基于單片機控制遠程數據采集系統硬件設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 SM網絡的工作模式 目前，國內已經開始使用的 GSM模塊有 Fal的 A2D系列、 Wavee的 WMO2系列、西門子的 TC35系列、愛立信的 DM10/DM20系列、中興的 ZXGM18系列等，而且這些模塊的功能、用法差別不大。其中西門子的 TC35系列模塊性價比很高，并且已經有國內的無線電設備入網證。所以本設計選用的是西門子 TC35系列的 TC35i。這是西門子推出的最新的無線模塊，功能上與 TC35兼容，設計緊湊，大大縮小了用戶產品的體積。 TC35i與 GSM 2/2+兼容、雙頻 (GSM900/GSMl800)、 RS232數據口、符合 ETSI標準 GSM0707和 GSM0705，且易于升級為 GPRS模塊。該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的 AT命令接沈陽建筑大學畢業設計（論文） 7 口，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計。 圖 12 GSM網絡 GSM 網絡是國內覆蓋范圍最廣，應用最普遍的無線通信網絡。主要利用其短消息業務（ SMS）實現上述功能， SMS 是通過 GSM 網的控制信道傳輸用戶分組信息的一種增值服務，經短消息業務中心完成存儲和前轉功能，特別適合信息量不大的業務數據，它使用 GSM 網的公共控制信道，通話期間不影響短消息的傳輸。短消息業務的優點是傳輸速度快，單個數據傳輸價格便宜，不占用話音；利用這些特點，及其雙向傳輸的性能，可方便地實現對于采集站設備的信息采集和遠程控制，實現遙控、遙測等。 由于 GSM網絡在全國范圍內實現了聯網和漫游，具有網絡能力強的特點，用戶無需另外組網，在極大提高網絡覆蓋范圍的同時為客戶節省了昂貴建網費用和維護費用。同時，它對用戶的 數量也沒有限制，克服了傳統的專網通信系統投資成本大，維護費用高，且網絡監控的覆蓋范圍和用戶數量有限的缺陷。比起傳統的集群系統在無線網絡覆蓋上具有無法比擬的優勢，加上 GSM 的 SMS 本身具備的數據傳送功能，都使得這些應用得到迅速的普及。利用 GSM短信息系統進行無線通信還具有雙向數據傳輸功能，性能穩定，為遠程數據傳送和監控設備的通信提供了一個強大的支持平臺。 基于 GSM網絡的短消息作為一種數據傳輸模式，具有網絡覆蓋面廣、用戶投資小、運營費用少的優點，對于監控采集點分散、覆蓋面廣、監控點不固定、實時性要求較低的監控 采集系統具有無可比擬的優勢。 溫度控制的現狀和發展趨勢 溫 度是工業對象中一個主要的被控參數，它是一種常見的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。沈陽建筑大學畢業設計（論文） 8 溫度控制是許多機器的重要的構成部分，它的功能是將溫度控制在所需要的溫度范圍內，然后進行工件的加工與處理。不論是在生活中還是在工業生產過程中，溫度的變化對生活、生產的某些細節環節都會造成不同程度的影響，所以適時地對溫度 進行控制具有重要的意義。 目前，市場上有很多比較先進的溫度控制儀，如美國福祿克公司 (Fluke Corporation)提供的緊湊式高準確度標準溫度爐，能滿足只有極少公司才可達到的IECIOIO 和 CSA 安全標準。其 500 系列溫控儀有以下特點 :45℃ ～ 670℃ 可選溫度范圍，溫度穩定性為 ℃ ，溫度一致性為 ℃ ，溫度不確定性 ℃ ，計算機接口包括RS232 標準配置，重量 ，尺寸為 318*203*267mm 。福祿克公司旗下的 HART 公司更是溫度校準的恒溫曹世界第一銷量的公司， HART 設計的獨一無二的控制技術能夠給出 177。 的溫度穩定性。恒溫槽設置點的超高分辨力可達到小數點后 5位的高精度。另外，還有德國的 Lauda 公司生產的加熱 /冷卻恒溫浴槽、冷卻器，溫度控制精度可達正負 。這些都是當今在溫度控制領域研究出來的比較先進的產品，其勢頭還將一路發展下去，本領域的研究還將不斷地進行，也必將會有更多、更加先進、經濟的產品問世。 沈陽建筑大學畢業設計（論文） 9 第二章 系統構架的設計 系統構成 系統分為監測中心站和遠程監測分站兩部分：監測中心站主要由監 測中心站服務器、 GSM 無線通信模塊、數據庫系統及其應用軟件組成；遠程監測分站主要由 AT89C52單片機及外圍電路、溫度傳感器和 GSM 無線通信模塊 (TC35i)組成。監測中心控制 GSM無線通信模塊收發短消息，接收各監測分站采集的溫度數據 ,然后對數據進行顯示、處理和打印等。遠程監測分站實現溫度數據的采集、處理和顯示。同時控制 GSM 無線通信模塊收發短消息。監測中心站與遠程監測分站之間通過 GSM 網絡實現無線遠程通信。實現了基于 GSM網絡的遠程監測系統。 單片機外圍電路設計 該系統的 MCU 采用 Atmel 公司生產的 AT89C52 單片機。它是一種低電壓、低功耗、高性能的 CMOS 8 位單片機，片內含 8 KB 可反復擦寫的程序存儲器和 256 B 的數據存儲器。單片機外圍電路除了包括單片機正常工作所必須的元件外，還包括鍵盤、 LED顯示電路及看門狗電路等，系統硬件電路原理圖如圖 21 所示。 圖 21 單片機外圍電路原理圖 沈陽建筑大學畢業設計（論文） 10 按鍵用于對終端進行參數設置。 4 位 LED 顯示器可以顯示現場的溫度數據。方便相關人員現場讀取。為了實現可靠的復位信號，并且能在計算機受到干擾，程序不能正常運行時自動產生復位信號。設計溫度采集電路時應選用 Dallas 公司生產的微機監控電路 DSl232(看門狗 )。其主要功能為：產生上電復位和手動復位；監視電源電平；監視軟件運行狀態；當程序運行出現飛車時，產生復位信號。 溫度檢測電路 溫度檢測電路采用 Dallas 公司生產的 1Wire 接口數字溫度傳感器 DSl8B20，它采用 3 引腳 T092 封裝：溫度測量范圍為 55℃ ～ +125℃ ．編程設置 9～ 12位分辨率。現場溫度直接以 1Wire 的數字方式傳輸。大大提高了系統的抗干擾性。多個 DSl8B20 可并聯至 3 或 2根總線上． CPU 只需 1根端口線就能與多個 DSl8B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。溫度檢測電路原理圖如圖 21 所示，主機控制 DSl8B20實現溫度轉換， DSl8B20 采用外接電源方式，其 VDD 端采用 3 v～ V電源供電 。 TC35i 通信模塊外圍電路 隨著通信技術的發展，基于移動通信網絡服務功能，正向工業控制和遙控領域有不斷擴大的趨勢。為適應這種需要，西門子公司推出了新一代無線通信 GSM 模塊 ——TC35i，基于該模塊的短消息功能，可以快速安全可靠地實現用戶信息處理等功能，特別適用于控制中心與終端設備距離很遠，或不便采用有線通信介質等場合，例如油井信息采集后的傳輸、遠程抄表系統、城市交通導向等均基于 TC35i 模塊來實現。 TC35i 外圍電路接線圖如圖 22所示。 沈陽建筑大學畢業設計（論文） 11 圖 22 TC35i外圍電路接線圖 電源電路分為充電電池 和穩壓電源模塊兩部分。充電電池為整個系統提供 V 工作電壓．同時產生 MAX232 所需要的 高電平：三端電源模塊 LM7806 將外部 12 V 直流電源轉換為 6 v．連接至 ZIF 連接器的 1 12 引腳。在充電模式下可為 TC35i 提供 6V／ 500mA 的充電電源。 啟動電路由漏極開路三極管和上電復位電路組成。模塊上電 10ms 后 (電池電壓須大于 3 V)，為使之正常工作，必須在 15 引腳 (IGT)施加低電平信號，至少保持 100 ms且該信號下降沿時間小于 1ms，啟動后 15 引腳應保持高電平。 基帶處理器集成了一個與 ISO 78163 IC Card 標準兼容的 SIM 接口。為了適合外部的 SIM 接口，該 接口連接到主接口 (ZIF 連接器 )。在 為 SIM 卡預留 5 個引腳的基礎上， TC35 在 ZIF 連接器上為 SIM 卡接口預留了 6個引腳，所添加的 CCIN 引腳用來檢測 SIM卡支架中是否插有 SIM卡。當插入 SIM 卡，該引腳置為高電平時，系統方可進入正常工作。 數據通信電路主要實現短消息收發、與 PC機通信、軟件控制等功能。 TC35i的數據接口采用串行異步收發，符合 RS232接口電路標準。工作在 CMOS電平 ( V)。數據通信電路以 MAX232為核心實現電平轉換及串口通信。 沈陽建筑大學畢業設計（論文） 12 TC35 的 SYNC 引 腳有兩種工作模式，可用 AT 命令 AT SYNC 進行切換。一種是指示發射狀態時的功率增長情況，另一種是指示 TC35 的工作狀態。本模塊使用的是后一種功能：當 LED熄滅時 ,表明 TC35 處于關閉或睡眠狀態；當 LED 為 600ms 亮 /600ms 熄時，表明 SIM 卡沒有插入或 TC35 正在進行網絡登錄；當 LED 為 75ms 亮 /3s 熄時，表明 TC35已登錄進網絡，處于持機狀態。 系統抗干擾措施 抗干擾設計是單片機應用系統設計的重要組成部分，沒有良好的抗干擾措施，系統就無法安全可靠的工作。當然，我們只能通過系統軟件、硬件設計盡 可能的減少干擾帶來的影響，而不可能完全消除干擾。本系統在抗干擾方面考慮了如下的問題。 ①電源去耦，在電源線和地線之間并聯 47uF和 ，并聯大電容為了去除低頻干擾，并聯小電容為了去除高頻干擾。 ②加寬地線和電源線，加寬后的地線和電源線是信號線的 7倍。 ③所有芯片可靠接地，并且接地線構成環路。 ④手工布置元件和布線，連線盡可能短。 ⑤雙面板兩面的線條盡可能垂直交叉。 ⑥避免來自傳感器，測量信號功能模塊，控制信號功能信號的干擾，模擬電路通路通過隔離放大器進行隔離 ，數字電路通過光電耦合器進行隔離。 ⑦軟件設計中采用一些方法抗干擾，如軟件數字濾波，去抖動，重復初始化等。 沈陽建筑大學畢業設計（論文） 13 第三章 系統的硬件設計 系統結構分析與硬件框圖 目前，國內已經開始使用的 GSM 模塊有很多，而且這些模塊的功能、用法差別不大。本設計采用的是西門子 TC35 系列的 TC35i 。這種無線模塊功能上與 TC35 兼容，設計緊湊，大大縮小了用戶產品的體積。 TC35i 與 GSM2/2 兼容、雙頻（ GSM900/GSM1800）、RS232 數據接口，該模塊及射頻電路和基帶與一體 ，向用戶提供標準的 AT 命令接口，為數據、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應用開發及設計。 網絡通信系統總體結構框圖如圖 31所示。 圖 31 系統總體結構框圖 系統主要的任務是監測被控對象的溫度．然后通過 TC35i發送到監測中心。 下面分別對硬件電路的各部分進行說明。 AT89C52 單片機 [4] AT89C52 單片機內部結構說明 制造工藝為 CMOS的 AT89C52單片機采用的是 40只引腳的雙列直插封裝（ DIP）方式。其片內的結構如圖 32所示，如果按功能劃分，它由 8個部件組成，即微處理數據（ CPU），存儲器（ RAM），程序存儲器（ E2PROM）， I/O口（ P0口、 P1口、 P2口、 P3口），串行口，定時器 /計數器，中斷系統及特殊功能寄存器（ SFR）。 沈陽建筑大學畢業設計（論文） 14 圖 32 89C52單片機片內結構圖 ①數據存儲器（ RAM）：片內為 256個字節（單元），片外最多擴至 64K字節。 ②程序存儲器（ E2PROM）： AT89C52單片機含有 8K字節的快擦寫可編程 /擦除只讀存儲器（ E2PROM）。片內最多可擴至 64K字節。 ③中斷系統：具有 6個中斷源， 2級中斷優先權。 ④定時器 /計數器： 3個 16位的定時器 /計時器，具有四種工作方式。 ⑤串行口： 1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。 ⑥ P0口、 P1口、 P2口、 P3口：為 4個并行 8位 I/O口。 ⑦特殊功能寄存器（ SFR）：共有 21個，用于對于片內各功能模塊進行管理，控制監視。實際上是一些控制寄存器和狀態寄存器，是一個特殊功能的 RAM區。 ⑧微處理