水溶氧度测量报-警电路设计-毕业论文

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第51页 共47页摘 要随着水产技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，人们对水质参数的连续实时监测提出了更高要求。溶解氧指的是溶解于水或液体中的分子态氧，用D0表示。水中缺氧直接影响养殖对象的生长繁殖，所以在水产养殖中必须经常地，连续地监测养殖水体中的溶解氧量。针对鱼塘传统的观测手段耗时费力、步骤复杂、成本高等缺点,设计了基于51单片机的鱼塘溶解氧实时在线监测装置。在鱼塘的监测区域中，该装置利用溶解氧传感器测得监测区域中的溶氧量，当鱼塘水中溶解氧指标低于某个参数时，能及时通过LED灯和蜂鸣器发出报警声并通过GSM通讯技术用短信方式发报警信息到户主手机上，让户主及时作出处理措施。利用GSM短消息能够实现数据的远程通信，这一技术适用于野外环境测量，在工业监测领域中有广泛的应用前景。为了提高该装置的实用性和续航能力，该装置利用太阳能和蓄电池混合供电。太阳能电是发展最为迅速的一种绿色能源，太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视。利用太阳能对这些监测装置进行供电，安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守。关键字：51单片机； 溶解氧传感器； GSM； 太阳能和蓄电池混合供电AbstractWith the deepening of aquaculture technology and increasing awareness of environmen- tal protection, people put forward higher request to continuous real-time monitoring of water quality parameters. DO is the abbreviation of Dissolved Oxygen which refers to oxygen molecules dissolved in water or liquid. For hypoxic water directly affects the growth of breeding objects, it must regularly and continuously monitor the amount of dissolved oxygen in water.In order to overcome the shortcomings of traditional observation approaches in Fishponds that is demanding, complex and cost high, a real-time online monitoring device with 51 SCMSCM was designed based on dissolved oxygen in fishponds. The device has the dissolved oxygen sensors to monitor the oxygen in the monitoring area. When the index below a certain parameters, it can promptly send alarm information to the householder phone through the GSM communication technology and also start the LED lights and alarm sounders. It makes the remote communication in aquaculture come true, and householders can timely take measures to solve such matters. This technique is suitable for wild environment measurement, also can be used in industrial monitoring field.In order to improve the usefulness and life of the device capabilities, the device using solar energy and battery hybrid supply power. Solar electricity is the most rapidly developing green energy. As is clean and renewable, people put more and more attention on it. Using solar energy for power supply of monitoring devices, its more simply to install and maintain, can realize the longer-life and unattended. 字典字典朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典 - 查看字典详细内容Keywords: 51 SCM；DO Sensors； GSM；Solar and battery powered目 录引言11 概述31.1 溶解氧31.1.1传统鱼塘养殖溶解氧监测方式31.1.2国内外在水体溶解氧检测存在现状31.2 溶解氧监控的必要性41.3 水溶氧度测量报警电路的可行性41.3.1通讯的可行性41.3.2设备的可行性51.4 水溶氧度测量报警电路系统组成及功能51.4.1水溶氧度测量报警系统的组成51.4.2水溶氧度测量报警电路系统的功能62 通讯72.1 通讯方式72.1.1通讯方式72.1.2方案选择82.2 短消息业务92.2.1短消息业务分类92.2.2短消息业务的优点及应用93 水溶氧度测量报警电路系统硬件设计113.1 GSM模块TC35i133.2 数据采集153.2.1AT89S51单片机最小系统183.2.2太阳能供电213.2.3复位电路233.2.4数码管显示243.2.5RS-232串口通信243.2.6TTL的接法254 水溶氧度测量报警电路系统软件设计264.1 AT指令264.2 单片机与TC35的通信294.3 GSM模块初始化304.4 在protues中的仿真325 系统调试335.1 硬件调试335.2 软件调试336 结论35谢 辞36参考文献37附 录38附录A:收发短信及相关操作AT 命令38附录B:作品实物39附录C:系统设计原理图40附录D:PCB图41附录E:程序清单4251引言氧气是鱼类赖以生存和生长发育必备条件之一。水中溶解氧量主要与温度、湿度和鱼的密度等因素密切相关。鱼类只有在水中溶解氧量达到一定数量后，才能维持其生命活动，而且在一定的范围内，其生长速度及对饲料的利用率都将随着水中溶氧量的升高而增加，低含氧量对鱼类的生活及生长是非常不利的。所以水体溶解氧含量的测量,对于水产养殖业的发展都具有重要意义。集约化高密度养殖产业代表着水产养殖业的最高水平，也是渔业现代化的必然产物。随着水产科研技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，人们对水质各参数的连续实时监测提出了更高的要求。国外集约化高密度养殖产业始于20 世纪50 年代，90年代以后大力开发了工厂化养鱼技术和水质的自动监测网络系统。我国工业化养鱼起步较晚，目前我国农业生产仍大都停留在传统的依靠人工经验判断的水平上，无法实现自动化控制，科研滞后于生产，水产养殖技术还比较落后，而从国外直接引进现代化的养殖设备和控制系统价格高，运行成本高，在国内无法推广普及。现在，一般都是采用工业控制计算机为上位监控机，以多个PLC 可编程控制器和多个单片机系统为下位机，通过RS-485 协议进行通讯，构成计算机集散监控系统。由于监控中心和各个养殖鱼场的分散性，地理和环境的不同，用有线方式构成计算机网络监控系统，会有距离远，成本高，架线和维护困难等问题，因此将无线通讯计算机技术应用于水产养殖的远程监控中，已成为水质自动监控系统的发展趋势。为了实现远程监控，从机与监控中心之间的通信联系是必不可少的。但由于远程监控系统的特殊性，无线通信是最佳的通信方式。从系统对频率资源的利用及系统组网方式的角度来讲，监控系统所用的通信方式有以下几种：固定频率通信方式、集群移动通信方式和蜂窝移动通信方式。其中前两种分别采用单一频率和共用频率进行通信，实践证明，均有一定的缺陷，而蜂窝移动通信方式的核心概念就是频率复用，即多个用户共用一组频率，同时，多组用户在不同的地方仍可以使用该组频率进行通信，从而大大提高了频率的利用率。目前蜂窝移动通信己经从第一代FDMA方式的模拟体制经过第二代TDMA方式发展到第三代CDMA方式的数字体制。目前DCMA通信网还处在发展阶段，用户也非常有限，因此，组建远程监控系统使用最广泛的是以TDMA方式为核心的GMS蜂窝网。本文提出了一种以低成本方式实现了现场的无线数据传输。此通信网络由溶解氧测量装置和户主手机组成，从装置和业主的手机的通讯采用GSM 技术。GSM系统提供多种电信服务，包括声音、电文、图像、传真、短消息、计算机文件等，它具有高频谱效率、稳定性和安全性好，以及集成度高，容量大(GSM用户量比模拟蜂窝系统用户量多10倍以上)，开放性的接口，抗噪声性能强，覆盖范围广等特点。鉴于GSM网的上述优点，以及短信息服务的实惠经济，故非常适于远程监控系统的数据传输。为了提高该装置的实用性和续航能力，该装置利用太阳能和蓄电池混合供电。太阳能电是发展最为迅速的一种绿色能源，太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视，利用太阳能对这些监测装置进行供电，安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守。1 概述1.1 溶解氧溶解氧（Dissolved Oxygen）是指溶解于水中分子状态的氧，即水中的O2，用DO表示。溶解氧是水生生物生存不可缺少的条件。溶解氧的一个来源是水中溶解氧未饱和时，大气中的氧气向水体渗入；另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。溶解氧随着温度、气压、盐分的变化而变化，一般说来，温度越高，溶解的盐分越大，水中的溶解氧越低；气压越高，水中的溶解氧越高。溶解氧除了被通常水中硫化物、亚硝酸根、亚铁离子等还原性物质所消耗外，也被水中微生物的呼吸作用以及水中有机物质被好氧微生物的氧化分解所消耗。所以说溶解氧是水体的资本，是水体自净能力的表示。天然水中溶解氧近于饱和值（9ppm），藻类繁殖旺盛时，溶解氧含量下降。水体受有机物及还原性物质污染可使溶解氧降低，对于水产养殖业来说，水体溶解氧对水中生物如鱼类的生存有着至关重要的影响，当溶解氧低于4mg/L时，就会引起鱼类窒息死亡，对于人类来说，健康的饮用水中溶解氧含量不得小于6mg/L。当溶解氧（DO）消耗速率大于氧气向水体中溶入的速率时，溶解氧的含量可趋近于0，此时厌氧菌得以繁殖，使水体恶化，所以溶解氧大小能够反映出水体受到的污染，特别是有机物污染的程度，它是水体污染程度的重要指标，也是衡量水质的综合指标。因此，水体溶解氧含量的测量，对于环境监测以及水产养殖业的发展都具有重要意义。 1.1.1传统鱼塘养殖溶解氧监测方式目前，大多数渔业养殖户对水中溶解氧含量的判断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水中溶解氧含量的高低。 1.1.2国内外在水体溶解氧检测存在现状我国目前对水质检验的常规程序是取样后拿到实验室检验分析，中间的工作环节复杂，导致检测时间长，不能及时得到水质情况。国内目前一些单位和研究机构已经开发研制出一些小型溶解氧检测仪，一般都基于电流测定法，如上海雷磁仪器厂生产的JPSJ605型溶解氧分析仪，北京北斗星工业化学研究所研制的HBD5W手持式水质通用测试仪等，其速度方面同国外同类仪器还有一定的差距；国内对荧光溶解氧传感器也有一些研究，技术已经达到国外平均水平，但研究实现商品化的较少。国外一般采用新型的基于荧光淬灭效应的溶解氧测量仪，代表产品有瑞士DMP公司的MICROXI型的溶解氧测量仪，美国OXYMON氧气测量系统等等，测量精确，快速，并可以远程测量等。总的来说，目前市场上大多数商品化溶解氧测量仪都是基于Clark溶氧电极的，基于荧光淬灭法的光纤溶解氧传感器较少。 我国环境监测、监控技术在环境领域的应用等方面的研究与发达国家相比还存在显著差距。目前国内在水质监测系统上还没有自己开发的完整的设备，大多数采用国外的设备和技术，如ECOTECH公司的WQMS（水质监测系统），美国SIGMA900系列水质采样器等等，但是国外的水质检测设备和系统大多数价格高，体积大，有的不完全符合中国的环境条件。据海关统计，2000年我国进口各类仪器仪表总额70亿美元，接近我国仪器仪表工业总产值的50%。全国每年用于仪器仪表进口的费用大大超过用于购买国产仪器的费用，价格昂贵、采购周期长以及各种配件难以获得等原因，严重地约束了我国科学技术的发展。因此我国急需研究开发自行生产的环境水质自动监测仪器。 1.2 溶解氧监控的必要性集约化高密度养殖产业代表着水产养殖业的最高水平，也是渔业现代化的必然产物。随着水产科研技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，人们对水质各参数的连续实时监测提出了更高的要求。传统渔业养殖户对水中溶解氧含量的判断主要来自经验，即通过观察阳光、气温、气压以及鱼有无浮头等现象，判断水中溶解氧含量的高低，不准确，不直观，渔民需要花费大量的时间、精力观察鱼塘的情况。在鱼塘中，放置水溶氧度检测装置，利用水溶氧度传感器测定鱼塘水体中溶解氧含量。当鱼塘水体中溶解氧含量低于下限指标的时候，报警信息能够及时反馈给户主，让户主及时进行处理，保证鱼塘溶解氧含量处于良性状态，使鱼塘中水的溶氧量设定的范围内，有效地提高了鱼类养殖的安全性，降低了养殖成本，对提高养殖产量，达到高产高效的目的，具有重要的意义。1.3 水溶氧度测量报警电路的可行性1.3.1通讯的可行性采用无线信道有以下几种方式: (l)数字数据网(Digital Data Network，DDN)是利用数字通讯(如光缆、数字微波和卫星信道)来传输数据信号的数据传输网，可以为用户提供专用的数字数据传输信道，为用户建立专用数据网提供条件。DDN网络提供图像通信、数据电话通讯、数据广播通讯等多种业务，具有传输速率高、网络时延小、误码率低、可靠性高等特点。缺点是DDN在某些城市覆盖面积小，且数据网在使用成本及使用畅通上也易受数据通讯的控制。(2)专门的鱼塘监控通讯网。必须向当地的无线管理委员会申请专用的通讯频道，在监控中心架设全向高增益天线，远程监控终端设立电台。专用通讯网不受外界控制，通讯半径可以通过在监控终端设置逐步扩展;缺点是一次性投资较高，监控点越多系统成本越高，且网络需要自己维护，通讯可靠性不够理想。(3)GSM无线移动网是一种极具发展前途的新兴技术，由中国移动和中国联通两家建网，覆盖范围大，无须担心存在死角、盲区等问题。即便是个别地方局部网络覆盖有问题也是暂时的，只要与当地通讯部门协调即可解决。GMS网络具有通讯数据传输响应时间短、抗干扰能力强、功耗低等特点，且系统建设费用低廉。1.3.2设备的可行性水溶氧度测量报警电路系统是集计算机技术、现代通讯技术、检测技术、自动控制等技术于一体的高科技系统工程。(1)现代化计算机技术飞速发展，其硬件、软件性能和可靠性都大大提高，能够满足路灯监控系统长期稳定可靠运行的要求。(2)无线数据通讯设备发展日趋成熟，无论从可靠性、资费，还是对使用环境的要求等各方面都可得到满足。(3)各类检测设备正在向小型化、智能化方向发展，可靠性逐渐提高，并利用太阳能供电，完全可以适应水溶氧度测量报警电路系统长期正常高效运行的要求。1.4 水溶氧度测量报警电路系统组成及功能水溶氧度测量报警电路系统的基本要求为：能够采集鱼塘水体中溶解氧含量，当溶解氧含量低于下限时，能够发出报警信号并能通过短信方式发送报警信息到户主手机上，为鱼塘水溶氧含量的正常提供保证。使用太阳能与电池的混合供电方式，使装置能长期独立运行，不用外接电源。集约化高密度养殖产业代表着水产养殖业的最高水平，也是渔业现代化的必然产物。随着水产科研技术的不断深入以及环境保护意识的不断提高，人们对水质各参数的连续实时监测提出了更高的要求。所以，用先进技术提高鱼塘溶解氧监控自动化控制与管理水平，实现科学化控制、管理，势在必行。近年来，计算机技术发展迅速，结合各行业实际取得了许多成果，极大的推动了社会发展。鱼塘溶解氧监控系统符合时代进步要求，能够提高鱼塘管理效率与现代化程度，保证鱼生活环境的安全，节省运行所需人力、物力。借助于计算机、通信等先进技术，拥有运行可靠、自动化程度高、高效节电、使用维护方便的鱼塘无线监控系统将成为渔业现代化的重要标志之一。1.4.1水溶氧度测量报警系统的组成数字式溶解氧传感器单片机溶解氧下限报警器GSM 户主手机太阳能电池和蓄电池图1.1水溶氧度测量报警电路系统组成水溶氧度测量报警电路系统由数据测量和采集模块、GSM短信报警模块与太阳能电池和蓄电池供电模块组成。图14.1为水溶氧度测量报警电路系统的基本组成。数据测量和采集模块由水溶氧度传感器和51单片机共同组成，包括水体溶解氧含量测量和采集，单片机判断下限。GSM短信报警模块是利用GSM无线网络发送报警信息给户主手机。太阳能电池和蓄电池供电模块可以供电给装置，不用外接电源。1.4.2水溶氧度测量报警电路系统的功能水溶氧度测量报警电路装置能够独立完成测量和采集鱼塘水体中溶解氧含量，并通过单片机判断是否超出下限，若超出就自动发出报警信号(声光)，并通过GSM发送报警信息给户主手机。使用太阳能与电池的混合供电方式，使装置能长期独立运行，不用外接电源。2 通讯近几年来，通讯技术发展速度迅速，各种数据通讯方式不断出现。水溶氧度测量报警系统中户主手机与测量装置之间的通讯方式选择是系统设计的关键部分。2.1 通讯方式2.1.1通讯方式通讯通常包括有线通信和无线通信两种方式。(l)有线通信。通过专门的通信线进行传输，通信线主要包括以下几种方式:通信同轴电缆，由中心导体、固定中心导体的电介质绝缘层、外屏蔽导体和外绝层构成。同轴电缆可分为用于基带数字信号传输的基带同轴电缆和用于宽带传输的宽带轴电缆，可用于点对点或点对多点配置。典型基带同轴电缆所覆盖的最大距离限于几公里，而宽带同轴电缆可延伸到数十公里。双绞线，由有规则地扭制在一起的两根绝缘导线(一根作为信号线，一根作为地线)组成。双绞线可用于点对点或点对多点通信，对干扰和噪声非常敏感。若采用线驱动器接收器，可完成长距离的高速数据传输。电话线，是进行串行数据通信的非常经济的途径，但在远程通信时传输线上的电容易使数据波形失真。电力线，利用电力线载波实现计算机间的数据通信，大大降低成本，缩短工时。为避免频段干扰，发射频率一般选择在长波段100一300kHz。电力线载波传输限于同一电力变压器供电范围内，并且主从机最好接于同一相线，这样传输衰减小、传距远、效果好。光缆，是由光纤组成的可传输光信号的介质，其传输速率高，不受电磁干扰影响，具有良好的保密性，但造价高。(2)无线通信。远程通信在现代社会中占有越来越重要的地位，无线通信是通过无线电波实现的，理论基础是无线通信技术。目前无线通信主要有两种方式:通信双方直接发送和接收对方的信号，可以通过自定义频率来接收和发送，并且可根据要求不断地调整变化;另外，数据可以加密，保密性好。不足之处是发射功率大，传输距离限制较大，传输距离限在几公里之内。通信双方间接通信。如当今流行的GSM(Global System for Mobile communication)蜂窝移动通信系统，综合利用了移动通信技术、网络技术、数字信号处理、计算机处理技术等研究成果。GSM无线移动网络覆盖范围广，技术成熟，保密性好，通话质量高，提供语音和数据传输服务，不受传输距离限制。一般城市无须担心死角、盲区等问题，个别地方局部网络覆盖问题也只是暂时的。GSM无线MODEM发射功率小(仅为0.6W)，平时处于待机状态，数据传输响应时间小于10s，抗干扰能力强。短消息服务支持漫游功能,从而可用于实现远程维护和远程监控，且通讯费用不变。2.1.2方案选择监控系统的数据传输方式按数据传输媒介的不同可分为有线系统和无线系统两大类。二者各有利弊，讨论的焦点主要集中于系统的造价和通信的可靠性问题上。由于地域差别较大，且系统要求有别，一般按不同地区、不同系统区别对待。有线系统优势在于数据传输的可靠性，但是系统投资费用大，且需铺设专门线路，工程造价高，审批程序烦琐困难。无线系统只要解决好数据传输的可靠性问题，优势将很是明显。无线系统中，移动通信网是比较理想的数据传输方式。其中GSM网络全国范围内联网、漫游，网络能力强，无需组网，网络覆盖范围广，对用户数量无限制，可以为客户节省昂贵的建网费用和维护费用，克服了专网通信系统投资成本大，维护费用高等缺点。GSM是以加入窄带ISDN(Integrated Services Digital Network，综合服务数字网)网，向用户提供SIDN业务为目标的。主要支持的业务包括以下三大类:(l)基本电信业务:包括电话、传真、紧急呼叫、短消息、话音信箱、智能用户电报等，可以与PSTN(Public Switched Telephone Network，公共开关电话网络)、ISDN等互通。(2)数据传输业务:包括300b/s和1200b/s异步双工数据传输，1200b/s、2400b/s、4800b/s、9600b/s同步双工数据传输，以及它们的分组式传输等。(3)补充业务:包括三方会话、电话会议、呼叫转移等业务。呼叫转移是指在无法接听来电时，将该来电转往另一电话机或语音信箱。所谓短消息就是通过GSM网络传输的有限长度的文本信息。SMS(Short Messgae Service)短消息业务作为GSM网络的一种基本业务，与语音传输及传真一样，同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务。它通过无线控制信道进行传输，不用建立拨号连接，把要发的信息加上目的地地址发送到短消息服务中心SMSC(Short Messgae Service Center)，经SMSC完成存储后再发送给最终的信宿。短消息服务本身具备数据传送功能，利用SMS进行无线通信可以双向传输数据，而且性能稳定，为远程数据传送和监控设备通信提供了支持平台。SMS短信息服务作为GSM网络的基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于SMS短消息的各种应用也蓬勃发展起来。考虑到系统安装成本、维护费用、传输时间、可靠性、安全性等一系列问题，我们以SMS短消息作为户主手机和测量装置间数据传输的通道，设计了基于GSM短消息的水溶氧度测量报警系统。2.2 短消息业务2.2.1短消息业务分类短消息业务按其实现的方式可以分为点对点短消息业务和小区广播短消息业务。(l)点对点短消息业务能够使GSM数字移动通信网用户发出或接收长度有限(不超过140个字节)的数字或文字消息、并且短消息的收发不影响通话。点对点短消息业务即通过MO(Mobile originated Short Message，移动起始短消息)和MT(Mobile Terminated Short Message，移动终端短消息)将一条短消息从一个实体发送到指定目的地址的业务。点到点短消息业务由SMSC完成存储和前转功能的。点对点消息的发送或接收应在呼叫状态或空闲状态卜进行，由控制信道传送短消息业务。(2)小区广播短消息业务是指通过发送信息的基站向指定区域中所有短消息用户发送短消息的业务。它也是在控制信道上传送的，移动台只有在空闲状态下才可接收广播消息。该业务将发送的短信息编码后，使消息的长度增加为每页82个字节(7Bit编码，92个字符)，并且最多能发送20页之多。通常移动公司会使用这种方式在一定的区域内向所有GSM用户循环发送一些具有通用性的信息，如交通信息、天气情况、股市信息、新闻等。2.2.2短消息业务的优点及应用由于短消息发送占用信令通道，当移动台占线而无法通话的情况下仍可接收短消息。使用短消息服务，可以做到信息的及时发布，即使对方关机或不在服务区，SMSC也会保存短消息，并在HLR(Home Location Register，归属位置寄存器)中设置等待标志，一旦对方开机或回到服务区，GSM系统会及时通知短消息服务中心重发，用户即可收到短消息。短消息业务是GSM系统中最为简单、最方便的数据通信方式。短消息业务的优点如下:(l).收费低廉资费问题始终是消费者最关心的。尽管语音业务资费不断下调，但相对短消息服务费用来说还有很大差距。消息服务单向收费，接收方免费，价格优势明显。(2).时时在线只要手机处于开机状态，就可以接收短消息，用户可以随时发送短消息，可以说是24小时在线。另外，短消息服务中心能够存储信息，对由于关机或其它原因而没有收到的短消息临时存储，只要提交短消息时间有效期设置恰当，在开机后仍然可以接收此短消息。(3).多种数据承载能力短消息服务有三种模式:块模式、文本模式和PDU(Protocol Description Unit)模式。其中，PDU模式时下最为流行，它可以传输文字、声音及图像，特别是现在彩信的出现使人们可以传输彩色照片。(4).内容丰富，使用方便用户可以根据自己的喜好自由挑选定制自己感兴趣的信息服务。短消息不要求对方必须在另一端，用户可以随地发送短信息，而不必管对方开机已否，是不是在服务区，也不用担心深夜打扰对方休息。因为短信息可以存储在短消息服务中心，一旦对方开机，短信息就会自动发送到他那里。以上是短消息的一些优点，除此之外还具有开通方便等许多语音等业务无法代替的功能。3 水溶氧度测量报警电路系统硬件设计系统的硬件结构图如图3.1所示。实物连接图如图3.2所示。单片机AT89S51数码管显示数字式水溶氧度传感器电平转换芯片 MAX 232GSM TC35i图3.1 水溶氧度测量报警电路系统硬件结构图图3.2水溶氧度测量报警电路实物连接图3.1 GSM模块TC35i 在国内已经开始使用的GSM模块有Falcom的A2D系列，Wavecom的WMO2系列，的TC35系列，爱立信的DM1O/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TC35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，所以本设计选用的是西门子TC35i。TC35i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TC35兼容，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积。TC35i与GSM2/2+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。 该模块隶属于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。图3.3 TC35i模块的结构示意图TC35i模块如图3.3所示，从功能上看主要由4部分组成:GSM基带处理器、GSM射频部分、电源A-SIC(Application Specific Integrated circuit)、Flash。GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个C166CPU和一个DSP处理器内核控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是一个单片收发器SMARTi，它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器(upconversion modulation loop transmitter)、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成，共同完成对射频信号的接收和发送等处理。GSM模块电流变化非常大，空闲时电流小于3mA，而在通话期间电流最大可达2.3A，这就对供电电路提出了较高的要求。GSM模块电源ASIC部分使用线性电压调节器把外部输入的电源电压Vbatt+进行稳压处理后供GSM基带处理器和GSM射频部分使用，此外它还输出一个2V/70mA的电压供模块外的其他电路使用。GSM射频部分的功率放大器对电源电压要求不高，所以直接使用外部的输入电压Vbatt+。Flash用来存储一些用户配置信息、电话本和其他信息。图3.4 TC35i外围电路接线图TC35i外围电路图如图3.4所示。TC35i是西门子最新推出的无线通信模块，功能与TC35兼容，设计紧凑。TC35i与GSM22+兼容，双频(GSM900/GSMl800)工作，带有RS232数据口。符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，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、语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计4，5。TC35i有40个引脚，通过ZIF连接器引出。这些引脚可划分为5类，即电源、数据输入输出、SIM卡、音频接口和控制3，4，5。114引脚为电源部分，其中l5引脚为电源电压输入端VBATT+610引脚为电源地GND，ll12引脚为充电端，13引脚为对外输出电压(供外部电路使用)，14引脚ACCUTEMP接负温度系数的热敏电阻；2429引脚为SIM卡连接端；3340引脚为语音接口用来接电话手柄。15、30、31和32引脚为控制部分，15引脚为启动线IGT(Ignition)。当TC35i通电后必须给IGT一个大于100mV的低电平，模块才能启动。30引脚为RTCBACKup；31引脚为掉电控制；32引脚为SYNC，1623引脚为数据输入输出端6。电源电路分为充电电池和稳压电源模块两部分。充电电池为整个系统提供3.6V工作电压同时产生MAX232所需要的高电平：三端电源模块LM7806将外部12V直流电源转换为6v连接至ZIF连接器的11、12引脚。在充电模式下可为TC35i提供6V500mA的充电电源。 启动电路由漏极开路三极管和上电复位电路组成。模块上电10ms后(电池电压须大于3V)，为使之正常工作，必须在15引脚(IGT)施加低电平信号，至少保持100ms且该信号下降沿时间小于1ms，启动后15引脚应保持高电平。 数据通信电路主要实现短消息收发、与PC机通信、软件控制等功能。TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合RS-232接口电路标准。工作在CMOS电平(2.65V)。数据通信电路以MAX232为核心实现电平转换及串口通信。3.2 数据采集（1）.数据采集模块的基本构成数据采集模块的由水溶氧度传感器499A DO构成，如图3.7所示。本传感器是数字式的，所以不用经过模数转换模块，单片机可以直接读取。图3.5 499ADO传感器实物图499ADO 传感器用于连续检测液体中溶解氧的含量，测量范围是 0-20ppm，主要应用在市政污水和工业污水处理厂的曝气池中，也可以用于检测养殖水池中溶解氧的含量。499ADO 是一种隔膜覆盖的电流传感器，其由（金）阴电极、（银）阳电极和电解液构成，阴电极上覆盖着一层允许氧气渗透的隔膜。传感器工作期间，被测液体中的氧分子通过隔膜扩散至阴电极上，施加在阴电极上的极化电压将氧分子还原成氢氧根离子，进而在阴、阳电极之间产生电流，该电流由分析仪器检测出来，其与氧分子达到阴电极的速率成正比，并最终与被测液体中溶解氧的浓度成正比。由于氧分子通过隔膜的扩散速率取决于被测液体的温度，所以，传感器的响应时间一定要校正温度对隔膜渗透性的影响。溶解氧传感器中内置了 Pt100 温度探头，因此，分析仪可以对温度进行自动修正。499ADO 传感器的标定十分方便，标定时，将传感器暴露于饱和空气中，按分析仪器上的相关按钮，此时，分析仪器测量大气压力，并计算在当前温度、压力下，大气中氧气的平衡浓度。（Delta 分析仪表、1054ABO、1054BDO 需要用户手动给仪表输入大气压力值。）该传感器的维护也十分方便、快捷。隔膜的更换不需要使用专用工具或其它固定设备，只需在隔膜组件内点几滴电解液，然后将其放在阴极上然后将其放在阴极上，拧旋固定器到位即可。填充电解液时，将传感器位置倒置，隔膜部位向上，旋开位於传感器侧面偏下方的阻液塞，然后挤压装有电介质的塑料瓶，从加液口慢慢地滴加电解液，直止液面低达加液口下方（注意：1. 充电介质时不能有空气气泡夹在电介液中间；2.电介质液位不要高出加液口），再将阻液塞复位旋紧，然后，将传感器位置恢复正常，即隔膜朝下，并用右手手指捏住它的上部，用力将其向外侧甩动几次，使充入电介液完全与溶氧隔膜组件相连，清除中间可能存在气泡。虽然，压力变化对于传感器的响应影响不大，但在本传感器中设置了一只柔性的气囊,它可以自动调整腔体内部压力变化,维持隔膜两侧的压力平衡，防止隔膜变形。传感器的安装方式有多种选择，对于嚗气池或水池测量应用，选择沉浸式安装方式；对于管道测量应用，选择流通式安装方式。499ADO 传感器也可以配VP 电缆接头和一根专用电缆，即分体结构。与传感器相接的VP雄性接头，可与装有VP雌性接口的电缆快速安装、拆卸。一旦电缆与分析仪器的接线完成，则以后更换传感器时，无需更换电缆，无需重新接线，且安装传感器时，电缆也不会出现扭绞现象。由于传感器价格过高，条件有限，这里使用数字式传感器DS18B20代替499ADO传感器进行数据采集。图3.6 数据采集部分硬件连接图3.2.1AT89S51单片机最小系统AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)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-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AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器 此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。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。(1) AT89S51主要功能特性：兼容MCS-51指令系统 4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 128x8bit内部RAM 2个外部中断源低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针看门狗（WDT）电路的主要是实现复位功能.当单片机运行出现死循环时,看门狗（WDT）电路可以起保护功能,实现复位作用.(2) AT89S51引脚功能说明：AT89S51为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义。其引脚图如图3.9所示。图3.7 AT89S51引脚图P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路，对端口P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 P1口：P1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O 口， P1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1 还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），Flash 编程和程序校验期间，P1接收低8 位地址。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX RI 指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。 Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。 P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）。 P3 口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。 Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.2.2太阳能供电太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的