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毕业设计说明书
学号：
200912040214
HEBEIUNITEDUNIVERSITY
毕业设计说明书
GRADUATEDESIGN
设计题目：
基于GPRS的远程无线温度采集系统的设计
学生姓名
专业班级：
09电信2班
学院：
信息工程学院
指导教师：
许广宾副教授
于树利高级工程师
2013年06月02日
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
GPRSaswirelessahigh-speed,highefficiency,economysystem,hasawidenetworkcoverage,accordingtothedatawithEric,strongadaptability,valuationdataflowcalculation,theadvantagesofreal-timeonline,especiallysuitableforintermittent,suddenandfrequent,smallamountsofdatatransmission,cansatisfythedataacquisitionandmonitoringofthebidirectionaldatatransmission.
Inthispaper,wedesignatemperaturecontrolsystem,improvethecomprehensiveuseoftemperaturedetectionsystemsinglechipasmicrocontroller,digitaltemperaturesensor,thetemperaturecontrol,putsforwardaremotetemperaturemonitoringsystemschemebasedonGPRStechnology,thesceneisrealizedbyusingMSP430MCUandDS18B20digitaltemperaturesensortemperaturedataacquisitionandprocessing,againbyMG323GPRSmoduletoachieveremotedatatransmissionandreceiving,hasfeaturesofhighprecisionandgoodstability.Ahardwaredesignbasedonsinglechipmicrocomputerintelligenttemperaturecontrolsystem,withMSP430singlechipmicrocomputerasthecore,adoptingthetemperaturesensorDS18B20,basedontheGPRSwirelesscommunicationmodule,basedontheATcommandsanddatacollector,tobuildaremotetemperaturedataacquisitionsystem,tocontrolthetemperature.
KeywordsTemperatureacquisitionsystem;DS18B20;Singlechipmicrocomputer;GPRS;
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MG323GPRS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。
第2章系统主要模块介绍和硬件设计
2.1主控芯片介绍
2.1.1MSP430F149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200μA；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。
2.1.2MSP430F149芯片引脚
58脚RST/NMI 为430单片机的复位引脚（低电平有效）。
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。
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
（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。
图2.4复位电路原理图
2.2GPRS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GSM850/900/1800/1900MHz，电源电压为3.3V～4.8V，推荐电压为3.8V。
2.2.1GPRS模块B2B连接器接口
MG323模块对外接口形态为50pinB2B连接器，MG323模块对外50pinB2B信号接口管脚顺序和定义如下图所示。
图2.5B2B连接器接口顺序和定义
图2.6MG323模块硬件电路图
2.2.2MG323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、50
VBAT
供电电源电压输入管脚
41、43、45、47、49
GND
地
35
VCOIN
实时时钟（RTC）备用电源输入管脚
40
VIO
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）。
50PINB2B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PowerDown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
20
TERM_ON
开/关机控制管脚
22
RESET
硬件复位管脚
25
LED_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。
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2-3LED_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2.7MG323信号指示灯
（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
2.2.4UART接口
MG323模块对外提供一路异步RS-232UART1（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。
表2-4UART接口定义
管脚号
信号名
描述
29
UART1_RD
模块数据发送端
33
UART1_TD
模块数据接收端
38
UART1_RING
模块振铃指示
32
UART1_DSR
模块数据设备就绪
34
UART1_RTS
请求发送
36
UART1_DTR
数据终端就绪
28
UART1_CTS
模块清除发送
24
UART1_DCD
模块载波检测
2.2.5SIM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1.8VSIM卡，SIM卡接口定义如下表所示。
表2-5SIM卡接口定义表
管脚号
信号名
描述
1
SIM_CLK
SIM卡时钟
3
VSIM
SIM卡电源
5
SIM_DATA
SIM卡数据
7
SIM_RST
SIM卡复位
11
GND
SIM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2.10SIM卡原理图
图2.11SIM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0.0625ºC，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～+125ºC，在-10～+85ºC范围内,精度为±0.5ºC。
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。
2.3.1DS18B20管脚配置和内部结构
图2.12DS18B20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2.13DS18B20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。
（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2.14DS18B20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
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