设备管理_无人值守设备监控系统开发与实现论文

本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 题目题目 无人值守设备监控系统开发与实现 院（系部）院（系部） 电气与自动化工程系 专业名称专业名称 电气工程及其自动化 年级班级年级班级 12 级 X 班 学生姓名学生姓名 张 X 指导教师指导教师 李 XX 2016 年 4 月 25 日 I 摘 要 大部分生产单位日常生产设备需要指派专人时刻监测设备的运行状 态，防止设备运行发生异常而造成企业生产的损失。但是，这些日常生 产设备在平时的运行过程中出现异常现象的情况，所以，对生产企业来 说指派专人时刻进行仪器监测无疑是巨大的人力资源浪费。因此，为了 减少人力资源的浪费，提高企业的市场竞争力，设计一套能够实现远程 无人监控的仪表检测设备的要求被提了出来。 本次毕业设计所研究、制作的远程无人值守设备监控系统开发与实 现，正是基于当今社会发展的迫切需求。系统的整体设计利用了当今发 展速度迅猛的全球移动通信网络和远程无线视频传输技术为基本理论。 本文就设计方案的选择，硬件电路搭建和各功能部分的软件编程实现等 多个方面，详细论述了理论基础和相关拓展内容，根据系统设计的基本 要求和主要功能进行了详尽的介绍。 关键词关键词：远程监测 短消息服务 无人值守 无线摄像 II AbstractAbstract Most production units daily production equipment need to assign someone to run the state time monitoring equipment, to prevent equipment running losses occur agenda producer. However, the situation of these anomalies occur daily production equipment during operation of the usual, so, production enterprises, assign someone to time the instrument detection is undoubtedly a huge waste of human resources. Therefore, in order to reduce the waste of human resources, improve market competitiveness, designed to achieve a set of remote unmanned monitoring instrumentation requirements of the equipment was put out. This graduation design research, development and remote equipment monitoring system for unattended production, is based on the urgent needs of todays society. The overall design of this set of systems using todays rapid pace of development of the global mobile communications network and remote wireless video transmission technology as the basic theory. This article on the choice of many aspects of the design, construction and hardware circuit of each functional part of the software programming, etc., discussed in detail the theoretical basis and the related expansion of content, according to the basic requirements for system design and main functions were introduced in detail. Key Key wordswords: : Remote Monitoring Short Message Service unattended wireless camera 1 目 录 前 言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 课题研究的目的和意义 . 2 1.2 国内外发展现状 . 3 1.3 课题主要内容 . 5 2 GSM 网络及短消息技术 . 8 2.1 GSM 网络技术 8 2.2 短消息技术 . 8 3 设计方案论证 10 3.1 总体方案设计 10 3.2 主控制器模块选择方案和论证 11 3.3 电源模块选择方案和论证 12 3.4 显示模块选择方案和论证 13 3.5 功能按键选择方案和论证 15 3.6 无线通讯模块的选择 17 4 系统硬件设计 19 4.1 主控芯片的选择 19 4.2 主控电路最小应用系统 22 4.3 LCD1602 液晶显示电路设计 . 24 4.4 SIM900A 模块 . 26 4.4.1 SIM900A 模块概要 . 26 4.4.2 SIM900A 模块功能框图 . 27 4.5 无线监控摄像头 28 5 系统软件设计 30 5.1 程序主流程图 30 5.2 各模块子程序 31 5.2.1 液晶显示子程序 . 31 5.2.2 按键输入子程序 . 32 5.2.3 SIM900A 模块子程序 . 33 6 系统安装与调试 36 6.1 硬件的制作 36 6.2 软硬件调试 37 7 总结 39 7.1 系统总结 39 7.2 展望 41 致 谢 43 2 参考文献 44 附录 46 附录一：系统程序（部分） 46 附录二：系统原理图 58 1 前前 言言 随着科学技术的发展壮大，为远程无人值守系统的实现提供了理论 技术的支持，使其能够有效地实现基本的运行要求。 同时，无人值守远程监控设备市场的发展，为节约劳动力资源，提 高社会生产效率具有十分积极的推动作用。为企业实现自动化生产，减 少人力资源投入，提升企业市场竞争力也具有极其积极地影响。 目前，无人值守远程监控设备系统的研发也处在一个十分重要的历 史环境下。各公司在针对不同的监控环境要求、设备工作特点等方面进 行着不同的配套监控设备的研发与生产。就目前市场上的无人监视系统 来看，大部分都还是利用已有的通信资源，但需要架设线路，并且存在 维护成本较高的问题。随着各种新业务不断出现，对监控设备及工作现 场环境适应能力的要求也必然会越来越高。 因此，在当今市场环境下，为了保证生产过程的安全，防止因为设 备生产过程中发生异常等情况而造成各种可能的生产事故，提高产品的 生产质量，降低和维护运营和维修成本，能够依靠现有科学技术水平有 效地研发出一套高效、精准、简洁、易操作的无人值守远程监控设备系 统就能在这片领域中占据更高的地位和更多的市场。 2 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 能够实现厂房设备的无人值守工作状态是当今社会发展的一种大方 向。如一些工厂内，机房内的机器一般都能正常运行，进行日常生产， 但也不能避免偶尔出现一些异常状况。但是如果因为这些偶尔可能发生 的异常状态而时刻派专人进行值守，就是在一定程度上浪费了有限的人 力资本。因此，为了能在能够使生产设备运行状态正常的情况下，避免 过分安排值班人员而导致的人力资源严重浪费，减少人力资源支出，能 够对这些设备的运行进行远程监测而不是时刻派人值守成为了企业的重 要渴求。对于一套远程监控系统来说，监控部分的完成就要求系统具有 十分敏捷的信号捕捉能力，并且在恶劣现场环境下也要能够实现对设备 运行的实时敏感监测需求，能够准确捕捉到设备异常情况出现，并能及 时向远程维修操作值班人员发出信号提醒。除了异常监控需求，也要能 够实现远程视频信息的同步传递，使相关人员能够对现场异常情况进行 提前预判，从而制定更好的维修改进方案，使设备能够尽快恢复正常生 产，减少企业因设备故障造成的损失。 由于市场的迫切需求，能够完整研发出一套简单、使用、易维修操 作的远程无人重要生产设备监控系统必然能够赢得市场的推崇。因为这 样可以帮助企业尽可能的节约资源支出，从而进一步提升企业的效益。 进而，在低迷的市场经济中提升企业生存能力。所以，本设计最终选择 了利用通信网络和数据无线传输技术设计的无人值守监控系统作为毕业 设计项目。在本次毕业设计项目论证过程中，希望结合市场上现有的远 程数据信息通信技术，以及当今流行的无线网络传输和云端存储服务技 3 术设计一套更加实用和高效的无人值守监控设备。 1.2 1.2 国内外国内外发展现状发展现状 作为一项热门的技术，我们很容易搜集到有关目前国内外远程监控 设备所采用的设计技术及其他很多的方面内容。这些技术主要可以归结 为四大类：公共电话线网络信息传递技术；电力线载波通信技术；无线 数字数据传递技术和无线小功率射频发射器信息传递技术。 其实， 纵观国内外现有的监控设备所应用的技术手段我们能看出来， 大部分还是依赖于多年前的老旧技术手段，要么局限于地理环境因素， 要么就是无法保证出数据信息质量实现远距离的数据传输。 首先，我们先来分析一下前两种信息传递方式，一种是电话网络传 播，一种是电力线载波。基于我们对电话网络和电力线网络的了解，自 然而然的就能知道，这两种传播方式是不能实现信息的无线传播的。需 要借助端对端的数据传输线路，即需要搭建大量硬件线路设备。不可否 认的是，这种借助于线路方式进行的信息传递，能够很好地保证数据的 稳定性。但是长远距离的传输必须要架设对应的数据传输线路，投资成 本相当之高，后期的维修费用也是一个很大的问题。还有就是，线路的 建设，必然会受到地理环境因素的阻碍。所以这种依托于线路网络传输 实现的远程监控具有太多的局限性，并不具有很好的环境适应能力。 另外两种，无线数字数据和小功率射频芯片数据信息传递方式。利 用无线电信号和射频信号相对于前两种方式而言能够实现数据无线传递 的需求，解决由于地理因素限制的无法搭建传输线路的区域的数据传输 问题。虽然解决了无线传输的问题，能够使数据传输减少地域因素的影 响，但是，这两种传输方式依然存在这很大问题。对于这些设备，他们 的硬件设备成本较高，而且在传播过程中很容易受到环境中电磁信号的 4 影响，所以在传输的安全性和稳定性上对比以上两种还是存在较多问题 的。另外就是，虽然他们能够实现无线传递，但由于信号衰减大和其他 电磁信号干扰，所以，一般情况下，这两种方式的传输距离都设计的非 常短。 通过对上述几种当前应用较为广泛的技术的对比分析，我们不难发 现，现在的技术手段开发的远程监控系统都或多或少的存在着这样那样 的问题。对于客户而言，一套高效、稳定、性价比高的系统才是他们所 需要的。因此对于这些动辄需要大兴设备投入又容易受地形地貌影响的 有线传输方式，或者设备投入巨大，但信号传递稳定性易受干扰的，只 能实现近距离无线信号传递的设备都不能满足他们的需求。而且这些设 备后期的维护检修支出也必然会加大一个企业的经济负担。那么这些问 题应该如何有效的解决呢？ 近些年来， 移动网络通信技术的应用逐步深入到不同年龄段的人群。 人们对电话的短信和电话业务也早已都不再陌生。现如今，即便是远隔 千山万水，一个电话，一条短信就能实现信息的共享，这无疑为信息的 远程传递提供了一个十分宝贵的技术支持。设计一套基于全球移动通信 网络技术为基础的远程无人智能监控系统也随着技术的进步逐渐成为了 可能。 在本套设计中主要运用的通信方式是端对端的短消息传递方式，利 用全球网络通信技术。这项业务是端对端的服务。通过现有的移动、联 通信号基站完成短消息的中转和传递，从而保证数据信息高效、安全地 传递。 因为这种传递方式借用移动、联通信号基站，所以不需要用户再单 独建立信息中转基站，首先就节约了中间设备的建造费用。同时，根据 我们日常经验都知道就算手机关机，暂时无法收到短信，但只要开机就 5 能接收到短消息，这样可以有效避免数据的流失。而且近几年来多媒体 短消息业务的发展，将使得传递的信息内容更加丰富多彩，满足客户的 更高需求。 1 1.3 .3 课题课题主要主要内容内容 1. 课题设计主要工作 本次毕业设计主要任务是通过对现有无人监控设备的研究，开发出 一套基于无线网络通信和视频移动传输的重要设备仪表无人值守系统。 替代现有人力监测造成的人力资源浪费问题。 本文所要完成的主要工作包括： （1）通过资料查阅了解目前能够稳定使用的，技术相对成熟的无线 信息传递原理。分析课题所涉及的技术基础和国内外通行的解决方案。 掌握课题设计所包含的基本内容要求，制定合理可靠地计划安排。分析 当前通用技术中可能存在的一些主要问题，并着手去尝试解决。 （2）确定系统运行需要的一些重要信息，规划硬件设计。 （3）针对相应要求完成系统功能优化设置。 （4）通过查阅相关的资料，深入研究无线通信模块的功能。并准确 应用模块的操作指令，按照相关要求进行软件程序的编写。 （5） 完成系统运行的整体软件程序编写。 设计系统起始功能模块的 初始化、异常信号的捕捉和提醒短信的发送。 （6）完成对系统硬件设计的监测和异常排除。 2. 项目开发主要创新点 （1） 本套系统是基于无线网络通信为主要技术支持设计的远程监测 系统装置。这就要求系统能够在无人值守状态下能够准确捕捉设备异常 信息，并迅速作反应，提醒相关工作人员。 6 （2）因为采用了模拟和数字检测技术，因此，系统对所有设备的异 常反应十分敏感。提升了系统对异常检测的敏感性。无线通信技术的应 用，不需要架设中间设备。这无疑就减少了基础设备建设的投入，有效 降低了资本支出。 （3）本套系统的设计依托于现有的无线通信网络，所以在信息的传 递上基本上能够保证信息传递的稳定和安全性。成功摆脱其他方式监控 系统基础设备建设面临地域因素限制的窘境。 （4）我们对当今短信传输技术的认识已经十分的深刻。这套系统正 式应用了这种方便、 快捷、 高效的信息传递技术。 通过内部代码的编写， 这套系统能够实现快速的捕捉异常信号和发现异常后发出提示短信的功 能。经过测试，当设备一旦出现异常，系统在捕捉后大约 5 秒钟内，相 关人员即可收到提醒短信。 3. 项目应用功能描述 作为远程无人值守系统，必须能够独立有效地完成对设备进行实时 监测。和传统的无人值守系统相比较，本套系统充分利用发展势头迅猛 的无线网络通信传输技术，系统内置有基于电话网络无线传输的短信发 送功能，完全实现了端对端的全程无线传输任务。 依托于我们平时使用的短信功能，系统整体操作简单。系统用户号 码设置快捷、简单。一旦系统检测到设备运行异常情况的出现，可迅速 通过通信网络向系统设定的相关工作人员手机号码发送设备异常短信提 醒，呼叫值班人员，大大节约人力资源和中间设备投资成本。 4. 设计技术目标 （1）采用液晶显示器，进行稳定数据显示。 （2）按键操作输入稳定，能够准确实现相应信息的修改保存，不出 现因误触而导致的信息录入错误。 7 （3）系统程序调试运行正常，防止因程序运行异而常引发信号的采 集紊乱，不能够准确监控设备运行实际状况。 （4） 系统能够实现良好的循环处理， 保证能够实时监测到异常信号， 不能因为监测到一次异常信号而导致系统死锁。 （5）系统应具信息更改功能，实现良好的人机交互。 （6）系统异常时能够准确发送提醒短信，不出现信息发送失败和内 容乱码。 （7）系统要能够适应多种工作现场环境。 （8）维护安装方便。 8 2 G2 GSMSM 网络及短消息技术网络及短消息技术 2 2.1 .1 G GSMSM 网络网络技术技术 GSM技术其实就是蜂窝技术的进一步发展， 经过长足的发展与壮大， 如今已经成为一种主流的日常通信交流方式。 GSM 的构成也与仅依靠数字网络传输的蜂窝技术有一些区别。 GSM 网 络是由移动台（用户使用设备移动设备） 、数据转接基站、通信网络三大 块共同构建。通过三大模块间的信息交互及传递能够安全、准确的将待 传递信息从用户一端传递至另一用户端。 经过多年的发展， GSM 通信网络早已融入到我们生活的各个角落。 充 分利用他的通信技术优点来实现更多的功能系统设计也更加便捷。所以 本套系统的设计就采用了这项与我们生活息息相关的信息传递技术。 2 2.2 .2 短消息技术短消息技术 短消息业务大家都不陌生，当今社会移动通信的短消息业务以其极 大地便捷性深受用户的喜爱，已经成为当代信息交流的主要途径。短消 息和电话业务早已是大众生活信息交流、共享的一部分。 与我们常用的短消息的单次传递有一定的字节限制。 一般是 70 个汉 字的文本输入限制，用来传递中文或英文消息。随着短信业务的发展， 现在也可以实现多媒体短消息发送业务，使得短消息的形势更加多样， 内容更加丰富。 2. 短消息技术应用范围 短消息业务的应用是基于全球通信网络的。并且，现在仅在中国通 信网络的覆盖率已经到达 98%。即在全国大部分地区都可以接入基于短 消息业务的相关远程监测系统。 这样既能够提高信息传递的距离和稳定， 9 又能够减少设备建设投入的浪费。只需要一张电话卡就可以获得监控环 境下的一些数据资料，并且能够涉及更加广泛的生产生活领域。 3. 短消息的发展 如今短消息的发展已经不仅仅局限于文字的传递。图片、音频也开 始逐渐成为信息传递的常用方式，提高了信息的丰富性和可读性，为人 们的生活打开了一片新的天地。技术的发展还在不断推进，希望能够在 某一天将这种多媒体的信息传递技术应用到我们的远程监控系统设计中。 10 3 3 设计方案设计方案论证论证 本次毕业设计作为开发一套实用的远程监测设备产品，设计方案的 论证分析就必然要包含整套设备的基本理论论证，功能选项设计，相关 功能元件选择等部分。在本章节中，主要讨论了一下硬件设计方面的整 体思路、基本功能设计和一些重要功能器件的选择方案分析。 3.13.1 总体方案设计总体方案设计 项目硬件设计的基本结构框架如图 3-1 所示，该设计图仅包含控制 功能模块自主设计焊接部分。 图 3-1 系统硬件设计框图 11 3.2 3.2 主控制器模块选择方案和论证主控制器模块选择方案和论证 方案设想一： 主控制器无疑是一套系统正常运行工作的心脏，所以主控芯片的选 择是相当重要的，在选择的过程中对比了当前市场上的一些主流的核心 控制器。在控制芯片选择期间，发现了一款可编程逻辑器。但是，这是 一款并不是太常用的控制器。所以通过对相关内容的查阅，发现对它的 编程需要使用相关的语言。所以如果选择它的话，在软件设计方面就无 疑增大了设计难度。因为毕业设计的时间安排较紧，就放弃了这个方案 的提议。 方案设想二： 作为传统经典的 51 内核单片机，AT80C51 单片机也是一款十分不错 的核心控制芯片，极其精巧的 4KB ROM 内存设计虽然内存较小但保证了 系统的稳定性。3V-5V 的工作电压范围使得系统能够具有较强的环境适 应能力，超强的 51 内核兼容性也使芯片的应用范围得到了有效的提高。 但是由于其内存容量的限制，大多都只用在简单低速的自动化系统设计 中。虽然本设计的外围器件设计并不算太多，但是与通信模块的信息传 递过程中需要足够的代码指令实现相应的控制，所以代码量可能较多， 需要控制芯片的容量较大。 方案设想三： 应用高阶的 51 内核核心板控制器， 方便后期系统维护和功能升级拓 展。 经过分析论证， 选择了一款 STC 公司生产的高性价比芯片： STC89C52。 与传统经典的 51 单片机相比， 它基本融合了传统经典单片机中的所有优 点。另外，除了兼容性更强以外，它还将内部的存储空间提升了一倍， 使其能够完成更高、更多、更好的用户信息处理，大大拓展了使用的范 围。经过一系列的整合完善，STM 公司也扩展了单片机内部的资源，使其 12 应用场景也大大提高。 在系统运行上， STC 单片机依托其内部丰富的控制 资源，能够稳定的执行内部程序，提升系统运行的稳定性，从而满足用 户需求。简单的操作方式使大部分人员都能轻松使用。较高的性价比也 有利于工厂降低投资费用。在线内部程序的擦除与改写也极大地降低了 开发过程中频繁拔插芯片的操作，减少了对芯片的损害。所以这条方案 符合系统设计理念。 通过对以上核心控制芯片的对比和对现场工作环境的考虑。方案三 可行性较高。希望能够借助其良好的芯片功能特性，优化完善系统整体 设计。 3.3 3.3 电源模块选择方案和论证电源模块选择方案和论证 方案设想一： 采用 12V 蓄电池为系统供电。对电流驱动能力强和电压输出较为稳 定是考虑应用蓄电池供电的主要原因。但与此同时，我们也不得不面对 另一个棘手的问题，就是蓄电池的使用和携带非常不便。所以，并没有 采用该设想。 方案设想二： 串联 1.5V 干电池为系统供电。 根据我们的生活经验 3 节干电池的串 联所产生的电压量是大致可以满足设计的正常工作需求的。只不过，我 们都知道，电池大多都是一次性使用的，电量消耗完就会废弃。而且极 易对环境造成污染。 方案设想三： 最近几年随着智能手机的普及，带动了移动电源技术的发展。通过 串口总线技术开发的移动电源实现了对电源充电、放电的循环使用，轻 巧的身段也让它成为较为理想的移动供电设备。通过严格的测试，移动 13 电源能够为设计系统提供足够的工作电量，能够保证系统各个功能模块 相对稳定的运行。 经过以上论证，选择了第三种设计方案。 3.4 3.4 显示模块选择方案和论证显示模块选择方案和论证 方案设想一： 涉及到信息的显示问题，首先想到的是通过数码管（见图 3-2）来实 现系统的显示功能。因为相对于其他的显示器来说，数码管是操作最为 简单的显示器件。操作数码管，其实就是操作数码管内 8 段发光二极管 （也有 7 段数码管） 。 市场上对于发光二极管设计的数码管的应用也是很广泛的。目前市 面上主要流通的数码管有两种，是按照公共端接高电平或低电平而区分 的共阳极或共阴极的数码管。顾名思义，主要是公共端接的电源位置不 同，其他引脚接对应输入/输出口，共阳极的端口输出稳定低电平点亮发 光二极管，共阴极的端口给高电瓶点亮发光二极管。 图 3-2 一位数码管 实际应用的时候我们会发现，数码管分段固定且较少，不能显示很 好地显示一些数据。一位数码管显示器不能显示足够的数据，但数码管 14 的多位使用必然会造成硬件设计的冗余。所以利用数码管进行内容显示 的局限性还是很大的。 本次无人值守监控系统的设计需要显示用户的 11 位电话号码及与 其对应的文本内容。系统整体显示最高负荷为 32 位，因此使用数码管的 话至少需要 32 位。如果不能提供足够位数的数字管，信息显示必然将受 到限制。虽然当前市场上有四位一组的数码管组只有 12 个引脚，可以相 对减少单个数码管引脚太多的问题，但 32 位的显示任务依然需要 96 个 引脚焊接。设计采用的控制芯片一共才 32 位可操作端口，这样无疑是无 法顺利完成信息显示需求的。故，应用数码管作为显示器的构想是无法 实现的。 方案设想二： 作为显示模块也可以采用点阵式数码管（见图 3-3）显示。这是一个 行数和列数都为 8 个的发光二极管拼接而成。因为所有的发光二极管都 设置为点状，所以可以简单的理解为它的分辨率比较高。相对于数码管 来说，它能够完成文字显示要求。但是，这种显示器造价比较高，而且 本套系统主要用于数字显示，必然造成资源浪费。不符合系统性价比高 的设计理念。 图 3-3 点阵式数码管 15 方案设想三： 就当前的市场应用来看，LCD1602 液晶显示器的应用还是极其广泛 的。 可以说它集成了单位数码管和点阵式数码管的优势。 因此 LCD1602 在 数据信息显示方面还是有不俗的表现。根据我们平时的开发应用经验来 看，LCD1602 液晶的数据显示内容还是基本上能够完成项目工程的显示 要求。在数字和字母的内容显示方面能够做到界面整洁、显示清晰。值 得一提的是，1602 内部含有字符库，可以实现一些特殊字符的显示。虽 然在字符方面的显示能够但是中文显示的方面是 1602 的一个短板， 对于 本套设计来说 LCD1602 的功能已经足够。 所以，经过对各个方案的分析讨论，出于使系统运行界面更加可视 化和人性化的考虑，选择了使用液晶显示屏。 3.5 3.5 功能功能按键按键选择方案和论证选择方案和论证 因为本套设计涉及多功能按键操作，因此，系统要选择合适的按键 模块来实现各个功能选项间的切换。 方案设想一： 图 3-4 独立按键 本系统的按键可以使用操作简单的独立按键（见图 3-4） ，因为每个 独立按键直接同核心板的一个输入/输出引脚相连接， 通过对核心板对应 16 引脚的操作监测即可确定按键是否按下。但本程序按键功能较多，涉及 控制开关机，用户电话号码更改启动选项，取消更改选项，0-9 十位数字 电话号码拨号盘等其他待开发功能按键选择项。如此多的功能选项必然 使用对应的独立按键数量就要增多。而一个独立按键占用一个芯片端口 的设计就必然造成主控芯片端口资源浪费。 方案设想二： 考虑系统按键功能繁多，使用独立按键的话，无法有效地解决端口 浪费的问题，所以考虑使用端口占用相对较少的矩阵键盘（见图 3-5）设 计。目前市面上使用较多的矩阵键盘为四乘四结构的，只需要通过八个 端口就可以实现对十六个按键的操作。可以使得整个按键电路的设计更 加的方便和简洁。 图 3-5 矩阵按键 经过对以上按键选择方案的对比介绍，我们可以发现第二种矩阵键 盘的设计更合理。 在系统硬件设计时，考虑到能够通过外部按键对系统运行进行一键 复位，所以设计了一个独立按键进行复位操作。因为本套系统设计无法 17 连接设备进行现场演示，为演示方便，系统采用单片机外部中断口进行 模拟异常信号触发，为此，需要将单片机外部中断口外接一个按键进行 操作，所以模拟触发按键也采用独立按键设计。 3.6 3.6 无线无线通讯模块的选择通讯模块的选择 相对于前面几个主要模块的选择而言，基于通信网络的无线通信模 块的选择性就小了很多。目前市面上应用最广泛的几款基于无线网络的 通信模块基本上差别都不算太大。所以选择上也就没有那么多的可挑选 性。 图 3-6 SIM900A 通信模块 在系统设计时根据之前的使用习惯选择了 SIMCOM 的全球鹰 SIM900A GSM 无线通信模块（见图 3-6） ，相比较前面几款，这款无线通 信芯片操作相对简单，功能也足够完善，比如：短消息业务、通话业务、 多媒体信息业务、流量业务等等，性价比极高。整体的硬件电路相对比 较简洁，可开发性强，性价比最好，所以本设计采用全球鹰的 SIM900A 18 GSM 无线通信模块。 19 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 4.1 4.1 主控芯片的选择主控芯片的选择 每一个从事智能自动化控制工作的人都清楚，一套系统的主控制芯 片是相当重要的。控制芯片性能的好坏是系统稳定的决定性因素。因为 基本上所有外围硬件设备的控制都是依靠对芯片的编程实现的。具有 51 内核的控制芯片，集成经典的控制芯片功能，精简了部分功能模块。另 一方面更多高性能芯片的普及，使得 51 内核芯片的价格也相对低廉。 图 4-1 STC89C52 单片机实物图 本次毕业设计无人值守重要设备仪表远程监控系统的设计，在选择 核心板主控芯片时，经过上章对比论述，选择了 STC 公司的 STC89C52 芯 片（见图 4-1） 。与传统经典的 51 单片机相比，它基本融合了传统经典单 片机的所有优点。除了兼容性更强以外，它还将内部的存储空间提升了 一倍，使其能够实现更高、更多、更好的处理用户信息，大大拓展了使 用的范围。经过一系列的整合完善，STM 公司也扩展了单片机内部的资 源，使其应用场景也大大提高。在系统运行上，STC 单片机依托其内部丰 20 富的控制资源，能够稳定的执行内部程序，提升系统运行的稳定性，从 而满足用户需求。简单的操作过程使大部分人员都能轻松使用。较高的 性价比也有利于工厂降低投资费用。在线内部程序的擦除与改写也极大 地降低了开发过程中频繁拔插芯片的操作，减少了对芯片的损害。51 内 核单片机以其较高的性价比和快捷简单的操作被更多利用于自动控制设 计项目中。因此，选择这块芯片作为系统设计的主控。 1. 单片机性能介绍 其 STC89C52 单片机主要性能参数见表 4-1： 表 4-1 STC89C52 单片机主要性能参数 项目 功能 兼容性 与 51 产品指令系统完全兼容 工作电压 4.05.5V 工作电压范围 通信方式 全双工串行 UART 通道。 加密级别 三级程序加密锁。 时钟频率 一个片内振荡频率为 1.212MHz 的振荡器及时钟电路。 片内 RAM 128B 的片内 RAM（random access memory，随机存取存储器） 。 I/O 口 32 个可编程 I/O 口线。 定时器 2 个 16 位定时/计数器。 中断源 6 个中断源 工作模式 低功耗空闲和掉电模式。 存储空间 4K 字节在线系统编程（ISP）Flash 闪速存储器。 使用周期 1000 次擦写周期。 2. 单片机引脚介绍 单片机引脚图（见图 4-2） ，各引脚功能介绍： VCC：电源电压。 21 GND：接地。 RST：复位信号输入端，高电平有效。 PSEN：片外程序存储器读选通信号。 EA/VPP： 主要用于外部存储器有程序运行时进行相对应的信号选择。 如果需要选择片外程序存储器进行一些操作， 需要将该引脚电平置于低。 因为一旦接高电平就是默认要读取内部程序。必须接地。即当接口为高 电平时（EA=1 时） ，单片机就会对内部进行相关的访问。 图 4-2 STC89C52RC 引脚图 X1、X2：最小系统晶振时钟电路接口。 P0：相对于其他三组输入输出口来说，P0 口并没有在内布置上拉电 阻。通过对端口进行操作，可以对它进行地址总线或数据总线操作。又 因为 P0 端口相对其他三组端口没有上拉电阻，所以需要在 P0 端口都要 22 外接一个上拉电阻，才可进行一些端口操作。 P1、P2：P1 和 P2 端口与 P3 端口的基本功能使用基本上可以认为是 相同的而且他们三组输入输出端口的二十四个引脚在芯片内部都已经直 接连接了上拉驱动电阻，基本上是可以实现直接对外接硬件设备的具体 操作。 P3：除了兼容 P1 和 P2 的端口操作外，P3 的八个端口每一个也都被 赋予了第二种功能选项（见表 4-2） 。 表 4-2 P3 引脚第二功能 引脚 第二功能 P3.0 RXT 串行口接收端 P3.1 TXD 串行口发送端 P3.2 INT0 外部中断 0 请求线 P3.3 INT1 外部中断 1 请求线 P3.4 T0 定时器/计数器 0 输入线 P3.5 T1 定时器/计数器 1 输入线 P3.6 WR 写外部数据存储器控制信号 P3.7 RD 读外部数据存储器控制信号 4 4.2 .2 主控电路最小应用系统主控电路最小应用系统 系统控制芯片的最小系统可以被视为一个完整系统的最为关键的部 分。一般是由时钟电路，复位电路和核心控制芯片几大部件。是用以维 持一个系统的稳定运行的基本保障。图 4-3 是按照经典电路设计方案绘 制的系统核心板最小系统电路。 23 4-3 主控电路最小系统原理图 晶振时钟电路（见图 4-4）相当于整套系统的心脏部分，X1 和 X2 分 别是芯片振荡电路的输入和输出端。芯片内部程序的运行依靠晶振时钟 电路的周期振荡驱动， 本套设计采用 11.0592MHz 晶振， 大概 12/11.05926 微妙运行一条指令。 图 4-4 晶振时钟电路 24 4.4.3 3 LCD1602LCD1602 液晶显示电路设计液晶显示电路设计 目前市面上应用比较多的是 1602 液晶显示器（见图 4-5） 。可以说 它集成了单位数码管和点阵式数码管的优势。因此 LCD1602 在数据信息 显示方面还是有不俗的表现。LCD1602 液晶的数据显示内容还是基本上 能够完成项目工程的显示要求。在数字和字母的内容显示方面能够做到 界面整洁、显示清晰。值得一提的是，1602 内部含有字符库，可以实现 一些特殊字符的显示。用 LCD 显示充分发挥出 LCD 的显示优势，可以显 示用户文本和用户电话号码信息等相关内容，加强了人机交流的能力。 对于本套设计来说 LCD1602 的功能已经足够。 图 4-5 LCD1602 液晶正面图 表 4-3 LCD1602 主要技术参数 显示容量 162 个字符 芯片工作电压 4.55.5V 模块最佳工作电压 5.0V 字符尺寸 2.954.35mm 工作电流 2.0mA（5.0V） 25 对比市场上应用广泛的几款液晶显示器，我们很容易发现主流的液 晶显示模块基本上都具有很强的关联性。原因很简单，因为大部分液晶 都是利用同一款液晶控制芯片完成的。 因为所以除了显示内容有区别外， 他们的基本原理和操作异曲同工。 1602 引脚与控制芯片连接方式如图 4- 6 所示，各引脚功能见表 4-4 表。 图 4-6 LCD1602 引脚原理图 表 4-4 LCD1602 引脚及功能 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 DATA I/O 2 VCC 电源正极 10 D3 DATA I/O 3 VL 液晶显示偏压信号 11 D4 DATA I/O 4 RS 数据/命令选择端 12 D5 DATA I/O 5 R/W 读/写选择端 13 D6 DATA I/O 6 E 使能信号 14 D7 DATA I/O 7 D0 DATA I/O 15 BLA 背光源正极 8 D1 DATA I/O 16 BLK 背光源负极 26 市场上操作液晶显示器的芯片也是相当的繁多，所以在选择上也是 比较多的。但是对相关资料的查阅，对比平时实际操作的使用发现。当 前几款液晶显示器基本上都是基于 HD44780 液芯片控制的。单从控制原 理上来看的话，基本上还是差别不太大的。又因为基于 HD44780 所编写 的液晶显示控制程序具有很强的移植性，能够适应大部分字符液晶的现 实需求，所以应用比较广泛。 4.4.4 4 S SIM900AIM900A 模块模块 4.4.1 1 SIM900ASIM900A 模块概要模块概要 SIM900A 模块也是一款集成度相对比较高的开发应用模块。 为了实现 更多功能的拓展， 它外接设计了诸多的外围功能模块。 SIM900A 模块的外 围硬件设计如图 4-7 所示。 图 4-7 SIM900A 模块功能框图 27 4.4.4 4. .2 2 S SIM900AIM900A 模块功能框图模块功能框图 在本套远程无人监控系统的设计中采用的无线通信模块和单片机是 利用串口进行相应信息交互的。 通过准确应用模块的 AT 指令可以轻松对 SIM900A 模块进行需要的 控制，十分便捷的实现打电话拨打和短消息收发等一些其他移动应用功 能。在连接的时候直接把主控芯片和 GSM 模块的 TTL 接口相连接即可。 1. SIM900A 模块供电 SIM900A 的供电也是一个不得不认真考虑的问题。因为模块只能采 用单电源供电，但是由于模块的功能特性，它需要向信号基站发送相应 的信息， 所以需要较大的驱动电流。 电流大小基本上不得低于 1.5A,但电 压又不能过大。基本维持在 3.3-5V 左右，否则可能会对内部电路造成损 害。因此，在对模块供电方面，我才用了 5V 2A 的适配器。 模块的正负极都有明显的标示：VCC 处表明此端口要介入电源的正 极，而 GND 则表示需要接到电源负极。 2. 硬件连接 本次设计通信功能的实现是利用了 GSM 移动通信模块，模块与单片 机经串口实现通信交互，因此连接过程要严格按照相关要求： （1）单片机与 SIM900A 模块分别有自己的供电系统。 （2）单片机 TXD-模块 5VR 或 SRXD。 （3）单片机 RXD-模块 5VT 或 STXD。 （4）单片机 GND-模块 GND。 （5）模块的 VCC(或 VCC5V)接入 DC5V。 （6）模块的 GND 接入电源地。 （7）单片机的电源接入相应的电源。 3. SIM900A 芯片主要特性 28 通信模块 SIM900A 芯片主要特性参考表 4-5。 表 4-5 SIM900A 芯片主要特性 特性 说明 供电 单电压： 5V 1A 省电 SLEEP 模式下的耗流位 1.0mA 频段 SIM900A 两频：EGSM 900 和 DCS 1800，M900A 可自动搜索两个频段，也可通过 AT 明亮设置频段。 GSM 类型 小型移动平台 温度范围 正常温度：-30 - +80 受限工作温度：-40 - -30和+80 - +85 存储温度：-45 - +90 物理尺寸 尺寸：50mm*48mm*28mm 重量：3.4g 发射功率 Class4(2W): EGSM 900 Class1(1W): DCS 1800 4.5 4.5 无线监控摄像头无线监控摄像头 为实现被监控设备运行异常时无人值守监控系统向用户发送提醒短 信后， 方便用户实时查看现场情况， 根据现场状况制定相应的维修措施， 本套系统配备了一台 960P Wi-Fi 高清智能网络无线监控摄像头一体机 （见图 4-8） ，可即时向用户传输监控现场画面，对现场情况进行实时监 控。 系统中配备的摄像机与传统摄像机不同，传统摄像机的安装极其繁 琐，并且需要架设从监控现场到监控室的数据传输线路，还需要配置一 台视频录像机和一块监控显示屏幕，对以上设备还要进行对应的参数设 置，非专业人士很难实现监控系统的安装，这无疑就增加了设备初期安 装的费用支出。本系统整体设计就是要体现出简洁，性价比高。所以通 过对市场上摄像头进行调查比较，最终选择了一款双天线远程无线摄像 29 图 4-8 无线监控摄像头 头。相对于传统通过视频线进行监控画面传播的摄像头，这款摄像头应 用了当今应用及其广泛的无线数据传输协议，能够有效实现视频画面的 无线传输。同时，通过无线网络传递，可以使我们手中的移动设备随时 变为视频监视主机。摆脱只能在视频监视室查看视频录像的尴尬，随时 随地，通过手持设备轻松产查看视频监控现场。 30 5 5 系统系统软件设计软件设计 系统软件设计过程中，为了使主程序设计简洁明了，软件设计部分 采用了模块化编程方式。将系统各功能模块子程序分别封装成库。在主 函数编写过程中，只需要处理好系统运行逻辑，调用编辑好的子程序库 中对应的方法，实现对系统有条理的控制。 5.15.1 程序程序主流程图主流程图 系统运行核心程序设计流程图如图 5-1 所示。 图 5-1 系统程序主流程图 31 5.2 5.2 各模块子各模块子程序程序 5.5.2 2. .1 1 液晶显示子程序液晶显示子程序 经过方案论证，选择了当前市面上流通应用较为广泛的 LCD1602 液 晶显示屏用作显示器。 1602具有严格的代码操作时序， 所有的读写操作， 包含一些其他的一些基础指令都有极为严格的要求。 为了操作更为方便， 我在程序编写的过程中，将一些常用的命令进行了封装，使用起来更为 方便。 HD44780 的指令集及其设置说明，共有 11 条指令： 1. 液晶显示 11 条操作指令（见表 5-1） ： 表 5-1 液晶操作指令集 指令 功能 清屏 清 DDRAM 和 AC 值 光标归位 AC=0，光标、画面回 HOME 位 输入模式设置 设置光标、画面移动方式 显示开关控制 设置显示、光标及闪烁开、关 设定屏幕、光标移动 光标、画面移动，不影响 DDRAM 功能设定（非常重要） 工作方式设置（初始化指令） 设定 CGRAM 地址 设置 CGRAM 地址。A5A0=03FH 设定 DDRAM 地址 DDRAM 地址设置 忙信号检测 读忙标志 BF 和和地址计数器 AC 值 数据写入 数据写入 DDRAM 或 CGRAM 数据读出 从 DDRAM 或 CGRAM 数据读出 2. 基本操作时序： 读状态：输入：RS=L，RW=H，EN=H。 写指令：输入：RS=L，RW=L，EN=下降沿脉冲。 读数据：输入：RS=H，RW=H，EN=H。 写数据：输入：RS=H，RW=L，EN=下降沿脉冲。 32 另外，在编写液晶显示器的库函数时一定还要注意液晶的忙信号检 测。因为相对单片机运行速度来说，液晶是一个慢速外围设备，只有在 液晶处理完一段信息后释放忙信号才能继续相关写入读出操作，否则很 可能会造成系统运行异常。因此，在封装自建函数库的时候一定要注意 对忙信号进行有效检测。 5.5.2.22.2 按键输入子程序按键输入子程序 前面提到，程序可更改用户电话号码，所以需要 0-9 的 10 个数字按 键，另外需要一些功能按键来进行相应的启动更改，取消更改操作，如 果都是用独立按键， 会造成大量 I/O 口的资源浪费。 所以本设计采用 4*4 矩阵键盘（见图 5-2） ，每个按键同时受到两个 I/O 口信号的控制，8 个 I/O 口可实现对 16 个按键的操作，节约资源，但与此同时，编程难度也 相应提升。 图 5-2 矩阵键盘链接示意图 市面上常用的矩阵键盘一般都是十六个按键。但对其操作只用八个 输入输出口即可完成。如上图 5-2 所示，其实每个按键都是有两个端口 33 控制，而每个端口都连接着四个按键。所以，矩阵键盘中单个按键的检 测其实是需要读一对输入输出端口的信息的，这样才能准确定位实际操 作时被按下的某个按键。所以在应用程序编写的时候，我们需要分别扫 描行、列。通过对某行某列电平的变化来定位按键位置，然后执行该案 件对应的功能选项。 我们常用的独立式按键检测可以通过单个端口控制， 但矩阵键盘需要对八个端口进行扫描检测。本次项目设计对矩阵键盘使 用逐行扫描的编程模式。 逐行扫描的方式比较繁琐，但相对而言也比较的稳定，因为每个按 键的状态是由两个端口监测决定的，所以在一定程度上是可以提高案件 检测的准确性的。 没有按键按下，全为高电平。但是，一旦有按键按下， 该按键对应的端口将会接地，从而使端口高电平拉低为低电平。通过捕 捉低电平端口判断被按下按键，系统执行相应功能操作。当第一行检测 完成后开始监测第二行，以相同的方式以此类推，直至四行按键都检测 完成。 通过程序中每次对 16 个按键进行扫描， 通过返回的电平信号来判断 是否有按键按下和具体哪个按键被按下。一旦接收到某一按键按下，查 询到扫描返回值后，就立即执行该按键对应的输出功能。 5 5. .2.32.3 SIM900ASIM900A 模