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1 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 论文 计 论文 开开 题题 报报 告告 题 目 超声水表IrDA接口及手持抄表仪的设计与实现 学 院 信息科学与工程学院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 开题日期 2 宁波大学信息科学与技术学院本科毕业设计 论文 开开 题题 报报 告告 题 目 基于超声水表的红外抄表手持仪的设计 与实现 指导教师 分院 信 息 学 院 专业 班级 学 生 姓 名 学号 开题日期 2011 年 09 月 05 日 一 选题的背景与意义一 选题的背景与意义 水表是供水企业与自来水用户水量贸易结算的计量器 普通机械式水表在 供水行业中已经使用了几十年 无论是供水企业还是用户对其计量和机械性能 都很了解 机械水表流量测量范围相对较窄 水表长期运行在大流量时易使水 表的机械传动部件加速磨损和老化 致使水表走慢直至停表 小流量时 小于 最小流量的较小流量 水表偏慢或不计量 从而对供水企业造成很大的经济损 失 现在 各种技术先进的水表很多 比如远传 电磁 超声波 智能卡等 这些水表在不同的方面对加强水表的管理都起到了一定的作用 如今 原来的 人工抄表已经到了 逐步淘汰的阶段了 因此急需要一种可以代替人工抄表的 方式出现 所以智能抄表也就应运而生 智能抄表是利用当代微机技术 数字通讯技术 数据采集 处理于一体 将城市用水信息加以综合处理的系统 就目前来看主要有四大类型 1 智能卡水表 它是一种 先付费 后用水 方式 其主要不足之处 在 于它不实行抄表 也无联网 引起供水调度和均衡的难以把握 分线制集中抄表 首先在普通水表的基础上加装传感器件 将机械式读数 信号转换成电信号后传输出去 再由数据采集器定时顺序采集来自多路分线连 接的水表信号并进行数据处理 存储 故障记录等 分线制集中抄表由于铺设 分户线使安装 尤其是改装 任务繁重 存在许多隐患 错综复杂的线路更使得 维护工作困难重重 维护费用也相应增加 总线制集中抄表模式 是将一体化芯片 将采集 存储 传输电路集成于 3 一体 掩模为一专用芯片 装配于表体上的一种智能水表 各户表通过一总线 掛接 户表本身能进行采集 存储 传输等基础工作 消除了外界因素对计量 的影响 无线发射式水表 在智能水表的基础上加装无线收发装置 通过无线通信 技术收发数据 此种水表无需铺设线路 维护与安装方便 目前的无线通信技 术有蓝牙通信 GPRS 通信 红外通信等 蓝牙 是一种支持设备短距离通信 一般 10m 内 的无线电技术 在有效范围内可越过障碍物进行连接 组网方 便 安全性好 GPRS 技术是在现有的 GSM 网络上增加的一种新型分组数据 传输技术 具有永久在线 快速登录 高速传输 按量计费 实时性与可靠性 好 便于维护等特点 红外通信技术是利用红外线作为传递信息的媒体 具有 技术成熟 抗干扰能力强 成本低廉 信息安全性高 兼容性好和通讯速率较 高的特点 如今随着水表用户的逐年增加 给人工抄表的员工带来了非常大的工作 量 如何减轻抄表员工的负担成了一项重要课题 响应国家 智慧城市 建设 在智能水表发展良好的情况下 急需要用到智能抄表来代替人工抄表 来实现 水表智能一体化 所以考虑到用红外通信技术来实现智能抄表 因为无线通信 将是今后数据通信的主流技术 红外通信技术在无线通信中的发展是比较迅速 的 而且其相关技术和设施都已成熟 相对于其他在抄表应用中的无线通信技 术有明显的优势 因此成了首选 红外手持仪的出现将会给抄表员工和水表用户带来福音 因其智能化 便携性 易操作性 减轻了抄表员工的工作量 节约了时间 提高了效率 减 少了人为的失误 同时也方便了水表用户能实时掌握自家用水的情况 所以对 它的研发是非常有必要的 本项目研发的红外抄表手持仪是在宁波大学研发的红外通信智能水表上 实现 该智能水表是利用现代微电子技术和现代传感器技术 结合红外通信模 块实现了精确用水计量和数据无线传输功能 红外抄表手持仪则是下位水表与 上位 PC 之间的纽带 是一个以单片机为中心的小型信息采集及传递系统 因为红外抄表的整个项目由硬件设计和软件编程组成 工作量大 在时间 有限的前提下将整个项目按照数据的传输分成红外通信和USB通信两部分 本 4 项目是研究红外通信技术并完成硬件设计制作 实现红外通信功能 研究范围 如图虚线框所示 另一位同学主要是研究USB通信技术并完成软件设计 实现 数据的上传和管理 红外通信技术是一种点对点的数据传输方式 是目前世界范围内被广泛使 用的一种短距离无线连接传输技术 本项目设计的红外抄表手持仪提供了数据 从智能水表到上位PC的硬件通道 整个的抄表系统成本低 功耗小 若研发完 成 因其显著的优势 将能很好地被供水部门采用 并且整个抄表系统加以改 造后便能够用于供电 供气和供热等部门 其社会效益 产业前景都十分看好 二 二 研究的基本内容与拟解决的主要问题 研究的基本内容与拟解决的主要问题 一 研究的基本内容 本项目课题主要围绕的是如何通过 IrDA 红外通信对超声水表进行自动抄 表 主要分以下几方面进行研究 1 IrDA 传输协议 是如何通过红外线实现发送和接收数据 2 系统的组成 系统分哪几个部分 各部分之间是如何连接 3 器件的选择 硬件是如何进行选择的 以及其优势是如何体现的 4 系统以及各部分间的工作原理 二 要解决的问题 1 数据传输的设计与实现 解决方法 通过软件编程控制红外收发器对信号进行接收和处理 并使其 与单片机相连接 实现信号的传输 2 点阵式液晶模块的使用以及显示菜单设计与实现 5 解决方法 连接单片机和 LCD 通过编写程序 通过定时器 使信号可以 在屏幕上显示出来 3 数据存储的设计与实现 解决方法 系统采用一个 EEPROM 存储器和单片机连接 来存储数据 4 数据转入电脑设计与实现 解决方法 分析数据 把数据转存到电脑上 通过连接了一个 USB 端口 使其与电脑可以相连接 来实现数据的转存 三 研究的方法与技术路线三 研究的方法与技术路线 一 IrDA红外技术解析 2 项目中用 IrDA 红外技术来实现自动抄表系统 下面首先介绍红外技术的 基本概况 1 IrDA 在收发系统中的工作原理 传统的红外编码采用的是 PWM 脉冲调 制 方式 现代的红外通信技术史以红外通信协议即 IrDA 也基础 采用固定编 码方式和数据帧是红外传输的可靠性及速率增强 2 IrDA 的标准 它包括三个基本的规范和协议 红外物理层连接规范 IrPHY Infrared Physical Layer Link Specification 红外连接访问协议 IrLAP Infrared Link Access Protocol 和外连接管理协议 IrLMP Infrared Link Management Protocol IrLAP 和 IrLMP 为两个软件层 负责对连接进 行设置 管理和维护 3 IrDA 的类型 根据传输速率的大小 可以把 IrDA 器件区分为 SIR FIR VFIR 类型 根据应用功耗的大小 可以把 IrDA 器件区分为标准型和低功耗型 二 系统的组成 考虑手持仪设备的数据采集功能以及其易操作性 便携性 系统设计结构 框图如下 6 三 设计的思路 硬件的制作中使用 protel 99se 设计原理图及 PCB 板 硬件分成八个模块 红外模块 时钟模块 USB 模块 MSP 单片机 LCD 模块 键盘模块 电源模块 和 EEPROM 模块 1 红外模块 设计方案有两种 一种是使用模块化的编解码芯片和红外 收发器 另一种是使用独立的发射管和接收管 并通过软件编程来编解码数据 两者都能达到设计的性能指标 考虑系统成本 选择使用独立的发射管IR333 3 和接收管HS0038B 4 这两个器件都属于低功耗型 并且发射速率较高 2 时钟模块 使用 DS1302 时钟模块 双电源供电 主电源和备用电源 延长其使用时间 并且它和 MSP430 单片机的连接非常简单只有 3 根线 是属 于低功耗型器件 3 USB 模块 使用 CH372 芯片 它是 CH375 功能的简化版 可以和 PC 机 之间进行数据传输 连线简单 使用方便 4 电源模块 系统使用 3 7V 锂电池供电 用到 HT7133 稳压芯片和 TP4057 充电芯片 可以通过 USB 接口充电 其他几个模块的设计是比较的简单的 在这里要注意的就是MSP430 单片机 的管脚要合理分配 并且预留几个管脚用于备用 其他器件的选择上使用 LCD12846 5 4 4 键盘以及EEPROM存储模块 6 四 主要器件选择的原因 本项目研究是基于现有的超声水表上的 所以选择的器件也尽量的靠近超 声水表以降低成本 下面介绍主要器件的选择 MSP430F149 LCD 模块 USB 模块 电源模块 时钟模块 红外模块 键盘模块 存储模块 7 1 MSP430单片机 它是16位单片机 采用了目前流行的 颇受学术界好 评的精简指令集 RISC 结构 个时钟周期可以执行一条指令 传统的MCS51 单廾机要12个时钟周期才可以执行 条指令 使MSP430在8MHz晶振工作时 指令速度可达8MIPS 注意 同样8MIPS的指令速度 在运算性能上16位处理器 比8位处理器高远不止两倍 MSP430F14X 系列MCU 具有丰富的片上外围模块 片内包括有精密硬件乘法器 多达60kB的FLASH 2kB的RAM 1个看门狗 6个 P口 P1 和P2还具有中断功能 12位A D转换器 2个16位定时器 高精度比 较器 高速的USART通信端口 1个DCO内部振荡器和2个外部时钟等常用资源 可实现对液晶显示器的检测 解调和显示 所以 在符合我们实验的基础上我 们暂定选用MSPF149单片机 7 2 时钟芯片 DS1302 是一种高性能 低功耗的实时时钟芯片 附加 31 字节静态RAM 采用SPI三线接口与CPU进行同步通信 并可采用突发方式一次 传送多个字节的时钟信号和RAM数据 工作电压宽度大 2 5 5 5V 8 采用双电 源供电 主电源和备用电源 能实现数据与出现该数据的时间同时记录 因此 广泛应用于测量系统中 我们所记录的水表水量的同时也是要记录下当时的时 间 所以此时钟芯片符合我们所选的范围之内 3 红外通信模块 红外接收 是由通用的38kHz 红外接收模块构成 接收模块对接收到的红 外信号进行选频接收 并解调输出 红外发送 一般的载波信号都是38kHz 的 通过三极管放大调制处理后 经红外发射管将调制好的信号发射出去 红外接收 红外发送 8 红外通信方式与串行通信方式是类似的 因此在该模块连接到MSP430单片 机的时候要连到RXD和TXD上 这种方法的优势就是用串行通信代替相对复杂的 红外解码操作十分简便 表面上CPU是和串行通信 实际上是红外通信 这有 助于单片机和PC机之间的串行数据传输 信息帧传输格式中应该包括 地址 长度 命令 数据 校验 9 4 电源模块 因为手持设备要求便携及待机时间长 所以可以用一个电 源芯片和充电芯片来实现持续的工作 考虑到设备的设计要处于低功耗 而且 要符合3 3V的工作电压 所以在器件的选择上用到HT7133电压芯片 10 充电芯 片方面采用了TP4057 TP4057采用了内部PMOSFET架构 有防倒充电路 不需 要外部检测电阻器和隔离二极管 适合适配器电源工作 而且外部元件也较少 适合携带 11 5 USB模块 CH372 是一个USB 总线的通用设备接口芯片CH372 具有8 位 数据总线和读 写 片选控制线以及中断输出 可以方便地挂接到单片机 DSP MCU MPU等控制器的系统总线上 在计算机系统中 CH372 的配套软件提 供了简洁易用的操作接口 与本地端的单片机通讯就如同读写文件 12 五 工作原理 该系统的工作原理是比较简单的 首先按下键盘上的接收按钮之后 会从 实验所用的水表上接收到红外信号 通过 MSP430 单片机处理 将结果显示在 LCD 屏幕上 当然如果数据多的话 可以存储到外扩 EEPROM 中 通过 USB 接口与电脑相连接来传输数据到电脑上进行处理 1 系统中IrDA红外通信基本原理 13 数据的传输方式是 超声水表 红外收发器 红外收发器 MSP430 单片 机 红外收发器是连接手持设备和水表间的枢纽 红外信号被转换成数字信号 传送给 MSP430 单片机 1 1 发送方式简述 当微控制器的某个按键被按下 其内部发射器就产生 遥控编码脉冲 经载波调制后由红外发射竹串行输出 遥控接收头完成对遥控 信号的接收放大 检波 整形 再送给微控制器 由微控制器解调出编码脉冲 并执行相应的遥控功能 1 2 手持仪接收方式简述 红外接收头与 MSP430 共用电源和地 接收头 9 的信号线与单片机的外部中断源相连 当有信号输出时 就可以使单片机进入 中断 在电源和信号线之间接上一个电阻和发光竹 这样 当接收头接收到信 号并输出时 发光一极竹会随着信号线上电平的高低而闪烁 这样 我们就可 以很清楚地看到接收头在接收信号 1 3 接收和发送方式的一个简单例子 红外发射端发送数据时 是将待发 送的二进制数据调制成一系列的脉冲信号后发射出去 红外载波为频率 38KHz 的方波 采用脉宽调制 PWM 方式发送 通过待发送二进制数据的 0 或 1 控制两个脉冲之间的时间间隔 及 PWM 的占空比 红外载波既可以通过外围 硬件电路实现 也可以使用单片机内部的定时器的 PWM 功能实现 红外接收端 在收到 38KHz 的载波信号时 会输出低电平 否则输出高电平 从而可以将 时断时续 的红外光信号解调成一定周期的连续方波信号 经单片机处理 便可以恢复出原数据信号 1 4 接受和发送流程图 考虑到在数据传输时采用发送组内奇偶校验码及 重复应答式 发送模式 在实现最基本的数据传输上 我要考虑其准确性 我们会让发送方把数据发送 2 次 见如下图 发送模块程序设计流程图 发送数据 接收到发 送 信 号 N Y 有 数 据 发送 N Y 有错误 N 结束发送 Y 重新发送 10 接收模块的流程图 上面的两个简单的流程图中的方法主要是为了让数据的准确性得到提高 达到较高的准确精度 四 研究的总体安排与进度 四 研究的总体安排与进度 2011 6 29 2011 7 10 毕业设计选题和收集查找资料 2011 7 11 2011 7 22 文献阅读 撰写开题并提交报告 2011 7 23 2011 8 31 完善开题报告 对开题报告中的问题进行修改 并 完成文献综述和两片英文文献的译文翻译 翻译完初稿要电子版发给老师检 查 发现有问题要修正 2011 9 2 2011 9 10 提交文献综述和文献翻译 将修改后的开题报告提 交 并进行开题答辩 2011 9 10 2011 10 6 按照课题内容 完成实习 并完成实习报告 2011 10 7 2012 1 15 开展课题研究 完成软硬件开发工作 2012 1 16 2012 2 10 撰写毕业论文 准备毕业答辩 A B 接收数据 首 次 接 收 接收数据 A Y 检验 出 错 Y 重发 接收数据 B 检验 出 错 重发 N Y N N 删除数据 发送 重发指令 N 存储数据 结束 11 五 主要参考文献 五 主要参考文献 1 几种自来水抄系统的组成方式 01093465647 shtml 2 IrDA 器件及其应用电路设计 怯肇乾 单片机与嵌入式应用 2004 7 3 IR333 资料 4 HS0038B资料 5 LCD12864中外资料 6 EEPROM FLASH 区别 html 7 MSP430 系列 16 位超低功耗单片机原理与应用 M 沈建华 杨艳