基于GPRS的遠程無線溫度采集系統(tǒng)的設計畢業(yè)設計說明書

1、i / 80學學 號：號：200912040214HEBEI UNITED UNIVERSITY畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書GRADUATE DESIGN設計題目：基于設計題目：基于 GPRSGPRS 的遠程無線溫度采集系統(tǒng)的設計的遠程無線溫度采集系統(tǒng)的設計學生姓名學生姓名專業(yè)班級：專業(yè)班級：0909 電信電信 2 2 班班學學 院：信息工程學院院：信息工程學院指導教師：許廣賓指導教師：許廣賓 副教授副教授于樹利于樹利 高級工程師高級工程師20132013 年年 0606 月月 0202 日日摘 要GPRS 作為一種高速、高效、經濟的無線系統(tǒng)，具有網絡覆蓋范圍廣、數據帶寬寬、適應性強、計價按數

2、據流量計算、實時在線的優(yōu)點，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數據傳輸，能夠滿足數據采集及監(jiān)控的雙向數據信息傳輸。文中設計了一種溫度控制系統(tǒng)，提高了溫度檢測系統(tǒng)的綜合性能用單片機作為微控器，選用數字溫度傳感器，對溫度進行控制，提出了一種基于 GPRS 技術的遠程溫度監(jiān)測系統(tǒng)方案，采用 MSP430 單片機和 DS18B20 數字溫度傳感器實現現場溫度數據的采集和處理，再通過 GPRS 模塊 MG323 實現遠程的數據傳輸和接收，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點。硬件方面設計了一個基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)，以 MSP430 單片機為核心，采用了溫度傳感器 DS18B20，以 GPRS無線通

3、信模塊為基礎，基于 AT 指令和數據采集器，構建一個遠程的溫度數據采集系統(tǒng)，對溫度進行控制。關鍵詞 溫度采集系統(tǒng)；DS18B20；單片機；GPRSAbstractGPRS 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, esp

4、ecially 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 sing

5、le 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 b

6、y 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 DS

7、18B20, 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.KeywordsKeywords Temperature acquisition system; DS18B20; Single chip microcomputer; GPRS;目 錄摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 緒論

8、.11.1 引言 .11.2 課題設計背景 .11.3 課題設計意義 .2第 2 章 系統(tǒng)主要模塊介紹和硬件設計.32.1 主控芯片介紹.32.1.1 MSP430F149 芯片概述.32.1.2 MSP430F149 芯片引腳.32.1.3 單片機控制模塊 .52.2 GPRS 模塊介紹.72.2.1 GPRS 模塊 B2B 連接器接口.72.2.2 MG323 電源接口.92.2.3 控制信號接口和開/關機時序.102.2.4 UART 接口.122.2.5 SIM 卡接口.132.3 溫度傳感器簡介.142.3.1 DS18B20 管腳配置和內部結構.152.3.2 DS18B20 的工

9、作原理.162.3.3 DS18B20 的硬件設計.182.4 顯示模塊.192.4.1 液晶驅動芯片.192.4.2 段式液晶顯示器.212.4.3 顯示模塊硬件電路設計.212.5 電源模塊.222.5.1 單片機供電模塊.222.5.2 GPRS 供電模塊.23第 3 章 系統(tǒng)軟件設計.253.1 溫度采集程序設計.253.2 GPRS 模塊程序設計.263.3 系統(tǒng)總體程序設計.29第 4 章 系統(tǒng)硬件電路板的設計.314.1 系統(tǒng)硬件原理圖.314.2 系統(tǒng) PCB 圖.334.3 硬件制作.344.4 硬件調試.35結 論.36參考文獻.37謝 辭.39附 錄.40附錄 1：系統(tǒng)硬

10、件原理圖 .40附錄 2：顯示模塊程序 .42附錄 3：溫度傳感器程序 .49附錄 4：GPRS 模塊程序 .52附錄 5：系統(tǒng)整體程序 .54第 1 章 緒論1.1 引言溫度檢測技術在我國的工業(yè)生產中應用非常普遍，傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)一般采用分散式三級系統(tǒng)，這種系統(tǒng)多采用有線傳輸方式，其遠程線路鋪設及維護不僅需要較高的成本，而且引線過長將導致整個系統(tǒng)功耗上升，穩(wěn)定性下降。溫度是工業(yè)生產中主要的被控參數之一，與之相關的各種溫度控制系統(tǒng)廣泛應用于冶金、化丁、機械、食品等領域。溫度控制是工業(yè)生產過程中經常遇到的過程控制。有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量。隨著社會的進步和生產的需要，

11、利用無線通信進行溫度數據采集的方式應用已經滲透到生活各個方面。在工業(yè)現場，由于生產環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現場觀察設備是否運行正常，就需要采集數據并傳輸數據到一個環(huán)境相對好的操控室內，這樣就會產生數據傳輸問題。由于廠房大、需要傳輸數據多，使用傳統(tǒng)的有線數據傳輸方式就需要鋪設很多很長的通訊線，浪費資源，占用空間，可操作性差，出現錯誤換線困難。而且，當數據采集點處于運動狀態(tài)、所處的環(huán)境不允許或無法鋪設電纜時，數據甚至無法傳輸，此時便需要利用無線傳輸的方式進行數據采集。在農業(yè)生產上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。而且大棚和糧

12、倉占地面積大，檢測目標分散，測點較多，傳統(tǒng)的方法已經不能滿足當前農業(yè)發(fā)展的需要。當前的科技水平下，無線通信技術的發(fā)展使得溫度采集測量精確，簡便易行。在日常生活中，隨著人們生活水平的提高，居住條件也逐漸變得智能化。如今很多家庭都會安裝室內溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術采集室內溫度數據，并根據室內溫度情況進行遙控通風等操作，自動調節(jié)室內溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。本系統(tǒng)的設計采用了華為公司推出的 MG323 GPRS 模塊，由 MSP430F149 單片機控制實現無線數據通信。該接口設計具有成本低、傳輸速率高、軟件設計簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點。1.2 課題設計背景溫度與

13、人們的生產生活密切相關，需要對溫度監(jiān)測的場合非常多。傳統(tǒng)的有線測溫方式存在著布線復雜，線路容易老化等問題。無線測溫技術與有線測溫技術相比，有成本低、攜帶方便、搭建網絡簡單快捷等特點，特別是在有線網絡不通暢或由于現場環(huán)境因素的限制不便架設線路的情況下，使用無線通信技術進行溫度監(jiān)測顯得更加實用、快捷。隨著計算機技術和通信技術的不斷發(fā)展，計算機遠程無線監(jiān)控技術在工業(yè)控制領域中的應用越來越廣泛。GPRS 技術從實驗室研究、地區(qū)范圍內試用到正式商用，經過了長時間的完善，技術先進可靠。GPRS 設備數據監(jiān)控終端傳輸設備一開機就能自動附著到 GPRS 網絡上，與數據中心實時在線進行實時數據通信，高速輸，可靠

14、性高。隨著無線通信技術的發(fā)展，采用無線的傳輸方式已成為遠程分布式溫度監(jiān)測技術的發(fā)展趨勢。GPRS 技術在移動通信領域的發(fā)展，已經能夠實際應用到許多需要無線數據傳輸的領域，也為溫度采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數據通信方式。溫度傳輸的實時性與可靠性成了設計遠程數據采集系統(tǒng)的關鍵。1.3 課題設計意義本文對GPRS遠程溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件設計進行說明。溫度檢測采用 DS18B20，非常適用于多點、惡劣環(huán)境下的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)進行溫度數據的實時監(jiān)測，監(jiān)測數據精度高，系統(tǒng)操作簡單，而且可應用于有線網絡設備無法到達的地方，實現了溫度監(jiān)測的自動化智能化，具有成本低廉分布靈活，實時在線的優(yōu)點。GPRS模塊

15、利于系統(tǒng)集成，成本較低，運行穩(wěn)定可靠，適用于遠距離監(jiān)測，不受地形條件的限制，有著廣泛的應用前景。系統(tǒng)的實現給遠程對溫度的要求提供了方便，而且快捷，成本不高等，為農業(yè)工業(yè)生產帶來極大的方面。第 2 章 系統(tǒng)主要模塊介紹和硬件設計2.1 主控芯片介紹2.1.1 MSP430F149 芯片概述單片機芯片配以必要的外部器件，一般包括電源供入及電源開關、復位電路、晶振、輸入輸出電路等就能構成最小系統(tǒng)。MSP430F149 芯片是美國 TI 公司推出的超低功耗微處理器，有 60KB+256 字節(jié) FLASH，2KBRAM，包括基本時鐘模塊、看門狗定時器、帶 3 個捕獲/比較寄存器和 PWM 輸出的 16

16、位定時器、帶 7 個捕獲/比較寄存器和 PWM 輸出的 16 位定時器、2 個具有中斷功能的 8 位并行端口、4 個 8 位并行端口、模擬比較器、12位 A/D 轉換器、2 個串行通信接口等模塊。MSP430F149 芯片具有如下特點：（1）功耗低：電壓 2.2V、時鐘頻率 1MHz 時，活動模式為 200A；關閉模式時僅為 0.1A，且具有 5 種節(jié)能工作方式。（2）高效 16 位 RISC-CPU，27 條指令，8MHz 時鐘頻率時，指令周期時間為 125ns，絕大多數指令在一個時鐘周期完成；32kHz 時鐘頻率時，16 位MSP430 單片機的執(zhí)行速度高于典型的 8 位單片機 20MHz

17、 時鐘頻率時的執(zhí)行速度。（3）低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.83.6V；（4）靈活的時鐘系統(tǒng)：兩個外部時鐘和一個內部時鐘；（5）低時鐘頻率可實現高速通信；（6）具有串行在線編程能力；（7）強大的中斷功能；（8）喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需 6 微妙；（9）ESD 保護，抗干擾力強；（10）運行環(huán)境溫度范圍為-40+85，適合于工業(yè)環(huán)境。MSP430 系列單片機的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實現的，故其程序的編寫相對簡單。編程開發(fā)時通過專用的編程器，可以選擇匯編或 C語言編程，IAR 公司為 MSP430 系列的單片機開發(fā)了專用的 C430 語言，可以通過 WORKBENCH

18、和 C-SPY 直接編譯調試，使用靈活簡單。2.1.2 MSP430F149 芯片引腳58 腳 RST/NMI 為 430 單片機的復位引腳（低電平有效） 。1 腳 DVCC，63 腳 DVSS 為數字電源接口。64 腳 AVCC，62 腳 AVSS 為模擬電源接口。注意：MSP430 系列單片機的供電電壓為 1.8V3.6V。32 腳 UTXD0，33 腳 URXD0 的第二功能為 MSP430F149 單片機兩路串口通訊接口中的第一路。圖 2.1 單片機管腳圖34 腳 UTXD1，35 腳 URXD1 的第二功能為 MSP430F149 單片機兩路串口通訊接口中的第二路。29 腳 SIMO

19、0，30 腳 SOMI0，31 腳 UCLK0 的第二功能為 MSP430F149 單片機兩路 SPI 通訊接口中的第一路。45 腳 SIMO1，46 腳 SOMI1，47 腳 UCLK1 的第二功能為 MSP430F149 單片機兩路 SPI 通訊接口中的第二路。48 腳的第二功能為 MSP430F149 單片機 MCLK（主系統(tǒng)時鐘）的輸出端。49 腳的第二功能為 MSP430F149 單片機，SCLK（子系統(tǒng)時鐘）的輸出端。50 腳的第二功能為 MSP430F149 單片機，ACLK（輔系統(tǒng)時鐘）的輸出端。52 腳，53 腳為外部高頻時鐘晶振輸入端（程序中說明一般用 XT2CLK 或HF

20、 XTAL 表示） 。8 腳，9 腳為外部低頻時鐘晶振輸入端（程序中說明一般用 LFXTICLK 表示） 。 59 腳 TA0，60 腳 TA1，61 腳 TA2，2 腳 A3，3 腳 A4，4 腳 A5，5 腳 A6，6腳 A7 的第二功能為 8 路的內部 12 位 ADC 模擬電壓輸入端口。54 腳 TDO/TDI，55 腳 TDI/TCLK，56 腳 TMS，57 腳 TCK 為 JTAG 接口（同時擁有仿真器和編程器的功能） ，用于下載程序并實現硬件在線仿真。2.1.3 單片機控制模塊單片機控制模塊由 MSP430f149 最小系統(tǒng)組成，其中包括單片機，晶振電路和復位電路。（1）單片機

21、 圖 2.2 單片機硬件原理圖（2）晶振電路MSP430 系列單片機時鐘模塊包括數控振蕩器(DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等 3 個時鐘源。這是為了解決系統(tǒng)的快速處理數據要求和低功耗要求的矛盾，通過設計多個時鐘源或為時鐘設計各種不同工作模式，才能解決某些外圍部件實時應用的時鐘要求，如低頻通信、LCD 顯示、定時器、計數器等。數字控制振蕩器 DCO 已經集成在 MSP430 內部，在系統(tǒng)中只需設計高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。低速晶體振蕩器滿足了低功耗及使用 32.768kHz 晶振的要求。低速晶振振蕩器默認工作在低頻模式，即 32.768kHz，也可以通過外接 450kH

22、z8MHz 的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式，晶振外接 2 個 15pF 的電容經過 X3 和 X4 連接到 MCU。高速晶振也稱為第二振蕩器，它為 MSP430F149 工作在高頻模式時提供時鐘，最高可達 8MHz。在系統(tǒng)中采用 4MHz 的晶體，外接 2 個 20pF 的電容經過 X1 和X2 連接到單片機。圖 2.3 晶振電路原理圖（3）復位電路單片機采用上電復位，復位端低電平有效。圖 2.4 復位電路原理圖2.2 GPRS 模塊介紹MG323 模塊是華為推出的一款 4 頻段的 GPRS 模塊。工作頻段為 GSM850/ 900/ 1800/ 190

23、0 MHz，電源電壓為 3.3V4.8V，推薦電壓為 3.8V。2.2.1 GPRS 模塊 B2B 連接器接口MG323 模塊對外接口形態(tài)為 50pin B2B 連接器，MG323 模塊對外 50pin B2B 信號接口管腳順序和定義如下圖所示。圖 2.5 B2B 連接器接口順序和定義圖 2.6 MG323 模塊硬件電路圖2.2.2 MG323 電源接口MG323 模塊 B2B 接口的電源部分主要包含：供電電源 VBAT 接口，實時時鐘 RTC 備用電源 VCOIN 接口，對外電源輸出 VIO 接口 。表 2-1 電源接口管腳定義管腳號信號名描述42、44、46、48、50VBAT供電電源電壓

24、輸入管腳41、43、45、47、49GND地35VCOIN實時時鐘(RTC)備用電源輸入管腳40VIO對外電源輸出管腳（1）VBAT 接口MG323 模塊正常工作時需要通過 VBAT 管腳來提供供電電源，供電電源電壓輸入范圍為 3.3V4.8V（典型值 3.8V） 。50PIN B2B 連接器為外部供電電源輸入提供 5 個 VBAT 管腳和 5 個 GND 管腳，MG323 模塊在正常使用時，需保證全部管腳都得到有效使用。當 MG323 模塊針對不同外部應用時，需重點關注供電電源方面的設計。由于實際網絡 環(huán)境的差異，當 MG323 模塊以最大功率發(fā)射時，電源供電的瞬時電流將有可能達到 2.0A

25、 左右的瞬時峰值，屆時將會引起 VBAT 電壓的跌落，所以應確保 VBAT 在任何 情況下供電電源電壓的跌落不能低于 3.3V，否則可能會引起 MG323 模塊重啟等異常情況。對于外部供電電源，推薦使用電流輸出能力大于 2A 的 LDO 或開關電源，并且在模塊 的電源端口處并聯(lián)一個 2mF 以上的蓄能電容。對于蓄能電容，推薦使用 2.2mF 以上的 電解電容。此外，為了降低通路上阻抗對電壓跌落的影響，建議盡量縮短 VBAT 的走 線。（2）VCOIN 接口VCOIN 是 MG323 模塊內部實時時鐘 RTC 備用電源輸入接口。當 VBAT 在位時，實時 時鐘 RTC 可以優(yōu)先通過 VBAT 供

26、電；當 VBAT 不在位時，VCOIN 為實時時鐘 RTC 提 供備用電源輸入，此時 MG323 模塊維持實時時鐘 RTC 功能所需電流約為 5uA。VCOIN 可以使用外部電池供電，推薦使用的電池電壓為 3V；如果不使用電池，也可以外接電容，電容的容值大小決定了在 VBAT 不在位時實時時鐘 RTC 的持續(xù)時間。MG323 模塊支持對外部備用電池進行充電，當 VBAT=3.8V 時，充電電流約為 0.6mA(典型值)。（3）VIO 接口VIO 接口可對外提供 2.8V 供電電壓，輸出電流為 10mA（典型值） ，可以用于外部電平 轉換或者其他應用。當 MG323 模塊處于 SLEEP 模式下

27、，VIO 處于開啟的低功耗狀態(tài)（500uA） ；當 MG323 模塊在 Power Down 模式時，VIO 則處于關閉狀態(tài)。2.2.3 控制信號接口和開/關機時序MG323 模塊 B2B 接口的控制信號部分主要包括：開/關機（TERM_ON）接口，硬件復位（RESET）接口，網絡狀態(tài)指示（LED_SEATUS）接口。 表2-2 控制信號接口管腳定義管腳號信號名描述20TERM_ON開/關機控制管腳22RESET硬件復位管腳25LED_STATUS網絡狀態(tài)指示管腳 （1）輸入控制信號對于輸入控制信號接口部分，MG323 模塊主要實現開/關機控制和硬件復位功能。TERM_ON 管腳用于實現開/關

28、機功能。當 TERM_ON 管腳拉低1s 后，即可開機；開 機后，如果再次將 TERM_ON 管腳拉低1s，即可關機。RESET 管腳用于實現模塊硬件復位。當模塊出現軟件死機的情況時，通過拉低 RESET 管腳10ms 后，模塊進行硬件復位。（2）輸出控制信號MG323 模塊提供了一個網絡狀態(tài)指示接口 LED_STATUS，通過該接口輸出的脈沖信號 來控制用戶接口板上的 LED 狀態(tài)指示燈，顯示網絡連接的狀態(tài)。LED 狀態(tài)指示燈閃爍的不同模式，代表了不同的網絡狀態(tài)，管腳狀態(tài)如下表所示。表2-3 LED_STATUS 管腳狀態(tài)指示說明工作或網絡狀態(tài)LED_STATUS 管腳輸出狀態(tài)睡眠模式持續(xù)低

29、電平搜網狀態(tài)或無網絡時（含無SIM卡或未解PIN 碼時）周期1s，高電平輸出0.1s已注冊上2G 網絡周期3s，高電平輸出0.1sGPRS 數據業(yè)務周期0.125s，高電平輸出0.1s語音呼叫持續(xù)高電平在實際應用中，LED_STATUS 管腳不能直接用于驅動 LED 狀態(tài)指示燈，需要配合三極 管使用，LED 燈的限流電阻選擇，請根據 LED 的實際壓降和額定電流選擇合適的限流 電阻，驅動示意電路如圖所示。圖 2.7 MG323 信號指示燈（3）開/關機時序MG323 模塊可以通過開/關機鍵 TERM_ON 進行開機，開機后軟件會根據實際設置情 況上報相關信息。圖 2.8 開機時序MG323 模

30、塊支持硬件復位功能。當 MG323 模塊出現軟件死機的情況時，您可以通過 RESET 信號控制模塊實現硬件復位功能。當硬件復位完成后，軟件開始開機流程，開 機后軟件會根據實際設置情況上報相關信息。圖 2.9 關機時序2.2.4 UART 接口MG323 模塊對外提供一路異步 RS-232 UART1(8 線全串口)通信接口。UART1 支持標準 Modem 握手信號控制方式，通過 UART1 接口與外界進行串行通信和 AT 指令輸入。表 2-4 UART 接口定義管腳號信號名描述29UART1_RD模塊數據發(fā)送端33UART1_TD模塊數據接收端38UART1_RIN G模塊振鈴指示32UAR

31、T1_DSR模塊數據設備就緒34UART1_RTS請求發(fā)送36UART1_DTR數據終端就緒28UART1_CTS模塊清除發(fā)送24UART1_DCD模塊載波檢測2.2.5 SIM 卡接口MG323 模塊提供了符合 ISO7816-3 標準的 SIM 卡接口，支持自動檢測 3.0V和 1.8V SIM 卡，SIM 卡接口定義如下表所示。表 2-5 SIM 卡接口定義表管腳號信號名描述1SIM_CLKSIM 卡時鐘3VSIMSIM 卡電源5SIM_DATASIM 卡數據7SIM_RSTSIM 卡復位11GNDSIM 卡地MG323 模塊上沒有預留 SIM 卡座，而是通過 50pin 的 B2B 連

32、接器將 SIM 卡相關信號 引到外部，由用戶自行在接口板上放置 SIM 卡座。SIM 卡接口硬件電路如下圖所示。圖 2.10 SIM 卡原理圖圖 2.11 SIM 卡原理圖2.3 溫度傳感器簡介在設計中，溫度采集模塊我使用的是美國 DALLAS 公司采用單總線技術生產的一種新型數字式溫度傳感器 DS18B20。DS18B20 溫度芯片是一種集成芯片，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結構。使用集成芯片，已經慢慢的成為設計電路的一種趨勢。本系統(tǒng)設計使用溫度芯片DS18B20，也正是順應了這一趨勢。DS18B20 是 DALLAS 公司生產的一線式數字溫度傳感器，其測溫分辨率可達

33、0.0625C，其提供 9 位溫度讀數，指示器件的溫度。信息經過單線接口送入DS1820 或從 DS1820 送出。因此從中央處理器到 DS1820 僅需連接一條線（和地），讀寫和完成溫度變換所需的電源可以由數據線本身提供而不需要外部電源。因為每一個 DS1820 有唯一的系列號，因此多個 DS1820 可以存在于同一條單線總線上，這樣占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。這就允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。此特性的應用范圍包括 HVAC 環(huán)境控制、建筑物設備或機械內的溫度檢測，以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。 DS18B20 支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55+1

34、25C，在-10+85C 范圍內,精度為0.5C?，F場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現場溫度測量。溫度芯片 DS18B20 轉換速度快，轉換精度高，與微處理器的接口簡單，給硬件設計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。 在本檢測系統(tǒng)設計中采用外部電源供電測溫的工作方式，其中電阻 R 是上拉電阻，使得單線總線的空閑狀態(tài)是高電平。2.3.1 DS18B20 管腳配置和內部結構圖 2.12 DS18B20 管腳圖引腳定義： (1)GND 為電源地；(2)DQ 為單數據總線，是數字信號輸入 /輸出端；(3)VDD 為外接供電電源輸入端（

35、在寄生電源接線方式時接地） 。 內部結構：圖 2.13 DS18B20 內部結構圖（1）光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位（28H）是產品類型標號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC=X8+X5+X4+1） 。光刻 ROM 的作用是使每一個 DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20 的目的。（2）DS18B20 中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉化為例：用 16 位

36、符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以 0.0625/LSB 形式表達，其中 S 為符號位。 圖 2.14 DS18B20 溫度值格式表這是 12 位轉化后得到的 12 位數據，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于0，這 5 位為 0，只要將測到的數值乘于 0.0625 即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這 5 位為 1，測到的數值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到實際溫度。 例如+125的數字輸出為 07D0H，+25.0625的數字輸出為 0191H，-25.0625的數字輸出為 FF6FH，-55的數字輸出為 FC

37、90H。2.3.2 DS18B20 的工作原理DS18B20 的溫度檢測與數字數據輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數據處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18B20 的內部存儲器資源。 18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： （1）ROM 只讀存儲器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（ DS18B20 的編碼是 19H） ，后面 48 位是芯片唯一的序列號，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 碼（冗余校驗）。數據在出產時設置不由用戶更改。DS18B20 共 64 位 ROM。 （2）RAM

38、 數據暫存器，用于內部計算和數據存取，數據在掉電后丟失，DS18B20 共 9 個字節(jié) RAM，每個字節(jié)為 8 位。第 1、2 個字節(jié)是溫度轉換后的數據值信息，第 3、4 個字節(jié)是用戶 EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5 個字節(jié)則是用戶第 3 個EEPROM 的鏡像。第 6、7、8 個字節(jié)為計數寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內部溫度轉換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前 8 個字節(jié)的 CRC 碼。EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數據，上下限溫度報警值和校驗數據，DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在

39、RAM 都存在鏡像，以方便用戶操作。DS18B20 的使用方法 （1）DS18B20 的初始化。圖 2.15 DS18B20 的初始化時序圖1、先將數據線置高電平 “1” 。2、延時（該時間要求的不是很嚴格，但是盡可能的短一點）3、數據線拉到低電平 “0” 。4、延時 750 微秒（該時間的時間范圍可以從480 到 960 微秒） 。5、數據線拉到高電平 “1” 。6、延時等待（如果初始化成功則在15 到 60 毫秒時間之內產生一個由DS18B20 所返回的低電平 “0” 。據該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應注意不能無限的進行等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時控制）。7、若 CPU

40、讀到了數據線上的低電平 “0”后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第（ 5）步的時間算起）最少要 480 微秒。8、將數據線再次拉高到高電平 “1”后結束。 （2）DS18B20 的寫操作圖 2.16 DS18B20 的寫操作時序圖1、數據線先置低電平 “0” 。2、延時確定的時間為 15 微秒。3、按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位） 。4、延時時間為 45 微秒。5、將數據線拉到高電平。6、重復（ 1）到（6）的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止。7、最后將數據線拉高。（3）DS18B20 的讀操作圖 2.17 DS18B20 的讀操作時序圖1、將數據線拉高 “1” 。

41、2、延時 2 微秒。3、將數據線拉低 “0” 。4、延時 15 微秒。5、將數據線拉高 “1” 。6、延時 15 微秒。7、讀數據線的狀態(tài)得到 1 個狀態(tài)位，并進行數據處理。8、延時 30 微秒。2.3.3 DS18B20 的硬件設計DS18B20 在本系統(tǒng)中與發(fā)送端單片機的P1.4 連接。如圖：圖 2.18 DS18B20 硬件原理圖2.4 顯示模塊2.4.1 液晶驅動芯片HT1621 是 128 點內存映象和多功能的 LCD 驅動器 HT1621 的軟件配置特性使它適用于多種 LCD 應用場合包括 LCD 模塊和顯示子系統(tǒng)用于連接主控制器和 HT1621 的管腳只有 4 或 5 條 HT1

42、621 還有一個節(jié)電命令用于降低系統(tǒng)功耗。（1）特性： * 工作電壓 2.45.2V* 內嵌 256KHz RC 振蕩器 * 可外接 32KHz 晶片或 256KHz 頻率源輸入 * 可選 1/2 或 1/3 偏壓和 1/2、1/3 或 1/4 的占空比* 片內時基頻率源 * 蜂鳴器可選擇兩種頻率 * 節(jié)電命令可用于減少功耗 * 內嵌時基發(fā)生器和看門狗定時器WDT * 時基或看門狗定時器溢出輸出 * 八個時基 /看門狗定時器時鐘源 * 一個 324 的 LCD 驅動器 * 一個內嵌的 324 位顯示 RAM 內存 * 四線串行接口 * 片內 LCD 驅動頻率源 * 軟件配置特征 * 數據模式和

43、命令模式指令 * 三種數據訪問模式 * 提供 VLCD 管腳用于調整 LCD 操作電壓（2）HT1621b 管腳圖 2.19 HT1621B 管腳圖圖 2.20 HT1621B 管腳說明2.4.2 段式液晶顯示器段式液晶算液晶的一種，他的驅動分COM 和 SEG，采用的是交流驅動，也可以說每一位上的電壓是在正負電場之間不斷變化的，不能采用直流供電，否則會造成液晶老化壞死。段式LCD 驅動簡單，耗電量小，在僅需要顯示數字的場合應用較多，也用來在便攜式應用的場合來代替數碼管，由于本設計只需顯示溫度，所以選用四位段式液晶屏BTL010 作為顯示器。2.4.3 顯示模塊硬件電路設計圖 2.21 顯示模

44、塊硬件原理圖主芯片與 HT1621B 接口只需 4 條線。CS 線用于初始化串行接口電路并終止主控芯片與 HT1621B 之間的通信，如果 CS 腳置為 1 主控器與 HT1620B 之間的通信先被禁止，然后初始化。在執(zhí)行模式命令或進行模式切換時需要一個高電平的脈沖初始化 HT1620B 的串行接口。DATA 線是串行數據輸入/輸出線，讀寫的數據和執(zhí)行的命令都必須通過 DATA 線。RD 線是讀時鐘輸入線，RAM 中的數據在RD 信號的下降沿輸出輸出的數據將會出現在 DATA 線上主控芯片應當在 RD 信號的上升沿和下一個下降沿之間讀取正確的數據。WR 線是寫時鐘輸入，DATA 線上的數據地址

45、和命令都在 WR 信號的上升沿輸入液晶驅動芯片。2.5 電源模塊2.5.1 單片機供電模塊LM1117 系列穩(wěn)壓器有可調版與多種固定電壓版，設計用于提供 1A 輸出電流且工作壓差可低至 1V。在最大輸出電流時，LM1117 器件的壓差保證最大不超過 1.3V，并隨負載電流的減小而逐漸降低。LM1117 的片上微調把基準電壓調整到 1.5%的誤差以內，而且電流限制也得到了調整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力。LM1117-3.3V 管腳圖 2.22 LM1117-3.3 管腳圖表 2-6 LM1117-3.3 管腳說明管腳號管腳名稱功能1GND地2OUTPUT輸出電壓2INPUT輸

46、入工作電壓LM1117-3.3V 硬件電路設計圖 2.23 LM1117-3.3 硬件原理圖2.5.2 GPRS 供電模塊LM2596 開關電壓調節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A 的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調版本可以輸出小于 37V 的各種電壓。 該器件內部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關頻率為 150KHz，與低頻開關調節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需 4 個外接元件，可以使用通用的標準電感，這更優(yōu)化了 LM2596 的使用，極大地簡化了開關電源電路的設計。LM2596-ADJ 管腳圖 2.2

47、4 LM2596-ADJ 管腳圖表 2-7 LM2596-ADJ 管腳說明管腳號管腳名稱功能1VIN輸入電壓2OUTPUT輸出電壓3GND地4FEEDBACK穩(wěn)壓取樣電壓輸入端5ON/OFF使能控制端LM2596-ADJ 硬件電路設計圖 2.25 LM2596-ADJ 硬件原理圖第 3 章 系統(tǒng)軟件設計3.1 溫度采集程序設計DS18B20 是 DALLAS 公司生產的一線式數字溫度傳感器，其測溫分辨率可達0.0625C，其提供 9 位溫度讀數，指示器件的溫度。信息經過單線接口送入DS1820 或從 DS1820 送出。因此從中央處理器到 DS1820 僅需連接一條線（和地），讀寫和完成溫度變

48、換所需的電源可以由數據線本身提供而不需要外部電源。因為每一個 DS1820 有唯一的系列號，因此多個 DS1820 可以存在于同一條單線總線上，這樣占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。這就允許在許多不同的地方放置溫度靈敏器件。此特性的應用范圍包括 HVAC 環(huán)境控制、建筑物設備或機械內的溫度檢測，以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。 DS18B20 支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55+125C，在-10+85C 范圍內,精度為0.5C?，F場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現場溫度測量。溫度芯片 DS18B20 轉換速度快，轉換

49、精度高，與微處理器的接口簡單，給硬件設計工作帶來了極大的方便，能有效地降低成本，縮短開發(fā)周期。溫度采集方面，首先初始化溫度傳感器，等待單片機的應答，一旦單片機檢測到應答脈沖，便執(zhí)行跳過 ROM 匹配操作命令，就可以使用內存操作命令，啟動溫度轉換，延時一段時間，等待溫度轉換完成。然后讀暫存器，將轉換結果讀出，并轉為顯示碼，送到液晶顯示。溫度傳感器程序設計流程圖如下圖所示。圖 3.1 溫度傳感器程序設計流程圖3.2 GPRS 模塊程序設計GPRS 是分組無線服務技術（General Packet Radio Service)的簡稱，它是 GSM 移動電話用戶可用的一種移動數據業(yè)務。GPRS 和以往

50、連續(xù)在頻道傳輸的方式不同，是封包交換數據的標準技術，它能夠充分利用現有的 GSM 網，可以使運營商在全國范圍內推出此項業(yè)務。采用信道捆綁(目前 GPRS 的設計可以在一個載頻或 8 個信道中實現捆綁)和增強數據速率實現高速接入，理論上可提供高達 ll5kbps 的空中接口傳輸速率，下一代 GPRS 業(yè)務的速度可以達到84kbps。若干移動用戶能夠同時共享一個無線信道，一個移動用戶也可以使用多個無線信道。實際上發(fā)送或接收數據包的用戶僅占很小一部分網絡資源，并且網絡容量只有在實際傳輸時才被占用。為了實現 GPRS，需要在現有的 GSM 網絡中引入 3 種新的邏輯網絡實體：服務 GPRS 支持節(jié)點(

51、SGSN)、網關 GPRS 支持節(jié)點(GGSN)和分組控制單元(PCU)。GSM 是一種電路交換系統(tǒng)，而 GPRS 是一種分組交換系統(tǒng)。因此，GPRS 特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。所以我們選擇使用 GPRS 業(yè)務來實現遠程溫度傳輸。GPRS 突破了 GSM 網只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數據速率卻相當可觀。而且，因為不再需要現行無線應用所需要的中介轉換器，所以連接及傳輸都會更方便容易。如此，使用者既可聯(lián)機上網，參加視訊會議等互動傳播

52、，而且在同一個視訊網絡上(VRN)的使用者，甚至可以無需通過撥號上網，而持續(xù)與網絡連接。GPRS 分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數據被分成一定長度的包(分組)，每個包的前面有一個分組頭(其中的地址標志指明該分組發(fā)往何處)。數據傳送之前并不需要預先分配信道，建立連接。而是在每一個數據包到達時，根據數據包頭中的信息（如目的地址） ，臨時尋找一個可用的信道資源將該數據報發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數據的發(fā)送和接收方同信道之間沒有固定的占用關系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用GPRS 技術的特點1、高速數據傳輸速度 10 倍于 GSM，更可滿足您的理想需求，還可以穩(wěn)定地傳送大容量的

53、高質量音頻與視頻文件，可謂不一般的巨大進步。2、永遠在線由于建立新的連接幾乎無需任何時間(即無需為每次數據的訪問建立呼叫連接)，因此您可隨時都與網絡保持聯(lián)系。舉個例子，若無 GPRS 的支持，當您正在網上漫游，而此時恰有電話接入，大部分情況下您不得不斷線后接通來電，通話完畢后重新?lián)芴柹暇W。這對大多數人來說，的確是件非常令人惱火的事。而有了 GPRS，您就能輕而易舉地解決這個沖突。3、僅按照數據流量計費GPRS 用戶的計費以通信的數據量為主要依據，體現了“得到多少、支付多少”的原則。GPRS 用戶的連接時間可能長達數小時，卻只需支付相對低廉的連接費用。4、GPRS 采用分組交換技術，它可以讓多個

54、用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口上的 TDMA 幀的 8 個時隙都用來傳送數據，那么數據速率最高可達 164kb/8。GSM 空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被 GPRS 數據業(yè)務占用。當然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為 GPRS 專用信道。要實現 GPRS 網絡，需要在傳統(tǒng)的 GSM 網絡中引入新的網絡接口和通信協(xié)議。目前 GPRS 網絡引入 GSN（GPRS Supporting Node）節(jié)點。移動臺則必須是 GPRS移動臺或 GPRS/GSM 雙模移動臺。GPRS 技術將通信網絡和計算機網絡結合在一起，向全 IP 網絡的方向發(fā)展。GPRS 基站與 SGSN

55、 設備之間的連接一般通過幀中繼連接，GGSN 與 SGSN 設備之間通過 IP 網絡連接。GGSN 是 GPRS 網絡的網關和路由器。GGSN 可以把 GSM 網中的 GPRS 分組數據包進行協(xié)議轉換，從而可以把這些分組數據包傳送到遠端的INTERNET 或 X.25 網絡。GGSN 可以由具有網絡地址翻譯功能的路由器承擔內部IP 地址與外部網絡 IP 地址的轉換。用戶可以訪問 GPRS 內部的網絡，也可以通過 APN 訪問外部的 INTERNET。如果用戶的 IP 地址是運營商分配的公有地址，則 GGSN 不參與用戶的論證和鑒權過程。用戶可以通過 GGSN 透明地接入到 GPRS 內部網絡或

56、互聯(lián)網絡，這種方式稱為透明方式。非透明方式主要是用戶通過 GPRS 網絡接入到企業(yè)網絡或 ISP 的情形。用戶MS 的 IP 地址是由企業(yè)網絡或 ISP 分配的私有地址，用戶訪問該企業(yè)網絡或 ISP時,GGSN 需要企業(yè)網絡或 ISP 中的專用服務器對該用戶進行鑒權或論證。 在標識 GPRS 設備中，如手機 MS 的標識除了在 GSM 中使用 IMSI，MSISDN 等號碼外，還需要分配 IP 地址。網元設備 SGSN，GGSN 的標識既有 7 號信令地址，又有數據 GGSN 的 IP 地址，網元設備之間的通信采用 IP 地址，而網元設備與MSC、HLR 等實體的通信采用信令地址。在 GPRS

57、 系統(tǒng)中，有一個重要的數據庫記錄信息，即用戶 PDP 上下文（分組數據協(xié)議上下文） ，用于管理從手機 MS 到網關 GGSN 及到 ISP 之間的數據路由信息。當 MS 訪問 GPRS 內部網絡或外部INTERINT 網絡時，MS 提出 PDP 上下文請求消息，MS 可以與運營商簽約選擇固定服務的 GGSN。或由 SGSN 選擇服務的 GGSN，SGSN 再向 GGSN 發(fā)建立 PDP 上下文請求消息。GGSN 分配 MS 一個 IP 地址。在成功地建立和激活 PDP 上下文后，MS，SGSN 和 GGSN 都存儲了用戶的 PDP 上下文信息。有了用戶的位置信息和數據的路由信息，MS 就可以訪

58、問該網絡的資源。用戶通過 GPRS 網絡接入到互聯(lián)網、企業(yè)內部網或 ISP 時，需要對用戶的身份、服務質量進行鑒權和數據加密等過程，用戶 MS 的動態(tài) IP 地址的分配可以分別由運營商、企業(yè)網或 ISP 等實現，因此 GPRS 用戶的接入方式有透明接入和非透明接入兩種方式。由于檢測的任務是被控對象的溫度， 通過 GPRS 模塊發(fā)送到監(jiān)測中心。通過向 GPRS 模塊寫入不同的 AT 指令完成多種功能。監(jiān)測軟件主要包括初始化程序、 信號采集處理程序和短消息收發(fā)程序等。初始化程序包括硬件初始化、定時器和串口初始化。信號采集和處理主要完成外部采集的溫度轉換，接收短消息采用查詢方式，一旦短消息到達，調用

59、串口接收程序解碼短消息內容并做出相應處理;發(fā)送溫度信號采用定時方式，將采集的溫度編碼為短消息，然后調用發(fā)送指令將短消息發(fā)送到監(jiān)測中心。通過 GPRS 網絡發(fā)送數據，GPRS 模塊上電后，首先完成網絡注冊等初始化工作，然后自動進行 PPP 拔號，再通過 TCP/IP 協(xié)議與位于互聯(lián)網上的數據中心建立連接，為用戶設備建立一條雙向透明傳輸的無線通信鏈路。建立透明通道后，用戶設備便可以通過串口向 GPRS 模塊發(fā)送數據，GPRS 模塊收到數據后將其封裝成 IP 包，經過 GPRS 網絡及 Internet 網絡發(fā)送到數據中心，數據中心通過網絡程序可以獲取到這些數據。GPRS 設備在長期工作中，還會遇到

60、許多外界的特殊情況。如信號弱、SIM 卡欠費、SIM 卡不兼容、無可用網絡、通信鏈路異常斷開、服務器出錯等，這些都有可能造成設備故障而且無法恢復，所以必需針對各種可能出現的故障制定有效的解決方法才能保證設備可靠的工作。GPRS 通信流程圖如下：圖 3.2 GPRS 通信流程圖3.3 系統(tǒng)總體程序設計在主程序流程圖中，系統(tǒng)軟件的重點在于對單片機利用 C 語言編程。包括向單片機對 GPRS 模塊的初始化以及對串行口通信速率、短消息模式、短消息中心號碼的初始化。系統(tǒng)總體設計流程圖：圖 3.3 系統(tǒng)總體設計流程圖第 4 章 系統(tǒng)硬件電路板的設計 4.1 系統(tǒng)硬件原理圖說明電子產品中各元器件或單元電路之