基于GPRS模块的数据采集客户端电路设计

1、分类号：TN79+1U D C：D10621-408-(2014)0985-0密 级：公 开编 号：2010033066成都信息工程学院学位论文基于GPRS模块的数据采集客户端电路设计论文作者姓名：纪茂松申请学位专业：应用物理学申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：杨军(讲师)论文提交日期：2014年05月28日第3页共23页基于GPRS模块的数据采集客户端电路设计摘要嵌入式系统的开发和应用更使得我们的生活更加智能化。将嵌入式和无线通信技术相结合是今后嵌入式发展的主要方向。本文的设计基础是基于GPRS模块的GPRS数据业务通过IP通信协议利用Internet网络进行通信和终端显示。本课题

2、的研究重点是基于单片机芯片STC89C52设计电路硬件系统和程序对客户端数据进行接受、处理、传输。电子电路的设计包括晶振电路，复位电路，串口电路和I/O口电路的设计，通过LabVIEW程序编译器编译程序并将程序通过串口烧入单片机中。程序串口下载部分是基于芯片PL-2303HX。关键词：TCP；嵌入式系统；STC89C52；PL-2303HXThe design of data collection circuit based on gprs moduleAbstractDevelopment and application of the embedded system more make ou

3、r life more intelligent. Combining embedded and wireless communication technology is the main development direction of embedded in the future. In this paper, the design of the foundation is based on the GPRS module GPRS data service by TCP/IP communication protocol using the Internet to communicate

4、and display terminal. The core content of this article is based on single-chip microcomputer STC89C52 independent design electronic circuit system and procedures for acceptance of the client data, processing, transmission and terminal to send. Electronic circuit design including crystals circuit, re

5、set circuit, serial interface circuit and the design of the I/O circuit, Through LabVIEW program compiler compiler and via a serial port burn-in microcontroller. Program hx serial download section is based on the chip PL - 2303.Keywords：TCP; Embedded System; STC89C52; PL - 2303HX目录论文总页数：16页1 引言11.1

6、课题背景11.2 研究意义12 GPRS模块22.1 SIM300模块22.1.1 SIM300硬件功能介绍23 电子电路系统设计的理论基础43.1 STC89C52芯片43.2 单片机最小系统介绍53.2.1 单片机最小系统的组成64 电路设计64.1 串口电路64.2 电源电路74.3 晶振电路74.4 复位电路85 基于LabVIEW的软件设计与调试85.1 上位机软件的调试85.2 下位机软件的调试95.2.1 烧录软件的设置96 试验结果11结 论13参考文献14致 谢15声 明161 引言1.1 课题背景过去的远程监控技术不先进，没有实现监控信息的实时监测传输，现在都是实时的，快速

7、的，这是互联网的高速发展和计算机的帮助。随着无线技术的普及和移动设备的大量增加，GPRS技术因其价格低廉和较快的速率已经逐渐被应用到各行各业，通过操作系统自带的网络协议来控制GPRS实现无线传输的技术已经很成熟，但是，并不是所有的数据传输系统都拥有操作系统或网络协议。相对于那些价格高昂的嵌入式芯片，80C51系列单片机更经济，实用性更强，而且如果只是为了实现GPRS数据的传输就采用嵌入式操作系统，这样就显得过于的复杂。这就要求能够有一种简洁而有效的新方法来实现整个数据采集及数据传输过程。如今的探测者可以通过现场事先装好的探测设备进行远程的监控、诊断和控制。因此，在远程监控技术的发展和应用中，它

8、与通信技术的发展关系紧密。如今的无线通信技术几乎都依靠TCP通信协议，基于INTERNET网络平台。因此，GPRS应运而生，它可以实现信息实时有效的传输，当它和采集系统互联，就可以实现远程监控。本文的设计是基于GPRS模块和STC89C52芯片，利用GPRS模块的TCP协议实现实时通信，利用PL-2303实现串口转换与GPRS模块进行互联。通过LabVIEW软件编写电脑的下位机程序，烧入单片机进行调试2。工作重点：硬件：了解单片机最小系统各模块的硬件组成和其功能，设计单片机最小系统，绘出电路原理图和PCB图。软件：巩固C语言程序编辑规则，学习51单片机软件，学会使用GPRS模块和单片机在电脑端

9、的串口调试助手，学习使用PROTEL99软件并绘制出原理图。设计流程：根据课题要求查阅相关资料，学习相应的理论知识，绘出原理图和PCB图，制作电路板，做出硬件，再通过LabVIEW编写程序进行调试实现数据的采集与传输3。1.2 研究意义我们的社会正处于一个高速发展的时代，生活节奏也变得越来越快，信息也变得越来越及时和有效，网络通信与我们的生活息息相关。因此，人们就想利用网络实现方便、快捷的信息交流以及对远程终端的及时采集和控制。而且这些课题以及逐渐变成的现实，例如：视频会议、远程监控这些应用使得我们的生活得更加的高效和迅速。因此，对于无线网络技术的研究是必须的，也是刻不容缓的。在我们日常生活中

10、的应用系统中，基本都是单片机或者微控制器系统，它让我们的生活变得智能化，将单片机系统应用到我们的日常生活如今已变得越来越广泛。据有关调查显示，嵌入式系统的数量已经远远超过了当今社会PC的数量。可见，嵌入式系统在我们的社会生活中是多么的重要，正是因为它具有如此重要的意义，因此对于嵌入式系统的研究和应用必将取得更大更深远的成绩。嵌入式系统的开发和应用使得我们的生活变得更加便捷和智能化，它体积小，结构简单，成本很低，开发也很方便，相信对嵌入式系统的不断研究与创新，将会使我们的社会更进一步。2 GPRS模块2.1 SIM300模块本课题的研究的是基于GPRS模块SIM300。该模块是一款带有三个频段的

11、GPRS模块，可在全球各地范围内的EGSM 900MHz、DCS 1800MHz、PCS 1900MHz这三种频率下工作，还可以提供的GPRS多信道种类多达10个，并且它支持四种GPRS编码方案。SIM300芯片外形结构十分小巧，外形尺寸只有40mm*33mm*2.85mm，基本上可满足所有对产品尺寸有要求的工业应用，比如智能手机，掌上电脑和其他移动设备。SIM300模块属于工业级GPRS模块，SIM300模块内嵌TCP/IP协议，可以使用GPRS功能连接网络发送数据和发送彩信，当然也具备GSM模块的功能，但是它也和普通的民用级GSM模块有本质的区别。使用GPRS模块比较常见的实现的项目有：无

12、线抄表，车辆定位导航，无线监控，智能家居等数据传输方面GPRS连接网络是收流量费的，费用低，而发短信则按照条数来收取，费用高。SIM300模块的功耗很低，在睡眠模式下的能耗仅有2.5mA。SIM300模块还内置TCP协议，还扩展了AT指令，可以直接通过串口调试助手输入相应的指令进行调试，使得该模块进行数据传输变得及其方便和快捷。2.1.1 SIM300硬件功能介绍SIM300可以实现短信和彩信的收发，可以直接拨打电话、利用GPRS网络进行数据的传输，也可直接和PC终端进行通信，还能外接各种单片机控制该板。SIM300的模块上装有蜂鸣器、信号灯和电源灯，能够使我们直观的看到它是否工作。内部还带有

13、键盘和SPI类型的两种LCD接口，主要是为了提供用户外接设备的接口。模块本身带有调试和数据输出两个串口。更含有一些简单的附加设备，比如耳机接口和麦克风。PCB图如下：图2-1 GPRS模块原理图SIM300可直接使用移动或联通的电话号卡，这个模块引出了SIM300的所有引脚，可直接与单片机芯片的串口PTXD、PRXD相连。而且SIM300的使用非常简单，通过串口转USB连接线与笔记本电脑的USB接口相连，电脑上安装好相关驱动，打开SIM300串口调试助手就可通过电脑界面来控制该模块。实物图如下：图2-2 GPRS模块实物图3 电子电路系统设计的理论基础3.1 STC89C52芯片STC89C5

14、2这块芯片是英特尔公司89C51系列单片机中的基本产品，在这个芯片中内置了八位中央处理单元、256字节的内部数据存储器RAM和8KROM片内存储器、还包含四组双向I/O口、3个16位的计数器和5个两级中断结构、外加上1个串行通信口和时钟震荡电路。这个芯片有PDIP和PLCC这两种封装形式。它采用的是可靠的CHMOS工艺技术进行制造，是英特尔公司制造的八位单片机。图3-2为该芯片的引脚详图。引脚说明如下：图3-1 芯片实物图图3-2 芯片引脚图1) VCC：供电接口，通常外接5V电压。 GND：接地引脚。2) P0口：P0引脚是一个带有8位漏级开路的双向I/O口，每个引脚可获取8个TTL门电流。

15、P0还可用作外部程序数据存储器，它还可以被定义为地址的第八位。当P0口的管脚第一次写入“1”的时候，就被定义为高阻输入。在编程时，P0 口作为原码输入口，进行校验时，P0输出原码，此时P0外部肯定是被拉高的。3) P1口：P1口它是一组内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器可以接收和输出4个TTL门电流。在编程和校验时，P1口用作第八位地址的接收。4) P2口：P2口是一组内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器它可以接收和输出4个TTL门电流。在P2口用作外部程序存储器或者16位地址外部数据存储器进行存取的时候，P2口会输出地址的高八位。P2口在编程和校验时接收高八位地址信号和

16、控制信号。5) P3口：P3口的引脚是8个带有内部上拉电阻的双向I/O口，它能够接收和输出4个TTL门电流。P3口它作为STC89C52的一些特殊功能口。这些特殊功能口通常的作用如下：a) P3.0 RXD（作为串行输入口）b) P3.1 TXD（作为串行输出口）c) P3.2 /INT0（输入为0时外部中断）d) P3.3 /INT1（输入为1时外部中断）e) P3.4 T0（计时器为0外部输入）f) P3.5 T1（计时器为1外部输入）g) P3.6 /WR（外部数据存储器选通（写）h) P3.7 /RD（外部数据存储器选通（读）6) RST：复位输入。7) ALE/PROG：当访问外部存

17、储器的时候，地址锁存允许的输出电平用来锁定和存储地址的底位字节。在编程的时候，这个引脚可用于输入编程脉冲。8) /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器进行取址的时候，每个既定周期两/PSEN有效。但是在访问外部数据存储器的时候，这两次有效的/PSEN信号就不会再出现。9) /EA / VPP：当/EA持续低电平的时候，在这期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管有没有内部程序存储器。在加密方式为1的时候，/EA会将内部锁定为RESET；当/EA端持续高电平的时候，在这期间内部程序存储器。在进行编程的时候，这个引脚也用做施加12V编程电源（VPP）。10) XTAL1

18、：用作内部时钟工作电路的输入和反向振荡放大器的输入。11) XTAL2：来自于反向振荡器的输出。3.2 单片机最小系统介绍众所周知，单片机系统仅有一个单片机芯片是远远不够的，只有一个芯片它是无法工作的。因此，我们需要给单片机芯片增加一些外设，这样它才能正常的工作。3.2.1 单片机最小系统的组成单片机的最小系统由几个部分组成，其中包括核心部分单片机芯片、复位电路、晶振电路、电源供电系统、串口电路等。晶振电路：它由两块33pF的压片电容和一个晶振所构成。它的作用很大，它能够根据单片机内部的电路来产生单片机所需要的时钟频率，而且它提供的时钟频率越高，单片机运行的速度越快。单片机晶振的作用就是为单片

19、机提供基本的时钟信号。复位电路：复位电路由一个10uF的电容和一个复位键并联组成。该电路的主要作用就是把特殊功能寄存器的数据刷新为默认的数据，单片机运算过程中由于干扰等外界原因造成寄存器中数据混乱导致不能使其正常继续执行程序或者产生的结果不正确，这个时候就需要按复位键来使程序重新开始运行。电源供电系统：它的作用是为单片机系统提供恒定的电压和电流，通常情况下单片机的电源供电系统所提供的电压为5V。串口电路：单片机上的串口引脚为P3.0（TXD）和P3.1（RXD），但是它本身是没办法和电脑或者其它单片机进行通信的。而我们设计单片机不仅要让它能够下载程序进去以驱使单片机运行，还要让它和其它终端相连

20、以致能够控制其它终端工作。因此我们需要设计串口电路使其和其它终端进行通信。本课题的串口电路主要是通过芯片PL-2303来进行转换的。4 电路设计4.1 串口电路我们要进行的电路设计是基于GPRS模块的数据采集客户端的电路设计。因此，首先要满足的是能够与GPRS模块互联并进行数据传输，这样GPRS模块才能正常的接受信号并进行发送。我们实验所用的GPRS模块已经预留了串口端P3.0（RXD）和P3.1（TXD），因此，我们只需要将单片机芯片上对应的这两个引脚直接与GPRS模块上与之对应的端口相连，就可以实现单片机与GPRS模块之间的数据传输了7。本课题的要求是要接受客户端传来的温度信号，实验中我们

21、采用的是数字信号进行传输的。因此，我们必须要设计电路满足温度信号的接受。在单片机中，P3口通常作为一些特殊的功能口，所以在这里，我们采用T0和T1口作为数据的接受端。要知道，单片机只是一块电路板，就算硬件部分全部完善，它也只像是没有灵魂的，也是不能正常工作的。因为它还需要程序的控制。因此，我们还需要设计串口电路让程序能够烧入进去。为了使试验变得简单快捷，也使得试验结论更加清晰明确，在这个设计中，我采用的是PL-2303串口转换模块。下面我简单介绍一下PL-2303串口转换模块。其实在很多电子电路系统中，串口的应用是十分广泛的，而现在的电脑尤其是笔记本电脑中，没有预留串口，只是有USB接口。因此

22、，我们要实现电脑和电路的互联就必须要将串口转换为USB接口。通常在单片机使用的九针串口中，真正起作用的实际上只有两针，也就是单片机的引脚P3.0（RXD）和P3.1（TXD）。PL-2303串口转换模块的作用就是将九针串口转换为USB接口，这样我们就能实现电路与笔记本电脑的连接了。同时，这个模块还提供5V和3.3V两种稳定的电流，可以提供给我们单片机提供合适稳定的电流。因此，这个模块在我们这个设计中所起的作用是相当的大的。4.2 电源电路单片机要工作，还需要提供适当稳定的电流。因此，我们还需要设计电源供电系统电路。我们实验采用的是STC89C52芯片，在它的引脚中，第40和第20引脚分别代表的

23、是正极和接地。而该芯片采用的是DIP封装，电源电压采用的是直流电，供电压范围为3.8V-5.5V，在这个设计中采用的是5V直流电源为其供电。所以我将电路的VCC和GND与单片机芯片的这两个引脚分别连接，使用PL-2303模块直接提供的电流为整个电路供电，因此没有另外设计单独的供电系统。4.3 晶振电路在单片机最小系统中，晶振就就相当于单片机的心脏，单片机靠它上下变化产生的时钟来触发单片机操作。晶振的频率是最初就固定好了的，比如有12M的 24M的，使用的时候选择想要的频率的晶振就行了。单片机的指令周期是根据它对晶振频率的分频来得到的。一般51单片机是12分频，如果使用12M的晶振，那它分频后就

24、是 12M/12=1M 这样的话，一个指令周期就是 1/1M=1us。各种单片机有不同的分频系数。在这个设计中，晶振电路的设计如下图所示：图4-1 晶振电路原理图4.4 复位电路复位电路的主要作用是把特殊功能寄存器的数据刷新为默认数据，单片机在运算过程中由于干扰等外界原因造成寄存器中数据混乱不能使其正常继续执行程序或产生的结果不正确时均需要复位，以使程序重新开始运行。复位电路如下图所示：图4-2 复位电路原理图5 基于LabVIEW的软件设计与调试5.1 上位机软件的调试只有上位机软件能够正常运行，系统才可以正常工作。这个系统可以通过串口调试助手向模块发送AT指令然后观察上位机的工作状态，下图

25、是串口调试助手的工作界面，通过观察上位机软件的窗口显示就可以知道是否正确连接。图5-1 串口调试助手窗口图5.2 下位机软件的调试在本次设计中，下位机部分是由GPRS模块和STC89C52芯片组成，这里说的下位机就是单片机中驱动GPRS模块的程序，它是利用GPRS模块的AT指令来实现数据传输的，它也是通过GPRS上位机来进行调试的。5.2.1 烧录软件的设置上文说到在这个设计中，单片机程序是通过PL-2303下载到单片机中的。这个芯片省去了单片机下载电路的设计，可以直接通过STC_ISP_V488将程序下载到单片机片机中去。以下是该程序的界面图：图5-2 烧录软件界面图首先，单片机型号选择的是

26、STC89C52RC。如下图：图5-3 芯片型号选择图然后，加载需要烧入的文件，注意文件的格式应该为hex或bin。如下图：图5-4 文件选择图接着，设置好串口号和波特率值。（值得注意的是，串口号不是都一样的，需要在设备管理中去寻找，而且串口号必须要与设备管理中的串口号对应，不然无法握手成功，波特率可以采用默认值，无需修改。若无法握手成功，则可根据提示相应的做出波特率的修改。）如下图：图5-5 串口号选择图软件设置好后，接下来需要将PL-2303与单片机连接，STC系列的单片机都是通过串口下载程序的。所以只需要将PL-2303芯片上的TXD和RXD与单片机上对应的这两个引脚相连就行了。如果硬件

27、方面没有问题的话，我们就可以将程序烧入单片机中了。当然，如果无法烧入程序，烧录软件会给出提示和相应的改进措施的，只要根据提示进行改进就可以了。程序运行说明：程序的功能是实现通过GPRS向服务器发送数据，我们这里演示的IP地址是219.136.204.89，这个可以根据自己的IP修改。采用内部TCP协议和电脑已知的IP 相连，打开提供的测试用的TCP/UDP网络调试软件，在进行测试之前，需要先关闭杀毒软件、防火墙等无关的软件，避免影响测试软件。打开软件，改用TCP服务器，本机IP用219.136.204.89（这是一个临时IP，可以替换），这个IP是外网的IP，非内网，这样才会有一个动态的外网I

28、P可以供我们直接使用。具体的操作步骤如下：1）在开发板上插入手机卡，接好天线，打开电源，接入耳机。2）把程序编译后下载到单片机中，我们使用的是STCISP488下载。3）按下按键4发送指令来查询当前的服务状态，假如服务状态显示CHINA MOBILE。 则说明已经找到了网络，这样就可以正常通讯了，如果显示0，0，那就再按下按键4，直到出现CHINA MOBILE为止4）按下按键5发送指令指定本地端口2022,设置通讯协议为TCP/IP协议，等待连接上服务器，如果连接上服务器串口将返回CONNECT OK。5）按下按键6向服务器发送数据。具体操作的流程图如下：图5-6 操作流程图6 试验结果在此

29、次设计中，通过自制单片机最小系统硬件，并通过串口的与GPRS模块连接，实现了数据的采集、传输和发送。通过LabVIEW编辑程序下载进单片机，控制GPRS模块向终端发送数据。本设计所用的硬件在下图已经展示出了。图6-1 硬件汇总图结 论本次设计是基于GPRS模块数据传输和LabVIEW软件编译平台，以STC89C52芯片作为硬件基础实现数据的采集，通过GPRS模块传输数据到服务器实现终端显示。首先，在本次设计中实现了单片机对数据的采集和GPRS对数据的发送，满足了课题的相关要求。经过测试，能够实现基于GPRS模块的数据采集客户端的电路设计。其次，此次设计是基于单片机芯片STC89C52对GPRS

30、模块的控制。在设计中，GPRS模块是介于单片机采集和终端显示的桥梁，是设计的核心基础。最后，此次设计实现了对数据的采集和向终端发送。由于时间和知识的局限，本次基于GPRS模块的数据采集客户端电路设计还存在一些不完善之处，需要做出一些完善，在接下来的工作中可以做出如下改进：一、使用编程软件的相应控件让服务器与数据库建立连接，这样可以将采集的数据保存到数据库中，方便日后的翻阅总结。二、还可以实现服务器与客户端的双向通信，可以通过客户端向服务器发送通道号，选择服务器端的数据采集通道，这样也可以实现数据的实时保存功能。相信对这些地方进行改进，这个系统将更加完善。参考文献1 张毅忠等微型电子计算机及外围

31、设备电路图集广东科技出版社,19892 侯伯亨，李伯成十六位微型计算机原理西安电子科技大学出版社,19913 沈美明等IBM（0502）汇编语言程序设计清华大学出版社,19874 侯伯亨，李伯成微处理机应用系统工程设计及其实例西安电子科技大学出版社,19875 张福炎微型计算机IBM PC原理与应用（续二）图形显示器及其程序设计南京大学出版社,19906 李伯成等IBM PC系列微机开发与应用西安电子科技大学出版社,19927 胡汉才单片机及其接口技术清华大学出版社,20008 王田苗嵌入式系统设计与实例开发清华大学出版社,20029 探矽工作室嵌入式系统开发圣经中国铁道出版社,2003致 谢本设计是在杨军老师的耐心指导下完成的。在设计的过程中，杨老师给予了我很大的帮助，在分析问题和解决疑难的时候都耗费很多精力