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-
基于GPRS的远程温度监测系统设计
专业学生姓名班级学号指导教师完成日期
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
AbstractTemperatureisthemainaccusedintheindustrialproductiononeoftheparametersassociatedwithavarietyoftemperaturecontrolsystemsarewidelyusedinmetallurgychemicalDingmachineryfoodandotherfieldsTemperaturecontrolisthesmallbusinessoftenencounteredinproductionprocesscontrolSomeonthetemperaturecontrolprocessdirectlyinfluencesthequalityofproductsForexampleinthemetallurgicalindustrychemicalproductionpowerengineeringpaperindustrymachinerymanufacturingandfoodprocessingandmanyotherareaspeopleneedallkindsoffurnaceheattreatmentfurnacethetemperatureinthereactorandboilertestingandcontrolinagriculturalproductionfoodreservescomputerroomandsotheneedfortemperaturecontrolThereforedesignedanidealtemperaturecontrolsystemisveryvaluable
Asahigh-speedefficientandcost-effectivewirelesssystemGPRShasawiderangeofnetworkcoveragewidedatabandwidthadaptabledenominatedbythedataflowcalculationadvantagetheadvantagesofreal-timeonlineespeciallyforintermittentandsuddenorfrequentAndasmallamountofdatatransferbutalsofortheoccasionallargeamountsofdatatransmissiondatacollectionandmonitoringtomeetthetwo-waydatatransmissionGPRStechnologyfromthelaboratorystudiesareastotheofficialbusinesswithinthetrialafteralongtechnologicallyadvancedandreliableGPRSequipmentdatamonitoringterminaltransmissionequipmentcanautomaticallyattachaboottotheGPRSnetworkanddatacentersforreal-timedatainreal-timeonlinecommunicationhigh-speedtransmissionandhighreliability
InthispaperdesignatemperaturecontrolsystemwiththemicrocontrollerasthemicrocontrollerthechoiceofdigitaltemperaturesensorstemperaturecontrolaGPRS-basedtechnologysolutionsforremotetemperaturemonitoringsystemusingAT89C51microcontrolleranddigitaltemperaturesensorforfieldDS18B20TemperaturedataacquisitionandprocessingandthroughtheGPRSmoduleTC39iremotedatatransmissionandreceptionwithhighaccuracygoodstabilityHardwaredesignofamicrocontroller-basedsmarttemperaturecontrolsystemtoAT89C51microcontrollerasthecoreusingatemperaturesensorDS18B20theGPRS-basedwirelesscommunicationmodulebasedonATcommandsanddataacquisitiontobuildaremotetemperaturedataacquisitionsystemFortemperaturecontrol
Theresultsshowthegoodeffectofthesystemandhavebroadapplicationprospects
KeyWordsTemperatureacquisitionsystemmonitoringsoftwareMicrocontrolle
目录
1概述5
11课题设计背景5
12课题设计意义5
2系统的总体结构与硬件电路设计6
21系统总体结构设计6
22温度采集模块设计6
23单片机电路设计8
24通信电路设计12
3下位机软件设计14
31下位机总体软件的设计14
32温度采集程序设计16
33通信模块设计18
4上位机软件设计22
41GPRS通信网络22
42远程温度检测的实现原理23
43GPRSDTU远程温度监测界面24
5系统集成与调试25
6结束语27
致谢29
附录1采集系统接线图30
附录2元器件表31
1概述
11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
12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
21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
22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
comDS18B20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05℃最高可达010625℃工作的电压范围310～55VDS18B20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
com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
com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GND2脚为数据输入端3脚VCC2脚与3脚间接上一个47K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
23单片机电路设计
com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
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1288位内部RAM32可编程IO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IO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IO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IO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IO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
P30RXD串行输入口
P31TXD串行输出口
P32INT0外部中断0
P33INT1外部中断1
P34T0记时器0外部输入
P35T1记时器1外部输入
P36WR外部数据存储器写选通
P37RD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
ALEPROG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16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MOVXMOVC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
EAVPP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
com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
com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2MHZ12MHZ选择小电容可以取30PF左右
图2-6时钟电路
com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
XTAL1XTAL2管教相连组成时钟电路C3R1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
24通信电路设计
comGPRSDTU的简介
GPRSDTUDataTerminalunit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TCPIP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
comGPRSDTU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
图就是ZWG-23A的实物图
GPRSDTU实物图
com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-232CRS．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-所示
图2-RS-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-是单片机与PC机通信接口电路
图2-单片机与PC机通信接口电路
3下位机软件设计
31下位机总体软件的设计
在主程序流程图中系统软件的重点在于对单片机利用汇编语言编程包括向AT89C51对GPRSDTU的初始化以及对串行口通信速率短消息模式短消息中心号码的初始化这些初始化指令是通过AT指令写入的因此在编程时将这些常用到的AT指令编成表格存放在AT89C51的程序存储器内以便使用流程图如图3-4所示其中ABCD中断子程序只是发送数据内容不一致对应的流程一致因此使用一个中断子程序表示P2．i中i0123对应着不同的指示灯
图3-1下位机软件主流程图
32温度采集程序设计
温度采集方面首先初始化温度传感器等待单片机的应答一旦单片机检测到应答脉冲便执行跳过ROM匹配操作命令就可以使用内存操作命令启动温度转换延时一段时间后等待温度转换完成再执行跳过ROM匹配操作命令然后读暂存器将转换结果读出并转为显示码送到液晶显示
温度传感器程序设计流程图如下图所示
图3-2DS18B2
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