基于GPRS的远程无线温度采集系统的设计毕业设计说明书

111学学 号：号：200912040214HEBEI UNITED UNIVERSITY毕毕业业设设计计说说明明书书GRADUATE DESIGN设计题目设计题目：基于：基于 GPRSGPRS 的远程无线温度采集系统的设计的远程无线温度采集系统的设计学生姓名学生姓名专业班级：专业班级：09 电信电信 2 班班学学 院：信息工程学院院：信息工程学院指导教师：许广宾指导教师：许广宾 副教授副教授于树利于树利 高级工程师高级工程师2013 年年 06 月月 02 日日河北理工大学信息学院摘 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；GPRSAbstractIAbstractGPRS 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, especially 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 single 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 by 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 DS18B20, 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.Keywords Temperature acquisition system; DS18B20; Single chip microcomputer; GPRS;目 录II目 录摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 绪论.11.1 引言.11.2 课题设计背景.11.3 课题设计意义.2第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计.32.1 主控芯片介绍.32.1.1 MSP430F149 芯片概述.32.1.2 MSP430F149 芯片引脚.32.1.3 单片机控制模块.52.2 GPRS 模块介绍.72.2.1 GPRS 模块 B2B 连接器接口.72.2.2 MG323 电源接口.92.2.3 控制信号接口和开/关机时序.102.2.4 UART 接口.122.2.5 SIM 卡接口.132.3 温度传感器简介.142.3.1 DS18B20 管脚配置和内部结构.152.3.2 DS18B20 的工作原理.162.3.3 DS18B20 的硬件设计.182.4 显示模块.192.4.1 液晶驱动芯片.192.4.2 段式液晶显示器.212.4.3 显示模块硬件电路设计.212.5 电源模块.222.5.1 单片机供电模块.222.5.2 GPRS 供电模块.23第 3 章 系统软件设计.253.1 温度采集程序设计.253.2 GPRS 模块程序设计.263.3 系统总体程序设计.29第 4 章 系统硬件电路板的设计.314.1 系统硬件原理图.314.2 系统 PCB 图.334.3 硬件制作.344.4 硬件调试.35结 论.36参考文献.37目 录III谢 辞.39附 录.40附录 1：系统硬件原理图 .40附录 2：显示模块程序 .42附录 3：温度传感器程序 .49附录 4：GPRS 模块程序 .52附录 5：系统整体程序 .54河北联合大学信息工程学院0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 MG323 GPRS 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第 1 章 绪论1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。河北联合大学信息工程学院2第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计2.1 主控芯片介绍2.1.1 MSP430F149 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 200A；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：1.83.6V；（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。2.1.2 MSP430F149 芯片引脚58 脚 RST/NMI 为 430 单片机的复位引脚（低电平有效） 。第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计31 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 1.8V3.6V。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。河北联合大学信息工程学院449 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 单片机硬件原理图第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计5（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 450kHz8MHz 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。河北联合大学信息工程学院6图 2.4 复位电路原理图2.2 GPRS 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/ 1900 MHz，电源电压为 3.3V4.8V，推荐电压为 3.8V。2.2.1 GPRS 模块 B2B 连接器接口MG323 模块对外接口形态为 50pin B2B 连接器，MG323 模块对外 50pin B2B 信号接口管脚顺序和定义如下图所示。第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计7图 2.5 B2B 连接器接口顺序和定义河北联合大学信息工程学院8图 2.6 MG323 模块硬件电路图2.2.2 MG323 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、50VBAT供电电源电压输入管脚41、43、45、47、49GND地35VCOIN实时时钟(RTC)备用电源输入管脚40VIO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 3.3V4.8V（典型值 3.8V） 。50PIN B2B 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，电源供电的瞬时第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计9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 Power Down 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20TERM_ON开/关机控制管脚22RESET硬件复位管脚25LED_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。河北联合大学信息工程学院10TERM_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2-3 LED_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0.1sGPRS 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 2.7 MG323 信号指示灯第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计11（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2.2.4 UART 接口MG323 模块对外提供一路异步 RS-232 UART1(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。河北联合大学信息工程学院12表 2-4 UART 接口定义管脚号信号名描述29UART1_RD模块数据发送端33UART1_TD模块数据接收端38UART1_RIN G模块振铃指示32UART1_DSR模块数据设备就绪34UART1_RTS请求发送36UART1_DTR数据终端就绪28UART1_CTS模块清除发送24UART1_DCD模块载波检测2.2.5 SIM 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 1.8V SIM 卡，SIM 卡接口定义如下表所示。表 2-5 SIM 卡接口定义表管脚号信号名描述1SIM_CLKSIM 卡时钟3VSIMSIM 卡电源5SIM_DATASIM 卡数据7SIM_RSTSIM 卡复位11GNDSIM 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 2.10 SIM 卡原理图第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计13图 2.11 SIM 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0.0625C，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+125C，在-10+85C 范围内,精度为0.5C。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。河北联合大学信息工程学院142.3.1 DS18B20 管脚配置和内部结构图 2.12 DS18B20 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 2.13 DS18B20 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。第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计15（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 2.14 DS18B20 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 位为 0，只要将测到的数值乘于 0.0625 即可得到实际温度；如果温度小于0，这 5 位为 1，测到的数值需要取反加 1 再乘于 0.0625 即可得到实际温度。 例如+125的数字输出为 07D0H，+25.0625的数字输出为 0191H，-25.0625的数字输出为 FF6FH，-55的数字输出为 FC90H。2.3.2 DS18B20 的工作原理DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20 的内部存储器资源。 18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是： （1）ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（ DS18B20 的编码是 19H） ，后面 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上 56 的位的 CRC 码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20 共 64 位 ROM。 （2）RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共 9 个字节 RAM，每个字节为 8 位。第 1、2 个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5 个字节则是用户第 3 个EEPROM 的镜像。第 6、7、8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9 个字节为前 8 个字节的 CRC 码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20 共 3 位河北联合大学信息工程学院16EEPROM，并在 RAM 都存在镜像，以 方便用户操作。DS18B20 的使用方法 （1）DS18B20 的初始化。图 2.15 DS18B20 的初始化时序图1、先将数据线置高电平 “1” 。2、延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）3、数据线拉到低电平 “0” 。4、延时 750 微秒（该时间的时间范围可以从480 到 960 微秒） 。5、数据线拉到高电平 “1” 。6、延时等待（如果初始化成功则在15 到 60 毫秒时间之内产生一个由DS18B20 所返回的低电平 “0” 。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。7、若 CPU 读到了数据线上的低电平 “0”后，还要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（ 5）步的时间算起）最少要 480 微秒。8、将数据线再次拉高到高电平 “1”后结束。 （2）DS18B20 的写操作图 2.16 DS18B20 的写操作时序图1、数据线先置低电平 “0” 。2、延时确定的时间为 15 微秒。3、按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位） 。4、延时时间为 45 微秒。第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计175、将数据线拉到高电平。6、重复（ 1）到（6）的操作直到所有的字节全部发送完为止。7、最后将数据线拉高。（3）DS18B20 的读操作图 2.17 DS18B20 的读操作时序图1、将数据线拉高 “1” 。2、延时 2 微秒。3、将数据线拉低 “0” 。4、延时 15 微秒。5、将数据线拉高 “1” 。6、延时 15 微秒。7、读数据线的状态得到 1 个状态位，并进行数据处理。8、延时 30 微秒。2.3.3 DS18B20 的硬件设计DS18B20 在本系统中与发送端单片机的P1.4 连接。如图：河北联合大学信息工程学院18图 2.18 DS18B20 硬件原理图2.4 显示模块2.4.1 液晶驱动芯片HT1621 是 128 点内存映象和多功能的 LCD 驱动器 HT1621 的软件配置特性使它适用于多种 LCD 应用场合包括 LCD 模块和显示子系统用于连接主控制器和 HT1621 的管脚只有 4 或 5 条 HT1621 还有一个节电命令用于降低系统功耗。（1）特性： * 工作电压 2.45.2V* 内嵌 256KHz RC 振荡器 * 可外接 32KHz 晶片或 256KHz 频率源输入 * 可选 1/2 或 1/3 偏压和 1/2、1/3 或 1/4 的占空比* 片内时基频率源 * 蜂鸣器可选择两种频率 * 节电命令可用于减少功耗 * 内嵌时基发生器和看门狗定时器WDT * 时基或看门狗定时器溢出输出 * 八个时基 /看门狗定时器时钟源 * 一个 324 的 LCD 驱动器 * 一个内嵌的 324 位显示 RAM 内存 * 四线串行接口 * 片内 LCD 驱动频率源 * 软件配置特征 * 数据模式和命令模式指令 * 三种数据访问模式 * 提供 VLCD 管脚用于调整 LCD 操作电压（2）HT1621b 管脚第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计19图 2.19 HT1621B 管脚图图 2.20 HT1621B 管脚说明河北联合大学信息工程学院202.4.2 段式液晶显示器段式液晶算液晶的一种，他的驱动分COM 和 SEG，采用的是交流驱动，也可以说每一位上的电压是在正负电场之间不断变化的，不能采用直流供电，否则会造成液晶老化坏死。段式LCD 驱动简单，耗电量小，在仅需要显示数字的场合应用较多，也用来在便携式应用的场合来代替数码管，由于本设计只需显示温度，所以选用四位段式液晶屏BTL010 作为显示器。2.4.3 显示模块硬件电路设计图 2.21 显示模块硬件原理图主芯片与 HT1621B 接口只需 4 条线。CS 线用于初始化串行接口电路并终止主控芯片与 HT1621B 之间的通信，如果 CS 脚置为 1 主控器与 HT1620B 之间的通信先被禁止，然后初始化。在执行模式命令或进行模式切换时需要一个高电平的脉冲初始化 HT1620B 的串行接口。DATA 线是串行数据输入/输出线，读写的数据和执行的命令都必须通过 DATA 线。RD 线是读时钟输入线，RAM 中的数据在RD 信号的下降沿输出输出的数据将会出现在 DATA 线上主控芯片应当在 RD 信号的上升沿和下一个下降沿之间读取正确的数据。WR 线是写时钟输入，DATA 线上的数据地址和命令都在 WR 信号的上升沿输入液晶驱动芯片。第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计212.5 电源模块2.5.1 单片机供电模块LM1117 系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供 1A 输出电流且工作压差可低至 1V。在最大输出电流时，LM1117 器件的压差保证最大不超过 1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。LM1117 的片上微调把基准电压调整到 1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。LM1117-3.3V 管脚图 2.22 LM1117-3.3 管脚图表 2-6 LM1117-3.3 管脚说明管脚号管脚名称功能1GND地2OUTPUT输出电压2INPUT输入工作电压LM1117-3.3V 硬件电路设计河北联合大学信息工程学院22图 2.23 LM1117-3.3 硬件原理图2.5.2 GPRS 供电模块LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。LM2596-ADJ 管脚图 2.24 LM2596-ADJ 管脚图第 2 章 系统主要模块介绍和硬件设计23表 2-7 LM2596-ADJ 管脚说明管脚号管脚名称功能1VIN输入电压2OUTPUT输出电压3GND地4FEEDBACK稳压取样电压输入端5ON/OFF使能控制端LM2596-ADJ 硬件电路设计图 2.25 LM2596-ADJ 硬件原理图河北联合大学信息工程学院24第 3 章 系统软件设计3.1 温度采集程序设计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0.0625C，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+125C，在-10+85C 范围内,精度为0.5C。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。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，等待温度转换完成。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。第 3 章 系统软件设计25图 3.1 温度传感器程序设计流程图3.2 GPRS 模块程序设计GPRS 是分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，它是 GSM 移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS 和以往连续在频道传输的方式不同，是封包交换数据的标准技术，它能够充分利用现有的 GSM 网，可以使运营商在全国范围内推出此项业务。采用信道捆绑(目前 GPRS 的设计可以在一个载频或 8 个信道中实现捆绑)和增强数据速率实现高速接入，理论上可提供高达 ll5kbps 的空中接口传输速率，下一代 GPRS 业务的速度可以达到84kbps。若干移动用户能够同时共享一个无线信道，一个移动用户也可以使用多个无线信道。实际上发送或接收数据包的用户仅占很小一部分网络资源，并且网络容量只有在实际传输时才被占用。为了实现 GPRS，需要在现有的 GSM 网络中引入 3 种新的逻辑网络实体：服务 GPRS 支持节点(SGSN)、网关 GPRS 支持节点(GGSN)和分组控制单元(PCU)。GSM 是一种电路交换系统，而 GPRS 是一种分组交换系统。因此，GPRS 特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。所以我们选择使用 GPRS 业务来实现远河北联合大学信息工程学院26程温度传输。GPRS 突破了 GSM 网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上(VRN)的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。GPRS 分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包(分组)，每个包的前面有一个分组头(其中的地址标志指明该分组发往何处)。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据包头中的信息（如目的地址） ，临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用GPRS 技术的特点1、高速数据传输速度 10 倍于 GSM，更可满足您的理想需求，还可以稳定地传送大容量的高质量音频与视频文件，可谓不一般的巨大进步。2、永远在线由于建立新的连接几乎无需任何时间(即无需为每次数据的访问建立呼叫连接)，因此您可随时都与网络保持联系。举个例子，若无 GPRS 的支持，当您正在网上漫游，而此时恰有电话接入，大部分情况下您不得不断线后接通来电，通话完毕后重新拨号上网。这对大多数人来说，的确是件非常令人恼火的事。而有了 GPRS，您就能轻而易举地解决这个冲突。3、仅按照数据流量计费GPRS 用户的计费以通信的数据量为主要依据，体现了“得到多少、支付多少”的原则。GPRS 用户的连接时间可能长达数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。4、GPRS 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的 TDMA 帧的 8 个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达 164kb/8。GSM 空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被 GPRS 数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为 GPRS 专用信道。要实现 GPRS 网络，需要在传统的 GSM 网络中引入新的网络接口和通信协议。目前 GPRS 网络引入 GSN（GPRS Supporting Node）节点。移动台则必须是 GPRS移动台或 GPRS/GSM 双模移动台。第 3 章 系统软件设计27GPRS 技术将通信网络和计算机网络结合在一起，向全 IP 网络的方向发展。GPRS 基站与 SGSN 设备之间的连接一般通过帧中继连接，GGSN 与 SGSN 设备之间通过 IP 网络连接。GGSN 是 GPRS 网络的网关和路由器。GGSN 可以把 GSM 网中的 GPRS 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的INTERNET 或 X.25 网络。GGSN 可以由具有网络地址翻译功能的路由器承担内部IP 地址与外部网络 IP 地址的转换。用户可以访问 GPRS 内部的网络，也可以通过 APN 访问外部的 INTERNET。如果用户的 IP 地址是运营商分配的公有地址，则 GGSN 不参与用户的论证和鉴权过程。用户可以通过 GGSN 透明地接入到 GPRS 内部网络或互联网络，这种方式称为透明方式。非透明方式主要是用户通过 GPRS 网络接入到企业网络或 ISP 的情形。用户MS 的 IP 地址是由企业网络或 ISP 分配的私有地址，用户访问该企业网络或 ISP时,GGSN 需要企业网络或 ISP 中的专用服务器对该用户进行鉴权或论证。 在标识 GPRS 设备中，如手机 MS 的标识除了在 GSM 中使用 IMSI，MSISDN 等号码外，还需要分配 IP 地址。网元设备 SGSN，GGSN 的标识既有 7 号信令地址，又有数据 GGSN 的 IP 地址，网元设备之间的通信采用 IP 地址，而网元设备与MSC、HLR 等实体的通信采用信令地址。在 GPRS 系统中，有一个重要的数据库记录信息，即用户 PDP 上下文（分组数据协议上下文） ，用于管理从手机 MS 到网关 GGSN 及到 ISP 之间的数据路由信息。当 MS 访问 GPRS 内部网络或外部INTERINT 网络时，MS 提出 PDP 上下文请求消息，MS 可以与运营商签约选择固定服务的 GGSN。或由 SGSN 选择服务的 GGSN，SGSN 再向 GGSN 发建立 PDP 上下文请求消息。GGSN 分配 MS 一个 IP 地址。在成功地建立和激活 PDP 上下文后，MS，SGSN 和 GGSN 都存储了用户的 PDP 上下文信息。有了用户的位置信息和数据的路由信息，MS 就可以访问该网络的资源。用户通过 GPRS 网络接入到互联网、企业内部网或 ISP 时，需要对用户的身份、服务质量进行鉴权和数据加密等过程，用户 MS 的动态 IP 地址的分配可以分别由运营商、企业网或 ISP 等实现，因此 GPRS 用户的接入方式有透明接入和非透明接入两种方式。由于检测的任务是被控对象的温度， 通过 GPRS 模块发送到监测中心。通过向 GPRS 模块写入不同的 AT 指令完成多种功能。监测软件主要包括初始化程序、 信号采集处理程序和短消息收发程序等。初始化程序包括硬件初始化、定时器和串口初始化。信号采集和处理主要完成外部采集的温度转换，接收短消息采用查询方式，一旦短消息到达，调用串口接收程序解码短消息内容并做出相应处理;发送温度信号采用定时方式，将采集的温度编码为短消息，然后调河北联合大学信息工程学院28用发送指令将短消息发送到监测中心。通过 GPRS 网络发送数据，GPRS 模块上电后，首先完成网络注册等初始化工作，然后自动进行 PPP 拔号，再通过 TCP/IP 协议与位于互联网上的数据中心建立连接，为用户设备建立一条双向透明传输的无线通信链路。建立透明通道后，用户设备便可以通过串口向 GPRS 模块发送数据，GPRS 模块收到数据后将其封装成 IP 包，经过 GPRS 网络及 Internet 网络发送到数据中心，数据中心通过网络程序可以获取到这些数据。GPRS 设备在长期工作中，还会遇到许多外界的特殊情况。如信号弱、SIM 卡欠费、SIM 卡不兼容、无可用网络、通信链路异常断开、服务器出错等，这些都有可能造成设备故障而且无法恢复，所以必需针对各种可能出现的故障制定有效的解决方法才能保证设备可靠的工作。GPRS 通信流程图如下：图 3.2 GPRS 通信流程图3.3 系统总体程序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 C 语言编程。包括第 3 章 系统软件设计29向单片机对 GPRS 模块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。系统总体设计流程图：图 3.3 系统总体设计流程图河北联合大学信息工程学院30第 4 章 系统硬件电路板的设计 4.1 系统硬件原理图说明电子产品中各元器件或单元电路之间的连接关系及工作原理的图，称为电路原理图。图中，以元器件的图形符号代替实物，以实线条表示电关系的连接。电路原理图是电子技术实验以及电子产品生产的主要依据，应按要求绘制电路原理图，不可或缺。一般可以根据设计要求，绘制电原理图，也可根据实物绘制电原理图，本小节主要介绍根据设计要求绘制电原理图的一般规则和绘图步骤。1绘制电原理图的一般规则在电原理图中，元器件图形符号和文字符号，国家标准局有严格规定（即国标“GB” ） ，必须严格执行，不得任意更改或乱画。绘制电原理图的一般规则如下：元器件图形符号或单元电路的布局，要疏密得当、顺序合理。应保持图面紧凑、清晰；整个图面应由左到右，由上到下排列各种元器件及单元电路，一般单元电路的输入部分应排在左边，向右依玖是功能部分和输出部分。元器件图形符号的排列方向应与图纸底边平行或垂直，尽量避免斜线排列。两条引线相交时，若在线路上实连接，则在两线相交处用黑点表示，否则无黑点。引线折弯处要成直角。在电路中，共同完成同一任务的一组元件，不论实际电路中是否在一起，在图上都可以画在一起。图中可动元器件、部件的位置应合适。例如，开关、转换开关在断路或特殊要求位置；继电器、接触器等电磁可动部件应在规定位置。 为了清晰明了，允许将某些元器件的图形符号（如继电器等）分开绘在多个部分，但各部分的位置代号应该相同。对于串联或并联的元件组，在图上只绘一个图形符号，但要在元件目录表的备注栏中加以说明。各种图形符号要有一定比例，同一图上的共同图形符号尺寸大小要一致。需要说明波形变化时，允许在图上标出波形形状和特征数据。图形符号位置的安排，应以半导体器件（包括集成电路）为中心进行。第 4 章 系统硬件电路板的设计31通常共射或共集电路基极引线以水平放置为宜，共基电路基极引线以垂直放置为宜。元器件位置符号由文字符号及下标数字组成，如 R1、R2、C1、C2 等。位置符号应标注在图形符号上方或左方；元器件型号或标称值应标注在位置符号之后或下方。2绘图步骤依据实际电路的特点，按照绘图规则以及图形符号的尺寸，估算出欲画电原理图的长度和宽度，以便选择合适的图纸及尺寸，目的是绘制出布局合理、疏密适当、清晰的电原理图，以利于读图。 估算电路图总体尺寸。首先应对电路图的横向宽度和纵向高度进行估算，无论电路图复杂还是简单，都应以横向元器件图形符号最多处估算宽度，以纵向元器件图形符号最多处估算高度。具体方法是：第一，选定估算位置及其元器件图形符号数目以后，可以实际情况选定每个图形符号的尺寸；第二，选定每个图形符号端点引线的长度，引线长度的选择以元器件图形符号疏密适中和易于标注元器件位置代号、标称值为原则；第三，计算出横向各图形符号尺寸之和，再加上所有图形符号端点引线的长度即为电路图的横向宽度。以同样方法可以得到电路图的纵向高度。 按上述同样方法，确定单无电路（或某级电路）的宽度，并确定半导体器件的位置（一般居中） ，再依次画出半导体器件（含集成电路）周围的元器件图形符号。最后，通览全图，并将实连接的线条交叉点涂成黑色（大小要适中） ，标注电源符号和电压值，标注元器件位置符号和标称值，即完成了整个电路图的绘制工作。电源模块：两节 3.6V 锂电池串联，由 JP1 接口接入，经过 LM1117-3.3 和LM2596-ADJ 降压为+3.3V 和+3.8V 电平，分别为单片机、显示模块和 GPRS 模块提供高电平。显示模块：单片机的 P4.0P4.3 端口分别接液晶驱动芯片的DATA、WR、RD 、CS 端口。GPRS 模块：单片机的 P6.6 和 P6.7 分别控制 G