基于GSM的温度数据采集.docx

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基于GSM的温度数据采集

摘要

随着GSM（GlobalSystemforMobilecommunication）移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈，新技术和新业务的开发和应用已经提到一个十分重要的位置。

短消息业务（SMS）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。

温度是工业生产过程中测控的重要参数之一，在国防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用。

尤其在航天、材料、能源、冶金、化工等领域中，温度测量占有极重要的地位。

利用GSM短消息业务能够实现数据的远程通信，这一技术适用于野外测量环境，在工业监测领域中有着广泛的应用前景。

本文针对生产生活中温度测量的需要，以GSM网络作为远程信号的传输平台，在可行性和实用性的原则指导下，以STC89C52单片机为控制核心，利用DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器、数据通信模块（GSM模块MZ28，通过标准AT指令控制）和直流电机驱动模块等外围电路元件实现温度的采集和数据的传输的功能。

关键词：

GSM；温度测量；远程检测；STC89C52；DS18B20；MZ28；AT指令

BasedonGSMtemperaturedatecollection

Abstract

AlongwithrapidpopularizationandfuriouscompetitionofGSMnetwork,researchandapplicationofnewtechnologyandnewoperationhavebeenmentionedtoaquiteimportantposition.SMSasabasicserviceofGSMnetworkhasbeenattendedbymoreandmoresystemoperatoranddeveloper,andkindsofapplicationsbasedonthisservicehavebeenrapiddeveloped.

Thetemperatureisindustrialproductionprocess,oneoftheimportantparametersformeasurementindefense,militaryandscientificexperimentsandindustrialandagriculturalproductionprocess,temperaturemeasurementandcontrolhasaveryimportantrole.Especiallyinaerospace,materials,energy,metallurgy,chemicalindustry,etc,temperaturemeasurementoccupiesanimportantposition.UsingGSMshortmessageservicecanrealizethedataremotecommunication;thistechnologyissuitableforfieldmeasurementenvironment,andinthefieldofindustrialmonitoringwidely.

AimingATtheproductionandlivingwiththeneedsofmeasurementtemperature,GSMnetworkasremotesignaltransmissionplatform,thefeasibilityandpracticability,guidedbyprinciplesofSTC89C52microcontrollerascontrolcore,DALLAS（DALLAS）usingthetemperaturesensorDS18B20productioncompany,datacommunicationmodule（GSMmoduleMZ28,throughstandardATcommandcontrol）anddcmotordrivermoduleperipheralcircuitcomponentstorealizethecollectionoftemperatureanddatatransmissionfunction.

Keywords:

GSM；Temperaturemeasurement；Remotedetection；STC89C52；DS18B20；MZ28；ATinstructions

目录

摘要I

AbstractII

1绪论-1-

1.1课题背景及现实意义-1-

1.2单片机概况-1-

1.3GSM系统简介-2-

1.4温度检测仪的总体设计与工作原理-3-

2温度检测仪的硬件设计-3-

2.1温度检测仪的硬件设计概述-3-

2.2传感器的选择-4-

2.2.1DS18B20的主要特性-5-

2.2.2DS18B20的外形和内部结构-5-

2.2.3DS18B20工作原理-6-

2.3数据处理模块-7-

2.3.1单片机的选择原则-7-

2.3.28位单片机STC89C52-7-

2.4数据通信模块-9-

2.4.1GSM模块MZ28-9-

2.4.2GSM模块接口电路-10-

2.5人机对话模块-12-

2.5.1键盘接口电路-12-

2.5.2显示接口电路-14-

2.6其他重要电路的设计-17-

2.6.1电源电路-17-

2.6.2时钟电路-18-

2.6.3复位及复位电路-19-

3温度检测仪的软件设计-20-

3.1单片机系统软件设计概述-21-

3.2主程序设计-22-

3.3GSM模块软件设计-22-

3.3.1相关的GSM模块AT指令-22-

3.3.2利用通信模块实现短消息-23-

4温度检测仪的抗干扰设计-24-

4.1干扰源分析-24-

4.2硬件抗干扰设计-24-

4.2.1电源抗干扰设计-24-

4.2.2过程通道抗干扰设计-25-

4.3软件抗干扰设计-25-

4.3.1看门狗技术-25-

4.3.2冗余技术-26-

5总结-26-

参考文献-27-

1绪论

1.1课题背景及现实意义

近年来无线通信成为热门，包括移动电话、无线寻呼、卫星通信等在内的无线通信技术得到了迅速的发展和广泛的应用。

GSM（GlobalsystemforMobileCommunication）全球移动通信系统是当前发展最成熟、国内覆盖最广、系统可靠性最高、话机持有量最大的数字移动通信系统。

它是在蜂窝系统的基础上发展而成的，属于第二代数字移动通信系统。

它是目前基于时分多址技术的移动通信中比较成熟、完善且应用广泛的一种系统。

GSM模块是继GSM手机外又一种非常重要的GSM移动通信系统的终端设备。

它是传统调制解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。

它的出现给GSM的发展注入了新的活力，改变了传统的以话音为主的通信手段，打开了GSM网络数据通信及其应用的大门。

由于调制解调器必须通过专用通信网进行通信，因而受地域、线路等影响，在应用上有很大的局限性。

而GSM模块则无此限制，所以基于这种模块，以GSM网络作为无线传输网络，可以开发出各种前景极其乐观的各类应用。

温度是工业生产过程中测控的重要参数之一，在国防、军事、科学试验及工农业生产过程中，温度的测量和控制具有十分重要的作用。

尤其在航天、材料、能源、冶金、化工等领域中，温度测量占有极重要的地位。

在材料学领域里，由于温度是影响材料的组织结构和性能的一个十分重要的工艺参数，精确有效地检测和控制温度，特别是在材料研究中，实现高精度测量，是十分有意义的。

近年来温度计量方面的发展大致集中于在温度计量及仪表中采用高新技术，尤其是信息技术以及在有特殊要求、传统技术难以解决的测温场合进行重点应用研究和探索。

随着手机应用资费的不断下调及其通信网络的不断完善，应用手机短消息来进行远程监控具有很广阔的应用前景，使用GSM短消息来传递数据信息也是近年来遥测遥控发展领域中的热门技术。

某些测温设备位于环境恶劣的野外或是在无人值守的条件下，如果在数据的传输部分加装GSM短消息模块，便可利用GSM公用网组成的传输系统，使系统的可靠性、抗干扰性、稳定性、可维护性、功能扩展性等方面具有明显的优越性，并可降低运营成本和劳动强度。

1.2单片机概况

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算数运算、逻辑运算、数据传送、中断处理等）的微处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统[1]。

虽然单片机只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义。

由于单片机从功能和形态来说都是为满足控制领域应用的要求，并且随着单片机的发展，在其中着力扩展了各种控制功能，已突破了微型计算机（Microcomputer）的传统内容，所以更准确的反映单片机本质的叫法应是微控制器（Microcontroller--MCU）。

按内部数据通道的宽度，单片机可分为4位、8位、16位及32位等。

单片机有两种基本结构形式:

一种是在通用微型计算机中广泛采用的，将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构，称为普林斯顿（Princeton）结构，也称冯·诺伊曼结构；另一种是将程序指令存储器和数据存储器截然分开，分别寻址的结构，称为哈佛（Harvard）结构[2]。

考虑到单片机“面向控制”实际应用的特点，一般需要较大的程序存储器，目前的单片机以采用程序存储器和数据存储器截然分开的结构为多。

综合看来单片机具有如下明显的特点[3]:

（l）体积小、性价比高。

单片机内部包含了计算机的基本功能部件，能满足很多应用领域对硬件功能的基本要求，且其应用系统的引板小，接插件少，安装调试简单。

（2）可靠性高，适用的温度范围高。

单片机芯片一般是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这一特点是其它机种无法比拟的。

（3）控制功能强。

单片机面向控制，它的实时控制功能特别强，CPU可以直接对I/O口进行各种操作（输入/输出、位操作以及算术逻辑操作等），运算速度高，时钟达16MHz以上，对实时事件的响应和处理速度快。

（4）指令系统相对简单，较易掌握。

指令中有较丰富的逻辑控制功能指令，能较方便的直接操作外部输入输出设备。

（5）易于产品化。

单片机以上特性，缩短了单片机应用系统样机至正式产品的过渡过程，缩短了研制周期，可使科研成果迅速转化成生产力。

由于单片机具有这些特点，使它在工业控制、智能仪表、外设控制、家用电器、机器人、军事装置等方面得到了广泛地应用。

用单片机制作的测量、控制仪表，能使仪表向数字化、智能化、多功能化、柔性化发展，并使监测、处理、控制等功能一体化，使仪表重量大大减轻，便于使用，同时降低了成本，提高了性价比。

当前用COMS工艺制成的各种单片机，由于功耗低，使用的温度范围大，抗干扰能力强，能满足一些特殊要求的应用场合，更加扩大了单片机的应用范围，也进一步促进了单片机技术的发展[4]。

1.3GSM系统简介

GSM系统是一种典型的开放式结构，作为一种面向未来的通信系统，它具有下列主要特点[5]:

（1）GSM系统由几个分系统组成，各分系统之间都有定义明确且详细的标准化接口方案，保证任何厂商提供的GSM系统设备可以互连。

同时，GSM系统与各种公用通信网之间也都详细定义了标准接口规范，使GSM系统可以与各种公用通信网实现互连互通。

（2）GSM系统除了可以开放基本的话音业务外，还可以开放各种承载业务、补充业务与ISDN相关的各种业务。

（3）GSM系统采用FDMA/TDMA及跳频的复用方式，频率重复利用率较高，同时它具有灵活方便的组网结构，可满足用户的不同容量需求。

（4）GSM系统具有较强的鉴权和加密功能，能确保用户和网络的安全需求。

（5）GSM系统抗干扰能力较强，系统的通信质量较高。

随着移动通信技术的发展，根据目前GSM网络技术成熟，覆盖范围广的特点，合理有效的利用GSM网络资源，可以避免搭建专用数据传输网的成本高、通讯距离短、通讯效果差等诸多难题。

1.4温度检测仪的总体设计与工作原理

本文设计的温度监测仪主要应用于无人值守场所的温度测量，其总体结构如图1-1所示。

传感器将电信号送入数据处理模块，做出相应的处理得到温度值，将温度值实时显示，以方便日后对数据的比较、分析、处理。

同时，每隔一定时间利用GSM模块将温度值发送到相关人员的手机上，以便及时了解温度的动态变化，实现了经济、可靠的远程数据传输。

2温度检测仪的硬件设计

2.1温度检测仪的硬件设计概述

智能仪器系统硬件体系结构的选择，主要是根据应用系统的规模大小、控制功能性质及复杂程度、实时响应速度及检测控制精度等专项指标和通用指标决定。

硬件设计过程中，器件应选择和筛选，在布线和安排时，要注意制作技术和装配技术，以克服电气干扰。

根据系统规模及可靠性要求考虑，本温度监测仪采用单片机系统。

如图2-1所示，系统硬件组成主要有:

DS18B20温度传感器，8位单片机STC89C52，LCD1602液晶显示模块，GSM模块MZ28等。

在电路部分设计中，尽可能采用典型的线路，力求标准化，电路中的相关器件性能必须匹配。

为确保仪表能长期可靠运行，还须采取相应的抗干扰措施，包括去藕滤波、合理的走线与布局以及通道隔离等。

2.2传感器的选择

现实对象的原始信息可能是非电量的其他物理量、化学量，首先要经过传感器转变成电量才能为后面的电路接收。

当输入的非电量变化时，传感器的输出信号可以表现为变化的电压、变化的电流或者变化的频率，其中除频率可以直接看成数字信号外，电压及电流都仍是连续变化的模拟信号[6]。

在传统的模拟信号远距离温度测量系统中，需要很好的解决引线误差补偿问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题，才能够达到较高的测量精度。

另外一般监控现场的电磁环境都非常恶劣，各种干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。

因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最有效方案。

美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20型单线智能温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统中[7]。

全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网、抗干扰能力强等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。

2.2.1DS18B20的主要特性：

[8]

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；

（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；

（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；

（9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2.2.2DS18B20的外形和内部结构[9]

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的外形及管脚排列如下图2-2；其管脚接法如图2-3

DS18B20引脚定义：

（1）DQ为数字信号输入/输出端，与单片机的I/O口相连；

（2）GND为电源地；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

2.2.3DS18B20工作原理

DS18B20测温原理如图2-5所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图2-5中的斜率累加器用于补偿和

修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

2.3数据处理模块

2.3.1单片机的选择原则[10]

单片机是整个控制系统的核心，它的选择将对整个系统产生决定性的影响，一般应从如下几个方面考虑是否符合控制系统的要求：

（1）字长；

（2）寻址范围和寻址方式；

（3）指令种类和数量；

（4）内部寄存器的种类和数量；

（5）单片机的速度；

（6）中断处理能力。

除上述六个方面外，单片机的外围电路的配套、器件的来源、软件的支持等，也是设计人员必须考虑的因素。

在工业控制系统中，对常规外围设备一般要求不高。

在多数情况下，只要考虑显示和键盘及串行通信口即可。

2.3.28位单片机STC89C52

本论文研究的基于GSM的温度数据采集系统采用8位单片机——STC89C52作为系统芯片。

它使得整个系统设计成本降低，降耗节能，而且测量精度也大大提高，满足温度测量系统的设计要求。

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失性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。

STC89C52主要功能如表2-1所示。

表2-1STC89C52主要功能

主要功能特性

兼容MCS51指令系统

8K可反复擦写FlashROM

32个双向I/O口

256x8bit内部RAM

3个16位可编程定时/计数器中断

时钟频率0-24MHz

2个串行中断

可编程UART串行通道

2个外部中断源

共6个中断源

2个读写中断口线

3级加密位

低功耗空闲和掉电模式

软件设置睡眠和唤醒功能

STC89C52引脚介绍

a）主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接+5V电源

GND（Pin20）：

接地线

b）外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin18）：

片内振荡电路的输出端

c）控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）:

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）:

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）:

外部存储器读选信号

EA/VPP（Pin31）:

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

d）可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别为P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39-Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0-P0.7

P1口（Pin1-Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0-P1.7

P2口（Pin21-Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0-P2.7

P3口（Pin10-Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0-P3.7

2.4数据通信模块

2.4.1GSM模块MZ28[11]

GSM模块是继GSM手机外又一种非常重要的GSM移动通信系统的终端设备。

它是传统调制解调器与GSM无线移动通信系统相结合的一种数据终端设备。

它的出现给GSM的发展注入了新的活力，改变了传统的以话音为主的通信手段，打开了GSM网络数据通信及其应用的大门。

本温度监测仪使用中兴通讯推出的GSM无线双频调制解调器MZ28，它主要为语音传输、短消息发送和数据业务提供无线接口。

MZ28集成了完整的GSM电路和接口。

图2-7为MZ28的功能框图，主要的组成部分有:

GSM基带处理器（包括模拟基带和数字基带）、GSM射频电路、存储器、SIM卡、电源和功率控制电路、系统连接器。

通过SMB插座可外接天线，通过系统连接器可连接外部电源、外接SIM卡、串行接口、音频接口。

在图2-7中，虚线内部为MZ28主板的各个组成单元，虚线之外为外部接口。

MZ28主板完成了GSM的所有功能，此外主板还有两个外部接口:

20引脚的系统连接器和SMB插座。

系统连接器是MZ28与应用系统的连接接口，主要提供外部电源、RS-232串口、外接SIM和音频接口。

MZ28系统连接器采用20脚的扁平插座，通过扁平电缆接至系统开发板或用户的应用系统中。

MZ28可以作为无线引擎，嵌入到用户自己的产品当中，用户可以用单片机或其他CPU的UART口，使用相应的AT命令，对模块进行控制，达到使其产品可以轻松进入GSM网络的目的。

2.4.2GSM模块接口电路

MZ28使用外部直流电源供电，供电电压范围为:

3.6V-4.2V。

为保证模块正常工作，直流电源应有2A的峰值电流输出能力。

要特别注意当直流电压低于3.2V时会使模块自动关机。

用户在使用模块时应在靠近模块电源的输入端加一大的滤波电容，推荐1000uF以上，以保证模块的供电电压有较小的纹波。

当用户在使用模块的过程中，出现下列现象:

呼叫不成功，呼叫时自动关机，不能读取SIM卡中的内容，无法收到呼叫信号时，通常是由于供电电压和供电电流偏小造成的，这是可适当提高供电电压和允许输出的最大电流，使其达到模块正常工作所需要的额定值，以避免出现上述现象。

MZ28模块通过一个20脚的连接器提供同外部相连的接口，使用此接口可以同PC机进行RS-232通讯，完成程序下载和数据业务等功能，并且完成对MZ28的供电。

下表