1、远程监测；MC35i；AT89C51单片机；数据采集湖北师范学院教育信息与技术学院2012届学士学位论文（设计）1.前言随着社会的进步与发展，人们对通信的需求日益迫切，对通信的要求也越来越高，尤其是在远程监控这一方面。目前基于公共网络的通讯手段在工业远程监控中得到初步的应用。这些远程通讯手段包括公用电话网，因特网络等。这些远程通讯方法具有投资少，免维护，成本低，可靠性高等特点，在一些对操作和监控的实时性要求不高的情况下具有很高的性价比。GSM网具有覆盖范围宽、传输信息量大、双向无线信息传输、支持用户数多的优点。利用GSM网络对远程目标进行监控；是GSM网络新业务扩展的重要方向，也是对设备进行远
2、程监控的较好选择。随着GSM通讯网络的不断完善，短消息以其覆盖区域广、快捷、高效、准确、费用低，受环境影响小等特点，使得短消息开始被逐渐应用于工业控制、环境监测等领域。尤其在分布式远程数据采集和监控领域，可以随时随地通过GSM模块以短消息的方式接收现场的终端设备状态，便于集中管理和远程管理。系统无需建立专用网络，直接利用中国移动通信网即可实现实时数据传输。利用手机短信远程控制并监视家居设备是一种简单易行的方法。用户通过发送一条短信即可控制家居设备或监视其状态,突破了现场操作模式的局限。随着人们生活水平的提高，花卉逐渐收到人们的青睐，陶冶情操，净化空气。利用单片机设计了一款家庭智能浇花系统实现自
3、动浇花，节省人力，方便人们出差的时候，不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器，手动浇花。根据湿度浇花时，数码管上显示是目前的湿度。当检测的湿度低于设定的湿度，就开始浇花，到了设定的湿度就停止浇花。当检测湿度足够，就不需要浇花。因此，设计远程控制智能花卉浇灌系统设计对现在的生活是非常必要的。2.系统功能及设计要求一个很好的系统，它的功能设计首先要符合用户的习惯，同时操作方便，易学，易用本系统应该包括AT89C51单片机、键盘电路、短信模块电路、数据存储电路、湿度传感器模块和控制模块等。当外出的人们需要时，就可以直接发送短消息，系统接收到短消息后开始工作，当检测的湿度低于设定的湿度，就开始
4、浇花，到了设定的湿度就停止浇花。该系统还应该具有高度自动化特性，以便在家中无人时，系统能够确保稳定工作。系统能够实现自动浇花不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器，手动浇花整个电路要求以AT89C51系列单片机为控制核心，以串行通信方式传输数据。各模块之间通过485总线连接构成分布式测控系统，传感器模块和控制模块通过485总线与单片机连接。单片机与其他系统间需要符合RS422及RS485标准接口的SP490E，以增大通信距离，增强抗干扰能力。要求设计方案能在现实条件下实现功能，同时实时、可靠、可行、维护简单，利于推广。3系统总体设计方案本设计采用价格低廉，性能稳定，低功耗的AT89C5
5、1单片机和GSM短信模块MC35i实现智能控制。系统主要由GSM短消息收发模块和智能浇花模块2部分组成。其中短消息收发模块采用MC35i，智能浇花由数据采集模块和控制执行模块和浇水模块3部分组成。控制模块由I/O口控制外部继电器，由继电器控制电磁水阀。浇花部分由继电器，保险丝，电磁阀，水管。应用手机短消息的湿度远程监测系统总体框图，如图3.1所示。单片机是系统的核心，要完成数据处理，存储，传输，人机界面显示等功能。这此功能的实现可用AT89C51系列单片机。该单片机中包含中央处理器（CPU）,程序存储器（FLASH），数据存储器（SRAM），定时/计数器，UART串口、串口2，I/O接口，高速
6、AD转换，SPI接口，PCA，看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。AT89C51系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所在单元模块，可称上一个片上系统。此系列单片机具有1个时钟/机器周期8051，超强加密，高速高可靠，低功耗，价钱超低，并且强抗静电，强抗干扰等多项优点。系统工作可以分为数据采集终端的单片机发送现场数据，接收控制指令，主控制器单片机读取数据，发送控制指令。显示器时钟电路键盘存储器温度采集模块控制模块短信模块AT89C51单片机湿度控制浇花图3.1应用手机短消息远程监测的智能浇花系统总体框图GSM模块选用西门子MC35i模块，它是一款三频段GSM/GSM无线模块。
7、模块接口简单、使用方便且功能强大。它支持标准的AT命令及增强AT命令。SIM300能够提供GSM多信道类型多达10个，并支持四种GSM编码方案。模块与移动应用设备SIM300内部功能模块有：键盘和SPI类型的LCD接口，方便用户开发自己应用设备；具有调试和数据输出两个串口；双音频通信，包含两个麦克风输入和两个话筒输出，由AT指令配置其工作模式。3.1短信息模块通常情况，基于SMS短信息服务的无线数传监视和控制系统为一个点到多点的远程无线双向数据通信和控制系统t如图l所示。系统的中心点为数据或监控指挥中心，由计算机网络、数据库、电子地图和GSM通信接口组成。监控中心主要完成各种信息和数据的收发和
8、黎理：一方面，接收各个监控点上传的信息和数据，并把它们放人相应的数据库和分发给相应的监控计算机，以实现对各个监控点的监控和管理；另一个方面，监控中心响应监控计算机发出的对各个监控点的控制信息，并且把这些信息下发到相应的监控点上，从而达到对监控点设备进行控制的目的。短消息模块示意图3.2SIM卡GSM网络GSM无线通信控制终端图3.2短消息模块框图3.2智能浇花模块智能浇花主要由LTM8901湿度传感器，AT89C51单片机，按键调整，数码管显示等部分组成。由于土壤的湿度影响土壤的电阻值，当土壤湿度低时土壤电阻高，土壤湿度高时土壤电阻低。所以可用土壤电阻的变化作为是否浇水的依据。或者直接运用湿度
9、传感器进行湿度的实时采集。本系统采用模数转换芯片ADC0809采集花盆湿度信息，ADC0809是一个8输入8位的AD转换芯片，则数据输出范围为（00xFF）。所以可以处理至少8个花盆，本设计只处理一个花盆的情况。既是地址选择线全部接低电平，选择输入通道IN0.51单片机是核心处理芯片，把ADC0809采集到的湿度值（范围00xFF）进行数据处理，与预设的湿度界限进行比较，如比较显示花盆需要浇水，则通过继电器和电磁阀实现浇水控制，同时采用LED指示状态。采用FLASH芯片AT24C02保存状态。通用数据采集模块主要完成传感器模拟信号的采集与传送。湿度控制浇花结构图如图3.3所示 AT89C51单
10、片机LTM8901湿度传感器按键调整数码管显示继电器保险丝电磁阀水管图3.3 湿度控制浇花结构图4.主要应用器件及技术原理介绍4.1芯片选择及简介4.1.1微处理器选择AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。 AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。C5
11、1单片机串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口1。它可用作异步通信方式（UART），与串行传送信息的外部设备相连接，或用于通过标准异步通信协议进行全双工的C51多机系统，也能通过同步方式，使用TTL或CMOS移位寄存器来扩充I/O口。C51单片机通过管脚RXD（P3.0，串行数据接收端）和管脚TXD（P3.1，串行数据发送端）与外界通信。SBUF是串行口缓冲寄存器，包括发送寄存器和接收寄存器。它们有相同名字和地址空间，但不会出现冲突，因为它们两个一个只能被CPU读出数据，一个只能被CPU写入数据。图4.1是51单片机串行口结构。图4.1 51单片机串行口结构本设计串行口采用工作方式一，用定时
12、器一工作在方式2做为波特率发生器，为可变的10位异步通信接口方式。发送或接收一帧信息，包括1个起始位0，8个数据位和1个停止位1。图4.2是异步通信的字符帧格式：图4.2 异步通信字符帧格式输出当CPU执行一条指令将数据写入发送缓冲SBUF时，就启动发送。串行数据从TXD管脚输出，发送完一帧数据后，就由硬件置位TI。输入在（REN）=1时，串行口采样RXD管脚，当采样到1至0的跳变时，确认是开始位0，就开始接收一帧数据。只有当（RI）=0且停止位为1或者（SM2）=0时，停止位才进入RB8，8位数据才能进入接收寄存器，并由硬件置位中断标志RI；不然信息丢失。所以在方式1接收时，应先用软件清零R
13、I和SM2标志。4.1.2 GSM收发模块MC35iGSM是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。GSM采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相似。因此，现有的基站子系统（BSS）从一开始就可提供全面的GSM覆盖。GSM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
14、务7。GSM理论带宽可达171.2Kbit/s，实际应用带宽大约在40100Kbit/s，在此信道上提供TCP/IP连接，可以用于INTERNET连接、数据传输等应用。GSM是一种新的移动数据通信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP或X.25服务。GSM采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，资源被有效的利用，数据传输速率高达160Kbps。GSM无线通信控制终端，如图4.3所示。被控设备传感器执行机构微控制器GSM通信模块图4.3 GSM无线通信控制终端MC35i是新一代的双频GSM无线模块，集成有射频单元和基带处
15、理器，可工作于900MHz和1800MHz两个频段，支持数据、语音、短消息和传真功能。工作电压为3.3到4.8V，典型电压为4.2V;通过接口连接器和天线转接线连至SIM卡座和天线，支持波特率自动选择，利用AT命令实现数据双向传输。MC35i数据接口工作在CMOS电平（2.65V），单片机通过7404型OC门电路对MC35i的控制和通信信号进行电平转换。系统加电后，为使MC35i进入工作状态，必须给IGT加一延时大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不能超过100ms。启动后IGT应保持高电平3.3V，驱动IGT时MC35i的供电电压不能低于3.3V，否则MC35i将不能被激活。4.1.3
16、RS-232接口芯片在单片机应用系统中，数据通信主要采用异步串行通信。在设计通信接口时，必须根据需要选择标准接口，并考虑传输介质、电平转换等问题。采用标准接口后，能够方便地把单片机和外设、测量仪器等有机地连接起来，从而构成一个测控系统。同样当我们需要单片机和PC机通信时，通常采用RS-232接口进行电平转换。RS-232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。STC单片机与PC机的通信也是采用该种类型的接口。由于STC系列单片机本身有一个全双工的串行接口，因此该系列单片机用RS
17、-232C串行接口总线非常方便。RS-232C不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换，否则将使TTL电路烧坏，实际应用时必须注意。常用的电平转换集成电路是传输线驱动器MC1488和传输线接收器MC1489。另一种常用的电平转换电路是MAX232。MAX232芯片是美信公司专门为电脑的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。图4.4 MAX232引脚图4.1.4 A/D转换器选择ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一
18、个进行A/D转换。是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位，具有转换起停控制端，转换时间为100s（时钟为640kHz时），130s（时钟为500kHz时），单个+5V电源供电，模拟输入电压范围0+5V，不需零点和满刻度校准。工作温度范围为-40+85摄氏度低功耗，约15mW。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，内部结构如图所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输
19、入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz
20、的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。4.2通讯协议系统中的通讯协议包括两部分
21、，即主机与参数检测模块和控制输出模块之间的485通讯协议，还有主机与短信模块之间的短信通讯协议。4.2.1 485通讯协议主机与各数据采集模块和控制模块之间采用485通讯协议。以发送控制指令为例，短信模块接收到用户手机指令后，通过译码后送给主机，然后主机再通过485完成相应的操作。格式为:ENQ+模块地址+指令代码+数据+回车。当检测到收到信息后，处理器会通过485接口协议控制执行机构去完成相应的动作。通讯协议采用MODBUS标准通讯协议，该变频器可以作为从机与具有相同通讯接口并采用相同通讯协议的上位机（如PLC控制器、PC机）通讯，实现对变频器的集中监控，另外用户也可以使用一台变频器作为主机
22、，通过RS485接口连接数台本公司的变频器作为从机。以实现变频器的多机联动。通过该通讯口也可以接远控键盘。实现用户对变频器的远程操作。该变频器在RS485网络中既可以作为主机使用，也可以作为从机使用，作为主机使用时，可以控制其它本公司变频器，实现多级联动，作为从机时，PC机或PLC可以作为主机控制变频器工作。具体通讯方式如下：（1）变频器为从机，主从式点对点通信。主机使用广播地址发送命令时，从机不应答。（2）变频器作为主机，使用广播地址发送命令到从机，从机不应答。（3）用户可以通过用键盘或串行通信方式设置变频器的本机地址、波特率、数据格式。（4）从机在最近一次对主机轮询的应答帧中上报当前故障信
23、息。ASCII通讯协议10位字符框（For ASCII）（172格式，无校验）（171格式，奇校验）（171格式，偶校验）11位字符框（For RTU）（182格式，无校验） （181格式，奇校验）（181格式，偶校验）4.2.2 短信通讯协议系统短信通讯协议主要定义了用户手机与模块之间进行通讯的格式，完成湿度查询度。短信服务。是最早的短消息业务，也是现在普及率最高的一种短消息业务，通过它移动电话之间可以互相收发短信，内容以文本、数字或二进制非文本数据为主，目前，这种短消息的长度被限定在140字节之内。SMS以简单方便的使用功能受到广大用户的欢迎，迅速普及，但却始终是属于第一代的无线数据服务，
24、在内容和应用方面存在技术标准的限制。5.系统硬件电路设计5.1系统整体电路设计图5.1系统整体电路设计基于SMS的远程控制智能花卉浇灌系统主要由LTM8901湿度传感器，GSM短信模块MC35i，AT89C51单片机，按键调整，数码管显示等部分组成。当人们外出时，需要发送一个短消息给GSM短信模块MC35i，SIM在接收到短消息后，将信息传给单片机，单片机再将传来的信息与提前设定的指令作比较，当指令与设定的相符合就开始浇花，不符合就不浇花。5.2短消息处理电路设计基于SMS的远程监控系统主要由设备监控终端、集中监控中心系统、通信信道3部分组成。采用RS232直接连接和SMS短信两种混合的通信方
25、式；主要硬件设备为手机短信模块和手机短信接收终端。图5.2 短消息处理电路设计5.3晶振及系统复位电路图5.3晶振内部方式 图5.4 复位电路XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。本系统采用内部方式，串行通信采用波特率9600，晶振选用22.1184MHz。电路图如图5.3所示。在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将
26、使单片机复位，只要这个脚保持高电平，芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功。能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的00H处开始运行程序。电路图如图5.4所示。5.4智能浇花电路设计既是地址选择线全部接低电平，选择输入通道IN0.51单片机是核心处理芯片，把ADC0809采集到的湿度值（范围00xFF）进行数据处理，与预设的湿度界限进行比较，如比较显示花盆需要浇水，则通过继电器和电磁阀实现浇水控制，同时采用LED指示状态。采用FLASH芯片AT24C02保存状态6系统软件设计6.1系统软件设计流程图系统初始化向SIM卡发送AT指令
27、请求服务发送成功与原来的AT指令对比结束Y根据指令决定是否浇水开始NSIM卡接收短息读出短信息译码将信息反馈给单片机图6.1 系统软件设计流程图6.2短信处理流程系统只使用MC35i的短消息收发功能。MC35i的数据输入/输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITURS232接口标准，它有固定的参数8位数据位和l位停止位，无校验位，波特率为300b/s115kb/s可选，系统设置为9600b/s;由连接器的SYNC脚控制灯的状态来判断MC35i的工作状态。单片机控制短消息收发子程序，流程如图3所示。初始化工作包括设置串口速率、无线网络登陆及设置短信模式为PDU模式，在主机上电初始化时一并完成
28、。如图6.2所示发送短消息GSM网络传输发送成功？YESNo图6.2 短消息处理流程图整个系统的通信协议的设计思想是基于帧的传输方式，即在向串口发送数据时是帧一帧的发送，而短信的数据发送量是比较小的，如果以文本方式的话，帧最大的数据长度是160个字节，如果是以PDU格式发送的话，帧最大的长度是140字节（70个汉字）所以，很多控制命令是要多帧发送的，整个系统的信息流的传输过程是采用发送应答，重连失败，如果控制命令的长度小于单帧长度，当系统发送数据后，等待应答标志。如果控制命令的长度大于单帧长度，系统只有在控制命令的所有帧发送完后才等待应答标志，是否决定重发。6.3智能浇花的软件设计1：土壤湿度采集：根据传感器采集信号，传给模数转换芯片ADC08098，ADC0809将模拟值转换成数字值（00xFF）9。经过数据线传输给单片机。2：继电器控制电磁水阀：单片机通过IO控制继电器，打开或者关闭电磁水阀；即对花盆是否浇水；如果采集到湿度不够，即花需要浇水，则单片机就会控制继电器打开电磁水阀对花盆进行浇水。3：其他模块：I2C总线的E2PROM存储器用作状态保存，保存由按键选着的花种类型（喜湿、喜干、中性）；LED彩灯则指示这不同类型，三种颜色对于三种类型；还有一个LED指示是否浇水状态，如果是浇水状态着灯亮，否则熄灭。软件分为主流程
