單片機(jī)典型案例開發(fā)（一）

一、基于GPRS和單片機(jī)的彩信報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

　　摘要：設(shè)計(jì)一種基于GPRS 和51 單片機(jī)的彩信報(bào)警系統(tǒng)。利用單片機(jī)技術(shù)、帶彩信協(xié)議GPRS 無(wú)線通信模塊、圖像捕獲和圖像壓縮編碼功能模塊，實(shí)現(xiàn)原理圖設(shè)計(jì)到電路板設(shè)計(jì)開發(fā)。用單片機(jī)根據(jù)seNSor 控制串口攝像頭圖像采集和壓縮處理，采集圖像通過(guò)彩信的格式發(fā)送到用戶手機(jī)，同時(shí)可以通過(guò)短信命令隨時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)，或者攝像頭采集圖像，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況。

　　國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的電子防盜報(bào)警系統(tǒng)方案往往是在用戶端通過(guò)電子設(shè)備檢測(cè)到盜竊等報(bào)警信息， 然后通過(guò)通訊器經(jīng)電話線將信號(hào)自動(dòng)傳到報(bào)警中心來(lái)完成報(bào)警過(guò)程。這種報(bào)警中心往往存在很多局限。例如：報(bào)警中心地點(diǎn)和人員需固定，報(bào)警通信速度慢，反向查詢、控制等操作困難而專業(yè)，電話線斷線問(wèn)題難以解決，通信費(fèi)用、尤其是遠(yuǎn)程通信費(fèi)用較高，不利于組建遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，通信帶寬太小，加載信息量少，音視頻信號(hào)的技術(shù)手段應(yīng)用困難， 很難應(yīng)用于家庭安防市場(chǎng)等等。

　　而彩信業(yè)務(wù)自中國(guó)移動(dòng)從2002 年9 月正式推出以來(lái)，隨著彩信網(wǎng)絡(luò)工程的建立和不斷地優(yōu)化，彩信逐漸進(jìn)入了高速發(fā)展和穩(wěn)定應(yīng)用階段。所以人們?cè)絹?lái)越關(guān)注于依托中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、基于彩信業(yè)務(wù)來(lái)發(fā)展現(xiàn)代的電子防盜報(bào)警系統(tǒng)， 從而能在此系統(tǒng)上發(fā)揮其隨時(shí)隨地監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)涵蓋范圍大、查詢控制等操作簡(jiǎn)便、費(fèi)用低、報(bào)警通信速度快、音視頻應(yīng)用簡(jiǎn)易等眾多優(yōu)勢(shì)，使其能廣泛應(yīng)用于家庭、辦公、工廠、商鋪等等各種場(chǎng)所。

　　1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)總線設(shè)計(jì)

　　本彩信報(bào)警系統(tǒng)以普通AT89C52 單片機(jī)和帶有彩信功能的無(wú)線模塊GPRS，前端設(shè)備可以根據(jù)控制攝像頭采集圖片，發(fā)送到用戶手機(jī)上，同時(shí)用戶可以通過(guò)短信命令隨時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)， 或者控制前端攝像頭采集圖像，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況。采用此方案設(shè)計(jì)的產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單，為了降低成本，在最小硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的功能盡可能用軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到降低成本，滿足市場(chǎng)需求。

　　設(shè)計(jì)的硬件電路主要由三部分組成： 圖像捕獲和圖像壓縮編碼部分通過(guò)串口攝像頭實(shí)現(xiàn)； 主控制器處理圖像數(shù)據(jù)和任務(wù)控制用AT89C52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)；帶彩信協(xié)議GPRS 模塊無(wú)線部分。在設(shè)計(jì)中使用電路圖，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先設(shè)計(jì)了硬件的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1 所示：

　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　采用單片機(jī)AT89C52 為核心組成彩信報(bào)警系統(tǒng)，AT89C52 具有快速8051 內(nèi)核、8kBFlashE2PROM、256BIDATARAM，符合該硬件要求；彩信報(bào)警功能，采用GPRSModule 的MC55 芯片，帶彩信協(xié)議棧MMS 功能；利用串口攝像頭實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)捕獲和圖像壓縮存儲(chǔ)功能。

　　1.2 單片機(jī)接口設(shè)計(jì)

　　AT89C52 單片機(jī)接口中， 作為只要一組串口，GM8123 可以將一個(gè)全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口擴(kuò)展成3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串口，并能通過(guò)外部引腳控制串口擴(kuò)展模式。該芯片母串口和子串口的工作波特率可由軟件調(diào)節(jié)，而不需要修改外部電路和晶振頻率， 它的外部控制少，應(yīng)用靈活，編程使用簡(jiǎn)單，適用于大多數(shù)有串口擴(kuò)展需求的系統(tǒng)。所以利用GM8123 為AT89C52擴(kuò)展出3 組串口， 可以與串口攝像頭和GPRS 模塊進(jìn)行連接通信。如圖2 所示。

　　圖2 單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

　　1.3 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)

　　由于現(xiàn)場(chǎng)圖片需要以彩信的形式發(fā)送， 所以選用了帶有彩信功能的無(wú)線模塊， 這里選用的GPRS模塊是西門子的MC55［5］.GPRS 模塊和單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信主要是通過(guò)端口TXD0 與TXD1 之間，RXD0 與RXD1 之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成。其中GPRS模塊上的TXD0 口是用于接收從單片機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)， 而單片機(jī)上的擴(kuò)展TXD2 端口是用于向GPRS模塊傳送數(shù)據(jù)的。GPRS 模塊上的RXD0 口是用于向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)， 單片機(jī)的擴(kuò)展RXD2 口則是用于接收從GPRS 模塊傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)。

　　GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件部分的電路原理圖如圖3 所示。

　　圖3 GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

　　1.4 串口攝像頭

　　ZSV-01P 串口攝像頭是一款具有視頻采集和圖像壓縮功能的攝像頭，具有130 萬(wàn)像素CMOS 攝像頭，最大分辨率可達(dá)到1 280×960，是一個(gè)內(nèi)含有拍攝控制、視頻捕捉、圖像數(shù)據(jù)采集、圖像JPEG 壓縮、串口通訊等功能的齊全的工業(yè)用圖像采集設(shè)備，最大串口通訊速率可達(dá)115.2kbs［6］。本設(shè)計(jì)采用的帶有串口的攝像頭， 主機(jī)通過(guò)串口以約定的協(xié)議對(duì)攝像頭進(jìn)行控制。主機(jī)與相機(jī)是一種主從關(guān)系，相機(jī)的操作命令由主機(jī)發(fā)出，主機(jī)可以控制相機(jī)的輸出格式、分辨率，相機(jī)向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)消息。具體參數(shù)：

　?。?）接口：主機(jī)與相機(jī)之間為RS-232 標(biāo)準(zhǔn)接口，波特率為57 600，8 位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)，1 位停止位。

　?。?）圖像格式：相機(jī)輸出的圖像格式為JPEG.

　?。?） 圖像分辨率可以是：640×480、320×240、160×120、352×288、176×144.圖像分辨率越高，則圖像數(shù)據(jù)量越大。圖4 表示分包傳輸時(shí)一幅完整圖片采集流程。

　　圖4 串口攝像頭采集流程

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 模塊軟件設(shè)計(jì)

　　軟件采用標(biāo)準(zhǔn)的C 語(yǔ)言構(gòu)造，由Keil C51 編譯器編譯。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：一是單片機(jī)對(duì)各個(gè)功能芯片的控制字的寫入和單片機(jī)串口擴(kuò)展程序；二是GPRS 數(shù)據(jù)接收發(fā)程序設(shè)計(jì)。

　　2.1.1 單片機(jī)與GPRS 無(wú)線模塊

　　程序這個(gè)程序主要是完成GPRS 模塊與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，單片機(jī)有51 系列的，設(shè)定的單片機(jī)串行口工作方式為模式1，8 位UART， 數(shù)據(jù)傳輸率為可變；定時(shí)器1 的工作方式為模式2，數(shù)據(jù)傳輸率設(shè)置為9 600 b/s，晶振為11.059 2 MHz.我們傳輸?shù)闹饕茿T 指令， 包括所撥的號(hào)碼，DNS 服務(wù)的IP 地址，GPRS 服務(wù)提供商的密碼， 接入GPRS 服務(wù)的APN.當(dāng)然還需要建立一個(gè)TCP 通訊，此服務(wù)的客戶內(nèi)容包括IP、地址以及遠(yuǎn)方主機(jī)的TCP 端口號(hào)等所傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

　　該程序的主程序是對(duì)AT 指令進(jìn)行發(fā)送和接收，在完成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)是分別調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序和數(shù)據(jù)接收子程序，而這里共包括3 個(gè)子程序：數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、數(shù)據(jù)接收子程序以及延時(shí)子程序。

　　2.1.2 單片機(jī)攝像頭的控制過(guò)程。

　　主機(jī)獲取攝像頭圖像時(shí)操作：（1） 打開串口；（2）開始采集圖像，設(shè)置圖像分辨率；（3） 獲取圖像數(shù)據(jù)；（4） 結(jié)束采集圖像；（5） 關(guān)閉串口。步驟（3） 獲取圖像可以循環(huán)執(zhí)行。如果重新設(shè)置圖像分辨率應(yīng)重新執(zhí)行步驟（2）。

　　2.1.3 單片機(jī)串口擴(kuò)展程序設(shè)計(jì)

　　與之相關(guān)聯(lián)的各端口狀態(tài)和含義為：

　?。?）sbit MS=P3^6; //GM8123 工作模式控制

　?。?）sbit RESET=P3^7; //GM8123 復(fù)位引腳控制

　?。?）unsigned char SendBuff［5］={ 0x67，0xbc，0xc9};// 需要三個(gè)子串口

　　主程序中定義：

　　TMOD = 0x20; // 指定定時(shí)器1 工作在方式2

　　IE = 0x90; // 開串行口中斷

　　SCON=0xc0; // 串行口工作在方式3

　　TH1 = 0xf8; // 裝入定時(shí)器1 初值，設(shè)置主機(jī)工作波特率為7 200bs

　　P1=0x00; // 置GM8123 命令字地址

　　SBUF=Contr_data; // 設(shè)置GM8123 子串口波特率為19 200bs，母串口波特率為11 5200bs

　　因此，整個(gè)控制過(guò)程是：定義和初始化各個(gè)元器件的控制字和端口，然后單片機(jī)發(fā)送命令通過(guò)串口來(lái)檢查和控制各個(gè)Sensor 和串口攝像頭及MCC55 的工作。

　　2.2 程序流程

　　系統(tǒng)上電后首先初始化單片機(jī)， 設(shè)置串行口的波特率和定時(shí)器；然后初始化GM8123、各種Sensor傳感器；接著執(zhí)行MC55 上電，然后初始化MC55.

　　系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

　　圖5 系統(tǒng)程序流程圖

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)選擇中深微電子公司的串口攝像頭實(shí)現(xiàn)了圖像捕獲和圖像壓縮編碼于一體， 簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜性， 帶彩信協(xié)議GPRS 模塊無(wú)線部分選用SIEMENS 公司的MC55，該模塊性能穩(wěn)定、可靠、操作方便。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，用戶可以隨時(shí)隨地用手機(jī)遠(yuǎn)程遙控， 拍攝現(xiàn)場(chǎng)的照片并發(fā)送到指定手機(jī)或者電子郵箱里。可以外接多種無(wú)線傳感器報(bào)警，例如煙感、無(wú)線門磁、紅外人體感應(yīng)器、煤氣傳感器等，實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)方式的報(bào)警，并具有圖像移動(dòng)偵測(cè)功能， 能對(duì)移動(dòng)的物體自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

二、基于AT89C52的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)方案

　　摘要：基于提高測(cè)量精度的目的，設(shè)計(jì)了具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡y(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此系統(tǒng)具有測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

　　測(cè)距技術(shù)在物位檢測(cè)、醫(yī)療探傷、汽車防撞等民用、工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，發(fā)射強(qiáng)度好控制，且不受電磁干擾影響，因而利用超聲波測(cè)距是一種有效的非接觸式測(cè)距方法。但超聲波在不同環(huán)境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響最終測(cè)量精度。本文介紹的超聲波測(cè)距儀采用渡越時(shí)間檢測(cè)法，使用了DS1 8B20溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)波速的溫度補(bǔ)償，消除了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量誤差降低。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　超聲波測(cè)距原理如圖1所示。

　　圖1 超聲波測(cè)距原理

　　式中c--超聲波波速：t--從發(fā)射出超聲波到接收到回波所用時(shí)間。

　　限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射/接收的設(shè)計(jì)方法。

　　由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，經(jīng)過(guò)測(cè)量得出超聲波的波速與溫度的關(guān)系，如表1所示。

　　表1 聲速與溫度的關(guān)系表

　　將測(cè)量的速度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得出：

　　c=331.6+0.6107xT （2）

　　式中T--當(dāng)?shù)販囟取?/p>

　　在測(cè)距時(shí)，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定其時(shí)的波速c.波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間t，即可求得距離H，這樣能較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量精確度。

　　本設(shè)計(jì)方案中使用渡越時(shí)間檢測(cè)法，測(cè)距儀工作原理為：在由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，開啟單片機(jī)中的計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到第一回波的同時(shí)停止單片機(jī)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式即可求得探頭與待測(cè)目標(biāo)之間的距離。而且，可以在較短時(shí)間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測(cè)量，完成后計(jì)算平均值然后顯示。

　　超聲波在相同的傳播媒體里（大氣條件）傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，但其頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)，選用頻率f=40kHz的超聲波，波長(zhǎng)為0.85cm.

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，使用3位數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)需要的40 kHz脈沖由單片機(jī)P0.0發(fā)出，使用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，使用DS18B20作為溫度傳感器進(jìn)行溫度校正。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

　　圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

　　2.1 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì)

　　超聲波發(fā)送模塊是由超聲波發(fā)射探頭組成的，單片機(jī)的P0.0端口直接發(fā)送40 kHz的信號(hào)，使用9012三極管做為驅(qū)動(dòng)放大，驅(qū)動(dòng)壓電晶片超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射電路如圖3所示。超聲波發(fā)射子程序的流程是，發(fā)射時(shí)首先裝填計(jì)時(shí)器，并且開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波發(fā)射完畢時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢，并且重新裝填等待下次發(fā)射。

　　圖3 超聲波發(fā)射電路

　　2.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)

　　在接收電路中使用了紅外線接收處理芯片CX20106A，因?yàn)樗幚淼氖?8 kHz的紅外信號(hào)，而40 kHz的超聲波信號(hào)和它比較接近，并且CX20106A芯片具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這個(gè)芯片的外圍電路很簡(jiǎn)單而且通過(guò)外圍電阻調(diào)節(jié)它的中心處理頻率，通過(guò)改變外圍電路電容的大小也可以改變接收電路靈敏度和抗干擾能力。

　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)用單片機(jī)發(fā)40 kHz信號(hào)與使用CX20106A的電路搭配更加簡(jiǎn)單合理，使得時(shí)間的計(jì)算更為精確。

　　該系統(tǒng)的超聲波接收模塊是由超聲波接收探頭和紅外線接收處理芯片CX20106A組成。如圖4所示。超聲波接收子程序的流程是，利用INT0中斷檢測(cè)回波信號(hào)，若有回波信號(hào)（INT0口低電平）就關(guān)閉外部中斷，同時(shí)停止計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，將測(cè)距成功標(biāo)志位標(biāo)記為1（測(cè)距成功），同時(shí)提取時(shí)間值，計(jì)算待測(cè)距離，保存最終結(jié)果后打開外部中斷，等待下次測(cè)量。

　　圖4 超聲波接收電路

2.3 超聲波測(cè)距顯示電路

　　在顯示模塊選擇時(shí)有兩種，一種是用液晶顯示屏，其具有輕薄短小，分辨率高，可顯示漢字等各種符號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。但一般需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫(kù)，編程工作量大；一種則是選用數(shù)碼管，數(shù)碼管具有低電耗、壽命長(zhǎng)、易于維護(hù)的特點(diǎn)，同時(shí)精度比較高，稱量快，精確可靠，編程容易，操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)漢字及多數(shù)據(jù)多行顯示。綜合考慮本次設(shè)計(jì)中選擇了3位數(shù)碼管顯示。用PNP型三極管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，并連接到單片機(jī)AT89C52的P0口上作位選。雖然顯示上沒(méi)有液晶顯示屏那么完全，但是也能夠完整直觀地顯示出需要的結(jié)果。圖5為超聲波測(cè)距硬件設(shè)計(jì)的顯示電路。