基于GPRS的远程无线温度采集系统的设计毕业设计说明书.doc

111学学 号 号 200912040214 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 学生姓名学生姓名 专业班级 专业班级 09 电信电信 2 班班 学学 院 信息工程学院院 信息工程学院 指导教师 许广宾指导教师 许广宾 副教授副教授 于树利于树利 高级工程师高级工程师 2013 年年 06 月月 02 日日 河北理工大学信息学院 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 I 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 II 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 III 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 河北联合大学信息工程学院 0 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 第 1 章 绪论 1 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 河北联合大学信息工程学院 2 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 200 A 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 8 3 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 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 3 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 8V 3 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 河北联合大学信息工程学院 4 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 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 5 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 450kHz 8MHz 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 河北联合大学信息工程学院 6 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 3V 4 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 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 7 图 2 5 B2B 连接器接口顺序和定义 河北联合大学信息工程学院 8 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 3V 4 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 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 9 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 500uA 当 MG323 模块在 Power Down 模式时 VIO 则处于关闭状态 2 2 3 控制信号接口和开 关机时序 MG323 模块 B2B 接口的控制信号部分主要包括 开 关机 TERM ON 接口 硬件复位 RESET 接口 网络状态指示 LED SEATUS 接口 表2 2 控制信号接口管脚定义 管脚号信号名描述 20TERM ON开 关机控制管脚 22RESET硬件复位管脚 25LED STATUS网络状态指示管脚 1 输入控制信号 对于输入控制信号接口部分 MG323 模块主要实现开 关机控制和硬件复位 功能 河北联合大学信息工程学院 10 TERM ON 管脚用于实现开 关机功能 当 TERM ON 管脚拉低 1s 后 即可 开机 开 机后 如果再次将 TERM ON 管脚拉低 1s 即可关机 RESET 管脚 用于实现模块硬件复位 当模块出现软件死机的情况时 通过拉低 RESET 管脚 10ms 后 模块进行硬件复位 2 输出控制信号 MG323 模块提供了一个网络状态指示接口 LED STATUS 通过该接口输出的 脉冲信号 来控制用户接口板上的 LED 状态指示灯 显示网络连接的状态 LED 状态指示灯闪烁的不同模式 代表了不同的网络状态 管脚状态如下 表所示 表2 3 LED STATUS 管脚状态指示说明 工作或网络状态LED STATUS 管脚输出状态 睡眠模式持续低电平 搜网状态或无网络时 含无SIM 卡或未解PIN 码时 周期1s 高电平输出0 1s 已注册上2G 网络周期3s 高电平输出0 1s GPRS 数据业务周期0 125s 高电平输出0 1s 语音呼叫持续高电平 在实际应用中 LED STATUS 管脚不能直接用于驱动 LED 状态指示灯 需 要配合三极 管使用 LED 灯的限流电阻选择 请根据 LED 的实际压降和额定 电流选择合适的限流 电阻 驱动示意电路如图所示 图 2 7 MG323 信号指示灯 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 11 3 开 关机时序 MG323 模块可以通过开 关机键 TERM ON 进行开机 开机后软件会根据实 际设置情 况上报相关信息 图 2 8 开机时序 MG323 模块支持硬件复位功能 当 MG323 模块出现软件死机的情况时 您 可以通过 RESET 信号控制模块实现硬件复位功能 当硬件复位完成后 软件开 始开机流程 开 机后软件会根据实际设置情况上报相关信息 图 2 9 关机时序 2 2 4 UART 接口 MG323 模块对外提供一路异步 RS 232 UART1 8 线全串口 通信接口 UART1 支持标准 Modem 握手信号控制方式 通过 UART1 接口与外界进行串行通信和 AT 指令输入 河北联合大学信息工程学院 12 表 2 4 UART 接口定义 管脚号信号名描述 29UART1 RD模块数据发送端 33UART1 TD模块数据接收端 38UART1 RIN G模块振铃指示 32UART1 DSR模块数据设备就绪 34UART1 RTS请求发送 36UART1 DTR数据终端就绪 28UART1 CTS模块清除发送 24UART1 DCD模块载波检测 2 2 5 SIM 卡接口 MG323 模块提供了符合 ISO7816 3 标准的 SIM 卡接口 支持自动检测 3 0V 和 1 8V SIM 卡 SIM 卡接口定义如下表所示 表 2 5 SIM 卡接口定义表 管脚号信号名描述 1SIM CLKSIM 卡时钟 3VSIMSIM 卡电源 5SIM DATASIM 卡数据 7SIM RSTSIM 卡复位 11GNDSIM 卡地 MG323 模块上没有预留 SIM 卡座 而是通过 50pin 的 B2B 连接器将 SIM 卡相关信号 引到外部 由用户自行在接口板上放置 SIM 卡座 SIM 卡接口硬 件电路如下图所示 图 2 10 SIM 卡原理图 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 13 图 2 11 SIM 卡原理图 2 3 温度传感器简介 在设计中 温度采集模块我使用的是美国 DALLAS 公司采用单总线技术生 产的一种新型数字式温度传感器 DS18B20 DS18B20 温度芯片是一种集成芯片 能够有效的减小外界的干扰 提高测量的精度 简化电路的结构 使用集成芯 片 已经慢慢的成为设计电路的一种趋势 本系统设计使用温度芯片 DS18B20 也正是顺应了这一趋势 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器 其测温分辨率可达 0 0625 C 其提供 9 位温度读数 指示器件的温度 信息经过单线接口送入 DS1820 或从 DS1820 送出 因此从中央处理器到 DS1820 仅需连接一条线 和地 读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源 因为每一个 DS1820 有唯一的系列号 因此多个 DS1820 可以存在于同一条单线 总线上 这样占用微处理器的端口较少 可节省大量的引线和逻辑电路 这就 允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件 此特性的应用范围包括 HVAC 环境控 制 建筑物设备或机械内的温度检测 以及过程监视和控制中的温度检测 DS18B20 支持 一线总线 接口 测量温度范围为 55 125 C 在 10 85 C 范围内 精度为 0 5 C 现场温度直接以 一线总线 的数字方式 传输 大大提高了系统的抗干扰性 适合于恶劣环境的现场温度测量 温度芯 片 DS18B20 转换速度快 转换精度高 与微处理器的接口简单 给硬件设计工 作带来了极大的方便 能有效地降低成本 缩短开发周期 在本检测系统设计中采用外部电源供电测温的工作方式 其中电阻 R 是上 拉电阻 使得单线总线的空闲状态是高电平 河北联合大学信息工程学院 14 2 3 1 DS18B20 管脚配置和内部结构 图 2 12 DS18B20 管脚图 引脚定义 1 GND 为电源地 2 DQ 为单数据总线 是数字信号输入 输出端 3 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 内部结构 图 2 13 DS18B20 内部结构图 1 光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前被光刻好的 它可以看作是 该 DS18B20 的地址序列码 64 位光刻 ROM 的排列是 开始 8 位 28H 是 产品类型标号 接着的 48 位是该 DS18B20 自身的序列号 最后 8 位是前 面 56 位的循环冗余校验码 CRC X8 X5 X4 1 光刻 ROM 的作用是使每一 个 DS18B20 都各不相同 这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20 的目的 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 15 2 DS18B20 中的温度传感器可完成对温度的测量 以 12 位转化为例 用 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供 以 0 0625 LSB 形式表达 其 中 S 为符号位 图 2 14 DS18B20 温度值格式表 这是 12 位转化后得到的 12 位数据 存储在 18B20 的两个 8 比特的 RAM 中 二进制中的前面 5 位是符号位 如果测得的温度大于0 这 5 位 为 0 只要将测到的数值乘于 0 0625 即可得到实际温度 如果温度小于 0 这 5 位为 1 测到的数值需要取反加 1 再乘于 0 0625 即可得到实际温 度 例如 125 的数字输出为 07D0H 25 0625 的数字输出为 0191H 25 0625 的数字输出为 FF6FH 55 的数字输出为 FC90H 2 3 2 DS18B20 的工作原理 DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上 从而抗干 扰力更强 其一个工作周期可分为两个部分 即温度检测和数据处理 在讲 解其工作流程之前我们有必要了解18B20 的内部存储器资源 18B20 共有 三种形态的存储器资源 它们分别是 1 ROM 只读存储器 用于存放 DS18B20ID 编码 其前 8 位是单线 系列编码 DS18B20 的编码是 19H 后面 48 位是芯片唯一的序列号 最 后 8 位是以上 56 的位的 CRC 码 冗余校验 数据在出产时设置不由用户 更改 DS18B20 共 64 位 ROM 2 RAM 数据暂存器 用于内部计算和数据存取 数据在掉电后丢失 DS18B20 共 9 个字节 RAM 每个字节为 8 位 第 1 2 个字节是温度转换后 的数据值信息 第 3 4 个字节是用户 EEPROM 常用于温度报警值储存 的镜像 在上电复位时其值将被刷新 第5 个字节则是用户第 3 个 EEPROM 的镜像 第 6 7 8 个字节为计数寄存器 是为了让用户得到更高 的温度分辨率而设计的 同样也是内部温度转换 计算的暂存单元 第 9 个字节为前 8 个字节的 CRC 码 EEPROM 非易失性记忆体 用于存放长期 需要保存的数据 上下限温度报警值和校验数据 DS18B20 共 3 位 河北联合大学信息工程学院 16 EEPROM 并在 RAM 都存在镜像 以 方便用户操作 DS18B20 的使用方法 1 DS18B20 的初始化 图 2 15 DS18B20 的初始化时序图 1 先将数据线置高电平 1 2 延时 该时间要求的不是很严格 但是尽可能的短一点 3 数据线拉到低电平 0 4 延时 750 微秒 该时间的时间范围可以从480 到 960 微秒 5 数据线拉到高电平 1 6 延时等待 如果初始化成功则在15 到 60 毫秒时间之内产生一个由 DS18B20 所返回的低电平 0 据该状态可以来确定它的存在 但是应注意 不能无限的进行等待 不然会使程序进入死循环 所以要进行超时控制 7 若 CPU 读到了数据线上的低电平 0 后 还要做延时 其延时的 时间从发出的高电平算起 第 5 步的时间算起 最少要 480 微秒 8 将数据线再次拉高到高电平 1 后结束 2 DS18B20 的写操作 图 2 16 DS18B20 的写操作时序图 1 数据线先置低电平 0 2 延时确定的时间为 15 微秒 3 按从低位到高位的顺序发送字节 一次只发送一位 4 延时时间为 45 微秒 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 17 5 将数据线拉到高电平 6 重复 1 到 6 的操作直到所有的字节全部发送完为止 7 最后将数据线拉高 3 DS18B20 的读操作 图 2 17 DS18B20 的读操作时序图 1 将数据线拉高 1 2 延时 2 微秒 3 将数据线拉低 0 4 延时 15 微秒 5 将数据线拉高 1 6 延时 15 微秒 7 读数据线的状态得到 1 个状态位 并进行数据处理 8 延时 30 微秒 2 3 3 DS18B20 的硬件设计 DS18B20 在本系统中与发送端单片机的P1 4 连接 如图 河北联合大学信息工程学院 18 图 2 18 DS18B20 硬件原理图 2 4 显示模块 2 4 1 液晶驱动芯片 HT1621 是 128 点内存映象和多功能的 LCD 驱动器 HT1621 的软件配置 特性使它适用于多种 LCD 应用场合包括 LCD 模块和显示子系统用于连接主 控制器和 HT1621 的管脚只有 4 或 5 条 HT1621 还有一个节电命令用于降低 系统功耗 1 特性 工作电压 2 4 5 2V 内嵌 256KHz RC 振荡器 可外接 32KHz 晶片或 256KHz 频率源输入 可选 1 2 或 1 3 偏压和 1 2 1 3 或 1 4 的占空比 片内时基频率源 蜂鸣器可选择两种频率 节电命令可用于减少功耗 内嵌时基发生器和看门狗定时器WDT 时基或看门狗定时器溢出输出 八个时基 看门狗定时器时钟源 一个 324 的 LCD 驱动器 一个内嵌的 324 位显示 RAM 内存 四线串行接口 片内 LCD 驱动频率源 软件配置特征 数据模式和命令模式指令 三种数据访问模式 提供 VLCD 管脚用于调整 LCD 操作电压 2 HT1621b 管脚 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 19 图 2 19 HT1621B 管脚图 图 2 20 HT1621B 管脚说明 河北联合大学信息工程学院 20 2 4 2 段式液晶显示器 段式液晶算液晶的一种 他的驱动分COM 和 SEG 采用的是交流驱动 也可以说每一位上的电压是在正负电场之间不断变化的 不能采用直流供电 否则会造成液晶老化坏死 段式LCD 驱动简单 耗电量小 在仅需要显示 数字的场合应用较多 也用来在便携式应用的场合来代替数码管 由于本设 计只需显示温度 所以选用四位段式液晶屏BTL010 作为显示器 2 4 3 显示模块硬件电路设计 图 2 21 显示模块硬件原理图 主芯片与 HT1621B 接口只需 4 条线 CS 线用于初始化串行接口电路并终止 主控芯片与 HT1621B 之间的通信 如果 CS 脚置为 1 主控器与 HT1620B 之间的通 信先被禁止 然后初始化 在执行模式命令或进行模式切换时需要一个高电平 的脉冲初始化 HT1620B 的串行接口 DATA 线是串行数据输入 输出线 读写的 数据和执行的命令都必须通过 DATA 线 RD 线是读时钟输入线 RAM 中的数据在 RD 信号的下降沿输出输出的数据将会出现在 DATA 线上主控芯片应当在 RD 信号 的上升沿和下一个下降沿之间读取正确的数据 WR 线是写时钟输入 DATA 线上 的数据地址和命令都在 WR 信号的上升沿输入液晶驱动芯片 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 21 2 5 电源模块 2 5 1 单片机供电模块 LM1117 系列稳压器有可调版与多种固定电压版 设计用于提供 1A 输出电 流且工作压差可低至 1V 在最大输出电流时 LM1117 器件的压差保证最大不超 过 1 3V 并随负载电流的减小而逐渐降低 LM1117 的片上微调把基准电压调整 到 1 5 的误差以内 而且电流限制也得到了调整 以尽量减少因稳压器和电源 电路超载而造成的压力 LM1117 3 3V 管脚 图 2 22 LM1117 3 3 管脚图 表 2 6 LM1117 3 3 管脚说明 管脚号管脚名称功能 1GND地 2OUTPUT输出电压 2INPUT输入工作电压 LM1117 3 3V 硬件电路设计 河北联合大学信息工程学院 22 图 2 23 LM1117 3 3 硬件原理图 2 5 2 GPRS 供电模块 LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路 能够输出 3A 的 驱动电流 同时具有很好的线性和负载调节特性 固定输出版本有 3 3V 5V 12V 可调版本可以输出小于 37V 的各种电压 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器 开关频率为 150KHz 与低频 开关调节器相比较 可以使用更小规格的滤波元件 由于该器件只需 4 个外接 元件 可以使用通用的标准电感 这更优化了 LM2596 的使用 极大地简化了开 关电源电路的设计 LM2596 ADJ 管脚 图 2 24 LM2596 ADJ 管脚图 第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计 23 表 2 7 LM2596 ADJ 管脚说明 管脚号管脚名称功能 1VIN输入电压 2OUTPUT输出电压 3GND地 4FEEDBACK稳压取样电压输入端 5ON OFF使能控制端 LM2596 ADJ 硬件电路设计 图 2 25 LM2596 ADJ 硬件原理图 河北联合大学信息工程学院 24 第 3 章 系统软件设计 3 1 温度采集程序设计 DS18B20 是 DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器 其测温分辨率可达 0 0625 C 其提供 9 位温度读数 指示器件的温度 信息经过单线接口送入 DS1820 或从 DS1820 送出 因此从中央处理器到 DS1820 仅需连接一条线 和地 读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源 因为每一个 DS1820 有唯一的系列号 因此多个 DS1820 可以存在于同一条单线 总线上 这样占用微处理器的端口较少 可节省大量的引线和逻辑电路 这就 允许在许多不同的地方放置温度灵敏器件 此特性的应用范围包括 HVAC 环境控 制 建筑物设备或机械内的温度检测 以及过程监视和控制中的温度检测 DS18B20 支持 一线总线 接口 测量温度范围为 55 125 C 在 10 85 C 范围内 精度为 0 5 C 现场温度直接以 一线总线 的数字方式 传输 大大提高了系统的抗干扰性 适合于恶劣环境的现场温度测量 温度芯 片 DS18B20 转换速度快 转换精度高 与微处理器的接口简单 给硬件设计工 作带来了极大的方便 能有效地降低成本 缩短开发周期 温度采集方面 首先初始化温度传感器 等待单片机的应答 一旦单片机 检测到应答脉冲 便执行跳过 ROM 匹配操作命令 就可以使用内存操作命令 启动温度转换 延时一段时间 等待温度转换完成 然后读暂存器 将转换结 果读出 并转为显示码 送到液晶显示 温度传感器程序设计流程图如下图所示 第 3 章 系统软件设计 25 图 3 1 温度传感器程序设计流程图 3 2 GPRS 模块程序设计 GPRS 是分组无线服务技术 General Packet Radio Service 的简称 它 是 GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业务 GPRS 和以往连续在频道传输的 方式不同 是封包交换数据的标准技术 它能够充分利用现有的 GSM 网 可以 使运营商在全国范围内推出此项业务 采用信道捆绑 目前 GPRS 的设计可以在 一个载频或 8 个信道中实现捆绑 和增强数据速率实现高速接入 理论上可提供 高达 ll5kbps 的空中接口传输速率 下一代 GPRS 业务的速度可以达到 84kbps 若干移动用户能够同时共享一个无线信道 一个移动用户也可以使用 多个无线信道 实际上发送或接收数据包的用户仅占很小一部分网络资源 并 且网络容量只有在实际传输时才被占用 为了实现 GPRS 需要在现有的 GSM 网 络中引入 3 种新的逻辑网络实体 服务 GPRS 支持节点 SGSN 网关 GPRS 支持 节点 GGSN 和分组控制单元 PCU GSM 是一种电路交换系统 而 GPRS 是一种 分组交换系统 因此 GPRS 特别适用于间断的 突发性的或频繁的 少量的数 据传输 也适用于偶尔的大数据量传输 所以我们选择使用 GPRS 业务来实现远 河北联合大学信息工程学院 26 程温度传输 GPRS 突破了 GSM 网只能提供电路交换的思维方式 只通过增加相应的功能 实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换 这种改造的投入相对 来说并不大 但得到的用户数据速率却相当可观 而且 因为不再需要现行无 线应用所需要的中介转换器 所以连接及传输都会更方便容易 如此 使用者 既可联机上网 参加视讯会议等互动传播 而且在同一个视讯网络上 VRN 的使 用者 甚至可以无需通过拨号上网 而持续与网络连接 GPRS 分组交换的通信 方式在分组交换的通信方式中 数据被分成一定长度的包 分组 每个包的前 面有一个分组头 其中的地址标志指明该分组发往何处 数据传送之前并不需 要预先分配信道 建立连接 而是在每一个数据包到达时 根据数据包头中的 信息 如目的地址 临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去 在这 种传送方式中 数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系 信道资 源可以看作是由所有的用户共享使用 GPRS 技术的特点 1 高速数据传输 速度 10 倍于 GSM 更可满足您的理想需求 还可以稳定地传送大容量的高 质量音频与视频文件 可谓不一般的巨大进步 2 永远在线 由于建立新的连接几乎无需任何时间 即无需为每次数据的访问建立呼叫连 接 因此您可随时都与网络保持联系 举个例子 若无 GPRS 的支持 当您正 在网上漫游 而此时恰有电话接入 大部分情况下您不得不断线后接通来电 通话完毕后重新拨号上网 这对大多数人来说 的确是件非常令人恼火的事 而有了 GPRS 您就能轻而易举地解决这个冲突 3 仅按照数据流量计费 GPRS 用户的计费以通信的数据量为主要依据 体现了 得到多少 支付多 少 的原则 GPRS 用户的连接时间可能长达数小时 却只需支付相对低廉的连 接费用 4 GPRS 采用分组交换技术 它可以让多个用户共享某些固定的信道资源 如果把空中接口上的 TDMA 帧的 8 个时隙都用来传送数据 那么数据速率最高可 达 164kb 8 GSM 空中接口的信道资源既可以被话音占用 也可以被 GPRS 数据 业务占用 当然在信道充足的条件下 可以把一些信道定义为 GPRS 专用信道 要实现 GPRS 网络 需要在传统的 GSM 网络中引入新的网络接口和通信协议 目 前 GPRS 网络引入 GSN GPRS Supporting Node 节点 移动台则必须是 GPRS 移动台或 GPRS GSM 双模移动台 第 3 章 系统软件设计 27 GPRS 技术将通信网络和计算机网络结合在一起 向全 IP 网络的方向发展 GPRS 基站与 SGSN 设备之间的连接一般通过帧中继连接 GGSN 与 SGSN 设备之 间通过 IP 网络连接 GGSN 是 GPRS 网络的网关和路由器 GGSN 可以把 GSM 网中 的 GPRS 分组数据包进行协议转换 从而可以把这些分组数据包传送到远端的 INTERNET 或 X 25 网络 GGSN 可以由具有网络地址翻译功能的路由器承担内部 IP 地址与外部网络 IP 地址的转换 用户可以访问 GPRS 内部的网络 也可以通 过 APN 访问外部的 INTERNET 如果用户的 IP 地址是运营商分配的公有地址 则 GGSN 不参与用户的论证 和鉴权过程 用户可以通过 GGSN 透明地接入到 GPRS 内部网络或互联网络 这 种方式称为透明方式 非透明方式主要是用户通过 GPRS 网络接入到企业网络或 ISP 的情形 用户 MS 的 IP 地址是由企业网络或 ISP 分配的私有地址 用户访问该企业网络或 ISP 时 GGSN 需要企业网络或 ISP 中的专用服务器对该用户进行鉴权或论证 在标识 GPRS 设备中 如手机 MS 的标识除了在 GSM 中使用 IMSI MSISDN 等 号码外 还需要分配 IP 地址 网元设备 SGSN GGSN 的标识既有 7 号信令地址 又有数据 GGSN 的 IP 地址 网元设备之间的通信采用 IP 地址 而网元设备与 MSC HLR 等实体的通信采用信令地址 在 GPRS 系统中 有一个重要的数据库 记录信息 即用户 PDP 上下文 分组数据协议上下文 用于管理从手机 MS 到 网关 GGSN 及到 ISP 之间的数据路由信息 当 MS 访问 GPRS 内部网络或外部 INTERINT 网络时 MS 提出 PDP 上下文请求消息 MS 可以与运营商签约选择固 定服务的 GGSN 或由 SGSN 选择服务的 GGSN SGSN 再向 GGSN 发建立 PDP 上下 文请求消息 GGSN 分配 MS 一个 IP 地址 在成功地建立和激活 PDP 上下文后 MS SGSN 和 GGSN 都存储了用户的 PDP 上下文信息 有了用户的位置信息和数 据的路由信息 MS 就可以访问该网络的资源 用户通过 GPRS 网络接入到互联网 企业内部网或 ISP 时 需要对用户的身 份 服务质量进行鉴权和数据加密等过程 用户 MS 的动态 IP 地址的分配可以 分别由运营商 企业网或 ISP 等实现 因此 GPRS 用户的接入方式有透明接入和 非透明接入两种方式 由于检测的任务是被控对象的