基于单片机的野外信息检测记录系统

自动化DOI103969JISSN10099492201305007基于单片机的野外信息检测记录系统钟文涛，刘强广东工业大学机电工程学院，广东广州510006摘要介绍了以SD卡为存储介质的长时间无人值守的野外信息检测记录系统。系统采用PIC单片机控制数字温度传感器DSI8B20按采样间隔进行测量，通过GPRS把数据发送到PC机，同时将采集到的数据存储到SD卡中，方便后续分析处理，实现了低能耗的电池供电模式。对硬件电路部分及其软件部分做了较详细的叙述，测试结果可为高精度存储测试系统数据校准提供依据，有一定的参考价值。关键词单片机；数字温度传感器；GPRS；DS18B20；SD卡中图分类号TP212文献标识码A文章编号10099492F201305002605FIELDINFORMATIONDETECTIONRECORDINGSYSTEMBASEDONSINGLECHIPMICROCOMPUTERZH0NGWENTAOLIUQIANG【SCHOOLOFELECTROMEEHANIEALENGINEERING，GUANGDONGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，GUANGZHOU510006，CHINAABSTRACTAFIELDINFORMATIONDETECTIONRECORDINGSYSTEMWITHOUTMONITORINGBASEDONSDCARDISINTRODUCEDTHETEMPERATURESENSORDS18B20ISUSEDASADETECTORINANSWERTOTHECOMMANDOFTHEPICSINGLECHIP，ANDSENDSTHEDATATOTHEPCVIAGPRS，ATTHESAMETIMETHEDATACOLLECTEDWILLBERECORDEDINSDCARDINORDERTOFOLLOWUPANALYSISOFPROCESSINGCONVENIENTLY，WHICHREALIZESTHEMODELOFLOWCONSUMPTIONOFBATTERYBOTHHARDWAREDESIGNANDSOFTWAREDESIGNAREINTRODUCEDINTHEESSAYINDETAILS，THISSOLUTIONFORTHERECORDERISUSEFULTODATACALIBRATIONINHIGHPRECISIONSTORAGETESTSYSTEMKEYWORDSSINGLECHIPMICROCOMPUTER；DIGITALTEMPERATURESENSOR；GPRS；DS18B20；SDCARD0引言在自然科学技术的研究中，为了更加清楚的了解和研究周围环境对人们日常工作生活的影响，人们要检测记录野外常年的温度、湿度、风速、风向、雷雨天气等气候的信息状况。其中环境温度的监测和控制是许多试验的重要条件，本文主要以温度采集为对象进行系统设计，其他野外信息的采集大同小异，主要是要换成其相应的传感器以及更换其相应的控制程序，不同种类型的传感器也可同时在一个主控制单片机中运行。传统的温度监测采用温度计，测量结果精度低，而且数据由人去读取，若要长期的读取则很不方便。后期采用AD590或温度传感芯片LM35等作为温度传感器，虽然提高了测量精度，但是检测的数据信号大多是模拟信号，需要AD转换，使得测量电路复杂，带来了很多干扰，且数据处理不便。其中温度传感器的低功耗对系统节能是非常重要的，同时还要易于控制，针对以上情况，笔者选择了数字温度传感器DS18B20。随着无线通信技术与网络的发展，越来越多的电子设备安装了无线通讯和网络功能。为此本文提出了一种具有数据存储功能的信息监测系统，设置了数据存储功能，将检测到的数据存储在本地存储器中，同时通过GPRS与主控制机单片机交换数据，再发送到上位PC机，或实验完成后再与上位机联接读取存储在本地存储器的数据RZ。本文介绍的信息检I贝4记录系统适用于无人自动采集数据，性能稳定、结构相对简单，非常适合野外长期工作，功耗低的情况下可使用一到两年。1总体系统方案整个系统主要由测量模块采集器、时钟电路、显示模块、数据上传通讯部分、存储模块、收稿日期20121108R_，FT_126簿IL200DJ00ZG钟文涛等基于单片机的野外信息检测记录系统业自电源、MCU、GPRS模块以及上位PC机组成。本设计由于时间和条件有限，野外信息记录系统以温度采集为代表，其野外信息记录系统的组成结构框图如图1所示。整个系统从结构上看可划分为三层计算机PC机系统是上位机用户监控层，PIC单片机系统是主控制机控制层以及测量层由采集传感器系统组成。PC机可通过GPRS与单片机进行数据交换，单片机与传感器使用主从式分布机构，通过RS一485通讯方式实现数据信息的远距离传输。在该系统中上位PC机定时的向主控制机PIC单片机发出读温度数据命令，系统需要的话可加上人工手动通过PC机界面远程控制的功能，主控制机收到命令后将存储在SRAM中的前一次从采集器读取的数据和当时时钟芯片VDD性表现在，低功耗、高速CMOS闪存技术；其架构针对C编译器进行了优化，用于可重人代码；中断优先级；可在软件控制下自编程；8X8单周期硬件乘法器；扩展型看门狗定时器；通过两个VDDRD0C卜AC卜BC一CCSRC2DDLNC卜GNDC_E广_1R_SDVCC一厂RC5C卜FULJL一SCKC卜GGNDRD7C卜DPDOUTPIC一单RA0II片机VCC三罩EEI，一IIIRA5CLKRBOVCCDS13O2I，ORB41，RSTRB5RA0K“F；VSS的时间一起上传给上位PC机，与此上传的同时温度事件一起记录存储在SD卡中以备用。传输完毕后，单片机向传感器发送读温度命令，传感器接到指令后将储存在传感器SRAM中的数据发送至单片机。单片机接收并更新存储器中对应位置的数据，传感器利用这通信间隙的时间不断读取最新温度值，以备单片机实时读取。命令与数据的传输都是有通信协议的，并使用了不一样的校验方式，从而可增加传输过程中的可靠性。盥片机1系统组成结构框图2主要系统设计21主控制机主控制机MCU采用的是PIC18F4650，由美国MICROCHIP公司生产的8位高性能单片机，针对C语言编程而优化了指令集，具有高级通信外设、低功耗、最大128KB闪存及80引脚封装。具体特图2系统结构原理图引脚进行单电源在线串行编程；通过两个引脚进行带有3个断点的在线调试；片上25V稳压器；闪存程序存储器至少可承受10000次擦写并具有最少20年的数据保存时间。PIC单片机与主要外围电路的连接如图2所示。其外围电路中六位数码管的段控制通过拨码开关连接到单片机的PROTD口，位控制连接到PROTA口；DS1302的通讯口CLK、IO和RST通过拨码开关连接到单片机的RB0、RB4、RB5口DS18B20的输出连接到单片机RA0口；SD卡相应的接口与单片机的PROTC口相连接。注明的是使用相应模块时拨码开关必须处在通路状态下。系统软件按模块化结构设计，整个程序由主程序、中断服务程序及若干个功能程序构成，主程序起调用和连接各子程序作用，其主程序流程图如图3所示。嚣霹暑曩嚣琴R墨_曩刀I27IT00LJ00L系统初始化L一DS18B20初始化N、芝多厂YI数据处理IVJL显示数据LL发送、存储数据FYN图3主程序流程图化上位PC机与单片机之间的通讯采用通用分组无线业务GPRS。GPRS通信拥有永远在线传输与高速数据传输的优点，是集现代计算机网络技术、信号采集技术以及无线通信技术为一体的高效、廉价、应用领域广的高科技通信技术，能够为广大用户提供高效、经济、实时、安全的监测技术。GPRS通信网是以IP数据包形式传输数据的，传输时单片机是通过RS一485总线连接到GPRSMODEM上，GPRSMODEM与GSMI基站通信进行数据交换。GPRS数据分组不是通过移动业务交换中心MSC连接到语言网络上，而是从基站发送到SGSN节点，SGSN节点与网关支持节点GGSN进行实时通信。在上位PC机与GGSN之间可直接利用英特网来实现数据的传输或交换。22温度采集设计数字温度传感器DS18B20的测温范围是从一55到125，分辨率为00625，增量值为05，可在1秒典型值内把温度变换成数字，在一1O85范围内其测温误差范围在05之间。其功耗低、抗干扰能力强、体积小、易与微处理器连接，不需要增加任何的外围硬件就可以进行温度测量，为此减少了额外的处理电路，提高了系统的稳定性。DS18B20可提供九到十二位分数温度测量值，具有温度上下限报警功能，并且上下限是非易失性用户可编程的。使用单线接口就可把信息送人DS18B20或从DS18B20送出，读写和完成温度变换不需要外部另加电源，可以由数据线本身提供。数据接口采用“1WIRE”专利技术，每一个DS18B20有唯一的系列号，可以在一条单总线上挂接多个DS18B20传感器，节省了微处理器的端口资源和外围电路，非常适合多点组网测量。该芯片送出的是数字温度信号，从而简化了AD转换，提高了测量效率，降低了测量误差。DS18B20的测温流程图如图4所示，其测量温度时序主要有以下几个方面。初始化首先将DQ数据线拉低，拉低时间在480960S之间；接着将DQ拉高并延迟，延迟时间在156OS之间；在60240S内读取DQ的值，如果DQ为低则初始化成功，否则初始化失败，可再次初始化；拉高DQ并延时，延时时间要在240S以上。写数据首先将DQ拉低并延时，延时时N匿I发温度转换命令转换完毕望发匹配ROM命令发DSI8B20序号读取温度值送存储器储存图4DS18B20的测温流程图间在115IXS之间；再向总线上写数据并延时，时间在45S以上，并将DQ置高。读数据首先将OQ拉低并延时，时间约LIXS；然后再延迟几个S并读取DQ此时的值，DQ拉低至总线的时间一定要设定在L5S以内；当读完一位之后，需延时60120S，并将DQ置高1。23IC总线传输协议IC总线INTERINTEGRATEDCIRCUITBUS包括一条数据线SDA和一条时钟线SCL，是单片机常用的总线结构。这种总线结构尽可能地节省了单片机IO资源，可为多路温度采集保留了最大的扩展空间。DS18B20在总线上作为从属器件，通过SDA和SCL与单片机相连。SDA和SCL通过电阻上拉为高电平，SDA上的数据仅在SCL低电平时改变，而在SCL为高时，SDA由高到底定义为START位，表示数据传输开始；SDA由低到高定义为STOP位，表示一帧数据传输结束。每传输一帧数据都要以START位开始，以STOP位结束。在一个START位后，在时钟为高期间，SDA上的固定电平被认为是一位有效数据。单片机访问DS18B20时首先发送START位，接着发送一个控制字。该控制字定义如下D7LD6LD5LD4ID3LD2IDLLD017、D6、D5、14为控制码；D3、D2、D1为地址码；DO为读写位，高表示读操作，低为写操作。在START位后，DS18B20检测数据线上的控制字，收到后回送ACK信号，并根据控制字钟文涛等基于单片机的野外信息检测记录系统设置工作模式。24实时时钟为了使记录数据采集的时间更加准确，本设计采用了低功耗的DALLAS日历芯片DS1302，该芯片包括实时时钟日历和31字节的静态RAM，内置电池和晶振震荡器，可直接和单片机数据总线连接，该器件采用外加锂电池供电，在主电源关闭的情况下，能保持时钟的连续运行，精度高、稳定性好，能够达到记录数据对时间的期望要求。25数据存储设计SD卡是一种具有可移动性低功耗的FLASH多功能型微型存储卡，此卡兼容MMC卡，并且还增设了智能保护功能，以更好的防止盗版，同时其传输效率更快、存储容量更高，在便携式消费类电子产品中得到了广泛的青睐。SD卡通常有两种总线模式，分别是SPI总线模式和SD总线模式。其中SD总线模式采用四条数据线并行传输数据，其优点是传输速率高，但传输协议较复杂，因此大部分单片机不提供此接口，若没此接口可用软件方法模拟SD总线又显得相对繁琐，SD卡的传输效率将会降低；与之对应的是SPI总线模式只要一条数据传输线，采用简单的传输协议，容易实现，不足的是其数据传输效率较低，但很大部分单片机都具备有SPI总线模块，再加上其易于用软件方法来模拟，通过综合考虑本设计选用SPI总线模式。在SPI总线模式下进行传输的数据是以字节为单位，由主机来控制SD卡的各种通信。从上电到SD卡进行正确的读写操作，上电初始化往往是个必不可少的过程。当SD卡一上电后，主机必须先发送74个时钟周期到SD卡，从而实现SD卡的上电过程。在不加设置的情况下SD卡上电后一般会自行进人SD总线模式，并在此模式下向SD卡发送CMD0复位命令。因此，要使SD卡进入SPI总线模式，在主机对SD卡进行任何操作之前，必须把SD卡的片选信号CSCARDSELECT先拉低，然后主机再向SD卡发送相关命令。主机发送的各种应答信号SD卡都可以响应，同时主机可接收到SD卡发来的特殊数据响应标志。如果主机获得的应答信号是01，则SD卡已进入SPI模式，此时主机可向SD卡不断地发送命令字CMD1并读取SD卡的应答信号直到为00，若应答信号为O0，则表明SD卡的初始化过程已完成，并可着手准备接受下一命令。此后，单片机即可读取SD卡中的各个寄存器以便进行读写等各项操作。下面分别是SD卡写一字节函数和接收一字节函数的C语言程序写一字节函数料UNSIGNEDCHARSPI_WRITEBYTEUNSNEDCHARVA1SSPBUFVAL；待发送数据装载到发送寄存器WHILESSPIF；等待发送完成SSPIF0；清除发送完成标志位RETURNSSPBUF；读取接收寄存器即使是无效数据也需清空接收一字节函数UNSIGNEDCHARSPIREADBYTEVOIDSSPBUF0XIF；发送寄存器装载数据，以启动数据接收WHILESSPIF；等待接收完成SSPIF0；清除接收完成标志位RETURNSSPBUF；读取接收到的数据单片机一般的内存空间是从几KB到几十KB。记录一次温度需要45个字节，存储其发生的具体时间年月日时分需要45个字节，一天如果要记录50次两年共需要约40KB的存储空间，一天若记录300次两年则需要约240KB的存储空间，为此12G的内存一般足够存储信息量。单片机内存越大耗电量越多，为了省电同时又能够获得更多的原始数据，根据需要选择合适内存的存储卡，本设计采用2G的SD卡，使其能够尽可能多的保存采集到的原始数据。3系统微功耗低功耗设备体现在无需人工经常性更换电池或向电池充电的条件下能够长时间工作，对于电池供电设备的要求，其静态功耗最好为几十微安甚至低到几微安。在待机状态下加给设备的是静态电流，属于常供电电流，当系统不需要工作时，电能浪费很大造成不必要的损失。因此在系统设计中，应最大限度的减少外部电路，并减少在静态需要供电的外部电路。自动在数据采集系统中，单片机的功耗是系统功耗的主要组成部分之一，因此选择怎么样的微功耗单片机对于系统的微功耗设计显得尤其的重要。PIC单片机在微功耗方面具有非常大的优势，其电源管理模式如下运行时，CPU工作，外设打开；空闲时，CPU关闭，外设打开；睡眠时，CPU关闭，外设关闭。空闲模式典型电流值低至58TXA；睡眠模式典型电流值低至01A；看门狗定时器典型电流值为21TXA；震荡器双速启动；单片机的微功耗在2V、32KHZ时，TIMERL震荡器典型电流值低至18A。单片机的宽工作电压范围是20V36V，其可编程周期从4ITIS131S。DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功耗小于1MW。显示模块是触发式工作的，人工手动的时候才才显示其记录事件，耗电量及其的少。GPRS是目前集成度较高的无线数据传输产品之一，具有体积小、功耗低、工作稳定及成本低等特点，其发射模式工作电流是12MA，睡眠模式消耗电流仅5A。DS18B20的工作电流是1MA，静态电流是3A，电压范围在AC90260VAC时，耗电量在10VA以下，在DC2028V时耗电量为8VA以下。针对系统工作特点和需求，设置单片机大部分时间工作于空闲模式，以降低系统功耗。一般程序中设置1个检测周期约用05S，这时正常模式的时间不到01S；而空闲模式时间超过04S。若设置系统每一个工作循环周期为L0分钟，系统平均消耗电流为54A，因而单片机功耗近似计算为03MW，4节36V锂电池可连续工作一年半以上。4试验及数据分析如图5所示，横坐标表示的是时间，间隔为1小时，纵坐标表示的是温度。其中峰值较高的折线为实况温度，是气象局记录的当天温度，峰值较低的是野外阴凉处单片机采集记录的温度，若放