1、西安郵電學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）題 目： 基于LM3S1138室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng) 系 別： 信息與控制 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自動0501 學(xué)生姓名： 王莉 導(dǎo)師姓名： 楊春杰 職稱： 講師 起止時間： 2009年3月9日 至 2009年 6月 20日 西 安 郵 電 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書學(xué)生姓名王莉指導(dǎo)教師楊春杰職稱講師系別信息與控制專業(yè)自動化題目基于LM3S1138室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng) 任務(wù)與要求一、任務(wù)設(shè)計一個監(jiān)控系統(tǒng)，能對室內(nèi)的環(huán)境各個參數(shù)進行采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，當(dāng)出現(xiàn)情況異常時，系統(tǒng)能夠及時的監(jiān)測到并能發(fā)出報警。二、要求：1. 系統(tǒng)分布在室內(nèi)各處的節(jié)

2、點能夠準(zhǔn)確的采集各參數(shù)，如溫度、濕度、二氧化碳濃度、是否有火焰等；2. 各節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)能夠順利的傳到監(jiān)控中心處，使得以集中處理和分析；3. 無線數(shù)據(jù)傳輸通道順暢，能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，可以抵抗一定的干擾；4. 監(jiān)控中心可以通過無線正常的接收各節(jié)點的數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)同時到達時，也可以保證數(shù)據(jù)的接收不出錯，并能進行下次的接收；5. 監(jiān)控中心能迅速準(zhǔn)確的處理并分析接收到的各節(jié)點數(shù)據(jù)，并能分析數(shù)據(jù)的來源；6. 監(jiān)控中心可以將接收到的各環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)保存在U盤中，并能讀出，以便人工分析；7. 當(dāng)任一節(jié)點監(jiān)測到環(huán)境情況異常時，監(jiān)控中心可以迅速反應(yīng)并能做出報警動作；8. 具有一定的人機界面。開始日期2009

3、年 3 月9 日完成日期2009年6 月20 日系主任(簽字)2009年1月8日西 安 郵 電 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文) 工 作 計 劃 學(xué)生姓名_ 王莉_指導(dǎo)教師 楊春杰 _職稱 講師 _系別_信息與控制 _專業(yè) _ 自動化 _ 題目 基于LM3S1138的室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng) 工作進程起 止 時 間工 作 內(nèi) 容第1周至第2周 3.93.22 前期準(zhǔn)備工作及相關(guān)知識學(xué)習(xí)第3周至第5周 3.23 4.12 從機模塊的設(shè)計與仿真第6周至第10周 4.135.17 主機設(shè)備的設(shè)計與調(diào)試第11周至第12周 5.185.31 系統(tǒng)調(diào)試第13周至第14周 6.16.20 總結(jié)及論文撰寫主要參考書

4、目(資料)主要參考書目(資料)1. 單片機原理及應(yīng)用 2. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程3. Stellaris外設(shè)驅(qū)動庫用法詳解主要儀器設(shè)備及材料1. PC機一臺及相關(guān)軟件2. 工具一套（烙鐵、萬用表等）3. 元件若干論文(設(shè)計)過程中教師的指導(dǎo)安排每周三指導(dǎo)，除每周定時具體指導(dǎo)外，學(xué)生有問題也可隨時聯(lián)系指導(dǎo)。對計劃的說明如有特殊原因可適當(dāng)調(diào)整，否則按計劃執(zhí)行。西安郵電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告 信息與控制 系 自動化 專業(yè) 2005 級 01 班課題名稱：基于LM3S1138室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)學(xué)生姓名： 王莉 學(xué)號： 06051033 指導(dǎo)教師： 楊春杰 報告日期： 2009年3月12號

5、1本課題所涉及的問題及應(yīng)用現(xiàn)狀綜述（1） 背景描述：隨著信息化的的高度發(fā)展，通訊的的自由化和高層次化，人們對各種環(huán)境的安全性、舒適性有了進一步的提高，環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)控的智能化需求大大增加。本文所設(shè)計的系統(tǒng)小型監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了傳感器技術(shù)、無線技術(shù)、GSM、數(shù)據(jù)存儲等多種技術(shù)，并都采用成熟的技術(shù)和方案，監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集因功能不同存在著千差萬別，但都應(yīng)滿足可靠性、針對性、可移植性、穩(wěn)定性的原則，本文所述的方案經(jīng)過相應(yīng)的改造后可以應(yīng)用于多種場合，具有很重要的現(xiàn)實意義。（2） 功能特點：在本系統(tǒng)中，要實現(xiàn)的功能大體上可以分為五大部分：一、分布式的傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的可靠采集；二、節(jié)點和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸；三

6、、數(shù)據(jù)的實時集中處理；四、監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲；五、出現(xiàn)異常時的智能化處理。（3） 功能描述：各節(jié)點的傳感器實時采集溫度、濕度，是否有火焰產(chǎn)生等參數(shù)，實時監(jiān)控環(huán)境狀況，數(shù)據(jù)采集后通過節(jié)點的控制器C8051F330單片機進行前期處理，并通過無線以預(yù)定義信息格式發(fā)送到主機上，主機由主控制器LM3S1138、無線接收模塊、U盤數(shù)據(jù)備份、LCD液晶顯示、GSM模塊組成，主機通過無線接收模塊接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，送到液晶屏上進行實時的顯示，可通過U盤的進行數(shù)據(jù)備份。當(dāng)發(fā)生異常時，主機自動通過GSM（或GPRS）模塊向房子主人短信提示以及時采取措施，并實時寫入數(shù)據(jù)庫。根據(jù)測量參數(shù)要求以及應(yīng)用的場合不同，選用的傳

7、感器可以進行相應(yīng)的調(diào)整，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。主機、從機結(jié)構(gòu)框圖見下圖所示。從機框圖主機框圖2本課題需要重點研究的關(guān)鍵問題、解決的思路及實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性分析（1） 設(shè)計思路：通過各種傳感器（濕度、溫度、火焰等）對室內(nèi)環(huán)境的各種變量（空氣濕度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)是否有明火等）進行監(jiān)控，并通過無線將監(jiān)控信息實時的發(fā)送給主機進行分析，如果某種變量異常，主機通過短信的方式告知房間的主人及時處理并在U盤中自動備份數(shù)據(jù)。主機可工作在自動模式或命令模式。（2） 應(yīng)用的技術(shù)分析：本設(shè)計涉及多節(jié)點數(shù)據(jù)采集、主從機之間的無線通信、主機數(shù)據(jù)處理、主機與房主（或）之間的GSM（或GPRS）通信及監(jiān)控終端的設(shè)計。數(shù)據(jù)采

8、集節(jié)點擬采用C8051F單片機；無線通信擬采用Chipcon公司的CC1100芯片，工作在433MHz下；GSM模塊擬采用TC35i。（3） 技術(shù)方案比較：本類課題的實現(xiàn)方式的不同主要在主從機的主控制器的選擇上，對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，主控制器可以選擇ARM、單片機、FPGA等，出于處理速度、存儲空間、開發(fā)復(fù)雜度考慮，系統(tǒng)選取了ARM作為主機控制器；對于從機而言，由于其主控芯片只需發(fā)揮收集數(shù)據(jù)并向主機傳輸數(shù)據(jù)的作用，選擇價格較低的單片機比較適合。FPGA價格較高，在數(shù)據(jù)處理時無明顯優(yōu)勢。ARM芯片在開發(fā)上比較復(fù)雜。采用基于傳統(tǒng)MSC-51結(jié)構(gòu)的C8051F系列單片機是一個好的選擇。設(shè)計重點難點：本次

9、設(shè)計的重點應(yīng)該是監(jiān)控節(jié)點的設(shè)計，怎樣使監(jiān)控更精確及如何將實時監(jiān)控數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送給主機等；而監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)的正確接收和處理并將其存儲起來則是本設(shè)計的難點。最終，監(jiān)控系統(tǒng)的主機選擇了ARM芯片LM3S1138作為控制器，從機選取了C8051F作為主控制器。3完成本課題的工作方案第一階段：第一周至第二周 前期準(zhǔn)備工作及相關(guān)知識學(xué)習(xí) 第二階段：第三周至第五周 從機模塊的設(shè)計及仿真 第三階段：第六周至第十周 主機設(shè)備的設(shè)計及調(diào)試 第四階段：第十一周至第十二周 系統(tǒng)調(diào)試 第五階段：第十三周至第十四周 總結(jié)及論文的撰寫 4指導(dǎo)教師審閱意見指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日本報告必須由承擔(dān)畢業(yè)論文(設(shè)計)課題任

10、務(wù)的學(xué)生在畢業(yè)論文(設(shè)計) 正式開始的第1周周五之前獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。西安郵電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文)成績評定表學(xué)生姓名王莉性別女學(xué)號06051033專 業(yè)班 級自動0501課題名稱基于LM3S1138的室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)課題類型實際應(yīng)用難度難畢業(yè)設(shè)計（論文）時間2009 年3月9 日6 月20 日（共14周）指導(dǎo)教師楊春杰 （職稱：講師）課題任務(wù)完成情況論文 (千字)； 設(shè)計、計算說明書 (千字)； 圖紙 (張)；其它(含附件)：指導(dǎo)教師意見說明：成績評定參照本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評分標(biāo)準(zhǔn)分項得分：開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分；論文撰寫（規(guī)范） 分；

11、學(xué)習(xí)態(tài)度 分； 外文翻譯 分指導(dǎo)教師審閱成績：指導(dǎo)教師(簽字)： 年 月 日評閱教師意見說明：成績評定參照本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評分標(biāo)準(zhǔn)分項得分：選題 分； 開題調(diào)研論證 分； 課題質(zhì)量（論文內(nèi)容） 分； 創(chuàng)新 分；論文撰寫（規(guī)范） 分； 外文翻譯 分評閱成績： 評閱教師(簽字)： 年 月 日驗收小組意見說明：成績評定參照本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評分標(biāo)準(zhǔn)分項得分：準(zhǔn)備情況 分； 畢業(yè)設(shè)計（論文）質(zhì)量 分； （操作）回答問題 分驗收成績：驗收教師(組長)(簽字)： 年 月 日答辯小組意見說明：成績評定參照本科畢業(yè)設(shè)計（論文）評分標(biāo)準(zhǔn)分項得分：準(zhǔn)備情況 分； 陳述情況 分； 回答問題 分； 儀表 分答辯

12、成績： 答辯小組組長(簽字)： 年 月 日成績計算方法(填寫本系實用比例)指導(dǎo)教師成績 () 評閱成績 () 驗收成績 () 答辯成績 ()學(xué)生實得成績(百分制)指導(dǎo)教師成績 評閱成績 驗收成績 答辯成績 總評 答辯委員會意見畢業(yè)論文(設(shè)計)總評成績(等級)： 系答辯委員會主任(簽字)： 系(簽章) 年 月 日備注西安郵電學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計)成績評定表(續(xù)表)目 錄摘 要IABSTRACTII1 引 言12.背景知識22.1 ARM簡介22.2 C8051F系列單片機簡介32.3 U盤備份62.4無線通信73 系統(tǒng)硬件設(shè)計113.1系統(tǒng)功能介紹113.2 主機硬件設(shè)計123.2 從機硬件設(shè)計1

13、74 系統(tǒng)軟件設(shè)計254.1 主機軟件設(shè)計254.2 從機軟件設(shè)計275 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果315.1 調(diào)試工具315.2測試結(jié)果356 總結(jié)39致謝40參考文獻41附錄一：程序清單42附錄二：主機電路圖53附錄三：從機電路圖54摘 要本文主要介紹了基于無線技術(shù)、傳感器技術(shù)、GSM、單片機與ARM技術(shù)的智能家居室內(nèi)環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為監(jiān)控數(shù)據(jù)采集節(jié)點、主控單元和存儲單元三部分，各部分使用不同的主控制器，由不同軟件支持。其中，監(jiān)控節(jié)點使用C8051F330D單片機作為主控制器，采集環(huán)境變量并通過無線發(fā)送到主控單元；主控單元使用ARM芯片LM3S1138。 系統(tǒng)工作流程為：從機節(jié)點采集現(xiàn)場

14、信息（火焰、溫度、濕度），并將信息通過無線發(fā)送至監(jiān)控主節(jié)點，主節(jié)點顯示并備份存儲數(shù)據(jù)至U盤。如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，則通過手機短信將情況發(fā)送到用戶手機上。該設(shè)計具有智能化、自主化、高性價比等特點；具有很強的適用性和可移植性；稍作改造就可以進行其他變量的監(jiān)控。關(guān)鍵詞：ARM C8051 無線通信 傳感器 數(shù)據(jù)存儲AbstractIn this paper, based on the introduction of wireless technology, sensor technology, GSM, single-chip with ARM technology wireless indoor en

15、vironment monitoring system. The monitoring system is mainly divided into data acquisition node, main control unit and Memory unit of three parts, each using a different part of the main controller, by the different types of software support; one of the node to monitor the use of single-chip microco

16、mputer as a main controller C8051F330D, collecting environmental variables and through wireless sent to the main control unit; main control unit provided by the use of race ARM LM3S1138development board.Through the wireless receiver to monitor the node data, and then show back up data backup set U;

17、abnormal if the data through mobile phone message sent to the masters of the situation on mobile phone to do the corresponding treatment. The design of intelligent, self-reliance, cost-effective features such as; has strong applicability and portability; slightly modified can be carried out monitori

18、ng of other variables.Key Words： ARM C8051 wireless communication sensor Data Storage1 引 言（1） 課題背景智能家居指利用電腦、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)有機結(jié)合在一起的一個系統(tǒng)。智能家居的技術(shù)范疇較廣，對室內(nèi)各項環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測應(yīng)作為智能家居技術(shù)應(yīng)用的一個基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。（2） 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀智能家居在中國的發(fā)展已過了概念普及期，現(xiàn)在開始進入快速的發(fā)展期，技術(shù)差距較國外落后2至3年。對于家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集因功能要求的不同存在著千差萬別，但都應(yīng)滿足可靠性、針對性、可移植性等

19、條件。本文所設(shè)計的小型監(jiān)控系統(tǒng)采用成熟的技術(shù)及通用性器件，具有很強的現(xiàn)實意義。（3） 應(yīng)用領(lǐng)域分析自主監(jiān)控系統(tǒng)具有很強的移植功能，稍微改造一下（主要是傳感器方面）就能適應(yīng)更多環(huán)境進行監(jiān)控更多的環(huán)境參數(shù)；因此其應(yīng)用領(lǐng)域很廣。（4） 技術(shù)指標(biāo)傳感器節(jié)點不少于三個，采集的環(huán)境參數(shù)不少于三個；溫度傳感器的測量范圍為-1080，濕度傳感器的測量范圍為20%60%，火焰?zhèn)鞲衅鳒y量距離約2.5M；無線通信的頻率為433MHz，距離為15m以上；有明火并伴有溫度較大變化時自動啟動滅火裝置。（5） 設(shè)計思路通過各種傳感器（濕度、溫度、火焰等）對室內(nèi)環(huán)境的各種變量（空氣濕度、室內(nèi)溫度、室內(nèi)是否有明火等）進行監(jiān)控，

20、并通過無線將監(jiān)控信息實時的發(fā)送給主機進行分析，如果某種變量異常，主機通過短信的方式告知房間的主人及時處理并在U盤中自動備份數(shù)據(jù)。主機可工作在自動模式或命令模式。（6） 應(yīng)用的技術(shù)分析本設(shè)計涉及多節(jié)點數(shù)據(jù)采集、主從機之間的無線通信、主機數(shù)據(jù)處理、主機與用戶之間的GSM通信及監(jiān)控終端的設(shè)計。數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用C8051F單片機；監(jiān)控節(jié)點采用ARM芯片LM3S1138為主控制器；無線通信采用Chipcon公司的CC1100芯片，工作在433MHz下；GSM模塊采用TC35i。2.背景知識2.1 ARM簡介LM3S1138是基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM。與常用的ARM7內(nèi)核相比，Cortex-M3

21、具有明顯的優(yōu)勢：一、Cortex-M3采用的是哈佛架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)總線分開，沒有瓶頸；二、支持16位的Thumb/Thumb-2指令集，兩種指令可以混寫，不需要進行狀態(tài)的切換；三、執(zhí)行指令的速度更快，最高可達1.25DMIPS/MHz；四、功耗更低。其優(yōu)異的性能使得其能應(yīng)用于各種場合。LM3S1138的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。圖2-1 LM3S1138內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖本次畢業(yè)設(shè)計使用的廣州周立功公司生產(chǎn)的EasyARM1138開發(fā)板，EasyARM1138是專門針對廣大電子信息專業(yè)在校大學(xué)生而設(shè)計的一款基于ARM公司Cortex-M3先進內(nèi)核的高性能、低價格開發(fā)板，用于教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計、電子競賽，等

22、等。除了幾個I/O用于LED燈和按鍵外，所有的I/O口都已引出，在本次畢業(yè)設(shè)計中，主控制器硬件部分沒有進行相應(yīng)的設(shè)計，但進行了軟件開發(fā)，因此關(guān)于ARM部分的硬件設(shè)計不做過多的介紹。EasyARM1138的實物圖如圖2-2所示。圖 2-2 EasyARM1138實物圖2.2 C8051F系列單片機簡介 簡介C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，除了具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬器件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F系列單片機使用Cygnal的專利CIP-51微控制器

23、。CIP-51與MCS-51指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的8051的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令速度有了很大的提高，在一個標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除了乘法和除法指令外的其它所有指令都需要1個或者2個機器周期。而對于CIP-51內(nèi)核，70%的指令的執(zhí)行時間為1個或者2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。2.2.2 特點C8051F330D是C8051F系列單片機中唯一的一個雙列直插封裝的芯片；其主要特點如下：1. 模擬外設(shè)（1） 10位ADC（只限于 F330） l 轉(zhuǎn)換速率可達200kspsl 可多達16個外部單端或差分

24、輸入l VREF可在內(nèi)部VREF、外部引腳或VDD中選擇l 內(nèi)部或外部轉(zhuǎn)換啟動源l 內(nèi)置溫度傳感器（2） 10 位電流輸出 DAC（只限于 F330） （3） 比較器2. 高速 8051 微控制器內(nèi)核 l 流水線指令結(jié)構(gòu)；70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期l 速度可達25MIPS（時鐘頻率為25MHz 時）l 擴展的中斷系統(tǒng)3. 存儲器 l 768字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（256+512）l 8KB FLASH；可在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為512字節(jié)4. 數(shù)字外設(shè)l 17個端口I/O；均耐5V電壓，大灌電流 l 硬件增強型UART、SMBus和增強型SPI串口l 4個通用16位計數(shù)器/定時器

25、 l 16 位可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），有3個捕捉/比較模塊l 使用 PCA 或定時器和外部時鐘源的實時時鐘方式5. 在片調(diào)試l 片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試l 支持斷點、單步、觀察/修改存儲器和寄存器 l 比使用仿真芯片、目標(biāo)仿真頭和仿真插座的仿真系統(tǒng)有更優(yōu)越的性能 l 廉價而完整的開發(fā)套件6. 時鐘源l 兩個內(nèi)部振蕩器l 24.5MHz，±2%的精度，可支持無晶體UART操作l 80/40/20/10 kHz低頻率、低功耗振蕩器l 外部振蕩器：晶體、RC、C、或外部時鐘 l 可在運行中切換時鐘源，適用于節(jié)電方式 7. 供電電壓2.7V - 3.6V l 典

26、型工作電流：6.4mA 25MHz 9A 32KHz l 典型停機電流：0.1A 8. 溫度范圍：-40°C - +85°C 2.2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖C8051F330有較豐富的內(nèi)部資源：1. 包括4個16位的定時器，其中兩個與標(biāo)準(zhǔn)的8051兼容，另兩個是16位自動重裝定時器，可用于ADC、SMBus或作為通用定時器使用；2. 通過串行接口UART，它提供標(biāo)準(zhǔn)的8051的方式1和方式3。具有增強的波特率發(fā)生器電路，有多個時鐘源可用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波特率；3. 增強型串行同步外設(shè)SPI，它提供訪問一個全雙工同步串行總線的能力。SPI可作為主器件或從器件工作，可以使用3線或4線方式，

27、并可在同一總線上支持多個主器件和從器件；4. 10位ADC和DAC，C8051F330的ADC0子系統(tǒng)集成了兩個16通道模擬多路選擇器（合稱AMUX0）和一個200ksps的10位逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。AMUX0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。ADC0可以工作在單端方式或差分方式，可以被配置為用于測量P0P1、溫度傳感器輸出或VDD（相對于P0P1或GND）。其它內(nèi)部資源還有DAC、比較器、SMBus、PCA、內(nèi)部振蕩器件等。其內(nèi)部框圖如圖2-3所示。圖2-3 C8051F330內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3 U盤備份 CH375

28、概述CH375 是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE 設(shè)備方式。在本地端，CH375 具有8 位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機/DSP/MCU/MPU等控制器的系統(tǒng)總線上。在USB 主機方式下，CH375還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機/DSP/MCU/MPU 等相連接。CH375 的USB 設(shè)備方式與CH372 芯片完全兼容，CH375 包含了CH372 的全部功能。本手冊中沒有提供CH375 在USB 設(shè)備方式下的說明，相關(guān)資料可以參考CH372 手冊CH372DS1.

29、PDF。CH375 的USB主機方式支持常用的USB全速設(shè)備，外部單片機可以通過CH375按照相應(yīng)的USB 協(xié)議與USB 設(shè)備通訊。CH375 還內(nèi)置了處理Mass-Storage 海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫常用的USB 存儲設(shè)備（包括USB 硬盤/USB 閃存盤/U 盤）。CH375作為USB主機和USB設(shè)備芯片的框圖如圖2-4所示。圖2-4 USB主機及USB設(shè)備芯片接口框圖 CH375特點l 低速和全速USB-HOST主機接口，兼容USB V2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。 l 低速和全速USB設(shè)備接口，完全兼容 CH372 芯片，支持動

30、態(tài)切換主機與設(shè)備方式。 l 主機端點輸入和輸出緩沖區(qū)各64字節(jié)，支持 12Mbps 全速 USB 設(shè)備和 1.5Mbps 低速設(shè)備。 l 支持USB設(shè)備的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。 l 自動檢測USB設(shè)備的連接和斷開，提供設(shè)備連接和斷開的事件通知。 l 內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化常用的控制傳輸。 l 內(nèi)置固件處理海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議，支持 Bulk-Only傳輸協(xié)議和 SCSI、UFI、RBC 或等效命令集的USB存儲設(shè)備（包括 USB 硬盤/USB 閃存盤/U 盤/USB 讀卡器）。 l 通過U盤文件級子程序庫實現(xiàn)單片機讀寫USB 存儲設(shè)備中的文件。 l 并行接口包含8位數(shù)據(jù)總

31、線，4線控制：讀選通、寫選通、片選輸入、中斷輸出。 l 串行接口包含串行輸入、串行輸出、中斷輸出，支持通訊波特率動態(tài)調(diào)整。 l 支持5V電源電壓和3.3V電源電壓，支持低功耗模式。 l 采用SOP-28無鉛封裝，兼容RoHS，提供 SOP28到 DIP28的轉(zhuǎn)換板，引腳基本兼容CH374芯片 CH375管腳分布及封裝說明CH375管腳分布如圖2-5所示。圖2-5 CH375管腳分布圖CH375封裝如表2-1所示。表2-1 CH375封裝表封裝形式塑體寬度引腳間距封裝說明訂貨型號SOP-287.62mm300mil1.27mm50mil標(biāo)準(zhǔn)28腳貼片CH375B2.4無線通信2.4.1 功能特性

32、概述CC1100是一種低成本真正單片的UHF（超高頻）收發(fā)器，為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。電路主要設(shè)定為在315、433、868和915MHz的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可以容易地設(shè)置為300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz的其他頻率。RF收發(fā)器集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器。這個調(diào)制解調(diào)器支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500kbps。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。CC1100的功耗很低。除了RX電流消耗低達14-15mA(與所要求的通信距離有關(guān))外，CC1100還包括廣播叫醒功能，這在被選

33、中的接收機系統(tǒng)中可大大降低平均系統(tǒng)功耗。該器件的電壓范圍(1.8V至3.6V)可完全利用電池的容量。CC1100接收器靈敏度高(-110dBm/1.2kbps)。多信道的CC1100很適合于頻率靈活、聽后發(fā)射和跳頻(FHSS)系統(tǒng)。這些器件支持FSK、GFSK、ASK/OOK和MSK調(diào)制方法。CC1100在所有頻段，提供10dBm的輸出功率。它的靈敏度及鏈接性能較好，傳輸距離長。另外，該芯片還有足夠的信號頻譜以滿足最新的FCC要求(47.CFR15.247)，在902-928MHz頻段不用跳頻時輸出功率高于-1dBm。CC1100的主要操作參數(shù)和64位傳輸/接收FIFO（先進先出堆棧）可通過S

34、PI接口控制。 SPI接口1. 概述SPI是Serial Peripheral Interface的縮寫，中文意思是串行外圍設(shè)備接口，也稱為串行同步外設(shè)接口。SPI接口主要應(yīng)用在 EEPROM，F(xiàn)LASH，實時時鐘，AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。SPI是一種高速的、全雙工、同步的通信總線，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便，正是出于這種簡單易用的特性，現(xiàn)在越來越多的芯片集成了這種通信協(xié)議，比如LM3S1138、C8051F、CC1100等。2. 接口簡介SPI總線系統(tǒng)可直接與各個廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接連接，該接

35、口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數(shù)據(jù)線SOMI、主機輸出/從機輸入數(shù)據(jù)線SIMO和低電平有效的從機選擇線CS。3. 工作原理SPI的工作原理很簡單，它以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，事實上3根也可以（單向傳輸時）。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是CS、SCLK、SIMO、SOMI。（1） CS從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制（2） SCLK時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生（3） SIMO主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入（4） SOMI主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出2.4.3 CC1100的主要特點1. 體積小（QLP 4×

36、4mm封裝，20腳） 2. 真正的單片UHF RF收發(fā)器 3. 頻率波段：300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz 4. 可編程控制的數(shù)據(jù)傳輸率，可達500kbps 5. 較低的電流消耗（RX中15.6mA，2.4kbps，433MHz） 6. 可編程控制的輸出功率，對所有的支持頻率可達+10dBm 7. 單獨的64字節(jié)RX和TX數(shù)據(jù)FIFO 8. 高效的SPI接口 9. 對數(shù)據(jù)包導(dǎo)向系統(tǒng)的靈活支持：對同步詞匯偵測的芯片支持，地址檢查，靈活的數(shù)據(jù)包長度及自動CRC處理 10. 2-FSK，GFSK和MSK支持2.4.4內(nèi)部框圖當(dāng)通過CC1100發(fā)送無線數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)

37、從SPI接口進入CC1100的緩沖區(qū)中，然后經(jīng)過內(nèi)部的包處理、編碼和調(diào)制，最后從天線發(fā)送出去。接收過程則是其逆過程。CC1100的內(nèi)部框圖如圖2-6所示。圖2-6 CC1100內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖2.4.5應(yīng)用電路根據(jù)CC1100的芯片數(shù)據(jù)手冊，其典型應(yīng)用電路如圖2-7所示。圖2-7 CC1100典型應(yīng)用電路3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)功能介紹系統(tǒng)功能各房間前端的傳感器節(jié)點實時采集溫度、濕度、是否異常火焰產(chǎn)生等參數(shù)，實時監(jiān)控環(huán)境狀況，采集數(shù)據(jù)后通過節(jié)點的控制器C8051F系列單片機進行前期處理，并通過無線以預(yù)定義信息格式發(fā)送到主機上，主機由LM3S1138處理器、無線接收模塊、U盤數(shù)據(jù)備份、LCD液晶顯

38、示、GSM模塊組成，主機通過無線接收模塊接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，送到液晶屏上進行實時的顯示，可通過U盤的進行數(shù)據(jù)備份。當(dāng)發(fā)生異常時，主機自動通過GSM模塊向房子主人短信提示以及時采取措施。系統(tǒng)框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)功能框圖主機功能1. 通過無線接收節(jié)點檢測數(shù)據(jù)；2. 通過LCD12864分屏顯示節(jié)點數(shù)據(jù)，并顯示其他相關(guān)信息；3. 判斷節(jié)點檢測的環(huán)境變量是否異常，如果有，則控制GSM模塊將異常現(xiàn)象通過短信告知房主；4. 通過U盤控制器件CH375將節(jié)點監(jiān)控的數(shù)據(jù)儲存在U盤中，當(dāng)U盤的空間不足時，ARM控制CH375自動刪除U盤的一半空間。從機功能1. 通過三個傳感器采集三種環(huán)境變量的數(shù)

39、據(jù)；2. 通過NOKIA 5110 LCD顯示采集到的數(shù)據(jù)；3. 通過無線將三種環(huán)境指數(shù)發(fā)送到主機，供主機分析處理。 3.2 主機硬件設(shè)計主機工作原理C8051F330單片機通過CC1100無線模塊采集各個從機（監(jiān)控節(jié)點）發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行處理，通過串口將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機ARM進行分析處理；ARM通過串口收到數(shù)據(jù)后，通過12864液晶顯示數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，如果有異常情況，控制TC35i模塊將異常數(shù)據(jù)通過短信的形式發(fā)送給用戶，最后ARM通過控制U盤控制芯片CH375將數(shù)據(jù)存入U盤。3.1.2無線通信電路設(shè)計根據(jù)CC1100手冊上提供的典型應(yīng)用電路，設(shè)計了無線發(fā)送接收模塊，

40、而將與控制器的接口部分和電源部分引出，這樣便于統(tǒng)一使用。CC1100與控制器的接口為SPI接口，其外圍電路的電阻電容值根據(jù)數(shù)據(jù)手冊確定。設(shè)計的無線模塊電路原理圖如圖3-2。圖3-2無線模塊電路圖無線模塊與控制器的接口為SPI，在無線模塊的使用上，采用C8051F330對CC1100進行控制，而由C8051F330將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ARM上，由ARM進行處理。C8051F330與無線模塊的接口電路圖如圖3-3所示。圖3-3 CC1100應(yīng)用電路圖3.1.3 U盤存儲器件（CH375）CH375與ARM的連接分為控制接口和數(shù)據(jù)接口，其中控制接口有五根控制線，分別為片選線、地址/數(shù)據(jù)選擇線

41、、讀使能信號、寫使能信號和中斷輸出，在本系統(tǒng)中，我們將控制接口的五根線接在PB口上；數(shù)據(jù)接口是一個8位的接口，在EasyARM1138中，僅有PF口能提供完整的8位數(shù)據(jù)接口，因此數(shù)據(jù)接口接在PF上。具體連接如下圖3-4所示。圖3-4 CH375與ARM連接電路圖3.1.4 GSM模塊（TC35i）GSM使用TC35i的模塊，對于GSM模塊，電路基本上不用設(shè)計。ARM與TC35i之間是通過串口進行通信的，而且TC35i使用的是232電平，因此只需要連接一個電平轉(zhuǎn)換的芯片，使得在ARM和TC35i之間通信時進行電平轉(zhuǎn)換即可。在這次設(shè)計中使用的是MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片，其應(yīng)用電路比較簡單，也很常

42、見，只需接五個電容即可。需要注意的是TXD信號線和RXD信號不要接反。MAX3232的應(yīng)用電路原理圖如圖3-5所示。圖3-5 電平轉(zhuǎn)換電路原理圖3.1.5液晶顯示電路設(shè)計1. LCD12864（主控芯片ST7920）概述使用的LCD12864是漢升實業(yè)有限公司的ST7920控制器系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品為中文圖形液晶模塊，分帶字庫和不帶字庫，我們使用帶簡體中文字庫的液晶。LCD12864可實現(xiàn)四行漢字或字符，每行可現(xiàn)實八個漢字或十六個字符。2. LCD12864與MCU的接口LCD12864與控制器的接口有兩種：一是串行模式，串行模式只需要四線信號就可以完成對LCD12864的操作；二是并行模式，并行

43、模式需要一個8位的數(shù)據(jù)接口及四線的控制接口。對于本系統(tǒng)來說，首先沒有多余的8位數(shù)據(jù)接口可供使用，再者并行模式比較浪費I/O資源且沒有串行模式簡單，基于以上分析，在本次畢業(yè)設(shè)計中，我們采用的是串行模式。串行模式需要四線信號線，分別為：片選信號；串行數(shù)據(jù)線；串行時鐘線；復(fù)位信號。LCD12864的具體接口定義請見表3-1。表3-1 12864液晶與MCU的接口定義名稱形態(tài)電平功能描述并口串口VCCI-模塊電源輸入(未注明為5V)GNDI-電源地V0I-對比調(diào)節(jié)端VEEI-液晶驅(qū)動電壓PSBIH/L并口/串口選擇:H 并口;L 串口RSTIH/L復(fù)位信號,低有效RS(CS)IH/L寄存器選擇端:H

44、數(shù)據(jù);L 指令片選,低有效R/W(SID)IH/L讀/寫選擇端:H 讀;L 寫串行數(shù)據(jù)線E(SCLK)IH/L使能信號串行時鐘輸入DB0-DB3I/OH/L數(shù)據(jù)總線低四位空接DB4-DB7I/OH/L數(shù)據(jù)總線高四位,四位并口時空接空接AI-背光正KI-背光負3. LCD12864與主控制器接口電路圖系統(tǒng)中LCD12864工作在串行模式下，其接口為三線，分別為：LCDCS（片選信號）；LCDSID（串行數(shù)據(jù)）；LCDCLK（串行時鐘）。這三根信號線直接與ARM連接。其背光由ARM的一個I/O來控制。其電路原理圖如圖3-6所示。圖3-6 LCD12864與LM3S1138接口電路 實時時鐘芯片（D

45、S1302）1. 概述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31×8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/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。2. 接口說明DS1302是一個三線接口的器件，是通過串行方式與控制器通信的，它的信號線有：復(fù)位

46、信號；時鐘信號；數(shù)據(jù)輸入輸出信號。通過在時鐘信號線上產(chǎn)生8個連續(xù)的時鐘脈沖完成一個字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸。它與ARM直接連接。3. 應(yīng)用電路DS1302的作用是在存儲數(shù)據(jù)時能提供時間基準(zhǔn)，以便讓用戶知道數(shù)據(jù)的具體存儲時間。設(shè)計時為其配備兩個電源，主電源是系統(tǒng)正常工作時的+5V電源，備用電源是在系統(tǒng)掉電時保證DS1302能夠繼續(xù)運行，備用電源由電池充當(dāng)。其應(yīng)用電路圖如圖3-7所示。圖3-7 DS1302應(yīng)用電路圖3.2 從機硬件設(shè)計從機工作原理1. 單片機使用片內(nèi)AD對傳感器的輸入進行采樣分析，通過液晶顯示；2. 單片機控制無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，工作頻率433MHz；3.2.2 C8051F330使用

47、I/O分配具體I/O口分配情況請見圖3-8。圖3-8 C8051F330管腳分配圖3.2.3 C8051F330調(diào)試下載接口及復(fù)位電路設(shè)計C8051F330的調(diào)試下載與復(fù)位電路不同于平常的8051單片機，C8051F330的調(diào)試下載采用的是C2調(diào)試接口，集程序下載和調(diào)試與一身，能方便的使用Keil軟件進行在線調(diào)試；而復(fù)位電路采用低電平復(fù)位，正常情況下，由一個上拉電阻將復(fù)位引腳拉高，當(dāng)按鍵按下時復(fù)位引腳為低電平，單片機復(fù)位。其接口電路如圖3-9所示。圖3-9 C8051F330調(diào)試下載接口及復(fù)位電路3.2.3 從機電源設(shè)計從機（監(jiān)控節(jié)點）需要使用兩種電壓（+3.3V、+5V），所以我們采用+9V

48、-+15V輸入，適用兩種穩(wěn)壓芯片（LM7805、AM1117-3.3）。1. 穩(wěn)壓芯片簡介（1） LM78057805是常見的三端穩(wěn)壓集成電路，是正電壓輸出的，三端是指這種穩(wěn)壓只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO-220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用7805組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓型號中的78后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7805表示輸出電壓為正5V。 在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的

49、條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。（2） AMS1117-3.3a 概述AMS1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號。AMS1117提供電流限制和熱保護。電路包含1個齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。AMS1117系列具有LLP、TO-263、SOT-223、TO-220和TO-252 D-PAK封裝。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。b 特性l 提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V和可調(diào)電壓的型號l 節(jié)省空間的SOT-223和

50、LLP封裝l 電流限制和熱保護功能l 輸出電流可達800mA 線性調(diào)整率：0.2% (Max) 負載調(diào)整率：0.4% (Max)l 溫度范圍：-401252. 電源設(shè)計節(jié)點的電源不僅可以變壓器提供的9V直流電，而且可以使用電池提供的電源，所以設(shè)計了兩個電源插座。9V的電壓進入到LM7805中，由LM7805降壓后穩(wěn)定在5V，再將5V電壓接入AM1117中，由AM1117降壓，將輸出電壓穩(wěn)定在3.3V。其中5V電壓提供給火焰?zhèn)鞲衅骱蜐穸葌鞲衅魇褂茫?.3V則提供給單片機、無線、Nokia5110液晶及濕度傳感器等。系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換電路圖如圖3-10所示。圖3-10 監(jiān)控節(jié)點電源設(shè)計電路圖3.2.4

51、 Nokia5110液晶NOKIA5110是諾基亞公司生產(chǎn)的可用與NOKIA5110、6150、6100等系列移動電話的液晶顯示模塊。1. Nokia5110液晶特點：（1） 84*48的點陣LCD，可以顯示4行漢字；、（2） 采用串行接口與主控制器進行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線只有八根；（3） 支持多種串行通信協(xié)議，傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間；（4） 可通過導(dǎo)電膠連接模塊與印刷板，而不用連接電纜；（5） LCD控制器/驅(qū)動器芯片已綁定到LCD晶片上，模塊體積很小；（6） 采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200uA一下，且具有掉電

52、模式。2. Nokia5110液晶應(yīng)用電路Nokia5110與單片機是通過串行方式連接的，其有5根信號線，分別為：復(fù)位信號線；片選信號線；命令/數(shù)據(jù)選擇信號線；時鐘信號線；數(shù)據(jù)輸入信號線。由于I/O資源緊張，使用一個按鍵來控制它的背光。其連接電路圖如圖3-11所示。圖3-11 5110LCD與主控制器連接電路圖3.2.5 火焰?zhèn)鞲衅?. 火焰?zhèn)鞲衅鲗嵨飯D火焰實物圖如下圖3-12所示。圖3-12 火焰?zhèn)鞲衅鲗嵨飯D2. 火焰?zhèn)鞲衅魇褂么藗鞲衅骶哂袃?yōu)良的火焰探測性能，可根據(jù)可見光和遠紅外光強弱變化輸出電平的大小。其輸出端口是一個四針的插頭，其中黑色線為地線、紅色線為電源線（+5V）、黃色線和棕色線為信號線，其中黃色線用于輸出測量的遠紅外光強度電平；而棕色線用于輸出可見光強度電平。在本設(shè)計中僅使用到遠紅外光檢測，因此使用三線接口，將黃線接到單片機的一個I/O口上，使用單片機內(nèi)部的ADC進行A/D轉(zhuǎn)換從而獲得電壓值，進而獲得遠紅外光的強度。C8051F系列單片機是工作在3.3V的，火焰?zhèn)鞲衅鞯淖畲罂赡茌敵鲭妷嚎蛇_4.8V，雖然C8051F系列單片機的端口可以承受5V的電壓，但對于ADC來說無