基于GPRS的远程无线温度采集系统的设计_毕业设计说明书1.doc

摘 要 i hebei united university 毕毕业业设设计计说说明明书书 graduate design 设计题目设计题目：基于：基于 gprsgprs 的远程无线温度采集系统的设计的远程无线温度采集系统的设计 河北理工大学信息学院 ii 摘 要 gprs 作为一种高速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、数据 带宽宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点，特别适用于间断 的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，能够满足数据采集及监控的双向数 据信息传输。 文中设计了一种温度控制系统，提高了温度检测系统的综合性能用单片机 作为微控器，选用数字温度传感器，对温度进行控制，提出了一种基于 gprs 技 术的远程温度监测系统方案，采用 msp430 单片机和 ds18b20 数字温度传感器实 现现场温度数据的采集和处理，再通过 gprs 模块 mg323 实现远程的数据传输和 接收，具有精度高、稳定性好的特点。硬件方面设计了一个基于单片机的温度 智能控制系统，以 msp430 单片机为核心，采用了温度传感器 ds18b20，以 gprs 无线通信模块为基础，基于 at 指令和数据采集器，构建一个远程的温度数据采 集系统，对温度进行控制。 关键词 温度采集系统；ds18b20；单片机；gprs abstract iii abstract gprs as wireless a high-speed, high efficiency, economy system, has a wide network coverage, according to the data with eric, strong adaptability, valuation data flow calculation, the advantages of real-time online, especially suitable for intermittent, sudden and frequent, small amounts of data transmission, can satisfy the data acquisition and monitoring of the bidirectional data transmission. in this paper, we design a temperature control system, improve the comprehensive use of temperature detection system single chip as micro controller, digital temperature sensor, the temperature control, puts forward a remote temperature monitoring system scheme based on gprs technology, the scene is realized by using msp430 mcu and ds18b20 digital temperature sensor temperature data acquisition and processing, again by mg323 gprs module to achieve remote data transmission and receiving, has features of high precision and good stability. a hardware design based on single chip microcomputer intelligent temperature control system, with msp430 single chip microcomputer as the core, adopting the temperature sensor ds18b20, based on the gprs wireless communication module, based on the at commands and data collector, to build a remote temperature data acquisition system, to control the temperature. keywords temperature acquisition system; ds18b20; single chip microcomputer; gprs; 目 录 iv 目 录 摘 要.i abstract.ii 第 1 章 绪论1 1.1 引言1 1.2 课题设计背景1 1.3 课题设计意义2 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计3 2.1 主控芯片介绍.3 2.1.1 msp430f149 芯片概述.3 2.1.2 msp430f149 芯片引脚.3 2.1.3 单片机控制模块.5 2.2 gprs 模块介绍7 2.2.1 gprs 模块 b2b 连接器接口7 2.2.2 mg323 电源接口9 2.2.3 控制信号接口和开/关机时序10 2.2.4 uart 接口.12 2.2.5 sim 卡接口13 2.3 温度传感器简介14 2.3.1 ds18b20 管脚配置和内部结构.15 2.3.2 ds18b20 的工作原理.16 2.3.3 ds18b20 的硬件设计.18 2.4 显示模块19 2.4.1 液晶驱动芯片19 2.4.2 段式液晶显示器21 2.4.3 显示模块硬件电路设计21 2.5 电源模块22 2.5.1 单片机供电模块22 2.5.2 gprs 供电模块23 第 3 章 系统软件设计25 3.1 温度采集程序设计25 3.2 gprs 模块程序设计.26 3.3 系统总体程序设计29 第 4 章 系统硬件电路板的设计31 4.1 系统硬件原理图31 4.2 系统 pcb 图.33 4.3 硬件制作34 4.4 硬件调试35 结 论36 参考文献37 目 录 v 谢 辞39 附 录40 附录 1：系统硬件原理图 .40 附录 2：显示模块程序 .42 附录 3：温度传感器程序 .49 附录 4：gprs 模块程序 52 附录 5：系统整体程序 .54 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 引言 温度检测技术在我国的工业生产中应用非常普遍，传统的温度检测系统一 般采用分散式三级系统，这种系统多采用有线传输方式，其远程线路铺设及维 护不仅需要较高的成本，而且引线过长将导致整个系统功耗上升，稳定性下降。 温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应 用于冶金、化丁、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的 过程控制。有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。随着社 会的进步和生产的需要，利用无线通信进行温度数据采集的方式应用已经渗透 到生活各个方面。 在工业现场，由于生产环境恶劣，工作人员不能长时间停留在现场观察设 备是否运行正常，就需要采集数据并传输数据到一个环境相对好的操控室内， 这样就会产生数据传输问题。由于厂房大、需要传输数据多，使用传统的有线 数据传输方式就需要铺设很多很长的通讯线，浪费资源，占用空间，可操作性 差，出现错误换线困难。而且，当数据采集点处于运动状态、所处的环境不允 许或无法铺设电缆时，数据甚至无法传输，此时便需要利用无线传输的方式进 行数据采集。 在农业生产上，不论是温室大棚的温度监测，还是粮仓的管理，传统上都 是采取分区取样的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和粮仓占地面积 大，检测目标分散，测点较多，传统的方法已经不能满足当前农业发展的需要。 当前的科技水平下，无线通信技术的发展使得温度采集测量精确，简便易行。 在日常生活中，随着人们生活水平的提高，居住条件也逐渐变得智能化。 如今很多家庭都会安装室内温度采集控制系统，其原理就是利用无线通信技术 采集室内温度数据，并根据室内温度情况进行遥控通风等操作，自动调节室内 温度湿度，可以更好地改善人们的居住环境。 本系统的设计采用了华为公司推出的 mg323 gprs 模块，由 msp430f149 单片机控制实现无线数据通信。该接口设计具有成本低、传输速率高、软件设 计简单以及通信稳定可靠等特点。 1.2 课题设计背景 温度与人们的生产生活密切相关，需要对温度监测的场合非常多。传统的 有线测温方式存在着布线复杂，线路容易老化等问题。无线测温技术与有线测 河北联合大学信息工程学院 2 温技术相比，有成本低、携带方便、搭建网络简单快捷等特点，特别是在有线 网络不通畅或由于现场环境因素的限制不便架设线路的情况下，使用无线通信 技术进行温度监测显得更加实用、快捷。 随着计算机技术和通信技术的不断发展，计算机远程无线监控技术在工业 控制领域中的应用越来越广泛。gprs 技术从实验室研究、地区范围内试用到正 式商用，经过了长时间的完善，技术先进可靠。gprs 设备数据监控终端传输设 备一开机就能自动附着到 gprs 网络上，与数据中心实时在线进行实时数据通信， 高速输，可靠性高。 随着无线通信技术的发展，采用无线的传输方式已成为远程分布式温度监 测技术的发展趋势。gprs 技术在移动通信领域的发展，已经能够实际应用到许 多需要无线数据传输的领域，也为温度采集传输及监控提供了一种新的数据通 信方式。温度传输的实时性与可靠性成了设计远程数据采集系统的关键。 1.3 课题设计意义 本文对gprs远程温度监测系统硬件和软件设计进行说明。温度检测采用 ds18b20，非常适用于多点、恶劣环境下的温度监测系统。系统进行温度数据的 实时监测，监测数据精度高，系统操作简单，而且可应用于有线网络设备无法 到达的地方，实现了温度监测的自动化智能化，具有成本低廉分布灵活，实时 在线的优点。gprs模块利于系统集成，成本较低，运行稳定可靠，适用于远距 离监测，不受地形条件的限制，有着广泛的应用前景。系统的实现给远程对温 度的要求提供了方便，而且快捷，成本不高等，为农业工业生产带来极大的方 面。 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 3 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 2.1 主控芯片介绍 2.1.1 msp430f149 芯片概述 单片机芯片配以必要的外部器件，一般包括电源供入及电源开关、复位电 路、晶振、输入输出电路等就能构成最小系统。 msp430f149 芯片是美国 ti 公司推出的超低功耗微处理器，有 60kb+256 字 节 flash，2kbram，包括基本时钟模块、看门狗定时器、带 3 个捕获/比较寄存 器和 pwm 输出的 16 位定时器、带 7 个捕获/比较寄存器和 pwm 输出的 16 位定时 器、2 个具有中断功能的 8 位并行端口、4 个 8 位并行端口、模拟比较器、12 位 a/d 转换器、2 个串行通信接口等模块。msp430f149 芯片具有如下特点： （1）功耗低：电压 2.2v、时钟频率 1mhz 时，活动模式为 200a；关闭模 式时仅为 0.1a，且具有 5 种节能工作方式。 （2）高效 16 位 risc-cpu，27 条指令，8mhz 时钟频率时，指令周期时间 为 125ns，绝大多数指令在一个时钟周期完成；32khz 时钟频率时，16 位 msp430 单片机的执行速度高于典型的 8 位单片机 20mhz 时钟频率时的执行速度。 （3）低电压供电、宽工作电压范围：1.83.6v； （4）灵活的时钟系统：两个外部时钟和一个内部时钟； （5）低时钟频率可实现高速通信； （6）具有串行在线编程能力； （7）强大的中断功能； （8）唤醒时间短，从低功耗模式下唤醒仅需 6 微妙； （9）esd 保护，抗干扰力强； （10）运行环境温度范围为-40+85，适合于工业环境。 msp430 系列单片机的所有外围模块的控制都是通过特殊寄存器来实现的， 故其程序的编写相对简单。编程开发时通过专用的编程器，可以选择汇编或 c 语言编程，iar 公司为 msp430 系列的单片机开发了专用的 c430 语言，可以通 过 workbench 和 c-spy 直接编译调试，使用灵活简单。 2.1.2 msp430f149 芯片引脚 58 脚 rst/nmi 为 430 单片机的复位引脚（低电平有效） 。 河北联合大学信息工程学院 4 1 脚 dvcc，63 脚 dvss 为数字电源接口。 64 脚 avcc，62 脚 avss 为模拟电源接口。 注意：msp430 系列单片机的供电电压为 1.8v3.6v。 32 脚 utxd0，33 脚 urxd0 的第二功能为 msp430f149 单片机两路串口通讯 接口中的第一路。 图 2.1 单片机管脚图 34 脚 utxd1，35 脚 urxd1 的第二功能为 msp430f149 单片机两路串口通讯 接口中的第二路。 29 脚 simo0，30 脚 somi0，31 脚 uclk0 的第二功能为 msp430f149 单片机 两路 spi 通讯接口中的第一路。 45 脚 simo1，46 脚 somi1，47 脚 uclk1 的第二功能为 msp430f149 单片机 两路 spi 通讯接口中的第二路。 48 脚的第二功能为 msp430f149 单片机 mclk（主系统时钟）的输出端。 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 5 49 脚的第二功能为 msp430f149 单片机，sclk（子系统时钟）的输出端。 50 脚的第二功能为 msp430f149 单片机，aclk（辅系统时钟）的输出端。 52 脚，53 脚为外部高频时钟晶振输入端（程序中说明一般用 xt2clk 或 hf xtal 表示） 。 8 脚，9 脚为外部低频时钟晶振输入端（程序中说明一般用 lfxticlk 表示） 。 59 脚 ta0，60 脚 ta1，61 脚 ta2，2 脚 a3，3 脚 a4，4 脚 a5，5 脚 a6，6 脚 a7 的第二功能为 8 路的内部 12 位 adc 模拟电压输入端口。 54 脚 tdo/tdi，55 脚 tdi/tclk，56 脚 tms，57 脚 tck 为 jtag 接口（同时 拥有仿真器和编程器的功能） ，用于下载程序并实现硬件在线仿真。 2.1.3 单片机控制模块 单片机控制模块由 msp430f149 最小系统组成，其中包括单片机，晶振电路 和复位电路。 （1）单片机 图 2.2 单片机硬件原理图 河北联合大学信息工程学院 6 （2）晶振电路 msp430 系列单片机时钟模块包括数控振荡器(dco)、高速晶体振荡器和低 速晶体振荡器等 3 个时钟源。这是为了解决系统的快速处理数据要求和低功耗 要求的矛盾，通过设计多个时钟源或为时钟设计各种不同工作模式，才能解决 某些外围部件实时应用的时钟要求，如低频通信、lcd 显示、定时器、计数器 等。数字控制振荡器 dco 已经集成在 msp430 内部，在系统中只需设计高速晶体 振荡器和低速晶体振荡器两部分电路。 低速晶体振荡器满足了低功耗及使用 32.768khz 晶振的要求。低速晶振振 荡器默认工作在低频模式，即 32.768khz，也可以通过外接 450khz8mhz 的高 速晶体振荡器或陶瓷谐振器工作在高频模式，在本电路中我们使用低频模式， 晶振外接 2 个 15pf 的电容经过 x3 和 x4 连接到 mcu。 高速晶振也称为第二振荡器，它为 msp430f149 工作在高频模式时提供时钟， 最高可达 8mhz。在系统中采用 4mhz 的晶体，外接 2 个 20pf 的电容经过 x1 和 x2 连接到单片机。 图 2.3 晶振电路原理图 （3）复位电路 单片机采用上电复位，复位端低电平有效。 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 7 图 2.4 复位电路原理图 2.2 gprs 模块介绍 mg323 模块是华为推出的一款 4 频段的 gprs 模块。工作频段为 gsm850/ 900/ 1800/ 1900 mhz，电源电压为 3.3v4.8v，推荐电压为 3.8v。 2.2.1 gprs 模块 b2b 连接器接口 mg323 模块对外接口形态为 50pin b2b 连接器，mg323 模块对外 50pin b2b 信号接口管脚顺序和定义如下图所示。 河北联合大学信息工程学院 8 图 2.5 b2b 连接器接口顺序和定义 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 9 图 2.6 mg323 模块硬件电路图 2.2.2 mg323 电源接口 mg323 模块 b2b 接口的电源部分主要包含：供电电源 vbat 接口，实时时钟 rtc 备用电源 vcoin 接口，对外电源输出 vio 接口 。 表 2-1 电源接口管脚定义 管脚号信号名描述 42、44、46、48、50vbat供电电源电压输入管脚 41、43、45、47、49gnd地 35vcoin实时时钟(rtc)备用电源输入管脚 40vio对外电源输出管脚 （1）vbat 接口 mg323 模块正常工作时需要通过 vbat 管脚来提供供电电源，供电电源电 压输入范围为 3.3v4.8v（典型值 3.8v） 。50pin b2b 连接器为外部供电电源 输入提供 5 个 vbat 管脚和 5 个 gnd 管脚，mg323 模块在正常使用时，需保证全 部管脚都得到有效使用。 当 mg323 模块针对不同外部应用时，需重点关注供电电源方面的设计。由 于实际网络 环境的差异，当 mg323 模块以最大功率发射时，电源供电的瞬时 河北联合大学信息工程学院 10 电流将有可能达到 2.0a 左右的瞬时峰值，届时将会引起 vbat 电压的跌落， 所以应确保 vbat 在任何 情况下供电电源电压的跌落不能低于 3.3v，否则可 能会引起 mg323 模块重启等异常情况。 对于外部供电电源，推荐使用电流输出能力大于 2a 的 ldo 或开关电源， 并且在模块 的电源端口处并联一个 2mf 以上的蓄能电容。对于蓄能电容，推 荐使用 2.2mf 以上的 电解电容。此外，为了降低通路上阻抗对电压跌落的影 响，建议尽量缩短 vbat 的走 线。 （2）vcoin 接口 vcoin 是 mg323 模块内部实时时钟 rtc 备用电源输入接口。当 vbat 在 位时，实时 时钟 rtc 可以优先通过 vbat 供电；当 vbat 不在位时，vcoin 为实时时钟 rtc 提 供备用电源输入，此时 mg323 模块维持实时时钟 rtc 功 能所需电流约为 5ua。 vcoin 可以使用外部电池供电，推荐使用的电池电压为 3v；如果不使用电 池，也可以外接电容，电容的容值大小决定了在 vbat 不在位时实时时钟 rtc 的持续时间。 mg323 模块支持对外部备用电池进行充电，当 vbat=3.8v 时，充电电流约 为 0.6ma(典型值)。 （3）vio 接口 vio 接口可对外提供 2.8v 供电电压，输出电流为 10ma（典型值） ，可以 用于外部电平 转换或者其他应用。当 mg323 模块处于 sleep 模式下，vio 处 于开启的低功耗状态（=1; if(ds18b20_readbit() result|=0x80; else result return(result); /*给 ds18b20 单总线上写 1byte 数*/ void ds18b20_writebyte(unsigned char data) unsigned char i; for(i=0;i=1; /*从 ds18b20 上读取温度值*/ void ds18b20_readtemp(void) unsigned char temph,templ; ds18b20_init(); 附 录 52 ds18b20_writebyte(skiprom); ds18b20_writebyte(converttemp); delay_s(1); /延时 1s 左右 ds18b20_init(); ds18b20_writebyte(skiprom); ds18b20_writebyte(readscratchpad); templ=ds18b20_readbyte(); /读温度低字节 temph=ds18b20_readbyte(); /读温度高字节 temp=temph; temp #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int unsigned long int temp; float temp_final; uchar temp_ge; uchar temp_shi; uchar temp_xiao; uint i; const uchar at=“atrn“; const uchar tc_msxz=“at+cmgf=1rn“;/发送模式选择 const uchar tc_zxh=“at+csca=+8613800315500rn“;/ 本地移动中心号 const uchar tc_mdsj=“at+cmgsn“; / 目的手机地址 #define cpu_f (double)4000000) /cpu 频率 #define delay_us(x) _delay_cycles(long)(cpu_f*(double)x/1000000.0)/延迟 x 微妙 #define delay_ms(x) _delay_cycles(long)(cpu_f*(d