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1、东北农业大学学士学位论文 学号：A02110021基于FPGA智能窗控制系统学生姓名：李婷婷指导教师：崔天时所在院系：电气与信息学院所学专业：电子信息工程研究方向：智能检测与控制东 北 农 业 大 学中国哈尔滨2015年5月Northeast Agricultural University Bachelors Degree Thesis Student ID：A02110021Base on FPGA Intelligent WindowName：Li TingtingTutor：Cui TianshiCollege：College of Electronic and Information
2、Major：Electronic Information EngineeringDirection：Intelligent Detection and ControlNortheast Agricultural UniversityHarbin ChinaMay 2015摘 要随着电子技术、自动控制技术、应用感测技术的飞速发展以及人民生活水平的日益提高，智能家居这个概念逐渐深入人心，随着人们对居住环境质量的关注度的提升，能够改善居室环境的智能产品也越来越受到广大消费群体的青睐。基于目前的智能家居的发展态势以市场需求，本文以市场需求为导向设计了一种新型的、经济的智能窗控制系统。根据FPGA智能窗
3、控制系统需要达到的总体需求，通过调节硬件部分、软件部分以及机械部分，将智能窗控制系统划分为以下功能模块：温度检测模块、CO2气体检测模块，以及Quartus II 开发软件和GSM通信等模块。从而实现智能窗的温度监控，气体监控以及智能窗的远程控制功能。本设计总体方案采用FPGA Cyclone IV系列的EP4CE6F17C8N作为核心控制芯片，由L298N作为电机驱动的两相四线步进电机拖动窗体完成开关动作，通过DS18B20温度传感器、GE6603 CO2气体传感器进行相关环境参数的采集，由GSM通信模块TC35i实现远程控制的功能。从而以相对稳定的性能实现智能窗户的基本功能，为人们营造出一
4、个更加舒适便捷的智能生活环境。关键词：FPGA；智能窗；传感器；GSM通信模块Base on FPGA Intelligent WindowAbstractWith the rapid development of electronic technology, automatic control technology, the application of sensing technology and increasing peoples living standards, the smart home concept has been widely accepted, with the en
5、hancement of peoples quality of living environment of concern, it is possible to improve the indoor environment Smart products are increasingly popular majority of consumer groups. Based on the current development trend of smart home market demand, the paper market demand-oriented design of a new, e
6、conomical smart window control system.According FPGA smart window control system needs to reach the overall demand, by adjusting the hardware components, software components and mechanical parts, the smart window control system is divided into the following modules: temperature detection module, CO2
7、 gas detection module, and Quartus II development software and GSM communication modules. In order to achieve smart window temperature monitoring, gas monitoring and remote control of smart windows.The overall program design using FPGA Cyclone IV family EP4CE6F17C8N as the core control chip, the L29
8、8N as a motor-driven two-phase four-wire stepper motor drive form completion switch moves through DS18B20 temperature sensor, GE6603 CO2 gas sensor related environmental parameters The acquisition, by the communication module TC35i GSM remote control functions. Thus a relatively stable performance t
9、o achieve the basic functions of smart windows for people to create a more comfortable and convenient living environment intelligent. Keywords: The Intelligent Window; The Sensor; The GSM Communication Module目 录摘 要IAbstractII1 前言11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.3 本设计的主要内容22 研究方案32.1 研究目标32.2 研究内容32.3研究方法及技术问
10、题32.4 设计中所需解决的关键问题52.5 实验方案53 硬件设计63.1 FPGA的介绍63.2温度检测模块73.2.1 温度传感器的选择73.2.2 温度检测模块电路83.2.2.1 DS18B20的工作状态83.2.2.2 DS18B20有两种供电接法93.3 CO2气体检测模块93.3.1 CO2气体传感器93.3.2 CO2气体传感器工作原理113.3.3 CO2气体传感器外围接口电路113.4 GSM通信模块123.4.1 GSM的介绍123.4.2 TC35i的介绍123.4.3 TC35i硬件原理图（见附录）143.5 显示器模块143.6 电机设备153.7 窗户机械模型模
11、块163.7.1 自动开关窗任务分析163.7.2 齿轮齿条参数选择173.7.3 自动开关窗机械模型174 软件设计184.1 FPGA的开发环境与工具184.1.1 Quartus II 开发软件184.1.2 硬件描述语言（HDL）204.2 控制器对DS18B20操作214.3 实现电机动作234.4 实现中文短信发送254.4.1 无线通信模块初始化254.4.2 无线通信模块发送短信息264.4.3 无线通信模块接收短信息275 应用与推广275.1 智能窗的基本应用275.2 智能窗的推广及演变286 结论29参考文献30致 谢32附 录331 前言1.1 研究背景随着科学技术的
12、飞跃发展生活水平的不断提高人们对安全、舒适、健康的生活需求变得日益迫切。近年来智能家居概念已经逐渐深入到国民的生活之中且不断地影响着人们的思维。因此众多有条件的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统并尝试智能化为家居生活带来的安全、舒适和便利。智能家居系统在经历了早期混乱的概念纷争之后月前已经逐渐进入理性时代。针对目前的发展态势本设计以市场需求为导向设计了一种新型的、经济的智能窗控制系统。智能窗控制系统的研究及应用一直是最近几年的热点，而随着对安全性能及舒适度系数的提高，智能窗控制系统也已经逐步取代人们对于普通窗户的传统需求观念。温度监控和气体监控和GSM通信模块等则是基于FPGA智能窗控
13、制系统中非常重要的几个组成部分，即以人为舒适程度为目标的事实监控场合中所必须考虑到的关键问题。目前该领域产品由于成本、技术等方面的原因尚未普及，因此具有广阔的发展空间。我们本着“绿色环保”的设计理念设计了一款智能窗以解决普通窗户存在的种种弊病。本项目既符合了时代的潮流，同时也兼具现实意义。1.2 国内外研究现状随着智能家居的概念已经逐渐深入到国民的生活之中且不断地影响着人们的思维。因此众多有条件的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统并尝试智能化为家居生活带来的安全、舒适和便利。智能家居系统在经历了早期混乱的概念纷争之后月前已经逐渐进入理性时代。然而在智能家居发展过程中，除了需要各种新型设
14、备的应用之外，数据收集、传输、处理、储存与发送技术的发展和应用起到了关键作用。新型的监测器，为人们提供了大量的实时的数据信息，新型的通讯技术，也使人们能更加迅速地传递这些数据，而新型的计算机，则能高速地进行数据处理与存储。智能窗户在发达国家已经得到了初步的应用。新加坡、美国已有近四百万户家庭安装了这一类的“门窗智能化系统”。PARKS公司的资料显示：2010年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在7000至9000美元之间，美国家庭已使用先进家庭自动化设备的比率为0.53%，市场真正启动尚需时日。预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为8%。与此同时国内关于此方面的研究也同样很多：
15、例如使用Luminary Micro(流明诺瑞)公司生产的Stellaris(群星)系列微控制器LM3S615，并以该芯片为核心搭建系统硬件平台开发出来的智能窗，可以实现自动智能防盗并能短信通知户主，监控煤气泄漏，自动防雨，自动防风，气体监控等智能遥控开关门窗。还有以使用S3C2410芯片作为核心处理器，在嵌入式Linux操作系统上，利用LCD触摸屏技术实现对主机的操作，从而达到人机交互界面愈加人性化的也有基于单片机的智能窗户控制系统。基于智能建筑对智能窗的需求,结合FPGA控制技术和无线通信技术,对所设计的智能窗控制系统的工作原理、硬件结构、软件程序、功能特性进行了详细的阐述。并重点对根据不
16、同自然环境条件如何控制窗的不同状态的实现方法和主控程序的设计进行了论述。最后指出所设计的智能窗能充分利用自然条件改善室内环境,满足建筑节能的要求，同时也由于FPGA具有高速的CMOS工艺，低功耗，开发周期短等特点，因此它所具有的性能也是普通单片机所无法比拟的。1.3 本设计的主要内容本设计的主要研究内容是基于FPGA智能窗控制系统。研究对象主要是以FPGA为核心，通过将硬件部分，软件部分和机械部分相结合从而实现智能窗自我控制及远程调节控制为主要内容。本设计的主要功能是实现温度调节，气体调节以及GSM通信模块远程通知等功能。最后达到符合市场需求，满足人们对于品质生活的无限追求的目的。同时本设计也
17、在线路布局以及器件安排方面进行了合理安排，充分考虑器件的性能特点，从而达到最佳设计优化，实现智能家居的绿色理念。2 研究方案2.1 研究目标本设计旨在提出一种基于 Verilog HDL 语言描述，FPGA 实现的智能窗控制系统。主要通过调节硬件部分、软件部分以及机械部分，从而使人们能够时刻处于最适宜人类的舒适条件下生活。通过相应的传感器智能检测，即当室外下雨即温度降低时，智能窗将自动关闭；而当室外温温度达到人体最适温度值、室内湿度上升或CO2含量过高时智能窗将自动打开，并可通过利用移动终端（如：手机）的GSM移动网络的短消息服务的功能，从而得以实现对家居内的智能呼吸窗系统的远距离遥控监管，并
18、得以获取当前家居智能窗的开闭状态。从而实现智能监管的目的。2.2 研究内容该系统设计主要可分为硬件部分、软件部分以及机械部分。硬件部分由传感器，电机以及辅助电路组成。软件部分通过 Verilog HDL语言进行编程。机械部分可根据实际需求来进行设计。该系统基于机电一体化的设计初衷，综合运用了传感器技术、软件编程技术,电路设计技术智能控制技术等实现目标功能。本系统设计能够依据室内外的气体状况和外界的天气情况来实时进行控制窗户的开启和关闭状态，具体有以下几个控制要：（1） 当外界气温上升或下降时温度传感器检测到这一下温度变化信号(相当于触发开关)并将信号传送给FPGA芯片来控制电机及时开关窗户并报
19、警。防止温度升高或降低对于人们生活质量的影响此后每过5分钟重新检测如果温度重新达到预设值则窗户自动打开；（2） 当室内CO2 超过一定的标准时窗户自动打开并启动排气扇进行排气且此优先级最高同时报警器也会响起来提醒主人危险的存在及及时调节空气新鲜度;（3） 当存在多种情况同时发生时，智能窗控制系统将依据CO2 温度湿度的优先级原则选择最优响应；（4） 可由用户自行选择手动模式、定时模式和智能模式，当有多种情况发生冲突时，能够依据手动定时智能的优先原则顺序，做出相应的响应动作；（5） 当用户外出时，可通过GSM移动网络作为信息平台，实现远距离智能控制来获取室内最适宜状态。2.3研究方法及技术问题本
20、课题拟采用实证研究法，依据相关传感器检测技术、FPGA控制理论和居室环境的需要，提设计方案，通过有目的有步骤的操纵，根据观察、记录、测定于此相伴随的现象的变化来确定条件与现象的因果关系。主要目的在于说明各种自变量与某一种因变量的关系。本系统设计采用的设计方案如图2-1所示。图2-1 技术路线流程图首先进行资料收集并研究，根据资料分析研究FPGA芯片各引脚与功能、Proteus电路仿真软件、Verilog HDL语言的学习，来达到整体布局，合理规划好各种传感器型号及其安放位置，然后再进行下一步的硬件设计部分安装，设计前端信息采集模块、执行功能模块、核心控制模块、GSM模块、显示模块之间的连接方式
21、，进行调试，从而发现设计硬件中的不合理之处，进行改善。再根据最终确定的设计方案，来制作印刷电路板。然后再进行软件设计，再设计的同时也需考虑到各种不同参数之间的优先级顺序，合理安排顺序，防止控制系统发生混乱。当软件经过调试后，再写入芯片，进行综合系统调试环节，最后使系统能够有条不紊地实现计划中的全部功能。最后结合资料和设计思路最后撰写论文，展示模型，项目结题。2.4 设计中所需解决的关键问题1.本设计系统的信息采集模块所涉及的相关参数（室内CO2浓度，室内外温度、湿度等）较多，所以需把多个物理量参数，根据对于人类生活舒适度的影响程度，来设定相应的参考数值，从而方便系统自动调节；2.当信息采集模块
22、所涉及的相关参数（室内CO2浓度，室内外温度、湿度等）较多，并且多种情况同时发生时，系统能够相应选择最优响应，同时也为程序的编写提出了更高系统要求；3.在设计的同时要综合考虑室内外各种变量关系，确保在成本低、速度快、体积小、功耗低的前提下将多种功能巧妙的结合，符合绿色环保要求，从而发挥最佳效应。2.5 实验方案根据FPGA智能窗控制系统需要达到的总体功能，通过调节硬件部分、软件部分以及机械部分，本设计系统整体结构框图如图2-2所示。 将智能窗控制系统划分为以下功能模块：图2-2 系统整体结构框图1.前端信息采集模块：由温度检测模块、湿度检测模块、CO2检测模块构成，从而完成采集信的工作，并将其
23、接收到的信号送入信息核心处理模块；2.执行功能模块：即电机控制模块组成，采用小型电机模拟执行智能窗窗户的开关；3.核心控制模块：采用FPGA与各模块之间进行数据交换和过程控制，由它接受环境信号和远程信号并控制、协调各功能模块的正常运行；4.GSM模块：通过智能终端完成远程控制与信息查询；5.显示模块：实时监控并显示智能窗的运行状态及室内温湿度信息。3 硬件设计 3.1 FPGA的介绍FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是1984年由美国Xilinx公司发明的基于SRAM工艺
24、以查找表（LUT）为基本单元的新型可编程逻辑器件（PLD）。所谓PLD，是指运行功能是在器件生产出来以后由使用者设定的，以此区别于传统的固定功能型器件。FPGA可由用户自定义其内部的逻辑和功能，同时又能够进行无限次的重新配置，加上PC机上CAD辅助设计软件和强大的仿真工具，使得电子设计工程师在办公室或实验室中就可以设计自己的ASIC器件，实现用户规定的各种专门用途，极大的增加了电子系统设计的灵活性。既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至 FPGA 上进行测试，是现代 I
25、C设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flipflop）或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输
26、入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模
27、块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。目前，FPGA广泛应用于通信、移动设备、航空航天、自动控制等领域，并有向计算密集型应用发展的趋势。采用FPGA设计，设计周期短、开发费用最低、风险小，采用高速的CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。本设系统计采用ALTERA公司推出的Cyclone IV系列芯片EP4CE6F17C8N作为核心处理器进行设计。Cyclone IV系列芯片是目前市场上性价比较高的FPGA芯片。 3.2温度检测模块 3.2.1 温度传感器的选择温度传感器的种类繁多，在应用高精度、高可靠性的场合是选择DS1
28、8B20温度传感器当仁不让。DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高，附加功能强等特点，使得DS18B20的功能特点格外突出，因此本次设计我选择DS18B20作为温度传感器。DS18B20温度传感器实物图如图3-1所示。 DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的世界上第一片支持单总线接口的数字式温度传感器，它将敏感元件、A/D转换单元、存储器等集成在一个芯片上，直接输出被测温度的数字信号，使用方便。1.技术性能描述 （1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。（2）测温范围 5
29、5+125,固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1。（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 1）工作电源: 3.05.5V/DC （可以数据线寄生电源） 2）在使用中不需要任何外围元件 3）测量结果以912位数字量方式串行传送 4）不锈钢保护管直径 6 5）适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温 6）标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选 7）PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连
30、接。 2.DS18B20的主要特征（1）全数字温度转换及输出（2）先进的单总线数据通信（3）最高12位分辨率，精度可达0.5摄氏度（4）12位分辨率最大工作周期为750毫秒（5）可选择寄生工作方式（6）内置EEPROM，限温报警功能（7）64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接（8）多封装形式，适应不同器件系统图3-1 DS18B20温度传感器实物图3.2.2 温度检测模块电路3.2.2.1 DS18B20的工作状态DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3-2
31、所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图3-2 DS18B20
32、测温原理图3.2.2.2 DS18B20有两种供电接法 数据线供电方式和外部供电方式。DS18B20可以通过从VDD引脚接入一个外部电源供电，或者可以工作于寄生电源模式下，该模式允许DS18B20工作于无外部电源需求状态。寄生电源寄生在进行远距离测温时是非常有用的。寄生电源的控制回路，当总线为高电平时，寄生电源由单总线通过VDD引脚。这个电路会在总线处于高电平时偷能量，部分及取得能量存储在寄生电源储能电容（CPP）内，在总线处于低电平时释放能量以提供给器件能量。当DS18B20处于寄生电源模式时，VDD引脚必须接地。对DS18B20供电的另一种传统办法是从VDD引脚接入一个外部电源，即外部供电
33、方式。这样做的好处是单总线上不需要强上拉。而且总线不用在温度转换期间总保持高电平。综合以上供电方式优缺点，虽然寄生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速度则要快些。而本设计方案要求实时控制因此本系统设计采用外部供电方式，如图3-3所示。在单总线上可以挂任意多片DS18B20。注意当加上外部电源时，GND引脚不能悬空。图3-3 DS18B20温度传感器外部电源供电方式3.3 CO2气体检测模块3.3.1 CO2气体传感器气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样本进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或冷处理仪
34、表显示部分。即气体敏感元件就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种装置或器件，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测、监控、分析、报警。现在市面上有各种各样的气体传感器。气体传感器在民用、工业、环境检测等方面都有着广泛的应用。 气体传感器的选择方向也从以下几方面进行考量：（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置
35、对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的于扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器
36、的交叉灵敏度越小越好。（2）响应特性（反应时间）。传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 （3）线性范围。传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后
37、首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 现如今市场上比较常用的二氧化碳传感器主要有两种：一种是固态电解质的，另外一种就是红外工作原理的。其中固态电解质二氧化碳传感器的工作原理是指气敏材料在有气体通过时产生离子而形成电动势，根据测量电动势大小而测量气体浓度；红外二氧化碳传感器的工作原理对特定波段红外辐射的吸收作用，通过对透过测量室的辐射能量的减弱与增加，从而测出二氧化碳浓度。一般固态电解质二氧化碳传感器电导率高、灵敏度和选择性较好，用途
38、比较广泛。基于多种条件的制约本系统设计采用的CO2传感器为美国通用公司的GE6603型传感器，它可广泛应用于家庭网络、通风系统、控制器、壁件、机器人、汽车等，也可以应用于其他许多装置来控制空气质量。其外形结构如图3-4所示。GE6603型传感器的性能指标：测量范围：0-2000ppm取样方式：扩散式精度：75ppm或读数的10%响应时间： 3 min工作条件：530,20%100%RH，非冷凝储存条件：-2050输出方式：UATR&PWM图3-4 CO2传感器GE6603外形结构图 3.3.2 CO2气体传感器工作原理本传感器由红外发光管、气体采样空腔、带通滤波镜等组成，其基本结构如图所示。本
39、传感器采用分散型红外线(NDIR)技术，红外发光管发出宽频段红外光线，气体采样空腔中的CO2吸收与之相关的频谱的红外线，带通滤波镜滤除分离出与CO2相关频谱的红外光线后被红外传感器检测并转化为电信号，经放大电路放大后，进行相应补偿运算后即可得到测量气体中CO2浓度。测量公式为： （3-1）其中：CO2浓度为测量值时的电流信号强度；：红外光线初始入射光线强度，CO2浓度为0ppm时的电流信号强度；K：检测气体吸收常数；C：检测气体当前浓度；Li：红外光线在空腔中通过距离。3.3.3 CO2气体传感器外围接口电路CO2气体传感器外围接口电路如图3-5所示。图3-5 CO2气体传感器GE6603外围
40、接口电路图此电路中C1、E1为电源去耦电容，CON1的2接口连接传感器模块的PWM脉冲输出端，通过计算输出方波的占空比对应PWM输出分辨率便能计算出测量环境中CO2的浓度。3.4 GSM通信模块3.4.1 GSM的介绍全球移动通讯系统GSM(Global System for Mobile Communications)是由欧洲电信标准化协会(ETSI)开发的数字移动电话网络标准，是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的，同时也是基于TDMA的数字蜂窝移动通信系统。GSM移动通信原理是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。其目的是让全球各地共同使用一个移动电话网络标
41、准，让用户使用一部手机就能行遍全球，也是我国目前覆盖范围最广、功能最强、用户最多的移动通信系统。GSM中的短信息业务SMS(定义于ETSI制定的标准GSM 03.40)提供的短信服务具有收费低廉、随时随地获取信息的便利。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信、语音通话、GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能。3.4.2 TC35i的介绍在国内已经开始使用的GSM模块有Falcom的AZD系列，wavecom的翎02系列，西门子的T
42、C35i系列，爱立信的DMIO/DM20系列，中兴的ZxGM18系列等，这些模块的功能、用法差别不大，并且提供的命令接口符合GSM07.05和GSM07.07规范。其中西门子的TC35i系列模块性价比很高，并且己经有国内的无线电设备入网证，所以综合各方面考虑本设计选用的是西门子TC35i。TC35i外形结构图如图3-6所示。TC35i是德国SIEMENS（西门子）公司的一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。是西门子为适应各个专业领域对无线数据传输、语音传输及可开发性的需求推出的基于GSM900移动通信网络系统的OEM模块，功能上与TC35i兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积
43、。TC35i与GSMZ/2+兼容、双频(GSM900/GSM1800)、RS232数据口、符合ETSI标准GSM07.07和GSMO7.05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，接口协议公开，方便用户的应用开发及设计。在GSM网络日臻完善的今天，TC35i秉承了西门子一贯的优秀品质，它易于集成，可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域您都能看到TC35i无线模块在发挥作用，使用它是产品质量和性能的保证。图3-6 TC35i外形结构图模块隶属
44、于Phase I GSM calss4，具有语音、数据、传真和中英文短信息功能，可广泛应用于移动计算、智能交通、遥感测量、银行金融和商业零售等领域。TC35i模块结构图如图3-7所示。图3-7 TC35i模块的结构示意3.4.3 TC35i硬件原理图（见附录）3.5 显示器模块液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前字符型液晶显示模块已经是单片机等应用设计中最常用的信息显示器件。LCD12864实物图如图3-8所示。带中文字库的LCD12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体
45、 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864， 内置8192个1616点汉字，和128个168点ASCII字符 集利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点 阵的汉字。也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。LCD12864引脚图如图3-9 所示图3-8 LCD12864实物图图3-9 LCD12864引脚图1.LCD12864基本特性低电源电压（VDD：+3.0+5
46、.5 V )2.显示分辨率：12864点3.内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字（简繁体可选） 4.内置128个168点阵字符5.2MHZ时钟频率6.显示方式：STN、半透正显7.驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS8.视角方向：6 点9.背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED 的1/51/1010.通讯方式：串行、并口可选11.内置DC-DC 转换电路，无需外加负压12.无需片选信号，简化软件设计13.工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20+603.6 电机设备本文采用两相混合式步进电机作为机械部分的驱动装置，步进电机以其结构简单、可靠性高、不累积误差、无需
47、反馈就可构成开环系统、容易控制等优点，成为数控系统的最佳执行元件之一而得到广泛应用。混合式步进电机的分辨率较高，绕组电感较小，效率高，转矩高，震动小等特点。步进电机实物图如图3-10所示L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路。 L298N实物图如图3-11所示。与L293D的差别是其输出电流增大，功率增强。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。同时L298N具有体积小，控制方便的特点。因此采用此模块定会使您的电机控制自如，可以应对需要大功率直流电机。同时，我们提供带有光耦隔离的驱动模块，利用这个模块可以把单片机电源与直流电机电源隔离开，从而可以避免直流电机对单片机的干扰，适合要求较高的控制及AD采样场合。步进电机驱动电路图如图3-12所
