GPRS远程无线温度采集系统设计 - 图文

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GPRS远程无线温度采集系统设计

摘 要

随着通信事业的不断发展,移动通信应用领域的不断扩大,移动终端的设计也逐渐倍受关注。如今随着无线网络的覆盖范围的不断扩大和完善,基于远程的温度采集控制系统在各行各业中大量应用。然而,处理分布在各处的数据传输问题一直是建立远程无线采集系统的难点。且现在世面上的远程控制系统,系统繁琐,费用较高,影响了设备的性价比。就此现状,我针对温度监测点分散,数据传输上进行了深入研究,提出一套电路简洁,功能完善的方案,为远程无线温度采集提供了崭新方式。

本系统主要由DS18B20单总线温度传感器、GPRS传输模块EM310和AT89S52微控制器组成,具有无线传输网络的特征。通过使用GPRS实现对远程温度数据的采集、模拟对远程设备的控制,实现了对远程温度的实时采集,同时可通过网络对远程设备实现可靠控制。可方便实现对各种现场温度进行远程监控和管理。具有适应性强、传输速度快、可靠性高、无局限性等特点。

关键词 GPRS,无线,温度,数据采集,系统

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 摘 要

ABSTRACT

With the continuous development of communication, mobile application domain expands unceasingly; the mobile terminal design is also gradually concerned. Now days, as the wireless network coverage of expanding and perfecting, based on the wireless network of remote control in industrial application of agricultural industry etc. According to the recent GSM/GPRS networks technology matures, the paper proposes a design GPRS wireless remote temperature gathering system.

This system mainly composed by the temperature sensor DS18B20, GPRS transmission module EM310 and AT89S52 micro controller. It has the characteristics of wireless transmission network. Through the use of GPRS remote temperature data collection, the simulation of the remote control of the equipment, realize the remote real-time data acquisition, and the temperature can be realized through a network of remote control device. It can realize various site for convenient for remote monitoring and management of temperature. At the same time, the adaptability, transmission speed, high reliability, without limitation, etc.

Key words GPRS,Wireless,Temperature,Data acquisition,System

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 目录

目 录

摘 要 ............................................................................................................................. Ⅰ ABSTRACT ................................................................................................................... Ⅱ

1 绪论 ............................................................................................................................... 1

1.1 课题背景 ................................................................................................................ 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 2 1.3 本课题研究意义 ................................................................................................................... 2 1.4 系统组成 ............................................................................................................................... 2

2 单片机概述 ................................................................................................................... 4

2.1 AT89S52的主要性能 ............................................................................................... 4 2.2 AT89S52的功能特性描述 ........................................................................................ 4 2.3 AT89S52的管脚排列及引脚功能 .............................................................................. 4 2.4 AT89S52的内部结构框图 ........................................................................................ 7

3 GPRS技术 .................................................................................................................... 9

3.1 GPRS简介 .............................................................................................................. 9 3.2 GPRS分组交换通信技术 ......................................................................................... 9 3.3 GPRS的特点 .......................................................................................................... 9

3.3.1 应用上的特点 ............................................................................................... 9 3.3.2 技术上的特点 ............................................................................................. 10 3.3.3 GPRS与GSM比较中表现出的特点 ............................................................. 10 3.3.4 GPRS服务特点对应的范围 .......................................................................... 10 3.4 GPRS连接Internet的原理 ................................................................................... 11 3.5 GPRS的发展及应用 .............................................................................................. 12

3.5.1 GPRS的发展 ............................................................................................... 12 3.5.2 GPRS的应用 ............................................................................................... 12

4 EM310 GSM/GPRS无线模块介绍 ........................................................................... 14

4.1 EM310模块特性介绍 ............................................................................................ 14

4.1.1 EM310模块基本特性参数 ............................................................................ 14 4.1.2 ESD特性 ..................................................................................................... 15 4.2 EM310 GPRS模块功能的概述 .............................................................................. 15 4.3 EM310 GPRS模块应用框图 .................................................................................. 17

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4.4 EM310 GPRS模块的天线接口 .............................................................................. 18

4.4.1 天线接口ESD防护 ..................................................................................... 18

5 温度检测 ..................................................................................................................... 20

5.1 温度检测仪的分类 ................................................................................................ 20

5.1.1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计 .......................................................... 20 5.1.2 利用热电效应技术制成的温度检测元件 ....................................................... 20 5.1.3 正在研究的温度检测技术 ............................................................................ 20 5.2 DS18B20的概述 .................................................................................................... 21

5.2.1 DS18B20一般说明及特点概述 ..................................................................... 21 5.2.2 DSl8B20的外部管脚及特点 ......................................................................... 22 5.2.3 DS18B20的内部结构 ................................................................................... 22 5.2.4 DS18B20的内存结构 ................................................................................... 22 5.3 DS18B20的测温功能 ............................................................................................. 22

5.3.1 初始化 ........................................................................................................ 23 5.3.2 ROM操作品令 ............................................................................................ 23 5.3.3 存储器操作命令 .......................................................................................... 23

6 系统硬件方案设计 ..................................................................................................... 24

6.1 硬件系统组成 ....................................................................................................... 24 6.2 单片机控制系统 ................................................................................................................. 25 6.3 温度检测模块 ..................................................................................................................... 25 6.4 GPRS模块 ............................................................................................................ 26

6.4.1 串口通讯协议 ............................................................................................. 26 6.4.2 EM310 GPRS模块与单片机的接口电路 ........................................................ 26 6.4.3 EM310 网络状态接口 .................................................................................. 27 6.4.4 EM310与单片机连接总电路 ........................................................................ 27 6.5 SIM卡接口模块 .................................................................................................... 28 6.6 串口扩展及连接模块 ............................................................................................ 29

6.6.1 串口扩展电路 ............................................................................................. 29 6.6.2 MAX232电路部分 ....................................................................................... 30 6.7 电源模块 .............................................................................................................. 30

7 系统软件设计 ............................................................................................................. 31

7.1 GPRS应用系统中的协议转换................................................................................ 31 7.2 软件设计中涉及到的主要AT命令 ........................................................................ 33 7.3 部分模块程序代码 ................................................................................................ 34

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7.3.1其程序主函数为: ....................................................................................... 34 7.3.2 AT命令反馈函数为: .................................................................................. 36 7.4 上位机程序及仿真界面 ......................................................................................... 36

7.4.1 Labview简介 ............................................................................................... 36 7.4.2 Labview软件程序 ........................................................................................ 37

结论 ................................................................................................................................. 38 参 考 文 献 ................................................................................................................... 39 附录A:程序代码 ............................................................................................................ 40 附录B:硬件总体电路图 ................................................................................................ 47 附录C:显示界面 .......................................................................................................... 48 致 谢 ............................................................................................................................... 49

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 1 绪论

1 绪论

以往的温度采集大多采用A/D转化处理,传输系统都是以有线的或近距离无线为主,一旦距离比较远或是地理条件比较偏僻、环境比较恶劣的地方将无法实现数据的有效采集和传输,这些模式也无法满足迅速部署、灵活监控的现代监控管理的要求。随着数字温度传感器、数传模块和GPRS技术的日趋成熟,通讯网络的日益完善,提出一种基于5l单片机、DSI8B20单总线温度传感器、GPRS无线移动网络实现远程温度采集和传输的网络,分析系统终端软硬件的实现,为远程无线数据采集和传输提供参考。

1.1 课题背景

近年来随着科学技术的进步,特别是冶金,化学工业的飞速发展及原子能,火箭超导等新技术的发展,对温度计量提出了越来越高的要求,各工业发达国家的计量机构,有关企业都把测量温度技术当着重要的研究课题。温度是工农业、医学、科研、国防工业等部门极为重要的一个参数。温度测量点一般占生产流程全部测量点的一半左右。故国外一些计量机构会重视流程中一般情况下的测温技术。目前测温技术的发展趋势一方面是改进探测元件的结构,另一方面是使二次仪表在的及时完善化,特别是探测元件的微型化,改进其动态特性,提高二次仪表的灵敏度及可靠性及测量值的数字化。

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的英文简称,是在现有的GSM系统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。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。这一特点正适合大多数移动互联的应用。

SMS(Short Message Service)短信息服务是GSM(Global System for Mobile Communication)系统中提供的一种GSM终端(手机)之间,通过服务中心(Service Center)进行文本信息收发的应用服务,其中服务中心完成信息的存储和转发功能。短信息服务作为GSM网络的一种基本业务,已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视,基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。以GSM网络作为数据无线传输网络,可以开发出多种前景极其乐观的各类应用,如无线数据的双向传送、无线远程检测和控制等。典型的应用有:变电站、电表、水塔、水库或环保监测点等监测数据的无线传输和无线自动警报;远程无线控制高压线路断电器、加热系统、防洪拦阻系统或其它机电系统的启动和关闭;车队交通管理和控

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制指挥系统;控制和监测香烟、食品和饮料自动售货机的运行状态和存货水平等。

相对原来的GSM的拨号方式的电路交换数据传送方式,GPRS的分组交换技术,具有“实时在线”、“按量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”的优点。故本设计将使用GPRS实现远程设备的采集和监控。

1.2 国内外研究现状

就GPRS/GSM的应用而言,其实我们应用最广的是在我们离不开的手机上。现在手机上网已经再普通不过的事情了3G业务更是发展的如火如荼。但仅仅在商业上的应用是不能够展现他的优势的。在工业上随着工业技术的不断发展在GPRS/GSM的技术可靠性得到了不断的提升。这为远程控制的可靠性提供了保证。目前从GSM到GPRS技术发展最好的国外公司是西门子公司的产品。从最开始的TC35i、MC35i、MC39i到现在的MC37i、MC52i、MC55技术和功能都不断的得到提升。但就价格而言还是相对比较贵。此外国内的华为公司的一些产品比如EM310模块、EM770W模块、EM200、GTM900-C等销量也比较的大。

由于大多数的GPRS/GSM产品都支持AT标准指令,所以大多产品都可以很好的兼容。但由于生产技术的不同,各厂家的产品的性能各不相同。且GSM网络是一种电路交换系统,而GPRS网络是一种分组交换系统。因此,GPRS特别适用于间断的、突发性的或频繁的数据传输。介于以上理由及系统的可靠性,本设计主要使用GPRS网络来实现远程无线温度的采集和对其控制。

1.3 本课题研究意义

采用有线温度采集,不但在组建采集系统时布线比较麻烦,而且数据传输距离比较近,组建系统的成本相对较高。而无线温度采集系统的组建省去了数据传输时的布线,而且数据传输距离可以很远,可靠性高。所以无线温度采集系统与有线温度采集系统相比,具有很大的优势。

由于目前基于GPRS/GSM的远程数据的控制有很多是用在条件不方便的场所,比如说用于气象监测的偏远场所,用于远距离的数据采集传输,所以需要对整个设计的功耗进行控制。通过对这个项目的研究,我将在电子产品的功耗控制上和GPRS技术有所学习。同时在程序的系统学习上有更深刻的理解。同时由于本设计的设计场所为工厂应用故采用了工业标准协议MODBUS。对工业组态控制过程有了比较深刻的学习。在本设计的完成过程中我不仅仅为以后的此类设计打下了一个良好的基础更是在过程中学习到了不少的相关知识。

1.4 系统组成

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本设计的整个系统通过数字温度传感器采集工作现场温度,将数字信号传给单片机,并由LED现场显示温度,单片机将处理过的数据信息通过GPRS模块操作,连接到GPRS网络,将数据由GPRS网络上传到Internet网络,在服务器端由Labview编写的上位机程序通过使用Run-Time Engine控件来对数据进行处理,显示。实现数据的双向传输。并具有超温报警功能。其系统框图如图1.1所示。

图1.1 系统组成框图

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 2 单片机概述

2 单片机概述

AT89S52作为普通51单片机已与广泛应用于各种产品中,其接口简单,方便使用,且功能强大,因此本系统采用AT89S52单片机作为主控制芯片。

2.1 AT89S52的主要性能

① 8K字节在系统可编程Flash存储器 ② 1000次擦写周期 ③ 三级加密程序存储器 ④ 32个可编程I/O口线 ⑤ 三个16位定时器/计数器 ⑥ 八个中断源 ⑦ 全双工UART串行通道 ⑧ 掉电后中断可唤醒 ⑨ 看门狗定时器

⑩ 双数据指针,掉电标识符

2.2 AT89S52的功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。

2.3 AT89S52的管脚排列及引脚功能

① VCC:供电电压 ② GND:接地

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③ P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。

④ P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如表2.1所示。

在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。

表2.1 P1口特殊功能表 引脚号 P1.0 P1.1 P1.5 P1.6 P1.7 第二功能 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制) MOSI(在系统编程用) MISO(在系统编程用) SCK(在系统编程用) ⑤ P2口:P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

⑥ P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口,如表2.2所示。

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 2 单片机概述

表2.2 P3口特殊功能表 引脚号 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD(串行输入口) TXD(串行输出口) INT0(外部中断0) INT1(外部中断1) T0(记时器0外部输入) T1(记时器1外部输入) WR(外部数据存储器写选通) RD(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。

⑦ RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后,RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。

⑧ ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时,此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,也可作为外部定时器或时钟使用。然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作将无效。这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则,ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

⑨ PSEN:外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据存储器时,PSEN将不被激活。

⑩ EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令,EA必须接GND。为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。在flash编程期间,EA也接收12伏VPP电压。

? XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 ? XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。

具体引脚功能图如图2.1所示。

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图2.1 AT89S52的引脚功能图

2.4 AT89S52的内部结构框图

① AT89S52单片机由运算器和控制器组成的微处理器、片内存储器RAM/ROM、P0—P3组成的I/O端口以及各种存储器组成的特殊功能寄存器SFR和串行接口、定时/计数器、中断系统、振荡器构成。如图2.2所示。

图2.2 AT89S52的内部结构框图

② 本系统设计所涉及到的AT89S52最小系统,仅有芯片,晶振,和复位键组成。外接5V的电源电路。如图2.3所示。

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 2 单片机概述

图2.3 89S52最小应用系统

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 3 GPRS技术

3 GPRS技术

3.1 GPRS简介

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业务来实现远程温度传输。

3.2 GPRS分组交换通信技术

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。

3.3 GPRS的特点

3.3.1 应用上的特点

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目前,用手机上网还显得有些不尽人意。因此,全面的解决方法GPRS也就这样应运而生了,这项全新技术可以令您在任何时间、任何地点都能快速方便地实现连接,同时费用又很合理。简单地说:速度上去了,内容丰富了,应用增加了,而费用却更加合理。

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。

3.3.2 技术上的特点

数据实现分组发送和接收,按流量计费;56-115Kbps的传输速度。

3.3.3 GPRS与GSM比较中表现出的特点

相对于GSM的9.6kbps的访问速度而言,GPRS拥有171.2kbps的访问速度;在连接建立时间方面,GSM需要10-30秒,而GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求;而对于费用而言,GSM是按连接时间计费的,而GPRS只需要按照数据流量计费;GPRS对于网络资源的利用率而相对远远高于GSM。

3.3.4 GPRS服务特点对应的范围

① 移动办公 ② 移动商务

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 3 GPRS技术

③ 移动信息服务 ④ 移动互联网 ⑤ 多媒体业务

3.4 GPRS连接Internet的原理

GPRS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。

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本设计方案采用非透明方式接入,访问GPRS内部网络的便携接收设备。

3.5 GPRS的发展及应用

3.5.1 GPRS的发展

根据欧洲ETSI的GSM第2+阶段的建议,GPRS分为两个发展阶段(即Phase1和Phase2)。GPRS的Phasel阶段将能支持下列功能和业务:

① TCP/IP和X.25业务

② 全新的GPRS空中接口加密技术 ③ GPRS附加业务

④ 增强型的短信业务(E-SMS)

GPRS分组数据计费功能,即根据数据量而采取计费上述功能业务中最显著的是TCP/IP和X.25功能。GSM网络可以通过TCP/IP和X.25为用户提供电子邮件、WWW浏览、专用数据、LAN接入等业务。GPRS Phase2阶段的规范尚在制订之中,它将能提供更多的新功能和新业务。

3.5.2 GPRS的应用

① GPRS中的WAP应用

GPRS与WAP组合是当前令“手机上网”迈上新台阶的最佳实施方案:GPRS是强大的底层传输,WAP则作为高层应用,如果把WAP比作飞驰的车辆,那么GPRS就是宽阔畅通的高速公路,任您在无线的信息世界中随意驰骋。

② 设备上的应用

GPRS可以在除蜂窝电话之外的多种设备中得以实现,包括膝上型电脑的PCMCIA调制解调器、个人数字助理的扩展模块和手提式电脑。当前流行的手提式E-mail设备Blackberry(黑莓)的制造商Research in Motion(RIM)于一个称为Micro cell Telecommunications的GSM供应商合作,研究如何将GPRS用于其他无线系统消息的传送。

③ GPRS业务应用

自从首次实现文本信息传输以来,无线数据应用已经历了飞跃式的增长,单是看看欧美知名厂商大肆宣传通用分组无线业务(GPRS)的劲头,似乎也能让人感到下一代移动数据应用时代的行将来临。将在99年底或是2000年初开启的通用分组无线业务GPRS,作为迈向第三代个人多媒体业务的重要里程碑,将使移动通信与数据网络合二为一,使IP业务得以引入广阔的移动市场。尽管目前移动数据的使用相对较少,但在某些市场中,不同的用户群却正在快速发展,其推动力量主要是在移动领域中采用数据业务的商业市场。不论是爱立信、诺基亚还是阿尔卡特,几乎所有宣传GPRS的厂商都以

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 3 GPRS技术

商业用户市场的快速成长来游说运营商。

GSM系统的分组移动数据通信(即GPRS)是基本分组无线业务,采用分组交换的方式,数据速率最高可达164kb/s、它可以给GSM用户提供移动环境下的高速数据业务,还可以提供收发Emai1、Internet浏览等功能。

④ GPRS功能对应的业务应用

GPRS是一种新的GSM数据业务,它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。GPRS主要是在移动用户和远端的数据网络(如支持TCP/IP、X.25等网络)之间提供一种连接,从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务。

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 4 EM310模块介绍

4 EM310 GSM/GPRS无线模块介绍

4.1 EM310模块特性介绍

EM310是深圳华为技术有限公司开发的一款GSM/GPRS无线通讯模块。如图4.1所示。

图4.1 EM310 GPRS模块实物图

4.1.1 EM310模块基本特性参数

其基本特性参数如表4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6所示。

表4.1 模块频段等性能参数表

表4.2 EM310 GSM模块工作及存储温度表

表4.3 EM310 GSM模块极限应用条件表 参数 VBAT(模块主电源输入电压) VDD-RTC(实时时钟备用电源输入电压) VBUS(USB电源测试点) 最小值 -0.3 -0.3 -0.3 最大值 6 6 6 单位 V V V 参数 最小值 最大值 单位 70 75 90 ℃ ℃ ℃ 参数 工作频段 最大发射功率 接收灵敏度 描述 EGSM900/GSM1800双频 EGSM900 Class4(2W) GSM1800 Class1(1W) <-106dBm 正常工作温度 -20 扩展工作温度 -30 存储温度 -40 - 14 -

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EM310 GPRS模块的极限应用条件如表4.3所示,超过这些条件使用将照成EM310模块的永久性损坏。

表4.4 EM310 模块输入电源要求

表4.5 模块工作电流特性表

工作模式 关机模式 待机模式 最大值 单位 40 uA @ DRX=2 3.5 mA @ DRX=5 2.5 mA @ DRX=9 2.0 mA 参数 VBAT 最小值 3.4 典型值 最大值 单位 3.8 4.7 V 通话模式(最大值) 240 mA GPR模式(最大值) 400 mA 表4.6 模块其它设计相关特性表

特性 协议 GPRS 支持GSM/GPRS Phase2/2+ GPRS Class 10 编码方式 CS 1,CS 2,CS 3,CS 4 最大下行传输速率:85.6 kbps 最大上行传输速率:42.8 kbps 支持PBCCH 内嵌TCP/IP协议;支持多连接,提供ACK应答,提供大容量缓存 描述 电路域数据业务 支持CSD数据业务,最高速率可达14.4 Kbit/s 支持USSD 4.1.2 ESD特性

EM310模块在使用时需要注意对ESD(静电放电)进行防护,根据EN61000-4-2标准已经对EM310模块ESD性能进行了测试,测试结果见表4.7所示:

表4.7 ESD性能表

空气放电 接触放电 ±8 kV ±4 kV

4.2 EM310 GPRS模块功能的概述

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其端口功能如表4.8所示。

表4.8 EM310 GPRS模块信号连接器接口功能表

管脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21~25 26 27 28 29 30 31 信号名称 SIM-CLK SIM-VCC SIM-IO SIM-RST NC SIM-GND NC GND USB_D- USB_D+ VBUS NC LPG NC /RXD NC /TXD VDD-RTC NC NC GND VBAT VBAT VBAT VBAT VBAT VDD-IO I/O O P I/O O P P I/O I/O P O O I P - P P P P P P 功能 SIM卡时钟 SIM卡电源 SIM卡数据 SIM卡复位 此管脚必须悬空 SIM卡地 此管脚必须悬空 地 USB数据线D- USB数据线D+ USB电源 网络状态指示灯 UART口,对应DTE的RXD口 UART口,对应DTE的TXD口 实时时钟(RTC)备用电源输入 地 电源 I/O口电源管脚 备注 最大输出电流15Ma 此脚直接与卡座的GND相连。 此管脚必须悬空 详细设计参见LPG管脚电路 此管脚必须悬空 此管脚必须悬空 接钮扣电池或大电容 此管脚必须悬空 此管脚必须悬空 3.4V~4.7V,当模块以最大功率发射时,电源供电电流将达到瞬时1.6A左右,VBAT电压将会有跌落,但必须保证供电电压最小值不能低于3.4V。 VDD-IO在使用时需要注意:VDD-IO输入电压U与/DTR 、/RTS、 /TXD外加串联电阻R的- 16 -

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 4 EM310模块介绍 关系计算公式:R= 3.5*U-11.3 K 如:VDD-IO输入电压为3V,R=0 欧姆;输入电压为5V,R=6.2K 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

/RING /DSR /RTS /DTR NC /CTS NC /DCD /RST TERM_ON GND MIC2 MICBIAS MIC1-P MIC1-N SPK-N SPK-P EAR-P EAR-N O O I I O O I I P AI P AI AI AO AO AO AO UART口,对应DTE的RING口 UART口,对应DTE的DSR口 UART口,对应DTE的RTS口 UART口,对应DTE的DTR口 此管脚必须悬空 UART口,对应DTE的CTS口 此管脚必须悬空 UART口,对应DTE的DCD口 复位管脚 低电平有效,建议此管脚在靠近50PIN B2B连接器处并联100nF的电容到GND,用于ESD防护 开关机管脚 地 第二路MIC 第二路MIC的偏置电压 第一路音频输入正端 第一路音频输入负端 第二路音频输出负端 第二路音频输出正端 第一路音频输出正端 第一路音频输出负端 单端输入 差分输入 差分输出 差分输出 4.3 EM310 GPRS模块应用框图

EM310 GPRS模块使用50-PIN连接器接口方式,外围设备提供应用接口信号为: ① UART接口 ② SIM卡接口 ③ 音频接口 ④ 电源接口 ⑤ USB总线接口

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⑥ 网络状态指示接口

其模块应用框图如图4.2所示。

图4.2 EM310 GPRS模块应用框图

EM310模块提供一路串行接口,支持8线串行总线接口或4线串行总线接口或2线串行接口。EM310 GSM模块通过UART接口与外界进行串行通信,和AT指令的输入。UART支持可编程的数据宽度、可编程的数据停止位、可编程的奇/偶校验或者没有校验,该UART口最高支持115.2kbit/s的波特率最低支持300bit/s的波特率,默认支持9600bit/s的速率,支持波特率掉电保存。

在本系统中有单片机向EM310 GPRS模块通讯,为使其简便采用模块的UART接口发送数据。

EM310模块可以通过使用2线制串口MAX3232芯片与标准RS-232-C的接口连接。模块的/RXD通过MAX3232芯片转换后接DTE设备的RXD管脚;DTE设备的TXD通过MAX3232芯片转换后接模块的/TXD管脚。其连接示意图如图4.3所示。

图4.3 EM310模块串口与单片机连接示意图

4.4 EM310 GPRS模块的天线接口

EM310 GPRS模块天线采用RF连接器连接方式,天线使用50ohm特征阻抗的线缆和天线。

4.4.1 天线接口ESD防护

EM310模块天线接口对ESD敏感,如果防护不好,可能会导致内部射频器件永久性损坏,所以本设计的ESD 防护电路如图4.4所示。

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图4.4 天线接口的EDS防护电路

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 5 温度检测

5 温度检测

5.1 温度检测仪的分类

随着国内外工业的日益发展,温度检测技术也不断地进步,目前的温度检测使用的温度计种类繁多、应用范围也较广泛,大致包括以下几种方法。

5.1.1 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计

利用此原理制成的温度计大致分成三大类:

① 玻璃温度计:它是利用玻璃感温包内的测温物质(水银、酒精、甲苯、煤油等)受热膨胀、遇冷收缩的原理进行温度测量的;

② 双金属温度计:它是采用膨胀系数不同的两种金属牢固粘合在一起制成的双金属片作为感温元件,当温度变化时,一端固定的双金属片,由于两种金属膨胀系数不同而产生弯曲,自由端的位移通过传动机构带动指针指示出相应温度;

③ 压力式温度计:它是由感温物质(氮气、水银、二甲苯、甲苯、甘油和低沸点液体如氯甲烷、氯乙烷等)随温度变化,压力发生相应变化,用弹簧管压力表测出它的压力值,经换算得出被测物质的温度值。

5.1.2 利用热电效应技术制成的温度检测元件

利用此技术制成的温度检测元件主要是热电偶。 热电偶发展较早,比较成熟,至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。常用的热电偶有以下几种:

① 镍铬-镍硅,型号为WRN,分度号为K,测温范围0~900oC。 ② 镍铬-康铜,型号为WRK,分度号为F,测温范围0~600oC。

③ 铂锗-铂,型号为WRP,分度号为S,在1300oC以下的温度可长期使用。 ④ 铂铑30-铂铑6,型号为W77,分度号为B,测温范围300~1600oC。

5.1.3 正在研究的温度检测技术

近年来,在温度检测技术领域,多种新的检测原理与技术的开发应用,己取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。

① 晶体管温度检测元件

半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大12个数量级,二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。

② 集成电路温度检测元件

利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系(即半导体PN结的温度特性)进行温度检测,并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体,封装于小型

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管壳内,即构成了集成电路温度检测元件。

③ 核磁共振温度检测器

所谓核磁共振现象是指具有核自旋的物质置于静磁场中时,当与静磁场垂直方向加以电磁波,会发生对某频率电磁的吸收现象。利用共振吸收频率随温度上升而减少的原理研制成的温度检测器,称为核磁共振温度检测器。 这种检测器精度极高,可以测量出千分之一开尔文,而且输出的频率信号适于数字化运算处理故是一种性能十分良好的温度检测器。在常温下,可作理想的标准温度计之用。

④ 热噪声温度检测器 其优点在于

1)输出噪声电压大小与温度是比例关系; 2)不受压力影响;

3)感温元件的阻值几乎不影响测量精确度;

所以它可以直接读出绝对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。

5.2 DS18B20的概述

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。

5.2.1 DS18B20一般说明及特点概述

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0.0625oC,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~+125oC,在-10~+85oC范围内,精度为±0.5oC。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。

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5.2.2 DSl8B20的外部管脚及特点

DS18B20有三个管脚。GND为接地线,DQ为数据输入输出接口,通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口,既可由数据线提供电源,又可由外部提供电源,范围3.0V~5.5V。本文使用外部电源供电。引脚排列如图5.1所示。

GNDDCVDD图5.1 DS18B20引脚排列图

123DALLASDS18B20 5.2.3 DS18B20的内部结构

DS18B20主要由4部分组成:64位光刻R0M、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。R0M中的64位序列号是出厂前被光刻好的,他可以看作是该DSISB20的地址序列码,每个DSI8B20的64位序列号均不相同。高低温报警触发器TH和TL,配置寄存器均由一个字节的E2PROM组成,使用一个存储器功能命令可对TH,TL或配置寄存器写入。配置寄存器中R1,R0决定温度转换的精度位数。

表5.1 DS18B20精度位数对应表 R1R0 R1R0=‘00’ R1R0=‘01’ R1R0=‘10’ R1R0=‘11’ 精度位数 9位精度 10位精度 11位精度 12位精度 最大转换时间 93.75 ms 187.5 ms 375 ms 750 ms 注:未编程时默认为12位精度。本系统采用的也是12位的精度。

5.2.4 DS18B20的内存结构

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM(便签式的内部存储器)和一个非易失性的可电擦除的EEPROM,后者存放高温和低温触发器TH,TL和结构寄存器。便签存储器包含了9个连续字节(0~8),前两个字节是测得的温度信息,字节0的内容是温度的低8位,字节1是温度的高8位,字节2是TH(温度上限报警),字节3是TL(温度下限报警),字节4是配置寄存器,用于确定输出分辨率9到12位。第5、6、7个字节是预留寄存器,用于内部计算。字节8是冗余检验字节,校验前面所有8个字节的CRC码,可用来保证通信正确。

5.3 DS18B20的测温功能

当DSI8B20接收到温度转换命令后,开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的0,1字节。单片机可通过单线接口读到该数据,读取时低位在前,高位在后,数据格式以0.0625oC/LSB

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形式表示。

经过单线接口访问DSl820的协议处理顺序,如图5.2所示。

初始化ROM操作命令存储器操作命令处理数据 图5.2 处理顺序图

5.3.1 初始化

单总线上的所有处理均从初始化开始。初始化序列包括总线主机发出一复位脉冲,接着由从属器件送出存在脉冲。

5.3.2 ROM操作品令

总线主机检测到DSl820的存在便可以发出ROM操作命令之一。这些命令如表5.2所示。

表5.2 ROM操作命令表 指令 Read ROM(读ROM) Match ROM(匹配ROM) Skip ROM(跳过ROM] Search ROM(搜索ROM) Alarm search(告警搜索) 代码 [33H] [55H] [CCH] [F0H] [ECH] 5.3.3 存储器操作命令

表5.3 存储器操作命令代码 指令 写暂存存储器 读暂存存储器 复制暂存存储器 温度变换 重新调出 读电源 代码 [4EH] [BEH] [48H] [44H] [B8H] [B4H]

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 6 系统硬件方案设计

6 系统硬件方案设计

6.1 硬件系统组成

本系统硬件主要有数字温度传感器、单片机、GPRS模块、SIM卡及卡座、电源等组成。其硬件组成框图如图6.1所示。

图6.1 硬件系统组成框图

系统从结构上可以分为以下三层:最底层为温度信息获取、处理与发射子系统(数据采集节点)。DS18B20传感器从现场采集温度信息,对获取的数据进行汇总和加工处理,并且按照监控平台的要求上传网络;第二层为信息相互传递(移动通信网GSM/GPRS),利用移动通信网的大范围覆盖性与传输可靠性,实现控制温度数据的传输;第三层为信息接收与反馈(监控中心或移动台如PDA、手机),监控中心或移动台接收到温度信息后发出控制命令,进行实时反馈,从而完成系统的监控。

数据采集节点按照汇聚节点的要求将数据上传汇聚节点,汇聚节点进行数据中枢处理,然后将数据上传到系统接收反馈平台。系统主要以GSM/GPRS网作为通信子系统,再通过INTERNET网络或GPRS模块直接将数据传到用户接受处。工作人员可以很方便的将系统安装到GSM/GPRS网络覆盖的地区。系统层次图如图6.2所示。

图6.2 基于GPRS远程温度采集网络的设计系统层次图

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6.2 单片机控制系统

本硬件系统设计所用到的单片机最小系统,主要由AT89S52芯片构成。单片机在电路中充当中央处理器的作用,用以产生各个部分所需的控制指令。将控制程序预先载入单片机内,单片机通过调用相应的控制指令,送到相应电路,让整个系统得以正确运转。最小系统电路图如图6.3所示。

图6.3 单片机最小系统组成图

6.3 温度检测模块

本硬件系统设计的温度检测部分,基于通信方便,电路简洁,测量准确等多方面因素,传感器选用DALLAS公司的数字温度传感器DS18B20作为系统的温度检测主芯片。它与MCU(AT89S52)的接法电路如图6.4所示。

图6.4 DS18B20连接电路图

温度显示部分,主要由数码管,MC74HC573锁存器等组成。其中,MC74HC573是八进制三态数据锁存器,其为高电平锁存。即当锁存使能端为高时,输出同步;当锁存使能变低时,符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。温度显示的电路图如图6.5所示。(连线用网络标签代替。)

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图6.5 LED温度显示电路图

6.4 GPRS模块

6.4.1 串口通讯协议

EM310 GPRS模块与外围设备所应用接口有UART接口、SIM卡接口、音频接口、电源接口、USB总线接口、网络状态指示接口,本作品采用的是EM310与单片机通讯,便于简便考虑单片机的通讯接口,我们选取了UART与EM310接口。

EM310模块通过UART接口与外界进行串行通信,和AT指令的输入。该UATR口最高支持115.2Kbit/s的波特率,最低支持300bit/s的波特率,默认支持9600bit/s的速率,支持波特率掉电保存。UART所选用的串口通讯协议如表6.1所示。

表6.1 UART串口通讯协议表 通讯端口 波特率 数据位 停止位 奇偶校验 COM1 9600bit/s 8 1 NONE 6.4.2 EM310 GPRS模块与单片机的接口电路

EM310模块提供一路串行接口,其支持8线或4线串行总线接口或2线串行接口。如下图6.6、6.7、6.8所示。本硬件系统设计采用8线串行接口电路。

图6.6 UART8线串行总线接口电路 图6.7 UART4线串行总线接口电路

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图6.8 UART2线串行总线接口电路

6.4.3 EM310 网络状态接口

EM310模块提供一个网络状态接口(LPG),LPG管脚输出脉冲信号管脚用于控制LED灯,作为指示网络连接状态。通过状态指示灯闪烁的模式不同,表示不同的网络状态。如表6.2所示.

表6.2 LPG管脚状态指示表

工作或网络状态 模块启动 深度睡眠 无SIM卡,未输入PIN码,或正在搜索网络 已注册到网络,IDLE状态 GPRS数据传输中 呼叫中 LPG管脚输出状态 输出高电平 持续低电平 周期1s,高电平输出0.1s 周期3s,高电平输出0.1s 周期0.125s,高电平输出0.1s 持续高电平 LPG管脚不能直接驱动LED,需要配合三极管使用,其电路连接图如图6.9所示。

表6.9 LPG管脚状态指示表

6.4.4 EM310与单片机连接总电路

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图6.10 EM310与单片机接口及外围电路图

6.5 SIM卡接口模块

EM310模块基带处理器集成了符合ISO7816-3标准的SIM卡接口,为外部SIM卡座提供SIM卡接口信号。EM310模块支持并能够自动检测3.0V和1.8V SIM卡,SIM卡接口定义如表6.3所示。

表6.3 SIM卡接口定义表 信号名 SIM-CLK SIM-VCC SIM-IO SIM-RST SIM-GND 描述 SIM卡时钟 SIM卡电源 SIM卡数据 SIM卡复位 SIM卡地 EM310与SIM卡座连接电路如图6.11所示。

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图6.11 SIM卡座连接电路

6.6 串口扩展及连接模块

6.6.1 串口扩展电路

本系统硬件上,需要单片机具有两串口。一个用于与EM310连接通信,另一个用于连接PC机,但选用的单片机只具备一个串口。所以,要选用一种串口扩展芯片作一扩二的串口扩展电路。

GM8123为一扩三的通用异步串口扩展芯片,并能通过外部控制串口扩展模式:单通道工作模式和多通道工作模式,即可以指定一个子串口和母串口以相同的波特率单一的工作,也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时工作。该芯片工作在多通道模式下时,子串口能主动响应从机发送的数据,并有母串口发送给主机,同时返回子串口地址,该模式使每个从机的发送要求都能被及时地响应,即使所有从机同时发送要求,数据也不会丢失,基本实现了主控单元和外设通讯的实时性。该芯片母串口和子串口的工作波特率可由软件调节,而不需要修改外部电路和晶振频率。该芯片的外部控制少,应用灵活,编程使用简单。其一扩二串口扩展电路如图6.12所示。

图6.12 串口扩展连接电路

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6.6.2 MAX232电路部分

图6.13为MAX232接口电路图。在从PC机下载程序到单片机上时要用到该电路。

图6.13 MAX232接口电路图

6.7 电源模块

由于GPRS模块在通讯是模块的瞬间电流可以达到2A,所以需要可靠的电源支持。同时由于GPRS的用电不是横流,而是脉冲式的需要,尤其是在模块启动的瞬间大电流需要会使电源瞬间有一个很大的压降。过大的压降会导致模块重启而不能进入工作模式。所以在设计中不但要有可靠的电源供电,同时还要在模块电源端尽可能近的地方连接一个大的电容。电源模块电路图如图6.14所示。

图6.14 电源模块电路图

220V的交流电经过变压器后输出18V的交流电。而后经过LM7805Z转换出5V电压给MAX232供电、经过LM317转换出3.8V的电压供单片机部分用电、最重要的GPRS供电由LM2576-ADJ转换出3.8V的电压提供。

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7 系统软件设计

在设计系统软件部分时,首先要先明确软件程序所要实现的功能,然后确定方案,执行命令的顺序及所达到的效果。本系统软件设计主流程图如图7.1所示。

开始系统初始化GPRS初始化激活SIM卡工作方式启动TCP/IP服务与主站建立连接否连接成功是否重发大于3次是发送数据等待中心命令与监控中心交互通信断开TCP连接发送关机指令结束 图7.1 系统软件流程图

7.1 GPRS应用系统中的协议转换

协议转化模块的任务主要是,将用户数据转换为TCP/IP协议的数据包,从而能够通过GPRS网络发出。其中在系统初始化过程中,首先使GPRS模块拨号上网。当GPRS模块已经附在Internet时,也获得了一个动态的IP地址,数据传输的过程也就开始了。在GPRS网络中,数据传输就是IP数据报通信过程,模块向网关发送的PPP报文都会传送到Internet网中相应的地址;而从Internet传过来的应答帧也同样会根据IP地址传到GPRS模块。从而实现采集数据和Internet网络通过GPRS模块的透明传送。从外部来的数据经历三个过程:装入TCP包、装入IP包、装入PPP帧。经历这三个过程后就成为了符合标准的数据包,能够在网络中传送了。数据传输过程可分为以下几个过程,如图7.2所示。

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开始系统初始化获得动态IP地址开中断N是否有数据?Y装入TCP包装入IP包装入PPP帧关中断结束等待

图7.2 GPRS通信程序结构图

实现此数据传输过程的软件部分代码为:

void IPInit(TCPData TCPOption)

{ //TCP包装入IP包 IPOption.data=TCPOption;

IPOption.1ocaladdr=Syssock.1ocaladdr; IPOption.remoteaddr=Syssock.remoteipaddr; }

void PPPInit(TCPData TCPOption) {

PPPOption.flag=0x73; PPPOption.protocol=0x0021 PPPOption.address=0Xff PPPOption.control=ox03; PPPOption.data=IPOption; }

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 7 系统软件方案设计

7.2 软件设计中涉及到的主要AT命令 AT命令及返回状态 AT%TSIM %TSIM 1 AT+CSQ +CSQ: 27,99 OK AT+CREG=1 OK AT+COPS? +COPS: 0,0,\OK AT+CGATT? +CGATT: 1 OK AT+COPS? +COPS: 0,0,\OK AT+CGREG? +CGREG: 1,1 AT+CSQ? +CSQ: 31, 99 OK AT%IOMODE=1,1,0 第一个参数=1模块对输入输出数据进行转换,这个时候用户也要对输入和输出数据进行相应转换。第二个参数=1当前使用单链接 AT命令;第三个参数=0使用接收缓存 AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET” OK AT%ETCPIP=“user”,“gprs” OK 注册用户名密码,并等分配 IP 收到 ok 后表示分配 IP 完成,这个时间根据网络有所不同,建议等待时间可以设定为 10s,注册过程中做其它 AT操作会注册不到 IP 注册移动的 CMNET网关 查询信号强度 建议做网络连接时,信号值在15以上 查询 GPRS网络注册状态 查询是否有网络 查询GPRS附着状态 GPRS已附着 网络运营商注册查询 已注册上中国移动 启用网络注册非请求结果码 状态说明 测试SIM卡是否存在 1表示卡在位,0表示未读到卡 检查当地的网络信号强度,31最大, 该命令空闲时,循/环发送,了解网络信号状态 - 33 -

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 7 系统软件方案设计

AT%ETCPIP? %ETCPIP:1,\\OK AT%IPOPEN=\CONNECT AT%IPSEND=\%IPSEND:15 OK %IPDATA:1,1,7 AT%IPDR %IPDR:1,1,7,\OK AT%IPCLOSE=1 %IPCLOSE: 1 OK AT%IPCLOSE=5 OK 退出TCP/IP功能,模块从GPRS网络注销。 关闭一条TCP链接,最长需要等待15秒钟左右才会有OK返回。 设置接收服务器的协议类型,IP,和端口号 连接成功 发送数据12345AB 收到数据 读取数据 数据为12345AB 查询 GPRS初始化是否成功

7.3 部分模块程序代码

7.3.1其程序主函数为:

******************************** void main(void) {

CLI();

Port_Init(); Usart_Init();

timer1_init(); timer3_init();

ETIMSK = 0x04; //extended timer interrupt sources //watchdog_init();

SEI();

Lcm_clear(); // 清除显示

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 7 系统软件方案设计

Write_String(0,0,\初始化......\ Delay_ms(1000);

//Usart_PutString(\ //软关机 Delay_ms(1000);

//Usart_PutString(\ //软关机 do{

Connect_to_ip();

}while(Connected_flag==0);

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); Add_ciphead(); Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); Txdata_to_ip();

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); watchdog_init(); while(1) {

WDR();

status_check(); Receive_command(); if(Receive_CMD_flag==1) {

Receive_CMD_flag=0;

PWM_LED();

} Receive_REQ();

if(Receive_REQ_flag==1) {

Receive_REQ_flag=0;

LED_Status();

}

} }

*****************************

//直到连接到网络

//清Rxbuffer

//清Rxbuffer //增加传输头 //清Rxbuffer //发送连接完毕信息 //联网情况判断

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 7 系统软件方案设计

7.3.2 AT命令反馈函数为:

***************************** void Response_OK(void) {

unsigned char i=0;

while(i<=MAXNUM_GSM)

{

if(Rx_data[i] =='O'&&Rx_data[i+1]=='K')

{

OK_flag=1;

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); //清Rxbuffer Write_String(0,0,\ //行,列,字符,速度 return ;

} i++; }

OK_flag=0;

Write_String(1,0,\

}

********************************

7.4 上位机程序及仿真界面

7.4.1 Labview简介

Labview是一种程序开发环境,由美国国家仪器(NI)公司研制开发的,类似于C和BASIC开发环境,但是Labview与其他计算机语言的显著区别是:其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而Labview使用的是图形化编辑语言G编写程序,产生的程序是框图的形式。

与C和BASIC一样,Labview也是通用的编程系统,有一个完成任何编程任务的庞大函数库。Labview的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储,等等。Labview也有传统的程序调试工具,如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序(子VI)的结果、单步执行等等,便于程序的调试。

本系统的上位机程序就是用Labview编写的程序,并作出了远程监控系

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 7 系统软件方案设计

统的在线监控界面。

7.4.2 Labview软件程序

本上位机软件部分用Labview编写而成,其语言图形化G语言形式。该程序由实时时钟程序模块,温度采集显示程序模块,温度报警程序模块,图形显示程序等模块组成。

其软件程序图如图7.3所示。

图7.3 上位机程序图

上位机程序前面板显示界面如图7.4所示。

图7.4 前面板显示界面

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 结论

结论

在本次设计中,主要通过GPRS无线传输技术,实现对远程无线温度的采集,交互通信,实时控制。给出了系统硬件软件的设计方法,具体方案,电路图和程序代码;并且编译成功,还通过Labview制作了一个显示控制界面。但由于时间原因过于紧凑,未能完成实物的焊接制作。

通过这次设计,使我较充分地掌握了电子设计的基础知识,培养了自身的系统设计思维,开拓了设计视野,能够做到理论联系实践,为以后进一步深入学习和深造奠定了基础。

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 参考文献

参 考 文 献

[1] 吕捷.GPRS技术[R].北京:北京邮电大学出版社,2003。

[2] 袁红涛,GPRS技术应用的软硬件开发环境[J].北京:现代电子技术,2004,27(16):97–99。 [3] 康华光.电子技术基础[M].北京:北京高等教育出版社,2000。

[4] 刘大茂,智能仪器(单片机应用系统设计)[J].北京:机械工业出版社,1998。 [5] 金伟正.单线数字温度传感器的原理及应用.北京:电子技术应用,2000。 [6] 谢自美.电子线路设汁·实验·测试(第三版).武汉:华中科技大学出版社,2006。 [7] 阎石.数字电子技术基础.北京:高等教育出版社,2006.

[8] 黄继吕,季纸发,过润秋等.传感器工作原理及应用实例[M].北京:人民邮电出版社,1998。 [9] 田小辉,李明远,田昕.基于GPRS的远程无线透传终端系统的设计与实现[J].北京:现代

电子技术,2005,28(4):97—99。

[10] 沙占有,王彦朋,葛家怡.智能传感器系统设计与应用[M]北京:电子工业出版社,2004

348~353。

[11] [美] RJ(Bud)Bates.通用分组无线业务(GPRS)技术与应用[M]朱洪波等译.北京:人民

邮电出版社,2004。

[12] R.J.(Bud)Bates 著朱洪波,沈越泓,蔡跃明,程崇虎等译.通用分组无线业务(GPRS)技术

与应用北京:人民邮电出版社[C].2004。

[13] Wong SKM, Ziarko W.Generalized Vector Space Model Information Retrieval[A].Proceedings

of the 8th Annual ACM S1GIR International Conference on Research and Development Information Retrieva1.1985:18—25.

[14] DALLAS Semiconductor.DS18B20 Data Sheet [Z].2002:1-26.

[15] Lin Chine E,Wu Chih-Chen.A real time GPRS surveillance system using the embedded system

[J].IEEE Telecomunicatio Conference,2002,(v2):1678-1682.

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 附录A:程序代码

附录A:程序代码

----秒延时子程序------ void Delay_ms(unsigned int n) {

unsigned int i = 0; for (i=0; i < n; i++) Delay_1ms(); }

--------------------------- -------连接完毕----------

void Response_AT_Connected(void) {

unsigned char i=0; while(i<=MAXNUM_GSM) {

if((Rx_data[i]=='C'||Rx_data[i]=='A') &&(Rx_data[i+1]=='O'||Rx_data[i+1]=='L') &&(Rx_data[i+2]=='N'||Rx_data[i+2]=='R') &&(Rx_data[i+3]=='N'||Rx_data[i+3]=='E') &&(Rx_data[i+4]=='E'||Rx_data[i+4]=='A') &&(Rx_data[i+5]=='C'||Rx_data[i+5]=='D') &&(Rx_data[i+6]=='T'||Rx_data[i+6]=='Y') &&(Rx_data[i+7]=='O'||Rx_data[i+7]=='C') &&(Rx_data[i+8]=='K'||Rx_data[i+8]=='O')) {

Connected_flag=1;

return ; } i++; }

Connected_flag=0;

Write_String(3,0,\ }

------------------------------

------------发送完毕SEND OK------- void Response_AT_Sended(void) {

unsigned char i=0; while(i<=MAXNUM_GSM) {

if(Rx_data[i] =='S'

&&Rx_data[i+1]=='E'

&&Rx_data[i+2]=='N' &&Rx_data[i+3]=='D' )

{

Sended_flag=1;

//Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); //清Rxbuffer

Write_String(2,0,\行,字符,速度

return ;

//Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length;清Rxbuffer Current_bit=i;

//Clear_CurrentBuffer(Current_bit,9); Write_String(2,0,\//行,列,字符,速度

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} i++;

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 附录A:程序代码 }

Sended_flag=0;

Write_String(3,0,\

Delay_ms(500);

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);清Rxbuffer

Delay_ms(10);

}

---------------------------------- --------无参数的传输函数部分-------- void send_english_sms(void) {

Usart_PutString(\

Delay_ms(100); //等反馈信号延时

}

------------------------------ void call_diale(void) {

Usart_PutString(\

Delay_ms(1000); //等反馈信号延时

Response_OK();

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

Response_OK(); //反馈 OK

Delay_ms(100);

//清Rxbuffer

Delay_ms(1000);

Lcm_clear(); //反馈 OK

Usart_PutString(\

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);清Rxbuffer Usart_PutString(\

Delay_ms(100); //等反馈信号延时 Response_OK(); //反馈 OK Delay_ms(500);

// 拨号139*****;

Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Response_OK(); Delay_ms(1000);

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);清Rxbuffer Usart_PutString(\

Delay_ms(100); //等反馈信号延时 Response_OK(); //反馈 0K

//清Rxbuffer

Delay_ms(10);

Delay_ms(500);

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);清Rxbuffer }

Usart_PutString(\ ----------- 通过域名连接到GPRS------------- // AT+CMGS=\

Delay_ms(100); //等反馈信号延时 Response_Ready(); // 反馈 > Delay_ms(500);

void use_DNS_GPRS(void) {

Usart_PutString(\1.68\\\

Delay_ms(100); //等反馈信号延时

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);清Rxbuffer

Usart_PutString(\

Response_OK();

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

shu shi shi yan\\x01a\

Delay_ms(2000);

Delay_ms(2000);

//清Rxbuffer Delay_ms(10);

Usart_PutString(\

Delay_ms(2000); //等反馈信号延时

Response_SMS_Finish();

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 附录A:程序代码

Delay_ms(100); //等反馈信号延时

Usart_PutString(\

Response_OK();

Delay_ms(100); //等反馈信号延时

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); Response_OK();

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

//清Rxbuffer

Delay_ms(10);

//清Rxbuffer

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length);

Usart_PutString(\****.*****.NET\\\

//AT+CIPSTART=\\

Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000); //等反馈信号延时

Response_OK(); Response_AT_Connected();

//GPRS_buffer

Delay_ms(10);

//Usart_PutString(\

//Delay_ms(100); //等反馈信号延时

//Response_AT_CREG(); //+CREG: 1,1 //Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length); //GPRS_buffer //Response_OK();

//Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); //清Rxbuffer

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length); //GPRS_buffer //Delay_ms(10);

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);清Rxbuffer Delay_ms(10);

Usart_PutString(\

Delay_ms(100); //等反馈信号延时

Usart_PutString(\//附加到GPRS

Delay_ms(100); //等反馈信号延时 Response_OK();

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

Response_OK(); }

--------------------------------- void Connect_to_ip(void) {

Usart_PutString(\

Delay_ms(100); //等反馈信号延时

//清Rxbuffer

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length);

//GPRS_buffer //Delay_ms(10);

//Usart_PutString(\

Response_OK();

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

//清Rxbuffer

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length); //GPRS_buffer Delay_ms(10);

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//查询是否附着

//Delay_ms(100); //等反馈信号延时

//Response_AT_CGATT();

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 附录A:程序代码

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length);

Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Response_Ready(); // 反馈 > Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

//GPRS_buffer

// Response_OK();

//Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

//清Rxbuffer

//清Rxbuffer

Delay_ms(10);

Delay_ms(1000); //此处加延时是为

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length);

//GPRS_buffer

//Delay_ms(10);

了观察状态,正式程序中去掉

Delay_ms(1000); //此处加延时是为

Usart_PutString(\**\\\

//AT+CIPSTART=\Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000);Delay_ms(1000); //等反馈信号延时

//Response_OK();

了观察状态,正式程序中去掉 Usart_PutString(\ //发送的数据

Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Delay_ms(1000); //等反馈信号延时 Delay_ms(1000); //等反馈信号延时

Response_AT_Sended(); //成功反馈SEND OK

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length);

//清Rxbuffer

Delay_ms(10);

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length); } //GPRS_buffer

Response_AT_Connected();

---------------------------------

-------------串口初始化函数 OK--------------

Clear_Rxbuffer(Rx_buffer_length); void Usart_Init(void)

{

//清Rxbuffer

//Clear_GPRS_buffer(Rx_buffer_length); UCSR0B = 0x00; //设置时停止状态寄存器B

UCSR0A = 0x02; //倍速发送 UCSR0C = 0x06; //八位长度 UBRR0L = 0x67; //set baud rate lo

//GPRS_buffer Delay_ms(10); }

//Receive_from_GPRS;//GPRS接收到的数据 //GPRS接收到的**.***PC发送过来的信息,CONNECT OK成功后若有数据则自动接收 void Txdata_to_ip(void) {

UBRR0H = 0x00; //set baud rate hi 波特率:9600

UCSR0B = 0x98; //接收使能,发送使能,结束中断使能 }

Usart_PutString(\ ---------------------------------- //请求发送数据

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--------------字符发送函数 OK----------

攀枝花学院本科毕业设计(论文) 附录A:程序代码 void Usart_PutChar(unsigned char cTxData) {

UDR0 =cTxData;

while ( !(UCSR0A & 0x40)); //1位 UCSR0A = UCSR0A | 0x40;

er==Rx_buffer_length))

{ Rx_bit=0;

Rx_counter=0;

}

}

---------------------------------

------------字符串发送函数 OK--------- Void Usart_PutString (unsigned char *pcString) {

while (*pcString) {

Usart_PutChar(*pcString++);

if(data=='\\n') {

Enter_flag=1; }

}

} }

--------------------------

---------------缓存区清理函数OK--------- void Clear_Rxbuffer(unsigned char length) {

unsigned char bit; for(bit=0;bit

Rx_data[bit]=0X00; } Rx_bit=0; Rx_counter=0; }

}

}

---------------------------

----------中断处理函数OK不接收空格---- #pragma

interrupt_handler

uart0_rx_isr:19

//uart0 rx中断程序 void uart0_rx_isr(void) {

unsigned char status,data; status=UCSR0A; data=UDR0;

if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0) {

if(data!=' ')

{

Enter_flag=0;

void Clear_CurrentBuffer

(unsigned char bit,unsigned char length) {

unsigned char i=0; for(i;i

Rx_data[bit]=0; } }

Rx_data[Rx_bit]=data; if

((++Rx_bit==Rx_buffer_length)||(++Rx_count

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攀枝花学院本科毕业设计(论文) 附录A:程序代码 ------------程序调试完毕--------- --------端口初始化函数OK------------ void Port_Init(void) {

Delay_1ms();

TCCR1B = 0x00; //stop

TCNT1H = 0x00; //setup TCNT1L = 0x00; OCR1AH = 0x00; OCR1AL = 0x8F; OCR1BH = 0x00; OCR1BL = 0x8F; TCCR1A|=BIT(COM1A1); //TCCR1A|=BIT(COM1A0); TCCR1A|=BIT(COM1B1); //TCCR1A|=BIT(COM1B0); //TCCR1B|=BIT(WGM13); TCCR1B|=BIT(WGM12); //TCCR1A|=BIT(WGM11); TCCR1A|=BIT(WGM10); TCCR1B|=BIT(CS10); //1分频

DDRA = 0xff; PORTA = 0x00; DDRB = 0xF7;

PORTB = 0xF1;

DDRC = 0xff;

PORTC=0xFF;

//PC0->GPRS_PPC1->GPIO8 C4->PWRKEY 关闭GPRS 电源

DDRD=0xFF; //闲置时PD0=1,其他为0 ,IO接灯的正极1亮 0灭,二极管为共阴

PORTD=0x00; //状态显示PD0 停止PD1 开始PD2 通过 PD3失败

DDRE = 0xF3;

}

--------定时器3初始化------ //TIMER3 initialize - prescale:256

PORTE = 0x0c; // WGM: 0) Normal, TOP=0xFFFF DDRF = 0xF0; // desired value: 1.5Sec //PF0-PF3全部输入 PF0为外部按键检测,输入且上拉

PORTF=0x0F; //PF0上拉 DDRG = 0xFF; PORTG = 0x00; }

//TIMER1 initialize - prescale:1

// WGM: 5) PWM 8bit fast, TOP=0x00FF // desired value: 30KHz

// actual value: 31.250KHz (4.0%) void timer1_init(void) {

- 45 -

// actual value: 1.500Sec (0.0%) void timer3_init(void) {

TCCR3B = 0x00; //stop TCNT3H = 0x48; //setup TCNT3L = 0xE6; TCCR3A = 0x00;

TCCR3B = 0x04; //start Timer }

----------------定时器3溢出中断处理程序------ #pragma interrupt_handler timer3_ovf_isr:30 void timer3_ovf_isr(void)

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/4ce8.html

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