，在可行性和实用性的原则指导下，以STC89C52单片机为控制核心，利用DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器、数据通信模块（GSM 模块TC35，通过标准AT指令控制）和驱动模块等外围电路元件实现温度的采集和数据的传输的功能。
【关键词】GSM；温度测量；远程检测；STC89C52；DS18B20；TC35；AT指令
Based on GSM temperature date collection
Haibao Li
(Grade10,Class1,MajorDianqi,JikongDept, University of Technology,Hanzhong 723000 Shanxi)
Tutor:Bo Hu
Abstract：Aiming AT the production and living with the needs measurement temperature, GSM network as remote signal transmission platform, the feasibil and practicability, guided by principles of STC89C52 microcontroller as control core, DALLAS using the temperature sensor DS18B20 production company, data communication module (GSM module MZ28, through standard AT command control) and mot driver module peripheral circuit components to realize collection of temperature and data transmission function.
Keywords: GSM；Temperature measurement；Remote detection；STC89C52；DS18B20；TC35.
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题背景及现实意义 (1)
1.2 温度监测与报警系统的研究现状 (2)
1.3 本设计任务与功能实现 (2)
2 整体方案设计 (3)
2.1 系统方案设计与论证 (3)
2.2.1 主处理模块论证 (5)
2.2.2 传感器方案论证 (5)
2.2.3 通讯模块论证 (6)
3系统硬件设计 (8)
3.1 硬件总体设计框图 (8)
3.2 硬件各部分设计 (8)
3.2.1 GSM系统简介 (8)
3.2.2 GSM网络的协议模型 (9)
3.2.3 通讯模块TC35i的原理 (10)
3.2.4 单片机STC89C52 (10)
3.2.5 温度传感器DS1820 (11)
3.3 数据处理模块 (12)
3.3.1 数据采集系统的基本概念 (12)
3.3.2 键盘和报警电路 (12)
3.3.3 显示接口电路 (14)
3.3.4 接口通讯单元 (15)
3.3.5 电源输入部分 (17)
4 系统软件设计 (17)
4.1 软件设计思想 (17)
4.2 软件各部分编写 (18)
4.2.1 传感器DS1820 (18)
4.2.2 通信模块TC35的发送与接收程序 (20)
4.2.3 显示模块的程序设计 (21)
4.3 完整的程序 (21)
5 编译与调试 (22)
5.1 TC35模块调试软件 (22)
5.2 STC芯片烧写软件 (23)
6 总结与展望 (25)
致谢 (26)
参考文献 (27)
附录A 中英文翻译 (27)
附录B DS18B20程序清单 (35)
附录C 显示程序清单 (37)
附录D 总程序清单 (39)
附录E 实物图 (40)
附录F 元器件清单 (41)
1 绪论
当前，在许多工业领域里，调速系统都有着广泛地应用，而电动机是调速系统主要的部分之一。决定电动机寿命的因素很多，最主要的是绝缘老化速度，导致绝缘老化的原因主要是由机械或热作用引起的疲劳损坏，特别是热作用对绝缘老化与电动机寿命关系重大。随着现代电力电子技术和网络技术的迅猛发展，温度防护在调速系统中的作用越来越重要。本文涉及到一种基于GSM网络技术的调速系统温度报警的新技术。近年来，移动通信发展如火如荼，从模拟的AMPS网到数字蜂窝GSM网，到CDMA移动通信网，现在日本一些国家又提出了第四代移动通信网(即4G)的概念，并开始开发和研制。目前，随着手机性能增强、价格下降、通信费用降低，移动通信用户比较普及，如依托移动通信网的SMS(短消息业务)建设智能监控防盗报警系统将有很大的发展潜力和实用价值。
SMS(短消息业务)是GSM网的一项增值业务，他通过控制信道传输数据，支持点到点消息业务及消息广播业务等多种方式。通过SMS传输数据具有以下优点：
（1）信道建立时间短，数据传输速率快；
（2）不占用话音信道，通话时不影响数据传输；
（3）由于不占用话音通道，通信费用低廉；
（4）通过短消息广播业务，可提供点对多点的数据传送；
（5）系统扩容方便；
另一方面，SMS还受信息长度的限制，点点信息长度为140B，消息广播业务信息长度为82B，这就决定了传输的数据不能太长。依托移动通信网的SMS（短消息业务)建设智能温度报警系统由于发送到用户手机或监控中心的是警情信息，内容较少，因此在充分利用SMS传输数据优点的基础上SMS传输信息长度也完全能满足要求。
使用GSM网建设温度报警系统，以其特有的防火、防潮、防化学物质腐蚀、防剪、防破坏，无需布线、工程简单、费用低廉、易于管理、易维护和移动性好成为理想的温度报警系统。实现对系统内部状况的实时远程监测监控，从而可以实现对系统温度的实时检测和远程智能控制等功能。
1.1 课题背景及现实意义
近年来无线通信成为热门，包括移动电话、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通信技术得到了迅速的发展和广泛的应用。GSM(Global system for Mobile Communication)全球移动通信系统是当前发展最成熟、国内覆盖最广、系统可靠性最高、话机持有量最大的数字移动通信系统。它是在蜂窝系统的基础上发展而成的，属于第二代数字移动通信系统。它是目前基于时分多址技术的移动通信中比较成熟、完善且应用广泛的一种系统。
GSM模块是继GSM手机外又一种非常重要的GSM移动通信系统的终端设备。它是传统调制解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。它的出现给GSM的发展注入了新的活力，改变了传统的以话音为主的通信手段，打开了GSM网络数据通信及其应用的大门。由于调制解调器必须通过专用通信网进行通信，因而受地域、线路等影响，在应用上有很大的局限性。而GSM模块则无此限制，所以基于这种模块，以GSM网络作为无线传输网络，可以开发出各种前景极其乐观的各类应用。
温度是工业生产过程中测控的重要参数之一，在国防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用。尤其在航天、材料、能源、冶金、化工等领域中，温度测量占有极重要的地位。在材料学领域里，由于温度是影响材料的组织结构和性能的一个十分重要的工艺参数，精确有效地检测和控制温度，特别是在材料研究中，实现高精度测量，是十分有意义的。近年来温度计量方面的发展大致集中于在温度计量及仪表中采用高新技术，尤其是信息技术以及在有特殊要求、传统技术难以解决的测温场合进行重点应用研究和探索。
随着手机应用资费的不断下调及其通信网络的不断完善，应用手机短消息来进行远程监控具有很广阔的应用前景，使用GSM短消息来传递数据信息也是近年来遥测遥控发展领域中的热门技术。某些测温设备位于环境恶劣的野外或是在无人值守的条件下，如果在数据的传输部分加装GSM短消息模块，便可利用GSM公用网组成的传输系统，使系统的可靠性、抗干扰性、稳定性、可维护性、功能扩展性等方面具有明显的优越性，并可降低运营成本和劳动强度。
1.2温度监测与报警系统的研究现状
温度控制广泛应用于人们的生产和生活中，人们使用温度计来采集温度，通过人工操作加热、通风和降温设备来控制温度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温度的要求较高，由于工作环境温度不合理而引发的事故时有发生。对工业生产可靠进行造成影响，甚至操作人员的安全。为了避免这些缺点，需要在某些特定的环境里安装数字温度测量及控制设备。传统设计采用单片机对温度进行控制，以其测量精度高，操作简单。可运行性强，价格低廉等优点，特别适用于生活，医疗，工业生产等方面的温度测量及控制。
传统设计是一个数字温度测量及控制系统，能测柜内的温度，并能在超限的情况下进行控制、调整，并报警。保证环境保持在限定的温度中。
1.3 本设计任务与功能实现
在生活和工业过程中，通过一定的测量设备把温度、湿度、压力、速度等模拟量转变为数字信号，再收集到处理设备上显示、处理、记录和传输，这个过程即称“数据采集”，实现这个过程的系统就是“数据采集系统”。
系统采集端以单片机为主控制器，由温度传感器DS1820，键盘，一个LCD显示器，两个指示灯，一个报警器，电平转换模块MAX232，通信模块TC35等组成。
本设计通过GSM短消息的收发实现对系统设备进行遥控，基于单片机控制，利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送温度报警信息，还利用现有的900M或1800M的GSM网络，而监控终端也不再仅局限于PC机，也可以是移动通讯平台或其他移动终端。对系统环境状况监测数据传输的GSM短消息遥控监测系统。该系统克服了普通电话遥控的人机界面不友好，且控制功能少等缺点，实现了数据采集(温度等)、实时监测、短信报警的功能，为系统的安全提供了保证。
2 整体方案设计
2.1 系统方案设计与论证
方案一：该系统分为两部分，第一部分是单片机实现温度采集，主要由STC89C51单片机、温度传感器DSl8B20实现，第二部分是远程监测，主要有GSM 无线通信模块(TC35i)、手机实现。远程监测器实现温度数据的采集、处理和显示。
GSM 无线通信模块用于收发短消息，收到手机短信后经处理后把温度回发给手机，实现远程温度监控。系统总体结构如图2.1所示。
图2.1 系统总体结构
方案二: 本文设计了一种通过GSM 短消息的收发实现对系统设备进行遥控，基于单片机控制，利用支持短消息业务的GSM 引擎模块发送温度报警信息，还利用现有的900M 或1800M 的GSM 网络，而监控终端也不再仅局限于PC 机，也可以是移动通讯平台或其他移动终端。对系统环境状况监测和数据传输的GSM 短消息遥控监测系统。该系统克服了普通电话遥控的人机界面不友好，且控制功能少等缺点，实现了数据采集(温度等)、实时监测、短信报警的功能，为调速系统的安全提供了保证。
系统的控制过程如下：用温度传感器采集外界温度值，通过A/D 转换将此模拟信号转换为数字信号传入单片机中，对单片机进行编程。本系统采用了西门子公司提供的TC35短信模块进行短信的编辑和发送，它的串口通讯遵循RS232标准，所以要与单片机连接还要通过串口的电平转换电路，这也是系统设计的一部分；短信模块发送短信是由AT 指令控制的，其发送的短信格式有两种：文本格式和PDU 格式，前者指能发送字符合字母，而后者不但可以发送字符、字母，关键是可以发送汉字。要想让用户方便得读取短信内容，本文选择采用PDU 格式，这样AT 指令的短消息编程也成为了系统设计一部分。前面说提到的AT 指令，即Attention AT 命令集是从Terminal Equipment 或DTE(Data Terminal Equipment) 向
TA(Terminal Adapter)或DCE(Data Circuit Terminating Equipment)发送的通过TE 发送AT
命令来控制MS 的功能与GSM 网络业务进行交互[4]
。本系统采集端以单片机为主控制器，由温度传感器DS1820，键盘，两个LED 显示器，两个指示灯，一个报警器，电平转换模块MAX232，通信模块TC35等组成，系统总体原理图如图2.2所示：
温度采集
STC89C51 单片机
GSM 通信
模块
监测中心 PC 机或手机
GSM
网络
图2.2 方案二系统框图
通过研究论证及功能实现，方案二较为理想。
2.2.1主处理模块论证
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等）的微处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统[1]。虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义。由于单片机从功能和形态来说都是为满足控制领域应用的要求，并且随着单片机的发展，在其中着力扩展了各种控制功能，已突破了微型计算机(Microcomputer)的传统内容，所以更准确的反映单片机本质的叫法应是微控制器(Microcontroller--MCU)。
按内部数据通道的宽度，单片机可分为4位、8位、16位及32位等。单片机有两种基本结构形式:一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构，称为普林斯顿(Princeton)结构，也称冯·诺伊曼结构；另一种是将程序指令存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛(Harvard)结构[2]。考虑到单片机“面向控制”实际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。
单片机是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般应从如下几个方面考虑是否符合控制系统的要求：
（1)字长；
（2)寻址范围和寻址方式；
（3)指令种类和数量；
（4)内部寄存器的种类和数量；
（5)单片机的速度；
（6)中断处理能力。
除上述六个方面外，单片机的外围电路的配套、器件的来源、软件的支持等，也是设计人员必须考虑的因素。在工业控制系统中，对常规外围设备一般要求不高。在多数情况下，只要考虑显示和键盘及串行通信口即可。其中，1、2、6、7、8皆为NC：空引脚，不连接外部信号；3为VDD：接电源引脚，电源供电3.0- 5.5V；5为GND：接地；4 为DQ：数据的输入和输出引脚。
由于单片机具有这些特点，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛地应用。用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于使用，同时降低了成本，提高了性价比。当前用COMS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促进了单片机技术的发展。
中央微处理器 STC89C52：STC89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，
器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及
STC89C52引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
STC89C52具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。
此外，STC89C52设计和配置了振荡频率，并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式。STC89C52单片机综合了微型处理器的基本功能。按照实际需要，同时也考虑到设计成本与整个系统的精巧性，所以在本系统中就选用价格较低、工作稳定的STC89C52单片机作为整个系统的控制器。
2.2.2传感器方案论证
方案一：采用模拟集成温度传感器
集成传感器是采用硅半导体集成工艺而制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器，它是将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出功能的专用IC。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一(仅测量温度)、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使V0=273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使V0=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。
方案二：采用数字单片智能温度传感器
智能温度传感器(亦称数字温度传感器)是微电子技术、计算机技术和自动测试技术(ATE)的结晶。目前，已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器(CPU)、随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。智能温度传感器的特点是能输出温度数据及相关的温度控制量，适配各种微控制器(MCU). 智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、规范化，所采用的总线主要有单线(1-WIRE)总线、I2C总线、SMBUS总线和SPI总线。温度传感器作为从机可通过专用总线接口与主机进行通信。智能温度控制器是在智能温度传感器的基础上发展而成的。典型产品有DS18B20,智能温度控制器适配各种微控制器,构成智能化温控系统;它们还可以脱离微控制器单独工作,自行构成一个温控仪。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO－92小体积封装形式;温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D转换精度,测温分辨率可达
0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为 -55℃~+125℃，在-10℃
~+85℃范围内,精度为0.5℃。DS18B20的精度较差为±0.2℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量。如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持
3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。
DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的“DS1820”体积更小、更经济、更灵活。使您可以充分发挥“一线总线”的长处。 DS18B20、DS1822 “一线总线”数字化温度传感器。
由于DS18B20将温度传感器、信号放大调理、A/D转换、接口全部集成于一芯片，与单片机连接简单、方便，与AD590相比是更新一代的温度传感器，所以温度传感器采用DS18B20。
2.2.3 通讯模块论证
MZ28模块：GSM模块是继GSM手机外又一种非常重要的GSM移动通信系统的终端设备。它是传统调制解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。它的出现给GSM 的发展注入了新的活力，改变了传统的以话音为主的通信手段，打开了GSM网络数据通信及其应用的大门。温度监测仪使用中兴通讯推出的GSM无线双频调制解调器MZ28，它主要为语音传输、短消息发送和数据业务提供无线接口。
MZ28集成了完整的GSM电路和接口。图2-7为MZ28的功能框图，主要的组成部分有:GSM 基带处理器(包括模拟基带和数字基带)、GSM射频电路、存储器、SIM卡、电源和功率控制电路、系统连接器。通过SMB插座可外接天线，通过系统连接器可连接外部电源、外接SIM 卡、串行接口、音频接口。在图2-7中，虚线内部为MZ28主板的各个组成单元，虚线之外为外部接口。MZ28主板完成了GSM的所有功能，此外主板还有两个外部接口:20引脚的系统连接器和SMB插座。
系统连接器是MZ28与应用系统的连接接口，主要提供外部电源、RS-232串口、外接SIM 和音频接口。MZ28系统连接器采用20脚的扁平插座，通过扁平电缆接至系统开发板或用户的应用系统中。MZ28可以作为无线引擎，嵌入到用户自己的产品当中，用户可以用单片机或其他CPU的UART口，使用相应的AT命令，对模块进行控制，达到使其产品可以轻松进入GSM网络的目的,如图2.3所示:
图2.3 M228功能框图
TC35模块：本文系统通信模块采用TC35，TC35是SIEMENS公司推出的GSM专用调制解调器，它可在GSM网中完成语音、数据、短消息以及传真的传送，TC35具有标准的工业接口和完整的SIM卡阅读器，因此使用非常简单，它提供的命令接口符合GSM0705和GSM0707规范，
并提供RS232数据口，模块和单片机接口通过40针数据电缆相连接，由于TC35模块的数据接口是CMOS 电平，因此单片机对TC35 模块控制和通信信号不用进行电平转换，通过R232 将TC35模块和PC 机连接起来即可。TC35模块输入输出的TTL 正电平逻辑不是+ 5V,而是+ 2. 9V,因此,必须对该输入电平进行逻辑转换,系统通过在集电极开路缓冲器7407的输出加上拉电阻完成电路逻辑的转换。
TC35模块有40个引脚，通过一个ZIF(Zero Insertion Force ，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。TC35的第1～5引脚是正电源输入脚通常推荐值4.2V ，第6～10引脚是电源接地。11、12为充电引脚，可以外接锂电池，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，用于锂电池充电保护控制。15脚是启动脚IGT ，系统加电后为使TC35进入工作状态，必须给IGT 加一个大于100ms 的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1ms 。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-T RS232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，默认9600。SIM 上的CCRST 、CCIO 、CCCL 、CCVCC 和CCGND 通过SIM 卡阅读器与TC35的同名端直接相连，ZIF 连接座的CCIN 引脚用来检测SIM 卡是否插好，如果连接正确，则CCIN 引脚输出高电平，否则为低电平。TC35的第32脚SYNC 引脚有两种工作模式，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，可用AT 命令AT+SYNC 进行切换，本模块使用的是后一种。当LED 熄灭时，表明TC35处于关闭或睡眠状态；当LED 为600 ms 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75 ms 亮/3s 熄时，表明TC35已登录进网络，处于待机状态。30、31、32脚为控制脚，其中30为RTC backup ，31为Power down ，32 为SYNC 。35～38为语音接口，35、36接扬声器放音。37、38可以直接接驻极体话筒来采集声音(37是话筒正端，39是话筒负端)。如图2.4所示：
图2.4 TC35模块图 123
45
67
89
10
11
1213
14
1516171819202122232425262728293031323334353637383940
TC 35 4.2V
VT1
R 1
R 2
R 3
I N
C C I N C C R ST C C I O C C C L K C C VC C C C GNG
R 4
1K
VT2
R 5
4.2V
MC U R XD MC U TXD
SI M_C AR D
C C R ST C C I O C C C L K C C VC C C C GNG
C C R ST C C C L K C C VC C
C C I O C C GNG
3系统硬件设计
3.1 硬件总体设计框图
图3.1 硬件总体设计框图
3.2 硬件各部分设计 3.2.1 GSM 系统简介
GSM 全名为：Global System for Mobile Communications ，中文为全球移动通讯系统，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是由电信运营商和制造商组成的标准化委员会设计出来的，它在蜂窝系统的基础上发展而成，属于第二代数字移动通信系统。其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。众所周知的GSM ，是当前应用最为广泛的移动电话标准。全球超过200个国家和地区超过10亿人正在使用GSM 电话。GSM 较之它以前的标准最大的不同是他的信令和语音信道都是数字式的，因此GSM 被看作是第二代(2G)移动电话系统.
GSM 系统有几项重要特点：防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少、手机耗电量低。其技术最成熟及先进，并且具有可开通的移动通信业务种类多、手机接续速度快、通话质量好、安全保密性能强、抗干扰能力强、网络覆盖面广、可国际自动漫游等诸多优点。
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TC35EA/VP 31
X119X218RESET 9RD 17WR 16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27
28
PSEN
29
ALE /P 30TXD 11RXD 10VCC 40GND
20
8051
R14k
D1
C1
5V
C3
30p
C230p
Y1
7407
7407
7407
1K
R21K
R3
R51K
1K
R4D2DIODE
C4
30u P
1
23456SIM
3.3K
R6
C60.1u
C50.1u
L1C7
100u F R7
1k
7404
R8
1K
D3LE D
VCC
VDD
10k
R9C8100n f 34
5
DS1820
+5V
GSM 系统是一种典型的开放式结构，作为一种面向未来的通信系统，它具有下列主要特点:
（1）GSM 系统由几个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细的标准化接口方案，保证任何厂商提供的GSM 系统设备可以互连。同时，GSM 系统与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使GSM 系统可以与各种公用通信网实现互连互通。
（2）GSM 系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务与ISDN 相关的各种业务。
（3）GSM 系统采用 FDMA/TDMA 及跳频的复用方式，频率重复利用率较高，同时它具有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。
近年来，随着移动通信技术的发展，根据目前GSM 网络技术成熟，覆盖范围广的特点，合理有效的利用GSM 网络资源，可以避免组建专用数据传输网络的成本费用高，通讯距离短，通讯效果差等诸多难题。GSM 网络在计算机应用领域中迅速发展的一种系统结构形式，它是由通用计算机(PC 机)与GSM 网络的短消息相连而成，GSM 网络及其外围电路构成的部分是专为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、大容量的计算、记录、打印、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统有以下特点：
（1）系统配置灵活，易构成各种大中型测控系统。 （2）主机可远离现场而构成各种局域网络系统。
（3）系统采集端的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用/配置比接近于1，具有最佳的性价比，系统的软件一般都有应用程序。
（4）系统采集端的可靠性好、使用方便。应用程序在ROM 中运行不会因外界的干扰而破坏，而且上电后系统立即进入用户状态。 3.2.2 GSM 网络的协议模型
GSM 网络的协议模型GSM 标准采用不同的信道来传送用户信息和信令信息， 因此也就有如下两类信息数据：
用户信息：包括语音和数据。
信令信息：用于呼叫建立、释放系统管理信息。 另外，GSM 标准将短消息业务也用信令信道来传送。GSM 规范中给出了无线通信的接口标准即空中接口Um ，通常用分层传输的信令实体协议模型说明，如图2所示，GSM 标准Um 接口信令在网络实现时，各层根据其完成的功能不同，由网络的不同部分来完成。这主要是为了减动台独立完成。其中，各通信实体含义为：CC ：呼叫控制；SMC ：短信息业务控制；MM ：移动特性管理；TCAP ：转移能力应用部；RM ：无线资源管理；SCCP ：信令连接控制部； BSSMAP ：
基站系统理应用部；MTP ：信息传输部；ISDN- UP ：ISDN 用户部；MAP ：移动通信应用部[1]
图3.2 GSM 网络信令协议模型
移动台
移动交换中心
基站
CC SMC SS
MM RM L1 L2 L3
BSSMAP
RM SCCP
L2 MTP
L1 CC
MM MAP DN UP BSSMAP TCAP SCCP SCC MTP
3.2.3 通讯模块TC35i的原理
TC35i的数据通信电路以MAX232为核心实现电平转换及串口通信。MAX232的作用是实现TTL电平装换。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成
5-VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。其功能主要是实现串口通讯功能驱动与串口数据接收，max232cpe芯片必须+5V电源才会工作。它是16针SMD封装IC，用于完成计算机232端口数据电平转换。它的内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电，15脚GND、16脚VCC（+5v）。
图3.3 MAX232引脚图
3.2.4 单片机STC89C52
单片机８９Ｃ５２引脚说明(如图所示)：
（1）电源引脚Vcc(40脚)：典型值＋5V。Vss(20脚)：接低电平。
（2）外部晶振X1、X2分别与晶体两端相连接。当采用外部时钟信号时，X2接振荡信号，X1接地。
（3）输入输出口引脚：
P0口：I/O双向口。作输入口时，应先将软件置“1”。
P1口：I/O双向口。作输入口时，应先将软件置“1”。
P2口：I/O双向口。作输入口时，应先将软件置“1”。
P3口：I/O双向口。作输入口时，应先将软件置“1”。
（4）控制引脚：
RST/Vpd、ALE/-PROG、-PSEN、-EA/Vpp组成了MSC-51的控制总线。
RST/Vpd(9脚)：复位信号输入端（高电平有效）。第二功能：加+5V备用电源，可以实现掉电保护RAM信息不丢失。
ALE/-PROG(30脚)：地址锁存信号输出端。第二功能：编程脉冲输入。 PSEN(29脚)：外部程序存储器读选通信号。
EA/Vpp(31脚)：外部程序存储器使能端。第二功能：编程电压输入端(+21V ）。
图3.4 单片机管脚图 3.2.5 温度传感器DS1820
数字温度传感器的输出不是以电流或电压形式，而是将其转换为1或0形式的数字量。因此，数字输出温度传感器适合于连接到一个MCU 。许多温度传感器还具有的另一功能是能在超过温度限定值时产生一个中断，可以将这些温度限定值设置到上限温度寄存器和下限温度寄存器。
本文采用美国DALLAS 半导体公司推出的DS1820数字式温度传感器， 它可直接将被测温度转化成串行数字信号供微机处理，并且根据具体要求，通过简单的编程实现9位的温度读数，并且多个DS1820可以并接到多个地址线上与单片机实现通信。由于每一个DS1820出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入ROM 中，因此CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而多个传感器的系统中节省了大量的引线和逻辑电路[8]。DS18B20的外形及管脚排列如
下图3.5；其管脚接法如图
图3.5 DS18B20的外形及管脚排列
DS18B20引脚定义：
(1)DQ 为数字信号输入/输出端，与单片机的I/O 口相连； (2)GND 为电源地；
(3)VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。
表3.1 DS18B20引脚描述
引脚 符号 说 明
1 GND 地
2 DQ 单线运用的数据输入/输出引脚
3
VDD
可选VDD 引脚
DS18B20 测温原理：图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图3.6 DS1820与单片机的连接
3.3 数据处理模块
3.3.1 数据采集系统的基本概念
在生活和工业过程中，通过一定的测量设备把温度、湿度、压力、速度等模拟量转变为数字信号，再收集到处理设备上显示、处理、记录和传输，这个过程即称“数据采集”，实现这个过程的系统就是“数据采集系统”。
一般来讲，一个典型的数据采集系统如图3.7所示：
图3.7 典型的数据采集系统
3.3.2
显示接口电路
现场传感器
模数 转换器
C P U
键盘
显示设备
执行设备
在单片机系统中，最常用的显示器有：发光二极管，简称LED（Light Emitting Diode）；液晶显示器，简称LCD;荧光管显示器，简称VFD（Vacuum Fluorescents Display）。本系统采用通用LCD1602液晶显示模块。
液晶是一种介于液体与固体之间的热力学中间稳定相。它的特点是能够在一定的温度范围内既保持有液体的流动性和连续性，又具有晶体的各向异性。它的分子呈长棒形，长与宽之比比较大，分子不能弯曲，是一个刚性体，中心一般具有一个桥链，分子两头都具有极性。
表3.2 LCD引脚描述
管脚号符号功能
1 Vss 电源地（GND）
2 Vdd 电源电压（+5V）
3 V0 LCD驱动电压（可调）
4 RS 寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号；RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器
5 R/W
读写控制输入端，输入MPU选择读写模块操作信号；R/W=0 读操作；R/W=1写操
作
6 E
使能信号输入端，输入MPU读/写模块操作使能信号；读操作时，高电平有效；写
操作时，下降沿有效
7 DB0 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
8 DB1 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
9 DB2 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
10 DB3 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
11 DB4 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
12 DB5 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
13 DB6 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
14 DB7 数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传输通道
15 A 背光的正端+5V
16 K 背光的负端0V
正是由于这个特点，在采用直流电压驱动LCD时，会使液晶体产生电解和电极老化，大大将低LCD的使用寿命，所以现用的驱动方式多属交流电压驱动。此外液晶本身不能主动发光，它是通过环境光来显示信息的，这也是LCD功耗低的原因。
工业字符型液晶，1602是指显示的内容为16*2，能同时显示两行，每行16个字符。通用LCD1602液晶显示模块的基本特征[14]如表3.2所示。
3.3.3 键盘和报警电路
在系统设计中，为了节省并行I/O口线，简化系统设计，我们采用了用两个并口来模拟串口，通过移位寄存器74LS164接2个LED来完成显示功能。系统还需要一些按键来完成温湿度上下限设置，报警解除功能，当温湿度超过设定的值时，系统应该要报警指示，在本系统设计中，用了一个扬声器做声报警，一个LED来指示温度报警。
图3.8 具体连接图
1．压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
2．电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
有源蜂鸣器与无源蜂鸣器的区别：这里的“源”不是指电源。而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫。
而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K~5K的方波去驱动它。
有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。
无源蜂鸣器的优点是：1．便宜，2．声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的效果。3．在一些特例中，可以和LED复用一个控制口有源蜂鸣器的优点是：程序控制方便。
（1）蜂鸣器的作用蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
（2）蜂鸣器的分类蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
（3）蜂鸣器的电路图形符号蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。
（2）连接图如图3.9所示:
显示特性:
a 单5V 电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性
b 内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符） 具有64个字节的自定义字符RAM ，可自定义八个5×8点阵字符或四个5×11点阵字符
c 显示方式：STN 、半透、正显
d 驱动方式：1/16DUTY,1/5BIAS
e 视角方向：6点
f 背光方式：底部LED
g 通讯方式：4位或8位并口可选 （3）与STC89C52的接线见图3.10
3.3.4 接口通讯单元 max232资料简介：
该产品是由德州仪器公司（TI ）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v ，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl 电平0 +5v,max232
就是用来
图3.9 LCD1602芯片管脚图
图3.10 LCD1602与STC89C52的接线图
进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F 电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
主要特点：
（1）单5V电源工作
（2）LinBiCMOSTM工艺技术
（3）两个驱动器及两个接收器
（4）±30V输入电平
（5）低电源电流：典型值是8mA
（6）符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28
（7）ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V
51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。
在本设计中采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接，串口通讯具体如图2.15: