毕业设计少量内容

基于GPRS的水质参数监测系统设计
---单片机msp430的硬件设计
设计总说明
针对我国主要的水质监测系统存在水质采样能力弱、数据处置不及时、缺乏水质转变预警机制等问题，设计了基于GPRS和MSP430F149单片机的水质实时远程监测系统。

该系统通过数据收集模块传感器收集到水质数据信息后经放大处置后传给单片机，通过单片机的处置，通过GPRS将实时监测到的水质状况传到监测信息处置中心，使监测中心工作人员足不出户即能掌握辖区水质信息，从而使监测中心的管理在机制上实现从人工化向信息化的转变，克服了过去对各项水质指标的监测主要靠工作人员到现场手工取样，带回实验室分析后再作出结论，周期长、效率低的问题，还能够提高对水质的监测频次，克服过去由于监测频次低，所造成的后果是总结出来的水质参数可信度较低，该系统不仅能自动监测水质参数，结构简单、本钱低，而且能及时发送监测数据，没必要人工干与，特别适合天气转变比较复杂和无人值守的情形，有效地提高了水资源的利用率，有较
好的推行应用价值。

关键词：GPRS；MSP430F149；单片机；实时监测；传感器
Based on the Water Quality Parameters of GPRS Design of the Monitoring
System
——Microcontroller msp430 Hardware Design
Design Description
According to the problem existing in the main water quality monitoring system, such as the week ability of water sampling, the not timely data processing, and the warming mechanism of water quality change, the real-time remote monitoring system of water quality is designed, which is based on the microcontroller GPRS and MSP430F149. First, the water quality data information is collected by the data acquisition module sensor, then after amplification processing to microcontroller. After that, the real-time monitoring water quality conditions will be transmitted to monitoring information processing center through GPRS. Therefore, the staff can master the jurisdictions water quality information without leaving home, making monitoring center in mechanism of management to realize the transformation from information artifialization.
This system will overcome the the problem of long cycle and low efficiency existing in the past, that is the monitoring of various water quality, and mainly the staff spot sampling and then take them back to the laboratory to analysize and make conclusion. And it also can improve the water quality monitoring frequency and overcome the low credibility of water quality parameters caused by the low monitering frequency. Moreover, this system not only automaticlt monitor the water quality parameters, and its simple structure, low cost, but also timely send monitoring data without manual intervention, especially for the weather of more complex and unattended , it can improve the utilization ratio of water resources and has higher application value.
Key Words：GPRS；Microchip；Real Time Monitoring System；Sensor
1绪论 (4)
2水质监测系统的概述 (4)
3系统的硬件组成 (6)
系统硬件结构框图 (6)
硬件电路组成 (6)
3.2.1复位电路 (6)
12864液晶显示器 (7)
3.2.5 稳压电源电路 (8)
3.4.1温度传感器 (10)
3.4.3流量传感器 (11)
GPRS模块 (12)
3.5.1 GPRS网络实现 (12)
3.5.2 GPRS数据传输的实现方式 (12)
3.5.3 G200模块的特点 (12)
3.5.4各部份的作用 (13)
3.5.5与单片机的连接 (14)
1绪论
水是人类赖以生存的自然资源，对水的用途不仅有量的要求还必需有质的保证。

可是，人类在日常的生产与生活活动中，将大量的生活污水、工业废水、农业退水及各类废弃物未经处置直接排入水体，造成江河、湖库和地下水等水源污染，引发水质恶化，影响生态系统，要挟人体健康，因此需要及时了解和掌握水环境质量状况。

现今世界的水环境面临两大问题：水资源欠缺和谁污染加重。

工业废水和城乡生活污水向江河湖海及土壤中的大量排放，使地表水和地下水的水质日趋恶化，加倍剧了水资源的紧张，严峻制约了经济的进展且危害着人类的健康。

严峻的水形势提高了人们对水污染控制的重视程度，各国都在加大和加速水污染治理的力度和速度。

随着淡水资源的日趋减少和水污染的不断加重，水质监测变得愈来愈重要。

由于用水的用户具有地址分散而且用户多的特点，有效且靠得住的实现对水质的检测已成为一个必需解决的问题。

目前，实现对水质指标数据的测试与检测的方式很多，多数存在保护不方便和利用费用太高的问题，随着通信技术和运算机技术的迅速进展，远程数据收集和实时监控已经有了比较好的解决途径。

无线远程数据收集和监控与传统有线方式相较具有不受地理环境、气候等因素限制的长处，已经在许多行业取得应用。

用于电话短信收发的GPRS模块提供的短信功能具有随时在线、不需拨号、价钱廉价、覆盖范围广的特点,特别适合于传送小流量低频度检测数据。

传统的解决办法往往是自建专用无线通信网或有线通信网来进行数据传输，但这些技术大多存在通信范围有限、费用高、通信需要拨号等不足，针对这一现状，本文提出了基于GPRS的水质参数监测系统。

该系统应用短信技术，实时收集水质数据并判断水质的转变，若是有转变，则以短信的方式将实时水质数据发送到监测部门监控系统和相关管理人员的电话上，以便及时进行水质预报，减少水害损失，提高水资源的利用率，产生较大的社会效益和经济效益。

2水质监测系统的概述
远程水质监测系统主要分为数据收集、数据传输和数据分析三部份，系统结构框图如图1所示。

系统现场单元通过在线监测仪表（如传感器）实时收集到各项数据，并将数据打包、
保留在存储器中，然后有无线通信模块经GPRS数据传输网络把数据传输集中到Internet 服务器的数据中心DSC。

当需要掌握监测点的情形时，监控人员能够在终端PC上通过数据管理系统来查看、统计和分析服务器上数据中心DSC的各项数据。

当某参数超过警告值时，报警装置随时作出反映。

图 2-1系统总结构框图
现场单元主要由测量仪表、传感器、无线通信模块DUT和控制单元组成。

其中，测量仪表提供监控点瞬时流量、积累流量等数据；传感器提供水质参数；无线通信模块DUT与GPRS 网络进行通信，负责传输现场单元的仪表和传感器的测量数据；控制单元有单片机及外部电路组成，是现场单元的核心部份，负责协调测量仪表、各传感器和无线通信模块的资源，使它们有条不紊地工作。

3系统的硬件组成
系统硬件结构框图
本设计中的水质监测系统硬件主要由MSP430F149的最小系统、12864LCD液晶显示器、GPRS通信电路、稳压电源电路、传感器。

由传感器收集到的水质信息通过MSP430F149处置后，通过GPRS模块，将水质信息传输到远程控制端（电话或PC机）主要功能模块组成框图如下：
图3-1 系统的硬件结构框图
硬件电路组成
3.2.1复位电路
复位是单片机的初始化操作。

单片机启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个肯定的初始状态，并从那个状态开始工作。

因此，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能自动进行复位的，必需配合相应的外部电路才能实现。

当MSP430系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机械周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

若是RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

按照应用的要求，复位操作采用上电复位。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

图中电容
C1和电阻R1对电源十5V来讲组成微分电路，上电复位电路是利用RC充电原理实现的,初始上电,电容两头等电位,则RESET为高电平,随着对电容的充电,RESET端电位逐渐降低,直至低电平,复位进程结束.RC的选取应使RESET端维持10ms的高电平,才能实现靠得住复位.
图3-2 MSP430F149最小系统复位电路
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。

单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄放器复位后的状态为肯定值。

系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默许的硬件状态下。

单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态劣等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。

单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄放器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变
12864液晶显示器
本系统LCD显示器主要显示的是传感器检测到的信号，FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可组成全中文人机交互图形界面。

能够显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块组成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相较，不论硬件电路结构或显示程序都要简练得多，且该模块的价钱也略低于相同点阵的图形液晶模块。

12864液晶显示器采用ST7920作驱动。

12864液晶接口是一个2.54mm间距的20脚单排插针座，能够连接任何以ST7920为驱动器的12864液晶模块。

12864液晶接口列位的概念，接口左起是第1位。

第3位V0为调整液晶偏压输入端，通常不用连接，考虑到通用性咱们将V0连接到了一个3296标准封装的电位器(R16)的中间抽头处，并焊接上一个电位器进行调整。

第15位是液晶数据传输模式的选择位，若是PSB接高电平则液晶工作在并行数据传输模式，若是PSB接低电平则液晶工作在串行数据传输模式。

此位连接到了跳线座P13的第2脚，P13的第1脚与VCC连接，第3脚与GND连接，能够利用短路帽来决定PSB连接到那一种电平。

第17位是液晶的复位端，此端口直接与VCC相连，电后液晶模块自动完成复位功能。

在对液晶进行操作之前，第一设置好正确的数据传输模式。

液晶控制端口利用的逻辑电平，而背光驱动则利用+5V。

图3-5 LCD液晶显示电路
3.2.5 稳压电源电路
本系统需要利用+5V和+3．3V的直流稳压电源，其中MSP430Fl49及部额外围器件需要+3．0V电源，另外部份需要+5V电源。

在本系统中，以+5V直流电压为输入电压，+3．0V 由+直接线性降压。

电源电路图如下所示：
3.3 C8051 简介
8051是INTEL公司開發相當成功的單晶片，在教育界顶用來當作單晶片學習的入門首選，由於其利用的普及，因此目前有好幾家設計半導體晶片的公司也有製造與8051相容的單晶片，而有些公司所製造出來的單晶片其執行的速度更快，能够高達40MHz，若利用者想加速單晶片系統的執行速度時能够選用此一類型的8051晶片。

由於8051在教育界的大量利用，業界也有很多的利用，所以未來的市場還是相當被看好。

無怪乎還有眾多的廠商紛紛推出相容的單晶片，及支援8051程式的發展工具。

目前市面上還有一種名為AVR的單晶片(由ATMEL公司所開發及生產)。

AVR系列單晶片擁有8051及PIC的特色。

AVR單晶片是精簡指令集電腦(RISC)的微控制器(MCU)，所有執行效能較8051好，可是卻有複雜指令集電腦(CISC)有較多較好用的指令能够用，和原廠提供的完整開發工具，將使AVR單晶片更有競爭力
3.4 C8051F 特点
具有上手快(全兼容8051指令集)、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和生效快(调试手腕灵活)的特点，其性能优势具体体此刻以下方面：
基于增强的CIP-51内核，其指令集与MCS-51完全兼容，具有标准8051的组织架构，能够利用标准的803x/805x汇编器和编译器进行软件开发。

CIP-51采用流水线结构，70%的的指令执行时刻为1或2个系统时钟周期，是标准8051指令执行速度的12倍；其峰值执行速度可达100MIPS(C8051F120等)，是目前世界上速度最快的8位单片机。

增加了中断源。

标准的8051只有7个中断源Silicon Labs 公司C8051F系列单片机扩展了中断处置这对于时实多任务系统的处置是很重要的扩展的中断系统向CIP-51提供
22个中断源允许大量的模拟和数字外设中断一个中断处置需要较少的CPU干与却有更高的执行效率。

集成了丰硕的模拟资源，绝大部份的C8051F系列单片机都集成了单个或两个ADC，在片内模拟开关的作用下可实现对多路模拟信号的收集转换；片内ADC的采样精度最高可达24bit，采样速度最高可达500ksps，部份型号还集成了单个或两个独立的高分辨率DAC，可知足绝大多数混合信号系统的应用并实现与模拟电子系统的无缝接口；片内温度传感器则能够迅速而精准的监测环境温度并通进程序作出相应处置，提高了系统运行的靠得住性。

集成了丰硕的外部设备接口。

具有两路UART和最多可达5个按时器及6个PCA模块，另外还按照不同的需要集成了SMBus、SPI、USB、CAN、LIN等接口，和RTC部件。

外设接口在不使历时能够别离禁止以降低系统功耗。

与其他类型的单片机实现相同的功能需要多个芯片的组合才能完成相较，C8051单片机不仅减少了系统本钱，更大大降低了功耗。

增强了在信号处置方面的性能，部份型号具有16x16 MAC和DMA功能，可对所收集信号进行实时有效的算法处置并提高了数据传送能力。

具有独立的片内时钟源(精度最高可达%)，设计人员既可选择外接时钟，也可直接应用片内时钟，同时能够在内外时钟源之间自如切换。

片内时钟源降低了系统设计的复杂度，提高了系统靠得住性，而时钟切换功能则有利于系统整体功耗的降低。

提供空闲模式及停机模式等多种电源管理方式来降低系统功耗
实现了I/O从固定方式到交叉开关配置。

固定方式的I/O端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。

在C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置，外设电路单元通过相应的配置寄放器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。

复位方式多样化，C8051F把80C51单一的外部复位进展成多源复位，提供了上电复位、掉电复位、外部引脚复位、软件复位、时钟检测复位、比较器0复位、WDT复位和引脚配置复位。

众多的复位源为保障系统的安全、操作的灵活性和零功耗系统设计带来极大的益处。

从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试。

C8051F在8位单片机中率先配置了标准的JTAG接口（）。

C8051F的JTAG接口不仅支持Flash ROM的读/写操作及非侵入式在系统调试，它的JTAG逻辑还为在系统测试提供边界扫描功能。

通过边界寄放器的编程控制，可对所有器件引脚、SFR总线和I/O口弱上拉功能实现观察和控制。

C8051F系列单片机型号齐全，可按照设计需求选择不同规模和带有特定外设接口的型号，提供从多达100个引脚的高性能单片机到最小3mmX3mm的封装，知足不同设计的需要。

基于上述特点，Silicon Labs 公司C8051F系列单片机作为SoC芯片的杰出代表能够知足绝大部份场合的复杂功能要求，并在嵌入式领域的各个场合都取得了普遍的应用：在工
业控制领域，其丰硕的模拟资源可用于工业现场多种物理量的监测、分析及控制和显示；在便携式仪器领域，其低功耗和壮大的外设接口也超级适合各类信号的收集、存储和传输；另外，新型的C8051F5xx系列单片机也在汽车电子行业中崭露头角。

正是这些优势，使得C8051单片机在进入中国市场的短短几年内就迅速盛行，相信随着新型号的不断推出和推行力度的不断加大，C8051系列单片机将迎来日趋广漠的进展空间，成为嵌入式领域的时期宠儿
此系列单片机完全兼容MCS-51指令集，容易上手，开发周期短，大大节约了开发本钱。

C8051F系统集成度高，总线时钟可达25M
复位电路
3.4.1温度传感器
温度传感器选择DS18B20。

DS18B20可组网数字温度传感器而成，具有耐磨耐碰，体积小，利用方便，封装形式多样，适用于各类狭小空间设备数字测温和控制领域。

1.应用范围
(1). 该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域
(2). ，缸体，纺机，空调，等狭小空间工业设备测温和控制。

(3). 汽车空调、冰箱、冷柜、和中低温等。

(4). 供热/制冷管道热量计量，中央空调分户热能计量和工业领域测温和控制
2.特点
独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了散布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为 V至 V 无需测量温度范围为-55℃至+125 ℃ 。

华氏相当于是-67 ° F到257 -10 ℃至+85℃范围内精度为±0.5℃
温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可概念的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，产品温度计，或任何热敏感系统
描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。

信息被发送到/从DS18B20 通过1线接口，所以与DS18B20只有一个一条口线连接。

为读写和温度转换能够从数据线本身取得能量，不需要外接电源。

因为每一个DS18B20的包括一个独特的序号，多个ds18b20s能够同时存在于一条总线。

这使得温度传感器放置在许多不同的地方。

它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机械，并进行进程监测和控制。

3. DS18B20内部组成
DS18B20内部结构主要有四部份组成：64位光刻ROM，温度传感器，温度报警触发器TH和TL,配置寄放器。

(1). 光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它能够看做是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的（=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，如此就可以够实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

(2). DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的读数形式提供，以0.0625℃/形式表达，其中S为符号位。

COD
3.4.3流量传感器
流量传感器选用：RC1002智能电磁流量计。

RC1002型智能电磁流量计适用于测量封锁管道中流动的导电性液体的体积流量，具有LCD显示、脉冲输出和4～20mA输出。

它普遍用于水处置、化工、造纸、医药、冶金、城市建设等领域的计量控制系统。

（1）主要特点:
压力损失小无阻挡件，压损小，寿命长
精度高精度可达±%
流速 ~10m/s
双向正反向流量都可测量
失电保护 EEPROM可保护设定参数和累计值
高清楚度LCD显示
阻尼功能 1～50秒可选响应时刻
（2）主要技术指标：
介质电导率：＞5us/cm
电流输出： 4～20mA DC，负载电阻(0～750Ω)
脉冲输出/频率输出
报警输出上下限报警输出
LCD显示：％，瞬时，累计显示
规格： 10～1000mm
衬里：氯丁橡胶，聚四氟乙烯，聚氨酯橡胶
电压：AC85~250 45~63Hz；DC 16V~36V
介质温度：T1≤120℃，T2≤180℃
工作压力：≤
环境温度：–10～+55℃
GPRS模块
GPRS（General packet radio service）是通用分组无线业务的简称。

它是在1993年提出的，是GSM Phase2+规范实现的内容之一，是第二代移动通信技术向第三代（3G）的过渡，通常也将GPRS称为2.5G。

3.5.1 GPRS网络实现
GPRS是通过升级GSM网络实现的，它采用TDMA方式传输语音，采用分组的方式传输数据。

GPRS采用线路互换的方式来实现语音通话，但在因特网上的数据传递则采用分组互换方式。

由于这两组网络具有不同的互换体系，致使彼其间的网络通信几乎都是独立运行的。

3.5.2 GPRS数据传输的实现方式
GPRS 在原有GSM网络基础之上，新增了两个节点——SGSN（Serving GPRS Support Node）和GGSN（Gateway GPRS Support Node），形成了移动分组数据互换网络。

SGSN是GSM网络结构中的一个节点，它与SMC处于网络体系的同一层。

SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，而且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和同意。

GGSN通过基于IP协议的GPRS骨干网连接到SGSN，是连接GSM网络和外部份组互换网（如因特网和局域网）的网关。

GGSN主如果起网关作用，也有将GGSN称为GPRS路由器。

GGSN能够把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而能够把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或网络。

SGSN和GGSN利用GPRS隧道协议（GTP），对IP或分组进行封装，实现二者之间的数据传输。

因此，GPRS的大体功能实在移动终端和运算机通信网络的路由器之间，提供了分组传递业务。

GPRS网络分为两个部份：无线接入和核心网络。

无线接入部份在移动台与基站子系统BSS之间传递数据；核心网在BSS与标准数据通信网络边缘路由器之间中继传递数据。

本设计选用了G200GPRS通信模块。

这款GPRS模块的目的是让即便不懂GPRS无线通信和互连网络知识的人也能专门好的利用GPRS技术为工控项目服务。

G200模块的核心硬件是利用世界知名移动通信产品厂商生产的GPRS集成块而设计生产的，具有很高的靠得住性。

3.5.3 G200模块的特点
一、没必要关心模块的射频电路部份（利用的是移动运营商的公网）。

及相关硬件连接。

二、没必要关心AT指令集。

对应用工程师而言下专门大的功夫去消化几十页乃至是上百页的英文的AT指令集利用资料，是一件要花很多时刻费专门大精力的情形。

所有与AT 响应有关的操作都是由G200模块在模块的内部完成。

3、没必要关心TCP/IP协议及互连网络的相关知识：由于GPRS 模块是基于互连网的通信方式，在利用中就要与INTERNET 网络打交道，所有与网络的信息互换都是G200 模块在内部自动完成的。

不必用户参与。

4、没必要用户单独拥有一个固定的IP地址。

五、具有格式及透明传输两种传输格式。

六、与各类组态软件直接连接不必专用的驱动程序。

7、支持总线式的被动传输数据方式。

八、利用G200时，用户只需要拥有以前所熟悉的串口通信知识就可通过GPRS网络进行通信。

3.5.4各部份的作用
一、外形尺寸图见附件一，示意见图3─8
图3-8外形尺寸
2 、安装方式：本机在两个侧面各有四个安装螺孔，尺寸为M3。

安装尺寸见附件一：外形尺寸图。

3 、指示灯：本机有四个单绿色和一个单红色指示灯，别离对应外壳印字上的L1,L2,L3,L4,POW。

其中L1-L
4 是模块的信号指示灯，犹如电话屏幕上的信号强度指示，从L1开始，指示灯亮的越多，表明信号强度越强。

POW指示灯是内置GPRS模块的状态指示灯，当未登岸GPRS网络时，指示一直亮，登岸以后，每隔2秒钟闪烁一次。

4 、天线连接座：本连接座的连接器为SMA型，连接外接天线。

五、连接插座：本机的连接插座由两芯和五芯的两个插座组成，其功能如下
(1) 两芯电源线插座：
VCC：直流正电源输入，电压范围为5-12V
GND：电源地
(2) 五芯数据线插座：
RXD：模块的串口接收，与单片机的TXD相连
TXD：模块的串口发送，与单片机的RXD相连
GND：地线（与电源地相连）
NC1：设置用
NC2：设置用
3.5.5与单片机的连接
模块的五芯口的电平是TTL，若是单片机的接口电平不是TTL，要在模块与单片机之间用电平转换线连接以便转换接口电平以适应单片机的接口电平。

TTL电平的单片机与模块的连接图如下：
图3-9 单片机与TTL电平的连接。