基于单片机的无线电话报警装置的设计

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1、Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业： 测控技术与仪器 班级学号： 0501-11 学生姓名： 黄珍 指导教师： 李静 讲师 二九年 六 月 天津工程师范学院本科生毕业设计基于单片机的无线电话报警装置的设计Design of Mobile Phones Alarm Device Based on MCU专业班级：测控0501学生姓名：黄珍指导教师：李静 讲师系 别：自动化与电气工程学院2009年 06 月摘 要目前单片机和上位机通过串行接口构成的多微机系统已经广泛应用于工业控制、环境监测等场合，这些系统大多采用RS-2

2、32、RS-485或是有线Modem通信方式，虽然经济适用，但是有线数据传输方式很大程度上限制了其使用的场合，针对这种情况，可以利用GSM网络进行数据传输，在单片机系统中利用GSM引擎模块，结合已有的单片机系统通过RS-232接口实现数据的无线传输。该系统运行可靠，具有简单、易于实现的特点，也能很好地应用于其他功能的监控报警系统。本文介绍了热释电红外传感器的工作原理,根据被动型热释电红外报警器的结构原理设计其应用电路；建立了系统总体框架，给出了无线电话报警系统各主要功能模块的设计与实现方法，包括电源模块、检测模块、无线通信模块；进行系统调试与测试相关工作，并列出具体实现和调试中典型问题的解决方

3、法；实现了无线电话报警功能，达到了安全防护之目的；最后对本设计加以总结，并给出了进一步研究与设计的建议，以实现系统优化。关键词：电话报警；热释电红外传感器；GSM无线通信；ATmega16ABSTRACTNowadays，the multi-microcomputers system，which constituted with the single chip computer and PC through the serial interface，is already widely applied in many situations such as industry control，env

4、ironment monitoring and so on. These systems are mostly based on RS-232，RS-485 or wired modem. Although very economical they are，their application is limited by the wired data Transmission way in very great degree. To solve the problem，the data Transmission would carry on through the GSM network，in

5、other words，the GSM engine module would be combined with the traditional single chip system，and realize wireless data transmission through the RS-232 interface. This system features simple and reliable. It can be well applied to other monitoring alarm systems.The principle of pyroelectric infrared s

6、ensors is discussed in this paper. The application circuit and working theory of passive Infrared Alarm Buzzer are provided. The system general framework is established. The main functional models, including the power model, the detecting model and the wireless communication model are designed and i

7、mplemented. The system combined adjusting is fulfilled, and the solutions of some typical problems which encountered in the realization and debugging are given. The alarm system, which can realize homes safety implement the alarm function. The summarizing and prospecting of the further work is given

8、 to direct the further optimizing of the supervision system.Key Words：Mobile Phone Alarm; Pyroelectric Infrared Sensors; GSM Wireless Communication; ATmega16目 录1 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 相关问题的研究现状与发展趋势21.3 本文的主要工作32 无线电话报警装置的总体设计42.1 总体框架设计42.2 AVR及其开发环境简介42.2.1 AVR单片机简介42.2.2 ATmega16单片机的特点52.2.3 AVR集

9、成开发环境的简介72.3 通信方式的选择102.3.1 固定网络与移动网络之间的差别102.3.2 GSM通信网络103 系统功能模块的设计与实现123.1 硬件功能模块设计与实现123.1.1 电源功能模块设计与实现123.1.2 检测模块设计与实现123.1.3 通信功能模块设计与实现153.2 软件功能模块设计与实现193.2.1 检测功能模块设计与实现213.2.2 无线通信功能模块设计与实现234 系统调试31总 结33参考文献34附录一：硬件电路图35附录二：程序清单37附录三：实物图44致 谢45英文资料与中文翻译I天津工程师范学院2009届本科生毕业设计1 绪论随着信息产业的发

10、展，无线通信技术越来越受到人们的关注，它的应用范围也越来越广，涉及到各行各业。在固定场合的情况下，它可以用于边远地区的计算机入网，金融系统中信用卡授权系统和ATM，公共安全中防盗报警和公共服务机构如交通监测与控制、收费停车场、加油站等。在移动的场合中，可适用于野外勘探、设计、施工、交通运输及仪器设备的监测控制等。通过无线通信技术，可以实现发布指示、命令或记录实时事件、实现业务调度、远程数据采集等功能。随着社会的发展及住宅条件的改善、人们的安全警觉性提高，简便、可靠的报警系统也开始进入家庭了。1.1 课题研究背景及意义目前GSM移动通信技术、红外技术和蓝牙技术是世界上比较流行的无线数据通信技术，

11、其中GSM(Global system for Mobile communication)系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用广泛的一种系统。目前己建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信的主要方式。红外技术则是通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发，主要是用来取代点对点的近距线缆连接。它的通信距离一般在0到几米之间，传输速率最快可达16MbPs，通信介质为波长为900纳米左右的近红外线。蓝牙(Bluetooth)是由东芝、爱立信、IBM，Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数据通信技术标准。它能够在10米的半

12、径范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输，其数据传输带宽可达1Mbps。通信介质为频率在2.402GHz到2.480GHz之间的电磁波。它能够实现单点对多点的无线数据和声音传输。三者相比较而言，红外技术通信过程中不能移动，遇障碍物易通信中断，主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。蓝牙技术通信距离也较短，是一种新兴的技术，尚未投入广泛应用，是一种还没有完全成熟的技术，还有待于实际使用的严格检验，而且蓝牙的通信速率也不是很高。红外技术与蓝牙技术二者只适用于短距离无线数据通信技术体系。而GSM网络移动通信技术则综合利用了移动通信、网络技术、数字信号处理技术、自动控制和微机处理

13、技术等方面的研究成果，由于GSM网络技术比较成熟，并且在保密性、通话质量等方面都较好，能提供语音、短消息和数据传输等业务。本课题研究的主题就是利用单片机ATmega16软件控制，采用无线GSM网络短信息SMS(Short Message service)的发送或打电话来实现对外界的检测，实现起来简单，直接把要发的信息传给GSM（MC39i）模块，它利用信令信道传输，发送到短消息服务中心，由短消息服务中心再发给最终的信宿，即使目的终端(手机或Internet等其它短信实体)没开机，信息在规定的时间内也不会丢失，是基于短消息的检测系统中目前应用最广泛的通信方案。综上所述，相比红外技术和蓝牙技术而言

14、，GSM移动通信技术更适用于远距离的通信和监控系统且控制对象可以分布在各个不同的地域。本论文所涉及的通信模块即是采用GSM技术的短消息功能及打电话实现数据通信，可用于家居监控、无人值守的设备维护、远距离仪器设备的状态检测等领域。本论文将重点探讨其实现过程,将其应用到实际检测中去。通过GSM网络传输短消息,利用现有用户手机及其短信实体和GSM通信网络，在技术实现方面完全能够满足特定用户的需求。此外还可以根据控制要求对相应的控制终端的软硬件进行修改，用于其它相关的监控系统中。因此该系统有较大的实用价值，具有比较广阔的市场前景。短信的低投入、高效率回报的特性带动起一个全新的通信技术的推广应用。研究表

15、明，将短消息应用于家居检测方面,在解决检测采集点分散、覆盖面广、对象为移动监控点、实时性要求较低方面的检测采集系统中具有无可比拟的优势，此项应用具有极为重要的现实意义和实际价值。1.2 相关问题研究现状与发展趋势本课题研究实现的检测通信模块可用于家居实时监控、无人值守设备的监测、远程监控系统等领域。远程监控是指远端的监控者或者监控中心通过通信系统对现场的系统进行监测与控制，其目的在于突破地域和环境上的限制，实现集中监控，最终实现生产资源和社会资源的优化配置。现代远程监控技术是计算机技术、通信技术、网络技术和自动化控制技术的结合，是信息技术与控制技术的集成。现在工农业的生产中，远程监控有着广泛的

16、应用。进行远程监控有以下几种方式：（1）使用无线电收/发设备；（2）利用有线电话网络，使用电话线路，以双音多频(CDTMF)信号为载体传送简单命令和数据；（3）利用计算机，借助Internet传送数据及命令；（4）借助PLMN(公用陆地移动网)的SMS(短信)服务平台或GPRS(通用分组无线业务)的数据业务功能传送数据或命令。然而无论哪一种传输技术，对于用户来讲，最基本的要求即是方便、快捷、安全、可靠。有线传输方式，可以通过架设专线、用公共数据网等途经来实现，但是在很多场合下，有线方式受到了架线环境、传输距离等条件限制。无线方式实现方式有很多，可以通过自建无线发射接收系统，如（超）短波电台、架

17、设微波线路，但是这些方式容易受到地形地貌的影响以及频率资源的限制，设计成本高、系统的架设和维护工作繁重，在业务量小、用户数量、位置分散等应用场合中也受到很大限制。移动通信经过三代发展，GSM系统是目前基于时分多址(TDMA)技术的移动通信制中最成熟，最完善，应用最广的一种移动通信系统。GSM全球动通信系统短信息传送技术，在无线报警、远距离监控、数据采集、缴费通知等领域，都有着广泛的应用。由于GSM网在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用。同时它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、网络

18、监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。它比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。利用GSM短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。短消息传送业务采用专用控制信道(DCCH)，可以使网络管理端确切地知道被叫方是否已经收到短消息，如果传送失败，被叫方没有回答确切消息，网络管理端会重新发送消息，以确保被叫方能收到。因此，作为GSM网络的一种主要的电信业务，短消息业务的信息传递是实时可靠的。每个短消息的信息量为140个八位组(7比特编码，160个字

19、符)不超过140个字节，足以满足单个监测指标的信息量。综上所述，系统选用GSM的短消息业务，来实现远程的监控是可行的。1.3 本文主要工作在本次毕业设计中，主要做了如下工作：1研究与分析了无线报警装置的发展现状，并提出了本设计的必要性。2介绍了无线报警装置设计的需求分析，并进行了核心器件的选择。选用并学习了功能强大的ATmega16为核心的中央处理器。同时，在设计的过程中，熟悉了AT指令的使用及GSM（MC39i）模块等相关无线通信技术。3对各功能模块进行了软硬件的设计与实现。如人体红外的检测模块、无线通信报警模块等，通过多个方案的比较，完成本作品的设计。在学习ATmega16单片机和无线通信

20、知识的基础上，本设计完成了软件程序的编写、硬件电路的设计和原理图的绘制，以及电路的焊接、调试。4对本设计做了整体的调试，给出了调试中出现问题的解决方法。完成了无线报警装置的自动检测功能，并起到了及时防范与报警的作用。2 无线电话报警装置的总体设计在本章节中，首先指出了本设计的设计思路与采用的技术路线，给出了系统的总体框架。其次，介绍了本设计所采用的开发环境、软件编译与运行环境。最后，介绍了相关的无线通信知识和通信模块的选择。2.1 总体框架设计本设计采用先部分，后整体的设计方法，将本系统的功能进行了合理的划分，使其每一部分分别完成较小的任务，形成积木式结构框架。积木式结构是大型应用系统常用的结

21、构形式，有利于功能的扩大和更换，增加了系统的灵活性。按照以上的设计方式，设计了热释电报警电路；软件实现报警信号的识别；用上位机模拟MC39i，实现单片机和上位机的通信；单片机与MC39i通信，实现电话报警和短信报警功能。系统基本框架如图2-1所示：图2-1 系统基本框架2.2 AVR及其开发环境简介本设计采用ATMEL公司的ATmega16单片机作为核心处理元件，对采集数据进行处理和传输。2.2.1 AVR单片机简介ATMEL公司是世界上有名的生产高性能、低功耗、非易失性存储器和各种数字模拟IC芯片的半导体制造公司。于1997年推出全新配置的、采用RISC（Reduced Instructio

22、n Set CPU, 精简指令集）结构的新型单片机。RISC技术综合了半导体集成技术和软件技术。它是相对于CISC（Complex Instruction Set CPU，复杂指令集计算机）而言的。RISC通过优先使用频率最高的简单指令、避免复杂指令、采用固定指令长度、减少指令格式和寻址方式等方法来缩短指令周期，提高处理器的运算速度。传统的CISC结构，单片机外部振荡器的时钟被分频降低到内部执行周期。AVR单片机没有对外部时钟分频，通过一个周期内执行一条指令，因此，AVR单片机具有接近1MIPS/MHz的高速处理能力。AVR单片机采用32个通用寄存器组成的快速存取RISC寄存器，每一个寄存器都

23、可以代替一个累加器工作，使得处理器可以在执行当前指令时取出要执行的下一条指令，从而避免了传统的基于累加器的单片机因累加器和存储器之间的数据传输带来的瓶颈效应，提高了系统的性能。AVR单片机采用哈佛（Harvard）总线结构，程序存储器和数据存储器是分开的。微处理器直接访问全部程序存储器和数据存储器。此外，他还具有ISP（In System Programming，系统内编成）的功能，即使在程序运行时，也可以对系统进行重新编程。ATmega系列的单片机是AVR中的高端产品，在其部分单片机中集成了在线调试单元，通过JTAG即可实现在线调试与程序的下载功能。AVR单片机支持C语言、汇编语言和Basi

24、c等高级语言编程。其开发软件工具有ICCAVR、IARAVR和Code Vision AVR等。采用高级语言编程能有效的进行系统的开发和程序的移植，同时也是单片机发展的一个趋势。因此，通过以上的介绍可见，在8位微控制领域，AVR单片机正越来越多的开始取代传统的51内核的单片机，进而成为控制领域的主流。2.2.2 ATmega16单片机的特点ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。其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，Arithmetic Logical Unit） 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内

25、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 微控制器高至10倍的数据吞吐率。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。基于以上的优点，本设计主选ATmega16作为核心器件。ATmega16引脚封装图如图2-2所示：图2-2 ATmega16引脚封装图ATmega16 有如下特点：1先进的RISC 结构（1）131条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期；（2）全静态工作；（3）工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS，只需两个时钟周期的硬件乘法器。2

26、非易失性程序和数据存储器（1）16K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命：10000次；（2）具有独立锁存定位的可选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；（3）512字节的EEPROM，擦写寿命：100000次；（4）1K字节的片内SRAM，可以对锁存定位进行编程以实现用户程序的加密；3JTAG接口（与IEEE 1149.1标准兼容）（1）符合JTAG标准的边界扫描功能；（2）支持扩展的片内调试功能；（3）通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁存定位的编程；4外设特点（1）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；（2）一

27、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；（3）具有独立振荡器的实时计数器RTC；（4）四通道PWM；（5）8路10位ADC；8个单端通道；5TQFP封装的7个差分通道（1）2个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道；（2）面向字节的两线接口；（3）两个可编程的串行USART；（4）可工作于主/从机模式的SPI串行接口；（5）具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；（6）片内模拟比较器；6特殊的处理器特点（1）上电复位以及可编程的掉电检测；（2）片内经过标定的RC振荡器；（3）片内/片外中断源；（4）6种睡眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电

28、模式、Standby模式以及扩展的Standby模式；7I/O和封装40引脚PDIP封装，32个可编程的I/O口；8工作电压ATmega16：4.55.5V9速度等级016 MHz；10ATmega16在1MHz，3V，25C时的功耗（1）正常模式： 1.1mA（2）空闲模式： 0.35mA（3）掉电模式:：1A2.2.3 AVR集成开发环境的简介 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Windows 9X/NT/2000

29、 /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/Register Software；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Licens

30、e后完成编译软件的注册。ICCAVR编辑器IDE界面如图2-3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、Headers、Documents。然后，从IDE的“File”菜单中选择“

31、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“Add To Project”命令，将源文件添加到工程中。最后，编译源文件。从IDE的中选择“Options”命令，在Target标签下2-3 ICCAVR编辑器IDE界面Device configuration栏目中选择ATmega16型号的单片机。Options命令对话框如图2-4所示。图2-4 Options命令对话框再单击 “Project”菜单下的“Build All”命令，编译工程中的全部文件（File文件夹中的文件）。如果配置“In System Programmi

32、ng”对话框的Auto Program After Compile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。In System Programming对话框如图2-5所示。图2-5 In System Programming对话框2.3 通信方式的选择2.3.1 固定网络与移动网络之间的差别在通信中使用无线接口使移动通信与有线电缆通信有了很多差异，与无线信道使用相关的差异主要体现在以下几个方面：1频谱受限无线电频谱，也就是无线接入的容量，一般是受国家和国际管理组织限制的。不像固定通信系统，随着人口增长和需求的增加，只要通过安装额外的电缆把用户连接到网络中去就能满足

33、要求，而无线频谱的容量却不能任意地扩展。这一问题可以通过蜂窝技术来加以部分解决，它把服务区分成多个蜂窝小区，而每个小区由所对应的基站来服务。无线频谱应尽可能地在不同的地理位置上多次重复使用。由于频谱受限也引发了各种高效频谱调制技术和信源压缩编码技术的使用，后者通过剔除不相关的数据来减小传输吞吐率。移动网络设计者和运营商的共同目的都是在信道带宽一定的条件下，尽可能多地传输信息。2无线链路的波动性在有线网络中其传输链路始终保持很高的信道质量，在无线链路中由于受用户移动性、环境变化(障碍物、移动反射体以及各种类型的外部干扰)等的影响，所带来的问题非常多。在数字链路中，这些问题会引起无线链路比特率的随

34、机波动。3用户接入点的不确定性和可变性对于有线网络，用户是在网络上的两个固定接入点之间进行通信的，而访问一个移动无线网络时就要求允许用户根据他们所在的位置改变他们的接入地点，即使处于单向通信时也应如此。这是因为移动接入要求工作在两种方式：首先，网络允许系统能够对用户实施位置管理，无论用户位于网络中什么位置都能对其进行定位；其次，网络能确保用户在呼叫过程中从一个接入点移动到另一个接入点时不会发生通信中断(越区切换)，蜂窝系统是使用这些功能的主要用户。2.3.2 GSM通信网络GSM全球移动通信系统最初是欧洲的一个移动通信标准，是第一个数字移动通信系统，能够在欧洲范围内进行国际漫游。现在世界上共有

35、140多个国家采用GSM系统，是迄今为止商业化运营最为成功的移动通信系统。我国采用全接入通信系统ETACS（Extended Total Access Communication System），900MHz频段作为我国蜂窝移动通信系统的标准。1992年GSM系统由我国联通首先引入广州，经过十多年的发展，GSM网络已经覆盖了全国大多数的城市和乡镇，其用户数量也在与日俱增。在GSM网络的发展过程中，陆续发展出几个系列通信系统。最初的GSM系统被称为PGSM（Primary GSM）系统(PGSM系统的上行频带分配为890MHz915MHz；下行频带为935MHz960MHz)，在此基础上通过频带

36、的加宽又发展成为EGSM系统(EGSM系统的上行频带分配为880MHz-915MHz；下行频带为925MHz960MHz)，它的工作频带比PGSM的工作频带向下拓展了10MHz。对于一个移动通信系统来说，在同一个小区范围内的用户数量可能很多，而用于通信的频率资源是有限的，有时可能无法同时满足众多用户使用，为此通过改变GSM的工作频率建立了数据通信系统（DCS，Digital Communication System）。DCS的上行频率为1710MHz1785MHz，下行频率为1805MHz1880MHz。在北美一些国家还采用了PCS系统（Personal Communication Syste

37、m），它的上行频带为1850MHz1910MHz，下行频带为1930MHz1990MHz。注意DCS和PCS在同一地区只能有一个存在。所有的GSM系列的移动通信系统只是工作频率和手机的发射功率有所不同，射频调制、解调方式则完全相同。尽管GSM系统已经发展成为一个庞大的通信系统家族，但是其主要组成基本相同，都是由MS、BSS、MSC三个部分组成。（1）移动台MS手机是最常见的移动台（Mobile Station）设备，是移动通信系统服务用户的终端设备，用户通过手机进行通信并将用户语音、数据信号转换为能够传播的射频信号，同时进行反方向传输。（2）移动交换中心MSC移动交换中心（Mobile Swi

38、tching Center）：主要功能是负责整个移动通信系统数据语音传输交换、网络管理、通信系统的连接、手机用户的身份确认与位置更新、通信信道的选择等功能，以及系统提供的其他功能（如：短信息等）也需要MSC来完成。（3）基站系统BSS基站系统（Base Station System）：主要功能是负责将MSC与MS连接起来，基站必须具备与MSC的固定有线(或无线)连接方式，同时还要具备与MS的无线连接方式。每个基站覆盖一个蜂窝小区，小区中的手机都可以与基站通信。基站对手机的通信的状态参数(包括频率、功率、时序等)进行控制和管理，当手机移动到另一个基站小区时，将在基站的控制下进行越区切换。3 系统

39、功能模块设计与实现3.1 硬件功能模块设计与实现本设计的硬件模块由电源模块、热释电检测模块及通信模块组成。3.1.1 电源功能模块设计与实现电源电路采用技术成熟的三端集成稳压电路，选用7805作为电源模块的核心，以提供系统的整体电源。电源电路如图3-1所示。采用12V/8W的变压器，在变压器副边得到12V的交流电压，经过桥式整流后得到约为10.9V的输出电压，在经过电容滤波和7805电源模块，最终输出稳定的5V电压。电路正常工作时，输入、输出电压差为23V。电路中接入电容C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电

40、源引入的低频干扰。D20时保护二极管，当输入端短路时，给输出电容C4一个放电回路，防止C4两端电压作用于7805内部调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。 图3-1 电源电路图3.1.2 检测模块设计与实现1.方案一：热释电红外传感器被动式红外线传感器技术是利用红外光敏器件将活动生物体发生的微量红外线转换成相应的电信号，并进行放大、处理，对被监控的对象实施控制。它能可靠地将运动着的生物体（人）和飘落的物体加以区别。同时，还具有监控范围大、隐蔽性好、抗干扰能力强和误报警率低等特点。因而，被动式红外技术在自动控制、自动门启动、接近开关、自动照明、遥控遥测等方面，特别是在保安、防火、报警方面越

41、来越受到重视和应用。热释电结构如图3-2所示,通常由热释电晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET和电阻等部分组成。热释电晶体一般采用PZT或其他压电晶体材料,将敏感材料PZT的上、下表面做成电极,并在其上表面上加1层黑色氧化膜,以提高转换效率。在管壳顶端装有滤光镜片,它可以阻止不需要的红外线或其他光线进入传感器。防盗报警系统中的热释电传感器采用的滤光片厚度为814m,而人体辐射的红外线波长在10m左右,因此,该传感器能敏锐地探测到是否有人进入了禁区。由于热释电传感器的输出阻抗极高,而输出电信号微弱,故在其内部装设场效应管(FET)及偏置电阻,以进行信号放大及阻抗匹配。 图3-2热释电传感器

42、的结构 图3-3双探测元热释电红外传感器的结构热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象,并且随温度的变化而变化。当恒定的红外辐射照射在探测器上时,热释电晶体温度不变,晶体对外呈电中性,探测器没有电信号输出,因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时,晶体温度迅速变化,这时才发生电荷的变化,从而形成一个明显的外电场,这种现象称为热释电效应。由于热释电晶体输出的是电荷信号,不能直接使用,需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104M,故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。报警电路中通常采用双探测元热释电红外传感器,其结构示意如图3-3所示

43、。该传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联,用来防止其他红外光引起传感器误动作。另外,当环境温度改变时,两个晶体的参数会同时发生变化,这样可以相互抵消,避免出现检测误差。该传感器使用时,D端接电源正极,G端接电源负极, S端为信号输出。2.方案二：红外线光电传感器红外辐射又称为红外线或红外光。红外光是人眼看不见的光，是一种电磁波。光电传感器是应用非常广泛的一种器件，有各种各样的形式，如透射式、反射式等，它的基本原理就是红外发光二极管是一种PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。以透射式为例，接收光电管在没收到红外光信号时，光电管阻值较大，通过

44、电阻分压连接到比较器的反向输入端，低于正向输入端的电压，比较器输出端为高电平，发光二极管灭；当有红外光脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减小，通过电阻分压连接到比较器的反向输入端，高于正向输入端的电压，比较器输出端为低电平，发光二极管亮。图3-4 红外线发射 图3-5 红外线接收 由于热释电的监测范围大，红外线光电传感器监测范围相对较小，所以在家庭防盗应用场合中热释电传感器应用更为广泛，本设计选用热释电传感器作为检测元件。图3-6 热释电检测模块原理图热释电电路工作原理：人体移动频率一般在0.110Hz范围内。因此，在设计放大器时既要考虑需要放大的信号频率，使人体辐射的微弱低频移动信号得以通过、

45、放大，又要考虑抑制其他物体辐射来的红外辐射信号和干扰信号，故选择0.33Hz的低频带通滤波器。热释电的信号经过带通滤波，电路的高低频率为：，；信号经过运算放大器的两级放大（如图 3-6所示），LM324的4脚在没有人靠近热释电的情况下为2.0V2.8V跳变，当有人靠近时，检测到人体红外线，信号可能大于2.8V或小于2.0V，需要加两个电压比较器，当信号大于2.8V时，LM324的7脚输出高电平，三极管导通，发光二极管亮；当信号小于2.0V时，LM324的8脚输出高电平，三极管导通，发光二极管亮；当信号在2.0V2.8V变化时，LM324的7、8脚输出低电平，三极管截止，发光二极管灭（如图3-7

46、所示）。图3-7热释电检测模块原理图3.1.3 通信功能模块设计与实现1. 通信模块的简介、结构及技术参数（1）MC39i的简介及结构随着无线通信技术的发展，GPRS产品在数据传输领域的应用日益广泛。尤其是GPRS模块的出现更加促进了这种应用的发展。但普通的GPRS 模块在使用时有些局限性。它没有内嵌TCP/IP协议栈，需要用户提供TCP/IP的支持。也就是需要在使用GPRS模块的上位机系统中嵌入TCP/IP，对于普通的MCU系统这是一个复杂而繁琐的工作。有时甚至超过了应用本身的工作量。基于提供一种简便实用的GPRS通讯解决方案的需求，西门子开发MC39i,它内嵌了TCP/IP协议栈，并简化了

47、接口设计。没有复杂接口方式和接口协议栈，取而代之的是通用的RS-232接口 或者RS-485接口或TTL电平接口,使用简单的AT+I命令交互界面，并且提供了更方便的电源接口。MC39i优化了接口设计和外部伺服电路，更适合于恶劣的工业现场；同时结构进行优化，外型美观、性能稳定、使用方便。MC35i模块结构如图3-8所示，从功能上看主要由四部分组成:GSM基带处理器、GSM射频部分、电源ASIC(Application specific Integrated Circuit)和Flash ROM。天线插口GSM射频部分电源ASICFlash ROMGSM基带处理器40脚ZIF连接 天线 图3-8

48、MC35i模块结构（2）MC39i的特点功能强大 无须PC的拨号网络，一套简单的单片机设备，通过RS-232或者RS-485或者TTL电平即可实现与Internet交换数据。数据终端永远在线,即使在工作的中途由于某种原因突然掉电或重启, MC39i会自动上线。此外MC39i还可以根据外界设置定时检测是否处于通讯状态。如果长时间停止通讯，设备将重新复位连接。 体积小巧 产品体积小巧，设计时可以直接连接标准串口线(连接 PC机标准DB9串口时，请使用直通线)和标准电源插头(2.5mm芯)。 MC39i外形尺寸为75*50*16mm，重量200g。 扩展性强 MC39i拥有强大的数据传输功能，用户可

49、将上位机与MC39i构成一套完整的数据通信系统，而不需要其他的设备。 抗干扰性强 外壳采用冷轧钢板，坚固耐用，可以有效地抵御各种恶劣环境；抗强电磁干扰，并且高温散热能力极强；加上性能优异的电源伺服电路，可以最大限度地保证在变电站设备监控、工厂车间设备监控等环境中正常使用。 （3）技术参数MC39i支持GSM900和DCS1800双频，支持数字、语音、短消息和传真，提供SIM应用工具箱。采用GPRS分时复用的Class 8的标准，最大传输速率可达85.6Kbps。表3-1 MC39i性能表频率范围 双频GSM900MHz 和 DCS1800MHz 动态范围 -104dBm,FER0.5% 动态范

50、围 -25dBm,FER0.5% 闭环功控范围(EIGHTH,DOWN) 24dBm 闭环功控范围(FULL,DOWN) 24dBm 闭环功控范围(HALF,DOWN) 24dBm 闭环功控范围(QUARTER,DOWN) 24dBm 波形质量 0.944 开环功控范围(-25) -489.5dBm 开环功控范围(-65) -89.5dBm 开环功控范围(-93.5) 209.5dBm 频率误差 D300Hz 时间误差 1s 相位误差 90 载波馈通 -25dBc 最大功率 2330dBm 最小功率 -50dBm 温度范围:正常操作-20+55；存放-40+85；SIM卡电压:3V/1.8V；

51、表3-2 GSM天线参数频率范围 GSM900MHz 或 GSM1800MHz VSWR 2.0 增益 2dBi 输入阻抗 50 Polarization Vertical 表3-3 电源输入电压设置 State 最大电压 通常电压 最小电压 外部供电 24.0VDC 9.0VDC 5VDC 表3-4 电流及电磁兼容性能参数项目规格待机模式 35mA 数传状态 350mA 静电放电抗干扰度试验等级 3级 射频电磁场辐射抗干扰度试验等级 3级 2.通信模块的前端设计单片机与MC39i通信通过串口线相连，单片机的串口数据发送端TXD、接收端RXD需连接到RS232的10脚和9脚，通过电平转换后，R

52、S232的7(TXD)、8(RXD)脚分别MC39i串口模块的RXD、TXD引脚，实现单片机与MC39i的通信。单片机与MC39i通信时发送不同数据时，令不同的发光二极管导通，起显示作用，单片机硬件连接如图3-10所示。3.串行通信在实际的应用中，有非常多的单片机嵌入式系统需要与PC机通信，把检测的数据、状态传送到PC机上，PC机做进一步地分析及保存；或由PC机实现对单片机嵌入式系统的控制等。由于RS-232C的逻辑“0”电平规定为+5+15V，逻辑“1”电平规定为-15+5V,因此不能直接与TTL/CMOS电路连接，必须经过电平转换。数据通信电路以MAXIM公司的MAX232芯片为核心，实现

53、电平转换及串口通信功能。MAXIM公司的MAX232芯片包含两路接收器和驱动发送器的RS-232电平转换芯片。该芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入+5V的电压(TTL/CMOS电平)转换成15V的RS-232电平，同时也能把15V的RS-232电平转换成5V的TTL/CMOS输出，因此采用此类芯片只需要单一的5V电源。它不仅能实现电平的转换，同时也实现了逻辑的相互转换（正逻辑负逻辑），其供电电压为5V。图3-10 单片机硬件连接3.2 软件功能模块设计与实现本设计软件流程如图3-11所示，当有人靠近热释电时，热释电模块发出报警信号，单片机接收报警信号，启动T0计数器计数功能，当T0计数器

54、溢出中断时，令变量CNT置1，单片机开始与MC39i通信，依据拨码开关的设置，实现打电话或短信报警功能。ATmega16单片机可以设置内部晶振时钟，为简化电路，本设计选用内部时钟，采用8MHz的晶振，需要用双龙软件对单片机的熔丝位进行烧写。8MHz晶振熔丝位烧写如表3-5所示。图311 软件总体流程图被校准的内部RC振荡器提供固定的1/2/4/8MHz的时钟，这些工作频率是在5V，25下校准的。内部RC振荡器的工作模式如表3-5所示，按表3-5对CKSEL熔丝位进行编程可以选择内部RC时钟，此时将不需要外部元件，在使用这些时钟时，应当是未编程的，即CKOPT=1。当MCU完成复位后，硬件将自动

55、地封装校准值到OSCCAL寄存器中，从而完成对内部RC振荡器的频率校准。表3-5 内部RC振荡器的工作模式表熔丝位（CKSEL31）工作频率范围（MHz）00011.000102.000114.001008.03.2.1 检测功能模块设计与实现首先要对I/O口初始化，设置PB0口为输入，A口和C口为输出。I/O口初始化void port_init(void) PORTA = 0xFF; DDRA = 0x3F; PORTB = 0xF0; DDRB = 0xF0; PORTC = 0xFF; DDRC = 0xFF;热释电传感器电路的输出与单片机的PB0口相连，当有人靠近热释电时，PB0口会接

56、收到脉冲，脉冲频率随人体移动频率的变化而变化。选用单片机的T/C0计数器功能，T/C0是一个8位加计数定时/计数器，T/C0工作在计数方式时，定义计数器为上升沿触发，计数器从设定值开始进行加计数，计数到0xff后，下一个计数时钟时溢出，置位中断标志寄存器TIFR中的溢出中断标志位，而后开始执行中断服务程序。由于T/C0是加计数，故实际的计数值为0xff减去计数初值。函数名称：T0初始化void timer0_init(void) TCCR0 = 0X00;/停止定时/计数器 TCNT0 = 0XFC;/初始值 TIMSK |= 0X01;/中断允许 TCCR0 = 0X07;/启动定时/计数器

57、，上升沿触发开启全局中断，设定计数器初值,当单片机捕捉到一定次数上升沿的跳变后，计数器溢出，此时单片机执行溢出中断，令变量CNT加1。部分程序如下： 函数名称：中断初始化void init_devices(void) CLI(); /禁止中断port_init();timer0_init();SEI();/开启中断函数名称：T0溢出中断#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:10void timer0_ovf_isr(void) CNT+;当CNT为1时，而后单片机通过串口向MC39i发送命令，当单片机发送完数据后则需把CNT置为2，否则单片机会一直执

58、行发送命令。程序流程如图3-12所示，部分程序如下：if(CNT=1) PORTA=0xfe; for(j=0;j6;j+) Usart_Transmit(str1j); CNT=2; 图3-12 信号检测流程图3.2.2 无线通信功能模块设计与实现单片机和手机module之间通过标准RS232串口连接，单片机向手机module发送一系列的AT(Attention)命令，就能达到控制手机module收发SMS的目的。因此有必要了解一下AT指令的格式和系统中用到的指令。更详细的资料需参考GSM07.05(use of data terminal equipment-data circuit te

59、rminating equipment(DTE-DCE) interface for short message service(SMS)(phase2)短消息服务数据终端设备与数据电路终端设备之间的接口)和GSM07.07(AT command set for GSM mobile equipment(ME)(phase2+)GSM移动设备的AT命令设置)规范。其规范为AT command接口提供了一种移动台（ME）与数据终端设备（DTE）之间的通用接口。在单片机系统判断手机Module收到GSM网络发来的短消息时，也能够通过串口，使用AT命令，读取手机Module中的短信息内容。其它的数据

60、终端设备也可以通过串口向手机Module发送各种AT命令。AT指令集是MODEM自身通信的一套规则和标准。Hayes公司的Smart modem系列产品已经成为MODEM事实上的标准。而几乎所有应用于计算机通信的MODEM均号称与Hayes Smart modem兼容。所谓Hayes兼容MODEM，主要是指它能识别并执行称为AT命令的某些命令和命令串。目前各个公司种类繁多的各种MODEM，除了可执行最基本的Hayes基本命令集以外，还有自己特有的命令。在Hayes公司建立AT命令之前，DTE(Digital Terminal Equipment)与MODEM之间是通过硬件电路来实现直接控制的。

61、AT命令的建立使得DTE解脱出来，振铃检测、载波检测、速率选择等等都可以由MODEM来完成，此时TXD和RXD不仅仅传输数据，还传送AT命令。DTE发送AT命令到MODEM，MODEM执行后通过RXD返回结果给DTE。而我们这里的手机Module就极类似于一个无线的MODEM，我们甚至可以把它作为等值的MODEM来使用和处理。AT指令集中几乎所有的指令都以AT开始，以回车结尾。每个命令执行成功与否都有相应的返回信息。其他一些非预期的信息，如线路无信号，单片机控制手机模块登陆网络时会失败，手机模块也将有对应的一些信息提示，方便单片机做相应的处理。AT指令集主要有常用命令，呼叫控制命令、网络服务命

62、令、安全命令、电话簿命令、短消息命令、数据和传真命令等。所有的AT命令都以“AT”，或“at”打头。在MC39i所支持命令集中，根据命令名称可简单分为：(1)“ATxx”及少量“AT+xxx”为V.25标准命令集；(2)“AT+Cxxx”为GSM标准所扩展的AT命令；(3)“ATSxxx”为SIEMENS定义扩展的AT命令。另外，根据命令形式可分为：(1)“AT+Cxxx=?”为测试命令(Test command)，执行此种命令将返回此命令所支持的参数及参数范围；(2)“AT+Cxxx?”为读命令(Read command)，执行此种命令将返回此命令当前的参数值；(3)“AT+Cxxx=”为写命令(Write command)，执行此种命令将设置此命令的参数值；(4)“AT+Cxxx”为无参数的执行命令(Execution command)。特别要注意的是这些命令的返回形式为:Response切记MC39i回送时含有这些字符，这对于编写程序来比对MC35i回送值以确定MC3