基于GPRS的远程温度监测系统设计浙江大学.docx

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基于GPRS的远程温度监测系统设计浙江大学

基于GPRS的远程温度监测系统设计

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基于GPRS的远程温度监测系统设计

摘要

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。

温度控制是丁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。

例如：

在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热处理炉、反应炉和锅炉中的温度进行检测和控制；在农业生产、粮食储备、计算机机房等都需要对温度进行控制。

因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

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，也适用于偶尔大量的数据传输，能够满足数据采集及监控的双向数据信息传输。

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。

文中设计了一种温度控制系统，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AT89C51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TC39i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AT89C51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。

实践结果表明，该系统使用效果良好，有着广泛的应用前景。

关键词：

温度采集系统；监控软件；单片机

GPRS-basedremotetemperaturemonitoringsystem

Abstract:

Temperatureisthemainaccusedintheindustrialproductiononeoftheparameters,associatedwithavarietyoftemperaturecontrolsystemsarewidelyusedinmetallurgy,chemicalDing,machinery,foodandotherfields.Temperaturecontrolisthesmallbusinessoftenencounteredinproductionprocesscontrol.Someonthetemperaturecontrolprocessdirectlyinfluencesthequalityofproducts.Forexample:

inthemetallurgicalindustry,chemicalproduction,powerengineering,paperindustry,machinerymanufacturingandfoodprocessingandmanyotherareas,peopleneedallkindsoffurnace,heattreatmentfurnace,thetemperatureinthereactorandboilertestingandcontrol;inagriculturalproduction,foodreserves,computerroomandsotheneedfortemperaturecontrol.Thereforedesignedanidealtemperaturecontrolsystemisveryvaluable.

Asahigh-speed,efficientandcost-effectivewirelesssystem，GPRShasawiderangeofnetworkcoverage,widedatabandwidth,adaptable,denominatedbythedataflowcalculationadvantage,theadvantagesofreal-timeonline,especiallyforintermittent,andsuddenorfrequent,Andasmallamountofdatatransfer,butalsofortheoccasionallargeamountsofdatatransmission,datacollectionandmonitoringtomeetthetwo-waydatatransmission.GPRStechnologyfromthelaboratorystudies,areastotheofficialbusinesswithinthetrial,afteralong,technologicallyadvancedandreliable.GPRSequipmentdatamonitoringterminaltransmissionequipmentcanautomaticallyattachaboottotheGPRSnetwork,anddatacentersforreal-timedatainreal-timeonlinecommunication,high-speedtransmissionandhighreliability.

Inthispaper,designatemperaturecontrolsystem,withthemicrocontrollerasthemicrocontrollerthechoiceofdigitaltemperaturesensors,temperaturecontrol,aGPRS-basedtechnologysolutionsforremotetemperaturemonitoringsystem,usingAT89C51microcontrolleranddigitaltemperaturesensorforfieldDS18B20Temperaturedataacquisitionandprocessing,andthroughtheGPRSmoduleTC39iremotedatatransmissionandreception,withhighaccuracy,goodstability.Hardwaredesignofamicrocontroller-basedsmarttemperaturecontrolsystemtoAT89C51microcontrollerasthecore,usingatemperaturesensorDS18B20,theGPRS-basedwirelesscommunicationmodule,basedonATcommandsanddataacquisition,tobuildaremotetemperaturedataacquisitionsystemFortemperaturecontrol

Theresultsshowthegoodeffectofthesystemandhavebroadapplicationprospects.

KeyWords:

Temperatureacquisitionsystem,monitoringsoftware,Microcontrolle

1.概述

1.1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。

GPRS网络覆盖全球，不存在信号盲区，按照流量收费，没有数据流量传递时不收费用，计费合理、科学、企业运行投资小、效益高。

这些特点适合于提高企业计量信息的及时性、可靠性、准确性和实现企业生产管理的信息化。

温度自动监测技术在我国工业生产中应用非常普遍，但大多数是传统的分散式三级系统（下位机、中位机、上位机），采用有线的传输方式。

其远程线路铺设及维护的成本过高，引线过长，导致整个系统的传输速率变慢、功耗上升、稳定性下降。

随着无线通信数字网络的发展，采用GSM和GPRS无线通信网作为通信方式为上述问题提供了一个新的解决方案。

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。

1.2课题设计意义

本文对GSM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。

GSM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。

2.系统的总体结构与硬件电路设计

2.1系统总体结构设计

系统的总体设计思路是温度采集模块将采集到的数据通过GPRS模块发送到监控计算机上。

温度传感器把室内温度的处理发送给AT89C51单片机，温度数据通过单片机处理，再由GPRS发送模块发送出去。

GPRS接收模块接收发送模块发送过来的数据，通过RS232通信接口连接GPRS模块实现与上位机通信，将数据上传至上位机，实现在上位机中对室内温度远程的分析、管理。

图2-1系统的总体框图

2.2温度采集模块设计

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。

2.2.1DS18B20简介

DS18B20为单总线数字化温度传感器，由其组成的测温系统精度较高，能达到小数点后3位，而且具有连接方便，占用接口线少等优点。

DS18B20与传统的热敏电阻相比，能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读取，读取DS18B20的信息仅需一根总线，总线本身可以向所有挂接的DS18B20芯片提供电源，而不需额外的电源。

温度测量的范围为-55～+125℃，测量的分辨率为0.5℃，最高可达010625℃，工作的电压范围:

+310～5.5V。

DS18B20其内部64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它由8位产品系列号，48位产品序号和8位CRC编码组成，DS18B20的产品系列号均为28H，每个器件48位产品序号各不相同。

其中VCC接313V电源，电源端外接一个约为417kΩ的上拉电阻，当总线闲置时，其状态为高电平。

2.2.2温度传感器的测温原理

DS18B20的测温原理如图2-2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1，温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图中的频率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念，因此读写时序很重要系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。

操作协议为:

初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。

图2-2测温原理图

2.2.3温度传感器接口电路设计

在设计中，由DS18B20组建温度采集系统。

其中，1脚GND，2脚为数据输入端，3脚VCC，2脚与3脚间接上一个4.7K的电阻，形成上拉电阻。

详细的采集电路如图2-3所示。

图2-3DS18B20温度采集电路

2.3单片机电路设计

2.3.1单片机选择及简介

单片机选用的是Atmel公司的AT89C51单片机，AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

单片机的外围电路主要包括时钟电路和复位电路。

a．主要特性：

与MCS-51兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：

1000写/擦循环；数据保留时间：

10年；全静态工作：

0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。

b．管脚说明：

图2-4AT89C51芯片引脚图

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

 P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.3.2复位电路

按键复位是利用开关按钮来实现的，即通电后，按下开关，使得瞬间RST端的电位与Vcc相同，随着电容上储能增加，电容电压也增大，充电电流减少，RESET端的电位逐渐下降。

这样在RST端就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲持续的时间进行调节。

RST引脚是复位信号的输入端。

复位信号是高电平有效。

高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。

若时钟频率为6MHz，则复位信号至少应持续4微秒以上，才可以使单片机复位。

本次设计中采用按键复位的方法进行复位操作。

如下图2-5所示。

图2-5单片机复位电路

2.3.3单片机时钟电路

单片机时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准的电路，没有时钟电路单片机就无法工作。

设计中，采用由内部方式产生时钟的方法形成时钟电路，具体如图所示。

内部方式：

在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作定时组件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。

时钟发生器对振荡脉冲二分频，即若石英频率fosc＝6MHz，则时钟频率＝3MH2，因此，时钟是一个双相信号，由P1相和P2相构成。

fosc可在2MHZ—12MHZ选择。

小电容可以取30PF左右。

图2-6时钟电路

2.3.4单片机外围电路设计

图2-7是单片机的外围电路，主要包括晶振电路、复位电路、采集电路。

单片机选用AT89C51，采集电路中的传感器用DS18B20数字温度传感器。

图中，C1、C2和Y1与单片机的XTAL1、XTAL2管教相连，组成时钟电路，C3、R1以及S1与单片机的复位信号的输入端相连，组成单片机复位电路，完成复位功能。

右边，温度传感器DS18B20接上下拉电阻，形成输入电路部分，单片机根据温度传感器的输入，形成输出。

这就是输入部分的电路图设计。

图2-7单片机外围电路图

2.4通信电路设计

2.4.1GPRSDTU的简介

GPRSDTU（DataTerminalunit）全称数据传输单元，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。

GPRSDTU就是用GPRS网络来传输数据的设备，它采用工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP协议栈。

为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟专用网络。

2.4.2GPRSDTU的选型

ZWG-23A是一款基于GPRS网络的无线数据传输终端设备，提供全透明数据通道，可以方便的实现远程、无线、网络化的通信方式。

可以轻松实现与Internet的无线连接。

ZWG-23A具有网络覆盖范围广（移动网络覆盖范围，能使用移动电话的地方就可以使用）组网灵活快捷（安装即可使用）、运行成本低（按流量计费）等诸多优点。

可应用于电力系统、工业监控、交通管理、气象、水处理、环境监控、金融证券、煤矿、石油等行业。

ZWG-23A的结构特点

●支持数据透明传输与协议转换

●支持备用数据中心

●支持点对点互连功能

●支持APN虚拟专网业务

●支持数据中心动态域名或IP地址访问

●支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式

●支持短信和电话唤醒功能

●支持断线自动重连功能

●具有连接时机可控功能，节约流量

●支持本地和远程图形化界面配置与维护

●支持短信配置与维护

●支持本地和远程固件升级

●RS232DB9串口，具有流控信号线和上线指示信号线

●支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件

●支持5V～26V宽范围供电

●工作电流最大300mA、在线待机电流≤31mA、休眠时≤14mA

●多重软硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备安全运行

图2-8就是ZWG-23A的实物图

2-8GPRSDTU实物图

2.4.3串口通信电路

为了提高串行通信的可靠性，增大通信距离，一般采用标准串行接口、RS-232C、RS．422A等标准接口来进行串行通信。

EIARS-232C是异步串行通信中应用最广泛的标准总线，它包括了按位串行传输的电气和机械方面的规定。

在微机通信中，通常使用RS-232C接口即PC机的COM口，其引脚定义如图2-9所示。

图2-9RS-232C引脚定义图

PC机的COM口，输入输出为RS-232C电平，而51单片机串行口的输入输出均为1frL电平。

由于TTL电平和RS-232C电平互不兼容，所以两者接口时，必须进行电平转换。

电平转换最常用的芯片是传送线驱动器MC1488和接收器MC1489，其作用除了电平转换外，还实现正负逻辑电平转换。

图2-10是单片机与PC机通信接口电路。

图2-10单片机与PC机通信接口电路

3.下位机软件设计

3.1下位机总体软件的设计

在主程序流