毕业论文静电放电(ESD)器件的模拟与研究【已修改】

2021-09-19 08:44:49 本页面

文章配图

  

【正文】 用一条交叉的两头是公头的线连接即可通讯.GSM开发板如图
5-2所示,电阻是10k.从图中可以看出单片的IO口使
用了P0口、P1口、、、、、、.每个口的具体作用将在后
面的模块中做具体解释.
图5-1单片机的PROTEL原理图
TC35模块
本设计中所使用的手机模块是网上买的西门子TC35[7]的GSM开发板,单片机的最小系统是
复位电路和晶振电路.晶振采用的是ME830实验板相同的,这5个模块缺
一不可.下面对这些模块进行介绍.
模块介绍
单片机模块
用PROTEL画出的单片机原理图如图5-1所示,发送短信;矩阵键盘键入号码并可
以确定发送短信及返回到初始状态;LCD1602负责显示键入的号码,
此报警模拟信号用按键来代替.当按键K1按下时表示收到报警信号程序开始做出相关操
作;当按键K2按下时跳出循环,必定可以读出一对唯一的行值和列值[3].
根据上述线反转法的工作原理编写的实现程序流程图如下图4-4所示.
图4-4按键扫描及处理程序流程图
接收报警信号及控制向哪种号码发送短信的程序的实现
当接收到由下层传感系统发送上来的报警信号后,再读取行线的输入值.那么在闭合键所在的行线上的值
必定为0.这样,则必然使某1列线值为0.然后
将行线和列线的输入输出关系互换(重新设置输入输出口的状态),列线作为输入线.先通过行线输出全
“0”信号,值暂
存在NUM[]

确定键
发送手机号

清除键
返回到
contronler()
Y
N
结束
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线与列线均需有上拉电阻,该方法比行扫描法速度要快,也可以采用专用的可编程键盘显示器接口8279.
非编码式键盘一般采用行列式结构并按矩阵形式排列.非编码式键盘识别闭合键通常
有两种方法:一种称为行扫描法,
键盘管理程序的编制也比较复杂.
单片机中普遍使用的是非编码式键盘.这类键盘在使用时要注意键的识别、如何消除
键的抖动、键的保护等三个问题.其中最主要的是键的识别问题.对于键的识别,但是价格较贵.非编码式键盘
主要由软件产生被按键的编码.它结构简单、价格便宜,正因为如此它不能显示图形.本课
题中只需要显示手机号码和键入提示字符,每个点阵字符位都可以显示一个字符.每位之间有一个点距的间隔,1602液晶也叫1602字符型液晶.它是
一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块,所以在此定义了一个向GSM网络发送字
符格式数据的程序.
voidtxdata(unsignedchardat)
{
SBUF=dat;//发送数据
while(!TI)
;
//等待数据发送完中断,可以直接向GSM网络发送字符串,此时不能像向固定号码发送短信一样,适合发送短信内容为中文
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Delay_ms(20);
send_str(str5);//定义发送短信长度
Delay_ms(20);
send_str(str6);//发送短信中心等信息
send_str(num);//发送目的手机号码
send_str(str16);//发送报警提示内容
send_str(str7);//发送短信结束标志
}
向临时键入号码发送短信的程序实现
由于向临时键入号码发送短信存在人机交互即键入和显示问题,握手成功后开始向网络发出确定数据的发送格式为中文的
AT指令,CPU从SBUF读出数据,CPU向SBUF写入数据,
在物理结构上是完全独立的.它们都是字节寻址的寄存器,一个是发送寄存器,然后向CPU发送中断请求,向串口发送中断,所以当是发送中断请求时不进行处理
{
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TI=0;//清除发送中断标志位
}
if(RI)//接收中断请求,设计中不需要进行短信息的接收,关闭中断
是为了防止时序紊乱.
voidSerial_Int()interrupt4//串口中断处理函数
{
ES=0;//关串口中断,取消此中断请求.发
数据的时候要先将ES置0关闭串口中断,向CPU发中断请求,取消此中断请求.RI是接收中断标志位,串行发送停止位
的开始时由内部硬件使TI置1,硬件部分叫
做硬件装置,它在系统中起着通信网络作用,因此,这个过程叫做中断.中断系统是计算机的重要组成
部分,转去执行中断服务程序,所以
在使用前进行初始化是非常必要的.
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voidSerial_Init(void)//串口初始化函数
{
SCON=0x50;//设定串口工作方式1,想要单片机进行一些操作时要对其进行初始化,
主要是设置产生波特率的定时器1,这意味着串口通信在数据线上的采样率为9600Hz.波特率可以远远大于这些值,它是一个衡量
通信速度的参数,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据.其
他线用于握手,(2)发送,但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据.它很简
单并且能够实现远距离通信,串口按位(bit)发送和接收字节,速归!”.
(6)charcodestr7[]="\x1a";//短信发送结束标志,可以固定不变的两位;10:短信
内容长度;5BB667095F025E38FF0C901F5F52FF01:中文短信的PDU码显示,号码后加
一个F组成12为代码然后对其每两位号码进行对调;1100:发送短信的编码方式;0D:
目的手机地址长度;9168:与前面相同,计算方法为中文PDU码长度的1/2加上15
(4)charcodestr6[]="0891683108500105F011000D9168";
//08:短信中心地址长度;91:短信中心号码类型;68:中国地区代码;3108500105F0:
短信中心号码13800510500F,此时可以对LCD执行写操作,RW=L,此时可以对LCD执行写操作,RW=L,
写入0x0c,写入
0x06,写
入0x01,写
入0x08,写
入0x38,对LCD进行初始化,显示光标,显示位置右移一位;0x0c,
显示地址递增,要对其进行一些指令格式操作.一般普遍被使
用的初始操作为:0x38,想要在LCD1602屏幕的
第一行第一列显示一个字符(如“A”),里面只需要修改短信
中心号码和接收方号码.通过对这段程序的研读与理解和对AT指令的学习最后编写出了
满足本设计要求的接收到报警信号后发送中文短信的程序.
程序流程图

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主程序流程图
图4-1主程序流程图
LCD1602显示屏的初始化流程图
LCD1602显示屏内部的控制芯片HD44780内置了DDRAM(显示数据存储RAM)、
CGROM(字符存储ROM)和CGRAM(用户自定义RAM).
DDRAM就是显示数据RAM,通过
一些键值的修改和标志位的设置等修改,并且具有体现人机交互界面的程序.
根据要求程序大体分为三大部分:
(一)实现向固定手机号码发送报警提示信息;
(二)实现向临时键入手机号码发送报警提示信息并用LCD显示键入的手机号码;
(三)控制向固定号码或者临时号码发送信息.
程序的编写过程中也参考了一些现有的小程序:
(一)串口初始化的程序参考的单片机课程中给的那些实验中的程序并进行了相应的
一些与主程序连接过程中的修改;
(二)LCD显示与外键盘键入的程序在单片机课程的实验中也都有所介绍,如图3-4所示.
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图3-4PDU短信编码器
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第4章系统软件设计
程序编写思路
本设计要求在接收到报警信号后即刻向特定号码发送提示报警短信,只
要写入想要发送的中文信息,必须用16bits进行编码,比如图片和铃声等;当
使用16bits编码时,最多可以发送140个字符,这是GSM的默认的英文编码方式,速归!”)
短消息的编码方法
短消息是由ETSI组织制定的一个规范(和),点对点方式
08表示编码方式,用国际式号码(前加“+”)
685100166861F6目的地址即接收方号码
00表示协议标志,共8个8位字(包括91)
91短信中心号码类型
683108500105F0表示短消息中心地址(实为+8613800510500,速归!”给手机号码15006186166的
用户,后来考虑到设计的目的及以后的使用环境最后改成PDU模式来
发送报警信息.
PDU包协议格式
用PDU模式发送短消息数据包是以,这样
得到GSM网络发送来的原始数据[10].
本设计的要求是发送中文或英文报警信息,要转换成8位的十六进制形式的7-bit编码,需经过提取得到7-bit编码的有用数据.然而,以PDU数据包的形式发送.接收到的数据是以7-bit的编码
形式存储在TC35模块或SIM卡内,UCS2编码用于发送Unicode字符.在消息发送前,PDU模式收发短信可以使用3种
编码:7-bit、8-bit和UCS2编码.7-bit编码用于发送普通的ASCII字符,它是在AT命令集的数据段中直接采用协议数据单元(PDU)来完成短消息的控制,不方便;
(3)PDU模式
PDU模式也是采用AT命令集来控制移动终端设备的短消息功能,直观易用,目前使用较少;
(2)TEXT模式
TEXT模式是一种利用文本信息来控制移动终端设备短消息功能的接口协议,但此模式复杂
且不直观,GSM协议中提供了3种接口协议,控制SMS消息的接收与发送.
天线插口
GSM射频部分
Flash
GSM基带处理器
电源ASIC
40

脚ZIP



SIEMENSGSM模块TC35天线
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本设计中只用到的AT指令如表3-1所示.
表3-1短消息AT指令
AT指令功能
AT+CSMS选择消息服务.支持的服务有GSM-MO、SMS-MT、SMS-CB
AT+CMGF优先信息格式.执行格式有TEXT方式和PDU方式
AT+CMGS发出信息
短消息工作模式
短消息是由欧洲电信标准委员会所制定ETSI的一个规范,数据终端设备
可以使用GSMAT指令通过串口向GSM模块发送各种命令.单片机与GSM模块之间采
用RS-232连接,提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口.在短消息模
块收到网络发来的短消息时,所以直接使用外部的输
入电压Vbatt+.Flash用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息[8].本设计中将用
户的号码信息存在单片机中,这就对供电电路提出了较高的要求.GSM模
块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压Vbatt+进行稳压处理后供
GSM基带处理器和GSM射频部分使用,空闲时电流小于
,它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器(upconversion
modulationlooptransmitter)、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成,从功能上看主要由4部分组成:GSM基带处理器
(BasedbandProcessor)、GSM射频部分、电源ASIC(ApplocationSpecificIntegratedCircuit)、
Flash.GSM基带处理器是整个模块的核心,支持
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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,软件流量控制用XON/XOFF,波特率在300bps~115kbps
之间可选,它有固定的参数:8位数据位和1位停止位,32为SYNC;16~23位数据输入/输出分别为DSR0、
RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0.
图3-2TC35引脚图
TC35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,
30为RTCbackup,当TC35通电后必须给IGT一个大与100ms低电平,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,13为外输出电压(供外电路使用),6~10为电源地GND,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,存放-30~+85°C;
(8)SIM电压:3V/;
引脚功能:TC35共有40个引脚如图3-2所示,峰值,自动波特率~115kpbs;
(6)电流消耗:空闲模式小于,其ZIP接口可提供控制、数据接口,与外界的传输媒介为GSM(全球移动通讯系统)网络.模
块配有与GSM网络的通信接口(接收器、发送器和外置天线),适用的范围包括便携式电脑的低功耗通信设备、遥测遥感、远
程信息处理和通信等工业领域.本设计正好需要无线传输数据,并且已经有国内的无线电设备入网证.它设计小巧、功耗低,在本设计中起着至关重要的
作用.本设计使用TC35GSM模块,它的电源电压的范围要更大些,而TC35I工作电压是,TC35的供电范围较宽,TC35和TC35i的区别主要是后
者使用了环保材料,所以最后本设计选择使用此波特率进行串口通信.
本设计为实现单片机控制TC35模块向手机发送信息,定时器1工作于方式1,实际使用
时可以改成9600或.同时考虑到本设计中使用的单片机AT89S52的晶振为
,首次连机可以从2400~不断测试,可以工作在900MHz和1800MHz两个频段,如若存在问题可进行再次的编写调试以达到想要的结果.
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第3章GSM模块TC35概述
GSM网络介绍
GSM是一个蜂窝网络,可直接点击界
面中的DownloadtoFlashMemory按钮.
图2-10HEX文件的下载仿真
通过以上七个步骤就能后将编写好的程序下载到单片机中,如图2-7所示
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图2-7添加程序文件到工程中
5.程序的编写与调试成功的界面显示如图2-8所示
图2-8程序的编写与调试界面
6.选择生成HEX文件如图2-9所示
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图2-9HEX类型文件的生成方法
7.再次编译后将HEX文件下载到单片机中进行仿真,如图2-5所示
图2-5新建工程的保存格式
3.选择单片机类型,新建一个工程,故该仿真器仍可
插入到扩展有外部ROM(其CPU的/EA引脚接至低电平)的目标系统中使用.
我们用的是是深圳硕飞科技有限公司的ME830单片机开发实验仪如图2-3所示,所以仿真时只能使用片内ROM,但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频
率的晶振.
2.仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片,生成绝对目
标模块.
5.LIB51库管理器:从目标模块生成连接器可以使用的库文件.
6.OH51目标文件至HEX格式的转换器,容易理解[5].
KeilC51开发系统的主要功能
KeilC51集成开发环境的主要功能[5]有以下几点:
1.µVision2forWindows:是一个集成开发环境,就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常高,全Windows界面.另外重要的一点,因而易学易
用.Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等
在内的完整开发方案,
与汇编相比,EA应该接VCC.在flash编程期间,PSEN将不被激活.
EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号.为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器
读取指令,PSEN在每个机器周期被激活两次,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令
时有效.否则,通过将地址为8EH的
SFR的第0位置“1”,在每次访问外部数据存储器时,可用来作为外部定时器或时钟使用.然而,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲.在一般情况下,复位高电平有效.
本设计中要对串口进行初始化所以需要使用到复位键.
ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位.看门
狗计时完成后,当
K2按下时可以键入临时想要加入的手机号码,当K1按下时相当于接收到外部报警信号,P3口也接收
一些控制信号.
表2-2P3口第二功能
引脚号第二功能
RXD(串行输入)
TXD(串行输出)
INT0(外部中断0)
INT0(外部中断0)
T0(定时器0外部输入)
T1(定时器1外部输入)
WR(外部数据存储器写选通)
RD(外部数据存储器写选通)
本设计中使用了;
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部中断,将输出电流(IIL).P3口亦作为
AT89S52特殊功能(第二功能)使用,此时可以作为输入口使用.作为
输入使用时,P3输出缓冲器能驱动4个TTL
逻辑电平.对P3端口写“1”时,输入MPU选
择读/写模块操作信号;端口6是使能信号输入端,LCD的端口4是寄存器选择输入
端,P2口输出
P2锁存器的内容.在flash编程和校验时,P2口送出高八位地址.在这种应
用中,内部上拉电阻把端口拉高,时钟输出
T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)
MOSI(在系统编程用)
MISO(在系统编程用)
SCK(在系统编程用)
P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,通过程序控制每个按键按下后的返回值,具体如表2-1所示.在flash编程和校验时,此时可以作为输入口使用.此外,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻
辑电平.对P1端口写“1”时,LCD的7~14口是数据输入/输出口,输出指
令字节.程序校验时,
P0具有内部上拉电阻.在flash编程时,引脚用作高阻抗输
入.当访问外部程序和数据存储器时,本课题设计中使用的是直插式的封装,单
片机一切工作停止,RAM内容被保存,CPU停止工作,AT89S52可降至0Hz静态逻辑
操作,全双工串行口,三个16位定时器/计数器,看门狗定时器,256字节RAM,拥
有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,与工业80C51产品指令和引脚完
全兼容.片上Flash允许程序存储器在系统可编程,实验室的开发板使用的芯片是AT89S52.
AT89S52单片机简介
AT89S52单片机概况
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,但作
为集CPU、RAM、ROM(或EPROM)、I/O接口、定时器/计数器、中断系统为一体的单片
机,几百个品种.尽管其各具特色,如:Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、ADM、
Zilog等公司,构成一个完整的微型计算机.随着大规模集成电路技术的发展,早期的功能实现都是通过Keil编程环境进行编
程调试,
短信息发送提供无线接口.传感器一旦感应到危险情况就会将危险信号转换为高低电平通
过引脚传递给单片机,它是由西门子公司推出的GSM无线调制解调器,负责接收传感器传送上来的报警信
号,分析后传送报警信号
的部分不是本设计中的内容,矩阵键盘和供电电源
块组成,GSM模块TC35,直到达到课题预期结果.
在课题的后期,及手机模块的结构、工作原理等理论知识深入了解;
(2)分析电路,做到能够熟练地对单片机进行操作.
在课题的中期阶段,熟悉单片机操作步骤,然后
建立开展课题的切入点与思路.同时,了解其原理与机制,并能向这些实时键入的号码发送报警短信.
课题的研究方法和步骤
在课题的前期,在键盘上输入号码,扩展了键盘和显示器,向单片机传送一个报警信号,
不需要担心切断电话线、恶意占线、维修复杂且价格昂贵等问题.无线通讯可以通过GSM
网络用最直观的中文短消息方式直接把报警信息反映到手机屏幕上.
针对有线、无线通信方式的优、缺点,具有非常重要而深远的意义.
本课题的研究内容
无线通讯不再依赖有线电话执行报警,促进经济的繁荣,积极探讨安防行业的发展问题,即探索安全技术防范的发展规律和方向的阶段.近两年来,为用户提供装备有先进的安防系统的智能化住宅.
“安全技术防范”作为一个专业领域,如微软公司投资一家ltran公司,智能社区的安防建设显得越来越重要,网络架设和维护费用很高,报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发
展.而各种防盗报警系统之间的主要区别是在于如何让分机与主机、分机与用户之间进行
即时通讯.目前市场上常见的防盗报警系统的通信方式有固定电话拨号、以太网、集群系
统等等.但它们有各自的缺点:
(1)固定电话拨号容易被盗贼在入室偷窃之前就切断电话线或恶意占线.
(2)以太网同样面临着线路被切断的隐患,它大大提高了居民自身的安全感,人们越来越迫
切要求能够有有效的措施可以满足他们日益增长的对安全防范程度和强度上的要求.
为了更有效地保证居民的生命和财产安全,一方面是不法分子趁居民外出不在家中时入室偷窃;另一
方面就是当居民不在家时发生意外火灾,许多现代化的住宅小区在
全国范围内兴建.我国工业的快速发展、城市外来人口的增加、煤气和大量家用电器设备
使用等生活环境中存在的一些不安全因素,因此在远程控制中得到了广泛的应用
[1].
本系统使用单片机AT89S52和GSM模块TC35实现家庭安防短信报警功能.
课题的研究背景及意义
近些年来,主要提供语音、短消
息、数据等多种业务,家庭防
盗、防火和自身安全等问题越来越受到人们的重视.为了满足人们的需求,人们的生活水平不断提高,howtotest
theintegratedcircuit'sabilitytopreventfromthestatic,theresearchonESDprotectiondesignhasattractedmoreand
moreattention.TheapplicationsofsimulationtoolsonESDareamakethedesignofESD
protectiondevicesmoreconvenient,andgreatlyshortenthedevelopmentcycle.
ThispaperparticularlyexplainshowESDesfrom,anditisalsooneofthemostdifficultproblemsofdevelopingnew
generationtechnology,双击型晶体
管,网格,SentaurusTCAD,针对每一种不收敛状况提出相应的解决
方案。
了ESD过程中的物理机制及其ESD仿真中描述这些物理机制所要用到的
物理模型。
,展开了对ESD防护器件的研究,
本文详细阐述ESD的来源、造成的危害以及讨论如何测试集成电路的防静电冲击能
力,仿真
工具在ESD领域的应用使得ESD防护设计的研究便得更为便利,已经成为开发新一代工艺技术的难点,
编号
本科生毕业设计(论文)
题目:静电放电(ESD)器件的模拟与研究
物联网工程学院微电子学专业
学号0301100124
学生姓名刘素珍
指导教师梁海莲
二〇一四年六月
摘要
I
摘要
ESD(静电放电)是影响集成电路可靠性的主要因素之一,存在于生产到使用的每一个
环节,对ESD的研究也因而越来越受到重视,大大缩短了研发周期。又基于SentaurusTCAD平台,研究内容包括:
。并对描述同一物理机制的的各种不同
模型展开对比分析。
ESD仿真中各种收敛问题的产生原因,
关键词:静电放电,静电放电模型,器件仿真,可控硅
目录
i
ABSTRACT
ESDisoneofthemostimportantreliabilityproblemsofICproductswhichliesinevery
flowofICproduction,therefore,whatharmwillbring,alsoconcentratesonthesimulationof
ESDprotectiondevices,basedontheSentaurusTCADthemaincontentofthis
paperinclude:
First,thispaperpointsouttheimportanceofmeshdefinitioninprocesssimulation.
Second,physicalmodelsandfunctionsusedindevicesimulationareanalyzed.
Third,thephysicalmechanismsrelatedareinvestigatedwhenESDhappens,andtherelevant
physicalmodelswhichshouldbechosenindevicesimulationarelisted.
Forth,convergenceproblemscausedbydifferentreasonsarediscussed,andthesolutionsare
presented.
Keyword:ESD;SentaurusTCAD;ESDmodels;Grid;Devicesimulation;BJT;SCR
目录
ii
目录
第1章绪论..........................................................................................................1
课题的研究背景及意义...................................................1
国内外概况.............................................................1
本课题的研究内容.......................................................2
课题的研究方法和步骤...................................................2
第2章总体方案设计及设计软硬件环境概述...................................................3
总体设计方案...........................................................3
单片机概述.............................................................3
AT89S52单片机简介.....................................................4
AT89S52单片机概况..........................................................4
AT89S52引脚功能............................................................4
软件编程环境...........................................................6
keil软件开发系统介绍.......................................................6
KeilC51开发系统的主要功能..................................................6
目录
iiiiii
Keil运行界面及操作步骤.....................................................7
第3章GSM模块TC35概述.............................................................................11
GSM网络介绍..........................................................11
TC35模块.............................................................11
TC35模块概述..............................................................11
TC35主要技术指标及引脚功能................................................12
TC35数据接口..............................................................12
TC35系统结构..............................................................13
AT指令及PDU工作模式.................................................13
AT指令简介................................................................13
短消息工作模式............................................................14
PDU包协议格式.............................................................14
短消息的编码方法..........................................................15
第4章系统软件设计........................................................................................17
程序编写思路.........................................................17
程序流程图...........................................................17
主程序流程图..............................................................18
LCD1602显示屏的初始化流程图...............................................18
程序中涉及的AT指令及短信编码的说明..................................20
串口的定义初始化及串口中断处理函数...................................20
串口初始化函数............................................................20
串口中断处理函数..........................................................21
向固定号码发送报警信息的实现程序.....................................22
向GSM网络发送字符串数据..................................................22
向固定目的手机发送中文报警信息.............................................22
向临时键入号码发送短信的程序实现.....................................23
向GSM网络发送字符数据函数................................................23
LCD显示及向临时键入号码发送报警短信函数...................................23
按键扫描及键值处理的实现..................................................24
接收报警信号及控制向哪种号码发送短信的程序的实现.....................25
第5章系统硬件设计及设计功能验证.............................................................27
硬件简介.............................................................27
模块介绍.............................................................27
单片机模块................................................................27
TC35模块.................................................................27
目录
iv
LCD1602模块...............................................................28
按键模块...................................................................29
串口模块...................................................................30
功能实现的验证........................................................31
第6章结论与展望............................................................................................35
结论及不足之处........................................................35
未来展望..............................................................35
参考文献.............................................................................................................37
致谢.................................................................................................................39
附录A:完整的程序........................................................................................40
基于GSM模块的家庭安防手机短信报警系统设计与实现—偏软
1
第1章绪论
随着经济和电子科技的发展,住房条件逐渐改善,智能家居、安
全防盗系统、家庭安防系统等产品逐渐上市.家庭安防成为当今社会备受关注的热点之一.
GSM网络是基于时分多址技术和频分多址技术的通信网络体系,具有传输快、费用低等优点,随着我国国民经济和人民生活水平的不断提高,对小区居民的生命和财产造成了很大的威
胁.其威胁主要包括两大方面,或者煤气泄漏等危险情况.因此,在家中和小区内引入智能化的手段—家庭
安防系统来进行安全防范管理已经成为广大住户的迫切希望.家庭安防系统是指通过各种
报警探测器、报警主机、摄像机、读卡器、门禁控制器、接警中心及其它安防设备为住宅
提供入侵报警系统服务的一个综合性系统.该安全防范系统是家庭、住宅小区防范外来侵
害和自然灾害的一种最重要的、最有效的手段,已成为
社会治安的一个重要组成部分[2].
随着电子技术的飞速发展,且不易普及.
(3)集群系统功耗很大,而且需要购买固定的频点.
国内外概况
在网络经济时代的大潮中,国外的许多大公司
已进入到该领域中,专门从事家庭安防和家庭自动化方式
的开发设计;IBM公司与建筑商合作,在国内也已经历了二十多年的发展历程.它的
发展历程分为三个阶段:1979-1983年为起步阶段:1984-1996年为发展阶段;1997年以后
为提高阶段,安防行业又有了
江南大学学士学位论文
2
进一步的发展.在我国加入WTO的形势下,对于维护社
会治安稳定,保障人民生活的幸福,而是借助最可靠、最成熟的GSM移动网络,本文设计了一个基于GSM短信模块的家庭无
线防盗报警系统.
本设计基于AT89S52单片机通过串口控制GSM无线收发模块实现家庭安防系统中的
手机短信报警功能.通过传感系统检测到家中的异常情况,
单片机收到该报警信号后通过AT指令控制TC35模块向指定的号码发送报警信息.让家
庭防盗更及时、使用更方便.
本设计还在GSM演示模块上,通过编程可以模拟手机交互界
面,同时在LCD上显示,进行大量的知识积累:通过查阅文献掌握GSM网络和TC35模块的基
础知识和研究现状,了解手机模块的结构、功能及使用方法等,学习相关软件,查阅相关开
发板使用说明书,围绕课题进行以下几个方面的研究:
(1)对GSM网络的基础知识,根据所需功能使用keil软件进行编程并验证;
(3)根据验证结果对程序实现功能进行修改,再次对所完成的作品进行功能演示及验证以满足课题要求.最终完成
论文书写、进行答辩.
基于GSM模块的家庭安防手机短信报警系统设计与实现—偏软
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第2章总体方案设计及设计软硬件环境概述
总体设计方案
本设计主要由单片机AT89S52,LCD显示屏,系统总体设计图如图2-1所示.其中传感器感应危险情况,这部分由另一组同学完成.
AT89S52单片机是整个硬件系统的核心控制部件,接收到报警信号后控制TC35模块向目的手机发送中文报警信息.TC35是实现无线数
据传输的关键器件,主要为语言传输,单片机接收到报警信号后开始控制TC35模块向提前编写在程序中
的手机号码发送报警信息.LCD及键盘模块是为了实现能够向临时键入的手机号码发送演
示报警短信.
图2-1系统总体设计图
单片机概述
本课题所设计的系统以单片机为依托,调试通过后下载到ME830开发板上的单片机中验证功能是否符合设计要求.
单片微型计算机(SingkeChipMicroputer)简称单片机.它把组成微型计算机的各功
能部件:中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、可编程存储器EPROM、
并行及串行输入输出I/O接口电路、定时器/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体
芯片上,单片机内还可包
含A/D、D/A转换器、高速输入/输出部件、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件.
目前世界上单片机生产厂商很多,其主流产品有几十个系列,名称各异,其原理大同小异[3].
AT89S52
报警信号
GSM模块
TC35
电源部分
用户手机红














LCD显示器
矩阵键盘
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本课题设计中使用的单片机是ATMEL公司的AT89S52.主要原因是本设计中使用的单
片机开发板是实验室现有的,具有8K在系统可编程Flash存
储器.使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,亦适于常规编程器.在单芯片上,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提
供高灵活、超有效的解决方案.AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,
32位I/O口线,2个数据指针,一个6向量2
级中断结构,片内晶振及时钟电路.另外,支持2种软件可选择节电模式.空闲模式下,允许RAM、定时器/
计数器、串口、中断继续工作.掉电保护方式下,振荡器被冻结,直到下一个中断或硬件复位为止[4].
AT89S52引脚功能
AT89S52的引脚封装有3种,如图2-2所示.
图2-2AT89S52引脚图
其中引脚定义[3]如下:
VCC:电源
GND:地
P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口.对P0端口写“1”时,P0口也被作为低8位地址/数据复用.在这种模式下,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,需要外部上拉电阻.
本设计中将单片机的P0口与LCD的7~14位相连,是
MPU与模块之间的数据传送通道.
基于GSM模块的家庭安防手机短信报警系统设计与实现—偏软
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P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,内部上拉电阻把端口拉高,
/计数器2的外部计数输入()和时器/计数器2的触发输入
(),P1口接收低8位地址字节.
本设计中将P1口与矩阵键盘相连,这样就可
以实现本设计中要求的可以向临时键入的号码发送报警演示信息.
表2-1P1口第二功能
引脚号第二功能
T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),P2输出缓冲器能驱动4个TTL
逻辑电平.对P2端口写“1”时,此时可以作为输入口使用.在访
问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口使用很强的内部上拉发送1.在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号.
本设计中使用了~LCD的4,5,6口相连接,输入MPU选择模块内部寄存器类型信号;端口5是读写控制输入端,输入MPU读/写模块操作使能信号.
P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,内部上拉电阻把端口拉高,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,如表2-2所示.在flash编程和校验时,K1,K2,此时可以向刚刚的手机号码发送报警演示信
息.
RST:复位输入.晶振工作时,RS脚输出96个晶振周期的高电平.特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的
DISRTO位可以使此功能无效.DISRTO默认状态下,锁存低8位地址
的输出脉冲.在flash编程时,ALE
以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,特别强
调,ALE脉冲将会跳过.如果需要,ALE操作将无效.这一位置“1”,ALE将被微弱拉高.这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)
的设置对微控制器处于外部执行模式下无效.
PSEN:外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号.当AT89S52
从外部程序存储器执行外部代码时,而在访问外部数据
存储器时,EA必须接GND.为了执行内部程序指令,
EA也接收12伏VPP电压.
XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端.
XTAL2:振荡器反相放大器的输出端.
软件编程环境
keil软件开发系统介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起.运行
Keil软件需要WIN98、NT、WIN2021、WINXP等操作系统.KeilC51软件提供丰富的库
函数和功能强大的集成开发调试工具,只要看一下编
译后生成的汇编代码,多数语句生成的
汇编代码很紧凑,它将项目管理、源代码编辑和程序调
基于GSM模块的家庭安防手机短信报警系统设计与实现—偏软
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试等组合在一个功能强大的环境中.
2.C51国际标准化C交叉编译器:从C源代码产生可重定位的目标模块.
3.A51宏汇编器:从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块.
4.BL51链接器/定位器:组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块,从绝对目标模块生成IntelHex文件.
7.RTX-51实时操作系统:简化了复杂的实时应用软件项目的设计.
使用独立的Keil仿真器时要注意:
1.仿真器标配的晶振,不复位目标系统.
真芯片的31脚(/EA)已接至高电平,不能使用
片外ROM;但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连,它是
一款具有“实验仪、编程器、仿真器、ISP下载线”四功能合一的单片机开发实验系统.方
便了我们的开发过程.
图2-3ME830单片机开发板
Keil运行界面及操作步骤
1.打开Keil界面,方法如图2-4所示
硕飞科技最
新开发的真

口ICE52专
业仿真器和
编程器(板
载)
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图2-4Keil开始运行界面
2.将新建工程保存为后缀名为.c的文件,选用Atmel公司的AT89S52.如图2-6所示
图2-6单片机的类型选择
4.将之前所建的.c文件添加到工程内,如图2-10所示,然后验证程序所实现的功
能是否正确,也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单
元区域.GSM网络运行在多个不同的无线电频率上[6].本设计中使用的TC35模块的
工作电压为—,TC35的默认波
特率,直到TC35有应答,串口波特率系数SMOD=1,由此计算出的
串口波特率为9600,其中信息的发送要借助于
GSM网络.
TC35模块
TC35模块概述
现在市面上有TC35和TC35i两种模块可以选择使用,而且电源电压的范围不一样,可直接用5V供
电,所以TC35i要稍贵一些.如果只是发短信的话用TC35
就行,更方便与需要5V电源的单片机一起使用.所以本
设计最后决定选择使用TC35来完成设计要求.
TC35模块作为用户手机和单片机之间数据交换的桥梁,蜂窝通信引擎TC35是Siemens推出的一种无线通信
模块,可以为很多通信应用
提供经济高效的解决方案,因此采用这种模块是比较
合适的.
TC35模块能提供数据传输,同时配有与数据终端的通
信接口(可通过单排40引脚的ZIP连接),语音及电
源供给线[7].TC35模块如下图3-1所示.
图3-1TC35模块
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TC35主要技术指标及引脚功能
TC35的主要特性与技术指标[8]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;
(4)电源电压:单一电压~;
(5)波特率:可选波特率300bps~115kbps,语音模式平均300mA,掉电模式
100μA;
(7)温度范围:正常操作-20~+55°C,通过一个ZIF(ZeroIn-sertionForce)连
接器引出.这40个引脚可以划分为5类,其中1~5为电源电压输入端Vbatt+,
11、12为充电引脚,14为ACCU_TEMP接负温度系
数的热敏电阻;24~29为SIM卡引脚,15为
点火线IGT(Ignition),模块才能启动,31为Powerdown,它符合ITU-TRS232接口
标准,无校验位,硬件握手信号用RTS0/CTS0,CMOS电平,可以使它处于语音、数据、
短消息或传真模式[8].
本设计中使用AT命令将操作模式切换为短消息模式.
TC35系统结构
TC35模块内部结构如图3-3所示,它由一个C166CPU处理器内核和一个DSP
处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程.GSM射频部分是一个
单片收发器SMARTi,
共同完成对射频信号的接收和发送等处理.GSM模块电流变化非常大,而在通话期间电流最大可达,此外它还输出一个
其他电路使用.GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高,未使用到TC35模块中的Flash.
图3-3TC35模块内部结构
AT指令及PDU工作模式
AT指令简介
TC35GSM模块提供的命令接口符合和规范.中定义
的ATCornmand接口,能够通过串口向数据终端设备发送指示消息,采用AT指令[9]实现相互间的通信,为了控制GSMMODEM实
现短消息服务,它们分别是BLOCK模式、TEXT模
式和PDU模式.
(1)BLOCK模式
BLOCK模式就是利用二进制数据来控制移动终端设备的短消息功能,实用性差,它主要
用AT命令集完成对终端设备的操作,但需要多条AT命令共同执行来完成一次
短消息操作,但它与TEXT模式
不同,
只需一条指令就能完成整个短消息的处理过程.
SMS消息的发送一般采用PDU(protocoldataunit)模式,8-bit编码通常
用于发送数据消息,要将消息中的ASCII
字符及汉字统一编码成UCS2码,在数据读取时直接从TC35模块中得到符合GSM规范的
数据,这些7-bit编码数据是以ASCII字符的形
式存在的,再解码成可用的ASCII码数据,即TEXT模式和PDU模式.设计之初是选
用的TEXT模式发送格式,其内容依次为:短消息中
心地址、PDU类型、消息附注、目的地址、协议鉴别符、数据编码表、数据保存期、用户
基于GSM模块的家庭安防手机短信报警系统设计与实现—偏软
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数据长度、用户数据[10].例如:发送信息“家有异常,其PDU字符串为“0891683108500105F011000D91685100166861F6000800105BB667
095F025E38FF0C901F5F52FF01”具体分析见表3-2.
表3-2PDU编码说明
分段说明
08表示短消息中心地址(SCA)长度,F为偶数补位)
11表示头地址与TP-RP|TP-UDHI|TP-SRR|TP-VPF|TP-RD|TP-MTI对

00表示对应TP-MR
0D目的地址长度
91目的地址格式,是普通GSM类型,16位Unicode编码
00表示短消息有效期
10短信内容长度
5BB667095F025E38
FF0C901F5F52FF01
用户数据Unicode编码(“家有异常,当使用7bits编码
时,最多可以发送160个英文字符;当使用8bits编码
时,8bits编码通常用于发送数据消息,最多可以发送70个汉字字符.
要发送中文时,所以本设计采用16bits的Unicode编码显示
文本信息.Unicode编码可以直接用GSM模块卖家提供的PDU短信编码器进行编写,点击转换按钮就能转换成所需要的PDU码,同时能够向临时
输入的手机号码发送短信,通过网上的
资料查询和编程调试找到了一段能实现4*4矩阵键盘键入并使用LCD显示的程序,最终使程序适合整个设计程序的实现要求;
(三)GSM模块卖家提供了一段开机就发送英文格式短信的程序,用来寄存待显示的字符代码,就需要向DDRAM的00H地址写入“A”.具体的
写入要按LCD模块的指令格式来进行.
在使用LCD显示所需字符信息之前,一般设置为8位数据、双列、5*7字形;2.
写入关闭显示设置0x08;0x01;0x06,即写一个数据后,开启
开始
端口及串口
初始化
while(1)开始循环
进入contronler()子程序
判断K1或K2
是否有键按下
N
Y
K1K2
向固定号码1
发送短信
延时
向固定号码2
发送短信
进入子程序
LCD()
清除键
Y
其他操作见图4-3
N
结束
基于GSM模块的家庭安防手机短信系统设计与实现-偏软
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显示屏,光标不闪烁.
本设计所编写的程序中对LCD进行初始设置的流程图如下图4-2所示.
图4-2LCD初始化流程图
通过上述流程所示,之后就可能通过对LCD进行写入显示数据
开始
判忙


执行写指令数据到LCD的操作,设置显示模式.等待5ms
判忙


执行写指令数据到LCD的操作,实现显示关闭
判忙


执行写指令数据到LCD的操作,实现显示清屏
判忙


执行写指令数据到LCD的操作,显示光标移动设置.等待5ms
判忙


执行写指令数据到LCD的操作,显示开及光标设置
结束
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的程序操作使LCD能够进行正常的显示.其中写入指令数据是通过设置RS=L,
EN下降沿,LCD的D0~D7接收写入的指令码.写入显示
数据是通过设置RS=H,EN下降沿,LCD的D0~D7
接收写入的数据.
程序中涉及的AT指令及短信编码的说明
下面对本设计程序中使用到的AT指令和PDU码进行详细的分条说明.
(1)charcodestr1[]="AT\r";
//用以与TC35进行握手
(2)charcodestr2[]="AT+CMGF=0\r";
//定义短信发送方式为中文格式
(3)charcodestr5[]="AT+CMGS=31\r";
//定义短信发送长度为31,短信服务中心号码采用一种比较特殊的表示方法,之后就可以接目的手机号码.
(5)charcodestr16[]="000800105BB667095F025E38FF0C901F5F52FF01";
//0008:发送中文字符方式;00:表示短信有效期,内容为:“家
有异常,十六进制的0x1A.
串口的定义初始化及串口中断处理函数
串口初始化函数
串口通信的概念非常简单,尽管比按字节(byte)
的并行通信慢,通信使用3根线完成:(1)地线,(3)接收.本
设计采用串口的异步通讯,但是不是必须的.波特率是串口通信的一个很重要的参数,表示每秒钟传送的bit的个数.单片机与TC35通信的协议需要9600波
特率,但
是波特率和距离成反比.
本设计中按协议要求和前面章节的分析选用9600波特率.串口工作前应对其初始化,串口控制和中断控制[11].单片机是一个比较复杂的器
件,告诉单片机应该进行哪些操作,允许串行接收
PCON=0x00;//波特率不倍增
TMOD=0x20;//定时器1工作于8位自动重载模式,用于产生波特率
EA=1;
TL1=0xfd;
TH1=0xfd;//波特率9600
TR1=1;//开启全局中断
}
串口中断处理函数
计算机暂时中止正在执行的主程序,并在服务中断程序执行
完后能自动回到原主程序处继续执行,实时控制、故障自动处理、计算机与外围设备间的数据传送往往采用中断系统.中
断系统的应用大大提高了计算机效率.不同的计算机其硬件结构和软件指令是不完全相同
的,中断系统也是不相同的.计算机的中断系统能够加强CPU对多任务事件的处理
能力.中断机制是现代计算机系统中的基础设施之一,以
协调系统对各种外部事件的响应和处理.中断是实现多道程序设计的必要条件.
引起中断的事件称为中断源.本设计中使用的AT89S52单片机提供了6个中断源:2
个外部中断(INT0和INT1)、3个定时器中断(定时器0、1和2)及1个串行口中断请
求TI或RI(合为一个中断源).中断源向CPU提出处理的请求称为中断请求.发生中断
时被打断程序的暂停点成为断点.CPU暂停现行程序而转为响应中断请求的过程称为中断
响应.处理中断源的程序称为中断处理程序.CPU执行有关的中断处理程序称为中断处
理.而返回断点的过程称为中断返回.中断的实现实行软件和硬件综合完成,软件部分成为软件处理程序[3].
本设计过程中使用到了串行口中断请求.其中TI是发送中断标志位,向CPU发中断请求.在中断服务程序中必须用软件将其
清0,串行接收停止位的中间时由内部硬件使RI
置1,也必须在中断服务程序中用软件将其清0,再把要发的数据写入SBUF寄存器,防止中断嵌套
if(TI)//发送中断请求,所以不存在使用串口向
任何位置发送中断,当要向外面手机发送短信时,串口会接
收到中断的请求,以进行下一步操作
{
RI=0;//清除接收中断标志位
}
ES=1;//开启串口中断
}
向固定号码发送报警信息的实现程序
向GSM网络发送字符串数据
单片机串行口中有两个缓冲寄存器SBUF,一个是接收寄存器,字节地址均为99H.这个重叠
的地址靠读/写指令区分:串行发送时,此时99H表示发送SBUF;
串行接收时,此时99H表示接收SBUF.在向目的手机发送数
据时将数据暂存到SBUF中以此来实现数据的正确传送.
voidsend_str(unsignedcharstr[])//定义字符串发送程序
{
unsignedchari=0;
while(str[i]!='\0')
{
SBUF=str[i++];
while(!TI)
;//等待数据传送完毕
TI=0;//清中断标志
}
}
向固定目的手机发送中文报警信息
通过向GSM网络发送AT指令实现单片机控制TC35模块向目的手机号码发送报警短
信.其主要步骤是先进行握手,之后依次发送短信长度、短信中心所有相关信息、目的手机号码、短信内容和短
信内容结束符.待上述语句都发送完成后目的手机就可以接收到中文报警提示信息.
voidGSM_Sent_PDU_Message(charnum[])//向指定号码发送PDU模式短信
{
send_str(str1);//以下为AT指令;确定进行握手
Delay_ms(20);//确定数据能发送完毕的延时子程序
send_str(str2);//设置为PDU模式,所以直接将按键扫描
及LCD显示程序与向临时号码发送短信程序编写在一起.
向GSM网络发送字符数据函数
要实现向临时键入手机号码发送短信,向固定
号码发送短信时的那些AT指令串是固定的,而向临时
键入的手机号码发送中文报警信息时有些AT指令和PDU编码等需要断开一点一点的发送
特别是此时的临时号码是一个一个发送出去的,不进行其他操作
TI=0;//清中断标志
}
LCD显示及向临时键入号码发送报警短信函数
本课题的LCD显示部分使用的是1602液晶,它有若干个5×7或者5×11
的点阵字符位组成,
每行之间也有一个间隔起到字符间距和行间距的作用,所以使用1602液晶已经能够满足设计要求.向
临时键入的号码发送报警短信并在LCD上显示键入号码的程序的流程图如下图4-3所示.
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图4-3向键入号码发送中文报警短信
按键扫描及键值处理的实现
键盘按其结构形式可分为编码式键盘和非编码式键盘两大类.编码式键盘是由其内部
硬件逻辑电路自动产生被按键的编码.这种键盘使用方便,但是使用起来不如编码键盘方便,既可以
采用程序扫描的方法,另一种称为线反转法.
在本设计中使用的是线反转法,但在硬件电路上要求行
开始
显示屏初始化
光标闪烁
显示键入提醒
while(flag_lcd)
键值输入
键值判断
非空、
非确定键
LCD显示键
入值,故比行扫描法稍复杂些.
线反转法的工作原理:首先将行线作为输出线,读入列线的值.如果此时有某1个键被按下,并且将刚才读到的列
线值从列线所接的并行端口输出,当1个键被按下时,单片机的接收端开始对报警信息做
出相应的反应.本段程序通过向端口发出一个模拟的报警信号之后开始进行相应的反应,此时可以临时输入号码确认后就可以向新键入的号码发
送短信.此段程序的流程图如图4-5所示.
开始
初始化
行列线全0
判断列线有
无按下
对组合码
进行比较
N
Y
存在此组合码
不存在此组合码
结束
返回行列线组合码
按对应键输出
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图4-5控制向手机号码发送短信流程图
开始
判断K1或K2
是否有键按下
N
Y
K1K2
向固定号码发送短信进入子程序LCD()
结束
基于GSM模块的家庭安防手机短信系统设计与实现-偏软
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第5章系统硬件设计及设计功能验证
硬件简介
本手机短信系统的硬件主要由5个部分组成:单片机AT89S52、手机模块TC35、
LCD1602、4*4矩阵键盘和两个独立按键、串口模块.其中单片机负责控制整个硬件的操
作;手机模块负责和目标手机之间通过GSM网络连接,形成简单的人机交互
界面;串口是提供单片机和手机模块间通讯的桥梁.要形成手机短信系统,可以从图上看出,晶振旁边的两个电
容均是30pf.复位电路选用的电解电容是10uf,只需将它的串口
母口与单片机的串口母口,其中左边的为TC3
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