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电子与信息工程毕业论文:基于GPRS的远程信息采集系统.doc

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本 科 毕 业 设 计 基于 GPRS 的远程信息采集系统 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 在工农业生产中,在许多场合往往需要对一些异地的物理量进行监视。如深水网箱在远离海岸的海上养鱼,需对网箱的环境的水质参数和水 温参数等进行检测。 GPRS 是目前解决移动通信信息服务的一种较完美的业务,它是以数据流量计费,或大数据的包月包年计费。覆盖范围广泛,数据传输速度更快。故采用 GPRS 通信方式可以实现远程数据的传输。 本设计利用单片机 STC89C52 控制 F2313 GPRS DTU,温度芯片 DS18B20, OCM12864LCD 显示芯片构成一个 GPRS 远程信息采集系统,实现远程温度信息的无线传输。 F2313 GPRS DTU 是GPRS 的一个传输模块,它支持 PPP,TCP,UDP,DNS 等多种复杂网络协议和 SOCKET 插口标准,并支持全透明数据收发模式,发送的数据和接收的数据完全一样。该模块通信主要是通过 AT 指令来完成, AT 指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适配器发送的。本设计中以单片机与 DTU 设备通过串口相连来写入 AT 命令和传输有效数据,并在接收端用 OCM12864LCD 显示芯片设计一个 LCD 显示模块,以便于观察。对于单片机编程方面,传统的方式需要使用仿真器和程序烧录器进行程序的开发和烧录,这对于实物调试非常不方便。本设计中加入了在线编程模块,用 MAX232 来进行电平转化,使单片机与 PC 机通过串口方式相连,实物调试的时候就不需 要从电路板上取下单片机,可以直接对它用 ISP 的方式进行擦除或再编程。 本文着重讨论 GPRS 远程信息采集系统 的工作机理,硬件电路,及程序编程。整个电路设计的思路简单明确,程序功能完全,硬件电路简洁,消耗成本较小,有利于应用到各种实际的场合中。 关键词 DTU; STC89C52; GPRS;在线编程II Abstract In the industrial and agricultural production, in many cases often require the physical quantities of some off-site monitoring. Such as cage fish in the sea off the coast, the need for water quality parameters in cage environment and temperature parameters for testing. GPRS is the mobile ination services to solve a more perfect business, it is based on data flow accounting, or large data packets on the monthly billing. Cover a wide range of data transfer faster. Therefore, communication can be achieved using GPRS remote data transmission. This design uses SCM STC89C52 control F2313 GPRS DTU, temperature chip DS18B20, OCM12864LCD display chip to a GPRS remote data acquisition systems, remote temperature ination of the wireless transmission. F2313 GPRS DTU is a GPRS transmit module, which supports PPP, TCP, UDP, DNS and other network protocols and complex SOCKET socket standards, and support for transparent data transceiver mode, data sent and received data exactly the same. The module communication is mainly done through the AT command, AT command set is from the terminal equipment or data terminal equipment sent to the terminal adapter. The design of a microcontroller and the DTU is connected through the serial port device to write the AT commands and transmit valid data, and at the receiving end of a chip design with OCM12864LCD Display LCD display module in order to facilitate observation. For the microcontroller programming, the traditional way to use burner emulator and procedures for program development and burn, which is very convenient for debugging in kind. Added to the design of online programming module, with the MAX232 for level conversion, the microcontroller and the PC, connected through the serial port mode, you do not need real time debugging remove the microcontroller from the circuit board, can direct it with the way ISP erase or re-programming. This article focuses on GPRS remote data acquisition system working mechanism, hardware circuits, and programming. The idea of the circuit design simple and clear, the program fully functional, the hardware circuit is simple and consumes less cost, benefit applied to various practical occasions. Keyword DTU; STC89C52; GPRS; ISPIII 目录 引言 ................................................................ 1 第 1 章 设计要求及方案论证 ........................................... 2 1.1 设计要求 ..................................................... 2 1.2 系统基本方案选择和论证 ....................................... 2 1.2.1 主控芯片的选择方案和论证 ............................... 2 1.2.2 无线传输模块的选择 ..................................... 2 1.2.3 温度传感器的选择方案与论证 ............................. 3 1.3 电路设计最终方案决定 ......................................... 3 第 2 章 系统的设计概述 ............................................... 4 2.1 系统设计框图 ................................................. 4 2.2 系统硬件概述 ................................................. 4 2.3 主要芯片原理及概述 ........................................... 4 2.3.1 STC89C52RC 单片机 ....................................... 4 2.3.2 MAX232 芯片简介 ......................................... 5 2.3.3 数字温度传感器 DS18B20 .................................. 6 2.3.4 OCM12864 液晶显示模块 ................................... 7 2.3.5 F2313 GPRS DTU ......................................... 8 第 3 章 主要电路设计及其实现 ......................................... 9 3.1 STC89C52 单片机最小系统以及在线编程电路 ..................... 10 3.2 温度采集模块 ................................................ 12 3.2.1 DS18B20 初始化 ......................................... 13 3.2.2 DS18B20 的读写操作 ..................................... 13 3.2.3 温度采集模块主程序 .................................... 15 3.3 显示芯片 OCM12864 ........................................... 17 3.3.1 硬件电路连接与基本指令描述 ............................ 17 3.3.2 显示模块软件设计 ...................................... 20 3.4 GPRS 模块 F2313_GPRS DTU ..................................... 22 3.4.1 F2313 GPRS DTU 的初始化 ................................ 22 3.4.2 GPRS 模块软件部分设计 .................................. 24 IV 第 4 章 开发环境、制作调试过程 ...................................... 27 4.1 软件开发平台 Keil uVision2 .................................. 27 4.1.1 外围接口 .............................................. 27 4.1.2 性能分析 .............................................. 27 4.1.3 变量来源浏览 .......................................... 27 4.1.4 代码作用范围分析 ...................................... 28 4.2 制作调试过程 ................................................ 28 4.2.1 PCB 板制作 ............................................. 28 4.2.2 元器件焊接 ............................................ 28 4.2.3 电路调试 .............................................. 28 小结 ............................................................... 29 致谢 ................................................ 错误 未定义书签。 [参考文献 ] ......................................................... 30 附录 1设计 PCB 图 .................................................. 31 附录 2设计 实物 .................................................... 32 1 引言 在工农业生产中,在许多场合往往需要对异地的一些物理量进行检测和监视。目前在远程数据采集系统中,多是采用电台数传、电话网、自组网等方式作数据通信,这几种方式在实时性、稳定性、抗干扰性、可靠性等方面存在明显的不足,而且监控的距离也有一定的限制。而将 GSM/GPRS/CDMA技术应用于远程监控系统中,能发挥其数据传输稳定,数据流量大,接入方便等的优点,实现对远端现场数据的集中监控和管理,提高系统的抗干扰性,增强监控系统的可靠性和稳定 性。 GPRS( General Packet Radio Service GPRS)简单地讲就是“通用分组无线业务”。具体来说, GPRS网络是叠加在数字公用陆地移动通信网 GSM网络之上,为 GSM网络用户提供高速的分组数据业务的一种新的网络。它充分利用现有的无线网络资源,为 GSM用户提供诸如Internet等数据通信网络一种无线接入的方案。它是 GSM阶段 2加( Phase2)定义的新业务。由于目前 GSM移动电话用户占到了全球 4.5亿移动电话用户的四成以上,因此 GPRS在未来的移动数据市场中占有一定的天然优势 。 目前全世界已有近百个运营商开通了 GPRS商用系统、试商用系统或实验系统。较为著名的有英国的 BTCellNET、德国的 T-Mobile、中国香港的 Smartone、中国台湾的 TSL以及法国、西班牙、葡萄牙、芬兰、捷克、丹麦、比利时、意大利、俄罗斯、澳大利亚、新加坡、菲律宾等国家和地区的运营商。可以说, GPRS已经被所有 GPRS运营商所关注,亟待投入商业运行。 国际上有名的大型电信设备制造厂商也都在积极开发 GPRS的相关产品,提出了一系列的解决方案,世界各地的移动网络运营商也纷纷响应,配合电信设备制造厂商提 供了大量的 GPRS服务实验区。在 GPRS设备开发中,国外制造商比国内要快,现已开发出 B和 C类终端。A类手机的开发仍在研制中,相关的无线和网络设备都已推出,正在积极抢占市场。其中诺基亚、西门子、摩托罗拉、爱立信等国际手机巨头都研制出 GPRS手机。手机巨头轰轰烈烈的擂台赛,也在预示着 GPRS的快速到来。 而 2001年 6月 13日, GSM联合会(移动通信业的行业标准制度机构)宣布的一套有关 GPRS系统提供文字及其它多媒体服务的标准,对移动通信行业来说,可以算得上是又一重要转折点。 国内动作比国外要平缓,但是也取得了 相应的进展。目前南京的 GPRS网络已在试运行中;去年 5月初,北京移动在国展附近开通了 GPRS网络;中国移动去年 7月 9日也已开始了酝酿已久的 GPRS业务,在全国 16个省(市)的 25个城市投入试商用。 尴尬也好、争议也好、炒作也好、实战也好,总之 GPRS仍旧在沿着轨迹前进着。 GPRS为终端使用者提供的好处有 1 GPRS将向大众市场提供了真正的无线 Internet和其他分组网的接入。 2) 在需要的时间和地区,采用始终在线网路连接的方式,提供友好的用户应用。所有现存的基于 TCP/IP应用都能使用 GPRS,即 使与 LAN相连。 3 GPRS提供快速的连接,终端用户可以长时间处于在线状态。 4 GPRS能很容易地使用现有的应用,并且有能力提供新应用。 5 仅根据数据传送量付费。 2 第 1 章 设计要求及方案论证 1.1 设计要求 本课题的设计的基本要求 以温度或光照信息为对象,完成基于 GPRS的远程信息采集系统的设计, 能用于演示。 设计主要内容 1温度或光照信息采集 2基于 GPRS 的采样端软硬件设计 3远程主控端的信息显示系统设计 1.2 系统基本方案选择和论证 1.2.1 主控芯片的选择方案和论 证 方案一基于 ARM-linux 系统 整个系统主要由数据采集子系统、调控子系统、中央控制子系统及监控主机组成。其中,数据采集与调控子系统为设备前端,中央控制子系统为设备后端。通过各种数字传感器,将被测对象的物理量转化为电信号,经处理后,输入到微控制器 ARM 开发板 MCU; ARM 开发板 MCU可以通过数据传输网络将数据传输到中央控制系统。中央控制子系统可通过以太网接入Internet,由于系统内嵌 Web 服务器,因此局域网或 Internet 的远程主机上的用户通过浏览器就可以访问系统,实现远距离监控。 方案二基于 STC89C51 单片机 该系统的硬件由下位机 STC89C51 单片机系统和上位机 PC 机组成。下位机主要完成数据的采集、模 /数转换、数据实时显示、预处理和控制执行机构;上位机主要完成系统参数和控制参数的设定、数据处理、分析、显示等任务。 数据采集系统工作过程为首先数据采集模块通过传感器把各种环境因子的非电量转换成电量,传送给单片机;单片机对数据进行处理后控制 LCD 显示模块使该数据显示在屏幕上,然后通过无线传输模块来实现数据的远程传输,作为数据终端的 PC 机即可在经过处理后显示当前的信息量。 从上述两种方案中我们 可以看到方案二较为合理, STC89C51 系列单片机上拥有其他 51 单片机的功能,集成度高、功能齐全。而且 现在的 8 位单片机技术硬件发展的也非常得快, 非常成熟能够满足本次设计实验的要求。而 STC89C51 系列单片机有特有的功能,它有独特的EEPROM 功能和 ISP(在系统可编程) /IAP(在应用可编程),无需专用编程器 /仿真器即可通过串口( P3.0/P3.1)直接下载用户程序, 8K 程序 3 秒即可完成一片,使用方便快捷。对应的LCD,温度传感器等也非常常见,价格也相对便宜。如果使用 ARM 嵌入式系统则会增加该系统的成本, 且由于 ARM 系统本身的指令集比较繁琐,会导致程序过于冗长。 1.2.2 无线传输模块的选择 方案一使用 GSM 短消息方式进行传输 GSM 系统是欧洲在 20 世纪 80 年代设计、 1992 年开通的数字移动通信系统,短消息业务3 是 GSM 系统提供给手机用户的一种特殊服务。在设计中,将控制器和 GSM 模块相结合,设计成一个智能短消息无线收发器,用它把系统接入 GSM 网络完成无线数据传输。通过短信收发器对采集的数据在 PDU 模式进行编码,形成短消息数据包,将数据包用 AT 命令发送到远程的数据接收端,从而得到现场数据。 方案二使用 GPRS 网络进行传输 GPRS 是通用分组无线业务 General Packet Radio Service的英文简称 ,是中国移动利用现有 GSM 网络资源 ,在其基础上发展出来的一种新的分组数据承载业务。 GPRS 与现有的 GSM 语音系统最根本的区别是 , GSM 是一种电路交换系统 ,而 GPRS 是一种分组交换系统。 GPRS 允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据 ,而不需要利用电路交换模式的网络资源 ,从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。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。相对原来 GSM 的拨号方式的电路交换数据传送方式 , GPRS 采用分组交换技术 ,为用户提供端到端的、广域的无线 IP 连接。 通过对两种无线传输模式的对比,方案二显然更具有可行性。使用 GSM 短消息方式有运行费用低,点到点通信等优点。但它为半双工通信方式,不能同时双向收发数据,同时相对GPRS 而言,平均传输时延较大。在数据接收方面, GSM 需要手机来进行接收,这不利于对信息的实时监控。 当前市场上有多种 GPRS 模块可以选用,选择模块时参考因素主要有模块简单易用,稳定性好,最好内嵌 TCP/IP 协议等 。本设计中选用济南飞天科技的 F2313_GPRS DTU 来作为数据传输模块,它可以根据设置好的工作参数,无需其它任何设备,上电自动拨号上网,自动连接服务器。与 GSM 模块相同,主控设备对 GPRS 模块进行控制时也是通过串口发送各种 AT 指令,并且可以预先将模块与 PC 机相连来对它的各项工作参数进行配置。 1.2.3 温度传感器的选择方案与论证 方案一热敏电阻 使用热敏电阻作为传感器,用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压,利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性,采集这两个电阻变化的分压值,并进行 A/D 转换。。此设 计方案需用 A/D 转换电路,增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线并不是严格线性的,会产生较大的测量误差。 方案二 DS18B20 采用数字式温度传感器 DS18B20,此类传感器为数字式传感器而且仅需要一条数据线进行数据传输,易于与单片机连接,可以去除 A/D 模块,降低硬件成本,简化系统电路。另外,数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点。 1.3 电路设计最终方案决定 综上各方案所述 ,对此次设计的方案选定 采用 STC89C52 作为主控制系统 ; 用F2313_GPRS DTU 来实现远程数据传输 ;数字 式温度传感器 DS18B20 作为温度芯片 ;OCM12864 作为显示芯片。 4 第 2 章 系统的设计概述 2.1 系统设计框图 O C M 1 2 8 6 4M A X 2 3 2S T C 8 9 C 5 2R S 2 3 2D S 1 8 B 2 0P C 机数 据 接 收 端G P R S D T UGPRS网络图 2.1 系统设计框图 2.2 系统硬件概述 本电路是由 STC89C52 单片机为控制核心,内部存储空间较大,低功耗,并能通过 RS232与 PC 机相连进行在线编程。由于电脑串口输出电压高达 12V,直接与单片机相连会烧坏芯片。所以用 MAX232 来进行电平转换;温度的采集由 DS18B20 构成,这种数字传感器具有独特的单线接口方式,在与微处理 器连接时仅需要一条口线即可实现单片机与 DS18B20 的双向通讯;显示部份由 LCD显示芯片 OCM12864显示当前温度值 ;在无线传输方面通过 GPRS网络进行传输。DTU 全称数据传输单元,是专门用于将串口数据转换为 IP 数据通过无线通信网络进行传输的无线终端设备。本设计中采用的是 F2313_GPRS DTU,它是一个由 GPRS 引擎加上 MCU 微处理器组成的控制系统,来实现数据的无线透明收发。 2.3 主要芯片原理及概述 2.3.1 STC89C52RC 单片机 STC89C51RC/RD系列单片机是宏晶科技推出的新 一代超强抗干扰 /高速 /低功耗的单片机,指令代码指令代码完全兼容传统 8051,12时钟 /机器周期和 6时钟 /机器周期可以任意选择最新的 D版内部集成 MAX810 专用复位电路。 特点 1 增强型 6 时钟 / 机器周期, 12 时钟 / 机器周期 8051 CPU 2 工作电压 5.5V - 3.4V( 5V 单片机) / 3.8V - 2.0V( 3V 单片机) 3 工作频率范围 0 - 40 MHz,相当于普通 8051 的 0~ 80MHz.实际工作频率可达 48MHz. 4 用户应用程序空间 4K / 8K / 13K / 16K / 20K / 32K / 64K 字节 5 片上集成 1280 字节 / 512 字节 RAM 6 通用 I/O 口( 32/36 个),复位后为 P1/P2/P3/P4 是准双向口 / 弱上拉。 P0 口是开漏5 输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为 I/O 口用时,需加上拉电阻 7 I S P (在系统可编程) / I A P (在应用可编程),无需专用编程器 / 仿真器 可通过串口( P3.0/P3.1)直接下载用户程序, 8K 程序 3 秒即可完成一片 8 EEPROM 功能 9 看门狗 10 内部集成 MAX810专用复位电路( D版本才有),外部晶体 20M以下时,可省外部复位电路 11 共 3个 16位定时器 / 计数器,其中定时器 0还可以当成 2个 8位定时器使用 12 外部中断 4路 ,下降沿中断或低电平触发中断 ,Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒 13 通用异步串行口 UART,还可用定时器软件实现多个 UART 14 工作温度范围 0 - 75℃ / -40 - 85℃ 15 封装 PDIP-40, PLCC-44,PQFP-44 以下是引脚结构图 图 2.2 STC89C52 单片机引脚结构图 2.3.2 MAX232 芯片简介 MAX232 芯片是美信公司专门问电脑的 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用5V 单电源供电,其引脚结构图如下 图 2.3 MAX232 引脚结构图
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