智能家居系统设计 自动化毕设.doc

四川理工学院毕业设计（论文）智能家居系统设计学 生：魏 大 海学 号：070210专 业：自动化班 级：2007.3指导教师：方 四川理工学院自动化与电子信息学院二O一一年六月摘 要围绕“智能家居系统”这一课题，本次设计利用了STM32单片机、AT89S51单片机、nRF24L01无线收发模块和GSM模块TC35I等主要器件，并通过编写相应的软件，实现了具有短信收发控制与报警功能的“智能家居系统”。该系统利用了现有的GSM网络，以收发短消息的远程控制的方式实现防火、防盗等家庭所要求的安全监控和报警以及家庭电气远程智能控制等功能。系统具有传输质量高、稳定性好、抗干扰能力强、易于扩展，可随意布控的特点，人机交互界面选用TFT显示，触摸屏输入，操作界面全图形化，使用更方便，操作更人性化，使其更具有市场竞争优势。关键词：智能家居系统； GSM网络；STM32；AT89S51；TC35I；NRF24L01；TFTABCTRACTSmart Home SystemBase on "Smart Home System", in this design, STM32 MCU, AT89S51 microcontroller, nRF24L01 wireless transceiver module and GSM module TC35I and other major components is used and to achieve control with text message and alarm functions is achieved by writing software. The system uses the GSM network to receive the remote control Send short message, to achieve fire safety, security and other requirements of the family and home security monitoring and alarm electrical remote intelligent control. The advantage of system is transmission of high quality, good stability, anti-interference ability, easy to expand. The system has man-machine interface of TFT display, touch screen input, full graphical user interface, more convenient and more user-friendly operation. All of these make it more competitive.Key words: Smart Home System；GSM network；STM32; AT89S51 ；TC35I；NRF24L01；TFT目录摘 要IABCTRACTII第1章 引言11.1 智能居家系统的定义11.2 智能家居的国内外发展状况21.2.1 国外智能家居发展现状21.2.2 国内智能家居发展状况及特点31.3 课题研究的意义和内容4第2章 智能家居系统硬件设计72.1 智能家居系统的工作原理72.1.1 智能家居系统的组成72.1.2 智能家居系统工作原理82.1.3 智能家居系统的功能特点82.2 主控制系统的控制器选择及其外围电路设计92.2.1 主控制器（STM32F103）介绍92.2.2 主控制器的外围电路设计122.3 辅助控制系统的控制器选择及其外围电路设计172.3.1 辅助控制器（AT89S52）介绍172.3.2 辅助控制器的外围电路设计182.4 GSM通信模块设计222.4.1 通信模块TC35I简介222.4.2 电平转化电路设计242.5 无线射频通信模块设计242.5.1 无线射频模块芯片的选择242.5.2 无线射频收发模块nRF24L01设计262.6 系统供电模块设计282.7 其他外围电路介绍292.7.1 继电器电路292.7.2 红外遥控接收电路302.7.3 红外热释传感器30第3章 智能家居系统软件设计323.1 软件设计分析流程323.1.1主控制系统的软件设计模块323.1.2辅助控制系统的软件设计模块343.2 TFT触摸屏驱动程序设计353.3 短消息收发介绍与程序设计373.3.1 短消息的收发模式383.3.2 与短消息有关的AT指令393.3.3 短消息接收子程序设计403.3.4 短消息发送子程序设计423.4 无线射频模块（nRF24L01）通信的实现433.4.1 nRF24L01的初始化配置433.4.2 nRF24L01工作模式设置443.4.3 nRF24L01与处理器的SPI通信实现443.4.4 nRF24L01数据发送程序设计463.4.5 nRF24L01数据接收程序设计493.5 其他辅助程序设计52第4章 硬件设计制作与软件调试554.1硬件原理图设计与PCB制作554.2软件设计与调试59第5章 结束语62致 谢64参考文献65附 录66第1章 引言1.1 智能居家系统的定义随着电子技术在现实生活中的广泛应用，人们越来越感受到电子产品为生活所带来的各种便利，特别是在20世纪80年代，智能家居的出现更为人们享受生活提供了一个广阔的平台。 智能家居是一个系统，也是一个过程。它是利用先进的网络通讯技术、电力自动化技术、计算机技术、无线电技术，将与居家生活有关的各种设备有机地结合在一起，通过网络化的综合管理，让居家生活更轻松。智能家居不仅具有传统的居住功能，而且不再是被动的，是具有能动性智能化的工具，提供全方位的信息交换功能，优化我们的生活方式和居住环境，帮助我们有效地安排时间，节约各种能源，提供优质、高效、舒适、安全的生活空间智能家居的原型最早起源于美国。时至今日，智能家居在美国已走过了将近30个年头。目前，美国有全球最大的智能化住宅群。此外，在欧美、日本、新加坡等地，智能家居也日渐兴起。 智能家居不再是一幢被动的建筑，相反的，它成了帮助住户提高时间利用率的工具，使家居生活更为舒适、安全、高效和节能。网络化的智能家居系统可提供遥控、家电（热水器，空调等）控制、灯光控制、室内外遥控、窗帘自动收放、防盗报警、远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全。 随着家庭智能化在世界范围内的普及，智能家居在上个世纪末悄然走进了中国市场。但是，通常媒体上常见的有关智能家居的介绍，事实上却误导了人们对智能家居的认识，使人们不知道如何将其与自己的家庭联系起来。 目前通常把智能家居被定义为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合的一个系统。也就是说，首先，它们都要在一个家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络的操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家庭网络上的家电和设备的控制和监测。其次，它们都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与家庭以外的世界沟通信息，满足远程控制监测和交换信息的需求。最后，它们的最终目的都是为满足人们对安全、舒适、方便和符合绿色环境保护的需求。由此可见，智能家居是一个系统层次概念，它涵盖了在建筑环境层次能够影响人们生活的诸多方面，就实际应用而言往往有以下系统：可视对讲系统：如有客人访问，可按动大门上的按键，主人在家里通过液晶显示屏能很清晰的看到室外情况，免除陌生人的打扰。除此以外，各个家居之间也可实现可视对讲。家庭安防系统：运用现代通信、计算机等先进技术，通过对各类探测器及相关处理设备的综合使用，达到对家庭安全提供保障。网络通讯系统：通常语音通信系统、有线电视系统及数据通信系统被统称为信息网络系统。智能照明系统：通过安装智能控制器，对客厅、起居室及卧室内的灯具开关进行遥控，或者通过通讯网络实现照明的远程控制。家电控制系统：如煤气开关阀门、空调、电热水器及电饭堡等的远程控制，当主人外出要回到家时或在办公室办公时，都可通过电话或手机遥控家中的家用电器。1.2 智能家居的国内外发展状况1.2.1 国外智能家居发展现状世界上最早的智能建筑是1984年在美国诞生的，之后加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后开始开发智能建筑和智能家居产品。而且也使世界其他国家的众多企业参与竞争智能家居这个市场。目前已出现在市场上的智能家居类产品主要有：(1)美国的X-10系统，该系统是通过电力线以50Hz或（60Hz）为载波作为网络平台，采取集中控制方式实现多种功能。该产品在美国占据市场主流。 (2) 新加坡的8X系统，该系统采用预埋总线及中央控制方式实现各种功能，同时利用产品可对系统进行扩展。 (3) 德国的EIB系统，该系统采用的预埋总线及中央控制方式实现控制功能。由于智能家居的诱人的前景和巨大的市场，加之随着欧洲电子全面普及化工作的开展，以及以韩国、日本、中国为代表的的亚洲电子技术的飞速发展，人们生活水平的不断提高以及智能电子技术不断的成熟，智能化控制已经成为未来生活潮流发展的最新方向。所以吸引了众多的国内外企业去争食智能家居市场。1.2.2 国内智能家居发展状况及特点中国人口众多，城市住宅建设也多选择密集型的住宅小区方式，因此很多房地产商会站在整个小区智能化的角度来看待家居的智能化，也就出现了目前一统天下、无所不包的“智能小区”的模式。但是 在国内，随着建筑智能化行业协会的成立及技术水平的不断提高，产品在市场上已逐步推广了，前期主要集中在一些分散的智能家庭控制子系统的研究上，如三表抄送系统、门禁系统、可视对讲系统等。但是现在智能家居已经不是一个单独的产品，也不是传统意义上的“智能小区”概念，而是基于小区的多层次家居智能化解决方案，它综合利用计算机、网络通讯、家电控制、综合布线等技术，将家庭智能控制、信息交流及消费服务、小区安防监控等家居生活有效地结合起来，在传统“智能小区”的基础上实现了向家的延伸，创造出高效、舒适、安全、便捷的个性化住宅空间。但是由于中国的居住模式和文化与发达国家有很大的区别，所以智能家居在中国的发展也体现出其独具的特点。1智能化家居系统在国内的发展特点：(1)市场潜力大，我们知道现在的房地产业在全国的发展都很火爆，作为其下游产业，智能家居市场前景非常乐观。(2)智能家居产业处于引导期，没有一个统帅品牌和领军企业，市场处于无序竞争期。这个产业各自为政，没有一个统一标准，各种技术力量重复投入，致使在这个基础上的家庭网络产品五花八门，但多数产品是大同小异，行业内各企业的竞争处于无序状态。(3)智能家居行业市场远未成熟，大规模的价格战、广告战和服务战还没有爆发，市场份额较为分散，市场的认知和接受程度较低，市场尚处于一个需要逐步培育和引导的阶段。与产品的服务供应商的争先恐后相比，智能家居产品进入用户终端的步伐略显迟缓。(4)面对着巨大智能家居市场的需求，市场区域也存在着不均衡的状态。以华东、华南等经济较发达的地区为主要的市场需求区域，而西南、西北地区的市场份额相对较低，这主要与居民的总体消费水平有关。2智能家居系统有以下发展方向：(1)向一体化、系统集成化方向发展。(2)向节能环保方向发展。(3)向智能化、网络化、人性化方向发展。(4)向规范化、标准化方向发展我国智能家居发展较晚，新技术、新产品层出不穷，标准和规范还在制定之中。(5)向具有“中国特色”的家居智能化方向发展家居智能化系统需要大量的适合中国国情的产品和运行软件。3我国智能家居的主要产品：(1)清华同方的eHome数字家园。其职能家居控制系统主要有三个部分：A系列、B系列和易家三代。(2)海尔的“e家庭”，以海尔电脑为控制中心，各种网络家电作为终端设备，以海尔移动电话为数字控制中心。1.3 课题研究的意义和内容课题研究的意义：随着人们对生活质量提出了更高的要求，希望生活更加追求安全与舒适。一方面，由于一些家庭疏忽大意，时常会因为大意发生一些火灾或煤气泄露险情以及财物被盗的情况，给家庭和社会带来巨大的损失，因此迫切需要利用现代技术的智能化手段，为家庭提供一个安全舒适的家居环境。智能家居安防系统能在各种紧急情况出现的第一时间报警，通知物业管理中心和住户，把险情消灭在萌芽状态，减少各种损失，为家庭生活的安全舒适提供强有力的保障。因此，安防系统作为智能家居系统的一个重要组成部分。另一方面，智能家居系统中远程控制，能够给人们生活带来极大的舒适与便捷，可以通手机远程控制家电设备，让现代科技与生活实现完美的结合。目前，虽然智能家居有一定的发展，出现了一定数量的研究机构和公司，尤其是经历了2000年的智能家居概念炒作之后，智能家居得到空前的发展。但智能家居在中国还处于初始阶段，缺乏统一的标准和权威的产品。智能住宅小区还远没有得到普及，许多基础设施没有得到相应的改善。到目前为止，在中国手机基本普及。考虑到手机在中国的高普及率和短信息的廉价性以及GSM网络在全球范围内的覆盖和漫游的实现。本次就是设计了一款以GSM网络的短信息服务(SMS)为载体的智能家居控制系统。该系统由智能控制模块、数据采集模块和用户手机构成。该系统的安装无需改变家庭原有的布线，可有效的解决单个家庭对智能家居产品的需求，且成本小、安装周期短，更重要的是3.2寸TFT触屏的人机对话界面，触摸屏输入，操作界面全图形化，方便查看与人工设置。因此，在国内应该有很大的市场潜能。该智能家居系统基本框图如图1.1所示。图1.1 智能家居系统基本框图智能家居系统所需要设计的内容比较多，但是由于成本、时间等的限制，要做出完整的智能家居系统显然是不可能的。然而就整个分系统而言，可以发现有很明显的相似性，只是在某些性能上需要做不同的设计而已。故而做好其中一个便可触类旁推。鉴于此，本设计仅对仅对主控制系统、智能家电控制系统以及家居环境监控系统做简要设计。该智能家电控制系统通过GSM网络完成手机与控制系统间的信息交换，进而传递控制信息，中央控制模块通过对控制信息的解码将其发送到家电控制端，实现家电的控制。而环境监控系统则是利用多种传感器采集家居环境中的信息通过NRF24L01无线模块发给主控制系统，最终通过GSM短信发给用户。基本框图如图1.2所示。图1.2 家居主控制系统图图1.3 家居辅助控制系统图第2章 智能家居系统硬件设计2.1 智能家居系统的工作原理2.1.1 智能家居系统的组成本次设计采用了主从的控制理念，设计了2块控制电路板：一个是以51单片机为中心的家居信息（包括报警信息）的采集、基于短距收发模块nRF24L01的信息收发以及相应的控制装置（继电器）的辅助控制系统；另一个是以STM32为中心的负责所有家居信息的显示人机对话与接受与处理以及同用户交换控制信息（通过GSM为通信载体）并发出控制命令的智能控制模块。进而实现对家居环境信息的及时发给用户和空调、电视、电灯等家电的控制。智能家居系统组成：主控制系统和辅助控制系统。主控制系统包括智能控制模块、GSM通信网络、短距无线收发nRF24L01。辅助控制系统包括信号采集模块、信息传送模块nRF24L01、家电设备控制模块。智能家居系统的主/辅助控制系统的原理框图如图2.1所示。主控制系统STM32F103VCT6任务：1信息收集2短消息收发3控制命令输出4人机界面nRF24L01接收家居信息和发送控制命令TC35I与用户手机通信、接受控制命令TFT触摸屏ILI9320和ADS7843的人机对话界面控制辅助控制系统单片机AT89S52任务：1家居信息采集2信息发往主控器3执行主控制命令收集传感器采集的家居环境信息温湿度等nRF24L01收发家居信息和控制命令MAX72198位数码管显示HS0038红外接收头接收手动控制命令SD卡 读写操作SPI模式、储存字库继电器控制命令响应模块控制图2.1 智能家居系统主、辅控制系统原理框图智能家居系统的核心是智能家居控制中心模块的设计，将在下面的章节中重点介绍智能家居控制中心模块的设计过程。作为系统的核心部分，智能控制中心不仅要对被控对象实时监控、信息显示而且要对控制信息及反馈信息及时处理并显示。根据实际需要可知，要实现远程控制的目的，必须具备的条件就是对现场进行控制的无线射频模块，还有就是实现远程通信的通信模块，在加上相关的外围电路构了智能居家系统。2.1.2 智能家居系统工作原理STM32构成的主控模块对辅助系统发来的现场采集数据信息和来自手机模块的控制指令进行实时监控与分析，如果采集到被控模块的手动控制操作信息，则记录相应操作。除现场手动操作外，本系统最大的优点就是可以对家电工作情况等被控对象进行远程操作。当用户希望进行某种操作时，只需用手机编写相应的短信发送到预先设定的号码上。智能家居控制中心接到短信后，与预先设定的控制指令格式进行比对，提取出用户欲进行的操作信息，然后再通过无线方式（nRF24L01模块）传送给辅助控制系统。辅助控制系统则根据接收到的由控制中心发来的相应的控制信息控制后，与预存信息比对。当确定是对那个控制对象的操作时，就进行相应操作，同时反馈给控制中心。如果智能家居控制中心接到控制指令，但是经过比对发现是无效控制命令是，则控制中心就会把错误反馈信息通过短信息发到用户手机。2.1.3 智能家居系统的功能特点本智能家居系统有如下的几个功能和特点：1、3.2寸TFT触屏的人机对话界面，触摸屏输入，操作界面全图形化，方便查看与人工设置系统工作参数；2、基于短消息的远程数据传送功能；3、基于短消息的远程手机控制命令的执行功能；4、两种操作方式，现场手动（红外遥控）和远程短信遥控；5、可以方便的加入多个辅助控制模块；6、采用局部无线控制信息传送，基本无需布线，扩展功能强；7、留有程序升级接口，方便程序升级完善性能。2.2 主控制系统的控制器选择及其外围电路设计主控制系统也就是控制中心，是整个控制系统的中枢。它负责将辅助系统收集的信息接收过来，并判断是否超限，若超限则将其通过手机模块发送到用户，以及手机指令的解析，并提取其中的控制信息，以此对被控对象和辅助系统发送相应控制命令。整个控制系统以星型方式连接，而主控制系统，是星型连接的中心节点。因而主控制系统的好坏决定着整个控制系统的性能，所以这次使用了高性能而低成本的ARM Cortex-M3 系列的STM32F103VCT6作为主控制器，但其外围电路也至观主要，只有它们都能好好工作时，整个系统才会稳定工作。下面就主控制系统的控制器和外围电路介绍一下。2.2.1 主控制器（STM32F103）介绍STM32F103xx增强型系列使用高性能的ARM/Cortex-M3/32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达512K字节的闪存和64K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有的器件都包含2个12位的ADC 、3个通用16位定时器和一个PWM定时器、2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。 STM32F103xx增强型系列产品包括从36脚至100脚的五种不同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽相同。使得STM32F103xx增强型微控制器适合于多种应用场合： ·医疗和手持设备；·PC外设和GPS平台； ·电机驱动和应用控制； ·警报系统，视频对讲，和暖气通风空调系统； ·工业应用：可编程控制器、变频器、打印机和扫描仪。2.2.1.1 ARM公司的高性能”Cortex-M3”内核简介 Cortex-M3内核包含一个适用于传统Thumb和新型Thumb-2指令的译码器、一个支持硬件乘法和硬件除法的先进ALU、控制逻辑和用于连接处理器其他部件的接口。Cortex-M3处理器是基于ARMv7-M架构的ARM处理器。中央Cortex-M3内核使用3级流水线哈佛架构，运用分支预测、单周期乘法和硬件除法功能实现了出色的效率（1.25DMIPS/MHz）。Cortex-M3处理器是一个32位处理器，带有32位宽的数据路径、寄存器库和基于传统ARM7处理器的系统只支持访问对齐的数据，沿着对齐的字边界即可对数据进行访问和存储。Cortex-M3处理器是专为那些对成本和功耗非常敏感但同时对性能要求又相当高的应用而设计的。凭借缩小的内核尺寸和出色的中断延迟性能、集成的系统部件、灵活的配置、简单的高级编程和强大的软件系统，Cortex-M3处理器将成为从复杂的芯片系统到低端微控制器等各种系统的理想解决方案。表2-1为Cortex-M3处理器与ARM7作比较。表2-1 Cortex-M3与ARM7相比较2.2.1.2 丰富的内部资源 STM32有丰富的内部资源，如下所示：·内置闪存存储器； ·内置SRAM；·外部中断/事件控制器(EXTI)； ·时钟和启动； ·通用同步/异步接受发送器(USART)； ·DMA；·嵌套的向量式中断控制器(NVIC)； ·自举模式； ·RTC(实时时钟)和后备寄存器 ； ·窗口看门狗； ·I2C总线 ； ·串行外设接口(SPI)； ·CRC计算单元，96位的芯片唯一代码； ·SDIO接口；·通用串行总线(USB)； ·控制器区域网络(CAN) ；·通用输入输出接口(GPIO)； ·温度传感器；·ADC(模拟/数字转换器) ； ·DAC(数字/模拟转换器) ；·串行线JTAG调试口(SWJ-DP)。2.2.1.3 方便得开发环境和优良的电气特性 ·RealView MDK（Miertocontroller Development Kit）基于ARM微控制器的专业嵌入式开发工具；·2V-3.6V供电；·容忍5V信号的I/O管脚； ·优异的安全时钟模式；·带唤醒功能的低功耗模式； ·内部RC振荡器； ·内嵌复位电路； ·工作温度范围：-40至+85或105。2.2.1.4 STM32芯片选型原则与芯片所选型号:(STM32F103VCT6)首先STM32芯片拥有很多种型号，不同的型号的管脚数量或管脚功能分布是不同，在选择的时候必须本着节约的原则和廉价的原则以及设计够用和方便的原则，管脚的分配能适应所需模块等原则。由于这次的毕业设计会用到16位数据端口的TFT触屏（ILI9320），以及SD卡等等。所以I/O引脚需求较多，又加上运用到了彩色触屏显示和汉字显示以及用SD卡是需要加入文件系统（FatFS），所以程序比较大，综合考虑这些因素，这次毕业设计选用了手上拥有的现成stm32芯片：STM32F103VCT6（256K FLASH，48K SRAM）如图2-2所示。 图2-2 STM32F103VCT6 LQPFP100管脚图2.2.2 主控制器的外围电路设计2.2.2.1 TFT触摸屏（ILI9320）简介QS-T320M2是一款240×320点阵液晶模块，采用先进的TFT技术，内部单芯片（ILI9320控制器）集成驱动和控制芯片,非常方便应用于嵌入式控制系统。在EMC性能及稳定性方面有良好的表现。3.2寸TFT，240×320点阵； 标准8080时序，16bit总线接口；电压范围：2.7V3.6V； 外形尺寸：63mm×84mm； 直流 3.3V or 5.0V供电； 工作温度：-25°C +75°C； 标准20X2, 2.54mm间距排插接口； 显示屏(ILI9320)和触摸 (ADS7843)驱动电路。TFT触摸屏与控制器的连接图本次使用16位并行数据通信控制TFT屏的显示，通过通用I/O来控制TFT屏的显示，实现靓丽的显示界面，便于用户观察系统工作情况。接线图如图2-3所示。图2-3 TFT触摸屏与控制器的连接图TFT触摸屏的控制读写时序图通过通用I/O来模拟SPI通信方式来与TFT屏的触摸芯片（ADS7843）通信，来实现用户信息的读入，实现人机对话，便于用户操作。只有严格的遵循SPI的时序才可以准确的实现用户信息的输入。具体软件模拟见软件设计，SPI读写时序图2-4如下。图2-4 TFT触摸屏的控制读写时序图2.2.2.2 SD卡简介由于本次设计需要人机对话，所以使用到了汉字显示，由于考虑成本因素，没有使用汉字字库芯片，而使用了BIN格式的电子版汉字字库，但是由于处理器ROM有限，所以就把字库装到了SD卡上，这样即方便成本又低，最重要的是可以放大量的东西减少了对CPU的ROM的需求，增加了设计的灵活性。SD卡具有高度集成闪存，具备串行和随机存取能力。可以通过专用优化速度的串行接口访问，数据传输可靠。它的出现，提供了一个便宜的、结实的卡片式的存储媒介，为了消费多媒体应用。SD卡可以设计出便宜的播放器和驱动器而没有可移动的部分。一个低耗电和广供电电压的可以满足移动电话、电池应用比如音乐播放器、掌上电脑、电子书、电子百科全书、电子词典等等，如下图2-5所示。 图2-5 大SD和mini SD对比图SD卡的接口可以支持两种操作模式：1、SD卡模式 2、SPI模式可以选择以上其中任一模式，SD卡模式允许4线的高速数据传输。 SPI模式允许简单通用的SPI通道接口，本次选用的就是SPI模式，其引脚如表2-2所示。表2-2 SPI模式针脚定义针脚名称类型描述1CSI片选（负有效）2DII数据输入3VssS地4VccS供电电压5CLKI时钟6Vss2S地7DOO数据输出8RSV-9RSV-注：S：电源供电，I：输入O：输出 I/O：双向 PP：I/O使用推挽驱动SPI模式时，这些信号需要在主机端用10100K欧的电阻上拉。SPI 总线概念：SPI总线允许通过2通道（数据入和出）传输比特数据。SPI兼容模式使得MMC主机系统通过很小的改动就可以使用卡，SPI模式使用字节传输。所有的数据被融合到一些字节中并aligned to the CS signal（可能是：同过CS信号来校正）。SPI模式的优点就是简化主机的设计，SPI模式丧失了速度性能。SPI通道是被定向的位组，每个命令或数据块都被组装为8位的字节并且是被排齐到CS信号的字节(也就是长度是8个时钟周的循环)。SPI信息由命令、响应和数据块所组成。所有的通信在主机和卡之间被主机控制，主机处理总线上CS信号为低电平的那个。1、读数据SPI模式支持对单一块和多重块的读命令。 然而为了要遵从SPI工业标准，只使用两个(单向)信号。一个CS有效的卡会用一个同长度的事先定义了的SET_BLOCKLEN(CMD16)命令作为回应。读一个多重块结束后,类似SD协议,会跟随一个STOP_TRANSMISSION命令，如图2-6所示。图2-6读取响应一个有效的数据块会后缀一个16位CRC，CRC由标准CCITT polynomial即产生。如果一个数据检验错误，卡将不传送任何的数据。而将一个特别的数据错误记号发送到主机。如图2-7所示，一个以错误记号结束的读操作而不是数据块。图2-7 读操作数据错误2、写数据SPI模式支持单一块和多重块的写操作。 在收到有效的写命令时，卡将回应一个响应标志(response token)并且等待主机发出数据快。CRC后缀、块长度和起始地址限制与读操作相同，如图2-8所示。图2-8 写操作当一个数据块被卡收到后,卡将回应一个数据响应标志(data-response token)。如果数据块被正确的接收到,它将会被写入卡的闪存中，在卡忙着规划时,忙信号就会一直有效。(保持DataOut线为低电平)硬件连接原理图如图2-9所示。 图2-9 SD卡的硬件连接图2.3 辅助控制系统的控制器选择及其外围电路设计2.3.1 辅助控制器（AT89S52）介绍AT89系列单片机是美国Atmel公司的8位Flash单片机产品。这个系列单片机的最大特点是在片内含有Flash存储器，而其他方面和MCS一51没有太大的区别，该系列有着十分广泛的用途。本设计选用的是AT89S52单片机，AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8KBytesISP(In一System Programming)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS一51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其外围引脚如图2-10所示：图2-10 AT89S52引脚图AT89S52具有如下特点:40个引脚，8KBytesFlash片内程序存储器，256Bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，6个中断优先级2层中断嵌套， 3个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，看门狗(wdt)电路，片内时钟振荡器。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.3.2 辅助控制器的外围电路设计2.3.2.1串行存储器（EPROM-AT24C64）简介本设计采用的存储芯片是串行EEPROM-AT24C64，AT24C64是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EPROM，它是内含8192x8位存储空间，具有工作电压宽(2.55.5V)、擦写次数多(大于10000次)、写入速度快(小于10ms)等特点。抗干扰能力强、数据不易丢失、体积小等特点。而且他是采用了I2C总线式进行数据读写的串行器件，占用很少的资源和I/O线，并且支持在线编程，进行数据实时的存取十分方便AT24C64芯片共有8只引脚，如图2-11所示。图2-11 AT24C64管脚图1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向12C总线串行传送。第6脚SCL为串行时钟输入线。SDA和SCL都需要和正电源间分别接一个10K的上拉电阻。第7脚需要接地。二线制协议即是总线上的所有操作都是由SDA和SCL两个脚位的状态来确定的，共有四个状态：开始，停止，数据以及应答，下图描述了四个状态的时序图，如图2-12所示。 图2-12 IIC通信时序图AT24C64与单片机的连接电路如图2-13所示，通过单片机实现对其数据存储。图2-13 AT24C64连接图2.3.2.2时钟芯片（DS1302）简介DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力，其引脚如图2-14所示。图2-14 DS1302的引脚图DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK为时钟输入端，DS1302的接线图如图2-15所示。 图2-15 DS1302的连接图2.3.2.3数字温湿度传感器（DHT11）简介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，具有极高的可靠性与长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能单片机相连接。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。传感器为4针单排引脚封装，连接方便，性能参数如表2-3所示。表2-3 DHT11性能图型号测量范围测湿精度测温精度分辨力封装DHT1120-90%RH 0-50±5%RH±21四针单排直插 与单片机的连接图如图2-16所示：图2-16 DHT11接线图一次完整的数据传输为40bit, 高位先出。数据格式 :8bit 湿度整数数据 +8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据 +8bit 温度小数数据+8bit 校验和。数据传送正确时校验和数据等于“ 8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位，与单片机的通