具有播报功能可用短信查询的温湿度测量仪.docx

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具有播报功能可用短信查询的温湿度测量仪

泉州师范学院

毕业论文（设计）

题目具有播报功能可用短信查询的温湿度测量仪

物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业07级

学生姓名吴翠云学号070303034

指导教师柯跃前职称副教授

完成日期2011年4月

教务处制

具有播报功能可用短信查询的温湿度测量仪

物理与信息工程学院电子信息科学与技术专业070303034　吴翠云

指导教师　柯跃前副教授

[摘要]利用现有的GSM网络，以及语音芯片，对温湿度进行实时监测。

该系统能够通过传感器实时采集温湿度，并且可进行播报，同时用户可通过手机短信来获取温湿度的情况，以便用户采取防护措施。

本文介绍了系统的总体设计和各个功能模块以及系统原理。

[关键词]GSM;短信收发;数据采集；温湿度

目录

引言4

1.总体设计方案4

1.1系统功能要求4

1.2系统的组成4

2主要硬件部分介绍4

2.1温湿度采集部分4

2.1.1温湿度传感器的设计与比较4

2.2传输模块6

2.2.1传输模块的比较与选择6

2.3CPU单片机部分STC89C52的介绍7

2.4语音芯片的选择8

2.4.1语音芯片ISD1760介绍8

2.4.2ISD1760引脚介绍9

2.5SIM卡10

2.6下载部分10

3系统调试11

3.1语音部分11

3.2传输模块GSM模块的程序设计12

3.3整体流程图14

4总结15

5致谢15

6参考文献16

引言

随着科学技术的不断发展社会的生活节奏也越来越快，人们对于所使用的设备的要求除了准确外，更多的是要方便快捷。

环境条件中的温度和湿度指标是许多工作场合的重要参数，研制可靠且实用的温湿度测量装置显得非常重要。

【1】例如海洋渔网箱，温湿大棚等。

由于温度骤变无法及时采取相应措施所引起的损失是技术上不可避免的。

再者，我国是农业大国，许多地方都以种植大棚作物作为主要的经济来源。

然而不同的作物对于土壤的温湿度要求不同。

因此对于土壤温湿度的监测显得十分重要。

通过GSM模块则能够随时随地的了解大棚土壤的情况。

语音播报功能则可让在大棚里作业的人们了解土壤的情况。

一般情况下很难轻易的察觉到温湿度的变化，尤其是在夜晚，加上人为监控温湿度变化由于各种因素会导致漏报或者延时报警。

为了进一步提高准确性与便捷，设计一种自动测量、播报及短信通知的温湿度测量仪。

1.总体设计方案

1.1系统功能要求

系统要实现以下几个功能:

1.语音播报功能:

测量到的温湿度能够用语音播报

2.实时采集定时发送数据:

系统能实时采集周围环境的温湿度，并传送到单片机进行处理、储存、传输。

3.接收短信息方式查询功能:

用户可随时发短信进行温湿度查询。

1.2系统的组成

本设计主要有温湿度采集电路、传输模块、语音模块、CPU单片机、下载部分组成。

温湿度采集电路部分：

主要由温湿度传感器DHT11来实现对温湿度的采集；

传输模块部分：

采用的是GSM模块TC35，该模块可通过短信或者电话通讯对系统进行监测；

语音模块部分：

以ISD1760语音芯片为核心构成语音模块，此芯片可实现放音、擦除、快进、音量控制等功能；

CPU单片机部分：

主要利用STC89C052来构成控制中心：

下载部分：

利用MAX232芯片来实现下载的功能；

2主要硬件部分介绍

2.1温湿度采集部分

2.1.1温湿度传感器的设计与比较

（1）方案一：

采用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器，分别测得温度值和湿度值。

DS18B20是数字式传感器，用起来方便，但采集数据时，程序占用空间大；HS1101是电容式的传感器，须测出其频率，经过计算，才能得到所要的湿度数据，实用起来麻烦。

（2）方案二采用温湿度传感器，可以将温度与湿度的采集集合在一个传感器上，这样便于电路的设计。

然而市面上的传感器的种类繁多，对于温湿度传感器必须进行一系列的选择。

1.温湿度传感器DHT11[2]

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为4针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

DHT11引脚说明：

DHT11的1脚VDD为传感器提供电源，供电为3-5.5v；2脚DATA作为数据传输的接口，以单总线的形式进行数据的串行输送；3脚NC为空脚，在电路连接时应悬空；4脚为GND，接地，与电源负极相连。

2.AM2302传感器，是一款与DHT11精确度相似的温湿度传感器，在本设计中，考虑到设计的费用问题，因此选择了DHT11这款价格相对便宜的传感器。

另外在本设计中，为了使传感器所采集的数据更为准确，本设计采用了通过跳线外接的方式来连接传感器DHT11与设计的主体相连，这样可以避免由于单片机系统在工作了一段时间后所产生的热量对DHT11传感器所采集的数据的影响。

2.1.2温湿度采集电路

DHT11是的连接电路图如图2.1所示，2脚通过一个10K上拉电阻，将DHT11采集到的数据传输到单片机内部进行处理和储存，1脚和4脚分别接上电源VCC和电源负极GND，3脚悬空。

图2.1温湿度传感器的连接

2.2传输模块

2.2.1传输模块的比较与选择

随着科学技术的不断进步，可以用来传输的模块日新月异。

近年来，被人们广泛利用的有GSM、蓝牙、GPRS等。

对于通讯传输模块也需要进行选择。

方案一：

采用蓝牙模块或nRF905无线收发模块。

蓝牙是一款无需付费用的无线通信模块，组网简单方便，在未来的通讯系统中具有很大的应用前景，但蓝牙是一种还没有完全成熟的通讯技术，还有待于在实际应用中不断的更新。

再者，蓝牙的通讯速率也不是很高，在当今这个数据量如此巨大的时代，可能也会对它的发展有所影响。

目前主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大。

nRF905无线收发模块的传输速率高，体积小，功耗少，干扰小，外围元器件简单，没有复杂的通信协议，但不同环境通信效果不一样，同时本身芯片提供的技术参数也都是理论参数，隔墙通信对信号产生的衰减远比空气中传输大很多。

方案二GSM-TC35模块[3]随着718移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈，新技术和新业务的开发和应用已提到十分重要的位置。

718模块作为一种主要的718网络接入设备，已得到越来越多的系统制造商和系统开发商的重视，基于它的各种应用也蓬勃发展起来。

718模块是继718手机外又一种非常重要的718移动通信系统的终端设备。

它是传统调制解调器与718无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备，因此也叫无线调制解调器。

Tc35模块是Siemens最新推出的新一代GSM模块，它与GSMphase2／2+兼容、双频（GSM088／GSM1800）、RS232数据口、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705且易于升级为GPRS模块；该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。

蓝牙模块与GSM模块相比，由于蓝牙模块最远的传输距离被限制在百米内对于查询就造成一定的限制，然而GSM却可以实现随地的进行查询，考虑到这点，因此在本设计中选择了GSM模块。

2.2.2TC35的介绍

TC35的主要特性与技术指标包括以下几点：

（1）频带：

双频EGSM900和GSM1800（GSMphone2+）；

（2）支持数据、语音、短消息和传真；

（3）高集成度（54.5mm×36mm×6.85mm）；

（4）重量：

18g;

（5）电源电压：

单一电压3.3-3.5v；

（6）波特率：

可选波特率300bps-115kbps，自动波特率4.8-115kbps；

（7）电流消耗：

空闲模式小于3.5mA，语音模式平均300mA，峰值2.3A，掉电模式（Powerdown）100uA；

（8）温度范围：

正常操作-20～+55℃，存放-30～+85℃；

（9）SIM电压：

3V/1.8V；

引脚功能

TC35共有40个引脚，如图2.4.1，通过一个ZIF（ZeroInsertionForce）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，其中1-5为电源电压输入端Vbatt+，6～10为电源地（GND），11、12充电引脚，13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SYNG；16-23位数据输入／输出分别为DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、DTR0和DCD0。

数据接口：

TC35的数据输入／输出接口实际上是一个串行异步收发器，它符合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～115kps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。

通过这一接口可以用AT命令切换操作模式，可以使它处于语音、数据、短消息或传真模式。

2.3CPU单片机部分STC89C52的介绍[4]

STC89C52引脚如图2.3.1所示，本设计中所采用的STC89C52为40脚双列直插的，

STC89C52各个引脚介绍如下：

1主电源引脚（2根）

VCC：

电源输入，接+5V电源

GND：

接地线

2外接晶振引脚（2根）

XTAL1：

片内震荡电路的输入端

XTAL2：

片内震荡电路的输出端

3控制引脚（4根）

RSP/VPP：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位

ALE/PROG：

地址锁存允许信号

PSEN：

外部存储器读选通信号

EA/APP：

程序存储器的内外外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令

4可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位，共32根引脚

P0口：

8位双向I/O口线，P0.0～P0.7

P1口：

8位双向I/O口线，P1.0～P1.7

P2口：

8位双向I/O口线，P2.0～P2.7

P3口：

8位双向I/O口线，P3.0～P3.7

图2.3.1STC89C52引脚图

STC89C52属于STC89C51RC/RD+系列的单片机新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

STC89C52系统控制部分采用作为控制芯片。

STC系列单片机，可靠性高，性价比高，stc89c52单片机有32个I/O口，这样的一个控制芯片便于在同一系统中实现多种功能；STC89C52具有看门狗，这对对系统起到了保护功能，电路中看门狗将通过RESET信号向CPU做出反应，保密性能佳；只需使用MAX232进行电平转化，通过串口与PC机连接，利用调试助手即可对一些数据进行一些观察。

51单片机与52单片机性能相同，只是52的单片机的内存较51单片机内存大些。

图2.3.2为单片机STC89C52的外围电路。

图2.3.2STC89C52的外围电路

2.4语音芯片的选择

方案一是选择语音芯片ISD2540，该芯片功能齐全，并且电路设计容易，语音效果好，符合系统选择要求。

方案二是选择最新的语音芯片ISD1700系列，ISD1700系列的芯片综合了ISDD2500语音芯片的优点，功能比ISD2340更加的强大，电路连接部分也不复杂，可以简单的通过按键或者通过软件编写ISP模式来实现录放音的操作。

在对两种芯片各个方面性能的比较之后，本设计最终选择了ISD1700系列中的ISD1760这款语音芯片。

2.4.1语音芯片ISD1760介绍

ISD1760如图2.4.1所示，它是华邦公司推出的一款长时间语音录放芯片。

该芯片采用了多电平直接模拟量存储技术，将每个采样值直接存储在片内的快闪存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐，音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。

ISD1760的采样频率是可以设置的，但是采样频率越低，录放时间越长，则通频带和音质有所降低。

片内信息存于快闪存储器中，可在断电情况下百年不丢失，反复录音超过十万次。

ISD1760具有按键模式和SPI模式。

采用SPI模式时，ISD1760的所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口（SPI或Microwire）送入。

存储空间可以“最小段长”为音位任意组合分段或不分段，由于多段信息在处理再加上内在的存储管理机制，便可实现灵话的组合录放功能。

图2.4.1ISD1760

2.4.2ISD1760引脚介绍

本设计中所用的语音芯片ISD1760为28脚双列直插，其引脚如图2.4.2所示。

28个引脚的功能各不相同。

图2.4.2为ISD1760的引脚图。

ISD1760语音芯片的部分引脚功能如下：

18脚（AGC）具有自动增益控制功能；19脚（/VOL）能实现音量控制；20脚（ROSC）通过一个电阻连接到电源负极，阻值大小可决定芯片的采样频率；21脚（VCCA）与14脚构成模拟电路电源；22脚（/FT）在独立按键模式下，当FT一直为低，Aniain直通线路被激活。

Aniain信号被立刻从Aniain经由音量控制线路发射到喇叭以及AUD/AUX输出。

不过，当在SPI模式下，SPI无视这个输入，而且直通线路被APC寄存器的D0所控制。

该引脚有一个内部上拉和防抖动设计，允许使用按键开关来控制开始和结束；23脚（/PLAY）为播放控制端，有电平触发和脉冲触发两种模式；24脚（/REC）为录音控制端，低电平有效；25脚（/ERASE）擦除控制端，低电平有效；26脚（/FWD）快进控制端，低电平有效；27脚（INT/RDY）是一个开路输出端口，Ready（独立模式），该引脚在录音、放音、擦除和指向操作时为低。

将ISD1760芯片的4、5、6、7四个引脚分别与单片机的一个I/O端口连接，利用软件编程，可实现ISD1760在SPI模式下工作。

图2.4.2ISD1760引脚图

本设计中ISD1760的连接方式采用的是SPI方式，其外部电路如图2.4.2所示，可将语音芯片的SS、SCLK、MOSI、MISO四个引脚接到微处理器。

本系统中，微处理器采用AT89S52，没有SPI接口，当使用此方式对语音芯片进行控制时，需要模拟SPI方式。

在接口电路上没有特殊要求，可将以上四个引脚接到微处理器的任意四个I/O口，通过软件来设置SPI模式。

语音电路设计参考官方提供的经典接口电路。

串行输入端MOSI和串行输出端MISO接微控制芯片，在片选端SS为低电平的时候，串行时钟SCLK上升沿，数据锁存，在SCLK下降沿，数据移出。

为了得到良好的语音信号，在麦克风输入端需要谨慎设计。

从麦克风得到的信号含有较多的杂波信号，这些信号如果直接输入到语音芯片中，再经过输出电路的放大，声音必然会产生失真。

因此输入端要设计一个优秀的滤波电路。

本电路中，C8、C19为阻直通交滤波电容，R3、C4等组成高频信号滤波电路。

为了减少噪声，芯片内模拟和数字电路使用不同的电源总线，并且在其电源引脚上并联多个电源滤波电容到地。

图2.4.2ISD1760外部电路连接图

2.5SIM卡[6]

SIM卡就是“身份卡”，它类似于现在所用的IC卡，因此也称为智能卡，存有认证用户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法用户进入网络。

SIM卡还存储与网络和用户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动终端才能接入网络进行正常通信。

2.6下载部分

MAX232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max232封装尺寸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。

该芯片主要特点：

1单5V电源工作。

2LinBiCMOSTM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。

7ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V。

下载部分的连接如图2.6所示

图2.6下载部分电路图

3系统调试

3.1语音部分

语音部分的软件设计主要是对语音芯片ISD1760的驱动。

ISD系列语音芯片的驱动，以SPI方式实现。

可以实现对语音芯片的定点录音和定点播放。

只要读取出每一段语音信息的首末地址，就可以播放出语音信息。

同时也可通过设置，改变播放音量。

系统上电之后，语音芯片开始读取寄存器等的状态，如果SR1_L不为0及SR1为0两个条件不能同时满足，将返回继续读取状态，如果两个条件同时满足，芯片开始擦除EOM标志和中断信号，并对APC2模拟通道寄存器进行设置，读取APC，初始化完毕。

要使芯片能够正常工作，APC2的设置必需保证正确。

语音播放软件流程图如图4-5所示。

与初始化流程一样，语音播放程序也要先进行读状态，判断SR1_L是否为0，SR1是否为0，清楚EOM标志和中断信号。

这是为了防止在播放语音的时候，中断信号产生影响。

清除标志后，读取语音地址并发送播放命令，同时把需要播放的语音信息段的首末地址写入，即可播放语音信息。

本设计中在语音设计部分，具体操作如下：

先将语音芯片ISD1760连接到语音下载电路中，下将芯片中原有的录音擦除，即按下复位键：

接着再通过麦克风将需要的内容录入，本次所录入的内容为：

温度、适度、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。

在录入结束后，通过喇叭先试听下录入的内容是否清晰。

接着在利用伟福仿真器寻找每个内容在ISD1760中的地址。

在程序中写内容地址时，还需要确定每个内容需要占用几个位。

3.2传输模块GSM模块的程序设计

每一种的通讯系统之间的连接都是需要一定的指令来驱动，不同的通讯系统所用的指令都不尽相同。

蓝牙、GSM模块、GPRS虽然都是用AT指令来实现通信的，但是都有各自特定的AT指令。

3.2.1GSM模块的AT指令的介绍[7]

AT即Attention，AT指令集是从终端设备（TerminalEquipment，TE）或数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE）向终端适配器（TerminalAdapter，TA）或数据电路终端设备（DataCircuitTerminalEquipment，DCE）发送的。

通过TA，TE发送AT指令来控制移动台（MobileStation，MS）的功能，与GSM网络业务进行交互。

用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。

90年代初，AT指令仅被用于Modem操作。

没有控制移动电话文本消息的先例，只开发了一种叫SMSBlockMode的协议，通过终端设备（TE）或电脑来完全控制SMS。

几年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和HP共同为GSM研制了一整套AT指令，其中就包括对SMS的控制。

AT指令在此基础上演化并被加入GSM07．05标准以及现在的GSM07．07标准，完全标准化和比较健全的标准。

GSM模块与计算机之间的通信协议是一些AT指令集，AT指令是以AT作首，字符结束的字符串，AT指令的响应数据包在中。

每个指令执行成功与否都有相应的返回。

以下是常用AT指令的介绍：

（1）初始化设置AT命令集：

ATE1回显（ATE0）

AT+CPIN？

查看SIM状态

AT+CSQ查询当前信号强度

AT^SSYNC=1设置SSYNCPIN状态

ATI显示产品信息（产品名称、版本号）

AT+IPR固定DTE波特率

（2）SIEMENS电话AT命令集：

ATA接电话

ATH挂断电话

ATD159********；拨打电话

AT+CLCC列举当前的电话

AT+CLIP=1开启来电显示功能

（3）SIEMENS短消息AT命令集：

AT+CPMS选择短消息存储区

AT+CNMI=3,1新消息提示

AT+CMGL=”ALL”查看所有短消息内容

AT+CMGR读取短消息

AT+CMGF=1选择信息格式（0为PDU格式，1为TEXT格式）

AT+CMGS=13798463411发送信息（发送信息时同时按Ctrl+Z）

AT+CMGD删除短消息

（4）存取电话号码本

AT+CPBW写电话本AT+CPBR读取电话本

3.2.2GSM调试部分

在GSM模块调试部分，首先需要先确定GSM模块是否能够正常工作，此时就需要用到串口小助手，在调试中由于本设计用到GSM模块短信功能部分，所以只对次部分进行测试，结果如图3.2，通过串口小助手的测试，证明该模块是可用的。

图3.2串口小助手测试结果

但是在本设计中，由于在语音部分的程序所需要延时较多，单片机无法同时响应，以至GSM无法及时将信息传输给终端，即手机，致使GSM短信通讯功能实现不了，在后期对程序进行了一次次改进都无法实现语音与短信通讯同时实现。

3.3整体流程图

发送短信

接收短信

4总结

在此次设计中虽然实现了语音以及温湿度的采集、处理、存储以及传输等功能，但是由于语音部分程序的延时需要较多，致使GSM短信查询功能未能实现，造成本次设计的遗憾。

在本次毕业设计的过程中，发现自己对于专业知识的了解与掌握还很薄弱，需要学习的东西还有好多，这让我深深体会到活到老学到老这句至理名言。

经过了几个月的摸索，虽然本次毕业设计没有达到自己预期的效果，但是对于从前的知识复习了一遍，也有了一定的巩固。

在将来的工作生活中，我将继续努力学习来完善自己。

5致谢

在本次毕业设计中，柯老师在百忙之中总是会抽出时间关心我们毕业设计的情况，给我们很大的支持，对于我们的毕业论文也悉心知道。