【正文】 ........ 49 附錄 4： GPRS 模塊程序 ........................................................................................ 52 附錄 5：系統(tǒng)整體程序 ........................................................................................... 54 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 引言 溫度檢測技術(shù)在我國的工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常普遍，傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)一般采用分散式三級(jí)系統(tǒng)，這 種系統(tǒng)多采用有線傳輸方式，其遠(yuǎn)程線路鋪設(shè)及維護(hù)不僅需要較高的成本，而且引線過長將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功耗上升，穩(wěn)定性下降。溫度控制是 工 業(yè)生產(chǎn)過程中經(jīng)常遇到的過程控制。隨著社會(huì)的進(jìn)步和生產(chǎn)的需要，利用無線通信進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集的方式應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活各個(gè)方面。由于廠房大、需要傳輸數(shù)據(jù)多，使用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式就需要鋪設(shè)很多很長的通訊線，浪費(fèi)資源，占用空間，可操作性差，出現(xiàn)錯(cuò)誤換線困難。 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，不論是溫室大棚的溫度監(jiān)測，還是糧倉的管理，傳統(tǒng)上都是采取分區(qū)取樣的人工方法，工作量大，可靠性差。 當(dāng)前的科技水平下，無線通信技術(shù)的發(fā)展使得溫度采集測量精確，簡便易行。如今很多家庭都會(huì)安裝室內(nèi)溫度采集控制系統(tǒng)，其原理就是利用無線通信技術(shù)采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)室內(nèi)溫度情況進(jìn)行遙控通風(fēng)等操作，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度濕度，可以更好地改善人們的居住環(huán)境。該接口設(shè)計(jì)具有成本低、傳輸速率高、軟件設(shè)計(jì)簡單以及通信穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的有線測溫方式存在著布線復(fù)雜，線路容易老化等問題。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。 GPRS 設(shè)備數(shù)據(jù)監(jiān)控終端傳 輸設(shè)備一開機(jī)就能自動(dòng)附著到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)上，與數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)在線進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，高速輸，可靠性高。 GPRS 技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展，已經(jīng)能夠?qū)嶋H應(yīng)用到許多需要無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，也為溫度采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數(shù)據(jù)通信方式。 課題設(shè)計(jì)意義 本文對(duì) GPRS遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。系統(tǒng)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)精度高，系統(tǒng)操作簡單，而且可應(yīng)用于有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備無法到達(dá)的地方，實(shí)現(xiàn)了溫度監(jiān)測的自動(dòng)化智能化，具有成本低廉分布靈活，實(shí)時(shí)在線的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)給遠(yuǎn)程對(duì)溫度的要求提供了方便，而且快捷，成本不高等，為農(nóng)業(yè)工業(yè)生產(chǎn)帶來極大的方面。 MSP430F149 芯片是美國 TI 公司推出的超低功耗微處理器，有 60KB+256 字節(jié) FLASH， 2KBRAM，包括基本時(shí)鐘模塊、看門狗定時(shí)器、帶 3個(gè)捕獲 /比較寄存器和 PWM 輸出的 16 位定時(shí)器、帶 7 個(gè)捕獲 /比較寄存器和 PWM 輸出的 16位定時(shí)器、 2個(gè)具有中斷功能的 8 位并行端口、 4 個(gè) 8 位并行端口、模擬比較器、 12 位A/D 轉(zhuǎn)換器、 2個(gè)串行通信接口等模塊。 （ 2）高效 16位 RISCCPU， 27 條指令， 8MHz 時(shí)鐘頻率時(shí)，指令周期時(shí)間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期完成； 32kHz 時(shí)鐘頻率時(shí)， 16 位 MSP430 單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的 8位單片機(jī) 20MHz 時(shí)鐘頻率時(shí)的執(zhí)行速度。 MSP430 系列單片機(jī)的所有外圍模塊的控制都是通過特殊寄存器來實(shí)現(xiàn)的，故其程序的編寫相對(duì)簡單。 MSP430F149 芯片引腳 58腳 RST/NMI 為 430 單片機(jī)的復(fù)位引腳（低電平有效）。 64腳 AVCC， 62 腳 AVSS 為模擬電源接口。 32腳 UTXD0， 33 腳 URXD0 的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī)兩路串口通訊接口中的第一路。 29腳 SIMO0， 30 腳 SOMI0， 31 腳 UCLK0 的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī)兩路 SPI 通訊接口中的第一路 。 48腳的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī) MCLK（主系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端。 50腳的第二功能為 MSP430F149 單片機(jī)， ACLK（輔系統(tǒng)時(shí)鐘）的輸出端。 8腳， 9腳為外部低頻時(shí)鐘晶振輸入端（程序中說明一般用 LFXTICLK表示）。 54 腳 TDO/TDI， 55 腳 TDI/TCLK， 56 腳 TMS， 57 腳 TCK 為 JTAG 接口（同時(shí)擁有仿真器和編程器的功能），用于下載程序并實(shí)現(xiàn)硬件在線仿真。 （ 1） 單片機(jī) 圖 單片機(jī)硬件原理圖 （ 2）晶振電路 河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院 6 MSP430 系 列單片機(jī)時(shí)鐘模塊包括數(shù)控振蕩器 (DCO)、高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器等 3 個(gè)時(shí)鐘源。數(shù)字控制振蕩器 DCO 已經(jīng)集成在 MSP430 內(nèi)部，在系統(tǒng)中只需設(shè)計(jì)高速晶體振蕩器和低速晶體振蕩器兩部分電路。低速晶振振蕩器默認(rèn)工作在低頻模式，即 ，也可以通過外接 450kHz～ 8MHz 的高速晶體振蕩器或陶瓷諧振器工作在高頻模式，在本電路中我們使用低頻模式，晶振外接 2個(gè) 15pF 的電容經(jīng)過 X3和 X4 連接到 MCU。在系統(tǒng)中采用 4MHz 的晶體，外接 2 個(gè) 20pF 的電容經(jīng)過 X1 和 X2連接到單片機(jī)。 第 2 章 系統(tǒng)主要模塊介紹和硬件設(shè)計(jì) 7 圖 復(fù)位電路原理圖 GPRS 模塊介紹 MG323 模塊是華為推出的一款 4 頻段的 GPRS 模塊。 GPRS 模塊 B2B 連接器接口 MG323 模塊對(duì)外接口形態(tài)為 50pin B2B 連接器， MG323模 塊 對(duì)外 50pin B2B 信號(hào)接 口 管腳順序和定義如下圖所示。 表 21 電源接口管腳定義 管腳號(hào) 信號(hào)名 描述 4 4 4 4 50 VBAT 供電電源電壓輸入管腳 4 4 4 4 49 GND 地 35 VCOIN 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (RTC)備用電源輸入管腳 40 VIO 對(duì)外電源輸出管腳 （ 1） VBAT 接口 MG323 模塊正常工作時(shí)需要通過 VBAT 管腳來提供供電電源，供電電源電壓輸入范圍為 ～ （典型值 ）。 當(dāng) MG323 模塊針對(duì)不同外部應(yīng)用時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注供電電源方面的設(shè)計(jì)。 對(duì)于外部供電電源，推薦使用電流輸出能力大于 2A 的 LDO 或開關(guān)電源，并且 在模塊 的電源端口處并聯(lián)一個(gè) 2mF 以上的蓄能電容。此外，為了降低通路上阻抗對(duì)電壓跌落的影響，建議盡量縮短 VBAT 的走 線。當(dāng) VBAT 在位時(shí)，實(shí)時(shí) 時(shí)鐘 RTC 可以優(yōu)先通過 VBAT 供電；當(dāng) VBAT 不在位時(shí)， VCOIN 為實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC 提 供備用電源輸入，此時(shí) MG323 模塊維持實(shí)時(shí)時(shí)鐘 RTC 功能所需電流約為 5uA。 MG323 模塊支持對(duì)外部備用電池進(jìn)行充電，當(dāng) VBAT= 時(shí)，充電電流約為 (典型值 )。當(dāng) MG323 模塊處于 SLEEP 模式下， VIO 處于開啟的低功耗狀態(tài)（ 500uA）；當(dāng) MG323 模塊在 Power Down 模式時(shí)， VIO 則處于關(guān)閉狀態(tài)。 表 22 控 制信 號(hào) 接口 管 腳定義 管腳號(hào) 信號(hào)名 描述 20 TERM_ON 開 /關(guān)機(jī)控制管腳 22 RESET 硬件復(fù)位管腳 25 LED_STATUS 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示管腳 （ 1）輸入控制信號(hào) 對(duì)于輸入控制信號(hào)接口部分， MG323 模塊主要實(shí)現(xiàn)開 /關(guān)機(jī)控制和硬件復(fù)位功能。當(dāng) TERM_ON 管腳拉低 ≥1s 后，即可開機(jī)；開 機(jī)后，如果再次將 TERM_ON 管腳拉低 ≥1s ，即可關(guān)機(jī)。當(dāng)模塊出現(xiàn)軟件死機(jī)的情況時(shí)，通過拉低 RESET 管腳≥10ms 后，模塊進(jìn)行硬件復(fù)位。 LED 狀態(tài)指示燈閃爍的不 同模式，代表了不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，管腳狀態(tài)如下表所示。 圖 MG323 信號(hào)指示燈 河北聯(lián)合大學(xué)信息工程學(xué)院 12 （ 3）開 /關(guān)機(jī)時(shí)序 MG323 模塊可以通過開 /關(guān)機(jī)鍵 TERM_ON 進(jìn)行開機(jī)，開機(jī)后軟件會(huì)根據(jù)實(shí)際設(shè)置情 況上報(bào)相關(guān)信息。當(dāng) MG323 模塊出現(xiàn)軟件死機(jī)的情況時(shí)，您可以通過 RESET 信號(hào)控制模塊實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位功能。 圖 關(guān)機(jī)時(shí)序 UART 接口 MG323 模 塊 對(duì)外提供一路異步 RS232 UART1(8 線全串口 )通信接口。 第 2 章 系統(tǒng)主要模塊介紹和硬件設(shè)計(jì) 13 表 24 UART 接口定義 管腳號(hào) 信號(hào)名 描述 29 UART1_RD 模塊數(shù)據(jù)發(fā)送端 33 UART1_TD 模塊數(shù)據(jù)接收端 38 UART1_RIN G 模塊振鈴指示 32 UART1_DSR 模塊數(shù)據(jù)設(shè)備就緒 34 UART1_RTS 請(qǐng) 求發(fā)送 36 UART1_DTR 數(shù)據(jù)終端就緒 28 UART1_CTS 模塊清除發(fā)送 24 UART1_DCD 模塊載波檢測 SIM 卡接口 MG323 模塊提供了符合 ISO78163 標(biāo)準(zhǔn)的 SIM 卡接口，支持自動(dòng)檢測 和 SIM 卡， SIM 卡接口定義如下表所示。 SIM 卡接口硬件電路如下圖所示。 DS18B20 溫度芯片是一種集成芯片，能夠有效的減小外界的干擾，提高測量的精度，簡化電路的結(jié)構(gòu) 。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用溫度芯片 DS18B20，也正是順應(yīng)了這一趨勢。信息經(jīng)過單線接口送入 DS1820或從 DS1820 送出。因?yàn)槊恳粋€(gè) DS1820 有唯一的系列號(hào)，因此多個(gè) DS1820 可以存在于同一條單線總線上，這樣占用微 處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。此特性的應(yīng)用范圍包括 HVAC 環(huán)境控制、建筑物設(shè)備或機(jī)械內(nèi)的溫度檢測，以及過程監(jiān)視和控制中的溫度檢測。C，在 10～+85186。 。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。 在本檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用外部電源供電測溫的工作方式，其中電阻 R是上拉電阻，使得單線總線的空閑狀態(tài)是高電平。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （ 1）光刻 ROM 中的 64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該 DS18B20 的地址序列碼。光刻 ROM的作用是使每一個(gè) DS18B20 都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè) DS18B20 的目的。 圖 DS18B20 溫度值格式表 這是 12位轉(zhuǎn)化后得到的 12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在 18B20 的兩個(gè) 8比特的 RAM中，二進(jìn)制中的前面 5 位是符號(hào)位，如果測得的溫度大于 0，這 5位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于 0，這 5位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1 再乘于 即可得到實(shí)際溫度。 DS18B20 的工作原理 DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成于 一個(gè)芯片之上，從而抗干擾力更強(qiáng)。在講解其工作流程之前我們有必要了解 18B20 的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由用戶更改。 （ 2） RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電 后丟失， DS18B20 共 9 個(gè)字節(jié) RAM，每個(gè)字節(jié)為 8位。在上電復(fù)位時(shí)其值將被刷新。第 8個(gè)字節(jié)為計(jì)數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計(jì)的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計(jì)算的暫存單元。 EEPROM 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報(bào)警值和校驗(yàn)數(shù)據(jù)， DS18B20 共 3 位 EEPROM，并在 RAM 都存在 鏡像，以方便用戶操作。 圖 DS18B20 的初始化時(shí)序圖 先將數(shù)據(jù)線置高電平 “1” 。 延時(shí) 750 微秒（該時(shí)間的時(shí)間范圍可以從 480 到 960 微秒）。 延時(shí)等待（如果初始化成功則在 15 到 60 毫秒時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由 DS18B20 所返回的低電平 “0” 。 若 CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平 “0” 后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起（第（ 5）步的時(shí)間算起）最少要 480 微秒。 （ 2） DS18B20 的寫操作 圖 DS18B20 的寫操作時(shí)序圖 數(shù)據(jù)線先置低電平 “0” 。 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。 將數(shù)據(jù)線拉到高電平。 最后將數(shù)據(jù)線拉高。 延時(shí) 2 微秒。 延時(shí) 15 微秒。 延時(shí) 15 微秒。 延時(shí) 30 微秒。如圖： 圖 DS18B20 硬件原理圖 第 2 章 系統(tǒng)主要模塊介紹和硬件設(shè)計(jì) 19 顯示模塊 HT1621 是 128 點(diǎn)內(nèi)存映象和多功能的 LCD 驅(qū)動(dòng)器 HT1621 的軟件配置特性使它適用于多種 LCD 應(yīng)用場合包括 LCD模塊和顯示子系統(tǒng)用于連接主控制器和 HT1621 的管腳只有 4或 5 條 HT1621 還有一個(gè)節(jié)電命令用于降低系統(tǒng)功耗。段式 LCD驅(qū)動(dòng)簡單，耗電量小，在僅需要顯示數(shù)字的場合應(yīng)用較多，也用來在便攜式應(yīng)用的場合來代替數(shù)碼管，由于本設(shè)計(jì)只需顯示溫度，所以選用四位段式液晶屏 BTL010 作為顯示器。 CS 線用于初始化串行接口電路并終止主控芯片與 HT1621B 之間的通信，如果 CS 腳置為 1主控器與 HT1620B 之間的通