硕士学位论文之基于单片机和GSM的农村污水处理嵌入式系统设计.doc

浙江大学硕士学位论文 摘要摘 要基于单片机和gsm的农村污水处理控制器有两大技术。它包括单片机控制技术和gsm远程监控技术。控制系统可以在手动模式、自动模式和gsm管理模式下运行。基于单片机和gsm的农村污水处理控制器的设计包括硬件设计和软件设计两部分。为了在恶劣的工业环境下可靠运行，本文主要需要解决的硬件和软件的可靠性问题。为了在控制系统和指定的手机用户之间实现控制、查询和变更流程，本文还需要探索单片机动态学习短消息的方法。本文按照模块化设计思想，把主控制器和键盘显示控制器分成了若干单元电路，完成了主控制器和键盘显示控制器的电路原理图和pcb图的设计。同时，根据本控制器的工作环境的要求，对原理图和pcb图进行可靠性设计，实现了控制器可以在工业环境下稳定工作。本文按照分层设计思想，把主控制器和键盘显示控制软件分为三层结构。本文重点实现主控制器的软件的可靠性设计和单片机控制器动态学习短消息的方法。关键词： 单片机，gsm，可靠性i abstractabstractdesign and implementation of rural sewage treatment controller based on single chip microcomputer and gsm has two major technologies. it consists of mcu control technology and gsm remote monitoring technology. it can run in manual mode, automatic mode and gsm management mode. design and implementation of rural sewage treatment controller based on single chip microcomputer and gsm includes two parts: the hardware design and the software design.in order to reliable operation in the harsh industrial environments, this paper mainly needs to solve the reliability problem of the hardware and the software.in order to realize the control, query and change process between the control system and the specified mobile phone users, we need to explore the method of mcu dynamic learning the short message.according to the idea of modular design, the main controller and keyboard and display controller is divided into a number of unit circuit, completed the main controller and the keyboard and display circuit design schematic diagram and pcb diagram of the controller. at the same time, according to the controller requirements of the working environment, the reliability design of the schematic diagram and pcb diagram, the controller can work stably in the industrial environment.according to the hierarchical design, the main controller and keyboard and display control software is divided into three layers structure. this paper focuses on the implementation of the method of learning short message reliability design and dynamic controller software.关键词： 单片机，gsm，可靠性key words: single chip microcomputer, gsm, reliability iii浙江大学硕士学位论文 目录目录摘要iabstractii图目录iv表目录v第1章 绪论11.1 课题背景11.2 研究的动机和目标11.3 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器提出11.4 主要完成的工作21.5 本章小结2第2章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器关键技术综述32.1 可靠性的定义32.2 提高可靠性的方法32.2.1 提高硬件可靠性的方法32.2.2 提高软件可靠性的方法42.3 gb码和unicode码转换方法52.4 本章小结5第3章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器需求分析63.1 任务概述63.2 需求的具体指标63.2.1 工艺控制指标63.2.2 硬件指标73.2.3 软件指标73.3 系统需求分析83.3.1 业务流程83.3.2 功能性需求93.3.3 系统的流程103.4 本章小结11第4章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器总体设计124.1 硬件总体结构124.1.1 主控制器硬件功能描述134.1.2 键盘显示控制器硬件功能描述144.1.3 gsm模块接口电路功能描述144.2 总体设计阶段的硬件可靠性设计144.3 软件总体结构154.3.1 主控制器应用层功能描述164.3.2 主控制器二级驱动层功能描述164.3.3 主控制器一级驱动层功能描述174.3.4 键盘显示控制器应用层功能描述174.3.5 键盘显示控制器二级驱动层功能描述184.3.6 键盘显示控制器一级驱动层功能描述184.3.7 电脑软件功能描述184.4 总体设计阶段的软件可靠性设计184.5 本章小结19第5章 硬件详细设计205.1 主控制器电路设计205.1.1 主控制器单片机最小系统和可靠性设计205.1.2 主控制器dc-dc电源电路和可靠性设计215.1.3 主控制器rs232通信接口电路和可靠性设计235.1.4 主控制器开关量输入电路和可靠性设计245.1.5 主控制器继电器输出电路和可靠性设计255.2 键盘显示控制器电路设计265.2.1 键盘显示控制器rs485通信电路和可靠性设计265.2.2 键盘显示控制器键盘输入电路设计275.2.3 键盘显示控制器晶体管输出电路设计285.3 gsm模块的可靠性设计295.4 主控制器和键盘显示控制器pcb图设计295.5 本章小结31第6章 软件详细设计326.1 主控制器应用层程序设计326.1.1 主程序可靠性设计326.1.2 数据保存和恢复应用层程序336.1.3 软件监控应用层程序356.1.4 原水泵手动控制应用层程序366.1.5 de滤池清洗手动控制应用层程序376.1.6 原水泵自动控制应用层程序386.1.7 排泥自动控制应用层程序396.1.8 gsm管理模式短消息动态学习方法406.1.9 gsm管理模式就地短消息学习应用层程序416.1.10 gsm管理模式远程短消息学习应用层程序436.1.11 gsm管理模式远程监控应用层程序436.1.12 gsm管理模式远程主动报警应用层程序446.1.13 gsm管理模式短消息学习电脑程序456.2 主控制器二级驱动层程序466.2.1 输入信号数据转换二级驱动层程序466.2.2 主控制器和键盘显示控制器通信二级驱动层程序476.2.3 主控制器和gsm模块通信二级驱动层程序476.3 主控制器一级驱动层程序设计496.3.1 开关量输入一级驱动层程序496.3.2 读写eeprom一级驱动层程序506.3.3 主控制器和电脑通信一级驱动层程序516.3.4 主控制器和键盘显示控制器通信一级驱动层程序516.3.5 主控制器和gsm模块通信一级驱动层程序516.4 本章小结52第7章 编码实现和运行537.1 数据保护和恢复应用层程序实现537.2 数据保护和恢复应用层程序运行效果607.3 gsm管理模式远程短消息学习应用层程序实现617.4 gsm管理模式远程短消息学习应用层程序运行效果637.5 gsm管理模式远程主动报警应用层程序实现657.6 gsm管理模式远程主动报警应用层程序运行效果68第8章 总结69参考文献71作者简历73致谢74v浙江大学硕士学位论文 表目录图目录图3.1 人机界面图6图3.2 系统流程图10图4.1 硬件总体结构图13图4.2 电源分布图15图4.3 软件总体结构图16图5.1 主控制器单片机最小系统图21图5.2 主控制器dc-dc电源电路原理图23图5.3 主控制器rs232通信接口电路原理图24图5.4 主控制器输入和显示电路原理图25图5.5 主控制器继电器输出和显示电路原理图26图5.6 键盘显示控制器rs485通信电路原理图27图5.7 键盘显示控制器键盘输入电路原理图28图5.8 键盘显示控制器晶体管输出电路图29图5.9 主控制器pcb图30图5.10 键盘显示控制器pcb图30图6.1 主控制器主程序控制流程图33图6.2 数据保存应用层程序流程图34图6.3 数据恢复应用层程序流程图35图6.4 软件监控应用层程序流程图36图6.5 原水泵手动控制应用层程序流程图37图6.6 de滤池清洗手动控制应用层程序流程图38图6.7 原水泵自动控制应用层程序流程图39图6.8 排泥自动控制应用层程序流程图40图6.9 gsm管理模式就地短消息学习应用层程序流程图42图6.10 gsm管理模式远程监控应用层程序流程图44图6.11 gsm管理模式远程主动报警应用层程序流程图45图6.12 短消息学习电脑软件控制界面图46图6.13 输入信号数据转换二级驱动层程序流程图47图6.14 主控制器和gsm模块通信二级驱动层程序流程图48图6.15 开关量输入一级驱动层程序流程图49图6.16 读eeprom一级驱动层程序流程图50图7.1 自动控制模式的运行图61图7.2 远程短消息变更的效果图64图7.3 远程短消息查询的效果图64图7.4 远程短消息主动报警的效果图68表目录表4.1 主控制器应用层程序表16表4.2 主控制器二级驱动层程序表17表4.3 主控制器一级驱动层程序表17表4.4 键盘显示控制器应用层程序表18表4.5 键盘显示控制器一级驱动层程序表18viii浙江大学硕士学位论文第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景“十二五”期间，农村环境保护的重点内容之一是农村生活污水的处理和防治1。政府对农村生活污水处理越来越重视，吸收了国外先进的处理工艺和经验，采用的工艺与国外发达国家的差距也是越来越小。然而，目前农村污水处理控制系统不能比较落后，还存在以下问题：第一、目前农村污水处理控制系统自动化和可靠性差。城市污水处理工程控制系统自动化程度高，往往采用plc、工控机、以太网、dcs控制系统，可靠性高，但价格昂贵2。然而，农村污水处理控制系统由于受价格因素的影响，采用传统的旋钮开关和继电器控制，由于没有cpu参与，实现复杂的自动控制电路比较复杂，可靠性差。第二、目前农村污水处理控制系统不能及时把设备故障信息通知给管理员。首先，农村污水处理控制系统放置的地理位置偏远，管理员很难做到每天去照看设备。其次，农村污水处理设备配备的管理员知识水平低，即使发现设备停机，也不知道哪个部件出现了故障。由于设备故障不能及时通知给设备管理员，设备就不能及时得到维护，这样就会影响设备的使用寿命和污水的处理效果。1.2 研究的动机和目标通过对目前农村污水处理控制系统的分析，目前农村污水处理控制系统存在本身自动化程度低和对设备维护困难的问题。这些已经不适越来越复杂的组合工艺控制的需求和人们对设备远程管理的需求。为此，设计出一种适合中国农村发展的污水处理控制器，达到控制自动化，设备管理远程化的目的。1.3 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器提出单片机和gsm技术的组合为我们提供了很好的解决方案。在自动控制方面，单片机本身就是为控制而设计的，是嵌入式系统独立发展的分支3。单片机的可靠性越来越高，而且单片机性价便宜，适合于批量生产。在工业控制自动化、小家电、汽车、网络通信等领域被广泛应用。也非常适合在农村污水处理控制系统中的应用。单片机在线下载程序功能和仿真功能的出现，大大节约了程序的调试的时间，非常适合现场程序调试4。gsm（global system for mobile communications）应用技术和配套硬件已经越来越成熟。目前，中国移动公司积极发展gsm基站的建设，到2008年9月，已达30.7万个，gsm的信号覆盖率已经高达98% 5。gsm模块也相当成熟，市场上就有西门子、华为等短消息模块，而且价格便宜，可靠性高，使用通用的国际标准，只要发送at指令就可以给手机发送短消息。利用gsm技术和配套硬件，为实现农村污水处理的设备的远程gsm管理提供保障。1.4 主要完成的工作第一、硬件部分，利用protel99设计软件对主控制器、键盘显示控制器的原理和pcb板进行设计和制作。第二、软件部分，利用kiel uvision2开发环境对主控制器和键盘显示控制器的单片机程序输入和编译。用delphi软件完成短消息学习电脑部分软件的编制。1.5 本章小结针对目前农村污水处理控制系统存在的两大问题，提出了基于单片机和gsm的农村污水处理控制器（本控制器）。首先提出了技术上需要解决的两大问题：软硬件的可靠性问题和如何让单片机动态学习unicode码形式的短消息问题。然后，提出了需要解决的变更、查询和控制三方面业务的问题。8浙江大学硕士学位论文 第2章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器关键技术综述第2章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器关键技术综述2.1 可靠性的定义所谓可靠性就是产品在限定的时间和条件下来实现规定功能的一种能力。系统的可靠性由硬件和软件可靠性两部分组成。硬件可靠性就是按照用户的要求，完成硬件系统的预计目标，实现硬件功能的正确性；软件可靠性就是按照用户的要求，完成软件系统的预计目标，实现软件功能的正确性6。2.2 提高可靠性的方法为了提高基于单片机系统的可靠性，要从硬件和软件两方面来考虑，来提高整个系统的抗干扰能力。基于单片机系统在可靠性设计时，要从软件和硬件能否适应工作环境的角度去分析和设计7。2.2.1 提高硬件可靠性的方法如何提高硬件的可靠性呢？第一、要找到干扰源，我们要分析干扰源的类型，要对不同类型的干扰源采取不同的措施。第二、要选择元件，单片机尽量选用集成度高的芯片，最好是一块单片机和少量外围元件就可以构成最小系统；系统工作在极限温度环境，要选用工业级的集成电路，对各电子元件要做老化试验，合格后，方可使用。第三、降低单片机系统的频率，在满足系统执行速度的前提下，可以适当降低系统时钟，通信的波特率，还可以让单片机进入睡眠状态。第四、控制系统结构的设计，好的系统结构相互之间干扰少，如合理的通信结构，合理的电源分布等。其他还有接地设计，屏蔽与去耦设计等6。控制系统硬件的电源部分对提高系统的可靠性非常重要。许多单片机系统的干扰来自于耦合的电源干扰。为了抑制来自电源端的干扰，提高电源的抗干扰能力，可以采取的措施有：220v交流电源进线要经过型低通滤波器，对于高频干扰的抑制效果非常好；由于从交流220v变到低压交流电，一般采用变压器变压的方式，来自交流220v的高频干扰可以从变压器的初级通过变压器初次级间的寄生电容耦合到变压器次级，这种情况可以采用变压器初次间加屏蔽接地方式抑制，并在输出端加高频滤波电容8。pcb印制线走线要短，过长的走线容易引入干扰，地线要粗，可减少线电阻，提高抗干扰能力；易发热的元件，需留pcb板散热空间，元件发热时元件的可靠性下降，易受到干扰。pcb板上的元器件布置要合理，一般可按单元电路，把外围器件尽量放在一起，这样对提高电路的抗干扰能力是有好处的。敏感的电路类，如系统的晶振，复位电路，电压监控电路要与单片机放在一起。按电路功率的大小布置电路单元，一般可以按电源电路，大电流的电路，小电流电路分布，易受干扰的电路不要放在pcb边缘9。综上所述，提高系统硬件的可靠性可以采用抑制干扰源、元件的选择、地线处理、电源布置、控制系统结构设计、pcb布局等措施。2.2.2 提高软件可靠性的方法如何提高软件的可靠性呢？数字滤波技术是常用的用来提高可靠性的方法，它是通过分析干扰源和有效信号的不同点，找到干扰源发生的规律，用软件的方法过滤干扰信号，来提高软件的可靠性。还可以通过指令冗余方法，软件陷阱方法，睡眠唤醒法等提高软件的可靠性6。由于指令冗余方法，软件陷阱方法对于因程序指针pc异常而随机构成的死循环无能为力，“看门狗(watchdog )”技术能够监视这种死循环，当“看门狗”时间溢出，程序指针pc就能跳到程序开始地址，程序就能再次正常运行8。当系统受到干扰后，特别是程序指针pc异常发生改变时，程序指针pc有可能非正常地跳到子程序或程序块内，改变了子程序内变量的内容，得到错误的结果。对于这种情况，我们可以采用“软件锁”的方法。为了保护重要的数据或操作，提高数据访问的安全性，我们先在子程序或程序块调用之前设置“软件锁”，也就是上锁过程，锁一般由两字节以上的ram构成，也可以在最后一字节设为校验字节，然后在访问重要数据或操作之前，判断“软件锁”是否合法，也就是解锁过程，只有合法的“软件锁”，我们才能对重要数据访问或操作，否则，作相应的处理后，让程序正常返回7。综上所述，提高软件的可靠性可以采用数字滤波、指令冗余技术、软件陷阱、“看门狗”技术、“软件锁”等措施。一般在程序中，我们可以综合使用这几种方法。2.3 gb码和unicode码转换方法gb码是我国普遍采用的一种中文文字编码。在文字规范中，我们把这种编码称为“gb2312-80”，这种编码规范与ascii码兼容，它是用2个字节来表示一个中文字符10。unicode码是通过二个字节来统一表示一个字符或符号，是一种通用的国际标准，我们称它为iso/iec10646编码。unicode码采用256行256列的平面来表示的编码空间。unicode码和gb码都用两个字节来表示一个汉字，但是gb码与unicode码之间的互换并无规律、也无算法，通常只能通过查表实现。利用两张表，一张放gb码，一张放unicode码，每张表大小为14k字节，我们可以通过对分查表的方法来实现10。unicode码与gb码的转换，还可以通过专门的集成电路。gt21l16s2w是一款标准汉字字库芯片，它的内部含有1112点阵汉字库和1516点阵汉字库，还包含gb2312国标字集表、ascii字符集表、unicode码字符集表11。我们可以利用此芯片rom内的内码转换表，实现unicode码字符和gb码字符的相互转换11。综上所述，实现gb码和unicode码转换的方法有两种，一种是通过放置在eeprom或程序空间的字符表查表实现，另一种是通过标准汉字字库芯片rom内的内码转换表查表实现。2.4 本章小结针对本控制器要解决的两个关键技术，通过查阅文献资料，为软硬件的可靠性设计和探索单片机如何动态学习unicode码形式的短消息的途径奠定基础。浙江大学硕士学位论文 第3章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器需求分析第3章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器需求分析3.1 任务概述本控制器的控制方式分为手动控制、自动控制和gsm管理三种模式。手动控制模式是一种开环控制模式，主要完成调试和人工跟踪部件故障功能，需要人工干预；自动控制模式是一种闭环控制模式，本嵌入式系统完全按照农村污水处理工艺控制要求，采集现场的输入信号，控制现场的执行部件，定位故障的种类；gsm管理模式是在插入手机sim卡并注册成功后，本控制器会主动加入gsm控制方式，能够把故障及时通知管理员、售后技术工程师和监控电脑。3.2 需求的具体指标3.2.1 工艺控制指标本控制器的工艺控制由人机界面和控制部分以及远程gsm模块组成。控制器安装和更换方便，采用标准导轨，体积小；硬件扩展方便。控制分为手动控制、自动控制和gsm管理三种模式。手动控制主要通过按钮和指示灯显示方式实现对电机、水泵、阀门等动力的开环控制。自动控制主要通过检测液位、限位、故障等信号实现对电机、水泵、阀门、风机、紫外线等动力的联合动作。gsm管理主要通过gsm技术实现对设备的远程管理。人机界面的定义如图3.1。图3.1 人机界面图3.2.2 硬件指标本控制器的硬件部分主要由主制器、键盘显示控制器、gsm通信模块、用户手机、电脑和动力驱动器件等组成。gsm通信模块采用西门子tc35通信模块，可以和单片机一起实现双向短消息通信12。需要设计的部分包括主制器、键盘显示控制器。为了安装和维修方便，主控制器需要用导轨安装，嵌入到控制箱内；键盘显示控制器可以通过插件，直接更换；tc35通信模块和主控制组合放在同一个控制盒内。主控制器是核心部分，需要设计两路rs232通信接口，第一路接口与gsm通信模块连接，第二路接口与键盘显示控制器连接，其中第二路接口兼作为与电脑的通信接口。同时，主控制器可以采集8路开关量输入和5路继电器开关量输出，输入输出都有信号状态指示。键盘显示控制器是人机界面部分，需要设计一路rs232通信接口和一路rs485通信接口，16路键盘输入和16路晶体管输出。其中232通信接口可以与主控制器通信，rs485通信接口为备用接口，可以和外部流量计、超声波液位计、污泥界面仪，以太网协议转换器等连接。在硬件设计时，需要结合本控制器的工作环境设计硬件电路及可靠性。从全局看，要注意电路的结构，按单元设计电路，特别是单片机电源的分布情况。从细节看，要注意元器件的选择，pcb板上元件整体布局和走线，光电隔离、保护等抗干扰措施的设计。3.2.3 软件指标本控制器的软件分为单片机软件和电脑软件。其中单片机软件由主控制器程序和键盘显示控制器程序组成。本控制器采用前后台系统。应用层软件要按照工艺控制要求编制。系统软件分为一级驱动层和二级驱动层。一级驱动层是针对硬件资源的操作；二级驱动层是对一级驱动层的变量作进一步处理，方便应用层使用。主控制器、键盘显示控制器和gsm通信模块之间的通信程序需要自动断线检测和恢复功能。主控制器可以通过gsm通信模块分别向3个手机发送短消息和接收短消息，短消息的接收时间控制在1分钟内。电脑软件和主控制器程序配合，使主控制器具备就地短消息批量学习功能。手机和主控制器软件配合，使主控制器具备远程短消息逐个学习功能及监控功能。在硬件的基础上设计程序时，要对程序进行可靠性设计。从全局看，要注意程序的结构，需要采用分层模块化设计，来提高程序的可读性，可移植性，分清需要经常修改的程序和固定的程序。从细节看，要注意通信程序的协议可靠性，通信的异常处理；程序受干扰后的处理；程序复位后的恢复；关键参数的可靠保存；单片机内部定时器中断、通信中断等失效后的处理等。3.3 系统需求分析3.3.1 业务流程本控制器对时间的要求。主控制器通过gsm模块向3个手机发送短消息，总时间控制在60秒内；主控制器和键盘显示控制器完成一次的通信时间控制在50毫秒内。输入信号的响应时间20毫秒内。本控制器对故障处理要求。当主控制器和键盘显示控制器出现通信异常时，如果5次通信不成功，主控制器和键盘显示控制器分别“看门狗”复位，从复位地址开始重新执行程序，控制输出全部关闭，一直到通信恢复为止；当主控制器和gsm通信模块出现通信异常时，主控制器继续工作，并给gsm通信模块一个复位信号，使gsm通信模块从软件故障中恢复；当系统检测到外部提供的故障信号的故障时，主控制器通过gsm通信模块向管理者、售后技术工程师、监控电脑的手机或终端发送短消息，以中文方式提示故障产生的原因，同时，主控制器通知键盘显示控制器进行现场声光报警。本控制器对环境的要求。本控制器工作的工业环境，感性动力负载多，工作温度-40到75之间，湿度高。本控制器对信号控制的要求。主控制器可以检测8路开关量信号和控制5路继电器开关量输出；键盘显示控制器可以检测16路按键信号和控制16路晶体管开关量输出。本控制器对数据管理的要求。按关键信息记录的个数，主控制器可以存储6k字节的eeprom的数据，同时考虑以后记录个数的增加，还预留22k字节的eeprom存储空间。本控制器对安全的要求。如果需要远程修改主控制器存储的短消息等关键数据，那么主控制器必须要收短消息中包含的权限段才可以修改。如果修改成功，主控制器需要给操作的手机返回“成功”的提示。本控制器对可靠性的要求。本控制器的关键元件能够承受工业环境-40到75的温度，部分元件能承受-40到105的温度，还要承受电源进线二级防雷后，浪涌的冲击。在工业环境下带负荷试运行，无故障运行三个月，方可应用于工程。3.3.2 功能性需求手动控制模式主要包括de滤池电机正反转控制、自吸泵的启停控制、转盘电机的开关控制、原水泵的启停控制、除臭风机的开关控制、排泥阀的开关控制等，其中，de滤池电机正反转受行程开关安全保护的限制。先将“控制电源”按钮按下，电源指示灯亮，控制器的面板可以操作。按下“手动/自动”按钮，指示灯灭，控制器切换到手动状态；再按“手动/自动”按钮，指示灯亮，控制器切换到自动状态，并能够保持停电前的手动/自动状态。按下“自吸泵”按钮，自吸泵指示灯亮，自吸泵启动；再按“自吸泵”按钮，自吸泵指示灯灭，自吸泵停止。按下“转盘电机”按钮，转盘电机指示灯亮，转盘电机启动；再按“转盘电机”按钮，转盘电机指示灯灭，转盘电机停止。按下“原水泵”按钮，原水泵指示灯亮，原水泵启动；再按“原水泵”按钮，原水泵指示灯灭，原水泵停止。按下“紫外线”按钮，紫外线指示灯亮，紫外灯打开；再按“紫外线”按钮，紫外线指示灯灭，紫外灯关闭。按下“除臭”按钮，除臭指示灯亮，除臭启动；再按“除臭”按钮，除臭指示灯灭，除臭停止。按下“排泥”按钮，排泥指示灯亮，排泥启动；再按“排泥”按钮，排泥指示灯灭，排泥停止。自动控制模式主要包括原水泵的自动控制、转盘电机的自动控制、除臭自动控制、de滤池的自动控制、排泥自动控制、紫外线消毒自动控制、超滤自动控制等。自动控制模式时当原水的液位处于高的液位时原水泵启动；当原水的液位处于低的液位时原水泵停止。de滤池平时处于过滤状态，当池内清洗液位处于高液位时，通过电机正反转，带动自吸泵，对滤布进行清洗，电机正反转一次，为一个周期，由限位开关改变运行方向，清洗2个周期后等待下次清洗。排泥按24小时排泥1次，排泥时间为2分钟。上电时额外排泥1次。gsm管理模式主要实现就地短消息学习，远程短消息学习，gsm管理监控和gsm管理报错等。当本控制器内的短消息内容需要变更时，管理员可以通过远程短消息学习方式，更改短消息的内容；当需要对设备控制时，管理员可以通过gsm管理监控方式，控制设备的开关机；当需要对本控制器内的短消息内容查询时，管理员也可以通过gsm管理监控方式，查到已经设置好的短消息内容；当设备出现故障时，本控制器通过gsm管理报错方式，及时把故障的短消息及时提交给管理员。3.3.3 系统的流程本控制器以主控制器为核心，主控制器与键盘显示控制器、电脑之间的数据交换通过232通信接口实现；主控制器与管理者手机间的信息交流，通过主控制器与gsm通信模块的通信实现。主控制器负责控制和数据处理。当主控制器驱动层以中断方式接收到完整的数据段时，再处理和判断数据并执行相应的操作。当需要把应急情况通知设备管理员、售后技术工程师、监控电脑等时，主控制器通过gsm通信模块发送短消息实现。本控制器流程如图3.2。yesnoyesno主控制器上电接收到完整数据段了吗？开始判断数据来自键盘显示控制器、电脑，还是gsm通信模块，并处理数据，执行相应的操作及通信应答执行控制过程需要应急情况通知吗？给设备管理员、监控电脑等发送短消息图3.2 系统流程图3.4 本章小结本章按照系统的设计任务，首先从本控制器的工艺控制指标、硬件指标、软件指标三方面提出要求。在设计硬件和软件时，特别要注意可靠性的要求。接着，提出本控制器的业务流程、功能性需求和系统流程图。17浙江大学硕士学位论文 第4章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器总体设计第4章 基于单片机和gsm的农村污水处理控制器总体设计4.1 硬件总体结构本控制器的硬件总体结构如图4.1，它们是主控制器、键盘显示控制器、gsm模块接口电路、电脑、gsm模块、用户手机、继电器输出和显示电路、晶体管输出和显示电路、接触器和大功率继电器等。主控制器主要由以单片机stc12c5a32s2为核心的最小系统、dc-dc电源、输入和显示电路、输出和显示电路、rs232通信接口电路等组成。键盘显示控制器主要由基于单片机stc12c5a32s2的最小系统、dc-dc电源、输入键盘电路、输出和显示电路、rs232通信接口、rs485通信接口等组成。gsm模块接口电路主要由rs232通信接口、dc-dc电源、sim卡电路组成。主控制器与键盘显示控制器的数据交换，与电脑的数据交换，与gsm模块的数据交换，都是通过rs232接口实现。主控制器单片机最小系统（stc12c5a32s2）键盘显示控制器单片机最小系统 （stc12c5a32s2）gsm模块tc35用户手机1电脑用户手机3用户手机2rs232通信接口晶体管输出和显示电路rs232通信接口输入和显示电路继电器输出和显示电路gsm模块接口电路输入键盘电路rs485接口dc-dc电源dc-dc电源接触器大功率继电器sim卡电路dc-dc电源图4.1 硬件总体结构图4.1.1 主控制器硬件功能描述主控制器的单片机是stc12c5a32s2。主控制器通过输入和显示电路，可以采集8路光电隔离的开关量信号，以及对输入信号的状态指示；通过继电器输出和显示电路，可以为接触器等提供5路继电器输出类型的控制信号，以及对输出信号的状态指示；通过dc-dc电路，可以为主控制器自己和外部传感器等提供电源；通过rs232通信接口，可以与gsm模块、键盘显示控制器和电脑进行数据交换或在线下载程序，以及对通信状态的指示；通过单片机内部的eeprom，可以长期保存关键参数，如：短消息内容、手机号码、开关机状态、手自动状态等。4.1.2 键盘显示控制器硬件功能描述键盘显示控制器的单片机也是stc12c5a32s2，通过输入键盘电路，可以采集16路独立按键信号；通过晶体管输出和显示电路，可以为大功率继电器提供16路晶体管输出类型的控制信号和输出状态指示；通过dc-dc电路，可以为键盘显示控制器自己提供电源；通过rs232通信接口，可以与主控制器进行数据交换或在线下载程序，以及对通信状态的指示。通过rs485通信接口，可以与外部设备如液位计、流量计等进行数据交换。4.1.3 gsm模块接口电路功能描述gsm模块接口主要为gsm模块提供电源和通信信号电平转换以及sim卡接入功能。gsm模块采用西门子工业级gsm通信模块tc35。4.2 总体设计阶段的硬件可靠性设计可靠性在系统整体结构设计时就需要重点注意。在设计初期，电源的分布关系到本系统整体的可靠性。在农村的工业环境下，有些农村的380v电源进线容易受到感应雷的影响，所以在进线的初级需要做二级防雷处理。在开关电源的输出端，如果电压瞬间超过40v，就会超过dc-dc电源电路的最高允许电压，所以在进入dc-dc电源之前需要做了浪涌吸收处理。接着，开关电源的24v输出端通过dc-dc转换电路，把变压以后的不同电压值的电源分别对应供给主控制器、键盘显示控制器和gsm模块。然后，24v开关电源输出端单点接地，这样可以抑制主控制器、键盘显示控制器和gsm模块的电源之间相互影响，为提高系统的整体稳定性打好基础。本控制器的电源分布如图4.2。二级防雷模块工业交流电源24v/35w开关电源24v转5v dc-dc电源24v转12v dc-dc电源12v转4.5v dc-dc电源24v转5v dc-dc电源主控制器cpu及数字电路主控制器继电器线圈主控制器开关量输入gsm通信模块键盘显示控制器cpu及数字电路瞬变浪涌抑制图4.2 电源分布图4.3 软件总体结构本控制器的软件总体结构如图4.3，它们是主控制器单片机程序、键盘显示控制器单片机程序和电脑软件。主控制器单片机程序包括三层，分别是主控制器应用层、主控制器一级驱动层、主控制器二级驱动层。键盘显示控制器单片机程序也包括三层，分别是键盘显示控制器应用层、键盘显示控制器一级驱动层、键盘显示控制器二级驱动层。键盘显示控制器应用层键盘显示控制器二级驱动层键盘显示控制器一级驱动层主控制器二级驱动层主控制器应用层主控制器一级驱动层电脑软件图4.3 软件总体结构图4.3.1 主控制器应用层功能描述主控制器应用层主要按工艺的控制要求实现本控制器手动控制模式、自动控制模式和gsm管理模式。同时，与一级驱动层、二级驱动层进行数据交换。主控制器应用层程序中，数据保护和恢复程序可以使程序运行更可靠；软件监控程序可以监视单片机定时器等资源失效的可靠性。主控制器应用层程序如表4.1。表4.1 主控制器应用层程序表手动控制模式应用层程序自动控制模式应用层程序gsm管理模式应用层程序故障报警处理应用层程序数据保护和恢复应用层程序软件监控应用层程序4.3.2 主控制器二级驱动层功能描述主控制器二级驱动层的主要功能是：进一步处理来自一级驱动层的输入输出信号数据，使生成的数据结构方便应用层使用，同时提高程序的移植性和可读性；完成主控制器和键盘显示控制器的通信数据转换；完成主控制器和gsm模块的通信数据转换。通信异常处理程序可以判断通信数据异常，通信线路异常，从而提高软件的可靠性。主控制器二级驱动层程序如表4.2。表4.2 主控制器二级驱动层程序表输入输出信号数据转换二级驱动层程序主控制器和键盘显示控制器通信二级驱动层程序主控制器和gsm模块通信二级驱动层程序通信异常处理二级驱动层程序4.3.3 主控制器一级驱动层功能描述主控制器一级驱动层接收到来自应用层和二级驱动层的数据后，可以直接操作单片机的硬件寄存器资源和外部接口电路，同时，把处理好的硬件资源和接口电路的数据供二级驱动层进一步处理或直接由应用层调用。主控制器一级驱动层程序如表4.3。表4.3 主控制器一级驱动层程序表信号输入驱动一级驱动层程序控制输出驱动一级驱动层程序eeprom读写一级驱动层程序主控制器和电脑通信一级驱动层程序主控制器和键盘显示控制器通信一级驱动层程序主控制器和gsm模块通信一级驱动层程序系统定时一级驱动层程序4.3.4 键盘显示控制器应用层功能描述键盘显示控制器主要完成设备运行状态的指示和来自主控制器的通信数据处理，其中通信数据处理程序包括通信异常时的可靠性设计和软件监控程序。键盘显示控制器应用层程序如表4.4。表4.4 键盘显示控制器应用层程序表设备运行状态指示应用层程序通信数据处理应用层程序软件监控应用层程序4.3.5 键盘显示控制器二级驱动层功能描述由于键盘显示控制器完成的功能不复杂，无需对来自一级驱动层的数据进一步处理，所以二级驱动层为预留功能，供以后增加程序用。4.3.6 键盘显示控制器一级驱动层功能描述键盘显示控制器一级驱动层主要完成对键盘的检测，控制状态指示输出，串口1通信和系统定时产生等。键盘显示控制器一级驱动层程序如表4.5。表4.5 键盘显示控制器一级驱动层程序表键值读取一级驱动层程序控制状态指示输出一级驱动层程序串口1通信一级驱动层程序系统定时一级驱动层程序4.3.7 电脑软件功能描述电脑软件主要把文本框中的文字，如项目名称、接收短消息内容、控制命令等的gb码转化成unicode码，以及把ascii码形式的接收手机号码，通过串口发送给主控制器，并存储在单片机内部的eeprom中，供主控制器学习短消息13；同时，也可以从主控制器中读取eeprom中的数据，把unicode码转化成gb码，并在文本框中显示。4.4 总体设计阶段的软件可靠性设计总体设计阶段的软件可靠性设计主要体现如下：分层结构使程序结构清晰，整个软件分为三层，它们是一级驱动层、二级驱动层和应用层，一级驱动层程序由不用修改的程序组成，二级驱动层程序由不常修改的程序组成，一旦程序调试成功后，一级驱动层程序和二级驱动层程序基本不用维护，只需要维护应用层程序，这样有利于提高程序的可维护性、可读性，从而在总体设计阶段提高程序的可靠性。4.5 本章小结本控制器的总体结构由硬件总体结构和软件总体结构组成。本章首先描述了本控制器硬件具备的主要功能，接着描述本控制器软件所具备的主要功能，其中软件部分包括单片机程序和电脑程序。在软硬件总体设计阶段，也考虑了总体的可靠性设计。27浙江大学硕士学位论文第5章 硬件详细设计第5章 硬件详细设计5.1 主控制器电路设计主控制器电路设计包括单片机最小系统、dc-dc电源电路、rs232通信接口电路、开关量输入和显示电路、继电器输出和显示电路等的设计。对这些电路的设计包括典型的电路设计和可靠性设计。5.1.1 主控制器单片机最小系统和可靠性设计主控制器的单片机采用stc12c5a32s2-35i。这款单片机运行的指令周期为1t，具有超强抗干扰的特点14。主控制器的最小系统具备高的集成度，外围只需要几个分立元件。硬件方面，单片机内部集成了专用复位电路，独立时钟的看门狗电路，8路10位高速度ad转换电路，32k字节的程序空间，28k字节的eeprom，1024个字节的外部ram和256字节的内部ram，40个i/o端口，2个全双工串口等。软件方面，单片机内已固化在线可编程系统程序，无需专用编程器就可以在线下载用户程序14。主控制器单片机最小系统如图5.1。以前，单片机最小系统中单片机集成化低，为了满足可靠性需要，还需在外围增加看门狗、复位、电压监控等电路，现在的单片机内都已经集成了这些和可靠性有关的电路，单片机本身就可以构成最小系统，大大缩小了占用pcb板的空间，比以前的单片机最小系统可靠性更高。在单片机电源端加入去耦电容，减少对其他电路的干扰。晶振xt1尽可能靠近单片机，金属外壳接地。由于单片机最小系统用敷铜网格屏蔽，这样可以吸收来自空间的高频干扰，使单片机最小系统运行更可靠。在拔插电源的瞬间或外部220v交流电的扰动，普通的rc复位电路很难保证单片机的可靠复位，会出现单片机“死机”的情况。为了避免这种情况的发生，以前往往额外加上具备电压检测的复位电路或专用复位集成电路如max810、x25045，现在的单片机内部已经集成了max810专用复位电路，体积小，更能保证单片机可靠复位。在选择元器件时，为了适应工业环境，单片机选择了工业级的系列，能够保证单片机最小系统在-40到85环境下可靠运行。从数据保存的安全性考虑，偏低的电压会影响读取eeprom数据的可靠性。p4.6端口的第二功能是低电压检测端，可以检测到数据在读写前，电压是否偏低。独立时钟的硬件“看门狗”电路，可以保证程序跳飞时，不出现“死机”现象。单片机在其他方面的可靠性，如3.5v到5.5v宽的工作电压，20kv的esd保护，可以过4kv的群脉冲干扰等，这些都能提高单片机最小系统的可靠性14。图5.1 主控制器单片机最小系统图5.1.2 主控制器dc-dc电源电路和可靠性设计lm2596为开关型电压调节集成电路，开关